Colegiul National “Ion Creanga” Clasa a XI-a A

1. Ultrasunete Colegiul National “Ion Creanga”Clasa a XI-a A Proiect realizat de: Cuhut Olga Mariana Dragan Maria Alexandra Profesor coordonator: Dima Daniela

2. Cuprins: 1.INTRODUCERE -Sunetul 2. ULTRASUNETELE. PRODUCEREA ULTRASUNETELOR -Definitia ultrasunetelor -Producerea ultrasunetelor 3. PROPRIETATILE SI APLICATIILE ULTRASUNETELOR -Proprietatile ultrasunetelor -Efectele produse de ultrasunete -Aplicatiile ultrasunetelor 4. INTERACTIUNEA ULTRASUNETELOR CU MATERIA -Mecanisme de interactiune -Operatii tehnologice efectuate sub actiunea ultrasunetelor 5. UTILIZAREA ULTRASUNETELOR -Ultrasunetele in tehnica -Ultrasunetele in medicina 6. GLOSAR 7. ACTIVITATE EXPERIMENTALA 8. ANIMALE CARE EMIT ULTRASUNETE 9. BIBLIOGRAFIE

3. Introducere:Sunetul • Din punct de vedere fiziologic, sunetul constituie senzaţia produsă asupra organului auditiv de către vibraţiile materiale ale corpurilor şi transmise pe calea undelor acustice. • Urechea umană este sensibilă la vibraţii ale aerului cu frecvenţe între 20 Hz şi 20 kHz, cu un maxim de sensibilitate auditivă în jur de 3500 Hz. Acest interval depinde mult de amplitudinea vibraţiei şi de vârstaşi starea de sănătate a individului. Odată cu vârsta intervalul de sensibilitate se micşorează, în special frecvenţele înalte devin inaudibile. • Din punct de vedere fizic, sunetulare o definiţie mai largă, el nefiind legat de senzaţia auditivă: orice perturbaţie propagată printr-un mediu material sub forma unei unde se numeşte sunet. În această definiţie se includ şi vibraţii la frecvenţe din afara domeniului de sensibilitate al urechii: infrasunete (sub 20 Hz) şi ultrasunete (peste 20 kHz). • Un caz particular de sunet este zgomotul, care se remarcă prin lipsa obiectivă sau subiectivă a unei încărcături informaţionale. Zgomotul deranjează fie prin senzaţia neplăcută pe care o produce, fie prin efectul negativ asupra transmiterii de informaţie. Orice zgomot poate fi perceput ca sunet util dacă i se atribuie o valoare informaţională. • Din punct de vedere muzical(sau estetic), sunetul este o entitate caracterizată de patru atribute: înălţime, durată, intensitate şi timbru. Înălţimii îi corespunde frecvenţa (măsurată în Hz) şi intensităţii îi corespunde nivelul de intensitate sonoră (măsurat în dB).

4. 1. ULTRASUNETELE. PRODUCEREA ULTRASUNETELOR Definitia ultrasunetelor • Ultrasunetele sunt vibratii elastice care au frecventa mai mare decat frecventa maxima a oscilatiilor care produc senzatia auditiva. Domeniul de frecventain care se percep ultrasunetele este intre 20 kHz si 10 000 000 kHz.

5. Producerea ultrasunetelor • Undele ultrasonice se obtin prin metode: • mecanice • magnetostrictive • piezoelectrice. • Corpul care vibreaza si genereaza unde ultrasonice este denumit sursa acustica sau sursa de ultrasunete. • La baza obtinerii ultrasunetelor se afla cel mai adesea fenomenul piezoelectric, efect descoperit in anul 1880 de catre Pierre si Jacques Curie. Aparitia polarizarii electrice la suprafata unui cristal atunci cand asupra lui se exercita o presiune mecanica sau o tractiune se numeşte efectpiezoelectric direct. Aplicarea unui camp electric pe suprafata unui cristal piezoelectric duce la contractia sau dilatarea acestuia si la emisia unor unde acustice. Acest fenomen se numeste efect piezoelectric invers. • Materialele piezoelectrice cele mai folosite sunt: titanatul de bariu, zirconatul de plumb (materiale piezoceramice) si fluorura de poliviniliden (material plastic).

6. Cuartul natural sau cel sintetic poseda de asemenea proprietati piezoelectrice, avantajele acestuia fiind rezistenţa mecanică şi frecarea internă redusă. Materialele piezoceramice poseda o mai buna eficienta a conversiei energiei electrice in energie mecanica, sunt ieftine, se prelucreaza usor si necesita tensiuni scazute. • Efectul magnetostrictiv consta in faptul ca unele materiale feromagnetice isi modifica dimensiunile la magnetizare. Atunci cand aceste materiale se afla intr-un camp magnetic variabil, ele incep sa oscileze, devenind surse de unde acustice. • Traductoarele de ultrasunete asigura conversia reciproca si succesiva a energiei electrice in energie mecanica. • Pe suprafaţa interioara dinspre mediul asupra caruia se actioneaza este dispusa uneori o lentila acustica. Lentila este denumita si strat adaptiv de sfert de lungime de unda, rolul său fiind acela de focalizare si de a face ca fiecare impuls electric sa il intareasca pe celalalt, marind astfel randamentul traductorului. • Fasciculul de ultrasunete. Materialul piezoelectric nu emite o singura unda ultrasonica, ci un fascicul care porneste de pe toata suprafata materialului.

7. 2. PROPRIETATILE SI APLICATIILE ULTRASUNETELOR. Proprietatile ultrasunetelor: • nu sunt percepute de organul auditiv al omului; • se pot obtine si sub forma unor fascicule inguste; • transporta o cantitate insemnata de energie; • ele sunt puternic absorbite de substante in stare gazoasa.

8. Efectele produse de ultrasunete: • pot provoca incalziri locale; • duc la omogenizarea unor sisteme dispersate cum ar fi: solutii coloidale, emulsii etc.; • pot distruge starea de omogenitate a unor astfel de sisteme; • pot accelera si chiar provoca unele reactii chimice; • pot favoriza procesele de polimerizare si invers; • produc fenomenul de cavitatie, care consta in aparitia unor goluri in fluide in miscare; • provoaca perturbatii mecanice in interiorul celulelor vii, care pot duce pana la distrugerea microorganismelor.

9. Aplicatiile ultrasunetelor • Pe baza fenomenului de cavitatie se pot curati piese metalice, cazane, se pot perfora sau taia metale; • Avand in vedere ca ultrasunetele pot distruge microorganisme, ele se utilizeaza la prepararea serurilor si vaccinurilor, la sterilizarea si conservarea alimentelor; • Datorita incalzirii locale pe care o produc cand acced pe tesuturile organismului, ele se pot folosi pentru tratamentul unor nevralgii etc.

10. 3. INTERACTIUNEA ULTRASUNETELOR CU MATERIA Mecanisme de interactiune: La trecerea undelor ultrasonore printr-un mediu suntposibile trei mecanisme de interactiune: • mecanismul termic • cavitatia • mecanismul de stress

11. Mecanismul termic Cand ultrasunetele interactioneaza cu materia, o parte din energia fasciculului poate fi absorbita de mediu si transformata in caldura. Cantitatea de caldura generata pe unitatea de volum a mediului este proportionala cu intensitatea acustica si cu coeficientul de absorbtie si invers proportionala cu densitatea mediului si cu caldura lui specifica. Se apreciaza ca dupa o crestere initiala, temperatura va tinde catre o valoare de echilibru. Un corp mic supus uniform ultrasunetelorva suferi o crestere mica dar rapida, in timp ce un corp mare, expus uniform unui camp ultrasonor de aceeasi intensitate, va atinge o temperatura finala mai inalta, dar intr-un interval de timp mai mare.

12. Cavitatia Prin actiunea mecanica, chimica si termica se pot produce intr-un mediu lichid bule (cavitati) cu sau fara continut de gaze sau vapori. Producerea acestor cavitati si efectul pe care acestea il au asupra mediului in care sunt produse poarta denumirea de cavitatie. Cavitatia poate fi stabila sau temporara. Spre deosebire de cavitatia stabila, cavitatia temporara este mai violenta si apare la niveluri ale intensitatii ultrasonore mai mari. Cavitatia este puternic distructiva pentru organismele vii, datorita efectelor chimice, mecanice si termicegenerate in timpul exploziei cavitationale.

13. Mecanismul de tensionare In sisteme eterogene supuse actiuniicampului ultrasonor apar forte rezultate clasificate astfel: • forte ascensionale, care sunt oscilatorii • forte de radiatie sau de deplasare • forte de variatie a vascizitatii

14. Operatii tehnologice efectuate sub actiunea ultrasunetelor: • dispersia este procesul fizicde raspandire a particulelor unei substante printre particulele altei substante • curatirea cu ultrasunete este mult utilizata datorita calitarii operatiei efectuate,a timpului scurt de lucru,a diversitatii materialelor ce pot fi supuse acestei operatii • sedimentarea particulelor principiul care sta la baza sedimentarii particulelor fine, solide sau lichide il constituie aglomerarea acestora in zona nodurilor unui camp stationar produs de propagarea ultrasunetelor • filtrarea reprezinta operatia de separare a unei substante solide dintr-un lichid prin intermediul unui filtru • emulsionarea se bazeaza pe dispersarea particulelor unui lichid in altul sau a unei substante solide intr-un lichid in care nu se dizolva • extractia este operatia de separare a uneia sau mai multe substantedintr-un amestec • uscarea este procesul de eliminare a apei dintr-un material • cristalizarea se bazeaza pe diferenta de solubilitate a componentelorunui amestec

15. Utilizarea ultrasunetelor • Ultrasunetele se utilizeaza pe scara larga : • in tehnica • in medicina

16. ULTRASUNETELE IN TEHNICA • Ultrasunetele sunt utilizate la spalarea lanii naturale. In urma spalarii cu sapun si soda, lana isi micsoreaza rezistenta firului, prelucrarea fiind mai dificila. Indepartarea impuritatilor se poate realiza cu ultrasunete, care produc o emulsie in prezenta sapunului. De asemenea ultrasunetele sunt aplicate cu foarte bune rezultate la vopsirea fibrelor naturale si sintetice. Sub energia ultrasunetelor, vopseaua cuprinde in mod uniform toata masa de fibre pe care se fixeaza bine. • O alta aplicatie activa a ultrasunetelor consta in perforarea si taierea materialelor foarte dure (diamantul, otelurile speciale). Principiul metodei seamana cu procesul de eroziune a rocilor si stancilor. • Ultrasunetele se utilizeaza si la comunicarile submarine, ceea ce nu se poate face cu unde electromagnetice, deoarece acestea nu se propaga prin apa cu aceeasi usurinta ca vibratiile mecanice. Ultrasunetele au si alte utilizari in tehnica contemporana la controlul materialelor metalice, observandu-se astfel unele defecte ascunse ale obiectelor.

17. ULTRASUNETELE IN MEDICINA Diagnosticul cu ultrasunete • Tesuturile pe care le traverseaza fasciculul ultrasonic au proprietati acustice deosebite, producand absorbtii si reflexii diferite ale ultrasunetului.Astfel , ultrasunetele devin utile in detectarea unor corpuri straine in organism sau in determinarea dimensiunilor unor organe. Ultrasonografia in oftalmologie • Nici un alt organ nu este asa de usor accesibil examinarii cu ajutorul fascicului ultrasonic ca ochiul, pentru ca investigatia nu este deranjata de tesuturi vecine, care ar da ecouri improprii globului ocular. In scop diagnostic, ultrasunetele se utilizeaza curent la determinarea distantelor in globul ocular, la diagnosticarea tumorilor, dezlipirilor de retina, la stabilirea hemoragiilor, la localizarea corpurilor straine. Ultrasunete in neurologie • Un alt domeniu in care ultrasonografia a devenit o metoda foarte utila este explorarea sistemului nervos central. Investigatia ecoencefalografica se bazeaza pe proprietatea fasciculului ultrasonor de a traversa masa cranio-encefalica si de a fi reflectata. Medicul specialist in timpul diagnosticarii bolii cerceteaza pozitia ecourilor normale si existenta ecourilor suplimentare.

18. Ultrasunete in medicina interna • Prin dezvoltarea ecografiei, a devenit posibil ca pe ecranul osciloscopului sa apara o imagine a sectiunii transversale a tesutului de studiat (ficat,vezica biliara, glanda tiroida, etc.)Un alt rol important al ecotomografiei consta in ajutorul adus medicului care dirijeza iradierea tumorilor cu radiatii gamma, pentru stabilirea exacta a formei si marimii tumorii in vederea iradierii ei. Astfel se pot feri de iradiere inutila alte organe vitale din jurul tumorii. Ultrasunete in cardiologie • Anatomia si particularitatile fiziologice ale inimii determina o succesiune a fenomenelor mecanice care se repeta cu fiecare contractie si relaxare. Examinarea miscarilor inimii se realizeaza prin impulsuri scurte de ultrasunete care se reflecta pe peretele inimii. Semnalele receptionate sunt amplificate si vizualizate pe ecranul unui tub catodic. Terapia cu ultrasunete • Fizioterapia cu ultrasunete se bazeaza pe actiunea fiziologica a acestora, care consta in efecte mecanice, termice, chimice.Datorita acestor efecte , tesuturile sunt solicitate mecanic sub forma de ’’micromasaj ’’intern si se incalzesc, suferind reactii chimice favorabile organismului.

19. GLOSAR Amplitudinea A este diferenta dintre pozitia medie a unei particule din mediu si pozitia ei la un moment dat din timpul t. Pentru vibratii libere amplitudinea variaza sinusoidal cu timpul. Atenuarea reprezinta pierderea treptata a energiei acustice la trecerea unei unde acustice printr-un mediu. Camp ultrasonor este regiunea mediului elastic care se gaseste in stare de vibratie, fiind sediul unor unde ultrasonore. Energia totala a vibratiilor unei unitati de volum, a unui sistem E, este proportionala cu densitatea, cu frecventa unghiulara  si cu amplitudinea vibratiilor A. Factor de reflexie acustica R este raportul dintre presiunea acustica a undei reflectate si presiunea acustica a undei incidente. Factorul de transmisie acusticaeste raportul dintre presiunea acustica a undei transmise si presiunea acustica a undei incidente. Frecventa este numarul de oscilatii complete efectuate intr-o secunda. Unitatea de masura este Hertz ( Hz ). Independenta acustica caracteristica unui mediu este produsul dintre densitatea lui si viteza sunetului in acel mediu. Lungimea de unda este distanta dintre punctele consecutive de maxim de compresiune sau de rarefiere. Perioada T reprezinta timpul, in secunde, necesar pentru efectuarea unei oscilatii ( vibratii ) complete. Puterea acustica P este energia acustica totala radiata in unitatea de timp si se masoara in wati ( W ). Rezonanta este fenomenul care apare atunci cand frecventa ultrasunetelor coincide cu frecventa proprie a vibratiilor moleculei, amplitudinea vibratiilor marindu-se.

20. Activitate experimantala • Imprimanta cu jet de cerneală "aruncă" pe hârtie, în fiecare secundă, zeci de mii de picături minuscule de cerneală. • Perturbatiile pe care le provoacă în aer aceste picături se propagă ca unde ultrasonore. • Asculta, printr-o tehnica speciala, ultrasunetele emise de o imprimanta cu jet de cerneala! Pasul 1: Suspenda microfonul de la calculator acolo unde patrunde hartia in imprimanta, astfel ca microfonul sa nu atinga imprimanta. Pasul 2: Utilizeaza o aplicatie care iti permite sa inregistrezi sunete. Pasul 3: Inregistreaza aproximativ 10 de minute de liniste si salveaza fisierul. Pasul 4: Inregistreaza aproximativ 10 de minute in timp ce se imprima un text sau o imagine. Salvati si acest fisier. Pasul 5: Asculta cele doua inregistrari si compara-le. • Imprimanta pare silenţioasă (auzi doar zgomotul motoarelor) dar, cu ajutorul microfonului, auzi ultrasunetele adica auzi ritmul imprimantei care stropeste cerneala pe hartie!

21. Animale care emit ultrasunete • Natura este uimitoare atunci când privim diversitatea solutiilor pe care evolutia naturală le-a produs. Un exemplu este liliacul, căci acesta emite ultrasunete de până la 100KHz, mult peste limita umană de 20KHz. În acest fel, el detectează pozitia obiectelor din jur printr-un efect asemănător radarului, captând sunetul reflectat de obiect si determinând distanta până la el din timpul străbătut de sunet. Desigur, pentru a putea fi eficient în lupta de supravietuire, un astfel de radar a evoluat în zona ultrasunetelor, acolo unde cele mai multe animale si insecte sunt surde. Altfel, să ne imaginăm, dacă sunetul radarului ar fi fost auzit, am fi avut de-a face cu un prădător care aleargă cu o goarnă după pradă. La aceste frecvente înalte de 100KHz, există însă o problemă aditionala: sunetul este atenuat rapid de aer! Pentru a compensa această pierdere de energie a undei sonore, liliecii sunt obligati să folosească amplitudini foarte mari, în asa fel încât să capteze totusi un semnal util. • Cecetătorii de la Universitatea Pennsylvania au constatat că delfinii folosesc în comunicare 14.000 de semnale, iar un singur semnal cuprinde mai multe semnificatii decât un sunet sau un cuvânt. Potrivit cercetarilor sistemul nervos al delfinului are o constructie perfectă, cântărind 1700 de grame, cu 350 grame mai mult decât creierul uman. Asezarea celulelor nervoase este identică cu cea a omului, iar scoarta cerebrală a delfinului are zone de asociere corespunzătoare cu cele ale omului. Delfinii „văd” cu ajutorul ultrasunetelor transmise, iar sunetele emise de ei sunt receptionate la o distanţă de 1000 de kilometri. Creierul delfinilor le permite să poată sesiza 3000 de impulsuri într-o secundă.

23. Poze reprezentative proiectului:

24. Bibliografie: • Iosif Nagy – ’’Ultrasunetele si aplicatiile lor ’’ • Stelian Apostolescu – ’’Lumea oscilatiilor si a undelor’’ • “Lecturi de fizica”,Editura Didactica si pedagogica,Bucuresti 1980 • Internet: www.optimed.ro • G. Cristea - “Elemente fundamentale de fizica” – Editura Dacia 1980 • Elena Dimitriu, Pompiliu Nicolau, Vitalie Teodor “Ultrasunete – Posibilitati de utilizare in industria alimentara si in biologie” ,Editura Tehnica 1989 • M. Scheffel, P. Stiuca - “Dispozitive cu ultrasunete”, Editura Ceres 1990 • Ioan P. , Plonski I. - “ Aplicatiuni practice ale ultrasunetelor”, Editura Bucuresti 1944