Fizikai Szemle 2007/8 288.o.
HALLHATATLAN HANGOK
A hanghullámok - energiahordozásuk révén - alkalmasak
jelek, információk továbbítására, amelyeket a hullámforrástól
távol is fel tudunk fogni. Ritkán gondolunk
arra, hogy amit a fülünkkel érzékelünk, az csak egy része
a hangoknak. Ma, amikor a fejlett technikai eszközökkel
észlelésünk szinte határtalan, akár kérdőjelet is
tehetnénk a cím végére. Mindenesetre érdekes áttekinteni
azt, hogy mi van a hallható tartományon kívül.
Hanggal kapcsolatos alapfogalmak
Fizikai értelemben hangnak nevezik a rugalmas közegben
fellépő mechanikai rezgéseket és hullámokat. A
hang terjedési sebessége levegőben 330-340 m/s, folyadékokban
és szilárd anyagokban sokkal nagyobb, vízben
körülbelül 1400, acélban nagyjából 5000 m/s. A
sebesség - egyes esetektől eltekintve - a frekvenciától
és hullámhossztól független, de minden anyagban nagy
mértékben függ a közvetítő közeg sűrűségétől, hőmérsékletétől.
(Szilárd anyagokban többféle rugalmas hullám
is terjedhet, hangsebességen általában a longitudinális
hullámok sebességét értjük.) Légüres térben ezek a
mechanikai hullámok nem terjednek. (Közismert kísérlet
szerint egy búra alá helyezett csengő hangját nem
halljuk, ha kiszivattyúzzák a levegőt.)
A hang két legfontosabb jellemzője a hangerősség és
a hangmagasság. A hang magasságát a rezgésszáma határozza
meg, azonos frekvencia esetén a nagyobb amplitúdójú
hangrezgés hangerőssége a nagyobb.
A frekvencia szerinti felosztás szerint a hallható hang
olyan hang, amelynek (vagy legalább egy szinuszos
összetevőjének) frekvenciája 20 Hz és 20 kHz közé, az
átlagos hallástartományba esik. A 20 Hz-nél kisebb frekvenciájú
hang neve infrahang, a 20 kHz-nél nagyobb
frekvenciájúé ultrahang, a 108 Hz-nél nagyobb frekvenciájú
hangot hiperhangnak is szokták hívni (1. ábra).
Hangok az ember által hallható
tartományon kívül
Infrahangok keletkezése, terjedése
Az infrahangok fontos tulajdonságai: Egyrészt, hogy
közegben (légkör, víz, talaj) kevésbé csillapodnak,
ezáltal nagy távolságra (akár több száz kilométerre is)
terjednek. Másrészt, az alacsony frekvenciának
köszönhetően terjedését nagyon bonyolult meggátolni,
könnyen át tud hatolni akár szilárd építmények falain
is. A természetben meglehetősen gyakran keletkeznek
infrahangok, például gyenge földrengések és
széllökések miatt. Néhány állat is használja az infrahangokat:
például az elefánt távolsági kommunikációra
és az ellenfél elriasztására.
Infrahangok hatásai
Az infrahangnak, bár hangként nem észlelhető, van
fiziológiai hatása az emberi szervezetre. Kellő erősségben
rosszullétet, emésztési zavarokat, pánikhangulatot
okozhat. (Haláleset is előfordult már. Egyes
állítások szerint különösen veszélyes a nagy teljesítményű,
7 Hz-es infrahang.)
Az infrahangokat szinte mindennel összefüggésbe
hozták. Korábban is sok tudós feltételezte a mára igazoltnak
látszó tényt, hogy a "szellemjárta" helyeken
ezek a hangok okoznak olyan érzést, amelyet az emberek
a kísérteteknek tulajdonítanak: rejtélyes körülmények
között elalvó gyertyák, furcsa érzések és borzongás.
Ezeket a jelenségeket aligha a kísértetjárta
házak szellemei okozzák, sokkal inkább egy rendkívül
alacsony frekvenciájú hang, ami az emberi fül számára
nem hallható (2. ábra).
Az infrahangokat nem halálos fegyverként is fel
kívánják használni. A hallható tartományon kívül
egyre több kutatást végeznek az infrahangos akusztikus
fegyverek előállítása érdekében. A kétkedések
ellenére az amerikai hadsereg katonai rendészei
nagy lehetőséget látnak az infrahangfegyverben,
főleg tömegzavargások esetén. Véleményük szerint
hatása sokkal jobban kontrollálható, mint például a
könnygázé.
Ultrahang az állatvilágban
Az állatok az ember által keltett és hallott hang frekvenciájánál
sokkal szélesebb tartományban képesek
hangkeltésre és érzékelésre. Leginkább az ultrahangok
felé terjed ki ez a képességük. A delfinek képesek
zsákmányuk felderítésére 170000 Hz-ig terjedő
ultrahangokat is kibocsátani.
Az élőlények által keltett és hallott hang frekvenciatartománya
nem feltétlenül egyezik meg. A fajtársaikkal
való kommunikáláshoz használt frekvenciánál
általában magasabbat is képesek érzékelni zsákmányszerzéskor,
illetve veszély elhárításakor. Például a
macska nem képes ultrahangot kibocsátani, de meghallja
az egér 30000-40000 Hz körüli cincogását, a
lepkék is érzékelik a denevérek ultrahangjeleit. Az,
hogy a denevér a fülével lát, korántsem tévedés, a repülés
közben manőverező és rovarokra vadászó emlős
ultrahangradarja segítségével kellő precizitással
érzékeli a környező világot.
Egyszerű ultrahangos eszközök
A 20 kHz-nél nagyobb frekvenciájú mechanikai rezgések
és hullámok keltésére alkalmasak egyebek között
a Galton-síp (kicsiny, zárt ajaksíp), speciális szirénák,
a magnetosztrikciós (egyes ferromágneses anyagok
erős mágneses térben történő méretváltozását
használó) adók. A MHz-es frekvenciák előállítására
kiválóan alkalmasak a piezoelektromos (egyes anyagokban
mechanikus deformáció hatására elektromos
feszültség keletkezik, illetve feszültség hatására mechanikusan
deformálódnak) ultrahangadók.
A mindennapi életben is gyakran használjuk az
ultrahangokat. Ma már kevesen tudják, hogy az első
igazán jól használható televíziós távirányítók ultrahanggal
működtek. Robert Adler konstruálta azt az
ultrahangos távirányítót (3. ábra ), amely 1956 júniusában
került Amerikában kereskedelmi forgalomba.
Úgy működött, hogy az adórészbe négy különböző
hosszúságú alumínium pálcát építettek és egy mechanikus
szerkezet valamelyik pálca végére ütött,
amitől a pálca rezgésbe jött és ultrahangot bocsátott
ki. Az ultrahangot érzékelő vevőrészt pedig beépítették
a TV-be.
Az ultrahanggal működőt leváltó infravörös távirányítók
az 1980-as évek elején jelentek meg. (Egyes
állítások szerint az ultrahangos eszközök zavarták a
lakásban lévő háziállatokat.)
Ultrahang az egészségügyben
A modern technika révén a hang segítségével nemcsak
a denevérek, mi is "láthatunk". Sok család fényképgyűjteményében
megtaláljuk a születés előtt készült
magzati felvételeket, amely a születendő gyermek
jó minőségű képét mutatja. A felvételek titka itt
is az ultrahang (4. ábra).
Az orvosi diagnosztikában használatos ultrahang
frekvenciája lényegesen nagyobb, mint a természetben
előforduló ultrahangoké. A képalkotó készülékekben
2-20 MHz frekvenciájú ultrahangot használnak.
Átlagosan 1540 m/s terjedési sebességet feltételezve
az ultrahang hullámhossza szövetekben 0,77-
0,154 mm, ami már jó felbontó-képességet biztosít. A
transzducerekhez - az ultrahangos jel adására és vételére
is alkalmas eszközökhöz - piezoelektromos elven
működő anyagokat használnak.
Az egészségügyben használt ultrahangos eszközökhöz
az ötletet az I. világháborúban a tengeralattjárók
felderítésére használt, a hang visszaverődésén alapuló
navigációs készülék (szonár) adta (5. ábra). Kis tömegű,
elemmel működő szonár-eszközök ma már
mindenki számára elérhetőek, amelyek segítségével
az aktuális vízmélységen kívül az is meghatározható,
hogy hol és milyen mélységben vannak halak.
Az ultrahang-terápiánál az ultrahang izomlazító,
fájdalomcsillapító és értágító hatását használják ki.
Az orvoslásban ultrahangokat nemcsak diagnosztikai,
hanem terápiás célokra, többek között vesekő-,
epekőzúzásra is használnak. A kőre fókuszált lökéshullámok
segítségével zúzzák olyan apróra (néhány
milliméteresre) a köveket, hogy azok el tudjanak távozni
a szervezetből.
Mester András
Diósgyőri Gimnázium, Miskolc
Irodalom