Grunnleggende lyd- og ultralydfysikk
I motsetning til lysbølger, som kan forplante seg gjennom vakuum, kan lydbølger bare forplante seg gjennom et fysisk medium. Dette mediet kan bestå av hvilken som helst helst materie, f.eks. luft, vann, metall eller vev og væsker i menneskekroppen. Lydbølger oppstår når en lydkilde genererer mekaniske vibrasjoner i partiklene i mediet. Disse vibrasjonene fortsetter å forplante seg gjennom mediet med lydens hastighet, og danner dermed en lydbølge.
Et kjent eksempel er menneskelig tale. Mennesker snakker ved å sette stemmebåndene i bevegelse. Når stemmebåndene vibrerer, genererer de vibrasjoner i den omkringliggende luften, og disse vibrasjonene forplanter seg i form av en lydbølge. Hvis lydbølgene møter et nytt medium, vil noen lydbølger reflekteres, mens andre vil overføre den mekaniske energien (trykket) til det nye mediet, som også kan begynne å vibrere (figur 1).
Selv om lydbølger beveger seg gjennom tid og rom, beveger ikke partiklene seg i mediet seg sammen med lydbølgen. Partiklene vibrerer bare og overfører vibrasjonene til nabopartiklene i mediet.
Matematisk kan lydbølger beskrives ved hjelp av en sinuskurve. Denne kurven er karakterisert av følgende variabler: bølgelengde, amplitude, frekvens, hastighet og retning. De underliggende matematiske prinsippene er enkle og viktige å forstå. Figur 2 illustrerer bølgelengden og amplituden til sinuskurver.
Sinuskurvens topp- og bunnpunkt tilsvarer henholdsvis det maksimale og minimale trykket i mediet. Dette er illustrert i figur 3.
Bølgelengde
Bølgelengde er definert som avstanden mellom to punkter (langs lydbølgen) med samme amplitude (dvs. trykk). Det er enkelt å måle avstanden mellom to topper (maksimum) eller to bunner (minimum). Men avstanden mellom to vilkårlige punkter kan måles, forutsatt at det ikke er noen trykkforskjell mellom dem. I figur 2 er bølgelengden målt som avstanden mellom to topper.
Bølgelengden til lydbølgene i menneskelig tale ligger mellom 17 millimeter (mm) og 17 meter (m). Bølgelengden angis i enheten m (meter) og betegnes med bokstaven λ (lambda).
Merk at det internasjonale enhetssystemet brukes i hele denne boken. Dette omfatter grunnenhetene meter (lengde), kilogram (masse), sekund (tid), ampere (elektrisk strøm) og Kelvin (temperatur). Dette systemet anbefales globalt.
Amplitude
Amplituden beskriver styrken på lydbølgene, som tilsvarer høyden på sinuskurven (figur 2). Høy amplitude tilsvarer høy lyd og omvendt. I figur 2 vises to lydbølger med ulik amplitude. Legg merke til at amplituden faktisk beskriver trykkforskjellen mellom den høyeste og laveste partikkeltettheten langs lydbølgen (figur 3). Høy lyd kjennetegnes av store trykkforskjeller langs lydbølgen, mens lav lyd har små trykkforskjeller langs lydbølgen. Amplituden angis i enheten desibel (dB).
Frekvens
Frekvens er antall bølgesykluser per sekund. Enheten for frekvens, som betegnes med bokstaven f, er Hertz (Hz). I figur 2 har de to lydbølgene forskjellige amplituder og forskjellige frekvenser. Hvis den høyre lydbølgen i figur 2 ble tatt opp i løpet av ett sekund, ville frekvensen være 5 Hz (siden det går 5 bølgesykluser på ett sekund). Hvis en lydbølge har 1000 Hz, går det 1000 bølgesykluser hvert sekund.
Hørbar lyd og ultralyd
Det menneskelige øret kan oppfatte lydbølger med frekvenser mellom 20 Hz og 20 000 Hz (20 000 Hz kan også skrives som 20 kHz). Lydbølger med frekvenser over 20 000 Hz (20 kHz) kan ikke oppfattes av det menneskelige øret, og disse lydbølgene kalles ultralyd. Ultralyd er derfor uhørlig for det menneskelige øret.
Det er viktig å merke seg at det er store individuelle variasjoner i hva som er hørbar lyd. De aller fleste mennesker kan ikke høre lyd med frekvenser over 15 kHz. Yngre personer kan imidlertid høre svært høye frekvenser (noen ganger >20 kHz), spesielt hvis amplituden er høy.
Ultralyd som brukes til klinisk diagnostikk, f.eks. ekkokardiografi, har en frekvens på mellom 2 og 10 millioner Hz (2-10 MHz), noe som er langt over det som er hørbart for mennesker.
Lydens hastighet
Hastigheten beskriver hvor raskt lydbølger forplanter seg gjennom mediet. Denne hastigheten avhenger av tettheten til mediet. Lydbølger forplanter seg raskere i medier med høy tetthet. Jo høyere tetthet, desto høyere hastighet. Lydens hastighet er ca. 300 m/s i luft, og 1540 m/s i menneskekroppen (som for det meste består av vann). Hastigheten betegnes med bokstaven c og angis med enheten m/s.
Lydbølgenes retning
Retning beskriver ganske enkelt lydbølgenes retning i mediet.
Matematiske ligninger
Det er en enkel matematisk sammenheng mellom hastighet (c), bølgelengde (λ) og frekvens (f):
c = f – λ
Ifølge formelen er lydbølgens hastighet produktet av frekvensen og bølgelengden. Ved hjelp av denne formelen kan vi beregne bølgelengden (λ) for ultralyd med frekvensen 3 millioner Hz (3 MHz), som brukes i ultralyddiagnostikk:
λ =1540 / 3000000 = 0,000513 meter
0.000513 meter er 0,513 mm (millimeter). Dermed er bølgelengden til ultralyden svært kort, noe som er ønskelig i ekkokardiografi, og ultralyd generelt, fordi det muliggjør detaljert visualisering av små strukturer (dvs. oppløsningen blir høy).