Bragd: Det håndholdte ultralydapparatet Vscan, som er litt større enn en mobiltelefon, ble i 2009 kåret til Årets ingeniørbragd av Teknisk Ukeblads lesere og jury. (Bilde: GE Healthcare)

HVORDAN ULTRALYD VIRKER

Ultralyd er en norsk spesialitet. Slik fungerer det egentlig

Norsk oppfinnelse?

  • Det er mange som påberoper seg å ha funnet opp ekkoloddet.
  • Ifølge Teknisk Ukeblad 8. september­ 1904 ble prinsippet beskrevet av Hans Sundt Berggraf som et «Apparat­ hvormed havdybden kan måles uten at apparatet har forbindelse med havbunnen­».

Fortsatt forskning

  • Norge har ikke tenkt å slippe leder­posisjonen innen ultralyd. I fjor ble det etablert 17 nye såkalte sentre for forskningsdrevet innovasjon.
  • Et av dem er Center for innovative ultrasound solutions for health care, maritime, and oil and gas industries.
  • Her skal NTNU, Universitetet i Oslo, HBV (Høgskolen i Buskerud og Vestfold) og Sintef, sammen med 12 bedriftspartnere, satse på bruk av ultralyd i helse-, maritim­- og olje- og gassektorene.

Ultralyd er lyd med et frekvensområde som er høyere enn det det menneskelige øret kan høre. Den grensen er satt til 20 000 Hz. Mens det er regnet som den øvre grensen for vår hørsel er 20 Hz satt som den nedre.

Under den finner vi infralyd. Inndelingen i hva vår hørselssans kan oppfatte er analog hvordan vi betegner hva øyet kan se av det elektromagnetiske frekvensområdet.

Der kalles de laveste frekvensene som ligger over det røde for infrarødt, mens de høyere frekvensene under fiolett kalles ultrafiolett.

Teknologien for å utnytte lydspekteret til å finne avstand er åpenlys for alle som har hørt et ekko. Naturen har gått foran og tatt i bruk ekkolokasjon i mange dyrearter. Prinsippet ble også foreslått av Leonardo da Vinci.

Les også: Derfor blir synet dårligere etter 40

Lyd

Ultralyd er, som annen lyd, som regel en vibrasjon som forplanter seg gjennom et medium som en bølge som pendler mellom høyere og lavere trykk.

Det er det som kalles en kompresjonsbølge og den brer seg ut ved at trykkendringene skjer i samme retning som bølgeutbredelsen. Det kalles også longitudinelle bølger.

I faste stoffer kan lyd også bre seg ut som transversale bølger eller skjærbølger hvor partiklene beveger seg på tvers av utbredelsesretningen.

Den mest åpenbare utnyttelsen av ultralyd er noe vi har hentet fra naturen. Flaggermus, delfiner og andre arter bruker ultralyd til å finne byttedyr ved å lytte etter ekkoene fra høyfrekvente skrik de sender ut.

Jo høyere frekvens det er på lyden jo kortere er bølgelengden. Det betyr høyere oppløsning på de reflekterte signalene. Skal flaggermus kunne lokalisere møll må de bruke høyfrekvent lyd med så liten bølgelengde som mulig. Små flaggermus kan produsere og høre opptil 100 kHz.

Det samme prinsippet bruker vi i det vi kaller SONAR - SOund NAvigation and Ranging. Brukt med elektromagnetiske bølger kaller vi prinsippet RADAR - RAdio Detection And Ranging.

Bruken av ultralyd har, akkurat som radio, lange tradisjoner i Norge. Mye av matematikken som brukes i analyse og signalbehandling er lik.

Les også: Jakten på kreftkuren: Her er norske forskere helt i front

Høyt: Ultralyd er lyd med høyere frekvens enn mennesker kan høre (over 20 kHz). Oftest envibrasjonsom forplanter seg gjennom et medium som en bølge som pendler mellom høyere oglavere trykk, kalt en kompresjonsbølge. Jo høyere frekvens på lyden, jo kortere er bølgelengden.*) Gjelder det akustiske anvendelsesområdet for lyd. Colourbox/Elisabeth Rodrigues

Luft og væske

Ultralyd kan deles inn i to anvendelsesområder. Det ene er bruken i luft, det andre er bruken i væske.

I luft bruker vi ultralyd fra litt over det hørbare frekvensområdet. Området rundt 40 kHz er utbredt, men en kan gå opp til 200 kHz. Det gir en god balanse mellom oppløsning og rekkevidde.

I væske, typisk i vann og i kroppen, er det snakk om høyere frekvenser som luft ikke er i stand til å bære. Her er området opp til 500 kHz i bruk i undervannsakustikk og fra 2 til 10 MHz for medisinsk ultralyd.

Men for ørsmå sensorer som dyttes inn i blodårer, og bare skal se noen mm forover kan det brukes opp til 50 MHz.

Les også: Asbest kan gi uhelbredelig kreft på bare to uker

Ultralyd: Ringen i midten er journalistens halspulsåre. ORV

Oppløsning

I det øvre hørbare området, ved 15 kHz er bølgelengden så lav som 10 cm. Det er den beste oppløsningen en kan få, men som regel er den noen ganger dårligere. Ved ultralyd på 150 kHz er dette økt til 1 cm.

Når vi kommer inn i frekvenser som bare kan brukes i vann eller i kroppen øker bølgelengden. Ved 1,5 MHz er den 1 mm og ved 15 MHz er den 0,1 mm.

En ulempe ved høyere frekvenser er at lydbølgene har kortere rekkevidde. Det er grunnen til at ekkolodd for fritidsbåter benytter frekvenser i området mellom 200 og 400 kHz. Der er det en balanse mellom rekkevidde ned til bunnen og opp igjen for å finne dybden, og evnen til å kunne oppløse fisk i vannmassene i mellom.

I nyttefartøyer er 38 kHz vanlig på grunn av rekkevidden. Det er ingen god ide å øke effekten på transduseren, det vil si den kombinerte høyttaleren og mikrofonen som skaper og lytter etter ultralyden under vann.

Blir effekten for sterk koker vannet på overflaten og da kan ikke energien overføres til vannet.

Les også: Dette er forskjellen på dyre og billige briller

Drivkraft

I Norge var Willy Simonsen sentral innen ultralyd. Han var sivilingeniør og motstandsmann under krigen og jobbet med radioteknologi i England. Etter krigen startet han Simrad - Simonsen Radio for å produsere radioutstyr til fiskeflåten.

Men fiskerne trengte mer enn kommunikasjon. De trengte å se hvor det var fisk også og på 50-tallet ble de en av de ledende i verden på ekkolodd og sonar. Det er de ennå, men Simrad er i dag en del av Kongsberg Maritime.

I det militære benyttes sonarer som også kan være i det hørbare lydområdet der signalene har lang rekkevidde. Selv om bølgelengden kan være mange meter kan man oppdage undervannsfartøyer på langt hold.

Ulempen er selvfølgelig at slike sonarer avslører den som benytter dem så det er også vanlig å bruke en såkalt passiv sonar som finner gjenstander ved å lytte.

Les også: Odd Richard (62) fikk nytt syn med ny linseteknologi

På den akustiske medisintoppen

Et annet norsk miljø i verdenstoppen på ultralyd er det medisinske. På 70-tallet utviklet kybernetikerne ved NTH meget avansert teknologi for medisinsk ultralyd.

De ble spesialister på å utnytte ultralyd og dopplereffekten for å visualisere bevegelser, slik som blod. Ved se på hvordan frekvensen på det reflekterte signalet endret seg kan hastigheten til bevegelsene beregnes.

Resultatene herfra var viktig for byggingen av slike produkter som selskapet Vingmed lanserte i 1979. I 1998 ble de kjøpt av General Electric og i dag er selskapet i Horten verdensledende på det som ofte kalles ekkokardiografi, avbildning av hjerte i arbeid.

I 2009 ble det portable ultralydapparatet deres, Vscan, kåret til Årets Ingeniørbragd av Teknisk Ukeblad.

GE Vingmed Ultrasounds instrumenter for 3D-avbildning har ikke bare en, men kan ha flere tusen såkalte transdusere. For at signalene skal komme frem samtidig benyttes en såkalt elektronisk linse som justerer hvert enkelt signal i forhold til tid.

Les også: Visste du at øret har innebygget hørselvern?

Posisjonering

Et par norske spesialtilfeller innen bruk av ultralyd finner vi i selskapene Sonitor og Elliptic Labs. Sonitor benytter ultralydmikrofoner til å posisjonere små ultralydsendere med stor nøyaktighet.

Systemet er blitt utbredt i USA hvor det benyttes til å ultralydmerke forskjellig medisinsk utstyr eller personell i sykehus. På den måten kan systemet holde kontinuerlig oversikt over hvor utstyret befinner seg.

Det å bruke lyd i stedet for radiosignaler er en stor fordel fordi lydbølger ikke går gjennom veggene.

Elliptic Labs benytter ultralyd til å skape et lydfelt rundt skjermen på en mobiltelefon. En eller flere mikrofoner kan fange opp posisjonen til hånden svært presist ved å analysere den reflekterte lyden.

Det kan skape et helt nytt berøringsfritt grensesnitt som kan starte en ny innovasjonsbølge. Det er ventet at teknologien vil lanseres i minst en toppmodell senere i år.

Uten berøring: I stedet for å berøre skjermen­ benytter Elliptic Labs ultralyd som forteller hvor hånden er, slik at brukeren kan styre skjermen uten berøring. foto: Odd R. Valmot ORV

Gass- og væskemåling

I Bergen er det ved Universitetet i Bergen og Christian Michelsen Research utviklet svært gode gassmålere basert på ultralyd. De er såkalt fiskale, som forteller at de er nøyaktige nok til at de benyttes som grunnlag brukes for fakturering mellom leverandører og kunder. Slike målere er industrialisert av bl.a. FMC og Roxar.

Et annet selskap som er sprunget ut av denne aktiviteten er ClampOn som bruker ultralyd til diagnostisering av rør og borehull.

Det er også et stort miljø rundt ultralydsensorer hos Nortek i Bærum. Selskapet har nesten 100 ansatte som jobber med bølge- og strømsensorer basert på undervannsakustikk og ultralyd.

Kilder: Professor ved Institutt for Informatikk, UiO, Sverre Holm og Teknologidirektør i Elliptic Labs, Haakon Bryhni

Les også: Norsk gründer avslører hudkreft med mobiltelefon