مقاله آشنایی با امواج آلتراسونیک

دانلود مقاله آشنایی با امواج آلتراسونیک

مقدمه

اصوات همانند نور به صورت موجی منتشر می شوند و البته برخلاف نور برای آن که بتوانند منتشر شوند نیاز به محیط مادی دارند.

فشار اعمال شده به یک نقطه ماده موجب به حرکت در آوردن ذرات موجود در آن نقطه می شود. ارتعاشات حاصله در این ذرات که در اثر فشار اولیه ایجاد شده اند موجب ارتعاش ذرات مجاور خود می شوند. به همین طریق انرژی صوتی از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل می شود. بنابراین با توجه به مطالب بالا امواج صوتی برخلاف نور برای آنکه بتوانند منتشر شوند لازم است که در یک محیط مادی واقع شوند. در مورد امواج نوری این فوتون های نوری هستند که از یک نقطه به نقطه دیگر  منتقل می شوند. همان طور که گفته شد صوت به صورت مادی منتقل می شود و لذا هر نوع صوتی دارای فرکانس خاصی می باشد.

طیف امواج صوتی به صورت زیر تقسیم می شوند:

۱-امواج صوتی با فرکانس کمتر از ۲۰ هرتز را امواج مادون صوتی می نامند.

۲- امواج صوتی با فرکانس بین ۲۰ هرتز تا ۲۰ کیلو هرتز را امواج صوتی شنوایی می نامند.

۳- امواج صوتی با فرکانس بیشتر از ۲۰ کیلوهرتز را امواج ماوراء صوت یا اولترا سوند می نامند.

بنابراین حاصل تفکیک نواحی مختلف صوتی قابلیت شنوایی آنها می باشد. ناحیه ی شنوائی ناحیه ای از فرکانس ها است که اگر صوتی با این فرکانس تولید شود می تواند توسط یک فرد جوان سالم قابل شنیدن باشد. معمولاً در سنین بالا حد بالای شنوائی کمتر می شود و به حدود ۱۰ کیلوهرتز می رسد.

امواج صوتی با توجه به آن که به منظور انتشار نیاز به محیط مادی دارند انتشار آن ها به صورت انتقال ارتعاشی از یک ذره به ذره مجاور می باشد و سرعت آن ها بسیار محدودتر از سرعت نور می باشد. این مطلب را می توان هنگام رعد و برق در آسمان و اختلاف فاز زمانی بین دیدن نور و شنیدن صوت حاصله از برخورد دو لکه ابر متوجه گردید.

مشخصات امواج اولتراسونیک

هر موج (شنوائی یا اولتراسونیک) یک آشفتگی مکانیک در یک محیط گاز، مایع و یا جامد است که به طرف خارج از چشمه صوتی و با سرعتی یکنواخت و معین حرکت می کند.

طول موج اگر ارتعاش پرده یک بلندگو را در نظر بگیریم که با فرکانس معینی نوسان می کند می توان چگونگی رفتار صوت را مورد بررسی قرار داد. ارتعاش باعث ایجاد افزایش و کاهش موضعی فشار نسبت به فشار در محیط هوا می باشد. نقاط با فشار بیشتر پیچیدگی و نقاط کم فشار انبساط نامیده می شود.

هنگام عبور امواج از ماده ذرات موجود در ماده در اثر امواج در محلشان به جلو و عقب به لرزه می آیند به طوری که انرژی تابیده در جهت موازی با لرزه ذرات از ماده عبور می کند.

ذرات داخل ماده تنها حرکت محدود جلو و عقب را به پیروی از انرژی موج انجام می دهند. این ذرات حرکت آزاد در داخل ماده را پیدا خواهند کرد. انرژی موجی که باعث حرکت ذرات می گردد، ضمن عبور باعث به هم خوردن نظم و تعادل در ماده می شود.

ذره مادی در اثر نیرو از وضع تعادل خود در ماده، خارج و جابه جا می گردد. جابجایی نسبت مستقیم با نیروی وارد شده بر ذره دارد. نسبت مستقیم بین جابجایی ذرات نیروی وارد شده ساده ترین حرکت هماهنگ را به وجود می آورد.

طول موج l فاصله ای است بین دو ذره متوالی در حال نوسان در داخل ماده که دامنه نوسان یکسان داشته باشند.

T مدت زمان پر بوده است که در آن طول موج به اندازه فاصله l حرکت می کند. فرکانس f برابر تعداد نوسان های کامل در ثانیه است.

در نتیجه : f =

طول موج امواج اولتراسونیک با حداقل فرکانس در اجسام جامد ۲۰۰mm و در مایعات ۶۰mm و در گاز ۱۶mm می باشد و با حداکثر فرکانس در جامدات ۱۰^-۳mm و در مایعات ۳۵ ´ ۱۰^-۳mm و در گاز۶´۱۰^-۴mm می باشد.

امواج اولتراسونیک با فرکانس ۱۰۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰۰ هرتز در صنعت ارسال علامات در زیردریایی و مخابرات و امواج با فرکانس های ۱۰۰۰۰ تا ۲۰۰۰۰۰۰۰ هرتز در عملیات پزشکی، شیمیایی و جستجو برای پیدا کردن ترک و یا عیب در تمام موارد به کار برده می شود.

تمام فرکانس های اولتراسونیک را می توان جهت بررسی خواص فیزیکی مواد به کار برد.

انتشار امواج

امواج اولتراسونیک فقط می توانند در اجسام انتشار یابند و در خلأ قابل انتشار نمی باشند. انتشار این امواج در اجسام به وسیله حرکت و جابجایی مولکول های آن صورت می گیرد. تقریباً هر ماده ای که قابلیت ارتجاع دارد می تواند امواج اولتراسونیک را از خود عبور دهد و این انتشار به وسیله حرکت مولکولی و انتقال دادن آن به مولکول های بعدی صورت می گیرد.

فرض کنید که یک مولکول به وسیله اولتراسونیک به حرکت در آمد. به علت ارتجاع جسم، مولکول         می خواهد به وضعیت اولیه خود برگردد و این باعث می شود که مولکول به نوسان افتاده و بعد از چند نوسان به حالت سکون درآید. در انواع امواج اولتراسونیک حرکت مولکولی است که باعث تمییز دادن آنها از یکدیگر می شود. این امواج به سه طریق در اجسام (محیط) انتشار می یابند.

انتشار امواج به طریق طولی

اگر جهت نوسان مولکول ها موازی با خط انتشار باشد این امواج را امواج طولی می نامند. چون این امواج در مایعات، جامدات و گازها انتشار می یابد و به راحتی قابل تولید و تشخیص می باشند. معمولاً بیشتر از انواع دیگر استفاد می شوند.

امواج طولی در بیشتر اجسام دارای سرعت زیاد انتشار می باشند و طول موج آن در اجسام عادی در مقایسه با سطح مقطع مبدل (قطعه ای که موج تولید می کند) خیلی کوتاه می باشد که کل انرژی موج را به صورت ستون متمرکز شده انتشار داده تا انحرافات و تلفات را حتی المقدور کاهش دهیم.

امواج طولی معمولاً در یک محدوده کوچک از اجسام انتشار می یابند که این محدوده موازی با جهت انتشار می باشد و برای اینکه انرژی در ستون متمرکز شده باقی بماند نسبت خاصی باید بین فرکانس موج و سطحی که به لرزش می افتد برقرار باشد.

انتشار امواج به روش عرضی

وقتی که امواج عرضی به کار برده می شوند جنبش مولکول های جسم با جهش انتشار موج زاویه قائمه    می سازد. اگر جهت انتشار را x بگیریم جنبش مولکول ها در جهت y خواهد بود. معمولاً امواج عرضی به صورت ستون منتشر می شوند که سطح مقطع این ستون نسبت به سطح مقطع کل جسم کوچک می باشد. سرعت انتشار این امواج نصف سرعت امواج طولی بوده و به خاطر همین سرعت کم، طول موج این امواج خیلی کوتاه تر از امواج طولی می باشد. (شکل ۳ – ۱) از خاصیت های امواج عرضی این است که برای    اندازه گیری زمان تأخیر، احتیاج به دستگاه های الکترونیکی خیلی قوی نمی باشد. زیرا سرعت امواج عرضی نصف امواج طولی است. این امواج در قطعات کوچک به راحتی پراکنده می شوند و جنبش مولکولی جسم در یک جهت ممکن است که با جهت دیگر فرق کند، اگر محل مبدل را تغییر دهیم ممکن است که با جهت خیلی متفاوت باشد.

خاصیت پلاریزه

امواج عرضی در مایعات و گاز انتشار نمی یابند. زیرا قابلیت ارتجاعی این مواد با حرکت shear خیلی کم یا ضعیف یا صفر است. امواج s را می توان با وارد کردن نیروی shear بر سطح جسم به وجود آورد. یعنی به طور خلاصه جسم در جهت عمود بر سطح دارد.

خاصیت پلاریزه بودن امواج s به این دلیل مهم می باشد که اگر گیرنده را به دور جسم حرکت دهیم در حالتی که گیرنده و فرستنده در یک سطح که از جهت انتشار می گذرد قرار می گیرند مقدار دریافت شده توسط گیرنده حداکثر است و اگر در در سطح مختلف قرار بگیرند مقدار کم می شود تا اینکه در زاویه ۹۰ درجه به صفر برسد.