فراصوت (Ultrasound) – به زبان ساده

در مقاله «شدت صوت -- به زبان ساده» با فیزیک و مفهوم صوت آشنا شدیم. دیدیم که صوت نوعی موج مکانیکی بوده و از تغییرات فشار یا چگالی هوا پدید می‌آید. این امواج به صورت طولی و در فرکانس‌های مختلفی منتشر می‌شوند. در این مقاله در نظر داریم تا توجه خود را به قسمت خاصی از این طیف صوتی که انسان قادر به شنیدن آن نیست، یعنی ناحیه فراصوت (Ultrasound) معطوف کنیم.

با ما در ادامه این مقاله همراه باشید.

امواج فراصوت

شکل فوق طیف ساده صوتی را نمایش می‌دهد. این طیف برخلاف طیف الکترومغناطیسی که کمی پیچیده به نظر می‌رسد، بسیار ساده بوده و به صورت کلی می‌توانیم آن را به ۳ ناحیه زیر دسته‌بندی کنیم.

• امواج فروصوت (Infrasound) با فرکانس‌های کمتر از $$20\ Hz$$
• ناحیه شنوایی (Hearing Range) انسان با فرکانس‌های بین $$20\ Hz$$ و $$20\ kHz$$
• امواج فراصوت (Ultrasound) با فرکانس‌های بیشتر از $$20\ kHz$$

همان‌طور که در شکل (1) مشاهده کردید، سیستم شنوایی انسان تنها قادر است امواج صوتی با فرکانس‌های بین $$20\ Hz$$ تا $$20\ kHz$$ را تشخیص دهد. البته این بازه با افزیش سن محدود‌تر شده و به طور میانگین یک انسان بالغ می‌تواند فرکانس‌هایی بین $$20\ Hz$$ تا $$14\ kHz$$ را بشنود. از این حیث برخی مراجع آغاز ناحیه فراصوت را از حدود $$14\ kHz$$ می‌دانند.

می‌توان گفت قبل از بررسی دقیق امواج در علم آکوستیک (Acoustic)، صدا یا صوت را چیزی معنا کردند که انسان می‌شنید یا با آن حرف می‌زد. با پیشرفت این حوزه از علم و تعیین محدوده شنوایی انسان‌ها، دانشمندان امواج صوتی با فرکانس‌های کمتر از حد پایین شنوایی انسان را فروصوت و فرکانس‌های بیشتر از حد بالای شنوایی انسان را فراصوت نامیدند.

فرض کنید که بر یک طبل به گونه‌ای ضربه می‌زنید که پوسته روی آن بیش از 20 هزار مرتبه در ثانیه ارتعاش (نوسان) می‌کند. در این صورت شما علی‌رغم دیدن نوسان پوسته طبل، هیج گونه صدایی نمی‌شنوید. بدیهی است که امواج مکانیکی صوتی با فرکانس ارتعاش پوسته طبل در حال انتشار هستند. فقط ساختار گوش شما قادر به شنیدن این صدا (صوت) نیست. اما ممکن است که حیواناتی نظیر سگ یا دلفین‌ و ... این صدا را بشنوند. چنین امواجی را فراصوت می‌گویند. شکل (2) محدوده فرکانس‌های مختلف امواج صوتی را نشان می‌دهد. همان‌طور که پیش‌تر اشاره کردیم، امواج صوتی که فرکانسی پایین‌تر از محدوده شنوایی انسان‌ها دارند، امواج فروصوت نامیده می‌شوند. امواج زمین لرزه از این دست امواج به حساب می‌آیند.

یکی از مهم‌ترین مشخصه‌های موج، طول موج (Wavelength) بوده که با عکس فرکانس متناسب است. یعنی:

$$\large f\propto\frac{1}{\lambda}$$

جهت برقراری تساوی باید سرعت موج را به عنوان ضریب تناسب انتخاب کنیم. از آنجایی که فرکانس امواج فراصوت بیشتر از امواج صوتی معمولی (ناحیه شنوایی انسان‌ها) است، طبق رابطه فوق، نتیجه می‌شود که طول موج امواج مذکور کوتاه‌تر از امواج صوتی معمولی است.

کوتاه بودن طول موج به منزله بازتاب بهتر از سطوح مختلف است که همین امر باعث کاربرد این امواج در زمینه‌های مختلف شده است. شاید بدون اغراق بتوان گفت، بیشترین کاربرد‌ امواج فراصوت در علم پزشکی در دستگاه‌های سونوگرافی است.

تولید امواج فراصوت

تولید امواج فراصوت از طریق روش‌های تولید امواج صوتی معمولی، نظیر ضربه زدن، دمیدن ساز و ... غیرممکن است. چرا که ما نمی‌توانیم به اندازه کافی سریع عمل کنیم تا موج با فرکانسی بیشتر از 20 هزار بار در ثانیه منتشر شود. امروزه تولید امواج فراصوت به وسیله ادوات الکترونیکی موسوم به پیزوالکتریک (Piezoelectric) صورت می‌گیرد. به هنگام عبور جریان الکتریکی از پیزوالکتریک‌ها، کریستال (نظیر کوارتز) موجود در آنها با فرکانس بسیار زیادی ارتعاش می‌کند.

کریستال‌های پیزوالکتریک در جهت معکوس نیز توانایی کار کردن را دارند. به عبارت دیگر، با برخورد امواج فراصوت به کریستال‌های پیزوالکتریک، به سطح کریستال‌های مذکور فشار وارد شده و در نتیجه جریان کوچکی تولید می‌شود. بدین ترتیب با استفاده از مبدل‌های پیزوالکتریک (piezoelectric transducers)، می‌توانیم چشمه تولید امواج فراصوت و آشکارساز این امواج را در اختیار داشته باشیم.

همان‌طور که بیان کردیم، مبدل‌های پیزوالکتریک در پاسخ به جریان الکتریکی می‌توانند امواج فراصوت را تولید کنند. نوعی دیگر از کریستال‌ها وجود دارند که در پاسخ به میدان مغناطیسی می‌توانند امواج فراصوت را تولید کنند. چنین کریستال‌هایی به کریستال‌های مغناطیسی (magnetostrictive crystals) موسوم هستند و عبارت کلی‌تر magnetostrictive transducers به معنی تحت الفظی مبدل‌های مغناطیسی، برای آنان به کار می‌رود.

کاربردهای امواج فراصوت

در این بخش در نظر داریم تا مروری بر کاربردهای امواج فراصوت داشته باشیم. این بخش را با کاربرد‌های پزشکی این امواج آغاز می‌کنیم.

تصویر برداری فراصوت (سونوگرافی - Sonography)

شاید بتوان گفت که بهترین دستگاه‌های تولید و آشکارساز امواج فراصوت، دستگاه‌هایی هستند که به منظور کاربردهای پزشکی ساخته می‌شوند. با استفاده از امواج فراصوت بدون آنکه نیازی به باز کردن بدن بیمار باشد، به راحتی می‌توان به تصویری از داخل بدن (بافت‌های بدن) دست یافت. ظاهر کلی دستگاه مذکور به شکل زیر است.

چشمه تولید و آشکارساز امواج فراصوت در قسمت پروب (Probe) دستگاه است که پزشک آن را روی بدن شما جهت تصویر برداری حرکت می‌دهد. همان‌طور که پیش‌تر بیان کردیم، امواج فراصوت به واسطه طول موج کوتاهشان، بیشتر از امواج صوتی معمولی می‌توانند از سطوح مختلف بازتاب شوند. همین امر اساس کار دستگاه‌های سونوگرافی است.

این امواج بی‌ضرر بوده و جهت تصویر برداری از نوزاد داخل رحم مادر و سایر بافت‌های بدن (نظیر کبد) استفاده می‌شود.

آزمون های غیر مخرب (Nondestructive Testing)

از امواج فراصوت می‌توان جهت آزمایش یا آزمون‌های غیر مخرب استفاده کرد. منظور از آزمون‌های غیر مخرب در صنعت، تست و بررسی ساختار‌های مختلف بدون آسیب رساندن یا دمونتاژ آن‌ها است. به طور مثال اگر شکافی باریک در قسمتی از یک ساختار فلزی وجود داشته باشد، با اسکن ساختار توسط امواج فراصوت می‌توان به وجود شکاف باریک پی‌ برد. در واقع این امواج با طول موج کوتاه از شکاف بازتاب می‌شوند. در این صورت به راحتی مکان نقص در ساختار مشخص می‌شود.

امواج  فراصوت پر قدرت (High Power Ultrasound)

از امواج فراصوت با قدرت‌های کم جهت تصویر برداری و آزمون‌های غیر مخرب استفاده می‌کنند. امواج فراصوت با قدرت زیاد نیز در علم پزشکی کاربردهای فراوانی دارد. یکی از آشناترین مثال‌های برای امواج فراصوت پر قدرت، استفاده از آن‌ها جهت شکستن و خرد کردن سنگ کلیه است. همچنین برای از بین بردن تومورهای سرطانی در ناحیه مغز نیز از آن‌ها استفاده می‌شود.

یکی دیگر از کاربردهای امواج مذکور، تمیز سازی جواهرات، ساعت‌ها، دندان‌های خراب و ... است که تمیز کردن آن‌ها به روش‌های معمولی غالباً دشوار یا غیر قابل دسترس است. در علوم آزمایشگاهی دستگاهی موسوم به دستگاه آلتراسونیک وجود دارد که ساختاری به شکل زیر دارد. معمولاً جسمی که نیاز به شست‌وشو دارد را درون یک ظرف (بشر) حاوی استون یا الکل گذاشته و ظرف را درون دستگاه که درونش آب است، می‌گذارند. در اثر ایجاد لرزش و ضربه‌های امواج فراصوت، آلودگی‌ها از ساختار جسم جدا شده و درون حلال، حل می‌شوند.

سونار (Sonar)

یکی دیگر از کاربردهای مهم امواج فراصوت، فناوری سونار است. سونار همانند لیدار یا رادار نوعی سیستم ناوبری و تشخیص محسوب می‌شود. رادار این عمل را با استفاده از امواج رادیویی فرکانس بالا (میکروویو) و لیدار با استفاده از لیزر انجام می‌دهند. سونار که کوتاه شده عبارت (SOund NAvigation Ranging) است، عمل مذکور را با استفاده از امواج مکانیکی فراصوت انجام می‌دهد.

سرعت صوت در آب بیشتر از سرعت آن در هوا است، دلیل این امر را می‌توان بیشتر بودن چگالی ذرات در آب دانست. از این رو امواج صوتی در آب بهتر از نور (لیزر) یا امواج رادیویی منتشر می‌شود.

زیردریایی‌ها و کشتی‌ها با استفاده از سیستم سونار، امواج فراصوت را به جهت‌های مختلف ارسال و از طریق پردازش امواج بازتابی، به حرکت خود ادامه می‌دهند. به عبارت دیگر زیردریایی‌ها همانند خفاش‌ها با استفاده از بازتاب امواج فراصوت موانع را تشخیص و مسیر خود را تعیین می‌کنند. همچنین کشتی‌های ماهی‌گیری برای تعیین مکان تجمع ماهی‌ها از سیستم‌های سونار استفاده می‌کنند.

از سیستم‌های سونار همچنین برای تهیه نقشه بستر دریاها استفاده می‌شود که این تکنیک غالباً به صدای اِکو (پژواک - Echo Sounding) موسوم است.

در صورتی که مطلب فوق برایتان مفید بود، مطالب زیر به شما پیشنهاد می‌شود:

• مجموعه آموزش‌های فیزیک
• آموزش آکوستیک (صوت شناسی – Acoustics)
• مجموعه آموزش‌های مهندسی مکانیک
• سرعت صوت — از صفر تا صد
• عدد ماخ — به زبان ساده
• اثر دوپلر (Doppler Effect) — به زبان ساده