فراصوت (Ultrasound) – به زبان ساده

با ما در ادامه این مقاله همراه باشید.

امواج فراصوت

• 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 $$20\ kHz$$

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.

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

فیلم آموزش فیزیک پایه 3 – جامع و کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

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)

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