آشنایی با مفهوم فراصوت و دستگاه التراسونیک
در علم فیزیک، 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.
شکل زیر طیف ساده صوتی را نمایش میدهد که به صورت کلی می توانیم آن را به سه ناحیه دسته بندی کنیم:
• امواج فروصوت (Infrasound) با فرکانسهای کمتر از 20Hz
• ناحیه شنوایی (Hearing Range) انسان با فرکانسهای بین 20Hz-20kHz
• امواج فراصوت (Ultrasound) با فرکانسهای بیشتر از 20kHz
کاربردهای التراسونیک
امروزه از امواج التراسونیک در زمینههای گوناگون نظامی، صنعتی، پزشکی، کشاورزی، زیست شناسی، مهندسی و علمی استفاده میشود. امواج التراسونیک در بازههای فرکانسی مختلف کاربردهای گوناگونی پیدا می کنند.
تصویر برداری فراصوت (سونوگرافی-Sonography)
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. 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.
کاردبرد در فیزیوتراپی
استفاده از دستگاه اولتراسوند یا اولتراسوندتراپی یکی از روشهای متداول درمانی است که تاثیر زیادی بر بهبودی شرایط بیمار گذاشته و در کلینیکهای فیزیوتراپی از آن استفاده میشود. بیشترین کاربرد اولتراسوند در رفع گرفتگیهای عضلانی و کاهش تورم مفاصل است. برای مثال گرفتگیهای عضلات اطراف گردن و ناحیه کمر که مشکلات زیادی را برای بیماران بوجود میآورند، بوسیله اولتراسوند بهبود پیدا میکنند.در نهایت دردهای ناشی از این گرفتگیها کم میشود.
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 اکو یا پژواک (Echo sounding) موسوم است.
کاربردهای امنیتی
در سامانههای امنیتی اماکن و خودروها از حسگر فراصوت برای تشخیص حرکت اشیاء به وفور استفاده میشود. پلیس از این سیستم برای کنترل سرعت خودروها استفاده میکند.
کاربردهای آزمایشگاهی
از آنجا که همگن سازی محلولهای ویسکوز، ترکیبات نانو، محلولهای پلیمری و … توسط همزنهای مکانیکی به سختی صورت میگیرد یا محدودیت فنی وجود دارد، استفاده از هموژنایزر التراسونیک سبب تهیه محلولهای کاملاً یکنواختی از موارد فوق میشود. در واقع با استفاده از قابلیتهای امواج فراصوت میتوان ذرات مایع یا جامد سخت یا نرم را بهطور مناسب همگن نمود.
هموژنایزر التراسونیک یا همگن ساز فراصوتی دستگاهی به منظور تبدیل یک جریان الکتریکی به یک ارتعاش مکانیکی است که سبب همگن شدن محلول میشود. این دستگاه با ایجاد امواج شدید فشاری در یک محیط مایع کار میکند. امواج فشاری باعث جریان در مایع شده و تحت شرایط مناسب موجب پدیده کاویتاسیون گفته میشود. انفجار حبابها تولید موج ضربهای با انرژی کافی برای شکستن پیوند کووالانسی میکند. نیروی برشی حاصل از انفجار حباب و همچنین از جریانهای اغتشاشی ناشی از ارتعاش صوتی برای همگنسازی و تخریب سلول استفاده میشود.
از جمله کاربردهای متنوع این دستگاه میتوان به دیسپرس کردن نانوذرات در مایعات، تولید امولسیون و سوسپانسیون پایدار، شکاندن مولکولهای پلیمری سنگین، فرآوری پروتئین ها و DNA، عصارهگیری و… اشاره نمود. این قابلیتهای متعدد، موجب شده که این دستگاه در فناوری نانو نیز جایگاه ویژهای پیدا کند. تولید و پوششدهی ذرات نانومتری، پراکندهساختن ذرات نانومتری در کامپوزیت ها و محلولها، سنتز نانوذرات پلیمری، اکسیدی و… از جمله کاربردهای امواج فراصوت در این شاخه از علم است.
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.
تمیزکاری و نظافت با التراسونیک
یک استفاده جالب و کمی جادویی از التراسونیک تمیزکاری است. با امواج التراسونیک میتوانید در عرض چند ثانیه سطوح کثیف شده را مثل روز اولش تمیز کنید. اگر امواج التراسونیک را درون یک مایع وارد کنید، حبابهای بسیار ریزی در مایع ایجاد میشود که بعد از برخورد با سطوح آن را تمیز میکنند. در این بخش میخواهیم کمی بیشتر با این کاربرد جذاب و جالب آشنا شوید.
حمام التراسونیک چیست؟
دستگاه شستشوی التراسونیک یا حمام التراسونیک دستگاهی است که میتواند با استفاده از امواج فراصوت تمام آلودگی چسبیده به سطوح را از بین میبرد. این آلودگی می تواند روی سطح جسم باشد یا در بخش های غیرقابل دسترسی داخلی آن.
استفاده از دستگاه التراسونیک بعد از جنگ جهانی اول آغاز شد، اما به دلیل ضعیف بودن فناوری ساخت این دستگاهها، از ویژگی تمیزکنندگی آلتراسونیک استفاده زیادی نشد. از دهه 1960، همه چیز تغییر کرد و دستگاههای شستشوی التراسونیک تجاری وارد بازار شدند. در این دوره کارایی حمام التراسونیک افزایش یافت و تمیزکنندههای اولتراسونیک کارآمدتر و قویتر تولید شدند. حمام التراسونیک، دستگاهی است که سریع و کامل آلودگیها، میکروبها و هر نوع آلایندهای را از روی سطح پاک میکند. به همین دلیل از دستگاههای التراسونیک برای شستشوی برد الکترونیکی، جواهرات، قطعات صنعتی، سبزیجات و هر چیز دیگری که فکرش را میکنید استفاده میشود.
طرز کار حمام التراسونیک
حمام التراسونیک استخری پر از آب یا مواد شوینده است که از کف یا دیوارههای آن امواج فراصوت آزاد میشود. نوسان سریع امواج صوتی درون مخزن آب باعث ایجاد موجهای کوچک و در نتیجه حبابهای میکروسکوپی میشود. این حبابها تا اندازهی خاصی بزرگ میشوند و بعد بر اثر یک انفجار میکروسکپی از بین میروند. به این انفجارهای کوچک کاویتاسیون میگویند. قدرت این انفجارها برای از بین بردن یا کندن کوچکترین ذرهها از سطوح کافی است.
کاویتاسیون تاثیر تمیزکنندگی شگفتانگیزی دارد. حبابهای تولید شده بر اثر کاویتاسیون مانند برسهای شستشوی میکروسکوپی هر سطحی را تمیز میکنند. حتی آلایندههایی که محکم به سطوح چسبیده یا در شکافها ریز پنهان شدهاند به راحتی از بین میروند. در این روش پاکسازی، آلودگیها حتی بدون وجود مواد شیمیایی تمیزکننده، زدوده میشوند. ولی بهتر است برای بدست آوردن راندمان بیشتر در تمیزکنندگی از محلول التراسونیک استفاده شود. قدرت تمیزکنندگی دستگاه شستشوی التراسونیک بستگی به قدرت امواج تولید شده بستگی دارد. در بدترین حالت، تمیزکنندگی بیشتر از ۲۰ دقیقه طول نمیکشد. هر چه قدرت دستگاه تمیزکننده التراسونیک بیشتر شود، تعداد حبابهای بیشتری تولید میشود و قدرت پاککنندگی بیشتر و سریعتری خواهد شد. معمولاً فرکانس 40 کیلوهرتز برای اکثر شستشوها مناسب است.
اجزای اصلی حمام التراسونیک
- بدنه: بدنهی تمیزکننده التراسونیک از جنس آلومینیوم یا استیل ضد زنگ ساخته میشود تا دوام و عمر بیشتری داشته باشند.
- مخزن: مخزن التراسونیک، مایعات و مواردی را که باید تمیز شوند، نگه میدارد. مخازن تمیزکنندههای التراسونیک در اندازههای مختلفی وجود دارد و هر کدام حجم مشخصی از حلال را در خود جای میدهند. البته بعضی از انواع تمیزکنندهها التراسونیک بدون مخزن هستند و نیاز به ظرفی مجزا دارند که به عنوان مخزن در آنها استفاده شود.
- ژنراتور التراسونیک: ژنراتور دستگاه التراسونیک انرژی الکتریکی را از منبع انرژی مانند پریز برق به انرژی الکتریکی مناسب برای انرژی دادن به مبدل التراسونیک تبدیل میکند.
- مبدلهای پیزوسرامیک (Piezoceramic transducer): مبدلها سیگنال الکتریکی التراسونیک را به انرژی مکانیکی تبدیل میکند. از آنجایی که مبدلها به وسیله برق کار میکنند، معمولا در بخش پایینی یا کناری مخزن ولی رو به داخل قرار میگیرد تا لرزشها را درون مخزن منتقل کند. در واقع با روشن شدن دستگاه، امواج فراصوت به داخل مایع تزریق میشود و محلول داخل مخزن را به لرزش درمیآورد.
- تایمر و کنترلکننده دما: برای تنظیم زمان و دمای عملکرد دستگاه کاربرد دارد. این ویژگی در همه انواع تمیزکنندههای التراسونیک وجود ندارد.
- زهکش: زهکش در حقیقت برای تخلیه محلول تمیزکننده از داخل دستگاه به کار میرود. البته همه دستگاههای تمیزکننده التراسونیک این بخش را ندارند.
- سبد: در بخش داخلی تمیزکنندههای التراسونیک سبدی قرار دارد تا در هنگام شستشو مانع از صدمه رساندن به دستگاه شود.
انواع دستگاه شستشو و حمام التراسونیک
دستگاههای التراسونیک کلینر یا همان تمیزکنندهها، دستهبندی و اندازههای مختلفی دارند. بعضی از آنها بسیار بزرگ و بعضی کوچک و قابل حمل و نقل هستند.
*دستگاه شستشوی آلتراسونیک سنگین صنعتی
این دسته از التراسونیک کلینرها از مبدلهای سنگینتر و ژنراتورهای قویتر تشکیل شدهاند که توانایی ایجاد موج التراسونیک با هر فرکانسی را دارند. مخازن دستگاه شستشوی آلتراسونیک سنگین صنعتی از فولاد ضد زنگ بسیار سنگین ساخته شدهاند و ژنراتور آنها از مخازن جدا هستند. این نوع دستگاه التراسونیک برای کارهای تولیدی استفاده میشوند و کارایی بالایی دارند.
*تمیزکننده التراسونیک کوچک آزمایشگاهی
در این نوع دستگاه آلتراسونیک هم از مبدلهای قوی استفاده میشود اما مانند انواع صنعتی نیست. قدرت ژنراتور این دستگاه در حدی است که برای شستشوی شیشهها و اجزای کوچک آزمایشگاهی کارایی بالایی دارند.
*تمیزکننده التراسونیک بسیار کوچک
این تمیزکنندههای التراسونیک کوچک و قابل حمل و نقل هستند و برای تمیز کردن وسایل بسیار کوچک به کار میرود. مبدل و ژنراتور این نوع از تمیزکنندهها، کوچک و ساده هستند. از تمیزکننده التراسونیک بسیار کوچک برای شستشو و تمیز کردن جواهرات، اسباببازیهای کودک، لباس و مواد غذایی مانند سبزیجات، میوهها، گوشت و موارد دیگر استفاده میشود.