امواج صوتی . فراصوت فروصوت

موج صوتی چیست؟

امواج صوتی ، امواج مکانیکی طولی هستند. این فیزیک امواج می‌توانند در جامدات ، مایعات و گازها منتشر شوند. ذرات مادی منتقل کننده این فیزیک امواج ، در راستای انتشار موج نوسان می‌کنند. فیزیک امواج مکانیکی طولی در گستره وسیعی از بسامدها به وجود می‌آیند و در این میان بسامدهای فیزیک امواج صوتی در محدوده‌ای قرار گرفته‌اند که می‌توانند گوش و مغز انسان را برای شنیدن تحریک کنند.

این محدوده تقریبا از 20 هرتز تا حدود 20000 هرتز است و گستره شنیده شدنی نامیده می‌شود. فیزیک امواج مکانیکی طولی را که بسامدشان زیر گستره شنیده شدنی باشد امواج فرو صوتی ، و آنهایی که بسامدشان بالای این گستره باشد ، امواج فراصوتی گویند.

تولید صوت

هر گاه به جسمی ضربه می‌زنیم لایه‌های هوا بین دست ما در جسم جابجا می‌شوند و اگر این جابجاییها بیش از 16 بار در ثانیه باشند، صدا ایجاد می‌شود. برای اینکه بهتر بتوانیم نقش اندامهای گفتار را در تولید آواهای زبان فارسی مورد مطالعه قرار دهیم، ابتدا به نظر می‌رسد لازم است مطالب مختصری درباره چگونگی تولید آوا یا صوت ارائه کنیم.

آوا یا صوت از ارتعاش مولکولهای هوا حاصل می‌شود. ارتعاش یعنی حرکت مولکولهای هوا از جای خود در مسیر معین و بازگشت آنها به جای اولیه. این پدیده فیزیکی را اصطلاحا موج می‌نامیم. برای آنکه بتوانیم یک تصویر تقریبی از طرز بوجود آمدن موج صوتی را مجسم کنیم پاندولی را در نظر می‌گیریم. اگر وزنه پاندول را به یک طرف کشیده آن را رها سازیم، پاندول با سرعت ، به منتهی الیه طرف دیگر رفته دوباره در همان مسیر بجای اول می‌گردد. این حرکت به دفعات زیاد صورت می‌گیرد، ولی در هر دفعه خط سیر آن اندکی کوتاهتر می‌شود تا اینکه وزنه پاندول دوباره به حالت اولیه یعنی سکون در آید.

وزنه پاندول در این حرکت ، لایه‌ای از مولکولهای هوا را با خود به جلو می‌راند و این عمل موجب می‌شود که در یک سوی وزنه ، رقت مولکولی در سوی دیگر تراکم مولکولی ایجاد شود. رقت یعنی زیاد شدن فاصله بین مولکولها و تراکم یعنی کم شدن فاصله آنها. اگر با دو دست یک لاستیک را بکشیم طول لاستیک زیاد می‌شود یا به سخن دیگر ، لاستیک کش می آید.

علت این موضوع آن است که فاصله بین مولکولها در قسمتهای میانی لاستیک زیاد شده و مولکولها بین دو سر لاستیک زیاد شده و مولکولها به طرف دو سر لاستیک کشانده می‌شوند و در نتیجه فاصله میان مولکولها در دو سر لاستیک کم می‌شود. بدین ترتیب در قسمت میانی لاستیک رقت مولکولی و در دو سر آن تراکم مولکولی ایجاد می‌شود. اکنون اگر دو سر لاستیک را رها کنیم مولکولها دوباره به جای اولیه خود بر می‌گردند.

خاصیت ارتجاعی هوا

هوا نیز دارای همین خاصیت ارتجاعی است، منتهی به مراتب بیشتر از لاستیک. هر رقت و تراکم مولکولی در هوا موجب رقت و تراکمهای دیگر می‌گردد. بدین معنی که ، هنگامی که یک لایه از مولکولهای هوا به جلو رانده می‌شود این لایه به نوبه خود لایه دیگری را به جلو می‌راند و خود به حال اول بر می‌گردد. لایه جدیدی نیز لایه دیگری را ، و به همین ترتیب این عمل بارها و بارها تکرار می‌گردد تا انرژی به پایان برسد. این جابجایی مولکولها اگر بیش از 16مرتبه در ثانیه تکرار گردد صدا بوجود می‌آید.

اگر کتابی را از ارتفاع معینی به طرف زمین رها کنیم بر اثر سقوط کتاب ، فشار هوای بین کتاب و زمین زیاد می‌شود و این فشار ، مولکولهای هوا را به اطراف می‌راند. مولکولهای رانده شده به نوبت مولکولهای مجاور خود را به جلو رانده و خود به حالت اول بر می‌گردند. این عمل آنقدر تکرار می‌شود تا انرژی حاصل از سقوط کتاب به پایان برسد. هنگام تماس کتاب با زمین صدایی به گوش می‌رسد، در صورتی که در اثنای سقوط آن صدایی شنیده نمی‌شود.

علت این است که هنگام تماس کتاب با زمین ، بر اثر زیاد بودن مقدار انرژی جابجا شدن مولکولها یا همان رقت و تراکم هوا خیلی بیشتر از 16 مرتبه در ثاینه است و به این علت صدای حاصله قابل شنیدن می‌باشد. هر رقت و تراکم یک سیکل نام دارد و تعداد سیکل در ثانیه تواتر یا بسامد نامیده می‌شود. بنابراین ، وقتی می‌گوییم فرکانس (تواتر) موج مثلا 500 سیکل است، یعنی 500 مرتبه رقت و تراکم در مولکولهای هوا ایجاد شده است. هر قدر بسامد بیشتر باشد صدا به اصطلاح زیرتر است و نیز قدر بسامد کمتر باشد صدا اصطلاحا بمتر است.

چشمه فیزیک امواج فروصوتی و فراصوتی

فیزیک امواج فروصوتی که با آنها سروکار داریم معمولا توسط چشمه‌های بزرگ تولید می‌شوند. امواج زمین لرزه‌ای از آن جمله‌اند. بسامدهای بالای مربوط به فیزیک امواج فراصوتی را می‌توان به وسیله ارتعاشات کشسان یک بلور کوارتز که بر اثر تشدید با یک میدان الکتریکی متناوب در بلور القا شده است ، ایجاد کرد. به این طریق می‌توان بسامدهای فراصوتی به بزرگی 6x108 هرتز تولید کرد. طول موج متناظر با این بسامد در هوا در حدود 5x10-5 سانتی‌متر است که همان حدود طول موج نور مرئی است.

مشخصات فیزیکی

جابجایی یا ارتعاش مولکولهای هوا در تمام جهات صورت می‌گیرد و بسته به مقدار انرژی موجود ، هر لایه از مولکولها مسافتی را طی می‌کنند. به سخن دیگر هر چه انری بیشتر باشد مسافتی را که موج می‌پیماید بیشتر است. طول مسافتی را که هر طبقه از مولکولهای هوا طی نموده و دوباره به جای اولیه خود بر می‌گردد دامنه نوسان نامند. هر چه آن مسافت زیادتر باشد صدا بلندتر است. بلندی صدا را با زیر و بمی آن نباید اشتباه کرد، زیرا بلندی صدا مربوط به تعداد ارتعاش در ثانیه است. بنابراین صدای ممکن است بم ولی بلند باشد. بالعکس صدای دیگری ممکن است زیر ولی کوتاه باشد. اگر امواج صوتی در مسیر حرکت خود به جسمی از قبیل پرده گوش برخورد کنند و آن را به همان اندازه مرتعش سازند، ارتعاش پرده گوش بوسیله اندامهای گوش داخلی به مراکز اعصاب شنوایی منتقل گشته و در نتیجه صدا شنیده می‌شود و عکس العمل لازم صادر می‌شود.

چشمه فیزیک امواج شنیده شدنی

فیزیک امواج شنیده شدنی در تارهای مرتعش (بلندگو ، طبل) ایجاد می‌شوند. همه این عناصر مرتعش به تناوب هوای پیرامون خود را در حرکت به طرف جلو ، فشرده و در حرکت به طرف عقب ، رقیق می‌کنند. هوا این آشفتگیها را بصورت موج از چشمه به خارج انتقال می‌دهد. این فیزیک امواج به هنگام وارد شدن در گوش ، احساس صوت را بوجود می‌آورند. موجهایی که تقریبا متناوب هستند و یا تعداد کمی از مؤلفه‌های تقریبی متناوب را شامل می‌شوند، احساس خوشایندی بوجود می‌آورند (اگر شدت خیلی زیاد نباشد) اصوات موسیقی از این جمله‌اند. صوتی که شکل موج آن متناوب نباشد ، بصورت نوفه شنیده می شود. نوفه را می‌توان برهمنهشی از امواج متناوب دانست که در آن تعداد مؤلفه‌ها خیلی زیاد است.

یک آزمایش ساده

دو سر یک سیم فولادی به طول یک متر و به قطر یک میلیمتر را که کشیده شده و بوسیله دو قطعه سنگ یا آهن محکم شده است ، در نظر می‌گیریم. حال اگر وسط سیم را به کناری کشیده و رها کنیم صدایی شنیده نمی‌شود، در صورتی که ارتعاش آن کاملا به چشم دیده می‌شود. ولی اگر یک طرف سیم را به کنار یک لنگه در تخته‌ای متصل کنیم و آزمایش را دوباره انجام دهیم، صدای آن کاملا شنیده می‌شود، با وجود آنکه ارتعاش آن مشهود نیست. علت این امر آن است که در دفعه اول هوای مجاور سیم بجای اینکه تراکم و انبساط پیدا کند، روی سیم لغزیده است و در مرتبه دوم هوای مجاور لنگه در ، مجال لغزیدن و رسیدن به کنار آن را قبل از تجدید ارتعاش نداشته است.

امواج صوتی در جامدات و مایعات

همانطور که درون هوا ارتعاشات طولی توام با تراکم و انبساط منتشر می‌شود، به همان طریق نیز ارتعاشات طولی توأم با تراکم و انبساط در داخل مایعات و جامدات انتشار پیدا می‌کنند. اگر میله فلزی را برای لحظه کوتاهی در امتداد خودش کشیده و رها کنیم ، تراکم و انبساط در طول میله انتشار پیدا خواهد کرد و همین طور اگر نقطه‌ای از جسم جامد را مرتعش سازیم (به عنوان مثال با چکش به گوشه یک قطعه سنگ یا فلز بزنیم) تراکم و انبساط به شکل سطوح کروی در تمام جسم مرتعش منتشر می‌شوند. مخصوصا نباید چنان کرد که انتشار تراکم و انبساط درون اجسام مختص به ارتعاشات شنیدنی است، بلکه هر نوع ارتعاش با هر فرکانس ممکن است در آنها انتشار یابد. تنها فرقی که جامدات و مایعات در انتقال صوت با هوا و گاز دارند در زیاد بودن سرعت انتشار صوت در آنهاست.

مشاهدات تجربی

چیزی که در موقع انتشار صوت در هوا انتقال می‌یابد، هوا نیست. به دلیل اینکه صدای هواپیما از ابر و دود غلیظ عبور کرده و به ما می‌رسد. بدون آنکه ابر را پراکنده ساخته و با خود به طرف ما بیاورد.

هوا در حین انتشار صوت جلو و عقب می‌رود. یعنی مرتعش می‌شود. برای مشاهده این امر کافی است یک قطعه فیلم عکاسی را بین دو انگشت گرفته و در مقابل آن با آواز بلند بخوانیم، در اینصورت حرکت رفت و آمد تند فیلم را به خوبی در محل اتصال انگشتان خود با فیلم حس می‌نماییم.

عبور فیزیک امواج صوتی در هوا با کم و زیاد شدن فشار (انبساط و تراکم) همراه می‌باشد. در جدار لوله صوتی سوراخی درست کرده و سپس ورقه نازک کاغذی روی آن می‌چسبانیم و از خارج به این کاغذ پاندول سبک ساده از چوب آقطی آویزان نموده و لوله را بطور افقی نگاه به بالا و پایین رفتن می‌کند. اگر تنها هوا حرکت می‌کرد و اختلاف فشار در آن وجود نداشت پاندول رفت و آمد نمی‌کرد زیرا حرکت ارتعاشی هوای درون لوله موازی با سطح کاغذ بوده و ممکن نبود که تولید حرکت متناوب در ورقه کاغذ بنماید.

در نتیجه وجود همین انبساط و تراکم ، در فیزیک امواج صوتی ، اختلاف چگالی متناوب پیدا می شود. زیرا اگر تغییر فشار را در فیزیک امواج صوتی قبول کنیم لازم است که تغییر چگالی در آنها رانیز قبول کنیم. به کمک چندین پاندول که در طول لوله صوتی افقی بطریق فوق آویزان کرده‌ایم می‌توانیم ثابت کنیم که هنگام ایجاد صوت در لوله ، پاندولی که نزدیکتر به دهانه لوله است زودتر از پاندولهای دیگر به ارتعاش در می‌آید.

پس وقتی قسمتی از هوای درون لوله در داخل آن به سمت انتهای آن حرکت کرده و قسمت دیگری از هوای درون لوله ساکن است، ناچار چگالی قسمتی که بین این دو قسمت متحرک و ساکن قرار دارد ، تغییر کرده است. موضوع وجود اختلاف چگالی در هوای مرتعش عملا به تحقیق رسیده است و از تغییر چگالی هوا در موقع ارتعاش که باعث تغییر ضریب شکست می‌شود، استفاده کرد. و فیزیک امواج صوتی را به کمک جرقه الکتریکی عکسبرداری نموده‌اند.

امواج فراصوتی

هرموج شنوایی یا فراصوتی یک آشفتگی مکانیکی در یک محیط گاز، مایع و یا جامد است که به سوی بیرون از چشمه صوتی و با سرعتی یکنواخت و معین حرکت می کند. در حرکت یا گسیل موج مکانیکی ماده منتقل نمی شود. اگر نوسانهای ذره ها درراستای عمود بر گسیل موج باشد موج عرضی است که بیشتر در جامدها رخ می دهد و اگر نوسان امواج در راستای گسیل امواج باشد موج طولی است . انتشار امواج در بافتهای بدن به گونه امواچ طولی است از این رو ما در پزشکی با این گونه امواج سروکار داریم . اگر نوسانهای پرده یک بلندگو را بررسی کنیم که با بسامد f نوسان میکند، می تواند چگونگی رفتار صوت را ارزیابی کرد. نوسان باعث ایجاد افزایش و کاهش موضعی فشار نسبت به فشار در محیط هوا می گردد. نقطه های با فشار بیشتر فشردگی و نقطه های کم فشار انبساط نامیده می شود. هنگام عبور امواج از ماده، ذره های موجود در ماده در اثر امواج در محلشان به پس و پیش و لرزه در می آیند، بگونه ای که انرژی تابیده در سوی موازی با لرزه ذره ها از ماده گذر می کند. ذره ها در درون ماده تنها حرکات پس و پیش را به پیروی از انرژی موج انجام می دهند. این ذره ها حرکت آزاد در درون ماده را پیدا نخواهد کرد. انرژی موجی که باعث حرکت ذره ها می گردد ،هنگام گذر باعث به هم خوردن نظم و تعادل در ماده می شوند. ذره مادی در اثر نیرو از حالت آرامش یا تعادل در ماده خارج می شود.

ویژگیهای امواج فراصوت

طول موج: فاصله میان دو نقطه در موج که ویژگی فیزیکی یکسانی را داشته باشند - برای نمونه دو مرکز فشردگی -را طول موج می گویند.

بسامد (f): شمار تکرار کامل موج در یک ثانیه را بسامد یا فرکانس می گویند یکای بسامد مانند دیگر امواج ،هرتز است .پس یک هرتز یک نوسان در یک ثانیه است.

پریود (T): پریود یا دوره تناوب طول زمانی است که موج یک زنش کامل انجام می دهد. بنابراین وابستگی میان پریود و بسامد چنین است: f= 1/T یا T= 1/f

سرعت گسیل موج : فاصله ای که موج در یکای زمان می پیماید سرعت گسیل موج است. سرعت امواج فراصوتی ( همه پارامترهای فیزیکی برای صوت شنوایی و فراصوت و یا اینکه همه نوسانهای مکانیکی همانند است ) با چگالی گسیل موج و چگونگی فشردگی محیط چنین رابطه دارند: هر چه ماده متراکم تر باشد سرعت بیشتر است یعنی هر چه مولکولها کوچکتر باشد جابجا کردن آنها ساده تر است. هر چه توانایی فشردگی ماده بیشتر باشد ،سرعت فراصوت کمتر است .در حقیقت فشردگی کسری از تغییر حجم ایجاد شده بوسیله تغییر فشار است. البته کار به سادگی گفته بالا نیست زیرا وابستگی وارونه دارند .یعنی با افزایش یکی دیگری کاهش می یابد ( سرعت ثابت ) . سرعت گسیل موج فراصوت به بسامد بستگی ندارد. دیده می شود که سرعت موج در بافتهای نرم به هم نزدیک است ولی سرعت امواج در استخوان بسیار بزرگتر است ( نزدیک چهار برابر ). فراصوتی با بسامد یک میلیون هرتز ( 1 MHZ ) در آب با سرعت 1500 m/sec دارای طول موج 0.15 cm است.

بازتابش امواج مکانیکی -که فراصوت نیز نمونه ای از آن است -دربرخورد با اجسام سر راه بازتاب می یابند. این بازتابش چند گونه دارد. در بازتابش آینه ای SPECULAR ) ( که در رویه تخت و صیقلی انجام می گیرد ،راستای تابش و بازتاب یکی است. در بازتابش نا آینه ای موج به رویه ناصاف برخورد می یابد. گونه دیگر از بازتابش، پراکندگی است که مانند بازتابش ناآینه است تنها در این بازتابش موج به ذره کوچک برخورد می کند و این ذره خود مانند چشمه فراصوت کارمی کند و در همه راستاها،موج گسیل می شود. برخورد امواج فراصوتی به مرز میان دو محیط: هنگامی که موجی با زاویه عمود به مرز مشترک دو بافت برخورد می کند، بدون هیچ انحرافی از محیط دوم و در راستای تابش گذر می کند .البته بخشی در همان راستا بازتاب می شود. اگر تابش امواج به گونه مایل به مرز مشترک بافتها انجام گیرد و سرعت صوت c در دو محیط یکسان نباشد موج در محیط دوم شکسته می شود .

قانونهای اسنل هنگامی که موج فراصوتی به مرز مشترک دو محیط برای نمونه هوا – بافت برخورد نماید ،بخشی از آن بازتاب پیدا کرده و بخشی به درون آن راه می یابد. برابر قانون های اسنل: (a موج تابشی و بازتابشی و گذری در یک صفحه اند. (b زاویه تابش با زاویه بازتابش برابر است. اگر تابش به اندازه ای برسد که زاویه شکست 90 درجه شود، یعنی مماس بر مرز مشترک دو محیط، زاویه تابش در این حالت زاویه بحرانی نامیده می شود. در این حالت موج وارد محیط دوم نخواهد شد و بازتاب کلی داریم. نمونه سرعت فراصوات در بافت نرم 1540 m/s است .اگراین سرعت در استخوان 4080 m/s باشد و زاویه بحرانی نزدیک به 22 درجه باشد ،هیچ گونه انرژی فراصوت وارد استخوان نخواهد شد.

ضریب بازتابش و گذر: امواج هنگامی که به مرز مشترک دو محیط مادی می رسند می توانند از آن گذر کنند. از دید فیزیکی چنین حالتی هنگامی رخ می دهد که دو محیط در تماس کامل باشند. اگر امپدانس صوتی دو محیط برابر باشد امواج بدون اینکه تحت تاثیر دو محیط باشند از آن محیط می گذرند ( البته شکست می تواند صورت بگیرد ) ولی زمانی که امپدانس های صوتی دو محیط با هم برابر نباشند موج تابنده به پیروی از شرایط فیزیکی دو محیط - سرعت و فشار ذرات - در مرز مشترک به دو بخش بازتابشی و گذری تقسیم می شود. هنگامی که امواج صوتی به دیواره سخت برخورد می کنند ( برخورد امواج صوتی به کوه ) بازتاب می یابند. در این جا بازتاب یا اکو یا پژواک هنگامی بوجود می آید که اندازه های دیواره سخت ( رویه بازتاب کننده ) نسبت به طول موج امواج تابشی بسیار بزرگتر باشد . هر اندازه که دانسیته یا چگالی محیط دوم ( رویه بازتاب کننده ) بیشتر باشد دامنه بازتابش بلندتر و امواج شنیدنی آشکارتر خواهد بود.( برخورد فریاد با سنگهای کوه ) . از سوی دیگر هر چه طول موج تابنده کوچکتر باشد بازتاب اکو بهتر انجام می شود ( مانند این است که رویه بازتاب دهنده بزرگتر است ). از گفته های بالا پیداست که پدیده بازتابش درباره امواج فراصوت که طول موج کوتاهتری دارند ،بهتر انجام خواهد گرفت. برای نمونه اگر غده یا توموری به اندازه های 4 x 4 x4 سانتی متر در بافت کبد وجود داشته باشد ،به علت اختلاف امپدانس صوتی میان بافت سالم کبد و بافت توموری و همچنین اختلاف بزرگ میان طول موج فراصوت ( نزدیک به 1 میلیمتر ) و اندازه های تومور ( نسبت 1/40 ) امکان بازتاب در مرز مشترک غده و بافت سالم وجود خواهد داشت و بازتابش در این مرز مشترک به بهترین صورت نمایان می شود.

جذب و کاهش شدت امواج فراصوتی

جذب هنگام گذر موج فراصوتی در محیط انرژی آن جذب محیط می شود. دراین پدیده انرژی گرفته شده از موج تابشی آغازین ،پس از زمان ویژه ای به نام زمان دیرکرد به موج تابشی نخستین می پیوندد. جذب شدید انرژی موج فراصوتی تابشی ،هنگامی انجام می گیرد که در پدیده رهایی از فشار، موجی که به موج تابشی آغازین می پیوندد در برابر آن باشد ( اختلاف فاز ) در اینجا اندازه انرژی جذب شده به اندازه انرژی تابشی آغازین که تغییر شکل داده بستگی خواهد داشت. در بسامدهای پایین فراصوتی ،زمان دیرکرد که انرژی تغییر شکل یافته به موج تابشی آغازین می پیوندد کوچک و نادیده گرفتنی است ،پس جذب شدید نیست ولی اندازه جذب با افزایش بسامد افزایش می یابد و هنگامی به بیشترین اندازه خود میرسد که انرژی تغییر شکل یافته برای پیوستن به موج تابشی آغازین درست در برابر آن جا گیرد ( اختلاف فاز کامل ). اگر بسامد از این اندازه بالاتر رود زمان برای تغییر شکل انرژی کوچک شده و در اینجا اندازه جذب ،باز کاهش می یابد.

تضعیف تضعیف جمع انرژی هایی است که بعلت جذب و پراکندگی از موج تابشی برداشته می شود. این کاهش با جنس ماده ( ویسکوزیته ) و بسامد تابش بستگی دارد. اگر شدت و دامنه موج تابشی آغازین پیش از برخورد به بافت Io و Ao ( در فاصله x=o ) و در ژرفای x سانتی متر I و A باشد میان دو شدت و دو دامنه بستگی زیر وجود دارد. I = Io e-μx وA = AO e-μx ضریب تضعیف موج فراصوتی در یک ماده یا بافت است. در گذر انرژی فراصوتی از یک محیط- برای نمونه یک بافت- اگر dB را بر سانتیمتر بخش کنیم پایای بگونه dB/cm بدست می آید . این پایا به امپدانس صوتی، ویسکوزیته محیط و بسامد بستگی دارد بنابراین می توان آنرا dB/cm/MHZ هم نشان داد. نام دیگر این یکا Neper/cm است . دیده می شود که هرچه محیط فشرده تر باشد کاهش بیشتر است. برای نمونه این ضریب برای ماهیچه بیشتر از خون است و این در سونوگرافی با ارزش است. برای نمونه اگر نگاره سونوگرافی را بررسی کنیم نقطه های روشن نشان دهنده بافتهای نرم است،زیرا در اینجا کاهش کوچکتری نسبت به نقطه های تاریک انجام گرفته است و موج فراصوتی با انرژی بیشتری همراه است ( یک کیست هیداتیک ) در جایگاههای نقطه های تیره بافتهای سخت تر وجود دارد و در این نقطه ها کاهش بیشتری داریم ( مانند یک تومور ). تغییرهای شدت موج فراصوتی بگونه ای نمائی (اکسپوتانسیل) انجام می شود . نگاره های صوتی یا سونوگرام بر پایه بازتابش و کاهش انرژی بدست می آیند. برای نمونه اگر 90% شدت فراصوت در گذر از یک سانتی متر بافت کاهش یابد ،پس از پیمایش یک سانتیمتر تنها 10% از شدت آن باقی می ماند و پس از پیمایش 2 cm این اندازه به 1% و پس از 3 cm به 0.01% و ... می رسد. این کار را با بکارگیری دسی بل می توان نشان داد. پس از یک سانتیمتر: dB = 10 log10 I2/I1 (-1) = -10 => dB = -10 * dB= 10 log10 10/100 = 10 نشانه منفی ، نمایشگر این است که با گذر موج از ماده از شدت آن کاسته می شود . با همین روش میتوان دسی بل را پس از 2 سانتیمتر به ترتیب -2 dB و -3 dB به دست آورد. برای به دست آوردن اندازه کاهش انرژی فراصوت در گذر از یک فاصله در یک محیط ضریب تضعیف محیط را در فاصله گذر آن ضرب می کنند. کاهش انرژی در یک بافت در حالتهای مختلف متفاوت است ولی در کاربرد آن را یکسان می گیرند.

اثر داپلر

هنگامی که امواج صوتی یا فراصوتی به یک دیواره سخت برخورد نمایند بازتاب می کنند. در این بازتاب چنانچه چشمه تابش صوت و گیرنده ثابت باشند بسامد امواج تابنده و بازگشتی با هم برابرند . اگر گیرنده به سوی چشمه موج حرکت کند و یا چشمه موج به سوی گیرنده حرکت نماید - چشمه موج و گیرنده به هم نزدیک شوند -طول موج بازتاب یافته فشرده شده و بسامد آن افزایش می یابد. بر عکس اگر گیرنده یا چشمه موج حرکت کرده و فاصله آنها زیاد شود بسامد موج بازتاب کاهش می یابد. با توجه به این که سرعت گسیل فراصوت ثابت است ،تغییر در طول موج به گونه ای مستفیم بر بروی بسامد اثر خواهد گذاشت. این اثر داپلر خوانده می شود. هنگامی که قطاری با سروصدای زیاد به شما نزدیک و سپس دور می شودتغییر بسامد بوق قطار که بگونه پیوسته نواخته می شود،بعلت اثر داپلر به آسانی تشخیص دادنی است. پدیده داپلر در تشخیص پزشکی با به کارگیری فراصوت ارزش فراوانی دارد که پس از این درباره آن گفتگو خواهد شد.

تولید و آشکار سازی امواج فراصوتی:

خفاشها نوسانهای مکانیکی فراصوت تولید و در فضا پخش می کنند و با در یافت پژواکهای ( بازتابها ) این امواج - پس از برخورد با دیواره که ممکن است شکار باشد -کار ره یابی را انجام می دهند. در جنگ جهانی دوم دانشمندان دریافتند که اندیشه تولید امواج فراصوت را می توان درره یابی کشتیها بکار گرفت و پس از جنگ ،مهندسان دستگاههایی را برای کاربردهای تشخیصی و درمانی فراصوت ساختند. فراصوت به روشهای گوناگونی تولید می شود که از آنها می توان دو روش پیزوالکتریسیته و مگنتواستریکسیون را نام برد. الف- اثر پیزوالکتریسیته بر هم کنش فشار مکانیکی و نیروی الکتریکی را در یک محیط اثر پیزو الکتریسیته می گویند. فشردن برخی از بلورها در راستای ویژه ای از بلور نیروی الکتریکی ایجاد می کند و بر عکس ایجاد اختلاف پتانسیل در دو سوی همین بلور و در همان راستا باعث فشردگی و انبساط آن می گردد یا به زبان دیگر تغییر بعد در آن به وجود می آورد . می توان گفت که تغییر پلاریزاسیون الکتریکی در یک بلور باعث تغییر حالت کشسانی بلور می شود و تغییر حالت کشسانی بلور باعث دپلاریزاسیون آن می گردد. اثر پیزوالکتریسیته تنها در بلورهایی که دارای تقارن مرکزی نیستند وجود دارد . راستایی که در آن کشش یا فشار پلاریزاسیونی به موازات نیروی وارده پدید می آورد ،محور پیزوالکتریک یا محور الکتریکی بلور نامیده می شود و مواد دارای این ویژگی را مواد پیزوالکتریک می گویند. بلور کوارتز از این دسته مواد است و از نخستین اجسامی است که این ویژگی در آن کشف گردید و هم اکنون هم برای تولید امواج فراصوت بکار برده می شود . موادی مانند بلور کوارتز، واسطه ای برای واگردانی انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی و بالعکس می باشند و مبدل یا ترانسدیوسر نام دارند . بلوری از کوارتز به بزرگی یک سانتیمتر اگر زیر فشار یک اتمسفر باشد ،اختلاف پتانسیل الکتریکی یک ولت را بوجود می آورد( از این رو می توان این پدیده را در سنجش فشار بکار برد.) اگر چه مواد بلوری طبیعی که دارای اثر پیزوالکتریسیته باشند ،فراوان هستند ولی در بکارگیری فراصوت در تشخیص پزشکی ،کریستالهایی بکار گرفته می شود که سرامیکی بوده و به گونه مصنوعی تهیه می شوند. نمونه این کریستالها ،آمیخته ای از زیرکونیت سرب و تیتانیت سرب است که در هنگام ساخته شدن می توانند پلاریزه شده و به شدت دارای ویژگی پیزو الکتریسیته گردند . همه این فراورده ها وابسته به گروهی از مواد که فروالکتریک نامیده می شوند هستند. ب- اثر مگنتواستریکسیون این ویژگی در اجسام فرومنیتیک تحت تاثیر میدان مغناطیسی به وجود می آید . اجسام یاد شده در این میدانها تغییر طول می دهند و بسته به بسامد جریان متناوب به نوسان در می آیند و می توانند امواج فراصوتی تولید کنند.

امواج صوتی در جامعه چه کاربرد هایی دارند؟

امواج صوتی از نوع امواج طولی و مکانیکی است که برای انتشار به محیط مادی نیازمند است.گوش انسان امواجی را که دارای فرکانس بین 20هرتز تا 20000 هرتز هستند را میشنود.امواجی را که فرکانس کمتر از 20 هرتز دارند را امواج مادون صوت یا فرو صوت می نامند و امواجی را که فرکانس آنها از 20000 هرتز بیشتر است امواج ماورا صوت یا فرا صوت می نامند.امواج صوتی در صنایع مختلف کاربرد های متفاوتی دارند که به برخی از آنها اشاره می کنیم:

کاربرد امواج صوتی در پزشکی: امواج صوتی در پزشکی استفاده‌هایی دارد. برای از بین بافتهای ناخواسته و یا اجسام نامطلوب در بدن مانند غده‌ها و یا سنگهای کلیه استفاده می‌شود. این موجها بر روی ماده ناخواسته متمرکز می‌شوند. برای مثال تابش متمرکز این موجها بر روی سنگ کلیه باعث می‌شود که سنگ به پاره‌های کوچک شکسته شده و به تدریج از بدن دفع گردند. بدون اینکه احتیاجی به عمل جراحی باشد. از موجهای صوتی همچنین در تشخیص بیماری نیز استفاده می‌شود. به این ترتیب که یک تپ فراصوتی به داخل بدن بیمار فرستاده می‌شود. این تپ از مرزها و فصل مشترکهای بین اعضای داخل بدن بازتاب می‌یابد که با آشکار سازی آن می‌توان اطلاع لازم را در مورد بیماری عضو مورد نظر کشف کرد. این روش برای تشخیص محل غده‌ها و سایر عوامل غیر عادی در بدن ، عملکرد قلب و دریچه‌های آن ، وضعیت جنین ، سنگ کلیه بکار می‌رود.

نکاربرد امواج صوتی در شناسایی اجسام زیر آب: برای تعیین محل جسمهایی که در زیر آب قرار دارند از بازتاب موجهای صوتی استفاده می‌شود. این روش که به نام روش پژواک تپ معروف است کاربردهای پزشکی نیز دارد. اساس این روش آن است که یک موج صوتی را به عمق آب می‌فرستند و با یک آشکار ساز بازتاب یا پژواک آن را اندکی بعد دریافت می‌کنند. سپس زمان رفت و برگشت موج را به دقت اندازه می‌گیرند و از روی آن فاصله جسمی را که موج را بازتابانده است تعیین می‌کنند. با این روش عمق دریاها ، محل صخره‌های زیر آب ، محل کشتیهایی غرق شده ، زیر دریاییها و حتی محل تجمع گروهی از ماهیها را که باهم حرکت می‌کنند میتوان تعیین کرد. با این روش می‌توان ساختار داخلی زمین را نیز مشخص می‌کنند.

کاربرد امواج صوتی در یافت مین ها: محققان به فناوری جدیدی برای شناسایی مینهای خطرناک در زیر زمین و از راه دور دست یافته‌اند که در آن از امواج صوتی برای لرزاندن زمین و یافتن مینها استفاده می‌شود. به گزارش سایت اینترنتی نیوساینتیست، هم‌اکنون سالانه نزدیک به ‪۲۶ هزار نفر در جهان بر اثر برخورد با مینهای زیرزمینی کشته و یا دچار نقص عضو می‌شوند که بیشتر آنان غیرنظامی هستند و نیمی از آنان کمتر از ‪۱۶ سال سن دارند از این رو در بسیاری نقاط جهان نیاز به روشهای کارآمدتری برای شناسایی مینها و مواد منفجره عمل نکرده در زیر زمین به شدت احساس می‌شود. درحال حاضر استفاده از دستگاه‌های فلزیاب اصلی‌ترین روش شناسایی مینها در زیر زمین مسحوب می‌شود اما این تجهیزات برد کوتاهی داشته و توانایی شناسایی مینهایی که در اعماق بیشتر کار گذاشته شده‌اند را ندارند و از سوی دیگر برخی مین‌ها دارای بدنه‌ای از جنس پلاستیک هستند که از دید این تجهیزات فلزیاب مخفی می‌مانند. مشکل دیگر تجهیزات فلزیاب این است که به دلیل کوتاهی برد آنها، یک نفر باید آنها را با خود به داخل میدان مین حمل و از آن استفاده کند که این امر بسیار خطرناک است. اکنون گروهی از محققان آمریکایی به فناوری جدیدی برای شناسایی مینها در زیر زمین و بدون نیاز به ورود افراد مین‌یاب به داخل میدان مین دست یافته‌اند. رابرت هاپت محقق موسسه فناوری ماساچوست (ام‌آی‌تی) در پی آزمایشهای خود متوجه شد که امواج صوتی قدرتمند هنگام برخورد با زمین سبب لرزش زمین و سنگها و اجزای زیر سطح زمین می‌شوند که نوع لرزشهای مینها در این روش کاملا با لرزشهای تکه‌های سنگ متفاوت است. این محقق با کمک همکاران خود وسیله جدیدی ساخته است که امواج صوتی در فرکانسهای بالای فراصوتی (اولتراسون) را به سوی میدان مین شلیک می‌کند. این امواج صوتی در پی برخورد با هوا دچار کاهش فرکانس شده و به امواج قابل شنیدن برای انسان تبدیل می‌شوند. امواجی صوتی که در محدوده شنوایی انسان قرار دارند بر خلاف امواج فراصوتی می‌توانند در زمین جابه‌جا شوند. هنگامی که این امواج شدید صوتی در زیر زمین با جسم جامدی برخورد کنند، آن شی‌ء را به لرزش در می‌آورند که این لرزشها از زیر زمین به سطح زمین انتقال یافته و درست در بالای مین سبب لرزش سطح زمین می‌شوند که این لرزشهای سطحی نیز توسط یک حسگر لیزری که سطح میدان مین را پوشش می‌دهد، شناسایی می‌شوند. به گفته هاپت، دقت سامانه صوتی مین‌یاب جدید بسیار زیاد است به طوری که تمامی مینهای موجود در یک میدان مین مسطح را شناسایی می‌کند و حتی می‌تواند با توجه به لرزش مین‌ها نوع آنها را نیز شناسایی کند. این محقق و همکارانش امیدوارند تا دو سال دیگر امکان تولید نمونه نهایی این سامانه برای پاکسازی میادین مین جهان ایجاد شود.

کاربرد امواج صوتی در نجات افراد در ساختمان های سوخته: محققان فناوری صوتی ابداع کرده‌اند که می‌تواند در عملیات نجات افرادی که در ساختمان‌های انباشته از دود قادر به یافتن راه خروجی نیستند، به کار برود. پروفسور `دبورا ویتینگتن` اهمیت این دستگاه را حیاتی می‌داند. هانی‌ول این دستگاه را بعد از یک دهه تحقیق در دانشگاههای انگلیس عرضه کرد. این دستگاه با یک زنگ خطر حریق روشن می‌شود که یک دستگاه بلندگو موسوم به `نقطه خروج` یا `اگزیت پوینت ‪ `ExitPointرا فعال می‌کند و افراد گرفتار را به نزدیکترین خروجی نجات هدایت می‌نماید. قصد ویتینگتن، استاد علوم اعصاب شنوایی در دانشگاه لیدز، استفاده از `اصوات ضربان دار` در عملیات نجات بود. تحقیقاتی که طی ده سال گذشته در هواپیما، کشتی و ساختمانها و تونل‌ها انجام شده نشان داده است که با استفاده از این نوع صدا، نجات افراد ‪۷۵ درصد سریعتر انجام می‌شود. شرکت هانی‌ول به منظور آزمایش این دستگاه با شرکت یکصد خبرنگار، اتاقی به این منظور در یک هتل ساخت. ابتدا دستگاه خاموش بود و فرد می‌بایست راه فرار را در اتاقی پیدا کند که در آن غلظت دود تقریبا بکل مانع دید شده بود. وقتی دستگاه روشن شد نجات بسیار راحتتر شد زیرا یک `صدای ضربان‌دار` افراد را به سوی راه گریز هدایت می‌کرد. بخشی از مغز به اصواتی همانند صداهای ضربان‌دار واکنش نشان می‌دهد. در ساخت این دستگاه از `صداهای باندپهن` که شامل طیف وسیعی از فرکانس‌ها بوده و تعیین محل آنها آسان است، بهره گرفته شده است. صداهای باندپهن در طبیعت یافت می‌شود مانند صدای خش خش برگها و آب جاری در رودخانه‌ها و آبشارها که در گذشته به بشر در کشف خطر کمک کرده است. بعد از گذشت میلیونها سال، مغز به این صداها واکنش نشان می‌دهد و به محض شنیدن، محل آنها را کشف می‌کند. اگزیت پوینت یک بلندگوی کوچک است که درست بالای راه خروجی نصب می‌شود. این دستگاه در مدارس و بیمارستانهای آمریکا و اروپا آزمایش شده است. سازمان بین‌المللی دریانوردی استفاده از این دستگاه را در کشتی ها تایید کرده است.

کاربرد امواج صوتی در اکتشاف نفت: اصلی ترین روش اکتشاف نفت روش لرزه نگاری انعکاسی می باشد . روش کار به این صورت است که امواج صوتی به داخل زمین فرستاده می شوند و این امواج پس از برخورد به لایه های مختلف زمین به سطح زمین منعکس می شوند و توسط دستگاههای دریافت کننده ( ژئوفون ) و ثبت کننده ، ثبت می شوند و به صورت یک نمودار بر روی کاغذ رسم می شوند که با تحلیل و بررسی این Reflection Seismogram ، افقها و لایه های زمین آنالیز می شوند و افقهای تولیدی نفت شناسایی می شوند .

روشهای تولید امواج صوتی :

. ویبراتور : این دستگاه که معمولاً بر روی کامیونهای مخصوص سوار می شود با ایجاد لرزش قوی امواج صوتی را به داخل زمین می فرستد. 2. دینامیت : با انفجار دینامیت امواج صوتی به زمین منتقل می شوند . تعیین سرعت امواج در لایه های مختلف : VSP عملیاتی است که برای سنجیدن سرعت امواج صوتی در اعماق مختلف چاههای نفت انجام می شود . در این عملیات یک منبع ایجاد انرژی در سطح زمین و یک ژئوفون در داخل چاه قرار دارند که ژئوفون بوسیلهء یک کابل به دستگاه ثبت کننده در سطح زمین متصل می باشد . در موقع عملیات برداشت ، منبع انرژی در سطح زمین به طور متوالی امواج صوتی تولید می کند و همزمان ژئوفون با سرعت ثابت از ته چاه به سمت بالا حرکت داده می شود و با فاصلهء زمانی مشخص ( زمانهای ایجاد امواج صوتی یا انفجار ) در مقابل افقهای مختلف درون چاه زمان را ثبت می کنند . با داشتن زمان ایجاد موج در سطح زمین و زمانی که ژئوفون ثبت می کند و همچنین عمق افق مورد نظر ، سرعت را می توان محاسبه کرده به این ترتیب تمام افقهای حفاری شده سرعت سنجی می شوند. عملیات دیگری که برای اندازه گیری سرعت در چاه نفت انجام می شود ، Check Shot نام دارد . در این روش مراحل کار شبیه VSP است . با این تفاوت که در روش اخیر ژئوفون در اعماق معینی و از قبل تعیین شده ، کار ثبت زمان را انجام می دهد .

كاربرد امواج فراصوت

1. كاربرد تشخيصي (سونوگرافي) سونوگرافي عكس‌برداري با امواج فراصوت(اولتراسوند) است. موج‌هاي فراصوت دسته‌اي از موج‌هاي مكانيكي هستند كه بسامد آن‌ها بيش از 20 هزار هرتز است. حال آن كه بسامد موج‌هايي صوتي بين 20 تا 20 هزار هرتز است. با وجود اين، ماهيت امواج صوتي و فراصوتي و چگونگي توليد، پخش و بازتابش آن‌ها يكسان است و فقط موج‌هايي فراصوت بر گوش انسان اثر شنوايي ندارد. برخي از جانوران مي‌توانند بخشي از موج‌هاي فراصوت را بشنوند. براي مثال، سگ بسامد‌هاي تا 40 هزار هرتز را مي‌شنود و برخي از حشره‌ها مي‌توانند بسامدهاي تا 175 هزار هرتز را بشنوند و توليد كنند و از اين راه با هم ارتباط برقرار كنند. موج‌هاي فراصوتي نيز مانند موج‌هاي صوتي در برخورد با چيزهاي سخت بازتابش پيدا مي‌كنند و در سونوگرافي همين ويژگي به كار مي‌آيد. دستگاه مولد موج را در نقطه‌ي خاصي از بدن كه مي‌خواهند از آن‌جا عكس‌برداري كنند، مي‌گذارند. اين دستگاه در زمان‌هاي بسيار كوتاه(يك تا پنج ميليونيم ثانيه) نزديك 200 ضربه‌ي موجي مي‌فرستند. اين موج‌ها در بدن نفوذ مي‌كنند و در مسير خود به محيط‌هايي برخورد مي‌كنند كه چگالي آن‌ها متفاوت است. در نتيجه بخشي از اين موج‌ها متناسب با چگالي نسبي دو محيط بازتابش مي شوند. امواج بازتابش شده به يك دستگاه گيرنده‌ي موج مي‌رسند. اين دستگاه متناسب با انرژي امواج فراصوتي بازتابيده، جريان الكتريكي پديد مي‌آورد و اين جريان در يك اسيلوسكوپ، نقطه‌ها‌ي نوراني ايجاد مي‌كند. روشنايي نقطه‌ها روي صفحه‌ي اسيلوسكوپ، كه مانند صفحه‌ي تلويزيون است، تصويري را بازآفريني مي‌كند كه با توجه به آن مي‌توان از وجود غده يا شكستگي استخوان و حتي جنسيت جنين در بدن مادر آگاه شد. 2. بيماريهاي زنان و زايمان (Gynocology) مانند بررسي قلب جنين ، اندازه ‌گيري قطر سر (سن جنين) ، بررسي جايگاه اتصال جفت و محل ناف ، تومورهاي پستان. 3. بيماريهاي مغز و اعصاب (Neurology) مانند بررسي تومور مغزي ، خونريزي مغزي به صورت اكوگرام مغزي يا اكوانسفالوگرافي. 4. بيماريهاي چشم (ophthalmalogy) مانند تشخيص اجسام خارجي در درون چشم ، تومور عصبي ، خونريزي شبكيه ، اندازه ‌گيري قطر چشم ، فاصله عدسي از شبكيه. 5. بيماريهاي كبدي (Hepatic) مانند بررسي كيست و آبسه‌ كبدي. 6. بيماري‌هاي قلبي (cardology) مانند بررسي اكوكار ديوگرافي. 7. دندانپزشكي مانند اندازه‌گيري ضخامت بافت نرم در حفره‌هاي دهاني. 8. اين امواج به علت اينكه مانند تشعشعات يونيزان عمل نمي‌كنند. بنابراين براي زنان و كودكان بي‌خطر مي‌باشند. 9. كاربرد درماني (سونوتراپي) 10. كاربرد گرمايي با جذب امواج فراصوت بوسيله بدن بخشي از انرژي آن به گرما تبديل مي‌شود. گرماي موضعي حاصل از جذب امواج فراصوت بهبودي را تسريع مي‌كند. قابليت كشساني كلاژن (پروتئيني ارتجاعي) را افزايش مي‌دهد. كشش در scars (اسكار=جوشگاههاي زخم) افزايش مي‌دهد و باعث بهبود آنها مي‌شود. اگر اسكار به بافتهاي زيرين خود چسبيده باشد، باعث آزاد شدن آنها مي‌شود. گرماي حاصل از امواج فراصوت با گرماي حاصل از گرمايش متفاوت است.

میدان فراصوتی و گونه های ترانسدیوسر

ترانسدیوسر فراصوتی، بگونه یک چشمه فراصوت کارکرده و امواج فراصوتی را گسیل می کند .این امواج در آغاز بگونه ای موازی راهی را می پیماید و سپس واگرا شده و از یکدیگر دور میشوند. بنابراین دو ناحیه بوجود می آید: یکی میدان نزدیک و دیگری میدان دور . در میدان نزدیک امواج فراصوتی پرتوهایی یکنواخت و موازی هستند و پهنه برش پرتو یا نیم رخ بانداره رویه ترانسدیوسر است . ناحیه گذری مرز میان میدان نزدیک و میدان دور است. باید گوشزد کرد که در میدان نزدیک بیشترین تعداد انترفرانس - بنابراین نا یکنواختی شدت فراصوت - دیده می شود در حالیکه در ناحیه میدان دور سطوح جبهه های موج موازی هستند . در این ناحیه انترفرانس کمتر و یکنواختی شدت انرژی فراصوتی بیشتر است . بعلت اینکه میدان نزدیک باریکترین مرزهای موازی را برای پرتو فراصوتی دارد در این ناحیه بهترین جداسازی کناری یا عمود بر محور بدست می آید. پس قطر پرتوها روی جداسازی(رزولوشن) کناری اثر می گذارد: یعنی هر چه قطر ترانسدیوسر کوچکتر باشد توان جداسازی کناری بیشتر است، در ضمن ژرفایی که از آن نگاره می گیریم کوچکتر می شود. این برابری اگر کاهش یابد بسامد افزایش یافته و شدت پرتوی که باید به یک ژرفای خاصی برسد کاهش می یابد. برای رسیدن به هدف افزایش ،می توانیم بدون تغییر بسامد و یا قطر ترانسدیوسر قطر پرتوها را کاهش دهیم.در این کار از کانونی کردن کمک گرفته می شود.

امواج صوتی . فراصوت فروصوت

مطالب مشابه :

نکات فیزیک خاک 2

تحلیل ناپایداری احتراق در موتورهای رم‌جت سوخت مایع

بررسی تاثیر آموزش مهارت های زندگی بر سلامت روان وعزت نفس دانش آموزان

خورشید

فیزیک خاک

امواج صوتی . فراصوت فروصوت