در سال 1876 میلادی، فرانسیس گالتون برای اولین بار پی بوجود امواج فراصوت برد. در زمان جنگ جهانی اول کشور انگلستان برای کمک به جلوگیری از غرق شدن غم ‌انگیز کشتی‌هایش توسط زیردریاییهای کشور آلمان در اقیانوس آتلانتیک شمالی دستگاه کشف کننده زیردریایی‌ها به کمک امواج صوتی به نام Sonar ابداع کرد. این دستگاه امواج فراصوت تولید می‌کرد که در پید اکردن مسیر کشتیها استفاده می‌شد. این تکنیک در زمان جنگ جهانی دوم تکمیل گردید و بعدها بطور گسترده‌ای در صنعت این کشور برای آشکار سازی شکافها در فلزات و سایر موارد مورد استفاده قرار می‌گرفت. از کاربرد بخصوصی که انعکاس صوت در جنگ و صنعت داشت Sonar به علم پزشکی وارد شد و تبدیل به یک وسیله تشخیصی بزرگ در علم پزشکی گردید 67-69 ) ).

تعریف صوت

اصوات همانند نور بصورت موجی منتشر میشوند و البته برخلاف نور برای انکه بتوانند منتشر شوند نیاز به محیط مادی دارند و سرعت آنها بسیار محدود تر از سرعت انتقال نور ( امواج الکترومغناطیس ) میباشد (75). امواج صوتی بدلیل آنکه برای انتشار نیاز به محیط مادی دارند پس نمی توانند در خلاء منتشر شوند. طیف اصوات بصورت زیر تقسیم میشوند:

امواج صوتی با فرکانس کمتر از Hz20 که امواج مادون صوتی مینامند.
امواج صوتی با فرکانس بین Hz 20 تا KHz 20 را که امواج صوتی شنوایی مینامند.
امواج صوتی با فرکانس بیشتر از KHz 20 را که امواج اولتراسوند یا ماوراء صوت گویند.

مبنای تفکیک نواحی مختلف صوتی، قابلیت شنوایی انسان میباشد.

اصول عملی مبدل فراصوت

یک مولد ایجاد کننده امواج فراصوت که در ته ظرف آب قرارگرفته است، سیکنال ها الکتریکی با فرکانس بالا را به نوسانات مکانیکی با فرکانس زیاد تبدیل میکند (77-79). هنگامی که سرعت نوسانات تا حدی افزایش پیدا مییابد که ذرات آب قادر به هماهنگ شدن با فرکانس نوسانات نباشد پدیده کاویتاسیون رخ میدهد. در این حالت، آب دچار یک خلاء و فشار آنی میشود که نتیجه آن ایجاد حبابهای بخاردر عمق آب است که به سرعت به سطح آب میآیندو در سطح آب باعث منتشر شدن بخارآب به محیط پیرامون میشوند. در واقع کار مولد ایجاد پدیده کاویتاسیون است این موضوع در شکل 1-3 نشان داده شده است.

شکل ‏1‑: پدیده کاویتاسیون

تعریف کاویتاسیون

در اجسام دارای حالت غیرالاستیکی مانندآجر، انتقال امواج صوتی بصورت پیوسته انجام میگیرد. در اجسام الاستیک مانند آب و بسیاری از مایعات دیگر انتقال امواج صوتی تا جایی که فرکانس کم است بطور پیوسته ادامه می یابد افزایش فرکانساز یک حدبیشتر سبب ایجاد فشار منفی و ایجاد حفره (خلاء) در جهت مخالف با جهت انتشار موج صوتی (این حالت در دره موج صوتی ایجاد می شود) و فشار مثبت هم جهت با جهت انتشار موج صوتی (این حالت در قله موج صوتی اتفاق می افتد و سبب بزرگ شده حجم حفره ایجاد شده از مرحله قبل می شود) می شود این افزایش فرکانس تا جایی ادامه می یابد که حفره ایجاد شده ناپایدار شده و به درون مچاله (Bubble Collapse) می شود. این مراحل یعنی ایجاد، گسترش و از بین رفتن حباب را پدیده کاویتاسیون گویند. این افزایش حجم حباب به سبب افزایش فرکانس موج صوتی ویا در اثر افزایش طول مسیر پیموده شده توسط حباب (در فرکانس ثابت) ویا اینکه برخورد به سطحی مانند سطح حلال و یا سطح جسم موجود در حلال (مانند عصاره گیری گیاهان در تماس با امواج فراصوت) و یاهر عاملی که بتواند سبب از بین رفتن شکل کروی حباب شود میشود در شکل -23 انواع حالاتی را که سبب از بین رفتن شرایط کروی حباب میشود نشان داده شده است.

شکل 2: انواع ترکیدن حباب و تشکیل حباب الف) حباب نیم دایره ای چسبیده به سطح ب) حباب در حال حرکت به منطقه گرادیان مثبت ج) ترکیدن حباب در نزدیکی سطح

بدلیل آنکه درون این حباب ها فشار بسیار کم (خلاء) است پس در دمای محیط مولکول های حلال تبخیر شده و درون این حباب ها را اشغال می کنند و سبب می شوند که دریک فرایند ایزوترم و در واقع به واسطه کاهش فشار ( در اثر پدیده کاویتاسیون که به واسطه مولد امواج فراصوت ایجاد شده است )، تبخیر رخ دهد و ایجاد بخارحلال را می نمایند که دارای دمای محیط است. این موارد را می توان از روی نمودار فاز حلال ( آب ) آسان تر توضیح داد. همان طور که در شکل 2، مشاهده می شود برای تبدیل یک مایع به حالت بخار دو راه وجود دارد.

یک راه در اثر افزایش دما (در فشار ثابت) و و ایجاد حالت جوشش است راه دیگر که در حالت دمای ثابت و کاهش فشار است پدیده کاویتاسیون میباشد (72-76).

شکل 3: نمودار فاز آب

طول عمر حباب های ایجاد شده به عواملی مانند میزان گاز حل شده در حلال، ویسکوزیته و دمای حلال و غیره .نیز بستگی دارد. اگر حالت کروی حباب در اثر برخورد به یک سطح مانند سطح فلز بهم بخورد مایع از یک جهت وارد حباب می شود و ایجاد میکرو جت را می نماید میکرو جت حاصله باعث ایجاد ضربه به سطح فلزبا سرعت 4000 متر بر ثانیه می نماید. این پدیده در محدوده زمانی ای در حدود یک نانوثانیه رخ می دهد و سبب افزایش دمای لحظه ای تا حدود 25000 درجه کلوین می نماید. بروز این حالات باعث تبدیل بخار درون حباب به حالت پلاسما می شود. در صورتی که حلال آب باشد در اثر پلاسما رادیکال هایH و OHآزاد می شوند که رادیکال های آزاد شده بسیار فعال هستند و در واکنش تولید آب، انرژی زیادی آزاد می نمایند که بخشی از انرژی ازاد شده بصورت نور دیده می شود (67) .

شنبه 18 اردیبهشت 1400 ساعت 18:55