دستگاه التراسونیک (اولتراسونیک) چیست؟

دستگاه التراسونیک (اولتراسونیک) چیست؟
کلمه التراسونیک یا Ultrasonic به معنای فراصوت است. محدوده فرکانسی شنوایی افراد متفاوت است و با بالا رفتن سن این بازه کاهش می یابد.محدوده فرکانس شنوایی انسان 20 هرتز تا 20000 هرتز است. محدوده فرکانسی امواج فراصوت 40 کیلو هرتز تا چندین مگا هرتز می باشد. به این نکته باید توجه کرد که اصطلاح "فراصوت"، با "مافوق صوت" به انگلیسی Supersonic)) که برای سرعت بالاتر از سرعت صوت استفاده می شود، متفاوت است.
امواج فراصوت همانند امواج دیگر خواص شکست، پراش، بازتاب و عبور دارند. این امواج به سه روش مکانیکی، مغناطیسی و الکتریکی ایجاد می شوند.

کاربرد های التراسونیک (اولتراسونیک)
امواج فراصوت، کاربردهای فراوانی از جمله در لیزر، تخلیه الکتریکی برای بهبود خواص سطحی و افزایش نرخ باربرداری، سنجش فاصله، عمق مخزن، شستوشوی دقیق ظروف آزمایشگاهی، تعیین فشار خون بیمار، همگن کردن مواد مذاب، جوشکاری مواد غیر همجنس، ریختهگری، تراشکاری، فرزکاری، سوراخکاری و غیره دارد.

یکی از مهم ترین کاربردهای امواج فراصوت در شستشوی التراسونیک است. برای این کار قطعه مورد نظر برای شستشو در مایعی که معمولاً آب است، غوطه ور می کنند. مایعی که قطعه در آن غوطه ور شده است با فرکانس و شدت بسیار بالایی به ارتعاش در میآید و این ارتعاشات منجر به مرتعش شدن قطعه درون مایع شده و آلودگیها را از آن جدا می کند.

به منظور اتصال قطعات پلاستیکی، پلاستیکی به فلزات و به طور کل، جوش و اتصال مواد غیر هم جنس، از امواج فراصوت استفاده می شود. در این نوع جوشکاری با قرار دادن قطعات در معرض حرکت ارتعاشی با فرکانس ثابت حرارت داده می شوند و به هم متصل می شوند و یا به اصطلاح جوش میخورند.

جالب است بدانید از امواج فراصوت در پزشکی نیز استفادههای فراوانی می شود. از جمله می توان به جراحی توسط چاقوی التراسونیک، تخریب سلول های بدخیم، عمل آب مروارید چشم، پیشگیری از پوسیدگی، جرم گیری و عصب کشی دندانها، شکستن سنگ کلیه، مثانه و کبد، برداشتن چربی اضافی بدن)لیپوساکشن(، برداشتن بافتهای مرده و مواد خارجی زخم و هم چنین استفاده در سونوگرافی اشاره کرد.

از آنجا که همگن سازی محلول های ویسکوز، ترکیبات نانو، محلول های پلیمری و … توسط همزن های مکانیکی به سختی صورت می گیرد یا محدودیت فنی وجود دارد، استفاده از هموژنایزر اولتراسونیک سبب تهیه محلول های کاملا یکنواختی از موارد فوق می شود. در واقع با استفاده از قابلیت های امواج فراصوت می توان ذرات مایع یا جامد سخت یا نرم را به طور مناسب همگن نمود.

در دستگاه کروماتوگرافی برای حذف گازهای محلول در فاز متحرک می توان از حمام التراسونیک استفاده نمود. گازهای محلول اغلب اکسیژن و نیتروژن هستند که با تشکیل حباب باعث پهن شدن پیک شده و علاوه بر این اغلب با عملکرد آشکارسازها تداخل می کنند.

حسگرهای التراسونیک
برای استفاده از امواج فرا صوت از حسگرهایی استفاده می شود که این حسگرها بر اساس محدوده فرکانسی خود به دو دسته صنعتی و غیر صنعتی تقسیم بندی می شوند. حسگرهای فراصوت غیر صنعتی در محدوده فرکانسی 40 کیلو هرتز و حسگرهای صنعتی در حد مگا هرتز هستند. حسگرهای التراسونیک معمولا دارای یک فرستنده و یک گیرنده التراسونیک هستند. امواج فرستاده شده از حسگر پس از برخورد با یک مانع به حسگر بر می گردند و توسط گیرنده حسگر دریافت می شوند. از این طریق و با در نظر گرفتن زمان بازگشت موج و کیفیت امواج بازتابی می توان اطلاعاتی راجع به عمق، نوع و سرعت مانع به دست آورد.

دستگاه هموژنایزر (همگن ساز یا homogenizer)
هموژنایزر از دستگاههای آزمایشگاه های تحقیقاتی، صنعتی و آموزشی می باشد. هموژنایزر به معنی همگن سازی می باشد که علاوه بر آزمایشگاهها در صنعت نیز کاربرد دارد که می توان به کاربرد آن در صنایع لبنی اشاره کرد.
در مواردی نیاز است که نمونه، یکنواخت باشد. این نمونه در بعضی از موارد شامل ذرات بسیار ریز است (مثل باکتری ها) و یا شامل قطعات بزرگ است، در چنین مواردی به یک پردازش همگن سازی نیاز است.
به طور معمول از دو روش فشار قوی و التراسونیکی جهت همگن کردن نمونه ها استفاده می شود.

روش اولتراسونیکی (ultrasonic homogenizer)
همانطور که می دانید، امواج فراصوت به دسته ای از امواج مکانیکی گفته می شود که فرکانس نوسان آنها از محدوده شنوایی انسان فراتر است. این محدوده سبب ایجاد ارتعاش محیط با سرعت های بالا و به دنبال آن ایجاد حفرات متعدد و ریزی در داخل مایع می شوند که به این حالت کاویتاسیون (cavitation) می گویند. این فرآیند می تواند به پاشش مایع با سرعتی در حدود 420 کیلومتر در ساعت، ایجاد فشاری معادل 200 بار و یا دمای بالای 4500 درجه سانتیگرادی در آن شود.
با استفاده از قابلیت های امواج التراسونیک که گفته شد، می توان ذرات مایع و یا جامد را که سخت یا نرم باشند، همگن کرد. به عبارت دیگر امواج اولتراسوند می تواند شوک هایی تولید کند که در تمام نمونه سبب از بین رفتن سلول ها، اندامک ها و لایه های زیر سلولی شود. اولتراسوندهای مورد استفاده در آزمایشگاه ها برای حجم های بین 5/1 میلی لیتر تا 2 لیتر و نوع صنعتی آن در حجم های 5/0 لیتر تا 2000 لیتر ساخته می شوند.

حمام التراسونیک (Ultrasonic bath)

حمام التراسونیک عبارت است از کاربرد امواج مکانیکی - صوتی با فرکانسی بالاتر از حد شنوایی انسان. یکی از کاربردهای مهم امواج التراسونیک استفاده از ضربه ناشی از کاویتاسیون ایجاد شده توسط آن در فرآیند شستشوی التراسونیک می باشد. اصول کلی این روش مبتنی بر غوطه وری قطعات مورد نظر در یک مایع واسطه می باشد که این مایع توسط یک مولد امواج التراسونیک با فرکانس و شدت بسیار بالایی مرتعش شده و هنگامی که کاویتاسیون به وجود آمده عمل شستشو و پاک کردن قطعه را انجام می دهد. استفاده از امواج مافوق صوت به دلیل خواصی که دارند بعضاً کاربردهای متنوع و جالبی دارند. دستگاه پاک کننده التراسونیک با استفاده از امواج ما فوق صوت ذرات چربی و آلودگی هایی را که روی سطح جسم قرار گرفته جدا کرده و جسم را پاک می کند.

اجزای حمام التراسونیک
یک سیستم پاک کننده التراسونیک شامل 3 قسمت اصلی است: منبع تغذیه، ترانسدیوسر (پیزوالکتریک) و محفظه. اعمال سیگنال ورودی از منبع تغذیه به یک پیزوالکتریک باعث ارتعاش آن شده و انتقال این نوسان ازجداره محفظه به مایع درون آن می تواند مولکول های مایع را تحت تأثیر قرار داده و پدیده کاویتاسیون را به وجود آورد. کاویتاسیون نتیجه ضربان در فرایند شستشو التراسونیک است که با تغییر فرکانس ورودی منبع تغذیه پدیدار شده و می تواند تأثیرات مختلفی روی جسم مورد شستشو بگذارد.

خطرات فراصوت
سوختگی: اگر امواج پیوسته و در یک مکان بدون چرخش بکار روند، در بافت باعث سوختگی می شود و باید امواج حرکت داده شوند.
پارگی کروموزومی: استفاده دراز مدت از امواج التراسوند با شدت خیلی بالا پارگی در رشته دی ان ای (DNA) را نشان می دهد.
ایجاد حفره: یکی از عوامل کاهش انرژی امواج اولتراسوند هنگام گذشتن از بافتهای بدن ایجاد حفره یا کاویتاسیون است. همه محلولها شامل مقدار قابل ملاحظه ای حبابهای گاز غیر قابل دیدن هستند و دامنه بزرگ نوسانهای امواج اولتراسوند در داخل محلولها می تواند بر روی بافتها تغییرات بیولوژیکی ایجاد کند (پارگی در دیواره یاخته ها و از هم گسستن مولکولهای بزرگ).