التراسونیک به چه معناست؟

التراسونیک به چه معناست؟

می دانیم که امواج صوتی نوعی ارتعاش هستند که از طریق یک محیط (Medium) منتشر می شوند. این محیط می تواند هوا، آب یا فلز باشد. موج التراسونیک نوعی موج صوتی است که به عنوان صوت نامفهوم برای انسان تعریف می شود. به طور کلی فرکانس این موج بیشتر از 20 کیلوهرتز است.

آلتراسونیک یا فراصوت از نظر خصوصیات فیزیکی با صدای طبیعی و شنیدنی تفاوتی ندارد. تنها وجه تمایز آن این است که انسان نمی تواند آن را بشنود. البته حدی که دیگر انسان توانایی شنیدن را نداشته باشد، از فردی به فرد دیگر متفاوت است.

این حد در جوانان سالم تقریباً 20 کیلوهرتز است. بنابراین دستگاه های فراصوت کاربردی، با فرکانس های 20 کیلوهرتز تا چندین گیگاهرتز کار می کنند. امواج آلتراسونیک نیز مانند امواج صوتی عادی قابلیت انتشار به صورت طولی، عرضی، سطحی و غیره را دارند.

کشف پیزوالکتریک و تولید امواج التراسونیک

به طور کلی علم صدا یا آکوستیک، از قرن 6 قبل از میلاد آغاز شده است. زمانی که فیثاغورث، تئوری هایی را در مورد خصوصیات ریاضی سازهای زهی بررسی می کرد. این دانشمند در مطالعات خود موفق به شناسایی امواج فراصوت نشد.

در سال 1794، مکانیزم مکان یابی در خفاش ها توسط "لازارو اسپالانزانی" (Lazzaro Spallanzani) کشف شد. لازارو اثبات کرد که خفاش ها نه به وسیله بینایی، بلکه با صدایی نامفهوم شکار می کنند. با این حال بازهم ماهیت امواج ما فوق صوت تا سال 1893 مخفی ماند. سالی که "فرانسیس گالتون" (Francis Galton) وسیله ای به نام "سوت گالتون" را اختراع کرد.

این سوت با قابلیت تنظیم خاصی که داشت، می توانست امواج التراسونیک را تولید کند. از این وسیله برای اندازه گیری دامنه شنوایی انسان و سایر حیوانات استفاده شد. با استفاده از سوت گالتون، مشخص شد که بسیاری از حیوانات می توانند صداهایی بالاتر از حد شنوایی انسان را بشنوند.با کشف اثر پیزوالکتریک توسط "ژاک و پیر کوری" در سال 1880، قدم بزرگی در تولید امواج آلتراسونیک برداشته شد. از این اثر در انواع مبدل (ترنسدیوسر) برای تولید و تشخیص امواج فراصوت در هوا و آب استفاده شد.

با این حال، اولین کاربرد تکنولوژیک التراسونیک، تلاش برای شناسایی زیردریایی ها توسط "پل لانگوین" (Paul Langevin) در سال 1917 بود. با به رسمیت شناخته شدن این موج، موج فراصوت توسط موسسه استاندارد ملی آمریکا به عنوان "صدایی که در فرکانس های بیشتر از 20 کیلوهرتز منتشر می شود" تعریف شد. امروزه مشخص شده است که در هوا و در فشار جو، امواج فراصوت دارای طول موج 1.9 سانتی متر یا کمتر هستند.

ادراک امواج التراسونیک در انسان

حد بالای فرکانس در انسان (تقریباً 20 کیلوهرتز) به دلیل محدودیت های گوش میانی است. گوش میانی (Middle Ear) قسمتی از گوش انسان است که در نزدیکی حلزون گوش قرار دارد. جالب است بدانید اگر فراصوت با شدت بالا مستقیماً به جمجمه انسان وارد شود و از طریق هدایت استخوانی، بدون عبور از گوش میانی به حلزون گوش برسد، احساس شنوایی می تواند رخ دهد.

کودکان توانایی شنیدن برخی از صداها که بزرگ ترها نمی توانند بشنوند را دارند. چرا که در انسان قدرت شنوایی با افزایش سن کاهش می یابد. یک شرکت تلفن همراه آمریکایی از این امر برای ایجاد نوعی سیگنال زنگ استفاده کرده است که ظاهراً فقط برای انسان های جوان قابل شنیدن بوده است!

ادراک امواج التراسونیک در حیوانات

خفاش ها برای شناسایی و مکان یابی طعمه های خود از انواع تکنیک های دامنه بندی (Ranging) اولتراسونیک استفاده می کنند. آن ها می توانند فرکانس های فراتر از 100 کیلوهرتز (احتمالاً تا 200 کیلوهرتز) را تشخیص دهند.پس از خفاش ها، بسیاری از حشرات از شنوایی فراصوت خوبی برخوردار هستند. گروه های زیادی از پروانه ها، سوسک ها و بندپایان از این جمله هستند. دامنه شنوایی سگ ها و گربه ها نیز تا محدوده آلتراسونیک گسترش می یابد.

نهنگ های دندان دار، مانند دلفین ها، می توانند فراصوت را بشنوند و از چنین صداهایی در سیستم ناوبری خود (بایوسونار) برای جهت گیری و گرفتن طعمه استفاده کنند. خوک های دریایی با حدود 160 کیلوهرتز، بالاترین حد بالاییِ شنوایی را در آبزیان دارند.امروزه در برخی کشورها، سیستم های مولد التراسونیک به عنوان دستگاه های کنترل آفات فروخته می شوند. ادعا می شود که این دستگاه ها جوندگان و حشرات را می ترساند، اما هیچ مدرک علمی در مورد کارکرد این دستگاه ها وجود ندارد.

تولید آلتراسونیک با استفاده از مبدل

مبدل التراسونیک ابزاری است که برای تبدیل نوع دیگری از انرژی به ارتعاش فراصوت استفاده می شود. در عصر حاضر، امواج اولتراسونیک معمولا با مبدل هایی تولید می شوند که با اثر مغناطیسی یا اثر پیزوالکتریک کار می کنند. از مبدل های مغناطیسی می توان برای تولید امواج با شدت بالا در محدوده 20-40 کیلوهرتز برای تمیزکاری اولتراسونیک و سایر کاربردهای مکانیکی استفاده کرد.

در حالی که برای تصویربرداری فراصوتی در پزشکی (سونوگرافی)، از مواد پیزوالکتریک استفاده می شود. در این کاربردها معمولاً از فرکانس های آلتراسونیک بسیار بالاتر، در محدوده 1-20 مگاهرتز استفاده می شود. چنین امواجی با استفاده از اعمالِ خروجیِ یک نوسان ساز (Oscillator) الکترونیکی به یک ویفر نازک پیزوالکتریک استفاده می شود.فرکانس های بالاتر، دارای طول موج کوتاه تر و در نتیجه وضوح بالاتری برای فرایند تصویربرداری هستند. رزولوشن هر فرآیند تصویربرداری، توسط پراش طول موج مورد استفاده تعیین می شود.