کاربردهای امواج التراسونیک

ایجاد و کنترل اثر کاویتاسیون

یکی از زمینه های مهم مطالعات علمی که التراسونیک در آن تأثیر زیادی داشته است، کاویتاسیون یا ایجاد حفره (Cavitation) است. هنگامی که آب جوشانده می شود، حباب هایی در ته ظرف ایجاد می شود. سپس در آب بالا می روند. در نهایت این حباب ها منفجر می شوند و صدای خاص جوشش آب را تولید می کنند.این روند جوشش و صداهای حاصل از آن، از ابتدای مشاهده شدن افراد را شیفته خود کرد. از این رو این موضوع مورد توجه فیزیکدانان انگلیسی "آزبورن رینولدز" (Osborne Reynolds) و "لرد ریلی" (Lord Rayleigh) قرار گرفت.

این دو، اصطلاح کاویتاسیون را در روند تشکیل حباب ها به کار بردند. از آن جا مشخص شد که از امواج التراسونیک می توان برای ایجاد و کنترل دقیق فرایند کاویتاسیون استفاده کرد. لذا از این امواج به طور گسترده برای مطالعه نیروهای بین مولکولی در مواد مختلف استفاده می شود. شکل زیر مناطق ایجاد کاویتاسیون را با توجه به فرکانس و طول موج اولتراسونیک نشان می دهد.

یکی از موضوعات پژوهشی جذاب در عصر حاضر، انتشار نور از طریق نابودی یک حفره تولیدی توسط موج اولتراسونیک با شدت بالا است. این اثر که سونولومینسانس (Sonoluminescence) نامیده می شود، می تواند دماهای لحظه ای گرم تر از سطح خورشید ایجاد کند!

ردیابی و پیمایش

امروزه کاربردهای خاصی از امواج مافوق صوت موسوم به SONAR (Sound Navigation And Ranging) در حوزه دریایی، بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. در این کاربردها، با ارسال پالس های صوتی یا فراصوتی و اندازه گیری زمان لازم برای انعکاس پالس ها از یک جسم دور و بازگشت به منبع، می توان محل آن جسم را تشخیص داد و حرکت آن را پیگیری کرد.

از این فرایند، برای ردیابی زیردریایی ها و یافتن مین های منفجره در زیر سطح آب به طور گسترده استفاده می شود. جالب است بدانید دو قایق (یا زیردریایی) در مکان های شناخته شده، می توانند از مثلث فراصوتی برای تعیین مکان و ردیابی قایق (یا زیردریایی) سوم استفاده کنند.محدوده فاصله ای که می توان از این تکنیک ها استفاده کرد، بستگی به گرادیان های دمایی موجود در آب دارد. این گرادیان ها موج را از سطح خم کرده و مناطقی موسوم به سایه ایجاد می کند.

به دلیل فرکانس های بالاتر (یا طول موج کوتاه تر)، امواج آلتراسونیک فاصله های بیشتری را با پراش کمتری طی می کنند. یکی از مزایای امواج مافوق صوت نسبت به امواج صوتی در کاربردهای دریایی همین نکته است.

دامنه بندی (Ranging)

از فرایند رنجینگ برای نقشه برداری از کف اقیانوس استفاده می شود. این فرایند، نمودارهای عمقی مطلوبی را ارائه می دهد. این نمودارها معمولاً در ناوبری (به ویژه در نزدیکی سواحل و آبراه های کم عمق) استفاده می شود.امروزه حتی قایق های کوچک نیز مجهز به ابزار رنجینگ امواج صوتی هستند که عمق آب را تعیین و نمایش می دهند. این ابزارهای ناوبری باعث آگاهی قایق رانان از ساحل هایی با ماسه های شناور یا نقاط کم عمق می شود.

اثر داپلر (Doppler Effect)

اگر یک موج اولتراسونیک از یک مانع در حال حرکت منعکس شود، فرکانس موج حاصل تغییر می کند. به این پدیده اثر داپلر یا شیفت داپلر گفته می شود. به طور دقیق تر، اگر مانع در حال حرکت به سمت منبع باشد، فرکانس موج منعکس شده افزایش می یابد. همچنین اگر مانع از منبع دور شود، فرکانس موج منعکس شده کاهش می یابد.

از مقدار تغییر فرکانس می توان برای تعیین سرعت مانع در حال حرکت استفاده کرد. مثلا در رادارها با استفاده از همین اثر، از یک موج الکترومغناطیسی برای تعیین سرعت اتومبیل یا زیردریایی در حال حرکت استفاده می شود.یک کاربرد مهم صنعتی، جریان سنج التراسونیک است که در آن، بازتاب التراسونیک از مایع در حال حرکت منجر به اثر داپلر می شود. این اثر برای تعیین سرعت جریان مایع کالیبره می شود. این روش همچنین در جریان سنجی خون در رگ ها استفاده می شود.

تست غیرمخرب مواد

از مکان یابی اولتراسونیک، می توان برای جمع آوری اطلاعات در مورد یکپارچگی سازه های مکانیکی استفاده کرد. ناهمگنی ساختاری در مواد، منجر به عدم تطابق در انعکاس امواج فراصوت می شود. یعنی پس از برخورد این امواج به فصل مشترک قطعه و ناپوستگی، بخشی از موج اصلی منعکس می شود. به شناسایی عیوب قطعات از این روش، تست غیر مخرب UT (Ultrasonic Test) گفته می شود.

می توان از تست اولتراسونیک برای شناسایی نقص های متالورژیکی، حفرات، ترک ها، آثار خوردگی در مواد، بررسی جوش ها، تعیین کیفیت بتن ریخته شده و نظارت بر خستگی فلزات استفاده کرد. امروزه کاربرد اصلی این تست، انجام بازرسی ضمن کار در راکتورها و سازه های هسته ای است.

تمیزکاری آلتراسونیک

یکی از متداول ترین کاربردهای آلتراسونیک، تمیزکاری است. در این موارد، ارتعاشات فراصوت به مخازن مایع کوچک اعمال می شود. این امواج سبب اثر کاویتاسیون و تلاطم می شود. از این طریق، اشیای مورد نظری که درون مخزن هستند، تا حدود زیادی چربی زدایی و تمیز می شوند.تمیزکاری التراسونیک جواهرات بسیار محبوب است. همچنین برای دندان مصنوعی، ابزار جراحی و ماشین آلات کوچک نیز استفاده می شود. برای مقیاس های بزرگ و در خطوط مونتاژ، از پاک کننده های اولتراسونیک با شدت بالا می توان استفاده کرد.

ماشینکاری التراسونیک

در این فرایندها از ارتعاشات شدید مبدل فراصوت، برای حرکت یک ابزار ماشین استفاده می شود. در صورت لزوم، می توان دوغاب حاوی شن مروارید (Carborundum Grit) را نیز به کار گرفت. البته از ابزارهای الماسه نیز می توان استفاده کرد.یک نوع خاص از این روش، حفاری اولتراسونیک است. در این فرایند از ارتعاشات پنوماتیک در فرکانس های اولتراسونیک، به جای مته استاندارد چرخشی استفاده می شود. از این طریق، می توان سوراخ هایی با اشکال دلخواه در مواد سخت یا شکننده مانند انواع سرامیک، شیشه یا ژرمانیوم ایجاد کرد.

لحیم کاری التراسونیک

این روش برای لحیم کاری مواد غیرمعمول (یا دشوار) و همچنین برای کاربردهای بسیار تمیز به کار می رود. در این فرایند، ابتدا ارتعاشات فراصوت، عمل پاک کنندگی سطح را انجام می دهند. این امواج حتی لایه اکسید روی آلومینیوم را نیز از بین می برند تا آلومینیوم بتواند لحیم شود. از آنجا که می توان سطوحی کاملاً تمیز و عاری از لایه اکسید به دست آورد، دیگر نیازی به فلاکس لحیم کاری نخواهد بود.

جوشکاری التراسونیک

کاربرد اصلی جوشکاری التراسونیک، اتصال قطعات پلاستیکی است. اما برای اتصال فلزات به پلاستیک ها و مغزی دادن فلز در داخل پلاستیک پس از قالب گیری و اتصال مواد غیر هم جنس به یکدیگر نیز مورد استفاده قرار می گیرد.در جوشکاری آلتراسونیک، با قرارگیری قطعات در معرض حرکت ارتعاشی با فرکانس ثابت در حدود 10 تا 40 کیلوهرتز، گرما ایجاد می شود و اتصال صورت می گیرد. دامنه این حرکت ارتعاشی عموما بین 20 تا 40 میکرومتر تغییر می کند.معمولا در این روش جوشکاری، حین اعمال امواج، دو قطعه با کمک سیستم پنوماتیک به هم فشرده می شوند تا آمیزش مولکولی به حداکثر برسد. در شکل زیر دستگاه جوش اولتراسونیک را می بینید.

دوخت التراسونیک

امواج ما فوق صوت طول موج کوتاهی دارند. از این رو هنگامی که متراکم شوند، مانند یک دستگاه حرارتی و یا پرس عمل می کنند. لذا اگر پارچه در زیر دستگاه دوخت اولتراسونیک قرار گیرد، باعث می شود متریال آن با هم گرم و مخلوط شوند و فرایند دوخت انجام گیرد. دوخت صنعتی به این روش توسط چرخ خاصی به نام چرخ التراسونیک انجام می شود. دوخت با این روش بسیار تمیز است و اضافات پارچه به حداقل می رسد.