فراصوت1: دنیای پنهان امواج صوتی
صدا چگونه سفر میکند؟ درک مفاهیم پایه
صدا شکل خاصی از انرژی است که از طریق ارتعاش2 ذرات در یک محیط (مانند هوا، آب یا فلز) منتقل میشود. این ارتعاشات به صورت امواج طولی3 حرکت میکنند. برای درک بهتر، یک فنر بازی را تصور کنید: اگر یک سر آن را فشرده و رها کنید، حلقههای فشرده و بازشده در طول فنر حرکت میکنند. ذرات هوا در مقابل امواج صوتی نیز تقریباً همین رفتار را دارند.
دو ویژگی کلیدی برای توصیف هر موج صوتی وجود دارد:
- فرکانس4: تعداد دفعاتی که یک موج در یک ثانیه تکرار میشود. واحد آن هرتز (Hz) است. فرکانس بالا معنی زیرتر بودن صدا و فرکانس پایین معنی بمتر بودن صدا را میدهد.
- دامنه5: میزان انحراف ذرات از حالت عادی که معادل بلندی صدا است. دامنه بیشتر یعنی صدای بلندتر.
گوش انسان به طور معمول قادر به تشخیص صداهایی در بازه فرکانسی 20 تا 20,000 هرتز (یا 20 کیلوهرتز) است. هر موج صوتی که فرکانس آن بالاتر از این حد باشد، فراصوت نامیده میشود.
$ v = f \times \lambda $
که در آن:
• $ v $: سرعت صوت (مثلاً در هوا حدود 340 متر بر ثانیه)
• $ f $: فرکانس (بر حسب هرتز)
• $ \lambda $: طول موج (فاصله بین دو قله موج متوالی)
از کجا میآید و چگونه شنیده میشود؟ تولید و دریافت فراصوت
از آنجا که گوش ما قادر به شنیدن فراصوت نیست، برای تولید و تشخیص آن به دستگاههای ویژهای نیاز داریم. قلب این دستگاهها اغلب یک مبدل پیزوالکتریک6 است.
مبدل پیزوالکتریک معمولاً از یک کریستال یا سرامیک خاص ساخته میشود که دارای یک ویژگی جادویی است: اگر جریان الکتریکی به آن بدهیم، منقبض و منبسط میشود (ارتعاش میکند) و اگر آن را تحت فشار مکانیکی قرار دهیم، جریان الکتریکی تولید میکند. بنابراین، یک مبدل هم میتواند نقش بلندگو (تبدیل سیگنال الکتریکی به امواج فراصوت) و هم نقش میکروفون (تبدیل امواج فراصوت برگشتی به سیگنال الکتریکی) را ایفا کند.
| ویژگی | صوت قابل شنیدن (محدوده انسان) | فراصوت |
|---|---|---|
| بازه فرکانسی | 20 Hz – 20 kHz | بالاتر از 20 kHz (معمولاً 1 MHz به بالا برای مصارف پزشکی) |
| طول موج در هوا | بسیار بلند (مثلاً 17 متر برای 20 Hz) | بسیار کوتاه (مثلاً 1.7 میلیمتر برای 200 kHz) |
| کاربرد نمونه | مکالمه، موسیقی، اعلام خطر | سونوگرافی، سنجش فاصله، تمیزکاری |
| شنونده | انسان و بسیاری از حیوانات | حیواناتی مانند خفاش و دلفین، دستگاههای الکترونیکی |
پزشکی، صنعت و طبیعت: قلمرو گسترده کاربردها
فراصوت به لطف ویژگیهای منحصربهفردش (فرکانس بالا، طول موج کوتاه، جهتدار بودن) در حوزههای بسیار متنوعی استفاده میشود. در اینجا به برخی از شناختهشدهترین کاربردها اشاره میکنیم:
الف) تصویربرداری پزشکی (سونوگرافی7): احتمالاً مشهورترین کاربرد فراصوت است. در این روش، پرتوهای فراصوت به درون بدن فرستاده میشوند. این امواج در برخورد با بافتهای مختلف (مثلاً استخوان، ماهیچه، مایع) با شدتهای مختلفی منعکس میشوند. مبدل، این پژواکها8 را دریافت و کامپیوتر، آنها را به تصویر زنده و سیاهوسفید (گاهی رنگی برای جریان خون) تبدیل میکند. بزرگترین مزیت آن، غیرتهاجمی و بیخطر بودن است. مثلاً برای مشاهده جنین در دوران بارداری، بررسی قلب (اکوکاردیوگرافی) یا تشخیص سنگ کیسه صفرا کاربرد دارد.
ب) صنعت و کنترل غیرمخرب: از امواج فراصوت برای یافتن ترکهای ریز داخل فلزات، لولهها یا بتن استفاده میشود (سونوگرافی صنعتی). همچنین برای مخلوط کردن یکنواخت مایعات، تمیز کردن دقیق قطعات حساس (مثل جواهرات یا قطعات الکترونیک) و حتی جوشکاری پلاستیک کاربرد دارد.
ج) طبیعت و جانوران: بسیاری از حیوانات برای جهتیابی و شکار به فراصوت متکی هستند. خفاشها امواج فراصوت تولید میکنند و با تحلیل پژواک آن، موقعیت و حتی اندازه حشره را تشخیص میدهند. این فرآیند پژواکیابی9 نام دارد. دلفینها نیز از این توانایی برای ناوبری در آبهای تاریک استفاده میکنند.
چگونه یک دستگاه سنجش فاصله ساده کار میکند؟
یکی از سادهترین و قابل لمسترین کاربردهای فراصوت، در دستگاههای سنجش فاصله10 است. این دستگاهها در رباتها، سیستمهای پارک خودرو و حتی برخی اپلیکیشنهای موبایل استفاده میشوند. نحوه کار آن گام به گام و بر اساس سرعت ثابت صوت است:
- ارسال پالس: مبدل، یک پالس کوتاه از امواج فراصوت را به سمت هدف (مثلاً دیوار) میفرستد.
- انتظار برای پژواک: پالس به دیوار برخورد کرده و به سمت مبدل برمیگردد.
- دریافت پژواک: مبدل، پژواک را دریافت میکند.
- محاسبه زمان: یک مدار الکترونیکی، مدت زمان بین ارسال و دریافت پالس ($ t $) را با دقت بسیار بالا اندازهگیری میکند.
- محاسبه فاصله: با دانستن سرعت صوت در هوا ($ v $)، فاصله ($ d $) از رابطه زیر محاسبه میشود:
$ d = \frac{v \times t}{2} $
عدد 2 در مخرج به این دلیل است که صوت رفت و برگشت کرده است، پس فاصله کل دو برابر فاصله تا هدف است.
مثال: اگر زمان رفت و برگشت پالس 0.01 ثانیه (یک صدم ثانیه) باشد، و سرعت صوت 340 متر بر ثانیه باشد، فاصله تا دیوار برابر است با:
$ d = \frac{340 \times 0.01}{2} = 1.7 \text{ متر} $
پرسشهای مهم و باورهای نادرست
پاسخ: در سطح توان و مدت زمان مورد استفاده در کاربردهای تشخیصی مانند سونوگرافی، فراصوت به طور کلی بسیار ایمن در نظر گرفته میشود زیرا برخلاف پرتوهای ایکس، یونیزان نیست و ساختار مولکولی را تغییر نمیدهد. با این حال، در سطوح بسیار بالا و متمرکز (مثلاً در فیزیوتراپی یا برخی کاربردهای صنعتی) میتواند باعث گرم شدن بافتها شود. بنابراین استفاده از آن باید تحت نظارت متخصص باشد.
پاسخ: هوا یک مانع بسیار قوی برای عبور امواج فراصوت است. ژل مورد استفاده یک محیط کوپلینگ11 است که هوا را بین پروب (مبدل) و پوست بیرون میراند و اتصال صوتی بهتری ایجاد میکند. این کار باعث میشود امواج با اتلاف کمتری وارد بدن شده و تصویر با کیفیت بهتری تشکیل شود.
پاسخ: خیر، طبق تعریف، فرکانس فراصوت خارج از محدوده شنوایی انسان است. با این حال، برخی صداهای با فرکانس بسیار بالا (مثلاً بالای 17 کیلوهرتز) ممکن است توسط جوانترها که شنوایی بهتری دارند، به صورت بسیار ضعیف حس شوند، اما به آنچه به طور رایج فراصوت (>20 kHz) گفته میشود، انسان قادر به شنیدن نیست. حیواناتی مثل سگ (تا حدود 45 kHz) توانایی شنیدن بخشی از این امواج را دارند.
پاورقی
1 فراصوت: Ultrasound
2 ارتعاش: Vibration
3 امواج طولی: Longitudinal Waves - موجی که در راستای انتشار، نوسان میکند.
4 فرکانس: Frequency
5 دامنه: Amplitude
6 مبدل پیزوالکتریک: Piezoelectric Transducer - وسیلهای که انرژی الکتریکی و مکانیکی را به یکدیگر تبدیل میکند.
7 سونوگرافی: Sonography / Ultrasonography
8 پژواک: Echo
9 پژواکیابی: Echolocation
10 سنجش فاصله: Rangefinding
11 کوپلینگ: Coupling - ایجاد اتصال مناسب برای انتقال انرژی.
