مقدمه:

کلمه آلتراسونیک Ultrasonic به معنای مافوق صوت است. محدوده فرکانس شنوایی انسان ۲۰ هرتز تا ۲۰ هزار هرتز است. محدوده فرکانسی امواج مافوق صوت ۴۰ کیلو هرتز تا چندین مگا هرتز می‌باشد. امواج مافوق، کاربردهای فراوانی از جمله در لیزر، تخلیه الکتریکی برای بهبود خواص سطحی و افزایش نرخ باربرداری، سنجش فاصله، عمق مخزن، شستشوی دقیق ظروف آزمایشگاهی، تعیین فشار خون بیمار، همگن کردن مواد مذاب، جوشکاری مواد غیر هم جنس، ریخته گری، تراشکاری، فرزکاری، سوراخکاری و غیره دارد.

کاربردهای آلتراسونیک:

یکی از مهم ترین کاربردهای امواج فرا صوت در شستشوی آلتراسونیک است. برای این کار قطعه مورد نظر برای شستشو در مایعی که معمولاً آب است، غوطه ور می‌کنند. مایعی که قطعه در آن غوطه ور 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 می‌کند.

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

جالب است بدانید از امواج مافوق صوت در پزشکی نیز استفاده‌های فراوانی می‌شود. از جمله می‌توان به جراحی توسط چاقوی آلتراسونیک، تخریب سلول های بدخیم، عمل آب مروارید چشم، پیشگیری از پوسیدگی، جرم گیری و عصب کشی دندان ها، شکستن سنگ کلیه، مثانه و کبد، برداشتن چربی اضافی بدن (لیپوساکشن)، برداشتن بافت های مرده و مواد خارجی زخم و هم چنین استفاده در سونوگرافی اشاره کرد.

حسگرهای آلتراسونیک:

برای استفاده از امواج فرا صوت از حسگرهایی استفاده می‌شود که این حسگرها بر اساس محدوده فرکانسی خود به دو دسته صنعتی و غیر صنعتی تقسیم بندی می‌شوند. حسگرهای فرا صوت غیر صنعتی در محدوده فرکانسی ۴۰ کیلو هرتز و حسگرهای صنعتی در حد مگا هرتز هستند. حسگرهای آلتراسونیک معمولا دارای یک فرستنده و یک گیرنده آلتراسونیک هستند. امواج فرستاده شده از حسگر پس از برخورد با یک مانع به حسگر بر می‌گردند و توسط گیرنده حسگر دریافت می‌شوند. از این طریق و با در نظر گرفتن زمان بازگشت موج و کیفیت امواج بازتابی می‌توان به اطلاعاتی راجع به عمق، نوع و سرعت مانع به دست آورد. حسگرهای فرا صوت مزیت‌های فراوانی دارند مانند نویز پذیری کم، استفاده در شرایط نوری مختلف و…

امواج فرا صوت همانند امواج دیگر خواص شکست، پراش، بازتاب و عبور دارند. این امواج به سه روش مکانیکی، مغناطیسی و الکتریکی ایجاد می‌شوند.

شاید بتوان از کاویتاسیون به عنوان مهمترین پدیده در میان سایر پدیده‌ها در التراسونیک نام برد. که با از درون ترکیدن حباب‌ها باعث تغییرات ساختاری می‌شود ، در ادامه به نحوه ایجاد شدن این حباب‌ها و تاثیراتشان آشنا می‌شویم…

پدیده کاویتاسیون از چند طریق ایجاد می‌شود. از جمله در اثر فشار بالا در نازل و یا در دستگاه التراسونیک ، در تمامی این سیستمها انرژی ورودی به اصطکاک¸توربولانس¸امواج و کاویتاسیون تبدیل می‌شود. در میان این موارد تبدیل انرژی ورودی به کاویتاسیون به فاکتور های مختلفی بستگی دارد که از مهم‌ترین انها می‌توان به  میزان شدت شتاب موج اشاره کرد . به این صورت که در ابتدا افزایش شتاب موج  باعث افزایش اختلاف فشار می‌شود و سپس این اختلاف فشار احتمال ایجاد حباب‌های خلا را در هنگام انتشار امواج در مایع را بیشتر می‌کند

پس می‌توان نتیجه گرفت که هرچقدر که شتاب موج ما افزایش یابد سهم بیشتری از انرژی ورودی به کاویتاسیون تبدیل می‌شود.

دستگاه التراسونیک  امواج صوتی با بسامد بالا در محیط مایع منتشر می‌کند که باعث جریان یافتن مایعات و نوسان کردن آنها بین سیکل هایی با  فشار بالا  (compression) و فشار پایین (rarefaction) می‌شود .

در سیکل فشار پایین¸امواج شدید التراسونیک باعث ایجاد حباب‌های خلا کوچکی در محیط مایع می‌شوند زمانی که این حباب‌ها به حجمی می‌رسند که دیگر توانایی جذب انرژی را ندارند در سیکل فشار بالا به طور شدیدی  حباب‌ها فرو می‌ریزند که باعث ایجاد فشار بالا نزدیک به ۲۰۰۰ atm و دمای بالای حدود ۵۰۰۰ کلوین نرخ گرمایشی و سرمایشی بالا در حدود  ۱۰^۹ k/sec و هچنین جریان جت مایع با سرعت ۴۰۰km/h می‌شود.

در رابطه با ترنسدیوسر التراسونیک ، دامنه نوسان تعیین کننده شتاب است به عبارت دیگر هرچه دامنه ما افزایش یابد تاثیر بیشتری برای ایجاد کاویتاسیون در ترنسدیوسر التراسونیک می‌گذارد

علاوه بر شدت، مایع به روشی باید شتاب داده شود که تلفات از لحاظ اصطکاک، توربولانس، امواج  به کمترین مقدار خود برسد .برای این کار بهترین روش حرکت فقط در یک جهت است.

بیشتر کاربرد التراسونیک با شدت بالا در ساخت نانو ذرات است به این صورت که نیروی کاویتاسیون باعث کاهش آلگومرهAgglomerates  و Aggregation  می‌شوند و نتیجه آن کاهش در اندازه ذرات است به طور کلی موادی که اندازه آنها کمتر از ۱۰۰nm است به عنوان مواد نانو تعریف می‌شوند.

 ترکیب شدن تاثیرات فیزیکی مانند کاویتاسیون با تاثیرات شیمیایی یا همان sonochemistry سونوشیمی  برای تولید و رشد کریستال نیز به کار می‌رود.