تويت
فوق صوتيه (تطبيقات)
Ultrasonic applications - Applications ultrasoniques
فوق الصوتية (التطبيقات)
الأمواج الصوتية هي أمواج ميكانيكية تمثل اهتزازات تزيد تردداتها على 16 هرتز (Hz) وتقسم إلى ثلاثة أقسام:
1 - أمواج تحت صوتية infra sound يقل ترددها عن 16 هرتز وطول موجتها في الهواء 12م.
2 - أمواج صوتية (في المجال السمعي) hearing sound يراوح ترددها بين 16 هرتز و16 كيلوهرتز، وتراوح أطول موجاتها في الهواء بين 21مم و21م، وتستطيع الأذن البشرية سماع أصوات ضمن هذه الترددات.
3 - أمـواج فوق صوتية ultra sound: يزيد ترددها على 16 كيلوهرتز، ويبلغ حتى 1 غيغاهرتز. وطـول مـوجتها في الهـواء من 0.34 ميكروميتر لغاية 21 مليمتر.
توليد الأمواج فوق الصوتية
يمكن توليد الاهتزازات الميكانيكية باستخدام طرائق ميكانيكية أو حرارية كهرديناميكية أو كهربلورية، والطرائق الأخيرة هي الأكثر استخداماً (الشكل-1)، ويكون ذلك بتطبيق حقل كهربائي متغير على البلورة crystal مما يسبب انكماش وتمدد المادة البلورية محولة بذلك القدرة الكهربائية المتغيرة إلى موجات ميكانيكية تظهر على الوسط المتصل بالبلورة، فتنتشر كموجة فوق صوتية حسب وسط الانتشار الموجهة إليه.
انتشار الأمواج الصوتية
يتكوّن الصوت من اهتزازات متناغمة للجزيئات، وتتأثر بقوى مرنة تعود إلى حالة التوازن الجزيئي. ويرتبط تواجد الأصوات بتواجد المادة، فالصوت لا يتكون في الخلاء، والنواقل الصوتية هي الأوساط السائلة والغازية والصلبة. تحافظ الأصوات على خواصها ونوعيتها عند انتشارها في الأوساط الغازية والسائلة، أي لا تظهر أي جهود انحراف على أمواجها، فتسير بشكل طولي على شكل انضغاطات وتمددات للوسط، وهذا يعني أن اتجاه الاهتزاز يكون موازياً لاتجاه الانتشار.
ولكن عند مرور الموجة الصوتية في الجسم الصلب تتعرض لتغيرات تعبر عن الخواص الأساسية للجسم الصلب. تخضع سرعة الموجة الصوتية عموماً للعلاقة الرياضية البسيطة الآتية:
C = F λ
حيث:
C: سرعة الموجة بالمتر في الثانية.
F: تردد الموجة بالهرتز.
λ: طول الموجة بالمتر.
وتراوح سرعة الموجة الصوتية في الهواء بين 342 إلى 353 متراً في الثانية، وتتغير هذه السرعة عند انتشار الموجة الصوتية في مواد أخرى وفقاً للخواص المميزة للمادة (الجدول1).
ويتأثر انتشار الأمواج الصوتية بما يسمى الممانعة الصوتية acoustic impedance التي تعرّف بأنها: الممانعة التي تتعرض لها الموجة الصوتية عند عبورها لوسط ما. وتعد الممانعة الصوتية مواصفة خاصة للوسط الذي تنتشر فيه الموجة الصوتية، وتدل على خواصه أيضاً.
الأمواج فوق الصوتية في الطبيعة
خلافاً للإنسان ذي قدرة السمع المحدودة، فإنَّ العديد من الحيوانات والحشرات والطيور تتمتع بقدرة تحسس ترددي عريض المجال، ومثال على ذلك (الجدول-2).
استخدام الأمواج فوق الصوتية
- في الطب:
وُظّفت الأمواج فوق الصوتية منذ بداية الأربعينات من القرن الماضي لخدمة الأغراض الطبية، وذلك على يد الطبيب النمساوي كارل تيودور Karl Theodor الذي يعدّ الطبيب الأول الذي استخدم الأمواج فوق الصوتية للتشخيص الطبي. وقد واجه صعوبات بسبب امتصاص العظام لمعظم طاقة الأمواج فوق الصوتية، إلا أنه بالتعاون بين الفيزيائيين والمهندسين والأطباء والبيولوجيين، وباستخدام التجهيزات الإلكترونية الحديثة، أمكن استخدام الأمواج فوق الصوتية في المجالات الطبية لغرضين هما الآتيين:
1ـ الأمواج فوق الصوتية للمعالجة: تُقسم تأثيرات الأمواج فوق الصوتية في النسيج الحيوي إلى تأثيرات ثانوية وأخرى ابتدائية. أما التأثيرات الميكانيكية فترتبط بالتأثير الضغطي الذي تسببه الأمواج على النسيج الحيوي عند استخدام طريقة المسّاج للمعالجة، ويسبب زيادة في التروية الدموية.
وتتجلى فعالية الأمواج فوق الصوتية في الإنسان كما يأتي:
ـ العضلات: زيادة الفعالية، وزيادة مستوى الانتشار الأيوني، وتغير الشد العضلي.
ـ الأنسجة الحية: تسخين النسيج الحي، وانحراف قيمة الـ pH، وتحرير مواد ومركبات كيمياوية حيوية.
ـ الأعصاب: زيادة جهد الفعل.
ـ المعدة: تحريض حركي وزيادة الفعالية.
ـ الأمعاء الدقيقة: تحريض التحوّي (التمعج).
ـ الدورة الدموية: توسيع الشعيرات الدموية.
ـ التأثير الجنسي: تأثير سلبي في الآلية العامة.
ـ الجراحة البولية: تفتيت الحصى في الكلية والمسالك البولية.
وعلى الرغم من ذلك فإن استخدام الأمواج الصوتية في مجال المعالجة لا يزال إلى حد كبير محدوداً مقارنة مع استخدام الأمواج فوق الصوتية للتشخيص الطبي، إلا أنه تنفذ أبحاث كثيرة حول استخدام الأمواج الصوتية ذات الكثافة العالية والمركزة في الجراحة العصبية، وجراحة البلعوم، والجراحة البولية.
2 ـ الأمواج فوق الصوتية للتشخيص ultrasound for diagnostic: في حين يتم استخدام الأمواج فوق الصوتية للمعالجة باستطاعة من رتبة واط على السنتيمتر w/cm وتردد من رتبة الكيلوهرتز KHz فإنَّ الأمواج فوق الصوتية المستخدمة للتشخيص تكون استطاعتها أقل منها بألف مرة أي إنها من رتبة الميلي واط على السنتيمتر mw/cm وترددها ضمن مجال أعلى بألف مرة أي ضمن مجال 1ميغا هرتز n1MHz.
وقد استخدم في القرن الثامن عشر مبدأ الطرق أو القرع الطبي وسيلة للتشخيص، حيث يتم القرع والسماع المباشر بوضع الأذن على الصدر لسماع الأصوات ومن المقارنة بين الأصوات الناتجة من الأعضاء السليمة والأصوات الناتجة من الأعضاء المريضة كان الطبيب يحاول تحديد الأمراض في منطقة الصدر.
وتعدُّ سماعة الطبيب stethoscope (الشكل-2) التي اكتشفت بعد ذلك، ويستخدمها لتساعده على سماع الأصوات الناتجة داخل الجسم، وخاصة أصوات القلب والرئتين، مهمة جداً لتشخيص العديد من الأمراض.
وتكمن الأهمية الكبرى للتشخيص بالأمواج فوق الصوتية في الحصول على الصورة image حيث يعتمد ذلك على مبدأ الصدى echo principle. ويعتمد الدخول إلى عمق الجسم للحصول على الصورة الجيدة على اختيار التردد الملائم، ما يمكّن من الحصول على صور ثلاثية الأبعاد للنسيج المراد فحصه. أما الصور التي يطلق عليها رباعية الأبعاد فهي صور ثلاثية الأبعاد والبعد الرابع هو البعد الزمني الذي يعطي المجسم ثلاثي الأبعاد الحياة.يبين (الشكل-3) صورة طبية باستخدام الأمواج فوق الصوتية.
الأمواج فوق الصوتية في الاختبارات اللاتخريبية (اللاإتلافية) nondestructive measurement
تستخدم هذه الأمواج في اختبار الإجهاد والتشقق في المعادن المعرضة لحالات عمل حرجة مثل: عجلات القطارات والسكك الحديدية وأجنحة
الطائرات والوصلات المعدنية.
ـ استخدام الأمواج فوق الصوتية للتنظيف والتعقيم:
تستخدم الأمواج فوق الصوتية لتعقيم الأدوات وتنظيف المحركات والعناصر المعدنية المعقدة الصنع والتي يصعب تنظيفها أو تعقيمها بالطرائق العادية.
وتعتمد عملية التنظيف هذه على توليد أمواج فوق صوتية ذات تردد أعلى من 20000 هرتز وباستخدام وعاء تنظيف خاص يحتوي على سائل خاص (محلول حمضي) (الشكل-4).
تبدّل وحدة توليد الأمواج فوق الصوتية الطاقة الكهربائية المتغيرة إلى طاقة فوق صوتية تدخل إلى وعاء التنظيف بشكل أمواج ضغط عالٍ تؤدي إلى رفع حرارة السائل، مولِّدة فقاعات تسير بسرعة عالية تصل إلى 400 كيلومتر في الساعة، وتصطدم بالأوساخ الملتصقة بالجسم المراد تنظيفه حيث تقوم بتحطيمها وإزالتها في فترة قصيرة جداً.
استخدامات أخرى للأمواج فوق الصوتية
تستخدم الأمواج فوق الصوتية لأغراض أخرى مثل قياس المسافات[ر] والتحكم عن بعد[ر] في الدارات الإلكترونية وتجهيزات الحماية الأمنية وتحديد المواقع والأهداف العسكرية (وخاصة في مجال الغواصات[ر]). وكذلك في عمليات لحام المعادن welding [ر.اللحام] والدارات الإلكترونية[ر]، حيث توفر دقة وصل جيدة ضمن مساحة صغيرة جداً.
نديم شاهين
Ultrasonic applications - Applications ultrasoniques
فوق الصوتية (التطبيقات)
الأمواج الصوتية هي أمواج ميكانيكية تمثل اهتزازات تزيد تردداتها على 16 هرتز (Hz) وتقسم إلى ثلاثة أقسام:
1 - أمواج تحت صوتية infra sound يقل ترددها عن 16 هرتز وطول موجتها في الهواء 12م.
2 - أمواج صوتية (في المجال السمعي) hearing sound يراوح ترددها بين 16 هرتز و16 كيلوهرتز، وتراوح أطول موجاتها في الهواء بين 21مم و21م، وتستطيع الأذن البشرية سماع أصوات ضمن هذه الترددات.
3 - أمـواج فوق صوتية ultra sound: يزيد ترددها على 16 كيلوهرتز، ويبلغ حتى 1 غيغاهرتز. وطـول مـوجتها في الهـواء من 0.34 ميكروميتر لغاية 21 مليمتر.
 |
|
| الشكل (1) توليد الأمواج فوق الصوتية باستخدام الأثر الكهربلوري |
يمكن توليد الاهتزازات الميكانيكية باستخدام طرائق ميكانيكية أو حرارية كهرديناميكية أو كهربلورية، والطرائق الأخيرة هي الأكثر استخداماً (الشكل-1)، ويكون ذلك بتطبيق حقل كهربائي متغير على البلورة crystal مما يسبب انكماش وتمدد المادة البلورية محولة بذلك القدرة الكهربائية المتغيرة إلى موجات ميكانيكية تظهر على الوسط المتصل بالبلورة، فتنتشر كموجة فوق صوتية حسب وسط الانتشار الموجهة إليه.
انتشار الأمواج الصوتية
يتكوّن الصوت من اهتزازات متناغمة للجزيئات، وتتأثر بقوى مرنة تعود إلى حالة التوازن الجزيئي. ويرتبط تواجد الأصوات بتواجد المادة، فالصوت لا يتكون في الخلاء، والنواقل الصوتية هي الأوساط السائلة والغازية والصلبة. تحافظ الأصوات على خواصها ونوعيتها عند انتشارها في الأوساط الغازية والسائلة، أي لا تظهر أي جهود انحراف على أمواجها، فتسير بشكل طولي على شكل انضغاطات وتمددات للوسط، وهذا يعني أن اتجاه الاهتزاز يكون موازياً لاتجاه الانتشار.
ولكن عند مرور الموجة الصوتية في الجسم الصلب تتعرض لتغيرات تعبر عن الخواص الأساسية للجسم الصلب. تخضع سرعة الموجة الصوتية عموماً للعلاقة الرياضية البسيطة الآتية:
C = F λ
| المادة | السرعة (متر/ثانية) |
| الماء | 1523 |
| الدم | 1562 |
| الشحوم | 1462 |
| العظام | 2650 |
| الجدول (1) | |
C: سرعة الموجة بالمتر في الثانية.
F: تردد الموجة بالهرتز.
λ: طول الموجة بالمتر.
وتراوح سرعة الموجة الصوتية في الهواء بين 342 إلى 353 متراً في الثانية، وتتغير هذه السرعة عند انتشار الموجة الصوتية في مواد أخرى وفقاً للخواص المميزة للمادة (الجدول1).
| النوع | المجال الترددي للقدرة السمعية |
| الكلاب | 16 هرتز-50 كيلوهرتز |
| القطط | 60 هرتز-60 كيلوهرتز |
| الجراد | 5-95 كيلوهرتز |
| الصرصور | 3-100 كيلوهرتز |
| الخفاش | 7-200 كيلوهرتز |
| الدلفين | 4-200 كيلوهرتز |
| الجدول (2) | |
الأمواج فوق الصوتية في الطبيعة
خلافاً للإنسان ذي قدرة السمع المحدودة، فإنَّ العديد من الحيوانات والحشرات والطيور تتمتع بقدرة تحسس ترددي عريض المجال، ومثال على ذلك (الجدول-2).
استخدام الأمواج فوق الصوتية
- في الطب:
وُظّفت الأمواج فوق الصوتية منذ بداية الأربعينات من القرن الماضي لخدمة الأغراض الطبية، وذلك على يد الطبيب النمساوي كارل تيودور Karl Theodor الذي يعدّ الطبيب الأول الذي استخدم الأمواج فوق الصوتية للتشخيص الطبي. وقد واجه صعوبات بسبب امتصاص العظام لمعظم طاقة الأمواج فوق الصوتية، إلا أنه بالتعاون بين الفيزيائيين والمهندسين والأطباء والبيولوجيين، وباستخدام التجهيزات الإلكترونية الحديثة، أمكن استخدام الأمواج فوق الصوتية في المجالات الطبية لغرضين هما الآتيين:
1ـ الأمواج فوق الصوتية للمعالجة: تُقسم تأثيرات الأمواج فوق الصوتية في النسيج الحيوي إلى تأثيرات ثانوية وأخرى ابتدائية. أما التأثيرات الميكانيكية فترتبط بالتأثير الضغطي الذي تسببه الأمواج على النسيج الحيوي عند استخدام طريقة المسّاج للمعالجة، ويسبب زيادة في التروية الدموية.
وتتجلى فعالية الأمواج فوق الصوتية في الإنسان كما يأتي:
ـ العضلات: زيادة الفعالية، وزيادة مستوى الانتشار الأيوني، وتغير الشد العضلي.
ـ الأنسجة الحية: تسخين النسيج الحي، وانحراف قيمة الـ pH، وتحرير مواد ومركبات كيمياوية حيوية.
ـ الأعصاب: زيادة جهد الفعل.
ـ المعدة: تحريض حركي وزيادة الفعالية.
ـ الأمعاء الدقيقة: تحريض التحوّي (التمعج).
ـ الدورة الدموية: توسيع الشعيرات الدموية.
ـ التأثير الجنسي: تأثير سلبي في الآلية العامة.
ـ الجراحة البولية: تفتيت الحصى في الكلية والمسالك البولية.
وعلى الرغم من ذلك فإن استخدام الأمواج الصوتية في مجال المعالجة لا يزال إلى حد كبير محدوداً مقارنة مع استخدام الأمواج فوق الصوتية للتشخيص الطبي، إلا أنه تنفذ أبحاث كثيرة حول استخدام الأمواج الصوتية ذات الكثافة العالية والمركزة في الجراحة العصبية، وجراحة البلعوم، والجراحة البولية.
2 ـ الأمواج فوق الصوتية للتشخيص ultrasound for diagnostic: في حين يتم استخدام الأمواج فوق الصوتية للمعالجة باستطاعة من رتبة واط على السنتيمتر w/cm وتردد من رتبة الكيلوهرتز KHz فإنَّ الأمواج فوق الصوتية المستخدمة للتشخيص تكون استطاعتها أقل منها بألف مرة أي إنها من رتبة الميلي واط على السنتيمتر mw/cm وترددها ضمن مجال أعلى بألف مرة أي ضمن مجال 1ميغا هرتز n1MHz.
وقد استخدم في القرن الثامن عشر مبدأ الطرق أو القرع الطبي وسيلة للتشخيص، حيث يتم القرع والسماع المباشر بوضع الأذن على الصدر لسماع الأصوات ومن المقارنة بين الأصوات الناتجة من الأعضاء السليمة والأصوات الناتجة من الأعضاء المريضة كان الطبيب يحاول تحديد الأمراض في منطقة الصدر.
وتعدُّ سماعة الطبيب stethoscope (الشكل-2) التي اكتشفت بعد ذلك، ويستخدمها لتساعده على سماع الأصوات الناتجة داخل الجسم، وخاصة أصوات القلب والرئتين، مهمة جداً لتشخيص العديد من الأمراض.
وتكمن الأهمية الكبرى للتشخيص بالأمواج فوق الصوتية في الحصول على الصورة image حيث يعتمد ذلك على مبدأ الصدى echo principle. ويعتمد الدخول إلى عمق الجسم للحصول على الصورة الجيدة على اختيار التردد الملائم، ما يمكّن من الحصول على صور ثلاثية الأبعاد للنسيج المراد فحصه. أما الصور التي يطلق عليها رباعية الأبعاد فهي صور ثلاثية الأبعاد والبعد الرابع هو البعد الزمني الذي يعطي المجسم ثلاثي الأبعاد الحياة.يبين (الشكل-3) صورة طبية باستخدام الأمواج فوق الصوتية.
 |
|
 |
| الشكل (2) سماعة الطبيب Stethoscope | الشكل (3) صورة حديثة باستخدام الأمواج فوق الصوتية |
تستخدم هذه الأمواج في اختبار الإجهاد والتشقق في المعادن المعرضة لحالات عمل حرجة مثل: عجلات القطارات والسكك الحديدية وأجنحة
 |
|
| الشكل (4) وعاء تنظيف وتعقيم باستخدام الأمواج فوق الصوتية |
ـ استخدام الأمواج فوق الصوتية للتنظيف والتعقيم:
تستخدم الأمواج فوق الصوتية لتعقيم الأدوات وتنظيف المحركات والعناصر المعدنية المعقدة الصنع والتي يصعب تنظيفها أو تعقيمها بالطرائق العادية.
وتعتمد عملية التنظيف هذه على توليد أمواج فوق صوتية ذات تردد أعلى من 20000 هرتز وباستخدام وعاء تنظيف خاص يحتوي على سائل خاص (محلول حمضي) (الشكل-4).
تبدّل وحدة توليد الأمواج فوق الصوتية الطاقة الكهربائية المتغيرة إلى طاقة فوق صوتية تدخل إلى وعاء التنظيف بشكل أمواج ضغط عالٍ تؤدي إلى رفع حرارة السائل، مولِّدة فقاعات تسير بسرعة عالية تصل إلى 400 كيلومتر في الساعة، وتصطدم بالأوساخ الملتصقة بالجسم المراد تنظيفه حيث تقوم بتحطيمها وإزالتها في فترة قصيرة جداً.
استخدامات أخرى للأمواج فوق الصوتية
تستخدم الأمواج فوق الصوتية لأغراض أخرى مثل قياس المسافات[ر] والتحكم عن بعد[ر] في الدارات الإلكترونية وتجهيزات الحماية الأمنية وتحديد المواقع والأهداف العسكرية (وخاصة في مجال الغواصات[ر]). وكذلك في عمليات لحام المعادن welding [ر.اللحام] والدارات الإلكترونية[ر]، حيث توفر دقة وصل جيدة ضمن مساحة صغيرة جداً.
نديم شاهين