تعریف امواج آلتراسونیک
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 آلتراسونیک نوعی موج صوتی است که به عنوان صوت نامفهوم برای انسان تعریف می شود. به طور کلی فرکانس این موج بیشتر از ۲۰ 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 ۲۰ کیلوهرتز است. بنابراین دستگاه های فراصوت کاربردی، با فرکانس های ۲۰ 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 آلتراسونیک
به طور کلی علم صدا یا آکوستیک، از قرن ۶ 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 ۱۷۹۴، مکانیزم مکان یابی در خفاش ها توسط “لازارو اسپالانزانی” (Lazzaro Spallanzani) کشف شد. لازارو اثبات کرد که خفاش ها نه به وسیلۀ بینایی، بلکه با صدایی نامفهوم شکار می کنند. با این حال بازهم ماهیت امواج ما فوق صوت تا سال ۱۸۹۳ 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 دامنۀ 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 ۱۸۸۰، 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 ۱۹۱۷ بود. با به رسمیت شناخته شدن این موج، موج فراصوت توسط موسسۀ استاندارد ملی آمریکا به عنوان “صدایی که در فرکانس های بیشتر از ۲۰ کیلوهرتز منتشر می شود” تعریف شد. امروزه مشخص شده است که در هوا و در فشار جو، امواج فراصوت دارای طول موج ۱.۹ سانتی متر یا کمتر هستند.
ادراک امواج آلتراسونیک در انسان
حد بالای فرکانس در انسان (تقریباً ۲۰ 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 جمجمۀ 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 بزرگترها 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 آلتراسونیک 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 ۱۰۰ کیلوهرتز (احتمالاً تا ۲۰۰ 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 ۱۶۰ 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 ۲۰-۴۰ 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 محدودۀ ۱-۲۰ 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.
مبدل های پیزوالکتریک چگونه کار می کنند؟
تا حد زیادی محبوب ترین و همه کاره ترین نوع مبدل های التراسونیک، انواع کریستال پیزوالکتریک هستند. در این مواد، میدان الکتریکی نوسانی اعمال شده به کریستال، به یک لرزش مکانیکی تبدیل می شود.
بلورهای پیزوالکتریک شامل کوارتز، نمک روشل (Rochelle salt) و انواع خاصی از سرامیک ها هستند. این مبدل ها به راحتی در تمام دامنۀ فرکانسی صوت به کار می روند. معمولا برای کاربردهای خاص، از پیزوالکتریک هایی با اشکال خاص استفاده می شود.
برای مثال، یک شکل دیسک مانند، یک موج آلتراسونیک صفحه ای را فراهم می کند. در حالی که سطوح منحنی، امواجی با شکل مقعر یا کاسه ای ایجاد می کنند. بدیهی است که امواج مقعر قابلیت تمرکز در یک نقطۀ خاص را خواهند داشت.
یکی از پیزوالکتریک های معروف صنعتی، “تیتانات زیرکونات سرب” است. لازم به ذکر است که هردو مبدل های پیزوالکتریک و مغناطیسی، قابلیت استفاده به عنوان گیرنده های فراصوت را نیز دارند. به این معنی که یک ارتعاش فراصوت را دریافت کرده و آن را به یک نوسان الکتریکی تبدیل می کنند. به اینگونه ابزارها، حسگر آلتراسونیک گفته می شود.
اساس کار مبدل های مغناطیسی به چه صورتی است؟
یک مبدل مغناطیسی از نوعی ماده مغناطیسی ساخته می شود که با اعمال یک میدان مغناطیسی نوسانی، اتم های آن به هم فشرده می شوند. این فشردگی یک سری تغییرات دوره ای در طول ماده ایجاد می کند. در نتیجه یک لرزش مکانیکی با فرکانس بالا به وجود می آید.
پیش تر نیز گفتیم که مبدل های مغناطیسی در درجۀ اول در دامنۀ فرکانس پایین تر به کار می روند. از این رو استفاده از آن ها در دستگاه های ماشینکاری یا پاک کننده التراسونیک، متداول تر است.
فناوری آلتراسونیک چه کاربرد هایی دارد؟ آشنایی با کاربرد دستگاه التراسونیک
از کاربرد های دستگاه های فراصوت، میتوان به موارد زیر اشاره کرد.
۱. تخلیه الکتریکی برای بهبود خواص سطحی.
۲. افزایش نرخ بارداری.
۳. سنجش فاصله.
۴. تعیین عمق مخزن.
۵. شستشوی دقیق ظروف آزمایشگاهی.
۶. تعیین فشار خون بیماران.
۷. همگن سازی مواد مذاب.
۸. جوشکاری مواد غیر هم جنس.
۹. ریخته گری.
۱۰. تراشکاری.
۱۱. فرزکاری.
۱۲. سوراخکاری.
کاربرد آلتراسونیک در درمان
امواج آلتراسونیک در فیزیوتراپی برای کاهش درد استفاده میشود. فراصوت در فیزیوتراپی برای بر طرف کردن خستگی عضلات و یا کاهش التهاب های موجود کاربرد دارد. همانطور که گفته شد این دستگاه ها در سونوگرافی نیز کاربرد دارند.
کاربرد آلتراسونیک در صنایع تولیدی
امواج فراصوت همانند یک ویبره پر قدرت عمل میکنند. آنها به همگن سازی محلول ها کمک میکنند. به عنوان مثال در صنایع غذایی برای اینکه خمیر ها یا مایعات را همگن کنند از دستگاه اولتراسونیک استفاده میکنند. از دیگر کاربرد های این فناوری برای عیب یابی قطعات صنعتی پس از تولید آنها میباشد. اگر عیب یا ایرادی در داخل قطعه وجود داشته باشد، توسط این دستگاه شناسایی خواهد شد.
خطرات فراصوت
* سوختگی: اگر امواج به طور پیوسته و در یک مکان بدون چرخش به کار بروند باعث سوختگی بافت میشود. برای جلوگیری از این خطر، امواج باید حرکت داده شوند.
* پارگی کروموزومی: استفاده طولانی مدت از امواج التراسونیک باعث پارگی رشته DNA میشود.
* بوجود آوردن حفره: گاهی این امواج باعث پارگی دیواره یاخته ها و از هم گسیختگی مولکول های بزرگ میشود.
معرفی انواع دستگاه التراسونیک
دستگاه جوش آلتراسونیک
جوشکاری آلتراسونیک از روش های متداول و فراگیر در کشور های صنعتی و پیشرفته برای جوشکاری است. عموما قطعات پلاستیکی و گاهی اوقات قطعات فلزی را میتوان با این روش جوشکاری کرد. در این روش هم مانند دیگر روش های جوشکاری، مراحل ۵ گانه مرسوم اجرا میشود.
روش کار دستگاه آلتراسونیک
۱. آماده سازی سطح یا surface preparation
این مرحله شامل تمییز کاری و براده برداری میباشد. وجود آلودگی و لبه های اضافی باعث کاهش کیفیت عملیات جوشکاری میشود.
۲. گرم کردن Heating
برای این مرحله از انرژی امواج فراصوت با فرکانس بالا استفاده میشود. این فرکانس بین ۲۰ تا ۷۰ کیلو هرتز میباشد.
۳. فشردن یا pressing
زمانی که دو قطعه کار به اندازه کافی گرم میشوند، باید به هم فشرده شوند. این فشار توسط سیستم پنوماتیک و هورن دستگاه های جوش انجام میشود.
۴. آمیزش بین مولکولی
تماس دو قطعه کار گرم شده و در آستانه ذوب با یکدیگر و فشار وارده بر آنها، فرصت را برای آمیزش مولکول های دو قطعه کار فراهم میکند.
۵. خنک کردن یا cooling
انجماد و سرد شدن، آخرین مرحله از جوشکاری میباشد. در این مرحله پلیمر های نیمه کریستالی و کریستالی خود را که قبل شروع جوشکاری داشتند به دست می آورند.
اجزای دستگاه آلتراسونیک صنعتی و تجهیزات ماشین جوشکاری آلتراسونیک
این ماشین جوشکاری شامل اجزای زیر میباشد
۱. منبع تغذیه
۲. مبدل فراصوت
۳. آمپلی فایر تقویت کننده یا بوستر
۴. هورن یا شیپوره. این وسیله برای هدایت امواج فراصوت میباشد.
۵. منبع تغذیه فرکانس. این منبع تغذیه فرکانس برق شهری را که ۵۰-۶۰ هرتز است به ۲۰-۷۰ کیلو هرتز میرساند.
مزایا و محدودیت های دستگاه جوش آلتراسونیک چیست ؟
مزایای دستگاه آلتراسونیک
* امکان جوشکاری قطعات بسیار پیچیده، ظریف و حساس را دارد.
* محل جوشکاری آلتراسونیک ظریف و کوچک است.
* مدت زمان جوشکاری در این روش پایین تر از مدت زمان جوشکاری معمولی است.
* کیفیت و استحکام این جوشکاری از نوع مهمولی آن بیشتر است.
* عدم نیاز به ماده افزودنی.
* دقت بالای جوشکاری.
* هزینه پایین جوش.
* عدم تولید آلودگی و سازگار با محیط زیست.
* راندمان بالا.
* سهولت در اتوماسیون.
* تولید بالا با قیمت پایین تر.
* سهولت در اتوماسیون.
معایب دستگاه آلتراسونیک صنعتی
* مهمترین محدودیت این روش در انرژی اعمالی و کوچک بودن عرض شیپوره میباشد. در نتیجه طول جوشی که بوجود می آید بسیار کوچک است.
صنایعی که از دستگاه التراسونیک صنعتی استفاده میکنند عبارت اند از:
۱. صنعت الکترونیک و الکتریک
۲. صنعت بسته بندی
۳. صنعت اتومبیل سازس
۴. پزشکی و تجهیزات پزشکی
۵. صنعت اسباب بازی
و …
دستگاه دوخت ساک دستی
دوخت ساک دستی توسط روش های مختلفی امکان پذیر است. ساک های دستی که با این روش تولید میشوند بسیار مقاوم و شکیل هستند. این دستگاه ها فول اتوماتیک هستند. ساک های تولید شده با استفاده از این روش کیفیت بسیار مطلوبی دارند.
ماشین آلات نساجی و بافندگی با این روش دارای ایزو ۹۰۰۱ و ۱۴۰۰ اروپا میباشد. از این دستگاه ها برای دوخت انواع تشک، ساک دستی و ماسک استفاده میشود.
امواج مافوق صوت، کاربردهای گوناگونی دارند. از جمله در لیزر، تخلیه الکتریکی برای بهبود خواص سطحی و افزایش نرخ بهره وری و … . در صنایع نساجی و بافندگی، مزایای زیادی در استفاده از دستگاه های اولتراسونیک وجود دارد.که به آنها اشاره خواهیم کرد.
مزایای استفاده از دستگاه دوخت آلتراسونیک
* به وسیله این دستگاه، عملیات مهر و موم به سرعت انجام میشود. همچنین استفاده از این روش بسیار مقرون به صرفه است و همچنین قوی است.
* برای انجام عملیات دوخت و دوز به وسیله این دستگاه از هیچ نوع مواد مصرفی استفاده نمیشود. مانند چسب، گیره، نخ و سوزن.
* نگه داشتن گرما درون دستگاه، برای شما چندان هزینه بر نخواهد بود. همچنین برای پیش گرم کردن آن به زمات زیادی احتیاج نخواهید داشت.
* سرعت تولید با استفاده از دستگاه دوخت آلتراسونیک بسیار بالا است.
* دوختی توسط این دستگاه انجام میشود بسیار دقیق، همگن و همرنگ با خود پارچه خواهد بود. و استفاده از مواد مصرفی مثل نخ و سوزن به پایان خواهد رسید.
دستگاه کش زن ماسک آلتراسونیک
دستگاه کش زن ماسک التراسونیک، فرآیند جوش زدن کش بر روی ماسک را انجام میدهد. این فرآیند به سه صورت اتوماتیک، نیمه اتوماتیک و نقطه زن دستی انجام میشود.
اجزاء دستگاه کش زن ماسک
دستگاه کش زن ماسک توسط اجزاء و قطعات مختلفی ساخته میشوند. این قطعات برای انجام عملیات کش زن ماسک بسیار نیاز است. اجزای هرکدام از دستگاه های اتوماتیک، نیمه اتوماتیک و نقطه زن از یکدیگر متفاوت است.
اجزای دستگاه اتوماتیک و نیمه اتوماتیک
این دستگاه شامل یک استراکچر عمودی، به صورت عمود فرود میباشد. این استراکچر سنبه را با زاویه ۹۰ درجه نسبت به سطح هورن، بر روی هورن اولتراسونیک فرود می آورد. کش زن اتوماتیک یا نیمه اتوماتیک توسط نیروی پنوناتیک و یا هوا عمل میکند. به همین جهت این دستگاه به پیستون های پنوماتیک، لوله های انتقال باد، پمپ باد و هورن آلتراسونیک نیاز دارد.
اجزای دستگاه نقطه زن دستی
دستگاه کش زن نقطه زن دستی، جزء دستگاه های با استراکچر ساده است. این دستگاه از یک ترانسدیوسر با قالب پلاستیک در اطراف خود و یک ژنراتور تشکیل شده است.فرمان انتقال امواج فراصوت، توسط یک کلید که معمولا در انتهای دسته ترانسدیور قرار گرفته، اجرا میشود. عملیات جوش کش به صورت نقطه ای در محل مورد نظر اعمال میشود.
دستگاه تمییز کننده یا حمام آلتراسونیک
دستگاه شست و شوی یا حمام آلتراسونیک، دستگاهی است که میتواند توسط امواج فراصوت، تمام آلودگی های چسبیده به سطوح را از بین ببرد. این آلودگی ها میتواند بر روی سطح جسم باشند و یا در برخی بخش های غیر قابل دسترسی داخلی آن قرار گیرند.
استفاده از دستگاه آلتراسونیک بعد از جنگ جهانی اول آغاز شد. اما به علت ضعیف بودن فناوری ساخت این دستگاه ها در آن زمان از خاصیت تمییز کنندگی آن استفاده زیادی نشد.
از دهه ۱۹۶۰ فناوری پیشرفته تر شد و دستگاه های شستشوی آلتراسونیک تجاری وارد بازار شدند. حمام های فراصوت دستگاهی است که به صرعت و به طور کامل میکروب ها و آلودگی ها را از روی سطح پاک میکند. در نتیجه از این دستگاه برای شست و شوی جواهرات، قطعات صنعتی، برد های الکترونیکی و … استفاده میشود.
مزایا و کاربرد های حمام آلتراسونیک
این دستگاه، بهترین گزینه برای شست و شوی قطعات صنعتی بزرگ است. اگر قطعه ای دارید که آلودگی دارد و نمیتوانید آن را به راحتی تمییز کنید، دستگاه شست و شوی فراصوت بهترین گزینه برای شما است. این دستگاه میتواند هم آلودگی های روی سطح و هم آلودگی هایی که در نقاط کور ایجاد میشود را از بین ببرد.
همچنین اگر تعداد قطعات آلوده زیادی دارید و در طول روز مجبور هستید تعداد زیادی از آنها را تمییز کنید، این دستگاه میتواند بسیار به شما کمک کند.
ابعاد حمام و دستگاه شستشوی التراسونیک
این دستگاه ها معمولا در حجم بالا ساخته میشوند. محدوده حجم های رایج برای انها از ۱۲۰ لیتر تا ۷۰۰ لیتر میباشد. البته برخی ازشرکت های تولید کننده دستگاه التراسونیک صنعتی امکان ساخت این دستگاه به صورت سفارشی و با ابعاد مورد نظر مشتری را دارند.
دستگاه شستشوی فراصوت چگونه کار میکند؟
این دستگاه استخری است که از آب و یا مواد شوینده پر میشود. امواج آلتراسونیک از کف و یا دیواره های آن آزاد میشوند. نوسان سریع امواج صوتی، داخل مخزن آب، باعث ایجاد موج های کوچک و در نتیجه حباب های میکروسکوپی میشود. این حباب ها تا ابعاد خاصی بزرگ میشوند و در آخر بر اثر انفجاری میکروسکوپی از بین میروند. در حقیقت به این انفجار های کوچک، کاویتاسیون گفته میشود. قدرت این انفجار ها باعث از بین رفتن و کنده شدن ذره های روی سطوح میشوند.
چنانچه در حوزه کاری خود به مشکلی برخورد کرده‌اید و در جستجوی فرد و یا شرکت‌های توانمند برای حل مشکلتان هستید می توانید با عضویت در سامانه گلوپ و ثبت مشکل خود با این افراد و شرکت ها ارتباط برقرار کنید.
برای مشاهده مطالب بیشتر به گلوپ پلاس مراجعه فرمایید.