فراصوت

فراصوت (به انگلیسی Ultrasound)، به امواج صوتی گفته می‌شود که دارای بسامدی بیشتر از بازه بسامدی شنوایی انسان هستند.
بازه بسامدی شنوایی افراد متفاوت است و با بالا رفتن سن این بازه کاهش می‌یابد، ولی معمولاً بالاترین فرکانس شنوایی انسان حدود ۲۰ کیلوهرتز در نظر گرفته می‌شود. نقطه مقابل این امواج، امواج فروصوت یا (مادون صوت) هستند که فروصوت (به انگلیسی: Infrasound) به موج‌های صوتی گفته می‌شود که دارای بسامدی کمتر از حدّ پایین محدودۀ بسامد شنیداری انسان ۲۰ هرتز می‌باشند. اصطلاح فراصوت، نباید با مافوق صوت (به انگلیسیSupersonic) که برای سرعت حرکت بالاتر از سرعت صوت استفاده می‌شود، اشتباه گرفته شود.

تاریخچه
در سال ۱۸۷۶ میلادی، فرانسیس گالتون برای اولین بار پی بوجود امواج فراصوت برد. گالتن با ساخت و آزمایش سوتی توانست اصواتی با بسامدی بالاتر از محدوده شنوایی انسان (فراصوت) تولید نماید. در زمان جنگ جهانی اول کشور انگلستان برای کمک به جلوگیری از غرق شدن غم انگیز کشتی‌هایش توسط زیردریاییهای کشور آلمان در اقیانوس آتلانتیک شمالی دستگاه کشف کننده زیردریایی‌ها به کمک امواج صوتی به نام Sonar ابداع کرد. این دستگاه امواج فراصوت تولید می‌کرد که در پیدا کردن مسیر کشتیها استفاده می‌شد. این تکنیک در زمان جنگ جهانی دوم تکمیل گردید و بعدها بطور گسترده‌ای در صنعت این کشور برای آشکار سازی شکافها در فلزات و سایر موارد مورد استفاده قرار می‌گرفت. از کاربرد بخصوصی که انعکاس صوت در جنگ و صنعت داشت Sonar به علم پزشکی وارد شد و تبدیل به یک وسیله تشخیصی بزرگ در علم پزشکی گردید.

گستره شنوایی

روشهای تولید امواج فراصوت :

۱- مکانیکی ۲- الکتریکی ۳- مغناطیسی

ابزار مکانیکی تولید فرا صوت
سیرن ، مولد الکتریکی ، مولد مغناطیسی، نوسانگر پیزو الکتریک، نوسانگر مانیتواستریکتیو

روش پیزوالکتریسیته
تأثیر متقابل فشار مکانیکی و نیروی الکتریکی را در یک محیط اثر پیزو الکتریسیته می‌گویند. بطور مثال بلورهایی وجود دارند که در اثر فشار مکانیکی، نیروی الکتریکی تولید می‌کنند و برعکس ایجاد اختلاف پتانسیل در دو سوی همین بلور و در همین راستا باعث فشردگی و انبساط آنها می‌شود که ادامه دادن به این فشردگی و انبساط باعث نوسان و تولید امواج می‌شود. مواد (بلورهای) دارای این ویژگی را مواد پیزو الکتریک می‌گویند. اثر پیزو الکتریسیته فقط در بلورهایی که دارای تقارن مرکزی نیستند، وجود دارد. بلور کوارتز از این دسته مواد است و اولین ماده‌ای بود که برای ایجاد امواج فراصوت از آن استفاده می‌شد که اکنون هم استفاده می‌شود.

اگر چه مواد متبلور طبیعی که دارای خاصیت پیزو الکتریسیته باشند، فراوان هستند. ولی در کاربرد امواج فراصوت در پزشکی از کریستالهایی استفاده می‌شود که سرامیکی بوده و بطور مصنوعی تهیه می‌شوند. از نمونه این نوع کریستالها، مخلوطی از زیرکونیت و تیتانیت سرب (Lead zirconat & Lead titanat) است که به شدت دارای خاصیت پیزوالکتریسیته هستند. به این مواد که واسطه‌ای برای تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی و بالعکس هستند، مبدل یا ترانسدیوسر (transuscer) می‌گویند. یک ترانسدیوسر فراصوتی بکار می‌رود که علامت الکتریکی را به انرژی فراصوت تبدیل کند که به داخل بافت بدن نفوذ و انرژی فراصوت انعکاس یافته را به علامت الکتریکی تبدیل کند.

روش مگنتو استریکسیون 
این خاصیت در مواد فرومغناطیس (مواد دارای دو قطبی‌های مغناطیسی کوچک بطور خود به خود با دو قطبی‌های مجاور خود همخط شوند) تحت تأثیر میدان مغناطیسی بوجود می‌آید. مواد مزبور در این میدانها تغییر طول می‌دهند و بسته به فرکانس (شمارش زنشهای کامل موج در یک ثانیه) جریان متناوب به نوسان در می‌آیند و می‌توانند امواج فراصوت تولید کنند. این مواد در پزشکی کاربرد ندارند و شدت امواج تولید شده به این روش کم است و بیشتر کاربرد آزمایشگاهی دارد.
سیر تحولی در رشد :
نخستین دستگاه تولید کننده امواج فراصوت در پزشکی، در سال ۱۹۳۷ میلادی توسط دوسیک اختراع شد و روی مغز انسان امتحان شد. اگر چه فراصوت در ابتدا فقط برای مشخص کردن خط وسط مغز بود، اکنون بصورت یک روش تشخیصی و درمانی مهم در آمده و پیشرفت روز به روز انواع نسلهای دستگاه‌های تولید فراصوت، تحولات عظیمی در تشخیص و درمان در علم پزشکی بوجود آورده‌است.

کاربردهای امواج فراصوت
بر اساس آمارگیری انجام شده اولتراسوند (امواج فراصوت) بیشترین کاربرد را نسبت به سایر روش‌های تصویربرداری، دارد که قطعاً ایمنی بالا و عدم استفاده از اشعه‌های یونیزه کننده از یک طرف، هزینه پایین و حمل و نقل آسان، از سوی دیگر، در کنار ویژگی‌های کم‌نظیری همچون ارائه تصویر به صورت real time که کاربرد زیادی در جراحی و … دارد، دلیل این همه استفاده از این روش می‌باشد. اگرچه ضعف‌های این روش، گاهی ما را به سمت استفاده از روش بسیارگران قیمت MRI، یا استفاده از روش کم ایمنی CT سوق می‌دهند.
کلمه سونوگرافی از واژه انگلیسی sound به معنی صوت و نیز graphic به معنی شکل و ترسیم گرفته شده و ultrasound از ultra به معنی ماوراء یا همان فرا و نیز sound به معنی صوت یا صدا گرفته شده است.
از جمله ضعف‌ها و محدودیت‌های این روش، عدم عبور این امواج از استخوان و گاز و هوا می‌باشد که باعث شده روش ایده‌آلی برای تصویر برداری از سینه و ریه و روده (بخاطر وجود گازهای روده‌ای) و ساختمان‌های داخلی تر، همچون آئورت و پانکراس، نباشد. همچنین بعلت تضعیف این امواج در بافت‌های بدن، این روش برای تصویربرداری از اعضای داخلی بدن افراد بسیار چاق، غیرقابل استفاده می‌باشد.

کاربرد تشخیصی (سونوگرافی)
بیماریهای زنان و زایمان (Gynecology) مانند بررسی قلب جنین، اندازه‌گیری قطر سر (سن جنین)، بررسی جایگاه اتصال جفت و محل ناف، تومورهای پستان. این امواج به علت اینکه مانند تشعشعات یونیزان عمل نمی‌کنند؛ بنابراین برای زنان و کودکان بی‌خطر می‌باشند.
بیماریهای مغز و اعصاب (Neurology) مانند بررسی تومور مغزی، خونریزی مغزی به صورت اکوگرام مغزی یا اکوانسفالوگرافی.
بیماریهای چشم (ophthalmology) مانند تشخیص اجسام خارجی در درون چشم، تومور عصبی، خونریزی شبکیه، اندازه‌گیری قطر چشم، فاصله عدسی از شبکیه.
بیماریهای کبدی (Hepatic) مانند بررسی کیست و آبسه کبدی.
بیماری‌های قلبی (cardiology) مانند بررسی اکوکار دیوگرافی.
دندانپزشکی مانند اندازه‌گیری ضخامت بافت نرم در حفره‌های دهانی.

کاربرد درمانی (سونوتراپی)
از فراصوت با بسامدهای متغیر و پایین در فیزیو تراپی برای کاهش التهاب و درد استفاده می‌شود.
کاربرد گرمایی
با جذب امواج فراصوت به‌وسیله بدن بخشی از انرژی آن به گرما تبدیل می‌شود. گرمای موضعی حاصل از جذب امواج فراصوت بهبودی را تسریع می‌کند. قابلیت کشسانی کلاژن (پروتئینی ارتجاعی) را افزایش می‌دهد. کشش در جوشگاه‌های زخم (scars) افزایش می‌دهد و باعث بهبود آنها می‌شود. اگر اسکار به بافتهای زیرین خود چسبیده باشد، باعث آزاد شدن آنها می‌شود. گرمای حاصل از امواج فراصوت با گرمای حاصل از گرمایش متفاوت است. همچنین به منظور سوزاندن تومور و همچنین در مواردی به منظور تحریک نورون‌ها در بیماری‌های نورولوژیکی از امواج فراصوت استفاده می‌شود.

میکروماساژ مکانیکی 
به هنگام فشردگی و انبساط محیط، امواج طولی فراصوتی روی بافت اثر می‌گذارند و باعث جابجایی آب میان بافتی و در نتیجه باعث کاهش ورم (تجمع آب میان بافتی در اثر ضربه به یک محل) می‌شوند.
درمان آسیب تازه و ورم :آسیب تازه معمولاً با ورم همراه است. فراصوت در بسیاری از موارد برای از بین بردن مواد دفعی در اثر ضربه و کاهش خطر چسبندگی بافتها بهم بکار می‌رود.
درمان ورم کهنه یا مزمن: فراصوت چسبندگیهایی که میان ساختمانهای مجاور ممکن است ایجاد شود را می‌شکند.
نکته : این امواج به علت اینکه مانند تشعشعات یونیزان عمل نمی‌کنند. بنابراین برای زنان و کودکان بی‌خطر هستند

خطرات فراصوت درپزشکی 
۱- سوختگی :
اگر امواج پیوسته و در یک مکان بدون چرخش بکار روند، در بافت باعث سوختگی می‌شود و باید امواج حرکت داده شوند.
۲-پارگی کروموزومی :
استفاده دراز مدت از امواج اولتراسوند با شدت خیلی بالا پارگی در رشته دی ان ای (DNA) را نشان می‌دهد.
۳ – ایجاد حفره :
یکی از عوامل کاهش انرژی امواج اولتراسوند هنگام گذشتن از بافتهای بدن ایجاد حفره یا کاویتاسیون است. همه محلولها شامل مقدار قابل ملاحظه‌ای حبابهای گاز غیر قابل دیدن هستند و دامنه بزرگ نوسانهای امواج اولتراسوند در داخل محلولها می‌تواند بر روی بافتها تغییرات بیولوژیکی ایجاد کند (پارگی در دیواره یاخته‌ها و از هم گسستن مولکولهای بزرگ).
کاربردهای آزمایشگاهی و صنایع غذایی
از آنجا که همگن سازی محلول‌های ویسکوز، ترکیبات نانو، محلول‌های پلیمری و … توسط همزن‌های مکانیکی به سختی صورت می گیرد و یا محدودیت فنی وجود دارد، استفاده از هموژنایزر اولتراسونیک سبب تهیه محلول‌های کاملا یکنواختی از موارد فوق می شود. در واقع با استفاده از قابلیت‌های امواج فراصوت می‌توان ذرات مایع و یا جامد سخت یا نرم را به طور مناسب همگن نمود.
کاربردهای صنعتی

کاربرد فراصوت در صنعت
علم صوت – به معنای وسیع کلمه – تولید و تراگسیل و دریافت انرژی به صورت ارتعاش در ماده است. اگر اتمها و ملکولهای شاره یا جامد از اوضاع طبیعی خود تغییر مکان یابند، نیروی الاستیک در آن پدید می اید که مربوط به سختی جسم است و می‌خواهد جسم را به حالت نخست باز گرداند. این نیرو را «نیروی برگرداننده» می گویند. تأثیر این نیروی الاستیک برگرداننده توأم با خاصیت اینرسی دستگاه ماده را برای ارتعاشهای نوسانی و در نتیجه تراگسیل موجهای آکوستیکی مناسب می‌سازد. امواج صوتی امواجی مادی است که ممکن است طولی و هم عرضی باشد. در شاره ها، به صورت طولی است؛ و در محیطهای دیگر هم به صورت طولی و هم به صورت عرضی است؛ یعنی به فرض اگر صوت وارد ماده ای جامد شود، به موج طولی و عرضی با سرعتهای متفاوت تجزیه می‌شود.

۱- کاربرد فرا صوت در تولید آلیاژها
از امواج فرا صوت می توان در به هم آمیختن فلزات برای تولید آلیاژهای مناسب بهره گرفت. روش استفاده به این ترتیب است که – به نسبتی که می خواهیم آلیاژ تهیه کنیم – فلزات مذاب را روی هم می ریزیم و آنها را در مسیر امواج با طول موج زیاد قرار می دهیم. در این صورت، جنبش ملکولی ذرات افزایش می یابد و فلزات با هم می آمیزند و در همین موقع است که مخلوط را بتدریج سرد می کنند و آلیاژ مورد نظر را به دست می آورند.«اشمید» و «ارت»، فیزیکدانان آلمانی، از آزمایشهای خود درباره به هم آمیختن فلزات به نتایج جالبی رسیدند. آنها با عبور دادن فرا صوت از دو فلز سرب و آلومینیوم آلیاژی تهیه کردند که کارایی چکش خواری و مفتول شدن آن بسیار زیاد بود. آنها توانستند سرب را به نسبت ۲۵% در آلومینیوم پخش کنند. دانه های سرب پخش شده در آلومینیوم قطری در حدود ۵۰ میکرون خواهد داشت.
۲- تشخیص شکاف و حفره در فلزات
پیش از این، پرتو ایکس را برای تشخیص ترکیدگی و وجود حفره هایی هوایی در فلزات به کار می برند؛ ولی در مورد قطعات خیلی ضخیم فلزات استفاده از این پرتو عملی نیست؛ زیرا پرتو ایکس جذب فلزات می شود، اما با استفاده از امواج فرا صوت با طول موج بالا می توان محل شکاف یا حباب هوا را مشخص کرد.
۳ – سوراخ کردن مواد سخت
چناچه امواج فرا صوت با طول موج بالا را در نقطه ای خاص از فلز و یا بلوری متمرکز کنیم، انرژی این امواج سبب بالا رفتن دمای آن نقطه می شود و – در نتیجه – آن نقطه ذوب می شود و به آسانی سوراخ می گردد. برای سوراخ کردن مواد سخت، مته های مخصوص به کار می برند. در این مته ها، سر مته حرکت دورانی ندارد و تنها نوسان می کند.
دیگر کاربرد ها در صنعت
آزمون فراصوت یکی از روش‌های آزمون‌های غیر مخرب است. در این روش امواج فراصوت با فرکانس بالا و با دامنه کم به داخل قطعه فرستاده می‌شوند. این امواج پس از برخورد به هر گسستگی بازتابیده می‌شوند. از روی دامنه و زمان بازگشت این امواج می‌توان به مشخصه‌های این گسستگی پی برد. از کاربردهای این روش می‌توان به اندازه‌گیری ضخامت و تشخیص عیوب موجود در قطعات نام برد. یکی از امتیازات مهم این روش توانایی آن در تشخیص عیوب بسیار کوچک به علت فرکانس بالای این امواج و در نتیجه طول موج بسیار کوچک آنها است. همچنین این امواج را برای جوش دادن فلزات و نیمه هادی ها به کار می برند. بعضی از انواع جوشکاری فقط با این امواج امکانپذیر است. برای نمونه، در کپسولهای فضایی بدنه داخلی از فولاد کرم نیکل و بدنه خارجی از آلومینیوم است که این دو قطعه به کمک امواج فرا صوت انجام می شود.

کاربردهای امنیتی
در سامانه‌های امنیتی اماکن و خودروها از حسگر فراصوت برای تشخیص حرکت اشیاء به وفور استفاده می‌شود. پلیس از این سیستم برای کنترل سرعت خودروها استفاده می‌کند.
رادار
در کشتی‌ها و زیر در یایی‌ها از این سیستم برای کنترل عمق دریا و پی بردن به وجود اشیاء داخل آب استفاده می‌شود. از رادارهای اولترا سونیک برای پی بردن به وجود اشیاء پرنده نیز استفاده می‌گردد.

پاسخ دهید