مقدمه

امواج التراسونیک نقش حیاتی در زمینه‌های مختلف، از کاربردهای پزشکی گرفته تا آزمایش‌های صنعتی، ایفا می‌کنند. امواج التراسونیک، امواج صوتی با فرکانس‌هایی بالاتر از محدوده شنوایی انسان، معمولاً بالای 20 کیلوهرتز، هستند. درک خواص آنها – نحوه تولید، نحوه انتشار در محیط‌های مختلف و نحوه تعامل آنها با سایر مواد – بینش‌های ارزشمندی در مورد کاربردهای متعدد آنها ارائه می‌دهد.

پیشینه تاریخی

تحقیقات در مورد امواج التراسونیک بیش از یک قرن پیش آغاز شد و با پیشرفت‌های فناوری شتاب بیشتری گرفت. امواج التراسونیک که در ابتدا در اکتشافات زیر آب مورد استفاده قرار می‌گرفتند، اکنون کاربرد گسترده‌ای در رشته‌های مختلف پیدا کرده‌اند. پیشرفت‌ها در فناوری ترانسدیوسر ها(مبدل)، تولید و دریافت این امواج را بهبود بخشیده و امکان کاربردهای عملی‌تر و مؤثرتری را فراهم کرده است.

امروزه، فناوری التراسونیک بخش اساسی صنایع مختلف است. این فناوری نقش مهمی در زمینه‌هایی مانند پزشکی ایفا می‌کند، جایی که از طریق تصویربرداری التراسونیک به تشخیص کمک می‌کند. در محیط‌های صنعتی، از امواج التراسونیک برای آزمایش غیرمخرب مواد استفاده می‌شود و یکپارچگی محصول را بدون ایجاد آسیب و حتی در کنترل آفات تضمین می‌کند. چنین کاربردهای متنوعی، اهمیت این فناوری را در جامعه معاصر برجسته می‌کند.

مقدمه‌ای بر امواج التراسونیک

امواج التراسونیک، امواج صوتی با فرکانس‌هایی بالاتر از حد بالای شنوایی انسان، معمولاً بالای 20 کیلوهرتز، هستند. این امواج از طریق محیط‌های مختلفی مانند مایعات، گازها و جامدات منتشر می‌شوند. امواج التراسونیک به دلیل فرکانس بالای خود، دارای خواص منحصر به فردی هستند که آنها را در کاربردهایی که امواج صوتی سنتی ناکافی هستند، مفید می‌سازد. به عنوان مثال، توانایی آنها در نفوذ به مواد و ارائه تصاویر با وضوح بالا ضروری است. فرکانس، طول موج و سرعت صدا در محیط‌های مختلف، در تعیین چگونگی مهار امواج التراسونیک برای کاربردهای خاص، نقش محوری دارند. هر ویژگی بر نحوه حرکت امواج، نحوه شناسایی آنها و نحوه واکنش مواد به آنها تأثیر می‌گذارد.

محدوده فرکانس

امواج التراسونیک با فرکانس خود مشخص می‌شوند. فرکانس‌ها می‌توانند از 20 کیلوهرتز تا چندین گیگاهرتز متغیر باشند. فرکانس انتخاب شده برای یک کاربرد خاص ضروری است زیرا وضوح و عمق نفوذ التراسوند را تعیین می‌کند. فرکانس‌های بالاتر وضوح بهتری را فراهم می‌کنند که برای تصویربرداری دقیق در تشخیص پزشکی حیاتی است. با این حال، آنها همچنین تمایل به نفوذ سطحی‌تری دارند. برعکس، فرکانس‌های پایین‌تر می‌توانند عمیق‌تر نفوذ کنند اما وضوح تصویر را کاهش می‌دهند.

ویژگی‌های طول موج

طول موج امواج التراسونیک با فرکانس آنها رابطه معکوس دارد. این بدان معناست که با افزایش فرکانس، طول موج کاهش می‌یابد. طول موج نقش مهمی در تعیین نحوه برهمکنش امواج التراسونیک با مواد مختلف ایفا می‌کند. طول موج‌های کوتاه‌تر برای تشخیص عیوب کوچک‌تر در مواد مفید هستند و همین امر آنها را در آزمایش‌های غیرمخرب ترجیح می‌دهد.

تولید امواج التراسونیک

رایج‌ترین روش‌های مورد استفاده برای تولید امواج در کاربردهای فراصوت عبارتند از: روش‌های مکانیکی، مغناطیسی-انقباضی و پیزوالکتریک.

روش مکانیکی:

اولین روش شناخته شده برای تولید فرکانس‌های فراصوت تا 30 کیلوهرتز با استفاده از سوت گالتون (سوت بی‌صدا) است. این روش با دمیدن جتی از گاز پرفشار به داخل یک لوله انجام می‌شود. لوله دارای یک پیستون داخلی است که با تغییر طول حفره رزونانس، فرکانس را تغییر می‌دهد.

روش مغناطیسی-انقباضی(Magnetostriction):

از مواد فرومغناطیسی طبیعی استفاده می‌کند که می‌توانند انرژی مغناطیسی را به انرژی جنبشی (یا برعکس) تبدیل کنند، مانند آهن، کبالت و نیکل. این مواد حاوی اعوجاج‌های طبیعی و نواحی ناهم‌تراز هستند که دارای قطبیت مغناطیسی به نام دامنه هستند. هنگامی که یک میدان مغناطیسی، ، به یک ماده فرومغناطیسی اعمال می‌شود، دامنه‌ها می‌چرخند تا خود را با جهت میدان اعمال شده هم‌تراز کنند. این چرخش منجر به تغییر در ابعاد هندسی ماده شده و بنابراین باعث ایجاد تغییر شکل می‌شود. این ویژگی اولین بار توسط ژول در سال ۱۸۴۲ کشف شد، که متوجه تغییر در طول یک نمونه نیکل هنگام تغییر حالت مغناطیسی آن شد. او این پدیده را ژول یا اثر مغناطیسی-انقباضی نامید، در حالی که اثر متقابل، تغییر پذیرفتاری مغناطیسی (پاسخ به یک میدان اعمال شده) یک ماده هنگامی که تحت فشار مکانیکی قرار می‌گیرد، اثر مغناطیسی-انقباضی معکوس یا اثر ویلاری نامیده می‌شود.

دو اثر دیگر مربوط به مغناطیسی-انقباضی هستند: اثر ماتوچی(Matteucci) ایجاد ناهمسانگردی مارپیچی از حساسیت یک ماده مغناطیسی-انقباضی در هنگام قرار گرفتن در معرض گشتاور است و اثر ویدمن(Wiedemann) پیچش این مواد هنگام اعمال یک میدان مغناطیسی مارپیچی به آنها است.

ترانسدیوسر التراسونیک

در انتقال توان التراسونیک، از اثر روش مغناطیسی-انقباضی و اثر پیزوالکتریک غیرمستقیم برای تبدیل انرژی جریان متناوب به انرژی صوتی در فرکانس‌های بالا استفاده می‌شود. بنابراین، یک ترانسدیوسر توان التراسونیک می‌تواند مغناطیسی-انقباضی یا پیزوالکتریک باشد.

یک شکل ساده از ترانسدیوسر مغناطیسی-انقباضی شامل یک هسته از ماده فرومغناطیسی است که توسط یک سیم رسانا به هم متصل شده است. هنگامی که یک جریان الکتریکی با فرکانس خاصی به سیم وارد می‌شود، یک میدان مغناطیسی تولید می‌شود و باعث تغییر جهت دامنه‌های هسته می‌شود که خود را در امتداد جهت میدان اعمال شده تراز می‌کنند. این تغییر جهت در هر نیم سیکل پالس ورودی تغییر جهت می‌دهد و باعث تغییر شکل متقابل ماده هسته می‌شود. بنابراین فرکانس دو برابر فرکانس پالس‌ها خواهد بود. رایج‌ترین نوع ترانسدیوسر پیزوالکتریک که ترانسدیوسر لانگوین(Langevin) نامیده می‌شود، شامل عنصر(های) پیزوالکتریک است که بین الکترودها قرار گرفته و توسط جرم‌های (لایه‌های) جلویی و پشتی پیش تنیده شده‌اند. عنصر(های) پیزوالکتریک موج صوتی را در هر دو جهت جلویی و پشتی تولید می‌کند، با این حال عملکرد جرم پشتی، تشویق انتشار موج در جهت رو به جلو است. این امر با استفاده از جرم پشتی با امپدانس صوتی بالاتر از جرم جلویی حاصل می‌شود که انرژی صوتی را به بار منتقل می‌کند.

نشان داده شده است که ترانسدیوسر های پیزوالکتریک در زمینه‌های مختلف کاربردهای التراسونیک، ویژگی‌های بهتری نسبت به ترانسدیوسر های مغناطیسی-انقباضی ارائه می‌دهند.

پیزوالکتریک

اگر کریستال‌های خاصی (مانند کوارتز) را فشار دهید، می‌توانید جریان الکتریسیته را از آنها عبور دهید. عکس این قضیه نیز معمولاً صادق است: اگر الکتریسیته را از همان کریستال‌ها عبور دهید، آنها با ارتعاش به جلو و عقب، “خودشان را فشرده می‌کنند”. این تقریباً همان پیزوالکتریسیته به طور خلاصه است، اما برای روشن شدن موضوع، بیایید یک تعریف رسمی داشته باشیم:

پیزوالکتریسیته (که اثر پیزوالکتریک نیز نامیده می‌شود) ظهور یک پتانسیل الکتریکی (به عبارت دیگر یک ولتاژ) در دو طرف یک کریستال است، زمانی که آن را تحت فشار مکانیکی (با فشردن) قرار می‌دهید.

در عمل، کریستال به نوعی باتری کوچک با بار مثبت در یک طرف و بار منفی در طرف مقابل تبدیل می‌شود. اگر دو طرف را برای ایجاد یک مدار به هم متصل کنیم، جریان برقرار می‌شود.

در اثر پیزوالکتریک معکوس، یک کریستال هنگامی که ولتاژی در دو طرف مقابل آن اعمال می‌شود، تحت فشار مکانیکی قرار می‌گیرد (شکل آن تغییر می‌کند). مولکول‌های قطبی شده خود را با میدان الکتریکی همسو می‌کنند که باعث القای دوقطبی‌های الکتریکی در ساختار مولکولی یا کریستالی ماده می‌شود. این هم‌ترازی مجدد مولکولی باعث تغییر در ابعاد ماده می‌شود.

کریستال دقیقاً چیست؟

کریستال نام علمی هر جامدی است که اتم‌ها یا مولکول‌های آن به شیوه‌ای بسیار منظم و بر اساس تکرارهای بی‌پایان واحد سازنده اتمی یکسان (به نام سلول واحد) چیده شده‌اند.

هر چیزی می‌تواند کریستال باشد اگر واقعاً به آن توجه کنید، مانند ساختارها در فلزات. بنابراین یک توده آهن به همان اندازه یک تکه کوارتز کریستال است. اما آنچه واقعاً بین کریستال‌ها و یک قطعه فلز تفاوت ایجاد می‌کند، ساختار این کریستال‌ها است. ما می‌گوییم که کریستال‌ها متقارن هستند، اما این در واقع درست نیست (آنها لزوماً ساختار منظم و تکراری ندارند). کمی تغییر شکل و ساختار همزمان با فشار مکانیکی تغییر می‌کند.

ما باید از این واقعیت آگاه باشیم که نمی‌توانیم صرفاً یک قطعه کوارتز (حاوی سیلیکون و اکسیژن) را برش دهیم و انتظار داشته باشیم که پیزوالکتریک عمل کند. معیارهای خاصی باید رعایت شوند.

اول: ساختار شبکه برش‌های ما باید حاوی پیوندهای قطبی باشد. اساساً به این معنی است که برخی از اتم‌ها دارای بار مثبت جزئی هستند در حالی که برخی از اتم‌ها دارای بار منفی جزئی هستند.

دوم: همانطور که در تصاویر زیر نشان داده شده است، ساختار باید نوع خاصی از تقارن را داشته باشد.

اثر پیزوالکتریک معکوس

همانطور که حدس زدید، اثر پیزوالکتریک معکوس به صورت برعکس اتفاق می‌افتد. با اعمال ولتاژ به یک کریستال پیزوالکتریک، اتم‌های داخل آن را تحت “فشار الکتریکی” قرار می‌دهید. آنها برای ایجاد تعادل مجدد باید حرکت کنند – و این همان چیزی است که باعث می‌شود کریستال‌های پیزوالکتریک هنگام اعمال ولتاژ تغییر شکل دهند.

کاربرد امواج التراسونیک

التراسونیک لیزری

التراسونیک لیزری روشی پیچیده برای تولید امواج التراسونیک با استفاده از فناوری لیزر است. این تکنیک از انفجارهای کوتاه نور لیزر استفاده می‌کند که باعث ایجاد گرمایش سریع در ماده شده و در نتیجه امواج صوتی تولید می‌کند.

برخی از مزایای کلیدی التراسونیک لیزری عبارتند از:

غیر تماسی: این فرآیند نیازی به تماس فیزیکی با ماده ندارد و احتمال آسیب را به حداقل می‌رساند.
وضوح مکانی بالا: این روش امکان هدف‌گیری دقیق نواحی خاص را فراهم می‌کند و آن را برای ارزیابی مواد عالی می‌کند.
طیف گسترده‌ای از کاربردها: از تشخیص پزشکی گرفته تا ارزیابی یکپارچگی ساختاری مواد، این رویکرد همه‌کاره است.

حمام التراسونیک

تمیز کردن قطعات حساس و ظریف (جواهرات، قطعات الکترونیکی، ابزار پزشکی)

هموژنایزر و سونیکاتور

شکستن ذرات و نانوذرات
استخراج ترکیبات فعال از گیاهان
همگن‌سازی مایعات در صنایع غذایی و دارویی

تصویربرداری پزشکی

استفاده: ژنراتورهای برق التراسونیک در دستگاه های التراسوند برای ایجاد تصاویری از ساختارهای داخلی بدن استفاده می شود. هدف: این دستگاه‌ها با ارائه تصاویر زنده از اندام‌ها، بافت‌ها و جریان خون به تشخیص شرایط پزشکی کمک می‌کنند.

نظافت صنعتی

استفاده: سیستم های تمیز کننده التراسونیک از این ژنراتورها برای تولید امواج صوتی با فرکانس بالا در محلول تمیز کننده استفاده می کنند. هدف: امواج التراسونیک حباب های ریزی ایجاد می کند که آلودگی ها را از سطوح اقلامی مانند ابزار پزشکی، قطعات الکترونیکی و قطعات خودرو حذف می کند.

جوشکاری التراسونیک

استفاده: در تولید، از ژنراتورهای برق التراسونیک در تجهیزات جوشکاری التراسونیک استفاده می شود. هدف: ارتعاشات التراسونیک گرما ایجاد می کند و به موادی مانند پلاستیک و فلزات اجازه می دهد بدون نیاز به چسب یا بست اضافی به یکدیگر متصل شوند.

سونوشیمی

استفاده: ژنراتورهای قدرت التراسونیک در سونوشیمی برای تقویت واکنش های شیمیایی استفاده می شوند. هدف: امواج التراسونیک سرعت واکنش را تسریع می کند، بازده را بهبود می بخشد و اختلاط موثرتر واکنش دهنده ها را ترویج می کند.

درمان های پزشکی

استفاده: دستگاه های سونوگرافی متمرکز با شدت بالا (HIFU) از ژنراتورهای برق التراسونیک استفاده می کنند. هدف: این دستگاه‌ها شرایطی مانند تومورها را با تمرکز انرژی التراسونیک برای گرم کردن و تخریب بافت‌های هدف درمان می‌کنند.

آزمایش غیر مخرب

استفاده: تجهیزات تست التراسونیک از این ژنراتورها برای بازرسی مواد و سازه ها استفاده می کنند. هدف: امواج التراسونیک عیوب یا عیوب در مواد را شناسایی می‌کند و از یکپارچگی ساختاری بدون آسیب رساندن به موارد مورد آزمایش اطمینان می‌دهد.

برش التراسونیک

استفاده: در ابزارهای برش دقیق، ژنراتورهای برق التراسونیک برش التراسونیک را امکان پذیر می کنند. هدف: آنها برش های دقیق و تمیزی را در موادی مانند منسوجات، پلاستیک ها و مواد کامپوزیت ارائه می دهند و باعث کاهش سایش ابزار و بهبود کارایی می شوند.

فرآوری مواد غذایی

استفاده: ژنراتورهای برق التراسونیک در پردازش مواد غذایی برای کارهایی مانند امولسیون سازی، همگن سازی و استخراج استفاده می شود. هدف: آنها به ایجاد محصولات غذایی سازگار، بهبود اختلاط و بافت کمک می کنند و طعم ها و مواد مغذی را به طور موثر استخراج می کنند.

تست مواد و خصوصیات

کاربرد: در آزمایشگاه های تحقیقاتی برای مطالعه خواص مواد استفاده می شود. هدف: امواج التراسونیک به اندازه گیری ضخامت، تشخیص عیوب و درک خواص مواد کمک می کند.

کاربردهای زیست محیطی

استفاده: فناوری التراسونیک برای تصفیه آب و کنترل آلودگی استفاده می شود. هدف: به تجزیه آلاینده ها و افزایش کارایی سیستم های فیلتراسیون کمک می کند.

بهداشت دهان و دندان

استفاده: جرمگیر التراسونیک در کلینیک های دندانپزشکی. هدف: این دستگاه ها با استفاده از ارتعاشات التراسونیک، پلاک و جرم دندان را به طور موثرتر و راحت تر از بین می برند.

کشاورزی

استفاده: در تجهیزات کشاورزی برای تصفیه خاک و تمیز کردن بذر استفاده می شود. هدف: امواج التراسونیک کیفیت خاک را بهبود می بخشد و دانه ها را از عوامل بیماری زا و ناخالصی ها پاک می کند.

زیبایی و مراقبت شخصی

استفاده: پاک کننده های التراسونیک صورت و دستگاه های زیبایی. هدف: این دستگاه ها از امواج التراسونیک برای تمیز کردن عمیق پوست، بهبود گردش خون و بهبود درمان های مراقبت از پوست استفاده می کنند.

جوش التراسونیک

جوش التراسونیک (Ultrasonic Welding) روشی است که با استفاده از ارتعاشات مکانیکی در فرکانس بالا (معمولاً بین ۲۰ تا ۴۰ کیلوهرتز) باعث ایجاد اصطکاک و گرمای موضعی بین دو قطعه می‌شود. این گرما کافی است تا سطح قطعات کمی ذوب شده و به یکدیگر بچسبند، بدون آنکه کل قطعه دچار تغییر شکل یا آسیب شود.

به زبان ساده، دستگاه جوش التراسونیک مثل یک «چکش بسیار سریع» عمل می‌کند که با لرزش‌های ریز و پرقدرت، مولکول‌های دو سطح را در هم قفل می‌کند.

آزمایش‌های غیرمخرب صنعتی

NDT یک فرآیند حیاتی برای تضمین یکپارچگی و ایمنی مواد و سازه‌ها بدون ایجاد هیچ گونه آسیبی است. این فرآیند شامل ارسال امواج التراسونیک به داخل ماده است. هنگامی که این امواج با نقصی مواجه می‌شوند، به مبدل بازتاب می‌شوند و وجود و محل هرگونه بی‌نظمی را آشکار می‌کنند. این روش هم کارآمد و هم مقرون به صرفه است و ارزیابی‌های سریعی را ارائه می‌دهد که برای حفظ استانداردهای ایمنی در صنایع ضروری هستند.

خطرات امواج التراسونیک

امواج فراصوت، اگرچه تا حد زیادی بی‌خطر هستند، اما اگر به درستی مدیریت نشوند، می‌توانند خطراتی را ایجاد کنند. برخی از خطرات کلیدی عبارتند از:

آسیب شنوایی: افراد در معرض این امواج، در صورت قرار گرفتن در اطراف تجهیزات سونوگرافی که با صدای بلند کار می‌کنند، ممکن است دچار کم‌شنوایی شوند. شدت و فرکانس صدا می‌تواند بر مکانیسم‌های حساس شنوایی تأثیر بگذارد.
اثرات فیزیکی: میدان‌های فراصوت با شدت بالا می‌توانند منجر به اثرات حرارتی و مکانیکی در بافت‌های بیولوژیکی شوند. این امر می‌تواند باعث گرم شدن یا آسیب موضعی، به ویژه در کاربردهای پزشکی، شود.
تداخل با تجهیزات: امواج فراصوت می‌تواند باعث تداخل با دستگاه‌های الکترونیکی شود و به طور بالقوه بر تجهیزات تشخیصی یا رویه‌ای در محیط‌های حساس مانند بیمارستان‌ها تأثیر بگذارد.

خرید التراسونیک | راهنمای کامل انتخاب، کاربرد و قیمت در ایران

1- نوع دستگاه

-التراسونیک صنعتی: برای تولید انبوه، تمیزکاری قطعات بزرگ، پراکندگی مواد در مقیاس بالا.
-التراسونیک آزمایشگاهی: مناسب تحقیق و توسعه، کارهای دقیق و کوچک‌مقیاس.
-التراسونیک پزشکی: تجهیزات تخصصی مثل دستگاه‌های سونوگرافی و فیزیوتراپی.

2- توان و فرکانس

–توان بالا برای کارهای صنعتی سنگین مورد نیاز است.
–فرکانس پایین‌تر (۲۰–۴۰ کیلوهرتز) بیشتر برای تمیزکاری کاربرد دارد.
–فرکانس بالاتر (بیش از ۴۰ کیلوهرتز) برای کاربردهای آزمایشگاهی و حساس مناسب است.

3- کیفیت و برند

–برند معتبر و شناخته‌شده یعنی عمر طولانی‌تر دستگاه و خدمات پس از فروش بهتر.
–دستگاه‌های بی‌نام یا ارزان معمولاً عمر کوتاه دارند و هزینه نگهداری بالایی ایجاد می‌کنند.

4- خدمات پس از فروش

–گارانتی معتبر
–دسترسی به قطعات یدکی
–پشتیبانی فنی

حمام-التراسونیک

هموژنایزر-التراسونیک

منبع-تغذیه-التراسونیک

قیمت دستگاه التراسونیک در ایران

قیمت خرید التراسونیک در ایران به عوامل مختلفی بستگی دارد:

1- توان دستگاه: هرچه توان بالاتر، قیمت بیشتر.
2- فرکانس کاری: دستگاه‌های قابل تنظیم گران‌تر هستند.
3- برند و کشور سازنده: برندهای اروپایی و ژاپنی معمولاً قیمت بالاتری نسبت به برندهای داخلی یا چینی دارند.
4- کاربرد: دستگاه‌های صنعتی بزرگ هزینه بیشتری نسبت به مدل‌های آزمایشگاهی دارند.

– محدوده قیمتی در ایران (۱۴۰۴):