فراصوت

فراصوت

در سال 1876 میلادی، فرانسیس گالتون برای اولین بار پی به وجود امواج فراصوت برد. 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 صوت‌یاب (Sonar) ابداع کرد. این دستگاه امواج فراصوت تولید می‌کرد که در پید اکردن 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.
نخستین دستگاه تولید کننده امواج فراصوت در پزشکی، در سال 1937 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 آورده است.
تعریف امواج فراصوت
امواج فراصوت به شکلی از انرژی از امواج مکانیکی گفته می‌شود که فرکانس آنها بالاتر از حد شنوایی انسان باشد. گوش انسان قادر است امواج بین 20 هرتز تا 20000 هرتز را بشنود. هر موج (شنوایی یا فراصوت) یک آشفتگی مکانیکی در یک محیط گاز، مایع و یا جامد است که به بیرون از چشمه صوتی و با سرعتی یکنواخت و معین حرکت می‌کند. در حرکت یا گسیل موج مکانیکی، ماده منتقل نمی‌شود. اگر ارتعاش ذرات در جهت عمود بر انتشار صوت باشد، موج عرضی است که بیشتر در جامدات رخ می‌دهد و در صورتی که ارتعاش در راستای انتشار امواج باشد، موج طولی است. انتشار در بافتهای بدن به صورت امواج طولی است. از این رو در پزشکی با اینگونه امواج سر و کار داریم.
روشهای تولید امواج فراصوت
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 می‌اید. مواد مزبور در این میدانها تغییر طول می‌دهند و بسته به فرکانس (شمارش زنشهای کامل موج در یک ثانیه) جریان متناوب به نوسان در می‌ایند 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.
کاربرد امواج فراصوت
1. کاربرد تشخیصی (سونوگرافی)
2. بیماریهای زنان و زایمان (Gynocology) مانند بررسی قلب جنین، اندازه ‌گیری قطر سر (سن جنین)، بررسی جایگاه اتصال جفت و محل ناف، تومورهای پستان.
3. بیماریهای مغز و اعصاب (Neurology) مانند بررسی تومور مغزی، خونریزی مغزی به صورت اکوگرام مغزی یا اکوانسفالوگرافی.
4. بیماریهای چشم (ophthalmalogy) مانند تشخیص اجسام خارجی در درون چشم، تومور عصبی، خونریزی شبکیه، اندازه ‌گیری قطر چشم، فاصله عدسی از شبکیه.
5. بیماریهای کبدی (Hepatic) مانند بررسی کیست و آبسه‌ کبدی.
6. بیماری‌های قلبی (cardology) مانند بررسی اکوکار دیوگرافی.
7. دندانپزشکی مانند اندازه‌گیری ضخامت بافت نرم در حفره‌های دهانی.
8. این امواج به علت اینکه مانند تشعشعات یونیزان عمل نمی‌کنند. بنابراین برای زنان و کودکان بی‌خطر هستند.
9. کاربرد درمانی (سونوتراپی)
10. 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.
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.
خطرات فراصوت
سوختگی
اگر امواج پیوسته و در یک مکان بدون چرخش بکار روند، در بافت باعث سوختگی می‌شود و باید امواج حرکت داده شوند.

پارگی کروموزومی
استفاده دراز مدت از امواج اولتراسوند با شدت خیلی بالا پارگی در رشته دی ان ای (DNA) را نشان می‌دهد.

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.

فیزیک فصل 3 – موج

آونگ درحال نوسان
به حرکت های رفت و برگشتی، مثل حرکت آونگ، حرکت نوسانی می گویند.
جسم در حال نوسان را نوسانگر می گویند.

دوره یا زمان یک نوسان: در حرکت نوسانی به مدت زمانی که طول می کشد تا نوسانگر یک نوسان کامل انجام می دهد، دوره می گوییم.

دوره را با نماد T نشان داده می شود.

یکای اندازه گیری دوره: ثانیه (S).
نکته: هر چه نوسانگر تندتر نوسان کند، زمان هر نوسان آن کوتاه تر می شود.
بسامد: به تعداد نوسان هایی که یک نوسانگر در مدت یک ثانیه انجام می دهد، بسامد یا فرکانس می گویند.
بسامد را با نماد f نشان می دهند.

یکای اندازه گیری: هرتز (Hz)
نکته: هر چه نوسانگری تندتر نوسان کند، زمان هر نوسان کم تر و بسامد آن بیش تر می شود.
رابطه ی بین دوره و بسامد: دوره و بسامد در حرکت نوسان ساده، وارون یکدیگرند.

نکته 1: دوره ی نوسان آونگ ساده: زمان یک نوسان کامل در آونگ ساده بستگی به طول آونگ و شتاب جاذبه در محل دارد.

نکته 2: دوره نوسان دستگاه وزنه – فنر
دوره نوسان وزنه متصل به فنر به جرم وزنه وجنس فنر و ساختمان آن بستگی دارد.

m= جرم وزنه
k= ثابت فنر- ( به جنس فنر بستگی دارد )
تولید موج: اگر سنگ کوچکی را در آب آرام استخر یا برکه ای بیاندازد، در محل برخورد سنگ با آب، دایره ای تشکیل می شود که شعاع آن به تدریج افزایش یابد، به عبارت دیگر در سطح آب «تک موجی» تشکیل می شود که به صورت دایره به هم ی جهت ها منتشر می شود.

اقسام موج: امواج را علاوه بر دو حالت کلی مکانیکی و الکترو مغناطیسی به دو نوع طولی و عرضی نیز طبقه بندی می شوند.

1) امواج طولی: «موجی است که راستای نوسان ذره های محیط، موازی با راستای انتشار موج، باشد.»
اگر چند حلقه از فنری را متراکم کنیم و یکبار آن را رها سازیم، مشاهده خواهیم کرد که این حالت تراکم در طول فنر منتشر می شود حلقه های متراکم فنر پس از آزاد شدن، در اثر نیروی برگرداننده ای که ایجاد شده منبسط می شوند و انبساط آن ها سبب متراکم شدن تعدادی از حلقه های بعدی می شود. و این تراکم و انبساط در طول فنر منتشر می شود.
راه تشخیص موج طولی: وقتی موج طولی در فنر منتشر می شود، حلقه های فنر متناوبا به یکدیگر نزدیک و یا از یکدیگر دور می شوند وقتی به یکدیگر نزدیک می شوند، حلقه های متراکم شده و وقتی از یکدیگر دور می شوند حلقه ها انبساط پیدا می کنندو
«موج ها ی طولی در فنر با همین تراکم و انبساط ها قابل تشخیص است.»

2) امواج عرضی: «موجی است که در آن امتداد ارتعاش و امتداد انتشار عمود باشد.»
یک طرف ریسمان یا فنر بلندی را به دیوار می بندیم و طرف دیگر آن را به دست می گیریم، به طوریکه ریسمان افقی قرار گیرد اگر انتهای ریسمان را با یک تکان سریع کمی به بالا و پایین وضع تعادل به حرکت در آوریم، یک تک موج در طول ریسمان منتشر می شود، به طوریکه هر نقطه از ریسمان پس از دریافت موج به بالا و پایین حرکت می کند.
راه تشخیص موج عرضی: موج عرضی در طناب یا فنر با قله ها و دره های ایجاد شده قابل تشخیص است.

توجه: امواج عرضی نمی توانند در گازها و مایعات منتشر شوند.

چشمه ی موج: به جسمی که در یک محیط موج ایجاد می کند، یک چشمه ی موج می گویند(مانند دیایازون)
جابه جایی موج در یک محیط را انتشار موج می گویند. وقتی موج در یک محیط مثلا سطح آب یا در طول فنر منتشر می شود،به هر ذره از محیط که می رسد آن ذره را وادار به حرکت نوسانی می کند، بدون آن که ذره همراه موج از جایی به جای دیگر منتقل شود.

ویژگی های موج:

هر موج دارای چهار ویژگی است:

  1- سرعت انتشار: موج در هر محیط با سرعت معینی منتشر می شود. سرعت انتشار در یک محیط به جنس و حالت محیط و شرایط فیزیکی آن بستگی دارد.

نکته: در محیطی که شرایط فیزیکی در تمام جهات آن یکسان باشد(محیط همگن)، سرعت انتشار موج مقداری ثابت است.
نماد سرعت انتشار:V
یکای اندازه گیری: متر بر ثانیه

2- بسامد (فرکانس): تعداد نوسانهایی که نوسانگر در مدت یک ثانیه انجام می دهد.
نماد فرکانس:f
یکای اندازه گیری:هرتز Hz

3- طول موج: فاصله ی هر دو برجستگی(قله ی موج) پیاپی، یا فاصله ی هر دو فرورفتگی(قعر موج) پیاپی را طول موج می نامند.
طول موج را با λ نشان می دهند.

یکای اندازه گیری: متر(m)

4- دامنه موج: حداکثر فاصله ای که مولکول ها از وضع تعادل خود می گیرند، دامنه ی موج نامیده می شود و معمولا با حروف A یا a نشان می دهند.

امواج مکانیکی غیراز امواج طولی و عرضی، انواع دیگری از موج نیز دارند که عبارتند از:
1- موج پیچشی:

در موج طولی و عرضی مسیر هر ذره نوسانی یک خط مستقیم است. در موج پیچشی مسیر هر ذره قوسی از یک دایره است. برای ایجاد یک موج پیچشی در یک فنر باید سر فنر را به نقطه ای ثابت بسته و سر دیگر آن را در جهت عقربه های ساعت و خلاف آن با یک حرکت نوسانی منظم به چرخش در آوریم. در این صورت همه نقاط فنر حول محور آن دارای حرکت تناوبی خواهند شد و موج پیچشی در فنر منتشر می شود. در این حالت راستای انتشار و ارتعاش دقیقا مشخص نیست.

2- امواج ایستاده:

اگر سیمی را به دو نقطه A و B محکم ببندیم و به آن ضربه ای بزنیم موجی ایجاد شده و پس از برخورد به مانع در خلاف جهت اول بر می گردد و در طول سیم تعدادی گره و شکم ایجاد می شود که به آن موج ایستاده یا ساکن می گوییم.
مثال: امواج صوتی در تارهای مرتعش و لوله های صوتی

3- امواج مسطح و کروی:
امواج را می توان، بسته به محیط انتشار آن ها، به امواج یک بعدی، دو بعدی و سه بعدی طبقه بندی کرد.
در طناب و فنر، موج در بعد طولی، و بر سطح آب، موج در بعدهای طول و عرضی و در فضا موج در سه امتداد متفاوت، انرژی منتشر می کنند.
اگر موج در فضا منتشر شود، نقاط مختلف فضا تحت تاثیر انرژی امواج قرار می گیرند. اگر شعاع های موج موازی باشند و موج در یک محیط همگن منتشر شود، موج مسطح خواهد بود و چنانچه موج در یک نقطه تولید شود و در محیط سه بعدی همگن انتشار یابد، شعاع های موج، شعاع های واگرا خواهند بود و موج کروی خواهیم داشت.

4- موج پلاریزه:

اگر ارتعاشات در یک راستای ثابت صورت گیرد، به طوری که راستای انتشار و راستای ارتعاش در یک صفحه ثابت قرار داشته باشد، موج را پلاریزه می گویند.
معادله ی موج: در مثلث موج انگشت خود را روی کمیتی که می خواهید حساب کنید قرار دهید و عمل ریاضی باقیمانده را انجام دهید.

مثال: یک خواننده نتی را با فرکانس 256هرتز می خواند. اگر سرعت صوت در هوا 340 متر بر ثانیه باشد، طول موج این نت را محاسبه کنید.

پاسخ: ابتدا انگشت خود را بر روی  λ  قرار دهید، سپس عمل ریاضی باقی مانده (تقسیم) را انجام دهید.

موج و انرژی :

موج ها با خود انرژی حمل می کنند یعنی با حرکت خود، انرژی را از ذره ای به ذره ی دیگر انتقال می دهند.
به عبارت دیگر، ذره های محیط با حرکت نوسانی خود، انرژی را ذره به ذره در محیط پیش می برند.

آب لرزه (سونامی):
گاهی در اثر وقوع زمین لرزه در بستر اقیانوسها یا آتش فشان ها و لغزش های بزرگ زیر دریا، امواج بسیار پر قدرتی به وجود می آیند که به آن آب لرزه یا سونامی (Tsunami) می گویند. این امواج در اثر حرکت ناگهانی مقدار زیادی آب در امتداد قائم به وجود می آیند و با سرعتی بسیار زیادتر از موج های سطح آب، منتشر می شوند.

موج های صوتی:
هر صوتی دارای انرژی است و به صورت موج از چشمه های صوت انتشار می یابد. موج های صوتی از نوع امواج طولی هستند.
موج صوتی را باید توسط یک جسم مرتعش تولید کرد. به هرجسمی که صوت تولید می کند، چشمه صوت می گویند.
حنجره انسان یک چشمه ی صوت است. با عبور دادن هوا از حنجره، تارهای صوتی آن را به ارتعاش در می آورد. وارتعاش تارهای صوتی صوت را به وجود می آورد. در واقع ارتعاش تارهای صوتی به مولکولهای هوا انرژی منتقل می کند و موج صوتی تولید می شود.

نکته: سرعت صوت در جامدها بیش تر از مایعات و در مایعات بیش تر از گازهاست، هر چه ماده متراکم تر باشد، سرعت صوت در آن بیش تر است. در مواد جامد مولکول ها نسبت به گازها به یکدیگر نزدیک ترند و در نتیجه سرعت صوت در آن ها بیش تر است.

موج های صوتی را برحسب بسامد آن ها به سه گروه تقسیم می کنند.

1- صوت:

به موج های صوتی که بسامد آن ها در حدود 20 تا 20000 نوسان در ثانیه باشد، صوت می گویند.
برای آنکه صوتی روی گوش انسان اثر بگذارد و شنیده شود، باید بسامد آن در این محدوده باشد، به این محدوده، محدوده ی شنوایی انسان گفته می شود.

2- فرو صوت:

صوت هایی که بسامد آن ها کم تر از 20 هرتز باشد، فروصوت گفته می شود.

3- فرا صوت:

صوت هایی که بسامد آن ها از 20000هرتز بیش تر باشد، فراصوت گفته می شود.
کاربردهای فراصوت:
1- امروزه فرا صوت و استفاده آن در صنعت پزشکی اهمیت بسیار دارد. به عنوان مثال در پزشکی از فراصوت برای بررسی جنین در بدن مادر و اطلاع از وضعیت و اطمینان از سلامتی آن استفاده می شود.
2- از فراصوت در جستجوی تومورها و دیگر عوامل غیر طبیعی حفره شکمی و بررسی قلب استفاده می شود.
3- امواج فرا صوت می توانند دستگاههای پزشکی و دندانپزشکی را تمیز کنند.
4- از یک باریکه ی پر انرژی فراصوت برای بریدن بافتهای بدن استفاده می شود.

در صنعت:

یک باریکه ی فراصوت می تواند شکاف های ظریف (باریک) فلزات، آسفالت جاده ها یا لاستیک را آشکار سازد.

زمین شناسان باریکه ای از امواج فراصوت را به درون زمین می فرستند و با بررسی پژواک ها، می توانند به نوع سنگ ها و مواد کانی زیر زمینی پی ببرند. همچنین می توانند با مطالعه پژواک های فراصوت، در مورد احتمال وجود نفت در لایه های زیر زمین نظر بدهند.

امواج الکترو مغناطیسی:
نوعی از امواج که می توانند در خلا منتشر شوند و نیاز به محیط مادی ندارند را موج الکترو مغناطیسی    می نامند.
موج های الکترو مغناطیسی از بسامد های بسیار بالا(طول موج بسیار کوتاه که پرتوهای گاما نام دارند) تا بسامدهای بسیارکم (طول موج های بسیار بلند که امواج رادیویی نام دارند) را شامل می شوند.

تفاوت موج های الکترو مغناطیسی و موج های صوتی:
1- سرعت موج های صوتی در هوا در دمای معمولی حدود 340 متر برثانیه است در حالی که سرعت انتشار موج های الکترومغناطیسی در هوا حدود 000/000/300 متر بر ثانیه است.
2- امواج صوتی برای انتشار نیاز به محیط مادی دارند در حالیکه امواج الکترو مغناطیسی از خلا نیز         می گذرند.
3- امواج صوتی از نوع امواج طولی و امواج الکترومغناطیسی از نوع عرضی هستند.

شباهت موج های الکترومغناطیسی و موج های صوتی:

هر دو با خود انرژی حمل می کنند.

نکته: موج های الکترومغناطیسی را بر حسب بسامد و کاربرد آن ها نامگذاری می کنند.
جدول زیر انواع موج های الکترومغناطیس را از موج های بسیار کوتاه تا موج متوسط نشان می دهد. به این گستره، طیف الکترو مغناطیسی می گویند.

نکته: موج های الکترو مغناطیس در این طیف برحسب طول موج مرتب شده اند.