آلتراسونیک و کاربردهای آن
مهندسی
آلتراسونیک عبارت است از کاربرد امواج مکانیکی- صوتی با فرکانسی بالاتر از حد شنوایی انسان. شنوایی انسان در محدوده فرکانس 10 dHz الی 20 dKHz می باشد. امروزه از لغت مگاسونیک برای امواج با محدوده فرکانسی بالاتر از 1000dKHz استفاده می شود. یکی از کاربردهای مهم امواج آلتراسونیک، استفاده از ضربه ناشی از کاویتاسیون ایجاد شده توسط آن در فرآیند
شستشوی آلتراسونیک می باشد. اصول کلی این روش مبتنی بر غوطه وری قطعات مورد نظر در یک مایع واسطه می باشد که این مایع، توسط یک مولد امواج آلتراسونیک با فرکانس و شدت بسیار بالایی مرتعش شده و کاویتاسیون به وجود آمده، عمل شستشو و پاک کردن قطعه را انجام می دهد. کاویتاسیون عبارت است از شکل گیری و انهدام مرتب حباب های بخار درون مایع به خاطر خلاء ناشی از عقب نشینی سطح و موج فشار ناشی از برگشت سطح. در این پدیـده، به خــاطر خـلاء نسـبی، جــوشـش حجــمی ولی بدون افزایــش دمـای مـایــع صــورت می پذیرد، هرچند دمای مایع صورت می پذیرد، هرچند هنگام برگشت سطح و ایجاد موج فشار، دمای محلی در حد و ابعاد ملکولی در نزدیکی محل ترکیدن حباب بسیار زیاد است. محاسبات نشان می دهد که در این محل، دمایی بیش از 5500 درجه سانتیگراد و فشاری بیش از 67MPa تولید می شود.
کاربرد های آلتراسونیک
- عملیات اتصال: جوشکاری مواد غیر هم جنس، دوختن، آب بندی، لحیم کاری.
- عملیات ماشینکاری: سوراخکاری، حفره زنی و ایجاد سطوح آزاد با کمک فناوری CNC بر روی مواد ترد
- کمک به عملیات شکل دهی: در آهنگری، ریخته گری مداوم، اکستروژن و کشش عمیق
- کمک به عملیات ماشینکاری سنتی: در تراشکاری، فرزکاری، سوراخکاری و سنگ زنی
- کمک به فرآیندهای نوین تولید: در ماشینکاری الکتروشیمیایی، لیزر و تخلیه الکتریکی برای بهبود خواص سطحی و افزایش نرخ باربرداری
- عملیات فیزیکی و شیمیایی: ایجاد واکنش شیمیایی و فیزیکی، تسریع واکنش ها، کاهش آلودگی، عملیات بر روی اضافات سمی، آماده سازی سنگ معدن جهت ذوب و تصفیه، همگن سازی، امولوسیون سازی، انحلال، گاز زدایی، پراکنده سازی کلوئیدی
- عملیات شستشو: شستشوی قطعات ظریف یا مستحکم، با زدودن چربی ها، گرد و خاک و سایر آلودگی ها و تا اندازه ای رفع پلیسه های ظریف از لبه ها
- پزشکی: جراحی توسط چاقوی آلتراسونیک؛ تخریب سلول های بدخیم؛ عمل آب مروارید چشم؛ پیشگیری از پوسیدگی، جرم گیری و عصب کشی دندان ها؛ شکستن سنگ کلیه، مثانه و کبد؛ برداشتن چربی اضافی بدن (لیپوساکشن)؛ برداشتن بافت های مرده و مواد خارجی زخم و نیز در سونوگرافی
- عملیات آئروسول: رطوبت سازی، خشک کردن افشانه ای، سرد سازی با تبخیر، احتراق بهتر سوخت از طریق اتمیزه کردن آن، بهبود پوشش دهی بدنه خودرو و قطعات صنعتی توسط روش الکتروفوریز
- آزمون‌های مخرب و غیر مخرب: استفاده در رادارهای آموزشی، سونار برای نقشه برداری دریایی، آزادسازی تنش های پس ماند، پلیسه زدایی، شناور سازی، کف زایی و کف زدایی، باستان شناسی (تمیز کردن سفال های شکسته و سنگواره ها و ترمیم آن ها) و کاربردهای روز افزون و گسترده دیگر در بسیاری از حوزه های علوم و مهندسی.
روش تولید امواج ماورای صوت
امواج ماورای صوت را به روش های مکانیکی و الکتریکی و مغناطیسی، تولید می کنند. ابزار مکانیکی تولید ماورای صوت عبارت است از: سیرن، سوتک گالتن، مولد الکتریکی، مولد مغناطیسی، نوسانگر پیزو الکتریک و نوسانگر مانیتواستریکتیو که در زیر برخی از آن ها که کاربرد وسیعی دارند شرح مختصری می‌دهیم.
سیرن
سیرن از یک ظرف محکم ساخته شده است که بوسیله لوله‌ای به تلمبه تراکم هوا مربوط میشود و میتوان در آن هوای با فشار زیاد متراکم کرد. در قسمتی از سطح بالایی این ظرف دو صفحه فلزی گرد محور واحدی قرار دارند که بر روی آن ها تعدادی سوراخ به یک فاصله از محور موجود است. صفحه پایین ثابت است و صفحه بالایی می‌تواند بر روی آن با سرعت زیاد دوران کند.
سوراخ هایی که بر روی این دو صفحه موجود است، می‌توانند در مقابل یکدیگر قرار گیرند. ولی امتداد آنها در صفحه بالایی و پایینی برهم قرار ندارد و طوری است که وقتی هوایی با فشار زیاد از سوراخ های پایینی به دهانه سوراخ های بالایی می‌رسد، تغییر جهت و امتداد می‌دهد. و همین تغییر جهت حرکت هوا سبب می‌گردد که بر صفحه بالایی نیرویی اثر کند و آن را به چرخش در آورد. فرکانس صوتی که سیرن تولید می‌کند با تعداد سوراخهای صفحه دوّار و نیز تعداد دوری که صفحه گردان سیرن در ثانیه دوران می کند نسبت مستقیم دارد . که در آن f فرکانس صوت می‌باشد.
معمولا بر روی سیرنها دستگاهی است که می تواند صوت حاصل را مشخص کند. ولیکن اگر تعداد سوراخ ها در صفحه بسیار زیاد و نیز فشار هوا یا بخار آب که در ظرف سیرن متراکم شده است، بسیار زیاد باشد، ارتعاشات ماورای صوت تولید میشود. به کمک این سیرنها امواجی تا فرکانس200 کیلو هرتز تولید کرده‌اند.
در سال 1883 نخستین بار گالتن متوجه امواج ماورای صوت شد. او با استفاده از لوله بسته‌ای که به کمک یک پیچ می‌توانست طول آن را تغییر دهد، ارتعاشات صوتی بسیار ریزی با فرکانس زیاد تولید کرد. و ضمن کاهش تدریجی طول لوله بسته متوجه شد که در هنگام دمیدن در آن صدایی را نمی‌شنود. ولیکن سگی که در نزدیکی وی بود عکس العمل نشان می‌دهد. همین موضوع او را متوجه امواج ماورای صوت کرد.در سال 1900 میلادی آ. ادلمان سوتک گالین را کامل کرد و آن را به فرکانس حدود 170000 هرتز رسانید. در سال 1916 میلادی هارتمان بر اساس کارهای قبلی سوتکی ساخت که در آن هوای متراکم از یک سوراخ مخروطی شکل خارج و به دهانه لوله استوانه‌ای شکل که طول و قطر آن برابر است وارد می‌گردد و تولید صوت می‌کند. در سوتک هارتمان سرعت خروج هوا و برخورد آن به لوله سوتک بسیار زیاد و بیش از سرعت صوت است.
نوسانگر مغناطیسی
این نوسانگرها براساس خاصیت ماگنتوستریکشن و استفاده از یک میدان الکتریکی متناوب ساخته میشود. خاصیت ماگنتوستریکشن عبارت است از تغییر شکل و تغییر حجم یک ماده مغناطیسی (آهن، نیکل و کبالت) در اثر آهنربا شدن. ساده‌ترین تغییری که در اثر آهنربا شدن یک ماده مغناطیسی بررسی میشود تغییر نسبی طول یعنی است. که در این رابطه تغییر طول و ا طول اولیه ماده مغناطیسی است. اگر میله ای از یک ماده مغناطیسی مانند نیکل را انتخاب کنیم و در اطراف آن یک سیم روپوش دار بپیچیم و آن را در یک مدار الکتریکی قرار دهیم، مشاهده میشود که هر گاه جریان الکتریکی از سیم پیچ بگذرد طول میله کوتاه می شود و پس از قطع جریان میله به طول اولیه خود باز می گردد. چنانچه بتوانیم به کمک یک رئوستا شدت جریان الکتریکی را افزایش دهیم، تغییر طول میله Δl بیشتر می شود.ضمنا اگر جهت جریان الکتریکی را تغییر دهیم باز هم میله منقبض خواهد شد. مشخص میشود که کاهش طول میله که در اثر میدان مغناطیسی سیم پیچ و آهنربا شدن آن ظاهر میشود، به جهت میدان الکتریکی بستگی ندارد. ولیکن اندازه تغییر طول میله به اندازه
شدت میدان الکتریکی بستگی دارد. در عمل نوسانگرهای مغناطیسی را به این ترتیب می‌سازند که به جای میله‌های نیکلی ورقه‌های نازک نیکلی که رویه‌ای از یک ماده عایق الکتریکی دارند، بکار می‌برند.این ورقه ها را مانند آنچه در هسته‌های ترانسفورماتور مشاهده می‌کنیم بر روی یکدیگر قرار می‌دهند و به هم متصل می‌کنند. علت بکار بردن ورقه‌های نیکل به جای میله نیکل جلوگیری از جریان های گردابی (جریان فوکو) است. ضمنا بجای آنکه فقط از یک سیم پیچ استفاده شود، دو سیم پیچ به دور هسته نیکلی پیچیده میشود، که از یکی جریان مستقیم و از سیم پیچ دیگر جریان متناوب عبور می‌کند.
سنسور فراصوتی
تاريخچه اين سنسور به سال 1912 میلادی و بعد از غرق شدن کشتی تایتانيک بر می گردد. بعد از غرق شدن تایتانیک دانشمندان به دنبال راه حلی برای تکرار نشدن این فاجعه افتادند، که اگر کاپتان کشتی به هر دلیلی قادر به دیدن جلو کشتی نبود وسیله ای هشدار دهنده او را از وجود مانع مطلع سازد. در سال 1912 میلادی آقای L F Richartson با الهام از طبیعت و استفاده از مسیریابی خفاش ها موفق به ساخت سنسور فراصوتی شد. خفاش ها به دلیل بینایی ضعیف و حساس به نور، از امواج فراصوتی برای تشخیص موانع استفاده می کنند. اما از آن سال تا کنون که نزدیک به یک قرن از آن می گذرد این سنسور کاربردهای فراوانی در زندگی ما پیدا کرده است که به چند نمونه از این کاربردها می پردازیم.
- ابتدا برای نزدیک شدن بیشتر به این سنسور به معرفی آن در دزدگیر اتوموبیل و وسیله هشدار دهنده فاصله در اتوموبیل می پردازیم که مطمعنا همه ما کاربرد سنسور فراصوتی را در دزدگیر اتوموبیل از نزدیک دیده ایم.
- سپس به کاربردهایی همچون استفاده در ثبت دقیق ترین زمان ممکنه در ورزش دومیدانی
- استفاده در باک هواپیما برای فهمیدن مقدار سوخت
- استفاده در کنترل دور ماشین های صنعتی
- کاربرد در علم هواشناسی جدید
- دبی متر التراسونیک
چگونگی کار سنسور التراسونیک
امواج التراسونيك به دستهای از امواج مكانيكی گفته ميشود كه فركانس نوسانشان بيش از محدوده شنوايی انسان 20KHz باشد. یک سنسور التراسونیک غالبا دارای یک فرستنده و یک گیرنده امواج التراسونیکمی باشد که این امواج بعد از برخورد با یک مانع منعکس شده و به طرف سنسور برمی گردند و با توجه به زمان بازگشت و همچنین کیفیت امواج بازتابش شده به فاکتورهایی همچون فاصله تا مانع، نوع مانع و سرعت مانع دست پیدا می کنیم. لازم به ذکر است که هرماده ای به یک کیفیت خاص امواج التراسونیک را از خود عبور و مقداری از آن را باز تابش می دهد.
این امواج بدلیل خواصی که دارند کاربردهای متنوع و بعضاً جالبی دارند. با محاسبهایی ساده میتوان دریافت که اگر نقط هایی با فرکانس 25 کیلوهرتز و دامنه 10 میکرومتر نوسان کند شتاب آن بالغ بر 25 هزار برابر شتاب ثقل می شود. این شتاب و به طبع آن سرعت بالا در مایعات باعث ایجاد کاویتاسیون میشود و در هنگام انفجار حباب های ایجاد شده فشاری در حدود 200 بار ایجاد می گردد. از طرف دیگر اگر حرکت نسبی با مشخصات فوق میان دو سطح جامد برقرار شود ازدیاد دما باعث جوش خوردن دو سطح به یکدیگر می شود که Ultrasonic Welding می باشد.
امواج اولتراسونیک مانند دیگر امواج دارای خاصیت شکست، انعکاس، نفوذ و پراش می باشند. برای تولید این امواج روش های متفاوتی وجود دارد. مجموعه های اولتراسونیک معمولاً از سه بخش کلی تشکیل می شوند:
- مبل
- بوستر
- تقویت کننده یا هورن.
مبدل نقش تولید امواج مکانیکی و تبدیل انرژی الکتریکی به مکانیکی را دارد، بوستر و تقویت کننده نیز وظیفه انتقال و تقویت دامنه حرکت و رساندن آن به مصرف کننده را به عهده دارند.