الأمواج فوق الصوتية

بحث متقدم

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

الأمواج فوق الصوتية

امواج فوق صوتيه

Ultrasonic waves - Ondes ultrasonores

الأمواج فوق الصوتية

وفيق حرارة

توليد الأمواج فوق الصوتية والكشف عنها

انتشار الأمواج فوق الصوتية في المادة

تطبيقات الأمواج فوق الصوتية

الأمواج فوق الصوتية ultrasonic waves هي اهتزازات ميكانيكية منتشرة ذات ترددات (تواترات) أعلى من مجال الترددات التي يستطيع الإنسان العادي سماعها، أي أعلى من 20KHz. وُلّدت الأمواج فوق الصوتية أول مرة عام 1876م من قبل العالم الإنكليزي فرانسيس غالتون Francis Galton، وذلك باختراعه صافرة سميت باسمه. وكان الاختراق الحقيقي في تطور تقنيات الأمواج فوق الصوتية عام 1880م عندما اكتشف الأخوان كوري Pierre and Jacques Curie الأثر الكهرضغطي piezoelectric effect حيث لاحظا تولد جهد كهربائي عند إخضاع بلورة الكوارتز لضغط ميكانيكي، ودعيت هذه الظاهرة بالخاصة الكهرضغطية المباشرة، وتوقع العالم ليبمان Gabriel Lippman عام 1881 وجود الأثر الكهرضغطي العكسي الذي أُثبت عملياً في العام ذاته من قبل الأخوين كوري حيث ولّدا اهتزازات ميكانيكية بتطبيق فرق جهد كهربائي على بلورة الكوارتز. وأصبح بالإمكان استخدام بلورة الكوارتز- والعديد من المواد الأخرى التي تبدي خواص مشابهة دعيت المواد الكهرضغطية- في توليد الأمواج فوق الصوتية ذات الترددات العالية من مرتبة مليون دورة في الثانية،أي من مرتبة ميغاهرتز megahertz واستقبالها.

يبين الشكل(1) طيف الاهتزازات الميكانيكية وتردداتها ومجالات استخداماته، وموقع الأمواج فوق الصوتية منه.

الشكل( 1): طيف الاهتزازات الميكانيكية وتردداتها ومجالات استخداماتها، وموقع الأمواج فوق الصوتية منه.

تطور علم الأمواج فوق الصوتية وتقانتها بسرعة خلال الحرب العالمية الثانية، وأصبح يطبَّق على نحو واسع في الاختبارات اللاإتلافية للمواد وفي تحديد خواصها الفيزيائية، مثل تحديد معامل المرونة، ورسم مخططات توزع الإجهادات في الفولاذ بالاستناد إلى تغير سرعة الأمواج فوق الصوتية فيه ،إذ تنخفض سرعة الأمواج فوق الصوتية في المادة عند خضوعها لإجهادات ضغط، وتزداد عند خضوعها لإجهادات شد، يكون ازدياد السرعة في المادة وانخفاضها بنسبة تقارب %3 من قيمة السرعة . كما تُطبق الأمواج فوق الصوتية في المجالات الطبية وفي أجهزة التنظيف وفي الأجهزة المستخدمة في استحلاب emulsificationالمواد وفي الحفر ومعالجة المواد وإزالة الإجهادات الناشئة في الوصلات اللحامية المنفذة على الهياكل المعدنية بعد عمليات اللحام.

يفضل استعمال الأمواج فوق الصوتية على الأمواج الصوتية للأسباب التالية:

- للأمواج فوق الصوتية خاصة التوجيه؛ فكلما ازداد التردد يزداد توجيه الحزمة، وهذه الخاصة أساسية في الكشف عن العيوب في المواد، وفي إرسال الإشارات فوق الصوتية للاتصالات تحت الماء.

- عند الترددات العالية تكون أطوال الأمواج قصيرة وأصغر من أبعاد العينة، ومن ثم يمكن أن تنتشر في العينة؛ مما يسمح بقياس الثخانات الصغيرة للعينات، أو الكشف عن العيوب فيها بمقدرة فصل عالية.

- لا يسمع الإنسان أصوات الأمواج فوق الصوتية، وهذه ميزة عند استخدامها في التطبيقات المختلفة لتخفيف الضجيج؛ لكنها قد تؤدي إلى حدوث أذيات من دون الشعور بها.

توليد الأمواج فوق الصوتية والكشف عنها:

تتولد الأمواج فوق الصوتية نتيجة تحول أنواع الطاقة الأخرى إلى طاقة اهتزازات ميكانيكية، وتصنف الأدوات وفق ذلك:

1 - تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة اهتزازات فوق صوتية في المواد ذات الخواص الكهرضغطية، إذ تتولد اهتزازات ميكانيكية عند تطبيق فرق جهد كهربائي متناوب على المواد الكهرضغطية كما هو مبين في الشكل (2). كما ينتج على سطح هذه المواد جهد كهربائي عند إخضاعها لضغط ميكانيكي كما هو مبين في الشكل(3).

الشكل (2): الخاصة الكهرضغطية العكسية

الشكل (3): الخاصة الكهرضغطية المباشرة

وبالتالي يمكن تطبيق الخاصة الكهرضغطية المباشرة في الكشف، والخاصة الكهرضغطية العكسية في توليد الأمواج فوق الصوتية.

من المواد ذات الخاصة الكهرضغطية المستخدمة في صناعة مسابر probes الاختبار بالأمواج فوق الصوتية: الكوارتز quartz وكبريتات الليثيوم lithium sulphate وكبريتيد الكادميومcadmium sulphide وأكسيد الزنك zinc oxide وتيتانات الباريوم titanate barium.

2 - تُحوَّل طاقة الحقل الكهربائي إلى طاقة ميكانيكية مولِّدة للأمواج فوق الصوتية في مبدِّلات الطاقة المصنوعة من السيراميك المستقطب polarized ceramic transducers. يصنع السيراميك المستقطب من المواد الكهرحديدية ferroelectric materials حيث تتألف كل مادة من هذه المواد من مناطق عديدة يضم كل منها عدداً كبيراً من الجزيئات المستقطبة المتجهة في الاتجاه نفسه، فتظهر كل منطقة كثنائي قطب كهربائي. ويبين الشكل (4) مبدأ توليد الأمواج فوق الصوتية في شريحة من السيراميك المستقطب. تتوجه المجالات في الشريحة بشكل عشوائي يلغي مفعول كل منها الآخر عند عدم تطبيق جهد كهربائي عليها وتكون الشريحة غير مستقطبة، على حين تتوجه هذه المناطق باتجاه الحقل عند تطبيق جهد كهربائي عليها. وبما أن عدد المناطق في اتجاه الحقل يصبح أكبر مما هو عليه عند توضعها العشوائي، فإن المادة كلها تتمدد، وعند عكس اتجاه الجهد ينعكس اتجاه المناطق مما يؤدي إلى تمدد المادة من جديد في الاتجاه المعاكس؛ مما يجعل هذه المواد مختلفة عن المواد الكهرضغطية التي تتمدد باتجاه محدد للجهد وتتقلص بالاتجاه الآخر.

الشكل(4): المناطق في السيراميك متعدد البلورة المستقطب عند عدم وجود حقل كهربائي وبوجوده

يمكن تحويل نمط الاستقطاب الكهربائي (التمدد عند تطبيق جهد موجب أو سالب) إلى النمط الكهرضغطي عن طريق تسخين المادة المستقطبة إلى درجة حرارة أعلى من درجة الحرارة التي تفقد عندها المادة الكهرحديدية المستقطبة خواصها الحديدية بما يعرف في المواد المغنطيسية - المشابهة في سلوكها لهذه المواد - بدرجة حرارة كوري Curie point، وبعد ذلك تبريدها تحت جهد انحياز مستمر مقداره قرابة 1000 [V/mm] فولط/مم. حيث تثبت المجالات المغنطيسية باتجاه حقل الانحياز المطبق؛ مما يجعل السيراميك يسلك سلوك المواد ذات الخواص الكهرضغطية.

تصنع مواد السيراميك المستقطب من مزيج من مساحيق على شكل أقراص حيث تُسخن إلى درجة حرارة عالية لتتصلب. ويتم التحكم بالخواص المطلوبة لمبدِّل الطاقة من أجل تطبيق محدد عن طريق التحكم بنوع خلط مسحوق «بودرة» العناصر المكونة للمادة المستقطبة ونسبها، ومن مبدلات الطاقة المصنوعة من السيراميك المستقطب: تيتانات الباريوم وتيتانات الرصاص lead titanate .

3 - تحول الطاقة الحرارية إلى طاقة صوتية نتيجة للتسخين السريع لسطح صلب؛ مما يؤدي إلى تمدد موضعي فجائي وتولد جهد ميكانيكي يؤدي بدوره إلى تحرر أمواج صوتية بطيف واسع من الترددات، ويُستعمل في هذه الطريقة ضوء الليزر أو دفقات من الحزم الإلكترونية للتسخين السريع والقوي لسطوح المواد المستخدمة بذاتها كمحولات طاقة.

4 - تُحوَّل الطاقة الكهرطيسية في المواد الناقلة أو المواد المغنطيسية إلى أمواج فوق صوتية نتيجة لتولد قوى لورنتز Lorentz force، وهو مبدأ عمل المسابر الكهرطيسية المولدة للأمواج فوق الصوتية(EMAT) electromagnetic acoustic transducer. للمسابر الكهرطيسية فائدة كبيرة في إنجاز الاختبارات بالأمواج فوق الصوتية من دون الحاجة إلى مادة رابطة ما بين مسبار الاختبار والمادة المختبرة، مما يناسب الاختبار الآلي للمنتجات المعدنية على خطوط الإنتاج كاختبار الأنابيب وقضبان السكك الحديدية حيث يكون هناك حركة نسبية ما بين القطعة المختبرة ومسابر الاختبار.

تعتمد مسابر EMAT مبدأ تسليط حقل مغنطيسي متناوب على سطح العينة الناقل للكهرباء فتُحرض فيها تيارات دوامية تتدفق على الطبقة الخارجية لسطح العينة، ويسبب تطبيق حقل مغنطيسي سـاكن في منـطقة تحـرض الـتيارات الدوامة اهتزاز ذرات المادة المختبرة وتولد قوى لورنتز؛ مما يؤدي إلى انتشار الأمواج فوق الصوتية فيها. يُحدِّد توضع الملف المحرض للتيارات الدوامية في الحقل المغنطيسي لمسبار EMAT طبيعة الأمواج فوق الصوتية حيث تكون هذه الأمواج أمواج قصّ في حالة وضع الملف في الوضعية المبينة في الشكل (5) وتكون هذه الأمواج طولية عند وضع الملف تحت أحد أطراف الدارة المغنطيسية للملف المولد للحقل المغنطيسي.

5 - تحول الطاقة المغنطيسية إلى طاقة اهتزازات فوق صوتية في المسابر التي تعمل على مبدأ التقلص المغنطيسي magnetoscrictive transducer، إذ يحدث في هذه المواد عند مغنطتها تغير في أبعادها، فتستعمل هذه الخاصة بتطبيق حقل مغنطيسي وعكسه كما في حالة المواد الكهرضغطية، توجد هذه الخاصة في المواد المغنطيسية كالنيكل والكوبالت والحديد والِفرَّايت.

الشكل (5): توضع الملف المحرض للتيارات الدوامية في الحقل المغنطيسي

فعند تطبيق حقل مغنطيسي في الاتجاه المحوري على قضيب مصنوع من تلك المواد فإنه يتولد إجهاد شدٍّ موجب دوماً أو سالب دوماً وفقاً لطبيعة المادة مما يؤدي إلى زيادة أو نقصان في طول القضيب وباتجاه واحد دوماً مهما كان اتجاه الحقل. ويتعلق ازدياد الطول أو نقصانه بقيمة شدة الحقل المغنطيسي المطبق وطبيعة المادة. وللحصول على تغيرات جيبية لإجهادات الشد المطبقة يجب أن يتم جعل المادة المغنطيسية مستقطبة، ويتم ذلك بتطبيق حقل مغنطيسي مستمر ذي شدة أعلى من شدة الحقل المتناوب الذي سيطبق عليها في أثناء العمل.

تعدّ المسابر التي تعمل على ظاهرة التقلص المغنطيسي من حيث الأداء مماثلة في الخرج والحساسية لخرج المسابر المصنوعة من السيراميك المستقطب وحساسيتها، إلا أن كلفة إنتاجها العالية تحد من استخدامها في التطبيقات الصناعية.

انتشار الأمواج فوق الصوتية في المادة:

تعطى سرعة انتشار الأمواج فوق الصوتية بالعلاقة(1):

$الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\479\Image283.jpg$

فإذا قدِّر التردد f بواحدة الهرتز [Hz]، وطول الموجة $الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\479\Image290.jpg$ بواحدة المتر [m] فإن السرعة تقدر بواحدة م/ثا [m/sec].

تُدعى المقاومة التي تبديها المادة لمنع انتشار الموجة فوق الصوتية بالممانعة الصوتية acoustic impedance للمادة، يرمز لها بـ Z، تتعلق قيمة الممانعة الصوتية بكثافة المادة $الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\479\Image299.jpg$ وسرعة الصوت فيها وفقاً للمعادلة (2):

$الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\479\Image307.jpg$

فإذا قدِّرت الكثافة بواحدة كغ/م3 [kg/m3]، وسرعة الصوت بواحدة م/ثا [m/s] فإن الممانعة الصوتية تقدر بواحدة كغ/م2 ثا [kg/m2 . s]. وتبين هذه المعادلة أن الممانعة الصوتية تتعلق فقط بالخصائص الفيزيائية للمادة، ولا تتعلق بخصائص الموجة أو التردد.

تنعكس الأمواج فوق الصوتية بشدة على السطوح الفاصلة بين مادة وأخرى، أو بين منطقة أولى ومنطقة ثانية في المادة عند أي تغير في البنية أو في الممانعة الصوتية؛ مما يجعلها أداة فعالة في اختبار المادة، وتحديد أي اختلاف أو تغير في بنيتها.

أنواع المسابر المستخدمة في الاختبار بالأمواج فوق الصوتية:

يُستخدم في توليد الأمواج فوق الصوتية والكشف عن الأصداء المرتدة أنواع عديدة من المسابر، تُصنَّف في أربع فئات:

1 - المسابر المولدة للأمواج الطولية longitudinal waves: يستخدم هذا النوع من المسابر في توليد الأمواج فوق الصوتية الطولية والكشف عن الأمواج المرتدة عن العيوب ذات الممانعة المختلفة الموازية للسطح، كما يستخدم هذا النوع من المسابر في قياس ثخانات المواد بمختلف أنواعها.

2 - المسابر المولدة للأمواج العرضية transversal waves: يستخدم هذا النوع من المسابر- التي تعرف أيضاً بمسابر أمواج القص- في توليد أمواج القص لتدخل في المادة المختبرة بالزاوية المحددة على مسبار الاختبار بهدف الكشف عن العيوب غير الموازية للسطح، كما هي الحال في الكشف عن العيوب في الوصلات اللحامية، وتكون عملية الكشف ناجحة عند استخدام المسبار ذي الزاوية المناسبة للاختبار.

3 - المسابر المولدة للأمواج السطحية surface waves: يُولد هذا النوع من المسابر أمواجاً فوق صوتية تنتقل ضمن طبقة رقيقة من المادة ذات ثخن مساوٍ لعمق موجة صوت واحدة، وتلتقط الأصداء المنعكسة عنها، وتستخدم في الكشف عن العيوب السطحية وتحت السطحية الموجودة في المواد ذات الأسطح المستوية أو المنحنية.

4 - مسابر المصفوفة المتوافقة phased array transducer: يتألف مسبار المصفوفة المتوافقة من مجموعة من المسابر الإفرادية، عددها بين 16 و 256 (منA إلى J). يخصص لكل مسبار من هذه المسابر الإفرادية محوِّل طاقة خاص به ودارة إلكترونية مكونة من منبع تغذية ودارة إرسال واستقبال، وبحيث ينظر إليه على أنه منبع توليد أمواج فوق صوتية نقطي، ويتم التحكم بتكرار النبضات المطبقة على هذه المنابع النقطية بوساطة دارة التحكم في جهاز الاختبار بالأمواج فوق الصوتية ذات الحزم الموجهة وتعاقبها.

فعندما تقوم مولدات النبضات بتطبيق نبضاتها على المسابر الإفرادية بآن واحد فإنه يُحصل على مسبار حزمة موجّهة مولِّد لأمواج طولية (الشكل 6).

الشكل (6): توليد موجة طولية من جهاز اختبار بالأمواج فوق الصوتية ذي الحزم الموجهة

وعند تطبيق مولِّدات النبضات نبضاتها على المسابر على نحو متعاقب يُحصل على مسبار حزمة موجهة مولد لأمواج القص.

يبين الشكل (7) مسبار حزمة موجهة زاويّة حيث تقوم مولدات النبضات بتطبيق نبضاتها على المسابر الإفرادية من A إلى J على نحو متتابع وبفترات زمنية متساوية، وفي هذه الحالة تحسب زاوية مسبار الحزمة الموجهة بالعلاقة (3):

$الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\479\Image314.jpg$

حيث:

C: السرعة الزاوية للموجة الصوتية في المادة.

$الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\479\Image322.jpg$ : زمن تأخير تطبيق النبضة على المسابر المتتالية.

w: المسافة ما بين المسبار والمسبار المجاور.

الشكل (7): توليد موجة قص من جهاز اختبار بالأمواج فوق الصوتية ذي الحزم الموجهة

يمكن تغيير زاوية مسبار الحزمة الموجهة ( $الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\479\Image331.jpg$ ) بتغيير زمن تسلسل تطبيق النبضات $الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\479\Image3221.jpg$ على المسابر.

يؤدي عكس اتجاه تطبيق النبضات من Jإلى A إلى توليد موجة فوق صوتية بالاتجاه المعاكس. ويمكن توليد أمواج مركزة بتطبيق النبضات على المسابر من الخارج إلى الداخل، أي من A إلى J، ومن ثم من B إلى I وهكذا.

يمكن صناعة مسبار الحزمة الموجهة من عناصر من المواد الكهرضغطية، أو من عناصر EMAT، أو من منابع أمواج ليزرية. يبين الشكل (8) نماذج من مسابر الحزمة الموجهة.

الشكل(8) نماذج من مسابر الحزمة الموجهة

تتميز أجهزة الاختبار بالأمواج فوق الصوتية ذات الحزم الموجهة والمسابر الخاصة بها بتسهيل عملية الفحص وتسريع تنفيذها، مع عرض صور للمقاطع العرضية للمنطقة المختبرة، حيث يمكن التحكم بعناصر مسبار الحزمة الموجهة وفقاً لمتطلبات الاختبار والشكل الهندسي للموضع المختبر، وتستخدم هذه المسابر في التطبيقات الصناعية والطبية للأمواج فوق الصوتية.

طرائق عرض نتائج الفحص بالأمواج فوق الصوتية:

1 - العرض بنظام المسح-A A-scan presentation: نظام عرض تظهر فيه إشارة الصدى على المحور الأفقي الذي يحدد الموضع الزمني للنبضة، و يبين محور الانحراف العمودي ارتفاع النبضة.

يسمح معرفة موضع إشارة الصدى وارتفاعها في تحديد عمق العيب في العينة المختبرة وأبعاد هذا العيب، ويبين الشكل (9) مبدأ العرض بنظام المسح –A.

الشكل(9): العرض بنظام المسح-A

2 - العرض بنظام المسح-B B-scan presentation: يعطي نظام المسح -B مقطعاً عرضياً للعينة المختبرة، مبيناً عليها الإشارات المنعكسة عند السطح الأمامي والسطح الخلفي والإشارة المنعكسة عن كل عيب، فيتبين منها عمق العيب وطوله كما هو مبين في الشكل (10).

الشكل(10): العرض بنظام المسح-B

يختلف نظام المسح –B عن نظام المسح -A بما يلي:

- يتم عرض نتيجة المسح على شاشة أشعة مهبطية مزودة بطبقة متفلورة ذات زمن بقاء طويل يسمح برؤية المقطع العرضي للعينة كلها عند المسح.

- يتم في نظام المسح –B مسح القطعة بشكل مستقيم وسرعة منتظمة حيث يتم إدخال الإشارة على المحور الأفقي لأنبوبة الأشعة المهبطية عبر أداة كهرميكانيكية electromechanical device تولِّد جهداً يتناسب مع موضع مسبار الاختبار بالنسبة إلى النقطة المرجعية على سطح العينة.

- يتم عرض إشارات الصدى بنقاط مضيئة على الشاشة وبشكل متعامد مع محور المسبار، وعلى نحو يحدد ثخن العينة على الشاشة من الأعلى إلى الأسفل وعمق أي صدى فيها.

- لتأمين تسجيل الصدى بنقاط مضيئة يتم ربط شدة إشارة الصدى الواردة من المضخم إلى دارة التحكم بالسطوع أو التفلور لشاشة الأشعة المهبطية. ففي بعض التجهيزات يرتبط مقدار السطوع بقيمة شدة الإشارات بحيث يمكن إجراء تقييم أولي لشدة الصدى الذي يعبر عن حجم العيب وشكله.

أما مساوئ هذا النظام فتتلخص بما يلي:

- لا يمكن الحصول على إشارات بالقرب من السطوح العاكسة في العينة حيث المناطق عاتمة.

- نظراً لكون الحزمة فوق الصوتية أقرب إلى المخروط منها إلى متوازي المستطيلات فإن العيوب الموجودة بالقرب من السطح الخلفي للعينة تظهر أكبر مما هي عليه فيما لو كانت بالقرب من السطح الأمامي.

- يستخدم نظام المسح-B في التطبيقات الطبية، ويقتصر استخدامه في التطبيقات الصناعية على المراقبة والمسح السريع للعينات، وذلك لتحديد المناطق التي تتطلب اختبارات أكثر دقة من تقنيات نظام المسح-A.

3 - العرض بنظام المسح-C C-scan presentation: يتم تصميم العرض بنظام المسح-C لإعطاء وثيقة دائمة عن الاختبار المنجز بالمسح الآلي السريع للقطع المختبرة، حيث يتم عرض العيوب من خلال المسقط الأفقي للقطعة من دون تقديم أي معلومات عن عمق هذه العيوب وتوجهها، كما هو مبين في الشكل (11).

الشكل (11): العرض بنظام المسح-C

يمكن أن تعطى نتائج الاختبار في نظام المسح-C على الشاشة المتفلورة لجهاز الاختبار، أو بوساطة طابعة ملحقة بالجهاز تُخرج وثائق ورقية مطبوعة تظهر الحالة الداخلية للعينات المختبرة.

يتم تزويد جهاز الاختبار بالأمواج فوق الصوتية ذات نظام المسح-C ببوابة إلكترونية تتحسس زمن استقبال النبضات المنعكسة عن العينة ابتداءً من النبضة الأساسية أو نبضة الإرسال، ويكون هذا الزمن متناسباً طرداً مع المسافة ما بين السطح العلوي والسطح السفلي للعينة المختبرة.

يتم في غالبية الأحيان اختيار عمق البوابة بحيث يتم استثناء الأصداء الأمامية والخلفية من العرض، ومن ثم يتم فقط تسجيل الأصداء الصادرة عن داخل العينة، ويستثنى من هذه القاعدة العينات الرقيقة ذات الأصداء القريبة من السطح الأمامي والسطح الخلفي للعينة.

إن السيئة الكبيرة لنظام المسح -C هي عدم بيان أعماق العيوب الموجودة في العينة وتوجهاتها.

تطبيقات الأمواج فوق الصوتية:

في الصناعة: يتم في غالبية التطبيقات الصناعية استعمال مسابر اختبار مرسِلة ومستقبِلة تعمل على تردد واقع في المجال 2 - 6 MHz ميغا هرتز. يوضع المسبار على تماس جيد مع السطح المختبر بوجود رابط مناسب من الزيت أو الغليسرين أو الماء، وتطبق عليه مجموعة من النبضات الكهربائية مما يؤدي إلى تولد الأمواج فوق الصوتية في المادة وفقاً لسرعة الصوت فيها. ويؤدي انعكاس الأمواج فوق الصوتية عن سطح المادة وعن العيوب الموجودة فيها إلى تولد نبضات كهربائية متأخرة يمكن رؤيتها على شاشة جهاز الاختبار حيث يمكن تحديد طبيعة العيب ودرجته من خلال شكل نبضة الجهد المتولدة عن الموجة الصوتية المنعكسة ومطالها. وكذلك يمكن تحديد موضع هذا العيب من خلال زمن التقاط نبضة الجهد المتولدة، كما هو موضح في الشكل (12).

الشكل(12): تحديد موضع الانقطاع في المكونات المعدنية

تستعمل هذه الطريقة في :

- اختبار سلامة بنية المكونات المعدنية وغير المعدنية ذات الثخانات الكبيرة.

- قياس ثخانات المواد بدقة عالية استناداً إلى سرعة الصوت في المادة.

- تحديد مواضع التأكل وقياس مقداره في المواد المعرضة للتأكل كالجسور والهياكل المعدنية.

- تحديد بعض الخواص الميكانيكية للمواد، كتحديد قيمة إجهاد الخضوع yield stress ومعامل المرونة modulus of elasticity.

- اختبار جودة الوصلات اللحامية المنفذة على مختلف المكونات والهياكل المعدنية.

- بيان مطابقة جودة تصنيع المكونات للمواصفات والكودات الدولية ذات الصلة.

في التصوير الطبي: بدأ استخدام التصوير بالأمواج فوق الصوتية في المجالات الطبية بعد الحرب العالمية الثانية. فقد بدأت تطبيقات الأمواج فوق الصوتية على نحو رئيسي في العلاج، ومن ثم في التشخيص. فقد استخدم التأثير الحراري والتحطيمي للأمواج فوق الصوتية ذات الشدات العالية أداة في جراحة الأعصاب، كمعالجة العقد العصبية لمرضى الشلل الرعاشي parkinsonism، وفي استئصال خلايا من الفص الجبهي للحد من أوجاع مرضى السرطان الشامل للجسم carcinomatosis وفي تفتيت الحصيات عند تشكلها في الكلية أو في الحالب، وفي معالجة العديد من الأمراض كمرضى التهاب المفاصل rheumatoid arthritis ومرضى القرحة المعدية .

تطبيقات متنوعة للأمواج فوق الصوتية:

أ- في التنظيف والتعقيم ultrasonic cleaning: يقع مجال الترددات المستعمل في التنظيف بين 20 - 400 kHz ك.هرتز، وتقوم هذه الأمواج بتحريك السائل فتتتشكل فقاعات تؤثر بشدة في الملوثات من غبار أو زيت أو شحوم أو بصمات أو شمع أو دهان أو دم، الموجودة على المعادن أو البلاستيك أو الزجاج أو السيراميك أو المطاط وتزيلها بسرعة. تستخدم طريقة التنظيف هذه استخداماً خاصاً في تنظيف الجواهر والعدسات والساعات وأدوات الجراحة والمكونات الصناعية العائدة للصناعات الفضائية والمعدات الإلكترونية. يبين الشكل(13) أحد أجهزة التنظيف بالأمواج فوق الصوتية.

الشكل( 13): جهاز تنظيف بالأمواج فوق الصوتية

ب- في الخياطة الصناعية ultrasonic sewing: تستخدم الطاقة الحرارية الصادرة عن مسابر أمواج فوق صوتية في خياطة المظلات الشمسية وأشرعة المراكب وستائر حجب الحريق ومظلات الإنزال العسكرية وشبكات التمويه وخيمه والقماش المشمع، ويبين الشكل (14) آلة خياطة بالأمواج فوق الصوتية للتطبيقات الصناعية.

الشكل( 14): آلة خياطة بالأمواج فوق الصوتية

ج- في اللحام ultrasonic welding: تستخدم تجهيزات مزودة بمسابر أمواج فوق صوتية دوّارة في لحام المنسوجات الصناعية والأفلام والرقائق المعدنية وفقاً للمتطلبات المختلفة( الشكل 15).

الشكل (15): آلة لحام منسوجات صناعية بالأمواج فوق الصوتية

د-في القطع واللصق ultrasonic cutting and gluing : تستخدم الطاقة الحرارية الصادرة عن مسابر قطع دوارة مولدة للأمواج فوق صوتية في قطع الأقمشة ورقائق العديد من المواد الصناعية وإغلاق الحواف. كما يتم استخدام تجهيزات أمواج فوق صوتية في لصق الأقمشة الصناعية فوق القطع المراد لصقها عند درجة حرارة عالية، ويتم إخضاع الوصلة للضغط والتبريد لتكسب متانة تعادل أو تفوق متانة القماش الأصلي من دون أن تكون مرئية( الشكل 16).

الشكل( 16): آلة قطع قماش صناعي ولصقه بالأمواج فوق الصوتية

هـ- في قياس تدفق السوائلultrasonic flow measurement : تُستخدم مقاييس تعمل بالأمواج فوق الصوتية في قياس تدفق السوائل في الأنابيب المعدنية وغير المعدنية، حيث يُوضع على السطح الخارجي للأنبوب مسابر تلتقط الأمواج فوق الصوتية الصادرة عن مرور السائل فيه، ويتم تحليل الأمواج الملتقطة بوساطة الدارة الإلكترونية للجهاز؛ مما يسمح بتحديد سرعة التدفق وحجمه بدقة عالية.

و- في التحكم بالرطوبة ultrasonic humidity control: تُستعمل أجهزة الترطيب بالأمواج فوق الصوتية ultrasonic humidifiers على نحو شائع في إيجاد بيئة مريحة في غرف الفنادق والمنازل، حيث تزود هذه الأجهزة بمروحة سحب الهواء من الغرفة وتمريره من أمام مسابر مولدة لأمواج فوق صوتية ذات ترددات عالية تعمل على رفع رطوبة الهواء بإضافة الماء إليه من خلال إنتاج قطرات مجهرية من رذاذ الماء البارد أو الساخن، أو تجفيف الهواء أو خفض نسبة رطوبته، وذلك من خلال التحكم بمنظم رطوبة humidistat ملحق بالجهاز ( الشكل 17).

الشكل( 17): جهاز تحكم بالرطوبة بالأمواج فوق الصوتية

ز- في التجميل ultrasound beauty massage: دخل التدليك بالأمواج فوق الصوتية حديثاً في مجال التجميل والعلاج التجميلي، إذ يمكن للأمواج فوق الصوتية ووفق تردد الأمواج الولوج إلى خلايا النسج العميقة في مختلف أنحاء الجسم لإعادة النضارة والشباب إليها، وذلك بتحريك الخلايا وتسخينها وتحفيزها على التجديد والترميم مما يفيد في إزالة التجاعيد والكلف من الوجه وتنشيط العضلات وزيادة معدل جريان الدم في الجسم، ومعالجة حب الشباب وإصلاح آثار الندب القديمة، وإعادة العيون المنتفخة إلى طبيعتها، ومساعدة الجسم على الشفاء من بعض الآلام والأمراض والجروح.

الشكل( 18): صور لأجهزة تدليك بالأمواج فوق الصوتية

ويوجد في السوق الآن أجهزة تدليك بالأمواج فوق الصوتية ذات ثلاثة ترددات عمل (5MHz,3MHz, 1MHz)، حيث يزداد ولوج الأمواج فوق الصوتية في الجسم مع انخفاض التردد وبالتالي يمكن اختيار أي من ترددات عمل الجهاز بما ينسجم مع الجزء من الجسم المراد تدليكه.

مراجع للاستزادة:

-A. S. Birks, R.E.Green, P.Mcintire, Ultrasonic Testing, Columbus, OH, American Society for Nondestructive Testing, 1991.

- P. Burns, Medical Biophysics,1999. http://pmate01.oci.utoronto.ca/faculty/burns/medbio.burns.html

-J. David & N. Cheeke, Fundamentals and Applications of Ultrasonic Waves, Taylor & Francis, 2012.

- Josef Krautkramer & Herbert Krautkramer, Ultrasonic Testing of Materials, Springer Verlag, November 1990.

-Alain Léger, Ultrasonic Wave Propagation in Non Homogeneous Media, Marc DesChamps, 2009.