تحقیق بررسی انرژی صوت

تحقیق بررسی انرژی صوت در 55 صفحه ورد قابل ویرایش 

ماوراء صوت (Ultrasound)

پرتو X از لحظه كشف به استفاده عملی گذاشته شد, و در طی چند سال اول بهبود در تكنیك و دستگاه به سرعت پیشرفت كرد. برعكس, اولتراسوند در تكامل پزشكیش بطور چشمگیری كند بوده است. تكنولوژی برای ایجاد اولتراسوند و اختصاصات امواج صوتی سالها بود كه دانسته شده بود. اولین كوشش مهم برای استفاده عملی در جستجوی ناموفق برای كشتی غرق شده تیتانیك در اقیانوس اطلس شمالی در سال 1912 بكار رفت سایر كوششهای اولیه برای بكارگیری ماوراء صوت در تشخیص پزشكی به همان سرنوشت دچار شد. تكنیكها, بویژه تكنیكهای تصویرسازی, تا پژوهشهای گسترده نظامی در جنگ دوم بطور كافی بسط نداشت. سونار, Sonar (Sound Navigation And Ranging) اولین كاربرد مهم موفق بود. كاربردهای موفق پزشكی به فاصله كوتاهی پس از جنگ, در اواخر دهة 1940 و اوایل دهة 1950 شروع شد و پیشرفت پس از آن تند بود.

اختصاصات صوت

یك موج صوتی از این نظر شبیه پرتو X است كه هر دو امواج منتقل كننده انرژی هستند. یك اختلاف مهمتر این است كه پرتوهای X به سادگی از خلاء عبور می‌كنند درحالیكه صوت نیاز به محیطی برای انتقال دارد. سرعت صوت بستگی به طبیعت محیط دارد. یك روش مفید برای نمایش ماده (محیط) استفاده از ردیفهای ذرات كروی است, كه نماینده اتمها یا ملكولها هستند كه  بوسیله  فنرهای  ریزی از هم جدا شده اند (شكل A 1-20). وقتی كه اولین ذره جلو رانده می‌شود, فنر اتصالی را حركت می‌دهد و می فشرد, به این ترتیب نیرویی به ذره مجاور وارد می آورد (شكل 1-20). این ایجاد یك واكنش زنجیره ای می‌كند ولی هر ذره كمی كمتر از همسایه خود حركت می‌كند. كشش با فشاری كه به فنر وارد می‌شود بین دو اولین ذره بیشترین است و  بین  هر  دو  تایی  به طرف   انتهای خط كمتر می‌شود. اگر نیروی راننده جهتش معكوس شود, ذرات نیز جهتشان معكوس می‌گردد. اگر نیرو مانند یك سنجی كه به آن ضربه وارد شده است به جلو و عقب نوسان كند, ذرات نیز با نوسان به جلو و عقب پاسخ می دهند. ذرات در شعاع صوتی به همین ترتیب عمل می‌كنند, به این معنی كه, آنها به جلو و عقب نوسان می‌كنند, ولی در طول یك مسافت كوتاه فقط چند میكرون در مایع و حتی از آن كمتر در جامد.

اگر چه هر ذره فقط چند میكرون حركت می‌كند, از شكل 1-20 می توانید ببینید كه اثر حركت آنها از راه همسایگانشان در طول خیلی بیشتری منتقل می‌شود. در همان زمان, یا تقریباً همان زمانی كه اولین ذره مسافت a را می پیماید, اثر حركت به مسافت b منتقل می‌شود. سرعت صوت با سرعتی كه نیرو از یك ملكول به دیگری منتقل می‌شود تعیین می‌گردد.

امواج طولی

    ضربانات اولتراسوند در مایع به صورت امواج طولی منتقل می‌شود. اصطلاح «امواج طولی» یعنی اینكه حركت ذرات محیط به موازات جهت انتشار موج است. ملكولهای مایع هدایت كننده به جلو و عقب حركت می‌كنند و ایجاد نوارهای انقباض و انبساط (شكل 2-20) می‌كنند. جبهه موج در زمان 1 در شكل 2-20, وقتی طبل لرزنده ماده مجاور را می فشارد آغاز می‌شود. یك نوار انبساط, در زمان 2, وقتی كه طبل جهتش معكوس می‌گردد, پیدا می‌شود. هر تكرار این حركت جلو و عقب را یك سیكل (Cycle) یا دوره تناوب گویند و هر سیكل ایجاد یك موج جدید می‌كند. طول موج عبارت است از فاصله بین دو نوار انقباض, یا دو نوار انبساط, و بوسیلة علامت  نشان داده می‌شود. وقتی كه موج صوتی ایجاد شد, حركت آن در جهت اولیه ادامه می یابد تا اینكه منعكس شود, منكسر شود یا جذب گردد. حركت طبل لرزان كه برحسب زمان رسم شده است, یك منحنی سینوسی را كه در طرف چپ شكل 2-20 نشان داده شده است تشكیل می‌دهد. اولتراسوند, برحسب تعریف, فركانسی بیش از 20000 سیكل بر ثانیه دارد. صوت قابل شنیدن فركانسی بین 15 و 20000 سیكل بر ثانیه دارد (فركانس میانگین صدای مرد در حدود 100 سیكل بر ثانیه و از آن زن در حدود 200 سیكل بر ثانیه می‌باشد). شعاع صوتی كه در تصویرسازی تشخیصی بكار می رود فركانسی از 000/000/1 تا 000/000/20 سیكل بر ثانیه دارد. یك سیكل بر ثانیه را یك هرتس (Hertz) گویند. یك میلیون سیكل بر ثانیه یك مگاهرتس (مختصر شده آن (MHz) است. اصطلاح هرتس به افتخار فیزیكدان مشهور آلمانی Heinrich R.Hertz می‌باشد كه در سال 1894 وفات یافت.

ویژگیهای بلورهای پیزوالكتریك

بعضی از مواد چنانند كه برقراری میدان الكتریكی بر آنها با تغییر ابعاد فیزیكی آنها همراه می‌شود و بالعكس. این را اثر «پیزو الكتریك» گویند كه اولین بار بوسیلة پیر و ژاك كوری در سال 1880 بیان شد. مواد پیزو الكتریك از دوقطبیهای (dipoles) بی شمار كه با طرح هندسی مرتب شده اند ساخته شده اند (شكل 6-20). یك دو قطبی الكتریكی یك ملكول كج شده است كه  به  نظر  می آید كه یك سرش بار مثبت و در سر دیگر بار منفی دارد (شكل 6-20). انتهاهای مثبت و منفی طوری مرتب شده اند كه یك میدان الكتریكی باعث می‌شود كه آنها جهتشان دوباره سازی شود و به این ترتیب ابعاد بلور را تغییر دهند (شكل A 6-20). شكل تغییر قابل توجهی را در ضخامت نشان می‌دهد ولی عملاً, تغییر فقط چند میكرون است. ملاحظه كنید كه جریانی از میان بلور عبور نمی‌كند. الكترودهای پوشاننده چون خازنها عمل می‌كنند و ولتاژ بین آنها است كه ایجاد میدان الكتریكی می‌كند كه به نوبة خود باعث می‌شود كه بلور (crystal) شكلش تغییر كند. اگر ولتاژ با ضربانهای ناگهانی وارد شود, بلور مانند یك «سنج» كه به آن ضربه خورده است و ایجاد صوت می‌كند, به ارتعاش درمی آید. قطعه پشتی بسرعت ارتعاشات را خفه می‌كند تا ترانسدوسر را برای كار دومش آماده نگاه دارد, كه آن كشف پژواك (echo) برگشتی است.

در حالیكه ضربانهای صوتی از بدن عبور می‌كنند, اكوها از هر حد فاصل بافتی به طرف ترانسدوسر برمی گردند. این اكوها با خود انرژی دارند و انرژی خود را به ترانسدوسر می دهند كه باعث انقباض فیزیكی عنصر بلوری می‌شود. این انقباض دوقطبیهای ریز را وادار می‌كندكه جهتشان را تغییر دهند و به این ترتیب یك ولتاژی بین الكترودها ایجاد می‌كنند. ولتاژ تقویت می‌شود و به صورت علامت اولتراسونیك برای نمایش روی نمایشگر اسیلوسكوپ و یا تلویزیون درمی آید. در حاشیه, نیروی انقباض و ولتاژ همراه آن مسئول نام پیزو الكتریك می باشند كه معنی آن الكتریسیته «فشاری» است.

بعضی  مواد  موجود  در  طبیعت خواص پیزو الكتریك دارند (مانند كوارتز), ولی بیشتر بلورها كه در اولتراسوند پزشكی بكار می روند ساخت انسان می باشند. این گروه مواد پیزوالكتریك مصنوعی را فروالكتریكها (ferroelectrics) گویند, كه انواع بسیاری از آن وجود دارد. تیتانات باریم (Barium Titanats) از اولین فروالكتریكهای سفالین (ceramic) بود كه كشف شد. آن عمدتاً بوسیلة زیركونات تیتانات سرب (Lead zirconate titanate) كه عموماً آن را PTZ  می شناسند جایگزین شده است. چند نی نوع PTZ موجودند كه با تغییرات مختصر اضافات شیمیایی و تغییرات حرارت دادن بدست آمده و خواص مختلف دارند.