محول طاقة فوق صوتي


أجهزة تحويل الطاقة فوق الصوتية وأجهزة الاستشعار فوق الصوتية هي أجهزة تولد أو تستشعر طاقة الموجات فوق الصوتية. ويمكن تقسيمها إلى ثلاث فئات رئيسية: أجهزة الإرسال، وأجهزة الاستقبال، وأجهزة الإرسال والاستقبال. تحول أجهزة الإرسال الإشارات الكهربائية إلى موجات فوق صوتية ، وتحول أجهزة الاستقبال الموجات فوق الصوتية إلى إشارات كهربائية، بينما يمكن لأجهزة الإرسال والاستقبال إرسال واستقبال الموجات فوق الصوتية. [ 1 ]
التطبيقات والأداء
يمكن استخدام الموجات فوق الصوتية لقياس سرعة الرياح واتجاهها ( مقياس سرعة الرياح )، ومستوى السوائل في الخزانات أو القنوات، وسرعة تدفقها في الهواء أو الماء. لقياس السرعة أو الاتجاه، يستخدم الجهاز عدة كواشف ويحسب السرعة من المسافات النسبية إلى الجسيمات العالقة في الهواء أو الماء. لقياس مستوى السوائل في الخزانات أو القنوات ، وكذلك مستوى سطح البحر ( مقياس المد والجزر )، يقيس المستشعر المسافة ( المدى ) إلى سطح السائل. تشمل التطبيقات الأخرى: أجهزة الترطيب ، وأجهزة السونار ، والتصوير الطبي بالموجات فوق الصوتية ، وأجهزة إنذار السرقة ، والاختبارات غير المتلفة .
تستخدم الأنظمة عادةً محول طاقة يقوم بتوليد موجات صوتية في نطاق الموجات فوق الصوتية، فوق 20 كيلو هرتز، عن طريق تحويل الطاقة الكهربائية إلى صوت، ثم عند استقبال الصدى يقوم بتحويل الموجات الصوتية إلى طاقة كهربائية يمكن قياسها وعرضها.
كما يمكن لهذه التقنية اكتشاف الأجسام المقتربة وتتبع مواقعها. [ 2 ]
يمكن استخدام الموجات فوق الصوتية لقياس المسافات بين نقطتين عن طريق إرسال واستقبال دفعات منفصلة من الموجات فوق الصوتية بين محولات الطاقة. تُعرف هذه التقنية باسم قياس المسافة بالموجات فوق الصوتية ، حيث يُقاس زمن انتقال إشارة الموجات فوق الصوتية إلكترونيًا (رقميًا) ويُحوّل رياضيًا إلى المسافة بين محولات الطاقة بافتراض معرفة سرعة الصوت في الوسط بينهما. تتميز هذه الطريقة بدقة عالية من حيث الدقة الزمنية والمكانية، إذ يُمكن اشتقاق قياس زمن الانتقال من تتبع نفس شكل الموجة الساقطة (المستقبلة) إما عن طريق مستوى مرجعي أو نقطة عبور الصفر. وهذا يُتيح دقة قياس تتجاوز بكثير طول موجة تردد الصوت الناتج عن محولات الطاقة. [ 1 ]
محولات الطاقة


تحوّل محولات الطاقة فوق الصوتية التيار المتردد إلى موجات فوق صوتية والعكس. وتستخدم هذه المحولات عادةً محولات كهرضغطية [ 3 ] أو محولات سعوية لتوليد أو استقبال الموجات فوق الصوتية. [ 4 ] تتميز البلورات الكهرضغطية بقدرتها على تغيير أحجامها وأشكالها استجابةً للجهد الكهربائي المطبق. [ 3 ] أما المحولات السعوية، فتستخدم المجالات الكهروستاتيكية بين غشاء موصل ولوحة داعمة.
يمكن تحديد نمط شعاع المحوّل من خلال مساحة المحوّل النشط وشكله، وطول موجة الموجات فوق الصوتية، وسرعة الصوت في وسط الانتشار. توضح المخططات مجالات الصوت لمحوّل فوق صوتي غير مركّز وآخر مركّز في الماء، بوضوح عند مستويات طاقة مختلفة.
بما أن المواد الكهروضغطية تولد جهدًا كهربائيًا عند تطبيق قوة عليها، فإنها يمكن أن تعمل أيضًا كأجهزة كشف فوق صوتية. تستخدم بعض الأنظمة أجهزة إرسال واستقبال منفصلة، بينما تجمع أنظمة أخرى بين الوظيفتين في جهاز إرسال واستقبال كهروضغطي واحد.
يمكن لأجهزة إرسال الموجات فوق الصوتية أيضاً استخدام مبادئ غير كهرضغطية مثل الانفعال المغناطيسي. تتغير المواد التي تتمتع بهذه الخاصية قليلاً في الحجم عند تعرضها لمجال مغناطيسي، مما يجعلها محولات طاقة عملية.
يحتوي الميكروفون المكثف على غشاء رقيق يستجيب للموجات فوق الصوتية. تعمل التغيرات في المجال الكهربائي بين الغشاء ولوحة خلفية قريبة على تحويل الإشارات الصوتية إلى تيارات كهربائية، والتي يمكن تضخيمها.
يُستخدم مبدأ الغشاء أيضًا في محولات الطاقة فوق الصوتية المصنّعة بتقنية التصنيع الميكروي (MUTs) الحديثة نسبيًا. تُصنّع هذه الأجهزة باستخدام تقنية التصنيع الميكروي للسيليكون ( تقنية MEMS )، وهي تقنية مفيدة بشكل خاص لتصنيع مصفوفات محولات الطاقة. يمكن قياس اهتزاز الغشاء أو تحفيزه إلكترونيًا باستخدام السعة الكهربائية بين الغشاء ولوحة داعمة قريبة ( CMUT )، أو بإضافة طبقة رقيقة من مادة كهرضغطية على الغشاء ( PMUT ). وبدلاً من ذلك، أظهرت أبحاث حديثة إمكانية قياس اهتزاز الغشاء بواسطة رنان حلقي بصري صغير مدمج داخل الغشاء (OMUS). [ 5 ] [ 6 ]
يمكن أيضًا استخدام محولات الطاقة فوق الصوتية للرفع الصوتي . [ 7 ]
استخدم في الأعماق

تتضمن هذه التقنية إرسال موجات صوتية في الماء وتسجيل الفترة الزمنية بين إرسال النبضة وعودتها؛ ويُتيح زمن انتقالها ، بالإضافة إلى معرفة سرعة الصوت في الماء، تحديد المسافة بين جهاز السونار والهدف. تُستخدم هذه المعلومات عادةً لأغراض الملاحة أو لتحديد الأعماق لأغراض رسم الخرائط . تُقاس المسافة بضرب نصف الزمن بين إرسال النبضة وعودتها في سرعة الصوت في الماء ، والتي تُقارب 1.5 كيلومتر في الثانية [T÷2×(4700 قدم في الثانية أو 1.5 كيلومتر في الثانية)]. وللتطبيقات الدقيقة للقياس الصوتي، مثل المسح الهيدروغرافي ، يجب قياس سرعة الصوت أيضًا، وذلك عادةً عن طريق إنزال مسبار سرعة الصوت في الماء. يُعد القياس الصوتي تطبيقًا متخصصًا للسونار يُستخدم لتحديد قاع البحر. ولأن وحدة قياس عمق الماء التقليدية قبل النظام الدولي للوحدات كانت الفاثوم ، يُطلق على الجهاز المستخدم لتحديد عمق الماء أحيانًا اسم الفاثومتر . تم اختراع أول مقياس للعمق عملي بواسطة هربرت غروف دورسي وحصل على براءة اختراع في عام 1928. [ 8 ]
الاستخدام في الطب

تتوفر محولات الموجات فوق الصوتية الطبية (المجسات) بأشكال وأحجام متنوعة لاستخدامها في تصوير مقاطع عرضية لأجزاء مختلفة من الجسم. يمكن استخدام المحول ملامسًا للجلد، كما هو الحال في تصوير الجنين بالموجات فوق الصوتية، أو إدخاله في فتحة من الجسم مثل المستقيم أو المهبل . غالبًا ما يستخدم الأطباء الذين يُجرون عمليات موجهة بالموجات فوق الصوتية نظامًا لتحديد موضع المجس لتثبيت محول الموجات فوق الصوتية. [ 9 ]
بالمقارنة مع تقنيات التصوير الطبي الأخرى، يتميز التصوير بالموجات فوق الصوتية بعدة مزايا. فهو يوفر صورًا فورية، ويمكن نقله بسهولة ، وبالتالي استخدامه بجانب سرير المريض. كما أنه أقل تكلفة بكثير من استراتيجيات التصوير الأخرى، ولا يستخدم الإشعاع المؤين الضار . وتشمل عيوبه محدودية مجال رؤيته، والحاجة إلى تعاون المريض، واعتماده على بنية جسمه، وصعوبة تصوير التراكيب المحجوبة بالعظام أو الهواء أو الغازات، [ ملاحظة 1 ] وضرورة وجود مُشغِّل ماهر، عادةً ما يكون حاصلاً على تدريب مهني. ونظرًا لهذه العيوب، تكتسب تطبيقات الموجات فوق الصوتية القابلة للارتداء شعبية متزايدة. فهذه الأجهزة المصغرة تراقب العلامات الحيوية باستمرار، وتُنبِّه عند ظهور أي علامات مبكرة لخلل ما. [ 10 ] [ 11 ]
الاستخدام في الصناعة

تستطيع أجهزة الاستشعار فوق الصوتية رصد حركة الأهداف وقياس المسافة إليها في العديد من المصانع الآلية ووحدات المعالجة . ويمكن أن تحتوي هذه الأجهزة على مخرج رقمي ثنائي (تشغيل/إيقاف) لرصد حركة الأجسام، أو مخرج تناظري يتناسب مع المسافة. كما يمكنها استشعار حواف المواد كجزء من نظام توجيه الأشرطة .
تُستخدم أجهزة الاستشعار فوق الصوتية على نطاق واسع في السيارات كأجهزة استشعار لركن السيارة، لمساعدة السائق في الرجوع إلى الخلف عند ركنها. ويجري اختبارها حاليًا لعدد من الاستخدامات الأخرى في مجال السيارات، بما في ذلك الكشف عن الأشخاص باستخدام الموجات فوق الصوتية، والمساعدة في توجيه الطائرات بدون طيار ذاتية القيادة.
نظرًا لأن أجهزة الاستشعار فوق الصوتية تستخدم الصوت بدلًا من الضوء للكشف، فإنها تعمل في تطبيقات قد لا تعمل فيها أجهزة الاستشعار الكهروضوئية . تُعدّ الموجات فوق الصوتية حلًا مثاليًا للكشف عن الأجسام الواضحة وقياس مستوى السوائل، وهي تطبيقات تُشكّل تحديًا لأجهزة الاستشعار الكهروضوئية بسبب شفافية الهدف. كما أن لون الهدف أو انعكاسيته لا يؤثران على أجهزة الاستشعار فوق الصوتية، التي يمكنها العمل بكفاءة عالية حتى في البيئات ذات الإضاءة الساطعة.
يمكن استخدام أجهزة الاستشعار فوق الصوتية السلبية للكشف عن تسربات الغاز أو السوائل ذات الضغط العالي، أو غيرها من الظروف الخطرة التي تولد صوتًا فوق صوتيًا. في هذه الأجهزة، يتم تحويل الموجات فوق الصوتية الصادرة من المحول (الميكروفون) إلى نطاق السمع البشري (الصوت المسموع = من 20 هرتز إلى 20 كيلوهرتز).
تُستخدم مُشعّات الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة في أجهزة التنظيف بالموجات فوق الصوتية المتوفرة تجاريًا . يُثبّت محوّل الطاقة فوق الصوتي على وعاء من الفولاذ المقاوم للصدأ مملوء بمذيب (غالبًا الماء أو الإيزوبروبانول ). تُغذّي موجة مربعة كهربائية محوّل الطاقة، مُولّدةً صوتًا في المذيب قويًا بما يكفي لإحداث تجويف .
تُستخدم تقنية الموجات فوق الصوتية لأغراض تنظيف متعددة، ومن بينها تنظيف الأسلحة الذي اكتسب رواجاً ملحوظاً في العقد الماضي.
في اللحام بالموجات فوق الصوتية وربط الأسلاك بالموجات فوق الصوتية ، يتم ربط المواد البلاستيكية والمعادن باستخدام الاهتزازات الناتجة عن محولات الطاقة فوق الصوتية.
كما يستخدم اختبار الموجات فوق الصوتية على نطاق واسع في علم المعادن والهندسة لتقييم التآكل واللحامات وعيوب المواد باستخدام أنواع مختلفة من عمليات المسح.
ملحوظات
- ↑ لهذا السبب يجب على الشخص الذي يخضع لفحص الموجات فوق الصوتية للأعضاء التي يمكن أن تحتوي على كميات من الهواء أو الغاز، مثل المعدة والأمعاء والمثانة، اتباع نظام غذائي مصمم لتقليل كميتها: نظام غذائي محدد ومكملات غذائية للأمعاء وتناول الماء غير الغازي لملء المثانة؛ في بعض الأحيان، أثناء الفحص، قد يكون من الضروري ملء المعدة بالماء غير الغازي.
مراجع
- 1 2 بروك، كارين (22 يوليو 2020). "نصائح للعناية بمحول الموجات فوق الصوتية والتعامل معه" . الموجات فوق الصوتية . تم الاسترجاع في 20 فبراير 2022 .
- ^ كاروتينوتو، ريكاردو. ميرندا، ماسيمو؛ ايرو، ديميتريو. ديلا كورتي، فرانشيسكو جي. (يوليو 2019). “نظام الموجات فوق الصوتية الداخلي لتحديد المواقع ثلاثية الأبعاد المستقلة”. معاملات IEEE على الأجهزة والقياس . 68 (7): 2507– 2518. بيب كود : 2019ITIM...68.2507C . دوى : 10.1109/TIM.2018.2866358 . S2CID 116511976 .
- 1 2 كاري، تي إس؛ داودي، جيه إي؛ موري، آر سي (1990). فيزياء كريستنسن للأشعة التشخيصية . ليبينكوت ويليامز وويلكنز. ص 328-329 . ISBN 978-0-8121-1310-5تم الاطلاع عليه بتاريخ 2 فبراير 2023 .
- ↑ سليم، محمد صبري؛ عبد الملك، م.ف.؛ هينج، ر.ب.و.؛ جوني، ك.م.؛ صبري، نصير (مارس 2012). "محولات الطاقة فوق الصوتية السعوية المصنعة بتقنية الميكروماشين: التكنولوجيا والتطبيق" . مجلة الموجات فوق الصوتية الطبية . 20 (1): 8-31 . doi : 10.1016/j.jmu.2012.02.001 . S2CID 55610382 .
- ↑ ويسترفيلد، ووتر ج. (2014). رنانات حلقية دقيقة ضوئية من السيليكون لاستشعار الإجهاد والموجات فوق الصوتية (أطروحة دكتوراه). جامعة دلفت للتكنولوجيا. doi : 10.4233/uuid:22ccedfa-545a-4a34-bd03-64a40ede90ac . ISBN 978-94-6259-079-3.
- ↑ إس إم ليندرز؛ دبليو جيه ويسترفيلد؛ جيه بوزو؛ بي إل إم جيه فان نير؛ بي سنايدر؛ بي أوبراين؛ إتش بي أورباخ؛ إن دي يونغ؛ إم دي فيرفيج (2015). "مستشعر الموجات فوق الصوتية البصري الميكروي عالي الحساسية (OMUS) القائم على رنان حلقي ضوئي سيليكوني على غشاء صوتي" . التقارير العلمية . 5 14328. Bibcode : 2015NatSR...514328L . doi : 10.1038/srep14328 . PMC 4585719. PMID 26392386 .
- ↑ فييرا، سيلفيو ل.؛ أندرادي، ماركو أ.ب. (2020). "ترددات الرنين الانتقالي والدوراني لقرص في رافعة صوتية أحادية المحور". Дщд . 127 (22): 224901. Bibcode : 2020JAP...127v4901V . doi : 10.1063/5.0007149 . S2CID 225744617 .
- ↑ "قياس الأعماق بالصدى / أساليب الصوت المبكرة" . الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي (NOAA) . المكتبة المركزية للإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي. 2006.
استجابةً للحاجة إلى جهاز أكثر دقة لتسجيل الأعماق، ابتكر الدكتور هربرت غروف دورسي، الذي انضم لاحقًا إلى هيئة المسح الجيولوجي الكندية (C&GS)، جهازًا بصريًا لقياس فترات زمنية قصيرة نسبيًا، والذي يمكن من خلاله تسجيل الأعماق الضحلة والعميقة. في عام 1925، حصلت هيئة المسح الجيولوجي الكندية على أول جهاز قياس أعماق (Fathometer)، الذي صممته وبنته شركة إشارات الغواصات.
- ↑ شنايدر، ميشيل (1999). "خصائص سونوڤيو™". تخطيط صدى القلب . 16 (ملحق 1). وايلي: 743-746 . doi : 10.1111 /j.1540-8175.1999.tb00144.x . ISSN 0742-2822 . PMID 11175217. S2CID 73314302 .
- ↑ سريفاستاف، أ.؛ بهوجي، ك.؛ ماندال، س.؛ شاراد، م. (أغسطس 2019). "مخطط تكيفي منخفض التعقيد للكشف عن الشذوذ في التصوير بالموجات فوق الصوتية القابل للارتداء". معاملات IEEE في الدوائر والأنظمة . 66 (8): 1466-1470 . Bibcode : 2019ITCSE..66.1466S . doi : 10.1109/TCSII.2018.2881612 . S2CID 117391787 .
- ↑ "أجهزة الموجات فوق الصوتية القابلة للارتداء على وشك إحداث ثورة في سوق الرعاية الصحية للشفاء وإدارة الألم" (بيان صحفي). يونيو 2021.
للمزيد من القراءة
- Escolà A، Planas S، Rosell JR، Pomar J، Camp F، Solanelles F، Gracia F، Llorens J، Gil E (2011). "أداء جهاز استشعار المدى بالموجات فوق الصوتية في مظلات شجرة التفاح" . أجهزة الاستشعار . 11 (3): 2459– 77. بيب كود : 2011Senso..11.2459E . دوى : 10.3390/s110302459 . بمك 3231637 . بميد 22163749 .
{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list ( link ) .
- الموجات فوق الصوتية
- أجهزة الاستشعار
