الموجات الصوتية

يولد الجسم المتحرك في الوسط الذي يتحرك فيه موجات ضغطية تنتشر في جميع الاتجاهات كما في الأجسام التي تتحرك في الهواء ( كالطائرات مثلاً ) . وتتركز التضاغطات أمام الجسم ويتوقف تركيزها على سرعة الجسم, وعندما تكون سرعة الجسم في وسط معين أقل بكثير من سرعة الموجة في الوسط نفسه كما في الشكل :

فإن تغيرات الضغط تؤدي إلى تغيرات فيزيائية بسيطة في الوسط الذي يتحرك فيه الجسم ولكن عندما تكون سرعة الجسم كبيرة أو مقاربة لسرعة الموجة في ذلك الوسط فإن تلك التغيرات ستكون واضحة متمثلة في زيادة كثافة ودرجة حرارة الوسط.
ويوضح الشكل أدناه :

نموذج للموجات الضغطية المتركزة في مجال ضيق جداً أي تركيز كبير للطاقات يواكب الجسم المتحرك بسرعة مساوية لسرعة الموجة والذي يسبب ضغطاً كبيراً على الجسم قد لا يتحمله الجسم كما هو الحال عند حركة طائرة بسرعة مساوية لسرعة الصوت في نفس الوسط وإن السطح الذي يضم الموجات الضغطية يسمى " جبهة موجة الرجة أو موجة الصدم " وتوصف الطائرة بأنها بلغت جدار الصوت , ويكون شكل جبهة موجة الرجة مستوياً عمودياً على متجه سرعة الطائرة, ولتفادي الأضرار الناتجة عن موجة الرجة المستوية الجبهة يعمل الطيار على تجاوز سرعة الصوت فيؤول شكل جبهة الرجة إلى سطح مخروطي كما في الشكل :

وهوعبارة عن غلاف للجبهات الكروية المتوالدة بصورة متعاقبة أو يكون موقع الطائرة عند رأس المخروط ويبقى المخروط ملاصقاً لها ويسمع دويه الهائل من قبل أي راصد يصادفه.

موجات ميكانيكية طولية قصيرة الطول الموجي يزيد ترددها عن ( 20000 هرتز ) ولا تستطيع الأذن البشرية سماعها إلا أن بعض الحيوانات تسمعها (مثل الكلاب والخيول والطيور) . وطبيعتها مماثلة لطبيعة موجات الصوت في أنها تحتاج وسط مادي لانتشارها, إلا أنها تختلف عن موجات الصوت بأنها يمكن توجيهها وبذلك يمكن أن تنعكس عن الأسطح المعدنية وتكون صدى. وإذا سقطت على سطح لين فإنها تمتص ويزداد هذا الامتصاص لنفس السطح بزيادة التردد, ويعمل الهواء على امتصاص الموجات الفوق صوتية في حين أن السوائل تمررها.
ويمكن الحصول على الموجات فوق الصوتية من اهتزاز الأجسام بطرائق تقنية خاصة ( بوساطة الاهتزازات المرنة لبلورة الكوارتز التي تتجاوب مع اهتزازات المجال الكهربائي المتناوب بتردد يزيد عن 20000 هرتز ).

أ- حساب أعماق البحار :
يحتوي الجهاز المستخدم على باعث ومستقبل للموجات الفوق الصوتية حيث يطلق الباعث خلال وقت قصير جداً ( 1 نانوثانية – 2 نانوثانية ) موجات ترددها يتراوح بين 50 كيلوهرتز – 200 كيلوهرتز. وعندما ترتد الموجات فوق الصوتية يستقبلها المستقبل, حيث تقاس الفترة الزمنية لذهاب وإياب الموجة وبمعرفة سرعة الموجات فوق الصوتية في الماء يمكن معرفة عمق المياه في هذه المنطقة وتستعمل هذه الطريقة أيضاً للكشف عن أسراب السمك.


ب- فحص المعادن :
وذلك للكشف عن مواضع الصدوع والشقوق والفقاعات في المعادن وذلك بوضع مصدر الموجات فوق الصوتية ملاصقاً لسطح المعدن المراد فحصه, وتستقبل الحزمة المارة خلال المعدن من الجهة الأخرى المقابلة للمصدر ويقاس مقدار الامتصاص في طاقة الموجة ويتم فحص جميع أجزاء القطعة, فإذا ظهر اختلاف في مقدار الامتصاص الحاصل للموجات فوق الصوتية النافذة من المعدن فهذا يدل على وجود ثقب أو صدع ويمكن تحديد مكانه.
ج- في التعقيم والتفتيت والصقل :
عند مرور الموجات فوق الصوتية في سائل تزداد سرعة وتعجيل جسيمات الوسط المتذبذبة ونتيجة لذلك تحدث انقطاعات في اتصالات السائل تظهر وتختفي باستمرار وهذه الانقطاعات تمثل فقاعات بالغة الدقة. وعند اختفاء الانقطاع يحدث ارتفاع لحظي في الضغط يصل إلى آلاف المرات بقدر الضغط الجوي لذا تقوم بتفتيت ما يوجد في السائل من أجسام صلبة أو كائنات حية أو جزيئات . وبهذه الطريقة أيضاً يتم إزالة الدهون وطبقات الأكاسيد من سطوح الأجسام وتخريم الزجاج والسيراميك.
د- في الطب :
يستخدم المسح بالموجات فوق الصوتية في الطب للكشف عن وضع الجنين داخل الرحم وفي تشخيص أمراض القلب, حيث تستخدم موجات صوتية تردها ( 2 ميجاهرتز – 15 ميجاهرتز ) ويستخدم لهذا الغرض كاشف يمثل الباعث والمستقبل في آن واحد. حيث يبعث نبضة من الموجات الفوق صوتية ثم يستقبل الموجة المنعكسة . ويحدث الانعكاس عن سطح العضو المراد فحصه ( القلب , الكبد , الرحم ) . في حين أن العظام والعضلات والتي تحتوي على الهواء تمتص الموجات الفوق صوتية وبذلك تتكون صور لهذه الأعضاء. وعند فحص المرأة الحامل لا بد وأن تكون مثانتها مليئة, لأن الماء يساعد على اختراق الموجات فوق صوتية.
وتستعمل الموجات الصوتية أيضاً للتدليك وكذلك تدمير الخلايا السرطانية وتحطيم الحصى في الكلى.