التأثير الميكانيكي فوق الصوتي

مقدمة

يُشير التأثير الميكانيكي فوق الصوتي إلى المصطلح العام للتأثيرات الميكانيكية المختلفة التي تنتج عن التفاعل بين الموجات فوق الصوتية والوسط أثناء انتشارها في الوسط. بشكل محدد، عندما تنتشر الموجات فوق الصوتية في الوسط، فإنها ستسبب اهتزاز الجزيئات في الوسط، وسينتج عن هذا الاهتزاز تأثيرات ميكانيكية مثل الازاحة، التشوه، التسارع، وما إلى ذلك.

الطاقة فوق الصوتية التي تؤثر على الوسط ستجعل الجسيمات تهتز قليلاً بسرعة عالية، مما يؤدي إلى تغييرات في الكميات الميكانيكية مثل السرعة، التسارع، الضغط الصوتي وشدة الصوت، وبالتالي يسبب التأثيرات الميكانيكية. الأمواج فوق الصوتية هي شكل من أشكال انتشار الطاقة الميكانيكية، وهي مرتبطة بعملية الموجة وستنتج تأثيرات اهتزاز خطي. عندما تنتشر الأمواج فوق الصوتية في الوسط، رغم أن حجم تحرك الجسيمات صغير جدًا، إلا أن تسارع الجسيمات الناتج عن الأمواج فوق الصوتية يكون كبيرًا جدًا.

إذا انتشرت موجات فوق صوتية ترددها 20 كيلوهرتز وشدة طاقتها 1 واط/سم² في الماء، فإن حجم الضغط الصوتي الناتج يكون 173 كيلوباسكال، مما يعني أن حجم الضغط الصوتي يجب أن يتغير بين الموجب والسالب 173 كيلوباسكال 20,000 مرة في الثانية، ويصل التسارع الأقصى للجسيمات إلى 1440 كم/ث²، وهو حوالي 1500 مرة تسارع الجاذبية. هذا النوع من الحركة الميكانيكية الشديدة والمتغيرة بسرعة هو تأثير الاهتزاز الميكانيكي للصوت الفوق صوتي ذو الطاقة العالية.

عندما لا يكون الوسط فوق الصوتي وسطًا طبقيًا موحدًا (مثل الأنسجة البيولوجية، الجسم البشري، وما إلى ذلك)، فإن اختلافات مقاومة الصوت لكل طبقة من الوسط ستتسبب في انعكاس الموجة الصوتية المنتشرة وتكوين موجة ثابتة. تسبب نقاط القصوى والنقاط العقدية للموجة الثابتة تغيرات في الضغط، الشد، والتسارع. نتيجة لاختلاف كتل الجزيئات المختلفة للوسط (مثل الجزيئات البيولوجية)، فإن سرعة الاهتزاز الناتجة عن تغير الضغط تكون مختلفة، وتغير الضغط الناتج عن الحركة النسبية بين جزيئات الوسط هو السبب الآخر لتأثير الميكانيكا فوق الصوتية. يستخدم التأثير الميكانيكي للأمواج فوق الصوتية في المعالجة (مثل الطَّرد، القطع، الضغط، تعزيز السطح، اللحام، التنظيف، التلميع وإزالة الأفلام غير المرغوب فيها والأوساخ، وما إلى ذلك)، كما يستخدم أيضًا لتسريع عمليات أخرى مثل التشتت، التجانس، التمثيل، التكسير، التعقيم، وما إلى ذلك.

بناءً على المبدأ

يعتمد مبدأ التأثير الميكانيكي للصوت فوق الصوتي بشكل أساسي على تأثير التجويف، وتأثير الاهتزاز الميكانيكي والتأثير الحراري الذي ينشأ عندما تنتشر الموجات فوق الصوتية في الوسط. يعني تأثير التجويف أن الموجات فوق الصوتية تولد مناطق ضغط سالب في السائل مما يؤدي إلى تكوين فقاعات صغيرة من الغاز أو البخار في السائل. تتسع هذه الفقاعات وتنهار بسرعة تحت تأثير الموجات فوق الصوتية، مما يولد قوة تأثير قوية. أما التأثير الميكانيكي للاهتزاز فهو يعني أنه عند انتشار الموجات فوق الصوتية في الوسط، تهتز الجسيمات في هذا الوسط. هذا الاهتزاز يولد قوة القص والضغط، مما يؤدي إلى تغيير الخصائص الفيزيائية للوسط. أما التأثير الحراري فهو يعني أنه عند انتشار الموجات فوق الصوتية في الوسط، فإن اهتزاز واحتكاك الجسيمات في الوسط يولّد حرارة، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الوسط.

مجالات التطبيق

1. التحريك الميكانيكي

يمكن للاهتزازات ذات التردد العالي وضغط الإشعاع فوق الصوتي أن يشكلا تحريكاً وتدفّقاً فعّالاً في الغاز والسائل. يمكن للتيارات القوية والتدفّق الدقيق المحلي الناتجة عن اهتزاز الفقاعات الكavitational على السطح الصلب أن تقلل بشكل كبير من التوتر السطحي والاحتكاك للسائل، وتدمير طبقة الحدود عند تقاطع السائل مع المادة الصلبة، مما يحقق تأثيراً لا يمكن تحقيقه بواسطة التحريك الميكانيكي ذو التردد المنخفض العادي. هذا التأثير هو الأساس الفيزيائي لتطبيق اختراق الأدوية، ودخول مستحضرات التجميل إلى الجلد، والتخلص من الغاز فوق الصوتي، وخلط وتكرير الأغذية ومستحضرات التجميل.

التداخل المتبادل

باستخدام تأثيرات الضغط والحرارة العالية الناتجة عن الاهتزاز فوق الصوتي والتآكل، يتم تعزيز النفاذ المتبادل بين الجزيئات في سائلين أو مادتين صلبتيْن، أو على واجهات سائل-صلب أو سائل-غاز لتكوين خصائص مواد جديدة. يمكن تصنيف اللحام فوق الصوتي للمعادن أو البلاستيك، التماسك فوق الصوتي، التنظيف، والتبخر ضمن هذه التأثيرات.

3. التجانس

يمكن للمسحوق الصوتي الناتج بعد إغلاق فقاعات التآكل أن يكسر الجسيمات في السائل ويجعلها دقيقة؛ يجعلystals متجانسة؛ يوزع القطرات غير المتجانسة الكبيرة في الإميلات إلى أدوية دقيقة ومتجانسة (مثل وكلاء التباين الطبي، وأدوية مكافحة السرطان، وما إلى ذلك)؛ وحتى يتضمن تأثير إذابة الجلطات الدموية.

4. التخثر

يمكن أن يجعل الاهتزاز فوق الصوتي الجزيئات المعلقة في وسط الغاز والسائل تتحرك بسرعات مختلفة، مما يزيد من فرصة التصادم؛ أو باستخدام الموجات الثابتة لجعلها تميل نحو النقطة العالية، مما يؤدي إلى حدوث عملية التكتل. يمكن تصنيف جمع غبار المداخن والأمطار الاصطناعية ضمن هذه الفئة.

5. القطع الميكانيكي

بسبب التسارع العالي للاهتزاز فوق الصوتي والتآكل الصوتي للفقاعات، يمكن معالجة المواد الصلبة والهشة (الأحجار الكريمة، السيراميك، الزجاج، الصلب المغناطيسي، إلخ) بدقة خاصة.

6. التكسير

باستخدام نبضات صوتية عالية الشدة، يمكن تكسير حصوات الكلى وحصوات المرارة في جسم الإنسان دون إتلاف الأنسجة الرخوة.

الخلاصة

التأثيرات الميكانيكية فوق الصوتية تُستخدم على نطاق واسع في الطب، والصناعة، والزراعة وفي مجالات أخرى. في المجال الطبي، يمكن استخدام التأثيرات الميكانيكية فوق الصوتية لتشخيص وعلاج الأمراض، مثل تحطيم الحصى باستخدام الموجات فوق الصوتية، وتنظيف الجروح بالموجات فوق الصوتية، وما إلى ذلك. في المجال الصناعي، يمكن استخدام التأثيرات الميكانيكية فوق الصوتية في عمليات التنظيف، واللحام، والتقطيع وغيرها. في المجال الزراعي، يمكن استخدام التأثيرات الميكانيكية فوق الصوتية لتعزيز نمو النباتات وزيادة إنتاج المحاصيل.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن للعملية الميكانيكية للصوت فوق الصوتي أيضًا أن تُليّن الأنسجة، وتُعزز الاختراق، وتحسّن التمثيل الغذائي، وتعزز الدورة الدموية، وتُحفّز الجهاز العصبي ووظائف الخلايا، وما إلى ذلك، لذلك له أهمية علاجية فريدة. على سبيل المثال، في العلاج الطبي بالصوت فوق الصوتي، يمكن للفعل الميكانيكي للصوت فوق الصوتي أن يُحفّز اختراق الأدوية وانتشارها ويعزز من فعالية الأدوية؛ وفي الوقت نفسه، يمكنه أيضًا تحفيز نفاذية أغشية الخلايا وتعزيز التمثيل الغذائي وإعادة تكوين الخلايا.

بالمختصر، فإن التأثير الميكانيكي للصوت فوق الصوتي هو المصطلح العام للتأثير الميكانيكي الناتج عندما ينتشر الصوت فوق الصوتي في وسط ما. لديه نطاق واسع من التطبيقات وأهمية علاجية فريدة في العديد من المجالات.