أساسيات الموجات فوق الصوتية
- 2. التوازنبينالجمودوالمرونةتطورالىوجودعالقةبين خطيةσاإلجهاد، الجسيم وسرعةσ
= ZV.التناسب عامل ويسمىZالصوتية فوق للموجات المحددة الصوتية بالمقاومة[6][13]
(1) z = σ/v = ρc
أن حيثρو الكثافة هىcالموجة سرعة هى
لألهتزاز المادة قدرة تميز الصوتية المقاومةتحتالقوةعليها المطبقةيمكن وكمقاومة اعتبارها
للموادمرور منالموجاتفوقهناك . الصوتيةتشابهبينالمقاومةفيالدوائرالكهربائية
والمقاومةالصوتية.فالمقاومةالصوتيةهيمفيدةانتقال مع للتعاملالموجاتفوقالصوتيةبين
،مختلفين وسطينلتميز فعالة الكهربية المقاومة يعتبر الطريقة بنفس تماماالمقاومةفيدائرة
متغير.,على تياركهربىسبيل،المثالنقلعلىالموجاتفوقمن الصوتيةوسطإلىآخريصل
للحداألقصىعندماالمقومات تتساوىمفهوم يلعب . للوسطين الصوتيةدورا الصوتية المقاومة
هامافيتحديداألنتقالفي واالنعكاس الصوتيحدودوسطينيمتلكونخصائصماديةمختلفة
،وبالتاليفإنمقاومةالصوتيةمنالمعالمالمهمةفيأجهزة تصميماالستشعارونظماالستشعار
بالموجاتفوقالصوتية
( الشكل فى1)الموجاتفوقالصوتيةالمنتشرةعبرالموادمبينإزاحة هيئة على ببساطة ة
للطبقاتمنموضعتوازنهاوسعتهابشكل اإلزاحة تتغير , ثابت موقع فى .sinusoidallyمع
الوقتtحيثالوقتالالزمللألنتشار لموجةبينالحدودالقصوىالمتتاليةهيالفترةtفيأي
وقتيقلسعةاإلزاحةبصفةدوريةمعزيادةالمسافةاالنتشاروبسببالتخفيفمنقبلالمواد.
المسافةبينالحدودالقصوىالمتتاليةفيتباينالسعةيساويطولالموجةλ.
مالمحالموجاتفوقالصوتية
منالمهمأننفهمسلوكوخصائصالموجاتفوقالصوتيةالوسط فى،فلتصميمأجهزة
االستشعاربالموجاتفوقالصوتيةوتطويرأنظمةاالستشعاربالموجاتفوقالصوتية.يتم
إدخالبعضالمالمحاألساسيةللموجاتفوقالصوتيةهنا.
أنواعالموجات(طرقاألنتشار)
ماهيأنواعالموجاتفوقالصوتيةالتىيمكنأنتوجد؟الجوابعلىهذاالسؤاليمكنفي
األساسأنيعطىمنحلولمعادلةالموجةالتيتتوقعسلوكياتالموجةمنخاللإظهارأن
خصائصالموادوشكلالجسمتملياستجابةتذبذبيةللقوىالمطبقةالتيتدفعحركةالموج.ة
تفاصيلعنأنواعالموجةيتمالحصولعليهامنخاللحلمعادلةالموجةوخالل من
خصائصهاوتظهرفي[1]-[7.]،وباختصارهناكنوعانمنالموجاتفوقالصوتية
الموجاتالسائبة(الموجاتاألساسية)التيتنتشرداخل،الجسموالموجاتالموجهةالتيتنتشر
بالقربمنالسطحأوعلىطولواجهةالجسم[4]-[7]الموجاتالتيتنتشربالكاملداخل
الجسم،مستقلةعنحدودهاوشكلها،وتسمىموجات) (كبيرة سائبة.نوعينمنموجاتالسائبة
يمكنأنتوجدفي: االيزتروبى الوسطالطولي(تنافسية أو،الضغطية،االبتدائية)،والقصية
- 4. السرعة
سرعة تعدالموجاتفوقالصوتيةربماالمعياراألكثرأهميةواستخدامافيتطبيقاتاالستشعار
بالموجاتفوقالصوتية.كلوسطلهقيمةالخاصةمنالسرعاتالذيتعتمدعادةعلىليس
فقطالموزع الوسطولكنأيضاالشكلالهندسيوهيكلها.ويمكنالحصولعلىالقيمالنظريةمن
معادلةالموجةوتحددعادةعنطريقخصائصال الوسطمرنةوكثافته.علىسبيل،المثال
معادلةالموجةلتعطى الخواص سوى صلبالصيغالبسيطةالتاليةو الطولية الموجات لسرعات
القصية.
حيثvl , vsالقصية و الطولية الموجات سرعاتو التوالى علىEهومعامل،يونجνهو
نسبة،بواسونGهومعاملالقصوρهيالكثافة.بالنسبةلمعظمالموادالصلبةسرعةالموجة
طوليةأسرعمنسرعةموجةالقصألنمعاملالقصأقلمنمعامليونغ.ويالحظأننسبة
بواسونليستمؤثر مهيمن عاملعلىالسرعات.وكقاعدةعامة،سرعةموجةالقصهوما
يقربمننصفال سرعةموجةطولية.علىالرغممنأنالسرعاتيمكنتحديدهانظرياإذا
كانتخصائصالموادمثلمرونةمعامالتالرجوعيةوالكثافةمعروفةعلىوجه،التحديدهذه
الخصائصالماديةليستمتوفرةدائماللتحديدألنهاتغييرتبعاوالمعالجة الميكانيكية للعمليات
بالحرارة.،ولذلكمنالمهمومنالضروريإجراءقياسالمعايرةللسرعاتعنديريد ما
الواحدأنيعرفالقيمالصحيحةللسرعات.
التوهين
عندماتنتشرموجةفوقصوتيةمنخاللوس،طتوهينالموجاتفوقالصوتيةيسببهفقدان
الطاقةفيالموجاتفوقالصوتيةوغيرهاويمكنالنظرإلىتوهينالموجاتكنقصفياتساع
الموجة.هناكبعضالعواملالتيتؤثرعلىالسعةوالشكلالموجيللموجاتفوق،الصوتية
مثلانتشارشعاعالموجاتفوقالصوتية،وامتصاص،الطاقة،التشتت،استقامةنقلفي
،واجهاتونثرمنقبلاالدراج،والعيوبوتأثيردوبلروغيرهم.لتوصيفتوهينالموجات
فوقالصوتيةكميايعرفمعاملالتوهينαعلىالنحوالتالي
حيثAهوذروةسعةالموجةفيالمسافةالسينيةالموزعة،A0هوذروةالسعةاألولية.و
معاملالتوهينαيحددتجريبيامناختالفذروةالسعةمعانتشا،رالمسافةوأنهيمكنأن
تعطىشكل علىديسيبللكلمتر(ديسيبل/م)أوفينيبير شكلمتر لكل(NP/م.)بشكل
- 5. عام،معاملالتوهينيعتمدإلىحدكبيرعلىالتردد.وبماأنهذااالعتمادالترددىيعكس
ال البنيةمجهرية،للموادويمكناستخدامهلوصفخصائصالموادالمجهريةالمتعلقةبالتفاعالت
الكيميائيةوالعملياتالميكانيكية.مزيدمنالمعلوماتعلىالتوهينيمكنالحصولعليهافي
المراجع[ .7[ ]9[ ]12[ ]10[ ]11.]
الموجى الطول
الطولالموجيλهوالمسافةخاللها من كملت التىدورةمكانيةواحدةللموجةويمكنإعطاء
التعبير،التالي
(5)λ=v/f
حيثvهيسرعةالموجاتفوقالصوتيةوfهوالتردد.الطولالموجيمعيارمفيد هوفي
مجالاالستشعاربالموجاتفوقالصوتيةوالتقييمات.فيالكشفبالموجاتفوقالصوتيةلجسم
،صغيريجبأنيكونأصغرحجميمكنأنيتمالكشفعنهبوضوحأكبرمننصفالطول
الموجيفياألولى التردد.إذاكانالحجمالحرجلجسمحتىيكشف،معروفتلك مثل
المعلوماتالسابقةهيمفيدةالختيارترددمناسبةللقياسات.
األننتقال و األنعكاس
عندأرتطام يتمالموجاتفوقالصوتيةعمودياعلىالواجهةبينوسطينكماهومبينفي
شكل0وينعكسجزءمنالموجةإلىالوسط1والباقيينتقلإلىالوسط0.النسبةس بينعة
الموجةالمنعكسةARالساقطة الموجة الموجة بسعة مقارنةAIيسمىمعاملاالنعكاسRوالنسبة
س بينعةالموجةالمنتقلةATالساقطة الموجة الموجة بسعة مقارنةAIاألنتقال معامل يسمى
بالنظرإلىالضغوطواستمراريةالسرعاتعلىجانبيال،واجهةوانعكاسونقل،معاملRوT
يمكنأنيكونعلىالنحوالتالي
حيثالحروفالسفلية1و0تشيرإلىالوسط1و0على،التواليوzهىالمقاومةالصوتية
التيتعرفبأنهاالمعادلة( .1.)يمكنالنظر منإلىهذهالمعادالتأننقلأنالحداألقصى
لألنتقالمنالموجاتفوقالصوتيةيحدثعندماالوسطين مقاومات يكون،متطابقةوينعكس
معظمالموجاتفوقالصوتيةعندمايكونالوسطين مقاوماتمختلفةجدا.األنعكاسواألنتقال
فيواجهةتلعبدوراهامافيتصميمأستشعار نظمالموجاتفوقالصوتيةوفهمالنتائج
التجريبيةمعأنظمةالموجاتفوقالصوتية
- 6. وسطين بين الواجهة فى األنتقال و العمودى األنعكاس
االنكسارووضعالتحويل
عندمااعتداءالموجاتفوقالصوتيةبشكلغيرمباشرعلىواجهةوسطينكماهومبينفي
شكل1،العديدمناألشياءيحدثتبعاالسقوط لزاويةبال الخاصةموجةفضالعنالخصائص
الماديةللوسطين.واحدةمناألمورالهامةهواالنكسارزاوية المنتقلة للموجة فيه يحدث حيث
السقوط زاوية غير أخرى.ويتسبباالنكسارفياألساسمنقبلالسرعة فرقعلىجانبي
الواجهة.زاويةاالنكساريمكنأنتحسبمنقانوناالنكسار)سنيل (قانون[19]إذاكانت
سرعةالوسطينوزاويةالسقوط. معروفةظاهرةمهمةأخرىهيتحويلالوضعالذيهو
جيلمننوعال من محددموجةلنوعآخرفياالنكساركماهومبينفيالشكل.1.علىسبيل
،المثالسقوطموجةطوليةعلىواجهةبينالسائلوالصلبتنكسرجزئياكموجةطوليةو
جزئياوضعيا محولة قصية كموجةفيالصلب.يمكناألنعكاس فى يحدث ان الوضع لتحويل
إذاكانال السائلمبينفيالشكل1صلب.لوحظأنأينوعمنأنواعالموجاتيمكنتحويلها
إلىنوع،آخرعلىسبيلالمثالمنموجةقصيةإلىموجة،طوليةومنموجةطوليةعلى
سطحية موجةزواياانعكاسو/أواالنكسارعنطريقوضعالتحويليتمحسابهامنقانون
االنكسار) سنيل (قانون.ويبينالشكل4نتيجةمحاكاةلالنكساروال وضعتحويل،وتحسبعلى
طريقةالفرقالمحدود.يمكنناأننرىأنساقطة سطحية موجة(موجةطولية)ل12ºفى
الماءعند تنكسرزاويةاالنكسارل41ºفيالصلبويتمتحويلهاإلىموجةقصيةفينفس
الوقتزاوية عنداالنكسار00º.