ما هو محول بالموجات فوق الصوتية؟

أنواع محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية

محولات الاتصال

محولات الاتصال, تُعرف أيضًا باسم محولات الطاقة ذات الشعاع المستقيم أو محولات الطاقة الغاطسة, هي النوع الأساسي والأكثر استخدامًا لمحولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية. تحتوي محولات الطاقة هذه على سطح مستو أو منحني يتصل مباشرة بالمادة التي يتم فحصها. إنها تبعث موجات صوتية متعامدة مع السطح وتستقبل أصداء تنعكس من داخل المادة. محولات الطاقة الاتصالية متعددة الاستخدامات ويمكن استخدامها في تطبيقات مختلفة, مثل اكتشاف الخلل, قياس سمك, وتوصيف المواد.

محولات شعاع الزاوية

محولات شعاع الزاوية, حسب الاسم المقترح, تنبعث موجات صوتية بزاوية على سطح المادة التي يتم فحصها. تستخدم محولات الطاقة هذه إسفينًا أو منشورًا لتوجيه شعاع الصوت بزاوية محددة, مما يسمح باكتشاف وتقييم العيوب غير المتعامدة مع السطح. تُستخدم محولات الطاقة ذات الشعاع الزاوي بشكل شائع في عمليات فحص اللحام, رسم خرائط التآكل, وتحديد حجم العيوب في المكونات ذات الأشكال الهندسية المعقدة.

محولات الطاقة ثنائية العنصر

تتكون محولات الطاقة ثنائية العنصر من عنصرين منفصلين داخل مبيت واحد – أحدهما لنقل الموجات الصوتية والآخر لاستقبال الصدى. توفر عناصر الإرسال والاستقبال المنفصلة حساسية محسنة وتحكمًا أفضل في الإشارات المرسلة والمستقبلة. غالبًا ما تُستخدم محولات الطاقة هذه في التطبيقات التي تتطلب تصويرًا عالي الدقة أو اكتشاف العيوب الصغيرة, كما هو الحال في عمليات فحص الطيران والمكونات الحرجة.

محولات صفيف مرحلية

تعد محولات الطاقة ذات المصفوفة المرحلية نوعًا أكثر تقدمًا من محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية التي توفر تحكمًا دقيقًا في اتجاه وتركيز شعاع الصوت. وهي تتكون من عناصر فردية متعددة, ولكل منها دائرة تأخير إلكترونية خاصة بها. من خلال التحكم في توقيت وحجم الإشارات الكهربائية المرسلة إلى كل عنصر, يمكن لمحول طاقة الصفيف المرحلي توجيه شعاع الصوت, تغيير نقطة التركيز, وإنشاء أنماط تفتيش معقدة. وهذا يسمح بتحسين الكشف عن الخلل, التصوير, وإمكانيات التحجيم, صنع محولات الطاقة ذات الصفيف المرحلي مناسبة لمجموعة واسعة من التطبيقات, بما في ذلك الفضاء الجوي, توليد الطاقة, وصناعات النفط والغاز.

محولات الغمر

تم تصميم محولات الطاقة الغاطسة للعمل في البيئات السائلة, مثل خزانات الماء أو الزيت. تُستخدم محولات الطاقة هذه عادةً في اختبار الغمر, حيث تكون المادة المراد فحصها مغمورة في وسط سائل. توفر محولات الطاقة الغمرية اقترانًا ممتازًا بين محول الطاقة والمادة, ضمان كفاءة نقل واستقبال الموجات الصوتية. يتم استخدامها بشكل شائع لإجراء عمليات فحص عالية الدقة للمكونات المهمة, مثل شفرات التوربينات, مكونات الفضاء الجوي, وسفن المفاعلات النووية.

تطبيقات محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية

الاختبارات غير المدمرة (NDT)

يعد الاختبار بالموجات فوق الصوتية (UT) أحد طرق NDT الأساسية, وتلعب محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية دورًا حاسمًا في هذا المجال. يتم استخدامها لاكتشاف وتقييم العيوب, قياس سمك المواد, تقييم جودة اللحام, وفحص المكونات المختلفة مثل الأنابيب, لوحات, والمسبوكات.

التصوير الطبي

تُستخدم محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع في تقنيات التصوير الطبي مثل الفحص بالموجات فوق الصوتية. تقوم محولات الطاقة هذه بإصدار واستقبال موجات صوتية لإنشاء صور مفصلة للأعضاء الداخلية, مناديل, وتدفق الدم. أنها آمنة, غير الغازية, وتوفير قدرات التصوير في الوقت الحقيقي لأغراض التشخيص.

توصيف المواد

يتم استخدام محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية في عمليات توصيف المواد, مثل تحديد خصائص المرونة, قياس المعاوقة الصوتية, وتقييم جودة المواد. وهذا مهم بشكل خاص في صناعات مثل الطيران, السيارات, والتصنيع, حيث تعتبر سلامة المواد والأداء أمرًا بالغ الأهمية.

قياس المستوى والتدفق

يتم استخدام محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية في تطبيقات قياس المستوى والتدفق. عن طريق إصدار موجات صوتية وقياس الزمن الذي يستغرقه عودة الصدى, يمكن لمحولات الطاقة أن تحدد بدقة مستوى السوائل أو المواد الصلبة في الخزانات أو قياس سرعة السوائل في الأنابيب.

استشعار المسافة والقرب

تُستخدم محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية أيضًا لاستشعار المسافة والقرب في تطبيقات مختلفة. إنها تصدر موجات صوتية وتقيس الوقت الذي يستغرقه عودة الصدى, مما يسمح بقياسات دقيقة للمسافة واكتشاف الأشياء.

تصميم محول بالموجات فوق الصوتية

يعتمد تصميم محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية على التطبيق المقصود منه. على العموم, ويشمل المكونات التالية:

1. العنصر الكهرضغطي: العنصر الكهرضغطي هو المكون الأساسي لمحول الطاقة. إنها عبارة عن رقاقة رقيقة أو بلورة على شكل قرص مصنوعة من مادة كهرضغطية. عندما يتم تطبيق الجهد الكهربائي على العنصر, يخضع لتشوه ميكانيكي, تهتز عند تردد الموجات فوق الصوتية المطلوب.

2. المادة الداعمة: المادة الداعمة عبارة عن طبقة موضوعة خلف العنصر الكهرضغطي. يوفر الدعم الميكانيكي والتخميد للعنصر, تقليل الاهتزازات غير المرغوب فيها وتحسين أداء محول الطاقة.

3. طبقة المطابقة الصوتية: في بعض التطبيقات, تتم إضافة طبقة مطابقة صوتية إلى الجزء الأمامي من العنصر الكهرضغطي. تساعد هذه الطبقة على تحسين نقل الموجات فوق الصوتية من محول الطاقة إلى الوسط, تحسين كفاءة وأداء محول الطاقة.

4. الغلاف أو الغلاف: يتم وضع محول الطاقة عادةً في غلاف أو غلاف واقي. يوفر الغلاف الدعم الميكانيكي, الحماية من العوامل الخارجية, والعزل للتوصيلات الكهربائية.

يمكن أن يختلف تصميم وخصائص محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية وفقًا لمتطلبات التطبيق المحددة, مثل التردد, قوة, عرض الشعاع, والحساسية. أدى التقدم في تكنولوجيا محولات الطاقة إلى تحسينات في تطبيقات الموجات فوق الصوتية, تمكين قياسات أكثر دقة, التصوير, وإمكانات الكشف.