برهم کنش موج یا تداخل امواج

قبل از این که سراغ قسمت بعدی برویم، موضوع برهم کنش موج (تداخل امواج) باید مورد بحث قرار گیرد، چرا که این موضوع در هنگام فهم عملکرد مبدل فراصوتی مهم است. در قسمت‌های قبلی انتشار موج با فرض این که موج به صورت یک موج سینوسی منفرد که درون ماده حرکت می‌کند، مورد بحث قرار گرفت. اما صوتی که از یک مبدل فراصوتی ساطع می‌شود از یک نقطه‌ی منفرد سرچشمه نمی‌گیرد بلکه به جای آن از نقاط متعددی در امتداد سطح عنصر پیزوالکتریک (Piezoelectric) سرچشمه می‌گیرد. چنین چیزی منجر به تولید یک میدان صوتی با موج‌های متعددی که در حال بر هم کنش بر یکدیگر یا در حال تداخل با یکدیگر هستند، می‌شود. (پیزوالکتریک ویژگی برخی از کریستال‌هاست که به هنگام اعمال ولتاژ به آن‌ها، تحت فشار قرار می‌گیرند. یا به هنگام قرار گرفتن در معرض فشار الکتریکی یک ولتاژ تولید می‌کنند).
هنگامی که موج‌ها به صورت متقابل بر یک دیگر اثر می‌کنند روی یکدیگر قرار می‌گیرند و دامنه‌ی فشار موج یا جا به جایی ذره در هر نقطه ای از این بر هم کنش برابر مجموع دامنه‌ی این دو موج می‌باشد. ابتدا اجازه دهید به دو موج کاملاً برابر که از یک نقطه سرچشمه می‌گیرند نگاهی بیندازیم. هنگامی که آن‌ها هم فاز هستند (In Phase) (به طوری که قله‌ها و دره های یک موج دقیقاً هم طراز موج دیگر باشد)، با هم دیگر ترکیب می‌شوند و میزان جا به جایی را که هر کدام از موج‌ها به صورت جداگانه داشتند، حالا دو برابر می‌کند. هنگامی که این موج‌ها کاملاً نا هم فاز ( Out of Phase) (به طوری که قله های یک موج دقیقاً هم طراز دره های موج دیگر باشد)، آن‌ها با یک دیگر ترکیب می‌شوند و اثر یکدیگر را خنثی می‌کنند. هنگامی که دو موج کاملاً هم فاز یا نا هم فاز نباشند، موج جدید حاصل جمع دامنه های امواج برای تمام نقاط در امتداد موج می‌باشد.



هنگامی که مبدأ دو موج بر هم اثرکننده یکسان نباشد مجسم سازی اثر متقابل این موج‌ها بر یکدیگر کمی سخت است. اما قاعده‌ی آن مثل قبل است. تا اینجا ما موج‌ها را عمدتاً به صورت طرح‌های دو بعدی که دامنه و مکان موج را در برابر هم قرار می‌داد، نگاه کردیم.
اما هر کس که چیزی را درون آب یک استخر انداخته باشد می‌تواند موج‌هایی را که از منبع با جبهه‌ی موج دایره ای شکل حرکت می‌کنند را تصور کند. اگر دو جسم با فاصله‌ی کوتاهی از هم دیگر و به صورت جداگانه درون استخر آب انداخته شوند موج‌های آن‌ها شروع به ساطع شدن از منبعشان می‌کنند و بر یکدیگر اثر متقابل می‌گذارند. در هر نقطه ای که موج‌ها بر هم اثر می‌کنند دامنه‌ی جا به جایی ذره برابر مجموع دامنه های جا به جایی ذره برای هر کدام از موج‌ها به صورت جداگانه می‌باشد.
در یک مبدل فراصوتی امواج از سطح مبدل با جبهه‌ی موج دایره ای شکل منتشر می‌شود.اگر امکان آن وجود داشت که امواج از یک نقطه‌ی منفرد از سطح مبدل خارج شوند، میزان صوتی همانند چیزی که در شکل می‌بیند، به نظر می‌آمد. مناطق با رنگ روشن‌تر مناطقی هستند که دارای تراکم کمتر هستند و مناطق تیره مناطق متراکم‌تر هستند.

اما همان طور که قبلاً بیان شد امواج صوتی از نقاط چندگانه ای درامتداد سطح مبدل نشأت می‌گیرند. تصویر زیر نشان دهنده‌ی شکل میران صوتی در هنگامی است که امواج از دو نقطه منتشر شوند.

می‌توان مشاهده کرد در مناطقی که امواج بر یکدیگر اثر می‌کنند، تداخل‌های فزاینده و تداخل‌های کاهنده داریم. نقاطی که در آن تداخل‌های فزایند داریم، اغلب با نام گره (node) نامیده می‌شود. البته در امتداد سطح مبدل بیشتر از دو نقطه به عنوان چشمه‌ی صوت وجود دارد. تصویر زیر نشان دهنده‌ی پنج نقطه‌ی ایجاد صوت می‌باشد.

می‌توان مشاهده کرد که در نزدیکی سطح مبدل نوسانات یا گره های متعددی وجود دارد و میدان صوتی بسیار ناهموار است. در آزمایش فراصوتی این منطقه به عنوان میدان نزدیک (منطقه‌ی نزدیک) یا منطقه‌ی فرسنل (Fresnel Zone) نامیده می‌شود. میدان صوتی در مناطق دورتر از مبدل و در میدان دور یا منطقه‌ی فرانهوفر (Fraunhofer Zone) یکنواخت‌تر است. در مناطق دورتر از مبدل باریکه‌ی موج بر اساس الگویی که از مرکز مبدل نشأت می‌گیرد، گسترش می‌یابد. باید به این نکته توجه کرد که حتی در میدان دور نیز جبهه‌ی موج یکنواختی وجود ندارد، اما در برخی فواصل از سطح مبدل و در قسمت مرکزی سطح مبدل میدان موج یکنواخت و شدیدی ایجاد می‌شود. انحنای منطقه ای که از آن صوت تولید می‌شود، سرعتی که با آن صوت درون یک ماده حرکت می‌کند و فرکانس صوت، همگی بر روی میدان صوت اثر می‌گذارد.