بخشی از مقاله
چکیده
اندازهگیري ویژگی هاي یک محیط ناهمگن نظیر خاك از اهمیت ویژهاي برخوردار است. از آنجا که خصوصیات امواج فراصوتی مانند سرعت حرکت و میرایی به محیطی که از آن عبور میکنند، بستگی دارد، بنظر می رسد آزمونهاي غیر مخربی نظیر استفاده از امواج فراصوتی، می تواند در تعیین خصوصیات خاك بکار گرفته شوند. بدین منظور سامانه ویژه امواج فراصوت طراحی و ساخته شد. این سامانه که از قسمتهاي مختلف تشکیل شده، قادر است امواج فراصوت را از داخل خاك عبور داده و پس از عبور از خاك توسط گیرنده اي دریافت و توسط رایانه تجزیه و تحلیل کند.
در مقاله حاضر ضمن تشریح طراحی و ساخت مدار مزبور، سرعت عبور امواج و میرایی آنها در دو سطح بسامد 75-kHz و 125-kHz و دو سطح ولتاژ 900Vp−p و 1800Vp−p در نمونه هاي استوانهاي خاك به قطر 5/5 سانتی متر و با ارتفاع 1/5، 4 و 8 سانتی متر مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که سرعت عبور موج در تمامی نمونهها تقریبا یکسان بود، که بیانگر شرایط یکسان و یکنواخت نمونه هاي تهیه شده از خاك مورد آزمایش بود. اما میزان تضعیف یا میرایی امواج متفاوت بود.
با تغییر ولتاژ از 900 به 1800 ولت، به غیر از نمونه 4 سانتی متري در بسامد 125-kHz، در سایر نمونه ها با تغییر ولتاژ ، میزان تضعیف امواج متفاوت بود. لذا می توان گفت که امواج فراصوت با وجود تخلخل فراوان خاك و تضعیف زیاد امواج، میتواند تحت شرایطی از جمله ولتاژ تحریک بالاي مبدل فرا صوت و ضخامت کم لایه خاك، از خاك عبور کند و امکان تعیین خصوصیات خاك در شرایط مختلف به کمک امواج فراصوت وجود دارد.
مقدمه
خاك به عنوان محیط کشت همواره مورد توجه کارشناسان و کشاورزان بوده است. خاك باید محیط مناسبی را براي جوانه زنی و رشد گیاه فراهم آورد. در این بین اندازه گیري خصوصیات خاك نقش مهمی در مدیریت خاك و ایجاد محیط مناسب براي گیاه و جلوگیري از شرایط نامناسب دارد. خصوصیات خاك نه تنها در سطح و عمق بلکه در طول زمان نیز دچار تغییر میگردد - لغوي، . - 1382 خاك یک محیط غیر همگن سه فازي - جامد، مایع و گاز - میباشد که هرکدام از این فازها و اثرات متقابل آنها خصوصیات خاصی را به خاك میدهند که با زمان و مکان تغییر میکند - غازانشاهی، . - 1374 بنابراین اندازهگیري خصوصیات خاك در طول دوره آماده سازي و همچنین در طول دوره رشد گیاه بصورت بلادرنگ1 و بدون تخریب خاك ضروري به نظر میرسد.
در این میان آزمونهاي غیر مخرب2 نوید بخش این راه هستند. آزمونهایی غیر مخرب هستند که اثرات مخرب فتوفیزیکی، حرارتی، شیمیایی، مکانیکی و فتو شیمیایی بر روي نمونه نداشته باشند - نیکبخت و همکاران، . - 1387 آزمونهاي فراصوتی یکی از این موارد است. امواج فراصوتی3 براي عبور نیاز به محیطی مادي دارند که بدست آوردن اطلاعات داخلی محیطی مزبور امکان پذیر است. امواج فراصوت در حین عبور مقداري منعکس میشود و مقداري نیز از نمونه عبور میکند. به همین دلیل دو روش در اندازهگیريهاي آزمون فراصوتی استفاده می شود:
الف - روش انعکاسی که موج انعکاس یافته از محیط تجزیه و تحلیل میشود. در این روش میتوان از یک کاوشگر4 فراصوت استفاده کرد.
ب - روش عبوري که در این روش از امواج عبور کرده از محیط استفاده می شود. در این روش نیاز به دو کاوشگر فراصوت یکی به عنوان فرستنده و دیگري به عنوان گیرنده در دو طرف محیط قرار می گیرد. شاخصهایی که از امواج فراصوت مورد استفاده قرار میگیرد عبارتنداز: ضریب انعکاس، ضریب شکست، میزان تضعیف - میرایی - ، سرعت امواج، جابجایی بسامد و غیره. براي محصولات کشاورزي معمولا به روش عبوري و از دو شاخص سرعت عبور و میزان تضعیف امواج استفاده میشود - ذکی و همکاران، . - 1387 تاکنون مطالعات متعددي در زمینه محصولات کشاورزي انجام گرفته است. اسحقبیگی و رقامی، - 2009 - از میرایی امواج فراصوت براي تشخیص سیبزمینی سالم از ناسالم استفاده کردند. ذکی و همکاران، - 1387 - سامانهاي جهت اندازهگیري کیفیت امواج گذرنده از محصولات کشاورزي ساختند. Mack و - 1966 - Brach، با استفاده از انرژي فراصوت توانستند رطوبت خاك را اندازهگیري کنند.
نتایج آنها نشان داد که فرکانس 114 مگاسیکل بر ثانیه بهترین برازش رطوبت خاك را به صورت خطی و با r 2 0.95 به همراه دارد. مطالعاتی نیز در مورد عبور امواج در محیطهاي مشابه خاك مانند سرامیک متخلخل Kasap - و همکاران، 1994 و Craciun و همکاران، - 1998 و همچنین در مورد سیمان، Ohdaira - و Masuzawa، - 2000 انجام شد. در این تحقیقات با استفاده از سرعت عبور امواج و میزان تضعیف دامنه توانستند رطوبت، کشش ماتریک5 و تخلخل خاك را اندازهگیري کنند. با توجه به اینکه اطلاعات موجود در زمینه اندازه گیري خصوصیات صوتی خاك بسیار ناچیز بوده و دادههاي روشن و مشخصی در این زمینه وجود ندارد، در تحقیق حاضر ضمن تشریح چگونگی طراحی و ساخت سامانه فراصوت، چگونگی اثر عبور امواج فراصوت بر روي نمونههاي خاك اندازه گیري شد.
مواد و روشها
تعیین ویژگیهاي امواج فراصوت بمنظور بکارگیري امواج فراصوت نیاز به اندازهگیري ویژگیهاي موج فراصوتی گذرنده از خاك میباشد. مهمترین پارامتر مورد اندازهگیري در حوزهي زمان و میرایی، سرعت امواج و نوسانات سیگنال عبوري می باشد. این دو خاصیت مهم را به طور خلاصه، سرعت امواج و ضریب تضعیف نامند - ذکی و همکاران، . - 1387 سرعت انتشار امواج فراصوت، تابعی از پارامترهاي فیزیکی محیط است و از محیطی به محیط دیگر تغییر می کند - امینیان، . - 1363 به دلیل ناهمگن بودن و وجود فازهاي مختلف خاك، تعیین سرعت امواج فراصوتی به صورت تحلیلی مشکل است.
