الموجات فوق الصوتية وعلاقتها بالاثار
الموجات فوق الصوتية وعلاقتها بالآثار ..
Ultrasonic Waves
تقاس قوة الموجات بوحدة تسمي هيرتز ،
ومعروف أن الاذن البشرية تستقبل الموجات الصوتية في المنطقة الواقعة بين 20 هيرتز و 20 كيلو هيرتز
أما عند الحيوانات فإن بعضها ينتج موجات فوق صوتية قد تصل إلي 140 كيلو هيرتز مثل الاسماك او 100 كيلو هيرتز مثل الخفاش ،
وذلك يساعد الحيوان أن يصدر تلك الموجات في الفراغ المحيط فإذا ما اصدمت بجسم فإنها ترتد آلية مكونة صورة دقيقة لحجم هذا الجسم الواقع في نطاق تلك الموجات الفوق صوتية ،
وهي بذلك تعتبر العين التي يري بها الحيوان ،
وبالتالي كان استخدام موجات الترا سونيك في كثير من التطبيقات العملية سواء المدنية أو العسكرية ،
وهذا مانراه في أجهزة السونار في السفن الحربية التي ترسل تلك الموجات للكشف عن المناسيب المختلفة لتضاريس قيعان البحار او الكشف عن الألغام البحرية ،
كذلك في التطبيقات الطبية كما هو معروف لنا ،
وكذلك تستخدم بصورة واسعة في التطبيقات الجيولوجية للكشف عن المعادن في باطن الارض،
وكذلك في عمليات تعقيم الاثار العضوية وغيرها من التطبيقات الأخري ،
وما يهمنا هنا هو استخدامها التطبيقي في مجال الاثار ولكن قبل أن نتطرق إلي ذلك لابد أن نعرف تأثير الموجات الصوتية المحصور بين مجال 20 هيرتز الي 20كيلو هيرتز ،
وهذا هو المجال الصوتي لاذن الإنسان وبالتالي لابد أن نعرف ميكانيزم هذه الموجات ..
التاثير الميكانيكي للموجات الصوتية علي الاثار الحجرية ..
معروف لدينا أن الموجات الصوتية تنتقل بسرعة كبيرة في الفراغ الكوني كما ينتقل الصوت بسرعة أكبر خلال السوائل والأجسام الصلبة. و سرعة الصوت تزداد مع الحرارة،
و تقدّر سرعة الصوت في وسط هوائي عادي جاف في درجة حرارة (20 °C 68 °F) ب 343 متر في الثانية، أو (1,125 قدم/ثانية). أو ما يساوي 1235 كيلومتر في الساعة(768 ميل/الساعة)، أو ميل واحد في كل خمس ثوان.
وهذا يعني أن تعرض اي جسم صلب لموجات صوتية تصل إلي 1200كيلومتر /ساعة فإنه يتأثر بشكل مباشر بهذا الاصطدام الكبير ولذلك ،
اذا وصلت سرعة الصوت الي هذا الحد في مكان مغلق فإنه يؤدي إلي حدوث انفجار ضخم لهذا الحيز المحيط لتلك الموجات ،
ومن هنا يجب أن ننتبه الي تأثير تلك الموجات علي الاثار بشكل عام ،
وخصوصا تلك الاثار الحجرية الحاملة النقوش والزخارف اللونية , مع الاخذ في الاعتبار الحالة الضعيفة والهشة لتلك الأسطح الحجرية التي تعاني من ارتفاع نسبة الرطوبة الناتجة عن ارتفاع المياة تحت سطحية والتي أدت إلي تكون طبقات ملحية وانهيار بنية الحجر الشبكية وبالتالي ،
عند اصطدام تلك الموجات بسطح الحجر فإنها تقضي علي الطبقة السطحية تماما و يزداد التاثير داخل الحجر طبقا لزيادة سرعة الصوت داخل الوسط الصلب والسائل ،
ولهذا يجب أن نهتم في دراستنا بتلك التأثيرات الموجات الصوتية مثلما كان الاهتمام بعمليات التلف الضوئي الفوتوكيميائي الموجات الضوئية
موجات الالتراسونيك Ultrasonic Waves..
وكما ذكرنا فإن هذه الموجات تقع في النطاق اعلي من 20 كيلو هيرتز وهذه الموجات لها تأثيرات ثلاثة وهي :
فيزيائية كيميائية
حرارية
ميكانيكية ..
نذكر منها الموجات الميكانيكية
الموجات الميكانيكية ..
يمكن تعريف تلك الموجات بأنها عبارة عن مجال مغناطيسي غير مرئي ينتج عن اهتزاز جسم ما يؤدي إلي ظهور موجة مغناطيسية تسبح في الفراغ وتختلف سرعتها وتأثيراته من وسط مادي الي اخر وتزداد سرعتها في الوسط الصلب والسائل عن سرعتها في الهواء ،
وينشأ المجال المغناطيسي في صورة موجبة أما بشكل طولي او شكل عرضي حسب وجود المصدر ،
ويصاحب هذه الموجات طاقة هائلة من الضغط تختلف حسب القوة المغناطيسية الطول الموجي ،
تداخل الأمواج الصوتية ..
لا يمكن لجسمين أن يتداخلا ويحتلان مكاناً واحداً في نفس الوقت. وبناءً على مبدأ جمع الأمواج، يمكن لعدة أمواج متلاقية في نقطة أن تتداخل فيما بينها، وقد يكون التداخل إما
تداخل بناء
تداخل هدام
و بشكل عام يكون التداخل بناءً إذا كان الفرق في طول المسار لموجتين متلاقيتين في نقطة يساوي عدداً صحيحاً من طول الموجة.
حيود الموجات
الحيود هو تغير في مسار حركه الموجه او انحناؤها عند مرورها في فتحه ضيقه بالنسبه لطولها الموجى اى عندما تكون ابعاد الفتحه مقاربه لطولها الموجى او عند مرورها بحافه حاده في نفس الوسط عادة ما يسمع في كثير من الحالات الصوت قادما من مصدر ما خلف الجدار، وهذا يدل على أن الأمواج الصوتية تلتف حول المعيقات.
و يلاحظ عادةً انحرافا يحصل لأمواج الماء عندما يتعرض مسارها معيق بفتحة ضيقة، ويتناسب مقدار الانحراف الحاصل في الموجات على الطول الموجي لها ومقدار الفتحة في المعيق.،
وهذه التأثيرات الميكانيكية هي التي يتم تطويعها في الأجهزة المختلفة الخاصة بالموجات الصوتية للكشف عن المعادن
ويدرسها فرع من الفيزياء يعرف باسم فوق الصوتيات ultrasonics. تولِّد مولدات الأمواج فوق الصوتية الحديثة أمواجاً يبلغ تواترها بضعة جيجا هرتز (1GHz = 109 Hz)، وذلك عن طريق تحويل تيارات متناوبة عالية التواتر إلى اهتزازات ميكانيكية. ويتم عادة الكشف عن هذه الأمواج باستخدام بلورات كهرضغطية piezoelectric أو بوسائل ضوئية، حيث يمكن بالإفادة من انعراج الضوء جعل هذه الأمواج مرئية. ويبين الشكل (1) دارة إلكترونية صمامية تستخدم لكشف الأمواج فوق الصوتية، وفيها تظهر بلورة Q مولَّفة بحيث تتحسس بتواتر اهتزاز الموجة فوق الصوتية المطلوب كشفها، وهي تتصل بشبكة صمام ثلاثي المساري. ويتصل مصعد الصمام بجهد مستمر عالٍ عبر مقاومة R فتظهر بين طرفيها إشارة خرج الصمام، أي إشارة الكشف مكبَّرة، ثم تمرَّر عبر مكثفتين C1 و C2 إلى مربطين A و B فجهاز قياس مناسب. ويتضح دارة إلكترونية حديثة لكشف الأمواج فوق الصوتية وتحويلها إلى صوت مسموع.
وبالتالي :
فانه عن طريق التحكم في الاطوال الموجبة ومن خلال سرعة الصوت التي تبلغ 1200كيلومتر /ساعة فإن أي جهاز يتم تصنيعة ينتج طاقة تعادل هذا الرقم فإنه قادر علي التأثير المباشر علي الأسطح او الأجسام التي تعترض طريقة وبالتالي
من اليسير أن تستخدم أجهزة الالتراسونيك في عمليات التنظيف الميكانيكي للاسطح المعدنية بنفس أسلوب نبضات الليزر التي نستخدمها في تقنية إزالة السناج من علي الأسطح الأثرية وكذلك إجراء عمليات التنظيف الميكانيكي للمعادن الصدئة مثل العملات حيث تستطيع هذه الموجات فوق صوتية في إزالة طبقات الصدا ولكن يراعي المعرفة التامة بكمية الطاقة الناتجة من الجهاز حتي يكون التاثير مضمون .
كيفية الاستفادة من تقنية الالتراسونيك في حقل الاثار ..
تستخدم الأجهزة التي تعتمد هذه التقنية في عمليات المسح الأثري والجيولوجي للكشف عن الاثار المعدنية وذلك من خلال تأثر أجهزة الاستشعار ذات الترددات الصوتية باصدامها بالاجسام المعدنية
و تختلف المعادن فيما بينها من حيث اللون والشفافية والبريق، لذا يؤثر ذلك في قيمتها المادية والمعنوية لدى الإنسان؛ ونظراً لذلك فإنّ الإنسان يسعى جاهداً للكشف عن أماكن وجود الثمين منها كالذهب مثلاً، أو من أجل حماية نفسه بالكشف عن وجود أسلحة أو ألغام تُلحق الضرر به والتخلص منها قبل فوات الأوان، فأقدم على اتباع طرق متعددة للكشف عنها ومنها جهاز الكشف عن المعادن والذي سنتحدث عنه في هذا المقال بالتفصيل. جهاز كشف المعادن يعتبر جهاز كشف المعادن جهازاً كهربائياً له قدرة عالية على الكشف عن أماكن وجود المعادن القريبة منه؛ وهو يستخدم غالباً للكشف عن وجود أجسام تحتوي على معادن أو عن تلك المدفونة تحت الأرض، كما يتألف عادة من وحدة محمولة لها حساس يستطيع الكشف عن المعادن عند إجراء عملية مسح للأرض أو فوق الأجسام، وفي حال اقتراب هذا الحساس من القطعة المعدنية تبدأ نغمة الرنين بالتغير داخل السماعات ثمّ تتجّه إبرة المؤشر نحو مكان وجود المعادن. يعود تاريخ اكتشاف كاشفات المعادن التجارية إلى الستينيات من القرن المنصرم، حيث استخدمت في تلك الفترة لغايات البحث وتطبيقات صناعية متعددة منها إزالة الألغام، والكشف عن وجود أسلحة سواء كانت نارية أم سكاكين، بالإضافة إلى التنقيب الجيوفيزيائي وعلم الآثار وصيد الكنور
، لذلك يعتبر الجهاز الكاشف عن المعادن من أكثر الطرق المستخدمة في الوصول إلى هذه التطبيقات بغض النظر عن الهدف.
فكرة عمل جهاز الكشف عن المعادن ...
يعطي الجهاز غالباً إشارات تؤكد على وجود جسم معدني على بعد معين قد يكون قريباً أو بعيداً وفقاً لقوة النغمة في السماعات؛ فكلما اقترب الباحث من مكان وجود المعدن قفزت الإبرة إلى الأعلى في المؤشر.
انواع جهاز الكشف عن المعادن...
من أكثر أنواع أجهزة الكشف عن المعادن بساطة هي التي تحتوي على مذبذب؛ إذ إنّ هذا الجهاز يولّد تياراً بشكل متناوب يشق طريقه عبر ملف، حيث يتولّد تيار حقل مغناطيسي متناوب، وفي حال الاقتراب من منطقة تحتوي على قطعة لديها قابلية على توصيل الكهرباء فإنّ ذلك سيتسبب بحث تيار دوامي في المعدن، وبالتالي توليد حقل مغناطيسي مستقل في القطعة ويتجه الجهاز نحوها منجذباً.
يشيع استخدام عدة أنواع من كواشف المعادن ومن بينها كاشف المعادن الثابت
والذي يستخدم غالباً في المراقبة الأمنية عند مداخل السجون والمحاكم والمطارات والفنادق، حيث يكشف فيما إذا كان جسم الشخص مزوداً بالأسلحة المعدنية. كيف تصنع جهاز كشف المعادن
المسح بتحليل عينات التربة..
وتعتمد هذه الطريقة علي عمل آبار استكشافية لأخذ قطاع راسي للتربة لدراسة تركم وتتالي طبقات الرديم ودراسة الوانها المختلفة ،
ومن خلال فحص التربة للبحث عن مخلفات آدمية او بقايا حيوانات أليفة أو بقايا منسوجات او حتي أسلحة مثل الدروع والرماح يمكن استنتاج أن هنا كان يوجد مجتمع عمراني
او ان هذا الموقع شهد موقعة عسكرية أو استخدم كثكنات للجيوش وذلك مثلما حدث في الكشف عن آثار سيناء بواسطة دكتور محمد عبد المقصود العالم المصري الذي استغل كل الأساليب السابقة في المسح الأثري للكشف عن بوابة مصر الشرقية وثكنات وصوامع غلال الجيش المصري في عهد رمسيس الثاني بالدولة الحديثة
_المسح بطريقة السونار للآثار الغارقة
وهي تكنولوجيا الموجات فوق الصوتية
والتي تتنوع استخداماتها سواء في النواحي العسكرية أو الأثري او الجيولوجية او في التصوير الطبي وتستخدم أمواج صوتية ذات ترددات اكبر 20 كيلو هرتز أي اكبر من الترددات التي تسمعها أذن الإنسان وتعتمد فكرة عمل تلك الأجهزة الطبية على الأمواج الفوق صوتية التي تسقط على الجسم وتنعكس عنه مثل ما يقوم الخفاش الذي يطير في الليل مستعينا بالأمواج الفوق صوتية التي يحدثها لتسقط على الأجسام أمامه وتنعكس عنها ويسمعها فيحدد مساره دون الحاجة إلى حاسة الإبصار ليستدل على الطريق ولذلك يستطيع الطيران في الليل. كما تستخدم الحيتان في البحر الأمواج فوق الصوتية وتستخدمها الغواصات البحرية كجهاز رادار يعمل في أعماق المحيطات لكشف الغواصات المعادية.
و من خلال هذه التقنية يمكن الكشف المواد المغمورة في أعماق المياه، كما يتمّ استخدام أجهزة الكشف المعدنيّة من قبل الغواصين؛ حيث تعمل تلك الأجهزة على كشف المواد المعدنيّة، ويعمل علماء الآثار داخل حجرات إزالة للضغط تحت الماء أثناء عمليّات البحث والتنقيب ،
ميكانيزم عمل أجهزة الكشف عن المعادن بتقنية التراسونيك ..
هذهع الجزئية بمعرفة ( دكتور حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء بجامعة الأزهر )
يتحدث فيها عن ميكانيزم عمل أجهزة الكشف عن المعادن بصورة تفصيلية
قد يعتقد البعض إن استخدامات جهاز الكشف المعادن قاصراً على المتخصصين والهواة الراغبين في الحصول المعادن الدفينة تحت سطح الأرض، ولكن في الواقع جهاز كشف المعادن له تطبيقات عملية متعددة فمثلا يستخدم في التفتيش من قبل رجال الأمن عند الدخول للاماكن التي تتطلب درجة عالية من السلامة والأمان مثل المطارات والأماكن السياحية، وهذه الأجهزة أصبحت من متطلبات السلامة والأمن في المطارات والجامعات والمدارس والمسارح والمباني الحكومية حتى تضمن عدم دخول أي أشخاص مسلحون إلى داخل هذه المباني. هذا بالإضافة إلى استخداماتها في التنقيب والبحث عن المعادن تحت سطح الأرض.
مكونات جهاز الكشف عن المعادن
(1) المنظم أو المثبت stabilizer ويستخدم في الحفاظ على أجزاء الجهاز ثابتة ومستقرة أثناء تحريك الجهاز للأمام والخلف.
(2) صندوق التحكم control box يحتوي على الدوائر الالكترونية وأجهزة التحكم والبطارية والميكروبروسسور والسماعات.
(3) العمود shaft الذي يربط صندوق التحكم بالكاشف عن المعادن وعادة يكون العمود قابل للتحكم في طوله ليناسب طول الشخص الذي يستخدمه
(4) الكاشف search coil وهو الجزء الرئيسي في الجهاز والمستخدم في الكشف عن وجود المعادن ويسمى أحيانا برأس البحث search head أو الانتينا antenna أو الملف loop. "سوف نستخدم مصلح الكاشف".
قد توجد في بعض أنواع أجهزة الكشف عن المعادن بعض الاختلافات الطفيفة مثل أن تزود بسماعات رأس إضافية أو أن يكون جهاز التحكم في أسفل العمود وشاشة المراقبة مثبتة في الأعلى. ولكن جميع أجهزة الكشف عن المعادن سهلة الاستخدام فكل ما على المستخدم فعله هو تشغيل الجهاز وتحريك الكاشف ببطء فوق المنطقة المراد الكشف عن المعادن فيها. عندما توجد قطعة معدنية فإن الجهاز سيصدر صوتاً عبر السماعات كما يظهر على الشاشة بعض المعلومات عن شكل القطعة وعمقها.
أنواع أجهزة الكشف عن المعادن: تعتمد أجهزة الكشف عن المعادن على تقنيات ثلاثة تحدد أنواعها وهذه التقنيات هي:
تقنية الترددات المنخفضة: Very low frequency _ VLF
تقنية النبض المغناطيسي الحثي: Pulse induction _ PI
تقنية النبضات التذبذبية: Beat-frequency oscillation _ BFO
أولاً: تقنية الترددات المنخفضةVery low frequency (VLF)
تعتبر هذه التقنية الأكثر استخداما في أجهزة الكشف عن المعادن وتعرف أحيانا باسم توازن الحث المغناطيسي induction balance وتعتمد هذه التقنية على استخدام ملفين هما:
ملف الإرسال transmitter coil وهو الملف الخارجي ويحتوي على حلقة من سلك يمر فيه تيار كهربي مرة في اتجاه عقارب الساعة ومرة في عكس اتجاه عقارب الساعة على التناوب بمعدل يصل لآلاف المرات في الثانية.
ملف الاستقبال receiver coil وهو الملف الداخلي والذي يحتوي على سلك في شكل ملف نصف قطره اصغر من ملف الإرسال ويعمل هذا الملف عمل الانتينا لاستقبال الإشارة المنعكسة عن الأجسام في باطن الأرض وتكبيرها
إن التيار الكهربي المتناوب الذي يمر في ملف الإرسال ينشىء مجالا مغناطيسياً، يكون اتجاه هذا المجال المغناطيسي عمودياً على مستوى ملف الإرسال، وفي كل مرة يغير فيه التيار اتجاهه تتغير قطبية (القطب الشمالي والقطب الجنوبي) المجال المغناطيسي. وهذا يعني انه إذا كان مستوى ملف الإرسال موازيا تماما لسطح الأرض فإن المجال المغناطيسي الناشئ يدخل في الأرض أو يخرج منها في عملية تشبه الدفع والسحب.
في حين أن نبضات المجال المغناطيسي الداخلة للأرض والخارجة منها تتفاعل مع أي مادة موصلة (مثل المعادن) تصطدم بها، وهذا يسبب في أن تولد المواد الموصلة مجالاً مغناطيسياً ضعيفاً يسمى بالمجال المغناطيسي للجسم وتكون قطبية هذا المجال معاكسة لقطبية المجال المغناطيسي لملف الإرسال. فإذا كان مجال الملف في اتجاه الدخول إلى الأرض يكون مجال الجسم في اتجاه الخروج والعكس صحيح.
نأتي الآن لدور ملف الاستقبال لنوضح كيف يستقبل الإشارة المغناطيسية المنعكسة عن الجسم المعدني، هنا ملف الاستقبال معزول تماماً عن أي مجال مغناطيسي يصدره ملف الإرسال, ولكن ليس معزولاً عن المجال المغناطيسي الصادر عن الجسم المعدني في الموجود في الأرض. ولهذا عندما يمر ملف الاستقبال فوق جسم معدني يصدر مجالاً مغناطيسياً بسبب ملف الإرسال فإن ملف الاستقبال سوف يلتقط هذه المجال المغناطيسي الضعيف والمتردد وينتج عنه تياراً كهربياً بمر في ملف الاستقبال، يتردد التيار الكهربي بنفس تردد المجال المغناطيسي. يتم تكبير هذه التيار الكهربي وتدخل إلى صندوق التحكم حيث يتم يقوم الميكروبروسسور بتحليل الإشارة وإظهار البيانات.
يقوم جهاز كاشف المعادن بتحديد عمق الجسم المعدني في الأرض بالاعتماد على شدة المجال المغناطيسي المتولد عن الجسم المعدني، فكلما كان الجسم قريبا من سطح الأرض كلما كان المجال المغناطيسي الناشئ اكبر وكلما كانت الإشارة الكهربية المتولدة في ملف الاستقبال اكبر وكلما كان الجسم على عمق اكبر من سطح الأرض كلما كان المجال المغناطيسي اصغر ومن خلال معايرة شدة المجال المغناطيسي مع العمق يمكن للجهاز أن يحدد موقع الجسم وبعده عن سطح الأرض.
كيف يميز جهاز كشف المعادن بين أنواع المعادن المختلفة؟
قد لا يتصور كم المعادن التي من الممكن أن يلتقطها جهاز الكشف عن المعادن وتكون في النهاية أما مسمار صغير أو سدادة مشروب من المشروبات أو قطع خردة لذلك تم تطوير أجهزة الكشف عن المعادن لتمكنك من التمييز بين المعادن فتحدد مسبقاً للجهاز نوع المعادن التي ترغب في البحث عنها كالذهب أو غيره وبالتالي لا يعطي الجهاز الإشارة الصوتية إلا إذا اوجد المعدن الذي تبحث عنه، ولكن كيف يستطيع جهاز كشف المعادن التمييز بين أنواع المعادن لقد فهمنا كيف يقوم بتحديد العمق وكانت العملية سهلة وواضحة ولكن أن يميز بين المعادن فهذا في الحقيقة أمر صعب ويعتمد على دوائر الكترونية تقوم بقياس الإزاحة في الطور phase shifting.
الإزاحة في الطور هو الفرق في الزمن بين تردد ملف الإرسال وتردد الجسم. وهذا الفرق في الزمن يعود إلى اختلاف المعادن في مقاومتها الكهربية resistance وفي الحث الكهربي inductance.
الجسم الذي لا يمرر التيار الكهربي بسهولة (له مقاومة) يكون من أسرع في الاستجابة للتغيرات في التيار الكهربي.
أما الجسم الذي يوصل التيار الكهربي بسهولة فإنه يكون ابطىء في الاستجابة للتغيرات في التيار الكهربي.
وهذا يعني أن الجسم الذي له حث كهربي كبير يكون له مقدار إزاحة في الطور كبيرة لان يأخذ زمن اكبر في التغير مع المجال المغناطيسي أما الأجسام التي لها مقاومة كهربية كبيرة فإن مقدار الإزاحة في الطور ستكون صغيرة.
وبالاعتماد على دوائر الكترونية بسيطة يمكن حساب الإزاحة في الطور ومقارنة الإزاحة بالمعلومات المخزنة مسبقا عن الإزاحة في الطور لمختلف المعادن يمكن للجهاز أن يميز بين المعادن وبالتالي يمكن أن يبرمج جهاز كشف المعادن ليبحث عن المعادن التي لها إزاحة طور معينة وهي التي نريدها.
ثانياً: تقنية النبض الحثي Pulse induction _ PI
تعتبر تقنية النبض الحثي اقل استخداما في أجهزة الكشف عن المعادن لأن بالاعتماد على هذه التقنية لا يمكن التميز بين أنواع المعادن كما في التقنية الأولى ولكن الأجهزة التي تعتمد هذه التقنية تعمل في مناطق معينة لا يمكن فيها استخدام التقنية الأولى.
تستخدم هذه التقنية ملف واحد يعمل كملف إرسال واستقبال في نفس الوقت. تعتمد فكرة هذه التقنية على إرسال تيار كهربي في صورة نبضات قصيرة وقوية في ملف مكون من سلك على شكل دائري. كل نبضة من هذه النبضات تولد مجالاً مغناطيسياً. وعندما تنتهي النبضة تنعكس قطبية المجال المغناطيسي ويتلاشى المجال المغناطيسي فجأة مشكلاً بهذه الطريقة شرارة كهربية. مدة بقاء الشرارة الكهربية لا يتجاوز المايكرو ثانية (جزء من المليون من الثانية) تسبب هذه الشرارة الكهربية مرور تيار كهربي في الملف. يسمى هذا التيار الكهربي الناتج من الشرارة الكهربية باسم النبضة المنعكسة reflected pulse وتكون مدتها الزمنية قصيرة جداً لا تتجاوز 30 ميكروثانية. تتكرر هذه العملية بمعدل 100 نبضة في الثانية ويمكن أن بتغير هذا الرقم ليصل إلى 25 نبضة في الثانية أو يزيد إلى 1000 نبضة في الثانية حسب الشركة المصنعة.
كيف يستطيع جهاز الكشف عن المعادن الكشف عن المعادن بهذه التقنية؟
عندما يكون الكاشف فوق جسم معدني فإن النبضة الكهربية تنتج مجالاً مغناطيسياً في الجسم. وعندما تلاشي النبضة المغناطيسية وتسبب في النبضة المنعكسة reflected pulse فإن المجال المغناطيسي الإضافي الناتج عن الجسم المعدني سوف يعمل على زيادة زمن بقاء النبضة المنعكسة. هذه العملية تشبه تماماً ظاهرة صدى الصوت فكلما زادت العواكس (الجدران) فإن صدى الصوت يستمر لفترة أطول.
باستخدام دائرة الكترونية تراقب الفترة الزمنية للنبضة المنعكسة يمكن للدائرة تحديد إذا ما كان هناك مجالاً مغناطيسياً إضافيا بسبب زيادة زمن بقاء النبضة المنعكسة. فإذا ما كان الزمن يزيد عن القيمة المتوقعة فإن الجهاز يرسل إشارة كهربية تتحول عبر دائرة كهربية لتكبر وترسل إلى دائرة تصدر صوتاً منبها بوجود جسم معدني في المنطقة التي يكشف عنها في الأرض.
مزايا وعيوب تقنية النبض المغناطيسي الحثي
الكواشف التي تعمل بتقنية النبض المغناطيسي الحثي كما ذكرنا في البداية لا تستطيع التميز بين أنواع المعادن لان الفترة الزمنية للنبضة المنعكسة لا يختلف كثيراً بين المعادن. ولكن تعتبر هذه التقنية مفيدة جداً في الحالات التي لا يمكن استخدام الكواشف التي تعمل بتقنية الترددات المنخفضة نتيجة لطبيعة الأرض التي تتفحصها فإذا ما كانت الأرض تحتوي على مواد ذات موصلية عالية يفضل استخدام كواشف النبض المغناطيسي الحثي، كما أن هذه الكواشف تستطيع الكشف عن معادن على مسافات أعمق من تلك التي تستطيع الأنظمة الأخرى رصدها.
ثالثاً: تقنية النبضات التذبذبية Beat-frequency oscillation _ BFO
تعتبر تقنية النبضات التذبذبية من أسهل التقنيات المستخدمة في الكشف عن المعادن. حيث تستخدم ملف كبير عند طرف البحث وملف آخر اصغر موجود داخل صندوق التحكم. وكل ملف موصول بمذبذب يولد آلاف النبضات في الثانية.
يصدر الملف موجات راديو يستقبلها جهاز استقبال في صندوق التحكم ويحولها إلى إشارة صوتية نسمعها على شكل نبضات تنتج عن الاختلاف في التردد بالملفين.
عندما يكون الملف الكبير فوق جسم معدني فإن مجال مغناطيسي يتولد نتيجة للتيار الكهربي الذي يسري في الملف. يتداخل المجال المغناطيسي الصادر عن الجسم المعدني مع أمواج الراديو ، وهذا يؤدي إلى انحراف في التردد لأمواج الراديو واختلافها عن أمواج الراديو الصادرة عن الملف الموجود في صندوق التحكم مما يتولد عن ذلك نبضات مسموعة لها نغمة مميزة.
ولبساطة فكرة تقنية النبضات التذبذبية فإن الكثير من المنتجين اعتمدوا هذه التقنية لأجهزة الكشف عن المعادن لقلة تكلفتها وإمكانية شراءها من قبل أي شخص واستخدامها كأداة من الأدوات المنزلية. لكن يجب التنويه إلى أن دقة وحساسية هذه الأجهزة اقل من تلك التي تعتمد التقنيات السابقة الذكر.
أجهزة الكشف عن المعادن تعمل بكفاءة للكشف عن الأجسام المعدنية المدفونة في باطن الأرض. ولكن يجب الانتباه إلى أن هذه الأجهزة لا يتجاوز مدى حساسيتها عمق 30 سم ومقدار العمق يعتمد على عدة عوامل هي:
(1) نوع كاشف المعادن
(2) نوع المعدن الذي نبحث عنه
(3) حجم الجسم المعدني وأبعاده
(4) طبيعة التربة
(5) التداخل بين الجسم والأجسام المحيطة به
يعتبر الكثيرون الكشف عن المعادن هواية ويجمعهم أندية خاصة للقيام ببعض النشاطات مثل
(1) البحث عن النقود
(2) البحث عن المعادن الثمينة كالذهب والفضة
(3) تتبع الأثر
الاستخدام في أنظمة الأمان والسلامة والحماية
بالإضافة إلى الاستخدامات المتعددة لأجهزة كشف المعادن بتقنياتها المختلفة فإن هناك استخدامات أخرى وهامة. فإن أجهزة المراقبة المثبتة على مداخل المؤسسات الهامة كالمطارات تستخدم أجهزة الكشف عن المعادن التي تعمل بتقنية النبض المغناطيسي الحثي كما أن أجهزة التفتيش اليدوية التي يستخدمها رجال الأمن تستخدم أجهزة كشف عن المعادن تعمل بتقنية النبضات التذبذبية.
بعض التطبيقات الهامة لكاشفات المعادن:
امن المطارات: يستخدم بوابات تكشف عن المعادن قبل الصعود للطائرة.
امن المباني: تستخدم أيضا بوابات تكشف عن المعادن للزوار قبل دخولهم للمبنى.
البحث عن المفقودات: فيمكن لأي شخص استخدام جهاز الكشف عن المعادن للبحث عن قطعة مجوهرات مفقودة.
الكشف عن الآثار: تستخدم في الكشف عن معادن لها أهمية تاريخية.
الكشف الجيولوجي: تستخدم في فحص جيولوجي للتربة والصخور.
الموسوعة الحرة
عالم ترميم الاثارالموجات فوق الصوتية وعلاقتها بالآثار ..
Ultrasonic Waves
تقاس قوة الموجات بوحدة تسمي هيرتز ،
ومعروف أن الاذن البشرية تستقبل الموجات الصوتية في المنطقة الواقعة بين 20 هيرتز و 20 كيلو هيرتز
أما عند الحيوانات فإن بعضها ينتج موجات فوق صوتية قد تصل إلي 140 كيلو هيرتز مثل الاسماك او 100 كيلو هيرتز مثل الخفاش ،
وذلك يساعد الحيوان أن يصدر تلك الموجات في الفراغ المحيط فإذا ما اصدمت بجسم فإنها ترتد آلية مكونة صورة دقيقة لحجم هذا الجسم الواقع في نطاق تلك الموجات الفوق صوتية ،
وهي بذلك تعتبر العين التي يري بها الحيوان ،
وبالتالي كان استخدام موجات الترا سونيك في كثير من التطبيقات العملية سواء المدنية أو العسكرية ،
وهذا مانراه في أجهزة السونار في السفن الحربية التي ترسل تلك الموجات للكشف عن المناسيب المختلفة لتضاريس قيعان البحار او الكشف عن الألغام البحرية ،
كذلك في التطبيقات الطبية كما هو معروف لنا ،
وكذلك تستخدم بصورة واسعة في التطبيقات الجيولوجية للكشف عن المعادن في باطن الارض،
وكذلك في عمليات تعقيم الاثار العضوية وغيرها من التطبيقات الأخري ،
وما يهمنا هنا هو استخدامها التطبيقي في مجال الاثار ولكن قبل أن نتطرق إلي ذلك لابد أن نعرف تأثير الموجات الصوتية المحصور بين مجال 20 هيرتز الي 20كيلو هيرتز ،
وهذا هو المجال الصوتي لاذن الإنسان وبالتالي لابد أن نعرف ميكانيزم هذه الموجات ..
التاثير الميكانيكي للموجات الصوتية علي الاثار الحجرية ..
معروف لدينا أن الموجات الصوتية تنتقل بسرعة كبيرة في الفراغ الكوني كما ينتقل الصوت بسرعة أكبر خلال السوائل والأجسام الصلبة. و سرعة الصوت تزداد مع الحرارة،
و تقدّر سرعة الصوت في وسط هوائي عادي جاف في درجة حرارة (20 °C 68 °F) ب 343 متر في الثانية، أو (1,125 قدم/ثانية). أو ما يساوي 1235 كيلومتر في الساعة(768 ميل/الساعة)، أو ميل واحد في كل خمس ثوان.
وهذا يعني أن تعرض اي جسم صلب لموجات صوتية تصل إلي 1200كيلومتر /ساعة فإنه يتأثر بشكل مباشر بهذا الاصطدام الكبير ولذلك ،
اذا وصلت سرعة الصوت الي هذا الحد في مكان مغلق فإنه يؤدي إلي حدوث انفجار ضخم لهذا الحيز المحيط لتلك الموجات ،
ومن هنا يجب أن ننتبه الي تأثير تلك الموجات علي الاثار بشكل عام ،
وخصوصا تلك الاثار الحجرية الحاملة النقوش والزخارف اللونية , مع الاخذ في الاعتبار الحالة الضعيفة والهشة لتلك الأسطح الحجرية التي تعاني من ارتفاع نسبة الرطوبة الناتجة عن ارتفاع المياة تحت سطحية والتي أدت إلي تكون طبقات ملحية وانهيار بنية الحجر الشبكية وبالتالي ،
عند اصطدام تلك الموجات بسطح الحجر فإنها تقضي علي الطبقة السطحية تماما و يزداد التاثير داخل الحجر طبقا لزيادة سرعة الصوت داخل الوسط الصلب والسائل ،
ولهذا يجب أن نهتم في دراستنا بتلك التأثيرات الموجات الصوتية مثلما كان الاهتمام بعمليات التلف الضوئي الفوتوكيميائي الموجات الضوئية
موجات الالتراسونيك Ultrasonic Waves..
وكما ذكرنا فإن هذه الموجات تقع في النطاق اعلي من 20 كيلو هيرتز وهذه الموجات لها تأثيرات ثلاثة وهي :
فيزيائية كيميائية
حرارية
ميكانيكية ..
نذكر منها الموجات الميكانيكية
الموجات الميكانيكية ..
يمكن تعريف تلك الموجات بأنها عبارة عن مجال مغناطيسي غير مرئي ينتج عن اهتزاز جسم ما يؤدي إلي ظهور موجة مغناطيسية تسبح في الفراغ وتختلف سرعتها وتأثيراته من وسط مادي الي اخر وتزداد سرعتها في الوسط الصلب والسائل عن سرعتها في الهواء ،
وينشأ المجال المغناطيسي في صورة موجبة أما بشكل طولي او شكل عرضي حسب وجود المصدر ،
ويصاحب هذه الموجات طاقة هائلة من الضغط تختلف حسب القوة المغناطيسية الطول الموجي ،
تداخل الأمواج الصوتية ..
لا يمكن لجسمين أن يتداخلا ويحتلان مكاناً واحداً في نفس الوقت. وبناءً على مبدأ جمع الأمواج، يمكن لعدة أمواج متلاقية في نقطة أن تتداخل فيما بينها، وقد يكون التداخل إما
تداخل بناء
تداخل هدام
و بشكل عام يكون التداخل بناءً إذا كان الفرق في طول المسار لموجتين متلاقيتين في نقطة يساوي عدداً صحيحاً من طول الموجة.
حيود الموجات
الحيود هو تغير في مسار حركه الموجه او انحناؤها عند مرورها في فتحه ضيقه بالنسبه لطولها الموجى اى عندما تكون ابعاد الفتحه مقاربه لطولها الموجى او عند مرورها بحافه حاده في نفس الوسط عادة ما يسمع في كثير من الحالات الصوت قادما من مصدر ما خلف الجدار، وهذا يدل على أن الأمواج الصوتية تلتف حول المعيقات.
و يلاحظ عادةً انحرافا يحصل لأمواج الماء عندما يتعرض مسارها معيق بفتحة ضيقة، ويتناسب مقدار الانحراف الحاصل في الموجات على الطول الموجي لها ومقدار الفتحة في المعيق.،
وهذه التأثيرات الميكانيكية هي التي يتم تطويعها في الأجهزة المختلفة الخاصة بالموجات الصوتية للكشف عن المعادن
ويدرسها فرع من الفيزياء يعرف باسم فوق الصوتيات ultrasonics. تولِّد مولدات الأمواج فوق الصوتية الحديثة أمواجاً يبلغ تواترها بضعة جيجا هرتز (1GHz = 109 Hz)، وذلك عن طريق تحويل تيارات متناوبة عالية التواتر إلى اهتزازات ميكانيكية. ويتم عادة الكشف عن هذه الأمواج باستخدام بلورات كهرضغطية piezoelectric أو بوسائل ضوئية، حيث يمكن بالإفادة من انعراج الضوء جعل هذه الأمواج مرئية. ويبين الشكل (1) دارة إلكترونية صمامية تستخدم لكشف الأمواج فوق الصوتية، وفيها تظهر بلورة Q مولَّفة بحيث تتحسس بتواتر اهتزاز الموجة فوق الصوتية المطلوب كشفها، وهي تتصل بشبكة صمام ثلاثي المساري. ويتصل مصعد الصمام بجهد مستمر عالٍ عبر مقاومة R فتظهر بين طرفيها إشارة خرج الصمام، أي إشارة الكشف مكبَّرة، ثم تمرَّر عبر مكثفتين C1 و C2 إلى مربطين A و B فجهاز قياس مناسب. ويتضح دارة إلكترونية حديثة لكشف الأمواج فوق الصوتية وتحويلها إلى صوت مسموع.
وبالتالي :
فانه عن طريق التحكم في الاطوال الموجبة ومن خلال سرعة الصوت التي تبلغ 1200كيلومتر /ساعة فإن أي جهاز يتم تصنيعة ينتج طاقة تعادل هذا الرقم فإنه قادر علي التأثير المباشر علي الأسطح او الأجسام التي تعترض طريقة وبالتالي
من اليسير أن تستخدم أجهزة الالتراسونيك في عمليات التنظيف الميكانيكي للاسطح المعدنية بنفس أسلوب نبضات الليزر التي نستخدمها في تقنية إزالة السناج من علي الأسطح الأثرية وكذلك إجراء عمليات التنظيف الميكانيكي للمعادن الصدئة مثل العملات حيث تستطيع هذه الموجات فوق صوتية في إزالة طبقات الصدا ولكن يراعي المعرفة التامة بكمية الطاقة الناتجة من الجهاز حتي يكون التاثير مضمون .
كيفية الاستفادة من تقنية الالتراسونيك في حقل الاثار ..
تستخدم الأجهزة التي تعتمد هذه التقنية في عمليات المسح الأثري والجيولوجي للكشف عن الاثار المعدنية وذلك من خلال تأثر أجهزة الاستشعار ذات الترددات الصوتية باصدامها بالاجسام المعدنية
و تختلف المعادن فيما بينها من حيث اللون والشفافية والبريق، لذا يؤثر ذلك في قيمتها المادية والمعنوية لدى الإنسان؛ ونظراً لذلك فإنّ الإنسان يسعى جاهداً للكشف عن أماكن وجود الثمين منها كالذهب مثلاً، أو من أجل حماية نفسه بالكشف عن وجود أسلحة أو ألغام تُلحق الضرر به والتخلص منها قبل فوات الأوان، فأقدم على اتباع طرق متعددة للكشف عنها ومنها جهاز الكشف عن المعادن والذي سنتحدث عنه في هذا المقال بالتفصيل. جهاز كشف المعادن يعتبر جهاز كشف المعادن جهازاً كهربائياً له قدرة عالية على الكشف عن أماكن وجود المعادن القريبة منه؛ وهو يستخدم غالباً للكشف عن وجود أجسام تحتوي على معادن أو عن تلك المدفونة تحت الأرض، كما يتألف عادة من وحدة محمولة لها حساس يستطيع الكشف عن المعادن عند إجراء عملية مسح للأرض أو فوق الأجسام، وفي حال اقتراب هذا الحساس من القطعة المعدنية تبدأ نغمة الرنين بالتغير داخل السماعات ثمّ تتجّه إبرة المؤشر نحو مكان وجود المعادن. يعود تاريخ اكتشاف كاشفات المعادن التجارية إلى الستينيات من القرن المنصرم، حيث استخدمت في تلك الفترة لغايات البحث وتطبيقات صناعية متعددة منها إزالة الألغام، والكشف عن وجود أسلحة سواء كانت نارية أم سكاكين، بالإضافة إلى التنقيب الجيوفيزيائي وعلم الآثار وصيد الكنور
، لذلك يعتبر الجهاز الكاشف عن المعادن من أكثر الطرق المستخدمة في الوصول إلى هذه التطبيقات بغض النظر عن الهدف.
فكرة عمل جهاز الكشف عن المعادن ...
يعطي الجهاز غالباً إشارات تؤكد على وجود جسم معدني على بعد معين قد يكون قريباً أو بعيداً وفقاً لقوة النغمة في السماعات؛ فكلما اقترب الباحث من مكان وجود المعدن قفزت الإبرة إلى الأعلى في المؤشر.
انواع جهاز الكشف عن المعادن...
من أكثر أنواع أجهزة الكشف عن المعادن بساطة هي التي تحتوي على مذبذب؛ إذ إنّ هذا الجهاز يولّد تياراً بشكل متناوب يشق طريقه عبر ملف، حيث يتولّد تيار حقل مغناطيسي متناوب، وفي حال الاقتراب من منطقة تحتوي على قطعة لديها قابلية على توصيل الكهرباء فإنّ ذلك سيتسبب بحث تيار دوامي في المعدن، وبالتالي توليد حقل مغناطيسي مستقل في القطعة ويتجه الجهاز نحوها منجذباً.
يشيع استخدام عدة أنواع من كواشف المعادن ومن بينها كاشف المعادن الثابت
والذي يستخدم غالباً في المراقبة الأمنية عند مداخل السجون والمحاكم والمطارات والفنادق، حيث يكشف فيما إذا كان جسم الشخص مزوداً بالأسلحة المعدنية. كيف تصنع جهاز كشف المعادن
المسح بتحليل عينات التربة..
وتعتمد هذه الطريقة علي عمل آبار استكشافية لأخذ قطاع راسي للتربة لدراسة تركم وتتالي طبقات الرديم ودراسة الوانها المختلفة ،
ومن خلال فحص التربة للبحث عن مخلفات آدمية او بقايا حيوانات أليفة أو بقايا منسوجات او حتي أسلحة مثل الدروع والرماح يمكن استنتاج أن هنا كان يوجد مجتمع عمراني
او ان هذا الموقع شهد موقعة عسكرية أو استخدم كثكنات للجيوش وذلك مثلما حدث في الكشف عن آثار سيناء بواسطة دكتور محمد عبد المقصود العالم المصري الذي استغل كل الأساليب السابقة في المسح الأثري للكشف عن بوابة مصر الشرقية وثكنات وصوامع غلال الجيش المصري في عهد رمسيس الثاني بالدولة الحديثة
_المسح بطريقة السونار للآثار الغارقة
وهي تكنولوجيا الموجات فوق الصوتية
والتي تتنوع استخداماتها سواء في النواحي العسكرية أو الأثري او الجيولوجية او في التصوير الطبي وتستخدم أمواج صوتية ذات ترددات اكبر 20 كيلو هرتز أي اكبر من الترددات التي تسمعها أذن الإنسان وتعتمد فكرة عمل تلك الأجهزة الطبية على الأمواج الفوق صوتية التي تسقط على الجسم وتنعكس عنه مثل ما يقوم الخفاش الذي يطير في الليل مستعينا بالأمواج الفوق صوتية التي يحدثها لتسقط على الأجسام أمامه وتنعكس عنها ويسمعها فيحدد مساره دون الحاجة إلى حاسة الإبصار ليستدل على الطريق ولذلك يستطيع الطيران في الليل. كما تستخدم الحيتان في البحر الأمواج فوق الصوتية وتستخدمها الغواصات البحرية كجهاز رادار يعمل في أعماق المحيطات لكشف الغواصات المعادية.
و من خلال هذه التقنية يمكن الكشف المواد المغمورة في أعماق المياه، كما يتمّ استخدام أجهزة الكشف المعدنيّة من قبل الغواصين؛ حيث تعمل تلك الأجهزة على كشف المواد المعدنيّة، ويعمل علماء الآثار داخل حجرات إزالة للضغط تحت الماء أثناء عمليّات البحث والتنقيب ،
ميكانيزم عمل أجهزة الكشف عن المعادن بتقنية التراسونيك ..
هذهع الجزئية بمعرفة ( دكتور حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء بجامعة الأزهر )
يتحدث فيها عن ميكانيزم عمل أجهزة الكشف عن المعادن بصورة تفصيلية
قد يعتقد البعض إن استخدامات جهاز الكشف المعادن قاصراً على المتخصصين والهواة الراغبين في الحصول المعادن الدفينة تحت سطح الأرض، ولكن في الواقع جهاز كشف المعادن له تطبيقات عملية متعددة فمثلا يستخدم في التفتيش من قبل رجال الأمن عند الدخول للاماكن التي تتطلب درجة عالية من السلامة والأمان مثل المطارات والأماكن السياحية، وهذه الأجهزة أصبحت من متطلبات السلامة والأمن في المطارات والجامعات والمدارس والمسارح والمباني الحكومية حتى تضمن عدم دخول أي أشخاص مسلحون إلى داخل هذه المباني. هذا بالإضافة إلى استخداماتها في التنقيب والبحث عن المعادن تحت سطح الأرض.
مكونات جهاز الكشف عن المعادن
(1) المنظم أو المثبت stabilizer ويستخدم في الحفاظ على أجزاء الجهاز ثابتة ومستقرة أثناء تحريك الجهاز للأمام والخلف.
(2) صندوق التحكم control box يحتوي على الدوائر الالكترونية وأجهزة التحكم والبطارية والميكروبروسسور والسماعات.
(3) العمود shaft الذي يربط صندوق التحكم بالكاشف عن المعادن وعادة يكون العمود قابل للتحكم في طوله ليناسب طول الشخص الذي يستخدمه
(4) الكاشف search coil وهو الجزء الرئيسي في الجهاز والمستخدم في الكشف عن وجود المعادن ويسمى أحيانا برأس البحث search head أو الانتينا antenna أو الملف loop. "سوف نستخدم مصلح الكاشف".
قد توجد في بعض أنواع أجهزة الكشف عن المعادن بعض الاختلافات الطفيفة مثل أن تزود بسماعات رأس إضافية أو أن يكون جهاز التحكم في أسفل العمود وشاشة المراقبة مثبتة في الأعلى. ولكن جميع أجهزة الكشف عن المعادن سهلة الاستخدام فكل ما على المستخدم فعله هو تشغيل الجهاز وتحريك الكاشف ببطء فوق المنطقة المراد الكشف عن المعادن فيها. عندما توجد قطعة معدنية فإن الجهاز سيصدر صوتاً عبر السماعات كما يظهر على الشاشة بعض المعلومات عن شكل القطعة وعمقها.
أنواع أجهزة الكشف عن المعادن: تعتمد أجهزة الكشف عن المعادن على تقنيات ثلاثة تحدد أنواعها وهذه التقنيات هي:
تقنية الترددات المنخفضة: Very low frequency _ VLF
تقنية النبض المغناطيسي الحثي: Pulse induction _ PI
تقنية النبضات التذبذبية: Beat-frequency oscillation _ BFO
أولاً: تقنية الترددات المنخفضةVery low frequency (VLF)
تعتبر هذه التقنية الأكثر استخداما في أجهزة الكشف عن المعادن وتعرف أحيانا باسم توازن الحث المغناطيسي induction balance وتعتمد هذه التقنية على استخدام ملفين هما:
ملف الإرسال transmitter coil وهو الملف الخارجي ويحتوي على حلقة من سلك يمر فيه تيار كهربي مرة في اتجاه عقارب الساعة ومرة في عكس اتجاه عقارب الساعة على التناوب بمعدل يصل لآلاف المرات في الثانية.
ملف الاستقبال receiver coil وهو الملف الداخلي والذي يحتوي على سلك في شكل ملف نصف قطره اصغر من ملف الإرسال ويعمل هذا الملف عمل الانتينا لاستقبال الإشارة المنعكسة عن الأجسام في باطن الأرض وتكبيرها
إن التيار الكهربي المتناوب الذي يمر في ملف الإرسال ينشىء مجالا مغناطيسياً، يكون اتجاه هذا المجال المغناطيسي عمودياً على مستوى ملف الإرسال، وفي كل مرة يغير فيه التيار اتجاهه تتغير قطبية (القطب الشمالي والقطب الجنوبي) المجال المغناطيسي. وهذا يعني انه إذا كان مستوى ملف الإرسال موازيا تماما لسطح الأرض فإن المجال المغناطيسي الناشئ يدخل في الأرض أو يخرج منها في عملية تشبه الدفع والسحب.
في حين أن نبضات المجال المغناطيسي الداخلة للأرض والخارجة منها تتفاعل مع أي مادة موصلة (مثل المعادن) تصطدم بها، وهذا يسبب في أن تولد المواد الموصلة مجالاً مغناطيسياً ضعيفاً يسمى بالمجال المغناطيسي للجسم وتكون قطبية هذا المجال معاكسة لقطبية المجال المغناطيسي لملف الإرسال. فإذا كان مجال الملف في اتجاه الدخول إلى الأرض يكون مجال الجسم في اتجاه الخروج والعكس صحيح.
نأتي الآن لدور ملف الاستقبال لنوضح كيف يستقبل الإشارة المغناطيسية المنعكسة عن الجسم المعدني، هنا ملف الاستقبال معزول تماماً عن أي مجال مغناطيسي يصدره ملف الإرسال, ولكن ليس معزولاً عن المجال المغناطيسي الصادر عن الجسم المعدني في الموجود في الأرض. ولهذا عندما يمر ملف الاستقبال فوق جسم معدني يصدر مجالاً مغناطيسياً بسبب ملف الإرسال فإن ملف الاستقبال سوف يلتقط هذه المجال المغناطيسي الضعيف والمتردد وينتج عنه تياراً كهربياً بمر في ملف الاستقبال، يتردد التيار الكهربي بنفس تردد المجال المغناطيسي. يتم تكبير هذه التيار الكهربي وتدخل إلى صندوق التحكم حيث يتم يقوم الميكروبروسسور بتحليل الإشارة وإظهار البيانات.
يقوم جهاز كاشف المعادن بتحديد عمق الجسم المعدني في الأرض بالاعتماد على شدة المجال المغناطيسي المتولد عن الجسم المعدني، فكلما كان الجسم قريبا من سطح الأرض كلما كان المجال المغناطيسي الناشئ اكبر وكلما كانت الإشارة الكهربية المتولدة في ملف الاستقبال اكبر وكلما كان الجسم على عمق اكبر من سطح الأرض كلما كان المجال المغناطيسي اصغر ومن خلال معايرة شدة المجال المغناطيسي مع العمق يمكن للجهاز أن يحدد موقع الجسم وبعده عن سطح الأرض.
كيف يميز جهاز كشف المعادن بين أنواع المعادن المختلفة؟
قد لا يتصور كم المعادن التي من الممكن أن يلتقطها جهاز الكشف عن المعادن وتكون في النهاية أما مسمار صغير أو سدادة مشروب من المشروبات أو قطع خردة لذلك تم تطوير أجهزة الكشف عن المعادن لتمكنك من التمييز بين المعادن فتحدد مسبقاً للجهاز نوع المعادن التي ترغب في البحث عنها كالذهب أو غيره وبالتالي لا يعطي الجهاز الإشارة الصوتية إلا إذا اوجد المعدن الذي تبحث عنه، ولكن كيف يستطيع جهاز كشف المعادن التمييز بين أنواع المعادن لقد فهمنا كيف يقوم بتحديد العمق وكانت العملية سهلة وواضحة ولكن أن يميز بين المعادن فهذا في الحقيقة أمر صعب ويعتمد على دوائر الكترونية تقوم بقياس الإزاحة في الطور phase shifting.
الإزاحة في الطور هو الفرق في الزمن بين تردد ملف الإرسال وتردد الجسم. وهذا الفرق في الزمن يعود إلى اختلاف المعادن في مقاومتها الكهربية resistance وفي الحث الكهربي inductance.
الجسم الذي لا يمرر التيار الكهربي بسهولة (له مقاومة) يكون من أسرع في الاستجابة للتغيرات في التيار الكهربي.
أما الجسم الذي يوصل التيار الكهربي بسهولة فإنه يكون ابطىء في الاستجابة للتغيرات في التيار الكهربي.
وهذا يعني أن الجسم الذي له حث كهربي كبير يكون له مقدار إزاحة في الطور كبيرة لان يأخذ زمن اكبر في التغير مع المجال المغناطيسي أما الأجسام التي لها مقاومة كهربية كبيرة فإن مقدار الإزاحة في الطور ستكون صغيرة.
وبالاعتماد على دوائر الكترونية بسيطة يمكن حساب الإزاحة في الطور ومقارنة الإزاحة بالمعلومات المخزنة مسبقا عن الإزاحة في الطور لمختلف المعادن يمكن للجهاز أن يميز بين المعادن وبالتالي يمكن أن يبرمج جهاز كشف المعادن ليبحث عن المعادن التي لها إزاحة طور معينة وهي التي نريدها.
ثانياً: تقنية النبض الحثي Pulse induction _ PI
تعتبر تقنية النبض الحثي اقل استخداما في أجهزة الكشف عن المعادن لأن بالاعتماد على هذه التقنية لا يمكن التميز بين أنواع المعادن كما في التقنية الأولى ولكن الأجهزة التي تعتمد هذه التقنية تعمل في مناطق معينة لا يمكن فيها استخدام التقنية الأولى.
تستخدم هذه التقنية ملف واحد يعمل كملف إرسال واستقبال في نفس الوقت. تعتمد فكرة هذه التقنية على إرسال تيار كهربي في صورة نبضات قصيرة وقوية في ملف مكون من سلك على شكل دائري. كل نبضة من هذه النبضات تولد مجالاً مغناطيسياً. وعندما تنتهي النبضة تنعكس قطبية المجال المغناطيسي ويتلاشى المجال المغناطيسي فجأة مشكلاً بهذه الطريقة شرارة كهربية. مدة بقاء الشرارة الكهربية لا يتجاوز المايكرو ثانية (جزء من المليون من الثانية) تسبب هذه الشرارة الكهربية مرور تيار كهربي في الملف. يسمى هذا التيار الكهربي الناتج من الشرارة الكهربية باسم النبضة المنعكسة reflected pulse وتكون مدتها الزمنية قصيرة جداً لا تتجاوز 30 ميكروثانية. تتكرر هذه العملية بمعدل 100 نبضة في الثانية ويمكن أن بتغير هذا الرقم ليصل إلى 25 نبضة في الثانية أو يزيد إلى 1000 نبضة في الثانية حسب الشركة المصنعة.
كيف يستطيع جهاز الكشف عن المعادن الكشف عن المعادن بهذه التقنية؟
عندما يكون الكاشف فوق جسم معدني فإن النبضة الكهربية تنتج مجالاً مغناطيسياً في الجسم. وعندما تلاشي النبضة المغناطيسية وتسبب في النبضة المنعكسة reflected pulse فإن المجال المغناطيسي الإضافي الناتج عن الجسم المعدني سوف يعمل على زيادة زمن بقاء النبضة المنعكسة. هذه العملية تشبه تماماً ظاهرة صدى الصوت فكلما زادت العواكس (الجدران) فإن صدى الصوت يستمر لفترة أطول.
باستخدام دائرة الكترونية تراقب الفترة الزمنية للنبضة المنعكسة يمكن للدائرة تحديد إذا ما كان هناك مجالاً مغناطيسياً إضافيا بسبب زيادة زمن بقاء النبضة المنعكسة. فإذا ما كان الزمن يزيد عن القيمة المتوقعة فإن الجهاز يرسل إشارة كهربية تتحول عبر دائرة كهربية لتكبر وترسل إلى دائرة تصدر صوتاً منبها بوجود جسم معدني في المنطقة التي يكشف عنها في الأرض.
مزايا وعيوب تقنية النبض المغناطيسي الحثي
الكواشف التي تعمل بتقنية النبض المغناطيسي الحثي كما ذكرنا في البداية لا تستطيع التميز بين أنواع المعادن لان الفترة الزمنية للنبضة المنعكسة لا يختلف كثيراً بين المعادن. ولكن تعتبر هذه التقنية مفيدة جداً في الحالات التي لا يمكن استخدام الكواشف التي تعمل بتقنية الترددات المنخفضة نتيجة لطبيعة الأرض التي تتفحصها فإذا ما كانت الأرض تحتوي على مواد ذات موصلية عالية يفضل استخدام كواشف النبض المغناطيسي الحثي، كما أن هذه الكواشف تستطيع الكشف عن معادن على مسافات أعمق من تلك التي تستطيع الأنظمة الأخرى رصدها.
ثالثاً: تقنية النبضات التذبذبية Beat-frequency oscillation _ BFO
تعتبر تقنية النبضات التذبذبية من أسهل التقنيات المستخدمة في الكشف عن المعادن. حيث تستخدم ملف كبير عند طرف البحث وملف آخر اصغر موجود داخل صندوق التحكم. وكل ملف موصول بمذبذب يولد آلاف النبضات في الثانية.
يصدر الملف موجات راديو يستقبلها جهاز استقبال في صندوق التحكم ويحولها إلى إشارة صوتية نسمعها على شكل نبضات تنتج عن الاختلاف في التردد بالملفين.
عندما يكون الملف الكبير فوق جسم معدني فإن مجال مغناطيسي يتولد نتيجة للتيار الكهربي الذي يسري في الملف. يتداخل المجال المغناطيسي الصادر عن الجسم المعدني مع أمواج الراديو ، وهذا يؤدي إلى انحراف في التردد لأمواج الراديو واختلافها عن أمواج الراديو الصادرة عن الملف الموجود في صندوق التحكم مما يتولد عن ذلك نبضات مسموعة لها نغمة مميزة.
ولبساطة فكرة تقنية النبضات التذبذبية فإن الكثير من المنتجين اعتمدوا هذه التقنية لأجهزة الكشف عن المعادن لقلة تكلفتها وإمكانية شراءها من قبل أي شخص واستخدامها كأداة من الأدوات المنزلية. لكن يجب التنويه إلى أن دقة وحساسية هذه الأجهزة اقل من تلك التي تعتمد التقنيات السابقة الذكر.
أجهزة الكشف عن المعادن تعمل بكفاءة للكشف عن الأجسام المعدنية المدفونة في باطن الأرض. ولكن يجب الانتباه إلى أن هذه الأجهزة لا يتجاوز مدى حساسيتها عمق 30 سم ومقدار العمق يعتمد على عدة عوامل هي:
(1) نوع كاشف المعادن
(2) نوع المعدن الذي نبحث عنه
(3) حجم الجسم المعدني وأبعاده
(4) طبيعة التربة
(5) التداخل بين الجسم والأجسام المحيطة به
يعتبر الكثيرون الكشف عن المعادن هواية ويجمعهم أندية خاصة للقيام ببعض النشاطات مثل
(1) البحث عن النقود
(2) البحث عن المعادن الثمينة كالذهب والفضة
(3) تتبع الأثر
الاستخدام في أنظمة الأمان والسلامة والحماية
بالإضافة إلى الاستخدامات المتعددة لأجهزة كشف المعادن بتقنياتها المختلفة فإن هناك استخدامات أخرى وهامة. فإن أجهزة المراقبة المثبتة على مداخل المؤسسات الهامة كالمطارات تستخدم أجهزة الكشف عن المعادن التي تعمل بتقنية النبض المغناطيسي الحثي كما أن أجهزة التفتيش اليدوية التي يستخدمها رجال الأمن تستخدم أجهزة كشف عن المعادن تعمل بتقنية النبضات التذبذبية.
بعض التطبيقات الهامة لكاشفات المعادن:
امن المطارات: يستخدم بوابات تكشف عن المعادن قبل الصعود للطائرة.
امن المباني: تستخدم أيضا بوابات تكشف عن المعادن للزوار قبل دخولهم للمبنى.
البحث عن المفقودات: فيمكن لأي شخص استخدام جهاز الكشف عن المعادن للبحث عن قطعة مجوهرات مفقودة.
الكشف عن الآثار: تستخدم في الكشف عن معادن لها أهمية تاريخية.
الكشف الجيولوجي: تستخدم في فحص جيولوجي للتربة والصخور.
الموسوعة الحرة
عالم ترميم الاثار
تعليقات
إرسال تعليق