คลื่นความถี่สูงหรืออัลตราโซนิก หรือคลื่นเหนือเสียง (Ultrasonic Wave หรือ Ultrasound) คือคลื่นที่มีความถี่สูงกว่าความถี่คลื่นเสียงสูงสุดที่มนุษย์ได้ยิน คือสูงกว่า 20,000 เฮิรตซ์ เนื่องจากความถี่แปรผกผันกับความยาวคลื่น ดังนั้น อัลตราโซนิกซึ่งเป็นคลื่นความถี่สูงจะมีความยาวคลื่นสั้นที่ความดันระดับบรรยากาศปกติ คลื่นความถี่สูงมีความยาวคลื่นเพียง 1.9 เซนติเมตรหรือน้อยกว่า โดยคลื่นความถี่สูงสามารถแพร่ผ่านตัวกลางได้ทั้งของแข็ง ของเหลว และแก๊ส อัตราเร็วของคลื่นความถี่สูงแพร่ผ่านตัวกลางขึ้นอยู่กับสมบัติของตัวกลางนั้น เช่น ความหนาแน่นของตัวกลาง โดยทั่วไปแล้วคลื่นต่าง ๆ รวมทั้งคลื่นความถี่สูงจะเคลื่อนที่ในตัวกลางที่เป็นของแข็งเร็วกว่าในของเหลว เนื่องจากของแข็งเป็นตัวกลางที่มีความหนาแน่นสูงกว่าของเหลว ทำทำนองเดียวกัน คลื่นความถี่สูงจะเคลื่อนที่ในตัวกลางที่เป็นของเหลวเร็วกว่าในแก๊ส เนื่องจากของเหลวเป็นตัวกลางที่มีความหนาแน่นสูงกว่าแก๊สนั่นเอง

เครื่องล้างคลื่นความถี่สูง (Ultrasonic Cleaner)
ภาพจาก: https://image.makewebeasy.net/makeweb/m_1920x0/Wqq5IpfGQ/DefaultData/03674601.jpg?v=202305101549

     คลื่นความถี่สูงหรืออัลตราโซนิก หรือคลื่นเหนือเสียง (Ultrasonic Wave หรือ Ultrasound) คือคลื่นที่มีความถี่สูงกว่าความถี่คลื่นเสียงสูงสุดที่มนุษย์ได้ยิน คือสูงกว่า 20,000 เฮิรตซ์ เนื่องจากความถี่แปรผกผันกับความยาวคลื่น ดังนั้น อัลตราโซนิกซึ่งเป็นคลื่นความถี่สูงจะมีความยาวคลื่นสั้นที่ความดันระดับบรรยากาศปกติ คลื่นความถี่สูงมีความยาวคลื่นเพียง 1.9 เซนติเมตรหรือน้อยกว่า โดยคลื่นความถี่สูงสามารถแพร่ผ่านตัวกลางได้ทั้งของแข็ง ของเหลว และแก๊ส อัตราเร็วของคลื่นความถี่สูงแพร่ผ่านตัวกลางขึ้นอยู่กับสมบัติของตัวกลางนั้น เช่น ความหนาแน่นของตัวกลาง โดยทั่วไปแล้วคลื่นต่าง ๆ รวมทั้งคลื่นความถี่สูงจะเคลื่อนที่ในตัวกลางที่เป็นของแข็งเร็วกว่าในของเหลว เนื่องจากของแข็งเป็นตัวกลางที่มีความหนาแน่นสูงกว่าของเหลว ในทำนองเดียวกัน คลื่นความถี่สูงจะเคลื่อนที่ในตัวกลางที่เป็นของเหลวเร็วกว่าในแก๊ส เนื่องจากของเหลวเป็นตัวกลางที่มีความหนาแน่นสูงกว่าแก๊สนั่นเอง

ภาพ 1 ช่วงความถี่ของคลื่นความถี่สูง
มาจาก https://www.quora.com/What-would-we-be-able-to-hear-at-the-infrasonic-and-ultrasonic-range

คลื่นความถี่สูงสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้อย่างหลากหลาย ตัวอย่างเช่น ในวงการแพทย์

     1. การสร้างภาพด้วยคลื่นความถี่สูง (Ultrasonic Imaging) ซึ่งคนไทยอาจจะรู้จักกันดีคือการอัลตราซาวด์ (Ultrasound) กระบวนการสร้างภาพด้วยวิธีนี้ทำให้บุคลากรทางการแพทย์สามารถมองเห็นอวัยวะภายใน เนื้อเยื่อภายใน และการไหลของเลือดตามเวลาจริง (Real Time) วิธีการนี้ใช้บ่อยในสูติศาสตร์ (Obstetrics) และนรีเวชวิทยา (Gynecology) สำหรับการเฝ้าสังเกตการตั้งครรภ์ (Pregnancy)

     2. การใช้คลื่นความถี่สูงแบบความเข้มสูง (High Intensity Focused Ultrasound หรือ HIFU) มาใช้ลดการลุกลามของเซลล์มะเร็ง โดยใช้ทำลายเซลล์มะเร็ง ซึ่งวิธีนี้ใช้การวิเคราะห์การรักษาร่วมกับเอ็มอาร์ไอ หรือการสร้างภาพด้วยเรโซแนนซ์แม่เหล็ก (Magnetic Resonance Imaging: MRI) ซึ่งการรักษาวิธีนี้ช่วยลดโอกาสภาวะแทรกซ้อนเทียบกับวิธีการอื่น ๆ เช่น การใช้เคมีบำบัด

     3. การบำบัดด้วยคลื่นความถี่สูง (Ultrasonic Therapy) ใช้สำหรับการกายภาพบำบัดและการฟื้นฟูเพื่อการสมานแผลของเนื้อเยื่อ (Tissue Healing) และการลดการเจ็บปวด โดยใช้คลื่นความถี่สูงแบบความเข้มต่ำไปยังบริเวณที่ต้องการรักษาจะช่วยลดการอักเสบ เพิ่มการไหลของเลือด เป็นการเร่งกระบวนการสมานแผล

ภาพ 2 หลักการทำงานของเครื่องล้างคลื่นความถี่สูง
มาจาก https://tangibleday.com/are-ultrasonic-cleaners-worth-it/

     ในวงการแพทย์ยังมีการใช้คลื่นความถี่สูงในการทำความสะอาดอุปกรณ์ทางการแพทย์ต่าง ๆ อีกด้วย โดยเราเรียกอุปกรณ์นี้ว่าเครื่องล้างคลื่นความถี่สูง แท้จริงแล้วอุปกรณ์นี้ยังถูกนำไปใช้ในหลายวงการ เช่น วงการอัญมณีเพื่อทำความสะอาดอัญมณีต่าง ๆ ซึ่งวิธีการทำความสะอาดปกติมีประสิทธิภาพด้อยกว่าวิธีการดังกล่าว การทำความสะอาดอุปกรณ์เครื่องดนตรี

     เครื่องล้างคลื่นความถี่สูง (Ultrasonic Cleaner) คือเครื่องมือที่ใช้ประโยชน์จากคลื่นความถี่สูงในการทำความสะอาดและกำจัดสิ่งปนเปื้อนจากวัสดุที่หลากหลาย โดยเป็นการกำจัดสิ่งปนเปื้อนที่ติดกับพื้นผิว เครื่องล้างคลื่นความถี่สูงมีใช้ในหลากหลายวงการ เช่น วงการการแพทย์ วงการอุตสาหกรรมการผลิต (Manufacturing) วงการเครื่องเพชรพลอย (Jewelry) วงการรถยนต์ วงการอิเล็กทรอนิกส์ เครื่องล้างคลื่นความถี่สูงมีปริมาตรความจุภายในของอ่างล้างที่หลากหลายตั้งแต่ 0.5 - 1,000 ลิตร

     เครื่องล้างคลื่นความถี่สูงใช้หลักการของฟิสิกส์โดยมีกระบวนการสร้างคลื่นความถี่สูงในตัวกลางที่เป็นของเหลว ซึ่งจะไปสร้างฟองอากาศ (Bubble) ขนาดเล็กมาก ๆ ฟองอากาศเหล่านี้จะแตกบริเวณพื้นผิวที่ต้องการทำความสะอาด กระบวนการนี้เรียกว่าการเกิดโพรงอากาศ (Cavitation) ทำให้เกิดความดันสูงต่อพื้นผิวบริเวณที่มีสิ่งปนเปื้อนติดอยู่ ทำให้สิ่งปนเปื้อน คราบสกปรกต่าง ๆ หลุดออกมา โดยเมื่อเราแช่วัสดุที่ต้องการทำความสะอาดลงในอ่างที่มีตัวกลางเป็นของเหลวที่เป็นสารชะล้างจะสามารถช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการทำความสะอาด เมื่อเปิดการทำงานของเครื่อง ตัวกำเนิดคลื่นความถี่สูง (Ultrasonic Transducer) ที่อาจใช้ผลึกควอทซ์ เมื่อผลึกได้รับกระแสไฟฟ้าจะสร้างความถี่ที่คงที่ ตัวกำเนิดคลื่นความถี่สูงจะติดอยู่กับแผ่นโลหะและวงจรไฟฟ้าที่ทำให้สามารถเปลี่ยนแปลงคลื่นความถี่ได้ สุดท้ายจะส่งคลื่นไปยังอ่างล้าง ทำให้ตัวกลางซึ่งมีวัตถุที่ต้องการทำความสะอาดแช่อยู่ได้รับคลื่นความถี่สูง สร้างฟองอากาศขนาดใหญ่และขนาดเล็ก เมื่อฟองอากาศจำนวนมหาศาลเหล่านี้เพิ่มขนาดขึ้นเรื่อย ๆ และแตกออก การแตกของฟองอากาศเหล่านี้จะสร้างความดันสูง ทำให้เกิดแรงดันของของเหลว (Hydrostatic Pressure) กระทบกับสิ่งปนเปื้อนที่ติดอยู่กับพื้นผิวของวัสดุด้วยความดันที่สูงถึงประมาณ 1,300 atm นอกจากนี้ คลื่นความถี่สูงยังทำให้เกิดความร้อนในตัวกลางที่เป็นของเหลว ทำให้สารปนเปื้อน คราบสกปรกบางส่วนละลายออกมาด้วย ประสิทธิภาพของการทำความสะอาดขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย เช่น ความถี่ อุณหภูมิ ระยะเวลาในการทำความสะอาด ชนิดของวัสดุที่นำมาทำความสะอาด และชนิดของสิ่งปนเปื้อนที่ติดอยู่กับผิววัสดุ

ภาพ 3 การเกิดโพรงอากาศ (cavitation)
มาจาก https://tangibleday.com/are-ultrasonic-cleaners-worth-it/

ภาพจาก https://www.pinterest.com/pin/773915517201680784/

     อย่างไรก็ตาม เครื่องล้างคลื่นความถี่สูงมีข้อจำกัดในการใช้งานกับบางอุปกรณ์ เช่น อุปกรณ์ระบบเครื่องกลไฟฟ้าจุลภาค (MEMS ย่อมาจาก Micro-electromechanical Systems) ไจโรสโคป (Gyroscope หมายถึงอุปกรณ์ที่อาศัยความเฉื่อยของล้อหมุนเพื่อช่วยรักษาทิศทางของแกนหมุน ประกอบด้วยล้อหมุนเร็วบรรจุอยู่ในกรอบอีกทีหนึ่ง ทำให้เอียงในทิศทางต่าง ๆ ได้โดยอิสระ โดยจะชี้ทิศทางเดิมถ้าไม่มีทอร์กมากระทำ) มาตรความเร่ง (Accelerometers) อุปกรณ์เหล่านี้อาจเสียหายหรือถูกทำลายได้ถ้านำมาทำความสะอาดโดยใช้เครื่องล้างคลื่นความถี่สูง ผู้ใช้งานควรตรวจสอบวัสดุและอุปกรณ์ที่นำมาทำความสะอาดก่อนทุกครั้ง และใช้งานด้วยความระมัดระวัง

บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของนิตยสาร สสวท. ปีที่ 52 ฉบับที่ 248 พฤษภาคม – มิถุนายน 2567

ผู้อ่านสามารถติดตามบทความที่น่าสนใจเพิ่มเติมได้ที่ https://emagazine.ipst.ac.th/248/34/

บรรณานุกรม

Cavitation in Ultrasonic Cleaning and Cell Disruption. สืบค้นเมื่อ 4 กรกฎาคม 2567. จาก https://www.megasonics.com/Cavitation.pdf

การเกิดโพรง. สืบค้นเมื่อ 24 มิถุนายน 2567. จาก https://tangibleday.com/are-ultrasonic-cleaners-worth-it/.

ชูชาติ อารีจิตรานุสรณ์. (2544). เครื่องมือวิทยาศาสตร์ (Scientific instruments). ขอนแก่น: โรงพิมพ์คลังนานาวิทยา.

ช่วงความถี่ของคลื่นความถี่สูง. สืบค้นเมื่อ 24 มิถุนายน 2567. จาก https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry/mechanical-wave.

หลักการทำงานของเครื่องล้างคลื่นความถี่สูง. สืบค้นเมื่อ 24 มิถุนายน 2567. จาก https://tangibleday.com/are-ultrasonic-cleaners-worth-it/.