Sóng siêu âm và những vấn đề liên quan

Sóng siêu âm là gì? Nguồn gốc của sóng siêu âm. Tính chất. Sự hấp thu và độ xuyên sâu của siêu âm.

” Sóng siêu âm ” một khái niệm được nhắc đến nhiều kể cả trong học tập cũng như trong đời sống hằng ngày. Tuy nhiên, hầu hết mọi người đều chỉ nghe qua chứ chưa thật sự định nghĩa hoặc hiểu rõ được sóng siêu âm là gì, có tính chất như thế nào và nó được vận dụng để làm gì. 

Nhằm chia sẽ đến mọi người những kiến thức cần thiết về sóng siêu âm, Metrotech đã nghiên cứu và cho ra đời bài viết về Sóng siêu âm và những vấn đề cơ bản liên quan. Vậy hãy cùng Metrotech hiểu hơn về Sóng siêu âm qua bài viết dưới đây nhé.

SÓNG SIÊU ÂM LÀ GÌ?

Nguồn gốc sóng siêu âm
Nguồn gốc sóng siêu âm

Âm thanh được tạo ra bởi các dao động cơ học của các phân tử trong môi trường đàn hồi. Những dao động này lan truyền dưới dạng sóng và chỉ khi tần số dao động nằm trong khoảng từ 20Hz đến 20.000Hz thì tai người mới có thể cảm nhận được.

Các âm thanh có tần số thấp hơn 20 Hz được phân loại là hạ âm, còn những âm có tần số cao hơn 20.000 Hz được gọi là siêu âm. Phạm vi tần số mà tai người có thể cảm nhận được nằm giới hạn trong khoảng giữa hai loại âm này.

Ứng dụng siêu âm trong điều trị chủ yếu tập trung vào dải tần số từ 0,7 đến 3 MHz. Ngược lại, để đạt được độ phân giải cao trong chẩn đoán, người ta thường sử dụng siêu âm có tần số cao hơn, lên đến trên 10 MHz.

NGUỒN GỐC CỦA SÓNG SIÊU ÂM

  • Trong y học, sóng siêu âm được sinh ra từ một thiết bị phát sóng cao tần. Dòng điện xoay chiều với tần số cực cao được tạo ra và truyền đến đầu dò. Tại đây, năng lượng điện được chuyển đổi thành dao động cơ học thông qua các tinh thể áp điện, tạo ra sóng âm có cùng tần số với dòng điện kích thích.
  • Sóng siêu âm cũng đươc tạo ra bằng cực hàn sonotrode. Dựa trên nguyên lý áp điện, khi tiếp xúc với điện trường cao tần, tinh thể áp điện trong cực hàn sẽ giãn nở và co lại liên tục, tạo ra dao động cơ học truyền vào vật liệu cần xử lý và sinh ra sóng siêu âm.

PHÂN LOẠI SÓNG SIÊU ÂM

Có hai cách phân loại sóng siêu âm cơ bản:

Phân loại theo phương dao động

  • Sóng ngang: Sóng ngang là loại sóng mà các phần tử môi trường dao động theo phương vuông góc với hướng truyền sóng. Loại sóng này đặc trưng cho các môi trường có tính đàn hồi cao như chất rắn.
  • Sóng dọc: Ngược với sóng ngang, Sóng dọc là loại sóng mà các phần tử môi trường dao động cùng phương với hướng truyền sóng. Loại sóng này thường xuất hiện trong các môi trường có thể bị nén hoặc giãn, như chất rắn, khí và chất lỏng.

Phân loại theo tần số của sóng siêu âm

  • Siêu âm tần số thấp: Có tần số từ 20kHz đến 100kHz, thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp như làm sạch, hàn, cắt…
  • Siêu âm tần số trung bình: Có tần số từ 100kHz đến 1MHz, được sử dụng rộng rãi trong y học để chẩn đoán hình ảnh.
  • Siêu âm tần số cao: Có tần số trên 1MHz, được sử dụng trong các ứng dụng đo lường chính xác, kiểm tra vật liệu không phá hủy…

TÍNH CHẤT CỦA SÓNG SIÊU ÂM

Tính chất sóng siêu âm
Tính chất sóng siêu âm

Sóng siêu âm có các tính chất cơ bản sau:

  • Siêu âm là sóng dọc lan truyền trong môi trường đàn hồi, gây ra những biến đổi tuần hoàn về mật độ và áp suất. Do đặc tính lan truyền theo phương thẳng góc với mặt sóng, siêu âm không thể tồn tại trong chân không. Biên độ của sóng siêu âm, thể hiện qua sự chênh lệch áp suất cực đại và cực tiểu, tỉ lệ thuận với tần số của sóng.
  • Tốc độ truyền sóng siêu âm bị ảnh hưởng bởi tính chất vật lý của môi trường và nhiệt độ của môi trường đó. Môi trường khác nhau sẽ cho tốc độ truyền âm khác nhau. Ví dụ, trong không khí, sóng siêu âm truyền chậm hơn rất nhiều so với trong nước.
  • Cường độ âm của chùm siêu âm không đồng đều trong không gian. Vùng gần nguồn phát, nơi các tia siêu âm chưa bị phân kỳ, được gọi là vùng trường gần. Ở vùng xa hơn, do hiện tượng nhiễu xạ, các tia siêu âm bắt đầu tỏa ra theo nhiều hướng, tạo thành vùng trường xa.
  • Năng lượng siêu âm là động năng dao động và thế năng đàn hồi của các phần tử trong môi trường, có đơn vị là W. 

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA SIÊU ÂM

Sóng siêu âm là một dạng sóng cơ học đặc biệt, có tần số dao động vượt quá khả năng cảm nhận của tai người. Với tần số cao hơn nhiều so với âm thanh thông thường, sóng siêu âm tạo ra những dao động mạnh mẽ và tập trung hơn, cho phép chúng ta khai thác nhiều tính chất độc đáo của chúng. Dù vậy, về bản chất, sóng siêu âm vẫn tuân theo các quy luật chung của sóng cơ học.

Sóng siêu âm lan truyền trong môi trường dưới dạng sóng dọc, với các phần tử môi trường dao động theo phương trùng với phương truyền sóng. Quá trình truyền sóng siêu âm bao gồm các pha nén và giãn xen kẽ nhau. Tần số của sóng siêu âm, được định nghĩa là số lần dao động đầy đủ của một phần tử trong một giây, đặc trưng cho mức độ nhanh chậm của quá trình này và được đo bằng đơn vị hertz.

Bước sóng của sóng siêu âm là khoảng cách giữa hai điểm gần nhau nhất trên phương truyền sóng mà dao động cùng pha với nhau. Nói một cách đơn giản hơn, đó là khoảng cách giữa hai đỉnh sóng liên tiếp hoặc hai đáy sóng liên tiếp.

SỰ HẤP THU VÀ ĐỘ XUYÊN SÂU CỦA SIÊU ÂM

  • Năng lượng siêu âm dưới dạng sóng cơ truyền qua môi trường sinh học và tương tác với các cấu trúc tế bào, gây ra các hiệu ứng sinh học. Do sự hấp thụ và tán xạ của mô, cường độ của sóng siêu âm giảm dần theo độ sâu, dẫn đến giảm hiệu quả tác động.
  • Hệ số hấp thu của sóng siêu âm trong một môi trường tỉ lệ thuận với bình phương tần số. Điều này có nghĩa là khi tần số tăng gấp đôi, năng lượng bị hấp thụ sẽ tăng gấp bốn lần. Do đó, độ sâu mà sóng siêu âm có thể truyền đi mà không bị suy giảm quá nhiều cường độ là hữu hạn và phụ thuộc vào tần số.
  • Khi sóng siêu âm gặp ranh giới giữa hai môi trường khác nhau, một phần năng lượng của sóng sẽ bị phản xạ trở lại. Mức độ phản xạ này phụ thuộc vào sự khác biệt về tính chất vật lý của hai môi trường, cụ thể là sự khác biệt về kháng âm.

ỨNG DỤNG CỦA SÓNG SIÊU ÂM

Ứng dụng sóng siêu âm
Ứng dụng sóng siêu âm

Kiểm tra khuyết tật cơ khí

  • Sóng siêu âm được dùng để kiểm tra khuyết tật cơ khí vì nó có khả năng phát hiện những chi tiết nhỏ trong kim loại chẳng hạn như chân vịt, cánh quạt,…
  • Theo đó, hoạt động của chúng là phát hiện ra những vết nứt, rỗ bên trong kim loại, sóng sẽ phản xạ không bình thường.
  • Trong công nghiệp, sóng siêu âm được dùng để phát hiện chất lượng mối hàn, lỗi sản phẩm hoặc độ dày mỏng của sản phẩm.

Ứng dụng trong y học

  • Sóng siêu âm đã được ứng dụng trong ngành y tế để hỗ trợ điều trị bệnh trên cơ thể người.
  • Sử dụng sóng siêu âm giúp bác sĩ phát hiện, chẩn đoán được bệnh bên trong bộ phận cơ thể và phân tích tình trạng nguy hiểm của bệnh.
  • Hoạt đông của sóng siêu âm là phát hiện ra các bộ phận không giống bình thường và phát tín hiệu hồi âm phản xạ.
  • Ngoài ra, sóng siêu âm còn được ứng dụng để chẩn đoán tình trạng thai nhi trong bụng mẹ trong quá trình mang thai

Tại sao tần số sóng siêu âm trong y học lại quan trọng?

  • Độ phân giải:
    • Tần số cao: Cho phép tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao, chi tiết hơn, đặc biệt hữu ích khi quan sát các cấu trúc nhỏ như mạch máu, các mô mềm.
    • Tần số thấp: Thích hợp cho việc khám các cấu trúc sâu trong cơ thể vì chúng có khả năng xuyên qua các mô dày hơn.
  • Độ thâm nhập:
    • Tần số cao: Sóng siêu âm có tần số cao bị hấp thụ nhanh hơn bởi các mô, do đó độ thâm nhập kém hơn.
    • Tần số thấp: Sóng siêu âm có tần số thấp có thể xuyên qua các mô sâu hơn, nhưng độ phân giải hình ảnh lại kém hơn.

Phạm vi tần số sử dụng trong y học

Tần số sóng siêu âm sử dụng trong y học thường dao động từ 2 MHz đến 18 MHz.

  • Siêu âm tần số thấp (2-5 MHz): Thường được sử dụng để khám các cơ quan sâu trong bụng như gan, thận, tử cung, buồng trứng.
  • Siêu âm tần số cao (7-18 MHz): Thường được sử dụng để khám các cấu trúc nông như tuyến giáp, tuyến vú, khớp, gân.
Ứng dụng trong y học
Ứng dụng trong y học

Ứng dụng sóng siêu âm trong thám hiểm

  • Sóng siêu âm được dùng làn công cụ hỗ trợ để dùng ở những nơi địa hình hiểm trở, những đáy sâu đại dương hoặc khu vực rừng núi hiểm hóc,…
  • Chẳng hạn khi ở dưới nước sóng siêu âm có khả năng truyền thẳng và chính xác theo một phương hướng nhất định, có khi truyền xa đến vài km. Khi đó, sóng siêu âm tỏa ra chùm tia hẹp theo một hướng, khi gặp vật cản sóng sẽ tự động phản xạ theo hướng cũ.
  • Ngày nay người ta dùng sóng siêu âm trong việc phát hiện các tài nguyên biển quý giá, đánh bắt thủy hải sản quý giá hoặc cảnh báo khi có núi băng, bãi ngầm,…

Ứng dụng của sóng siêu âm trong việc làm sạch

  • Ứng dụng để làm sạch là một ứng dụng phổ biến của sóng siêu âm, được sử dụng phổ biến trong các phòng thí nghiệm,…
  • Sóng siêu âm giúp làm sạch các chi tiết nhỏ và khó tẩy rửa trong thời gian ngán. Ứng dụng này đem lại sự tiện lợi và an toàn cho người sử dụng.
  • Bên cạnh đó, sóng siêu âm còn được ứng dụng trong ngành công nông nghiệp hay hoá học phân tích.

Sử dụng sóng siêu âm tần số thấp để tiền xử lí bùn hữu cơ

  • Trong xử lý nước thải, phân hủy yếm khí là một kỹ thuật thường được sử dụng để xử lý bùn, ổn định chất rắn và tạo ra khí biogas. Tuy nhiên, phân hủy yếm khí thường diễn ra chậm, sự thủy phân các chất hữu cơ dạng hạt trong bùn bị hạn chế, nếu như không có phương pháp giúp quá trình này diễn ra thuận lợi thì sẽ khó khăn trong các công đoạn sau.
  • Để giải quyết được vấn đề này người ta sử dụng sóng siêu âm để tiền xử lý bùn trước khi phân hủy yếm khí nhằm giúp cho quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ diễn ra nhanh hơn, nâng cao hiệu suất xử lý, rút ngắn thời gian lưu, tiết kiệm được chi phí.

TÁC HẠI CỦA SÓNG SIÊU ÂM

Mặc dù có nhiều lo ngại về tác hại của sóng siêu âm, nhưng cho đến nay, các nghiên cứu khoa học chưa tìm thấy bằng chứng rõ ràng về việc sóng siêu âm gây ra những tác hại nghiêm trọng đối với sức khỏe con người.

Tại sao lại có những lo ngại này?

  • Mức độ phơi nhiễm: Người ta lo lắng rằng việc tiếp xúc quá nhiều với sóng siêu âm có thể gây hại. Tuy nhiên, cường độ sóng siêu âm sử dụng trong các thiết bị y tế được kiểm soát chặt chẽ và ở mức an toàn.
  • Hiệu ứng nhiệt: Một số người cho rằng sóng siêu âm có thể làm tăng nhiệt độ mô, gây tổn thương. Tuy nhiên, mức tăng nhiệt này thường rất nhỏ và không đủ để gây hại.
  • Áp suất âm thanh: Một số nghiên cứu cho thấy áp suất âm thanh cao có thể gây tổn thương mô. Tuy nhiên, trong các ứng dụng y tế, áp suất âm thanh được điều chỉnh ở mức an toàn.

Những lưu ý khi sử dụng siêu âm:

  • Thời gian: Mặc dù an toàn, nhưng việc siêu âm quá nhiều và trong thời gian dài không được khuyến khích.
  • Cường độ: Cường độ sóng siêu âm phải được điều chỉnh phù hợp với từng trường hợp cụ thể.
  • Thiết bị: Nên sử dụng các thiết bị siêu âm hiện đại, đảm bảo chất lượng.

Qua bài viết này, Metrotech đã chia sẽ đến bạn những thông tin cơ bản nhất về Sóng siêu âm và những vấn đề liên quan. Hy vọng với những thông tin hữu ích này, bạn sẽ vận dụng vào công việc hoặc học tập, mang lại hiệu quả cao nhất. Ngoài ra, nếu bạn vẫn còn thắc mắc nào về khái niệm này thì hãy liên hệ ngay với chúng tôi, đội ngũ nhân viên chuyên nghiệp, có kiến thức chuyên môn cao sẽ luôn sẵn sàng hỗ trợ giải đáp thắc mắc cho bạn. Bên cạnh đó, nhằm hướng đến việc chia sẽ nhiều thông tin bổ ích khác đến mọi người, đội ngũ nhân viên Metrotech cũng sẽ hỗ trợ tư vấn hoặc giải đáp những vấn đề khác mà bạn cần khi bạn liên hệ với chúng tôi. Hãy để lại bình luận bên dưới bài viết này nhé.

 

Bài viết liên quan

Subscribe
Notify of
guest
0 Nhận xét
Phản hồi nội tuyến
Xem tất cả bình luận
Zalo
Hotline
Zalo
Hotline
Zalo Zalo
Hotline Hotline