Công nghệ siêu âm và ứng dụng trong đời sống (Phần 1)

Thuật ngữ âm thanh được áp dụng cho các sóng siêu âm có biên độ rất cao. Hypersound, đôi khi được gọi là pháp quan hoặc sóng siêu âm, là sóng âm thanh có tần số lớn hơn 10 13 hertz. Ở tần số cao như vậy, rất khó để sóng âm có thể lan truyền một cách hiệu quả; thực sự, trên một tần số khoảng 1,25 × 10 13 hertz thì sóng dọc không thể lan truyền hoàn toàn, ngay cả trong chất lỏng hoặc chất rắn, bởi vì các phân tử của vật liệu mà sóng truyền đi không thể truyền dao động theo một cách đủ nhanh.

Nhiều động vật có khả năng nghe được âm thanh trong dải tần số siêu âm của con người. Vì dụ điển hình là gián và các loài gặm nhấm với tần số trong vùng 40 kilohertz.

Cấu tạo máy tạo sóng siêu âm

Một đầu dò siêu âm là một thiết bị được sử dụng để chuyển đổi một số dạng năng lượng khác thành một rung động siêu âm. Có một số loại cơ bản, được phân loại theo nguồn năng lượng và theo môi trường mà sóng được tạo ra. Các thiết bị cơ khí bao gồm đầu dò điều khiển bằng khí, hoặc khí nén, chẳng hạn như còi cũng như các bộ chuyển đổi hướng chất lỏng như bộ dao động thủy động và bộ dao động. Các thiết bị này, được giới hạn ở tần số siêu âm thấp, có một số ứng dụng công nghiệp, bao gồm làm khô, làm sạch bằng sóng siêu âm và phun dầu nhiên liệu vào đầu đốt. Bộ chuyển đổi điện cơ linh hoạt hơn nhiều và bao gồm các thiết bị áp điện và từ trở. Một bộ chuyển đổi từ tính sử dụng một loại vật liệu từ trong đó từ trường dao động tác dụng ép các nguyên tử của vật liệu lại với nhau, tạo ra sự thay đổi tuần hoàn về chiều dài của vật liệu và do đó tạo ra dao động cơ học tần số cao. Đầu dò từ tính được sử dụng chủ yếu ở dải tần số thấp hơn và phổ biến trong các ứng dụng tẩy rửa siêu âm và gia công siêu âm.

Cho đến nay, loại đầu dò siêu âm phổ biến và linh hoạt nhất là tinh thể áp điện , biến điện trường dao động đặt vào tinh thể thành dao động cơ học. Tinh thể áp điện bao gồm thạch anh, muối Rochelle và một số loại gốm. Các đầu dò áp điện được sử dụng dễ dàng trên toàn bộ dải tần và ở tất cả các mức đầu ra. Các hình dạng cụ thể có thể được chọn cho các ứng dụng cụ thể. Ví dụ, một hình đĩa cung cấp một sóng siêu âm mặt phẳng, trong khi uốn cong bề mặt bức xạ theo hình dạng hơi lõm hoặc hình bát tạo ra một sóng siêu âm sẽ hội tụ tại một điểm cụ thể.

Các đầu dò áp điện và từ trở cũng được sử dụng như máy thu siêu âm, thu nhận rung động siêu âm và chuyển nó thành dao động điện.

Ứng dụng trong nghiên cứu

Một trong những lĩnh vực nghiên cứu khoa học quan trọng trong đó sóng siêu âm có tác động to lớn là sự xâm thực . Khi nước sôi , bọt khí hình thành ở đáy bình, nổi lên trong nước, sau đó xẹp xuống, dẫn đến tiếng nước sôi. Quá trình sôi và những âm thanh thu được đã thu hút mọi người kể từ lần đầu tiên chúng được quan sát, và chúng là đối tượng nghiên cứu và tính toán đáng kể của các nhà vật lý người AnhOsborne Reynolds vàLord Rayleigh , người đã áp dụng thuật ngữ cavitation vào quá trình hình thành bong bóng. Bởi vì sóng siêu âm có thể được sử dụng một cách cẩn thận để kiểm soát sự xâm thực, siêu âm đã là một công cụ hữu ích trong việc khảo sát quá trình này. Nghiên cứu về cavitation cũng đã cung cấp thông tin quan trọng về lực giữa các phân tử.

Một chủ đề nghiên cứu đương đại liên quan đến sự phát xạ ánh sáng khi khoang tạo ra bởi sóng siêu âm cường độ cao sụp đổ. Hiệu ứng này, được gọi là quá trình phát quang , có thể tạo ra nhiệt độ tức thời nóng hơn bề mặt của Mặt trời.

Tốc độ lan truyền của sóng siêu âm phụ thuộc nhiều vào độ nhớt của môi trường. Tính chất này có thể là một công cụ hữu ích trong việc khảo sát độ nhớt của vật liệu. Bởi vì các bộ phận khác nhau của tế bào sống được phân biệt bằng độ nhớt khác nhau, kính hiển vi âm học có thể sử dụng đặc tính này của tế bào để “nhìn” vào tế bào sống, như sẽ được thảo luận bên dưới trong các ứng dụng y tế .

Xem thêm:

Công nghệ siêu âm và ứng dụng trong đời sống (Phần 2)

Công nghệ siêu âm và ứng dụng trong đời sống (Phần 3)