Công nghệ sóng siêu âm và ứng dụng thực tế (Phần 2)

Con người và các loài động vật có khả năng nghe được âm thanh ở các tần số khác nhau

Ứng dụng sóng siêu âm trong kiểm soát và điều hướng

Sonar (định vị âm thanh và phạm vi) có các ứng dụng hàng hải rộng rãi. Bằng cách phát ra các xung âm thanh hoặc siêu âm và đo thời gian cần thiết để các xung phản xạ khỏi một vật thể ở xa và quay trở lại nguồn, vị trí của vật thể đó có thể được xác định và theo dõi chuyển động của nó. Kỹ thuật này được sử dụng rộng rãi để xác định vị trí và theo dõi tàu ngầm trên biển và xác định vị trí mìn nổ dưới mặt nước. Hai tàu thuyền tại các địa điểm đã biết cũng có thể sử dụng phương pháp tam giác để xác định vị trí và theo dõi chiếc thuyền hoặc tàu ngầm thứ ba. Khoảng cách mà các kỹ thuật này có thể được sử dụng bị giới hạn bởi độ dốc nhiệt độ trong nước, làm cong chùm tia ra khỏi bề mặt và tạo ra các vùng bóng tối. Một trong những ưu điểm của sóng siêu âm so với sóng âm trong các ứng dụng dưới nước là do tần số cao hơn (hoặc bước sóng ngắn hơn), sóng siêu âm sẽ truyền đi khoảng cách xa hơn với ít nhiễu xạ hơn.

Ranging cũng đã được sử dụng để lập bản đồ đáy đại dương, cung cấp các biểu đồ độ sâu thường được sử dụng trong hàng hải , đặc biệt là gần bờ biển và ở các vùng nước nông. Ngay cả những chiếc thuyền nhỏ hiện nay cũng được trang bị các thiết bị đo âm thanh xác định và hiển thị độ sâu của nước để người điều hướng có thể giữ cho thuyền không lao vào các bãi cát ngập nước hoặc các điểm nông khác. Các tàu đánh cá hiện đại sử dụng các thiết bị sóng siêu âm để xác định vị trí các trường cá, làm tăng đáng kể hiệu quả của chúng .

Ngay cả khi không có ánh sáng nhìn thấy, dơi có thể hướng dẫn chuyến bay của chúng và thậm chí xác định vị trí của côn trùng bay (mà chúng tiêu thụ trong chuyến bay) thông qua việc sử dụng các loại âm thanh. Siêu âm định vị bằng tiếng vang cũng đã được sử dụng trong các ứng dụng điều khiển lưu lượng và đếm và phân loại các mặt hàng trên dây chuyền lắp ráp. Phạm vi siêu âm cung cấp nền tảng của hệ thống mắt và thị lực cho robot, và nó có một số ứng dụng y tế quan trọng.

Các hiệu ứng Doppler

Nếu một sóng siêu âm bị phản xạ khỏi một chướng ngại vật chuyển động, tần số của sóng thu được sẽ bị thay đổi, hoặc Doppler bị dịch chuyển. Cụ thể hơn, nếu vật cản di chuyển về phía nguồn, tần số của sóng phản xạ sẽ tăng lên; và nếu vật cản di chuyển ra xa nguồn, tần số của sóng phản xạ sẽ giảm. Số lượng của sự thay đổi tần số có thể được sử dụng để xác định vận tốc của chướng ngại vật chuyển động. Cũng giống như sự dịch chuyển Doppler đối với radar, một sóng điện từ , có thể được sử dụng để xác định tốc độ của một chiếc ô tô đang chuyển động, do đó, tốc độ của một chiếc tàu ngầm đang di chuyển có thể được xác định bởi sự dịch chuyển Doppler của chùm sóng sonar. Một ứng dụng công nghiệp quan trọng là sóng siêu âm đồng hồ đo lưu lượng , trong đó phản xạ sóng siêu âm từ chất lỏng đang chảy dẫn đến dịch chuyển Doppler được hiệu chỉnh để cung cấp tốc độ dòng chảy của chất lỏng. Kỹ thuật này cũng đã được áp dụng cho lưu lượng máu trong động mạch.

Kiểm tra vật liệu

Kiểm tra không phá hủy liên quan đến việc sử dụng định vị bằng tiếng vang siêu âm để thu thập thông tin về tính toàn vẹn của các cấu trúc cơ học. Vì những thay đổi trong vật liệu dẫn đến sự không phù hợp trở kháng mà từ đó sóng siêu âm bị phản xạ, nên kiểm tra siêu âm có thể được sử dụng để xác định lỗi, lỗ, vết nứt hoặc sự ăn mòn trong vật liệu, để kiểm tra mối hàn, xác định chất lượng bê tông đổ và để giám sát mỏi kim loại . Do cơ chế truyền sóng âm trong kim loại, sóng siêu âm có thể được sử dụng để thăm dò sâu hơn bất kỳ dạng bức xạ nào khác. Quy trình siêu âm được sử dụng để thực hiện kiểm tra tại chỗ các cấu trúc trong lò phản ứng hạt nhân.

Các sai sót cấu trúc trong vật liệu cũng có thể được nghiên cứu bằng cách cho vật liệu chịu lực và tìm kiếm phát xạ âm khi các vật liệu bị căng thẳng. Phát xạ âm, tên chung của loại nghiên cứu không phá hủy này, đã phát triển như một lĩnh vực âm học riêng biệt .

Các ứng dụng cường độ cao

Siêu âm cường độ cao đã đạt được một loạt các ứng dụng quan trọng. Có lẽ phổ biến nhất là siêu âm làm sạch , trong đó các rung động siêu âm được thiết lập trong các bể chất lỏng nhỏ, trong đó các đối tượng được đặt để làm sạch. Sự chuyển động của chất lỏng bằng sóng siêu âm, cũng như sự rung động, tạo ra sự hỗn loạn trong chất lỏng và dẫn đến hành động làm sạch. Máy làm sạch bằng sóng siêu âm rất phổ biến đối với đồ trang sức và cũng đã được sử dụng với các mặt hàng như răng giả, dụng cụ phẫu thuật và chi tiết máy móc nhỏ. Tẩy dầu mỡ thường được tăng cường bằng cách làm sạch bằng sóng siêu âm. Bể rửa siêu âm cũng đã được phát triển để sử dụng trong các dây chuyền lắp ráp. Bể siêu âm rửa bát ngày càng phổ biến, ứng dụng rộng rãi trong dân dụng và công nghiệp.

Bể rửa sóng siêu âm làm sạch đồ dùng trong gia đình

Siêu âm gia công sử dụng dao động cường độ cao của bộ chuyển đổi để di chuyển máy công cụ. Nếu cần, có thể sử dụng bùn có chứa sạn carborundum; công cụ kim cương cũng có thể được sử dụng. Một biến thể của kỹ thuật này là siêu âm khoan , sử dụng rung động khí nén ở tần số siêu âm thay cho mũi khoan quay tiêu chuẩn. Các lỗ có hình dạng gần như bất kỳ có thể được khoan trên các vật liệu cứng hoặc giòn như thủy tinh, gecmani hoặc gốm.

Siêu âm hàn đã trở nên quan trọng, đặc biệt là để hàn các vật liệu bất thường hoặc khó hàn và cho các ứng dụng rất sạch. Các rung động siêu âm thực hiện chức năng làm sạch bề mặt, thậm chí loại bỏ lớp oxit trên nhôm để vật liệu có thể được hàn. Bởi vì các bề mặt có thể được làm cực kỳ sạch sẽ và không có lớp oxit mỏng thông thường, nên chất trợ dung hàn trở nên không cần thiết.

Sử dụng hóa chất và điện

Các hiệu ứng hóa học của siêu âm phát sinh từ sự phóng điện đi kèm với quá trình tạo khoang. Điều này tạo cơ sở cho việc siêu âm hoạt động như một chất xúc tác trong một số các phản ứng hóa học, bao gồm quá trình oxy hóa, khử, thủy phân, trùng hợp và khử phân tử, sắp xếp lại phân tử. Với siêu âm, một số quá trình hóa học có thể được thực hiện nhanh hơn, ở nhiệt độ thấp hơn hoặc hiệu quả hơn.

Các đường trễ siêu âm là một lớp vật liệu áp điện mỏng được sử dụng để tạo ra độ trễ ngắn, chính xác trong tín hiệu điện. Tín hiệu điện tạo ra một dao động cơ học trong tinh thể áp điện đi qua tinh thể và được chuyển đổi trở lại thành tín hiệu điện. Có thể đạt được độ trễ thời gian rất chính xác bằng cách xây dựng một tinh thể với độ dày thích hợp. Các thiết bị này được sử dụng trong các mạch thời gian điện tử nhanh.

Xem thêm:

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

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