Sóng siêu âm là gì? Nguyên lý hoạt động và ứng dụng của siêu âm trong cuộc sống

Sóng siêu âm là loại sóng có sẵn trong tự nhiên nhưng việc tìm ra chúng lại mang đến những lợi ích đáng kể dành cho con người. Cho đến nay, loại sóng này đã được ứng dụng phổ biến trong các lĩnh vực như: Y học, làm sạch, quân sự,… Vậy sóng siêu âm là gì và chúng có đặc điểm gì để có thể ứng dụng trong các ngành trên?

Sóng siêu âm là gì? Có tần số bao nhiêu?

Siêu âm hay sóng siêu âm, có nguồn gốc từ các từ tiếng Latinh “ultra” có nghĩa là vượt ra ngoài và “sonic”, nghĩa là âm thanh. Đây là một thuật ngữ dùng để mô tả các sóng âm thanh rung động nhanh hơn mức tai người có thể phát hiện được.

Siêu âm có tần số cụ thể hoặc số lần dao động trong một giây. Con người có thể phát hiện âm thanh trong dải tần từ 20Hz đến 20 KHz. Tuy nhiên, dải tần số thường được sử dụng trong phát hiện siêu âm là 100 KHz đến 50MHz. Vận tốc của siêu âm tại một thời điểm và nhiệt độ cụ thể là không đổi trong một môi trường. Chúng được thể hiện theo công thức dưới đây:

W = C / F (hoặc) W = CT

Trong đó:

• W = Chiều dài sóng
• C = Vận tốc của âm thanh trong môi trường
• F = Tần số của sóng
• T = Khoảng thời gian

Sóng siêu âm được phát ra như thế nào?

Sóng siêu âm được tạo ra bằng tự nhiên hoặc nhân tạo. Trên thực tế, cá voi, dơi, cá heo là các loài động vật có khả năng tạo ra sóng siêu âm. Chúng sử dụng siêu âm để tìm đường đi, nhận biết các vật cản đường để tránh va chạm hoặc để tìm kiếm đồng loại hay đi săn mồi. Con người cũng có thể tạo ra sóng siêu âm nhờ các thiết bị nhân tạo như: Tinh thể áp điện trong loa, đầu phát siêu âm trong các bể rửa siêu âm,…

Trong hầu hết các ứng dụng thương mại, sóng âm được tạo ra bởi một bộ chuyển đổi bao gồm một tinh thể áp điện có chức năng chuyển đổi năng lượng điện (dòng điện) thành năng lượng cơ học (sóng âm thanh). Các sóng âm thanh này được phản xạ và trở lại đầu dò dưới dạng tiếng vang và được chuyển đổi trở lại thành tín hiệu điện bởi cùng một đầu dò hoặc bởi một đầu dò riêng biệt.

Ngoài ra, có thể tạo ra sóng siêu âm bằng cách từ hóa (từ magneto, có nghĩa là từ tính và strict, nghĩa là vẽ cùng nhau.) Trong trường hợp này, một nguyên tố sắt hoặc niken bị từ hóa để thay đổi kích thước của nó, do đó tạo ra sóng siêu âm. Siêu âm cũng có thể được tạo ra bởi một máy phát kiểu còi hoặc còi báo động. Trong phương pháp này, các dòng khí hoặc chất lỏng được đi qua một khoang cộng hưởng hoặc bộ phản xạ với kết quả là các dao động siêu âm đặc trưng của chất khí hoặc chất lỏng cụ thể được tạo ra.

Nguyên lý hoạt động của sóng siêu âm truyền

Siêu âm truyền đi dưới dạng hình cầu rỗng đồng tâm. Bề mặt của các quả cầu là các phân tử không khí nén, và không gian giữa các quả cầu là phần mở rộng của các phân tử không khí mà sóng âm truyền qua. Do đó, sóng siêu âm là một loạt các nén và giãn nở trong môi trường xung quanh chúng. Mặc dù chúng ta thường nghĩ về siêu âm thanh như truyền trong không khí, nhưng chúng cũng có thể lan truyền qua các phương khác.

Mỗi lượt sóng siêu âm nở và nén được gọi là một chu kỳ. Do đó, trong vòng 1 giây, khi siêu âm hoàn thành 50 chu kỳ tức là chúng đã thực hiện 50 lần giãn nở và nén. Thuật ngữ tần số chỉ số chu kỳ trên một đơn vị thời gian mà sóng âm thanh dao động. Một chu kỳ trên giây được gọi là hertz và được viết tắt là Hz. Các đơn vị khác của thang đo trong siêu âm là kilohertz (kHz), đại diện cho 1.000 Hz; và megahertz (MHz), đại diện cho 1.000.000 Hz hoặc 1.000 kHz.

Hầu hết mọi người chỉ có thể phát hiện các tần số âm thanh nằm trong khoảng 16 đến 16.000 Hz. Trong khi sóng siêu âm có tần số lớn hơn 16.000 Hz. Một số loài côn trùng có thể tạo ra siêu âm với tần số cao tới 40 kHz. Động vật nhỏ như mèo và chó nghe tần số lên đến 30 kHz; và dơi được biết là có thể phát hiện tần số lên đến 100 kHz.

Siêu âm gây ra nén và giãn nở của các phân tử trong môi trường xung quanh nó khi nó truyền được gọi là sóng dọc. Khoảng cách từ lần nén này đến lần nén tiếp theo được gọi là bước sóng. Mặt khác, siêu âm có bước sóng ngắn có xu hướng bị nhiễu xạ hoặc tán xạ bởi các vật thể có kích thước tương đương với chúng.

Vận tốc truyền của siêu âm thu được bằng cách nhân tần số của siêu âm với bước sóng của nó. Do đó, nếu biết bước sóng và tần số của sóng âm trong một môi trường nhất định, thì vận tốc của nó cũng có thể được tính toán. Vận tốc âm thanh trong nhiều loại vật liệu khác nhau được thể hiện trong Bảng 1.

Vì sóng siêu âm có xu hướng tần số rất cao, nên nó cũng có bước sóng rất ngắn. Kết quả là, sóng âm có thể được hội tụ trong chùm tia thẳng, hẹp.

Ứng dụng của sóng siêu âm trong cuộc sống

Sóng siêu âm đang được ứng dụng trong nhiều ngành nghề khác nhau nhưng các nhà nghiên cứu cho rằng, giới hạn ứng dụng của chúng vẫn có thể tiếp tục mở rộng.

Sử dụng sóng siêu âm đuổi chuột, diệt côn trùng

Như đã đề cập ở trên, siêu âm là loại sóng có tần số cao hơn những gì tai người có thể nghe thấy, nhưng các loài xâm nhập có thể phát hiện ra chúng. Chính vì vậy, sóng siêu âm đã được sử dụng để xua đuổi chuột và các loài côn trùng gây hại như muỗi, gián,…

Máy đuổi chuột là những thiết bị nhỏ phát ra sóng âm tần số cao mà loài động vật này không hề thích thú. Khi thiết bị hoạt động, sự xuất hiện của siêu âm giống như chiếc khoan lớn với âm thanh chói tai, khó có thể dung hoà, khiến chúng khiếp sợ và phải bỏ đi.

Ứng dụng của sóng siêu âm trong y học

Ứng dụng sóng siêu âm trong y học đóng vai trò quan trọng, chúng được ứng dụng chủ yếu trong hoạt động siêu âm, thăm khám cho người bệnh được gọi là “siêu âm chẩn đoán”.

Nhờ công nghệ siêu âm chẩn đoán, các bác sĩ có thể đưa ra những dự đoán chính xác nhất về tình trạng bệnh cũng như sự phát triển của thai nhi. Các vấn đề thường được theo dõi bởi siêu âm bao gồm:

• Bọng đái
• Não (ở trẻ sơ sinh)
• Mắt
• Túi mật
• Thận
• Gan
• Buồng trứng
• Tuyến tụy
• Lách
• Tuyến giáp
• Tinh hoàn
• Tử cung
• Mạch máu

Để đảm bảo hình ảnh thu được từ việc siêu âm là chính xác, trước khi thực hiện siêu âm hình ảnh, bác sĩ thường yêu cầu người bệnh cởi bỏ quần áo ở khu vực cần siêu âm trên cơ thể. Một loại gel chuyên dụng sẽ được xoa lên da nhằm ngăn cản ma sát để có thể cọ xát đầu dò siêu âm trên da.

Bộ chuyển đổi gửi sóng âm tần số cao qua cơ thể. Sóng dội lại khi chúng va vào một vật thể dày đặc, chẳng hạn như một cơ quan hoặc xương. Những tiếng vang đó sau đó được phản xạ trở lại máy tính và tạo thành một tấm hình tái hiện chi tiết nhất về các vấn đề bên trong cơ thể.

Riêng với kiểm tra túi mật, gan, tuyến tụy hoặc lá lách, người bệnh có thể được yêu cầu ăn một bữa ăn không có chất béo vào buổi tối trước khi xét nghiệm và sau đó nhịn ăn cho đến khi làm thủ thuật. Nếu cơ quan cần kiểm tra là bụng, người bệnh có thể được yêu cầu nhịn ăn từ 8 đến 12 tiếng.

Nhờ kết quả hình ảnh thu được từ siêu âm, các bác sĩ sẽ đưa ra kết luận về tình trạng mà cơ thể đang gặp phải từ đó đưa ra những hướng dẫn điều trị thích hợp. Với thai nhi, hình ảnh siêu âm giúp dự đoán chính xác sự khuyết tật trên cơ thể trẻ, tính toán khối lượng của thai nhi và một số vấn đề khác giúp mẹ có chế độ ăn uống phù hợp.

Áp dụng sóng siêu âm trong khoa học quân sự

Trong quân sự, đặc biệt là trong lĩnh vực trinh sát biển, sóng siêu âm được sử dụng để phát hiện thủy sản, tài nguyên biển; cảnh báo chướng ngại vật trên biển như: đá ngầm, bãi ngầm, núi băng, đôi khi, chúng cũng là công cụ để tìm kiếm các loại tàu ngầm xâm nhập bất hợp pháp.

Trên thực tế, ở dưới nước sóng điện từ truyền không được xa. Những ra-đa này hoạt động tốt khi ở trên mặt đất nhưng khi ở dưới nước, chúng mang lại hiệu quả không tốt. Do đó, sóng siêu âm được lựa chọn để thay thế.

Máy phun tạo sương bằng sóng siêu âm

Máy phun sương là một ứng dụng phổ biến của sóng siêu âm. Khi chúng hoạt động, nhờ các board mạch điện tử, luồng sóng được tạo ra và tác động đến các hạt nước khiến chúng bị vỡ tan, phân mảnh thành các hạt sương nhỏ. Sự xuất hiện của hơi nước dạng sương mù là giải pháp lý tưởng cho các phòng máy lạnh hoặc trong môi trường khô, độ ẩm thấp.

Sóng siêu âm trong việc làm sạch đồ dùng

Làm sạch là một ứng dụng mới của sóng siêu âm. Các thiết bị này cũng làm việc dựa trên nguyên lý giãn – nở của siêu âm. Khi được đưa vào trong môi trường nước, siêu âm tác động tạo thành các bọt khí. Khi hàng triệu bọt khí cùng vỡ tung, một nguồn năng lượng cực mạnh được tạo ra, đủ sức để đánh bật các vết bẩn.

Máy rửa sóng siêu âm có thể làm việc tự động, không cần đến con người giám sát liên tục, không cần dụng cụ cọ rửa truyền thống, làm sạch một lượng lớn đồ vật trong cùng một khoảng thời gian. Bằng những ưu điểm đó, máy rửa siêu âm được ứng dụng nhiều trong ngành y tế, rửa đồ trang sức, làm sạch linh kiện/ chi tiết máy, rửa thực phẩm, rửa chén bát công nghiệp …

Tác dụng công nghệ siêu âm xử lý khí thải

Siêu âm đã được sử dụng để kết dính, hoặc đông tụ, các hạt rắn hoặc lỏng có trong bụi, sương mù hoặc khói thành các cục lớn hơn. Kỹ thuật này được sử dụng trong một quá trình được gọi là tẩy rửa bằng sóng siêu âm, bằng cách đó các hạt vật chất được đông tụ trong các túi khí trước khi nó gây ô nhiễm bầu khí quyển. Đông tụ cũng đã được sử dụng tại các sân bay để phân tán sương mù và sương mù.

Chế biến sữa

Sóng siêu âm có thể được sử dụng để phá vỡ các giọt chất béo trong sữa, để chất béo hòa vào sữa (đồng nhất). Ngoài ra, quá trình thanh trùng, loại bỏ vi khuẩn và vi sinh vật có hại, đôi khi được thực hiện bằng siêu âm.

Gia công kim loại

Bằng cách gắn máy mài va đập siêu âm vào đầu dò từ tính và sử dụng chất lỏng mài mòn, các lỗ có hình dạng thực tế có thể được khoan trên các vật liệu cứng, giòn như cacbua vonfram hoặc đá quý. Việc cắt hoặc khoan thực tế được thực hiện bằng cách cho vật liệu mài mòn, thường là silic cacbua hoặc oxit nhôm, vào khu vực cắt.

Hàn kim loại

Trong hàn siêu âm, các dao động tần số sóng siêu âm cao được sử dụng để tạo ra các bong bóng cực nhỏ trong vật hàn nóng chảy. Quá trình này loại bỏ các oxit kim loại khỏi mối nối hoặc bề mặt được hàn, và loại bỏ nhu cầu về chất trợ dung.

Trong lĩnh vực giám sát, nghe trộm

Có thể nghe lén các cuộc trò chuyện mà không cần sử dụng micro bằng cách hướng sóng siêu âm vào cửa sổ của căn phòng đang được giám sát. Âm thanh trong phòng làm rung cửa sổ; các rung động giọng nói tạo ra những thay đổi đặc trưng trong sóng siêu âm được phản xạ trở lại màn hình. Một bộ chuyển đổi có thể được sử dụng để chuyển đổi các rung động phản xạ thành tín hiệu điện có thể được tái tạo thành âm thanh nghe được.

Các chương trình trò chuyện trên đài phát thanh thường sử dụng đường truyền trễ siêu âm để theo dõi và cắt bỏ những người gọi lạm dụng trước khi nhận xét của họ được phát sóng trong các chương trình trò chuyện trên đài phát thanh. Đường trễ siêu âm trả lại tín hiệu thoại giữa hai đầu dò cho đến khi nó được giám sát, sau đó nhả ra để phát sóng.

Sóng siêu âm có gây hại sức khoẻ không?

Mặc dù , sóng siêu âm mang đến nhiều lợi ích nhưng bản thân chúng cũng tạo ra một số hạn chế, ảnh hưởng trực tiếp đến con người. Các nhà khoa học đã liệt kê những ảnh hưởng điển hình của sóng siêu âm đến sức khoẻ như sau:

• Gây vô sinh cho nam giới trong 6 tháng
• Bé trai khi còn trong bụng mẹ thường xuyên tiếp xúc với sóng siêu âm có thể ảnh hưởng đến sức khoẻ sinh sản về sau
• Siêu âm cũng có thể tác động tiêu cực đến não bộ, cân nặng, chiều cao, … của thai nhi
• Theo một số nghiên cứu, sóng có khả năng làm biến dạng trường DNA, nghĩa là sẽ gây ra sự sai lệch trong chương trình di truyền
• Nếu tần số sóng âm >20KHz thì sẽ ảnh hưởng đến thính giác của con người.

Thiết bị tạo sóng siêu âm dân dụng và công nghiệp

Rõ ràng, sóng siêu âm mang đến cả những lợi ích và tiêu cực cho con người. Tuy nhiên, công dụng của chúng là rất lớn, vì vậy, siêu âm vẫn được ứng dụng trong đời sống. Các thiết bị tạo sóng siêu âm cũng ra đời và cải tiến không ngừng để nâng cao hiệu quả sử dụng.

Dù được tạo ra bằng thiết bị tạo sóng âm dân dụng hay công nghiệp, các đồ dùng này cũng cần đến các đầu dò siêu âm, đi kèm với đó là bản mạch điện, linh kiện, chi tiết khác.

Tuỳ theo yêu cầu thực tế của người dùng thiết bị tạo sóng siêu âm có thể tạo ra tần số thấp hay cao. Một số thiết bị siêu âm công nghiệp có thể thay đổi tần số sóng âm linh hoạt.

Để đảm bảo việc lựa chọn thiết bị tạo sóng siêu âm là phù hợp, người mua cần tìm hiểu kỹ về tần số siêu âm thích hợp với ứng dụng của mình cũng như nhờ đến sự giúp đỡ của chuyên gia.