Sóng siêu âm là gì?
Sóng siêu âm có nguồn gốc từ các từ tiếng Latinh “ultra” tức là vượt ra ngoài và “sonic”, và nghĩa tiếng Việt là âm thanh. Đây là một thuật ngữ dùng để mô tả sóng âm thanh rung động vượt ra ngoài mức tai con người có thể phát hiện được.
Sóng siêu âm là một dạng sóng cơ học có tần số cao hơn ngưỡng âm thanh của tai người, tức là từ khoảng 20 kHz trở lên. Sóng siêu âm được tạo ra bằng cách sử dụng một bộ phát sóng và thu sóng siêu âm, và được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau như trong y học, công nghiệp và khoa học.
Con người có thể phát hiện ra sóng siêu âm với dải tần từ 100 KHz đến 50MHz. Vận tốc của sóng siêu âm ở 1 thời điểm cụ thể với nhiệt độ cụ thể là không đổi. Chúng được thể hiện theo công thức:
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 từ tự nhiên hoặc nhân tạo. Trong thực tế thì cá voi, dơi, cá heo đều là những động vật có thể tạo ra sóng siêu âm để tìm đường đi và nhận biết vật cản, tránh va chạm…Con người tạo ra sóng siêu âm bằng phương pháp nhân tạo như sử dụng tinh thể áp điện trong loa, đầu phát siêu âm trong bể siêu âm.
Hầu hết sóng siêu âm được ứng dụng trong thương mại và tạo ra bộ chuyển đổi bao gồm các ứng dụng thương mại, sóng siêu âm được tạo ra bởi một bộ chuyển đổi gồm một tinh thể áp điện có chức năng chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Sóng âm thanh này được phản xạ trở lại đầu dò dưới dạng tiếng vang và chuyển đổi thành các tín hiệu điện bởi một đầu dò sóng khác.
Thêm vào đó sóng siêu âm còn được tạo ra bằng cách từ hóa
Ngoài ra, có thể tạo ra sóng siêu âm bằng cách từ hóa. Trong trường hợp có một nguyên tố sắt và niken bị từ hóa để thay đổi kích thước của nó. Do đó hình thành nên sóng siêu âm và tạo ra một máy phát kiểu còi báo động. Phương pháp này dùng chất lỏng được đi qua cộng hưởng hoặc bộ phản xạ với kết quả là các dao động siêu âm đặc trưng của chất khí hoặc lỏng.
Có tần số bao nhiêu?
Sóng siêu âm có tần số cao hơn tần số ngưỡng của tai người, khoảng từ 20 kHz đến 1 GHz (tức là 20.000 Hz đến 1.000.000.000 Hz). Tần số của sóng siêu âm phụ thuộc vào các ứng dụng cụ thể, và thường được điều chỉnh để đáp ứng yêu cầu của từng ứng dụng khác nhau. Ví dụ, trong y tế, tần số sóng siêu âm thường dao động từ 2 MHz đến 18 MHz tùy thuộc vào mục đích sử dụng.
Nguyên lý hoạt động của sóng siêu âm
Sóng siêu âm di chuyển đi dưới dạng hình cầu rỗng đồng tâm. Bề mặt của các quả cầu rỗng là các phân tử không khí nén, và không gian giữa các quả cầu rỗng là phần mở rộng của các phân tử chứa thành phần không khí mà sóng âm truyền qua. Do đó, sóng siêu âm được hình thành là do một loạt các nén và giãn nở trong môi trường xung quanh.
Mỗi lượt sóng siêu âm nở và nén lại được diễn ra trong 1 chu kỳ. Vì thế, trong vòng 1 giây phát ra sóng siêu âm, khi siêu âm hoàn thành 50 chu kỳ di chuyển tức là chúng đã thực hiện 50 lần giãn nở và nén khí nén lại. Thuật ngữ tần số chỉ số chu kỳ trên một đơn vị thời gian có xuất hiện sóng siêu âm dao động.. Một chu kỳ sóng siêu âm trên giây được gọi là hertz và được viết tắt là Hz. Các đơn vị khác của thang đo sóng siêu âm là kilohertz (kHz), thể hiện cho 1.000 Hz; và megahertz (MHz), thể hiện cho 1.000.000 Hz hoặc 1.000 kHz.
Đa số mọi người chỉ phát hiện ra các tần số âm thanh nằm trong khoảng dải 16 đến 16.000 Hz. Trong khi sóng siêu âm khi phát ra lại có tần số lớn hơn 16.000 Hz. Đặc biệt ở một số động vật có thể tạo ra sóng siêu âm 40 kHz. Thêm vào đó còn có một số loại động vật nhỏ như chó và mèo có thể phát ra sóng siêu âm từ 30 kHz; và dơi là 100 kHz.
Trường hợp sóng siêu âm gây nẽn, giãn nở phân tử ở môi trường xung quanh khi nó được truyền đi là sóng dọc. Khoảng cách từ lần nén này đến lần nén tiếp theo gọi là bước sóng. Thêm vào đó sóng siêu âm ngắn có xu hướng bị nhiễu hoặc tán xạ bởi các vật thể có kích cỡ tương đương với chúng.
Vận tốc truyền của sóng siêu âm thu được bằng cách nhân tần số siêu âm với bước sóng của nó. Vì thế nếu biết bước sóng và tần số của sóng siêu âm trong 1 môi trường cụ thể thì có thể được giải mã.
Ứng dụng của sóng siêu âm trong cuộc sống
Sóng siêu âm được sử dụng trong chẩn đoán hình ảnh y tế để xem trong cơ thể. Các ứng dụng y tế của sóng siêu âm bao gồm siêu âm tim, siêu âm thai kỳ, siêu âm vú và siêu âm bụng.
Sóng siêu âm được sử dụng trong nhiều quá trình sản xuất công nghiệp, bao gồm làm sạch, hàn, cắt và đúc kim loại. Sóng siêu âm cũng được sử dụng trong quá trình đóng gói sản phẩm để loại bỏ bọt khí và giúp cho sản phẩm đóng gói được bền hơn.
Sóng siêu âm được sử dụng trong các nghiên cứu khoa học để xem trong vật liệu và hiểu các tính chất của chúng. Sóng siêu âm cũng được sử dụng trong việc phân tích các tế bào và phân tử.
Sóng siêu âm được sử dụng trong các thiết bị giải trí như loa siêu trầm và hệ thống âm thanh nhà hát để tạo ra âm thanh với chất lượng cao và dải tần rộng hơn.
Sóng siêu âm được sử dụng trong các thiết bị đo lường để đo khoảng cách, tốc độ và các thông số khác của các vật thể.
