Sóng siêu âm, một hiện tượng vật lý kỳ diệu, đã và đang mang lại những ứng dụng to lớn trong nhiều lĩnh vực của đời sống. Với tần số cao hơn ngưỡng nghe của con người, sóng siêu âm mở ra những cánh cửa mới cho y học, công nghiệp và nhiều lĩnh vực khác. Hãy cùng Vina Goodtech khám phá sâu hơn về bản chất và những ứng dụng thực tiễn của công nghệ sóng siêu âm.
Sóng siêu âm là gì?
Định nghĩa:
Sóng siêu âm là sóng âm thanh có tần số cao hơn ngưỡng nghe của con người, thường là trên 20.000 Hz.
Chúng có tính chất tương tự như sóng âm thanh thông thường, nhưng với tần số cao hơn nhiều.
Đặc điểm:
Tần số cao: Điều này cho phép sóng siêu âm truyền qua môi trường với bước sóng ngắn, tạo ra hình ảnh chi tiết.
Khả năng truyền qua vật chất: Sóng siêu âm có thể truyền qua nhiều loại vật chất, bao gồm cả chất lỏng và chất rắn.
Tính phản xạ: Sóng siêu âm bị phản xạ khi gặp các vật cản, điều này được ứng dụng trong nhiều kỹ thuật chẩn đoán và đo lường.
Sóng siêu âm được hình thành như thế nào?
Sóng siêu âm là gì và được hình thành như thế nào là câu hỏi được đặt ra rất nhiều. Thực tế, sóng siêu âm có thể được tạo ra tự nhiên hoặc nhân tạo. Trong tự nhiên, có một số loài động vật như cá voi, dơi và cá heo sử dụng sóng siêu âm để định vị, tránh vật cản, tìm kiếm con mồi hoặc giao tiếp với đồng loại.
Trong công nghệ, sóng siêu âm thường được tạo ra bằng các thiết bị nhân tạo. Phổ biến nhất là sử dụng tinh thể áp điện trong bộ chuyển đổi. Tinh thể này chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học (sóng âm). Sóng siêu âm sau đó được phản xạ và trở lại đầu dò dưới dạng tiếng vang, nơi chúng được chuyển đổi lại thành tín hiệu điện để phân tích.
Ngoài ra, sóng siêu âm còn có thể được tạo ra thông qua:
- Từ hóa: Sử dụng nguyên tố như sắt hoặc niken, kích thước của vật liệu thay đổi khi bị từ hóa, tạo ra dao động siêu âm.
- Máy phát khí động học: Khi khí hoặc chất lỏng đi qua một khoang cộng hưởng, dao động siêu âm đặc trưng sẽ được sinh ra.
Các phương pháp này cho phép ứng dụng siêu âm rộng rãi trong y tế, công nghiệp và nghiên cứu khoa học.
Nguyên lý hoạt động cơ bản
Sóng siêu âm được tạo ra bằng cách sử dụng các thiết bị phát sóng siêu âm, thường dựa trên hiệu ứng áp điện. Khi áp dụng điện áp vào một số vật liệu nhất định, chúng sẽ tạo ra dao động cơ học, từ đó tạo ra sóng siêu âm. Ngược lại, khi sóng siêu âm tác động lên các vật liệu này, chúng sẽ tạo ra điện áp, được sử dụng trong các kỹ thuật thu sóng siêu âm.
Ứng dụng thực tiễn của công nghệ sóng siêu âm
Y học:
Chẩn đoán hình ảnh: Siêu âm được sử dụng rộng rãi để tạo ra hình ảnh về các cơ quan nội tạng, thai nhi, và các cấu trúc khác trong cơ thể.
Điều trị: Sóng siêu âm được sử dụng để tán sỏi thận, điều trị các bệnh lý cơ xương khớp, và trong phẫu thuật.
Công nghiệp:
Kiểm tra không phá hủy (NDT): Sóng siêu âm được sử dụng để kiểm tra chất lượng vật liệu, phát hiện các vết nứt, lỗ hổng trong kim loại và các vật liệu khác.
Làm sạch siêu âm: Sóng siêu âm được sử dụng để làm sạch các chi tiết máy móc, linh kiện điện tử, và các vật dụng khác.
Hàn siêu âm: Dùng sóng siêu âm để hàn các vật liệu như nhựa, kim loại.
Hàng hải:
SONAR (Sound Navigation and Ranging): Sóng siêu âm được sử dụng để định vị tàu ngầm, đo độ sâu của biển, và phát hiện các vật thể dưới nước.
Dò cá: Ngư dân sử dụng sóng siêu âm để phát hiện đàn cá.
Gia dụng:
Máy rửa bát siêu âm: Công nghệ làm sạch đồ dùng bằng sóng siêu âm.
Thiết bị đuổi côn trùng: Dùng sóng siêu âm gây khó chịu cho một số loại côn trùng.
Các ứng dụng khác:
Đo khoảng cách và vận tốc: Sóng siêu âm được sử dụng trong các cảm biến đo khoảng cách và vận tốc.
Nghiên cứu khoa học: Sóng siêu âm được sử dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khoa học, từ vật lý đến sinh học.
>>> Xem thêm: Sửa máy rửa siêu âm
Ưu điểm của công nghệ sóng siêu âm
Không xâm lấn: Trong y học, siêu âm là một phương pháp chẩn đoán không xâm lấn, an toàn cho bệnh nhân.
Độ chính xác cao: Sóng siêu âm có thể tạo ra hình ảnh chi tiết và chính xác về các cấu trúc bên trong cơ thể hoặc vật liệu.
Tính linh hoạt: Công nghệ sóng siêu âm có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
>>> Xem thêm:
Sóng siêu âm có những loại nào?
Để hiểu rõ hơn về sóng siêu âm là gì, việc biết các loại sóng siêu âm là điều không thể bỏ qua. Sóng siêu âm có thể được phân loại dựa trên hai tiêu chí chính: phương dao động và tần số. Cụ thể như sau:
Phân loại theo phương dao động
- Sóng ngang: Ở sóng ngang, phương dao động của các phần tử trong môi trường sẽ vuông góc với hướng lan truyền của tia sóng. Sóng ngang thường chỉ xuất hiện trong các môi trường có khả năng duy trì sự đàn hồi về hình dạng, ví dụ như các vật thể rắn. Điều này là do các vật thể rắn có khả năng chịu ứng suất cắt, một yếu tố cần thiết để sóng ngang tồn tại.
- Sóng dọc: Khác với sóng ngang, phương dao động của các phần tử trong môi trường lại song song hoặc trùng với hướng lan truyền của tia sóng. Sóng dọc phổ biến hơn vì nó có thể lan truyền qua các môi trường bị biến dạng về thể tích như chất rắn, chất lỏng hoặc khí. Điều này làm cho sóng dọc xuất hiện trong nhiều ứng dụng hơn, đặc biệt là trong nghiên cứu và ứng dụng siêu âm.
Phân loại theo tần số
- Hạ âm (Infrasound): Đây là các sóng âm có tần số cực thấp, với tần số nhỏ hơn 20 Hz. Hạ âm thường không thể nghe thấy bằng tai người nhưng lại được một số loài động vật cảm nhận và được sử dụng trong các nghiên cứu khoa học như theo dõi động đất hay sự vận động của núi lửa.
- Âm thanh nghe được (Audible sound): Là loại sóng âm có tần số trong khoảng từ 20 Hz đến 20.000 Hz, nằm trong ngưỡng mà tai người có thể cảm nhận. Đây là phạm vi âm thanh quen thuộc trong cuộc sống hàng ngày.
- Sóng siêu âm (Ultrasound): Những sóng âm này có tần số vượt quá 20.000 Hz. Sóng âm không thể nghe được bằng tai người nhưng lại có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như y học (siêu âm chẩn đoán), công nghiệp (kiểm tra không phá hủy) và khoa học môi trường (nghiên cứu động vật hoặc khí tượng học).
Cơ chế hấp thụ và truyền sâu
Sóng siêu âm khi truyền qua môi trường sinh học sẽ tương tác với các cấu trúc tế bào, tạo ra những hiệu ứng sinh học đáng chú ý. Tuy nhiên, năng lượng của sóng sẽ giảm dần theo độ sâu do sự hấp thụ và tán xạ của mô, làm giảm hiệu quả tác động của nó.
Đặc tính hấp thụ của sóng này phụ thuộc vào tần số: hệ số hấp thụ tỉ lệ thuận với bình phương tần số. Nghĩa là, nếu tần số tăng gấp đôi, năng lượng bị hấp thụ sẽ tăng lên bốn lần. Vì vậy, khả năng sóng truyền sâu mà không bị suy giảm đáng kể sẽ phụ thuộc vào tần số được sử dụng.
Khi sóng siêu âm gặp ranh giới giữa hai môi trường có tính chất vật lý khác nhau, một phần năng lượng sẽ bị phản xạ. Mức độ phản xạ này bị chi phối bởi sự chênh lệch về kháng âm giữa hai môi trường, tức là đặc điểm cản trở sự lan truyền âm thanh của chúng.
Sóng siêu âm ảnh hướng như thế nào đến sức khoẻ?
Dù mang lại nhiều lợi ích, sóng siêu âm có thể gây tác động tiêu cực nếu sử dụng không đúng cách:
- Tổn thương mô và DNA: Có thể gây tổn thương mô, tạo ra các gốc tự do và ảnh hưởng đến DNA tế bào.
- Ảnh hưởng đến thính giác: Nếu tần số sóng siêu âm > 20KHz, nó có thể gây hại cho thính giác, đặc biệt khi tiếp xúc lâu dài.
- Ảnh hưởng đến thai nhi: Sử dụng trong quá trình mang thai có thể làm biến dạng trường DNA, ảnh hưởng đến não bộ, cân nặng và chiều cao của thai nhi.
- Vô sinh nam giới: Nam giới có thể gặp vấn đề về khả năng sinh sản sau khi tiếp xúc trong thời gian dài (khoảng 6 tháng).
- Ảnh hưởng đến sức khỏe sinh sản của bé trai: Bé trai trong bụng mẹ tiếp xúc với sóng siêu âm có thể gặp vấn đề về khả năng sinh sản sau này.
- Ảnh hưởng đến hệ thần kinh: Có thể ảnh hưởng đến hệ thần kinh, đặc biệt là ở trẻ nhỏ.
- Nguyên tắc an toàn ALARA: Để giảm thiểu rủi ro, luôn tuân thủ nguyên tắc ALARA (“càng ít càng tốt”) khi sử dụng.
Tương lai của công nghệ sóng siêu âm
Với sự phát triển không ngừng của khoa học và công nghệ, sóng siêu âm hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng mới và đột phá trong tương lai. Các nhà nghiên cứu đang tìm cách cải thiện độ chính xác và độ phân giải của hình ảnh siêu âm, cũng như phát triển các kỹ thuật siêu âm mới để điều trị các bệnh lý phức tạp.
Sóng siêu âm đã và đang đóng một vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực của đời sống. Với những ưu điểm vượt trội và tiềm năng ứng dụng to lớn, công nghệ sóng siêu âm sẽ tiếp tục mang lại những lợi ích thiết thực cho con người.
