Sóng siêu âm là gì? Nguyên lý & ứng dụng sóng (2023)

Thông qua bộ môn vật lý hay các chương trình liên quan đến khoa học, y học và khám phá trên tivi, báo đài. Có thể anh em đã không còn xa lạ gì khi nghe đến khái niệm “sóng siêu âm”. Để hiểu rõ hơn về định nghĩa, nguyên lý hoạt động cùng với ứng dụng của sóng siêu âm trong đời sống con người. Bài viết hôm nay sẽ đưa ra cái nhìn khái quát hơn về loại sóng này nhé:

Sóng siêu âm là gì?

Các sóng âm thanh có tần số lớn hơn 20 KHz được gọi là sóng siêu âm, nó có thể truyền trong môi trường nước, không khí và kim loại.

Đây là những giải âm thanh mà tai người không thể nghe được. Giới hạn sóng âm cho các sóng siêu âm có biên độ rất cao và trong áp suất khí quyển nó có bước sóng dưới 1.9cm.

→ Nguyên lý hoạt động của sóng siêu âm

Sóng âm sẽ truyền qua một phương tiện nhất định ở một tốc độ hoặc vận tốc cụ thể, theo hướng có thể dự đoán được. Khi chúng gặp ranh giới với một phương tiện khác, chúng sẽ bị phản xạ hoặc truyền theo quy tắc đơn giản.

Có thể lấy ví dụ về các loài động vật như cá heo và dơi dựa vào sóng siêu âm để sống. Dơi phát ra âm thanh có tần số siêu âm, những âm thanh này được truyền đi và con dơi nhận được tiếng vọng của nó.

Từ khoảng thời gian giữa âm thanh truyền đến và tiếng vang nhận được, cũng như góc của tiếng vang nhận được, nó có thể tìm ra khoảng cách của mục tiêu đang tìm kiếm. Tương tự, cá heo sử dụng sóng siêu âm để nhận biết các điều kiện xung quanh và là ngôn ngữ giao tiếp với đồng loại của chúng.

→ Công thức tính sóng siêu âm

W = C / F (hoặc) W = CT

Trong đó:

• W: Chiều dài sóng
• C: Vận tốc của âm thanh
• F: Tần số của sóng
• T: Khoảng thời gian

Sóng siêu âm có công dụng gì?

→ Trong lĩnh vực tẩy rửa

Đối với các vật dụng hay đối tượng có các bộ phận khó tiếp cận, ví dụ như ống xoắn ốc và các linh kiện điện tử. Quá trình làm sạch sẽ được tiến hành bằng phương pháp sử dụng sóng siêu âm.

Tại đây, vật thể được nhúng vào dung dịch có chất tẩy rửa thích hợp và sóng siêu âm được truyền vào đó. Do đó, các sóng tần số cao được tạo ra khiến bụi bẩn và dầu mỡ tách ra khỏi bề mặt một cách hoàn toàn.

→ Phát hiện các vết nứt

Sóng siêu âm được sử dụng để phát hiện những vết nứt trên các thành phần kim loại được sử dụng trong việc xây dựng các kết cấu cao tầng như các tòa nhà và cầu.

Chúng tạo ra và hiển thị một dạng sóng siêu âm được điều khiển bởi người vận hành cùng với sự hỗ trợ của phần mềm phân tích, để xác định vị trí và phân loại sai sót trong các mẫu thử.

Sóng âm có tần số cao phản xạ từ các lỗ hổng theo những cách có thể dự đoán được, tạo ra các mẫu tiếng vọng. Người vận hành được đào tạo để có thể xác định các mẫu tiếng vọng cụ thể tương ứng với phản hồi tiếng vang từ các bộ phận tốt và từ các sai sót hiển thị.

Sau đó, mẫu tiếng vọng từ một mẫu thử có thể được so sánh các mẫu từ các tiêu chuẩn, hiệu chuẩn này để xác định tình trạng của nó.

→ Công nghệ hàn siêu âm

Sóng siêu âm còn được áp dụng trong công nghệ hàn khí quá trình hàn tạo áp lực, sử dụng năng lượng cơ học của dao động siêu âm làm biến dạng dẻo cục bộ tại bề mặt mối ghép.

Từ đó làm cho các phần tử của các chi tiết hàn khuếch tán, thẩm thấu lẫn nhau và liên kết với nhau tạo thành mối hàn vô cùng chính xác.

→ Trong lĩnh vực y học

Siêu âm y tế là một kỹ thuật chẩn đoán hình ảnh dựa trên sóng siêu âm. Nó được sử dụng để chụp các cấu trúc bên trong cơ thể như cơ, khớp và các cơ quan nội tạng. Hình ảnh siêu âm được gọi là siêu âm.

Trong quá trình này, các xung siêu âm được gửi đến mô bằng cách sử dụng một đầu dò. Âm thanh dội ra khỏi mô, nơi các mô khác nhau phản xạ âm thanh ở các mức độ khác nhau. Những tiếng vọng này được ghi lại và hiển thị hình ảnh siêu âm.

Sóng siêu âm có hại không?

Bên cạnh những lợi ích mà sóng siêu âm mang lại, thì nó cũng có những ảnh hưởng không tốt đối với sức khỏe con người:

1. Sự xâm thực bằng sóng siêu âm gây ra thiệt hại cơ học, nhưng nó cũng có thể tạo ra các gốc tự do và các hóa chất khác có khả năng làm hỏng DNA của tế bào.
2. Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) đã tiến hành đánh giá một cách hệ thống các tài liệu và không tìm thấy tác động của siêu âm sản khoa đối với các kết cục phụ và chu sinh bất lợi chính. Sự tăng trưởng và phát triển thần kinh trong thời kỳ sơ sinh cũng dường như không bị ảnh hưởng. Tuy nhiên, việc tiếp xúc với siêu âm nên được hạn chế tối đa, chỉ tiến hành khi thực sự cần thiết và tuân thủ theo nguyên tắc ALARA (càng ít, càng tốt)
3. Không nên tiếp xúc quá lâu trong môi trường sóng siêu âm vì sóng siêu âm có tần số lớn hơn 20KHz sẽ gây ảnh hưởng đến thính giác của con người.

Có bao nhiêu loại sóng siêu âm?

Sóng siêu âm được chia thành 02 loại là sóng ngang và sóng dọc:

→ Sóng siêu âm dọc

Trong sóng dọc các hạt của môi trường dao động qua lại song song với phương truyền sóng. Các sóng này lan truyền qua môi trường như một chuỗi nén và xen kẽ. Những sóng này được sử dụng rộng rãi nhất trong việc kiểm tra siêu âm vật liệu.

Chế độ này được thể hiện khi môi trường lan truyền không có ranh giới tức là nó có khoảng cách vô hạn. Do sự lan truyền của các sóng này nên áp suất và khối lượng riêng của môi trường dao động tuần hoàn.

→ Sóng siêu âm ngang

Trong sóng ngang các hạt của môi trường dao động vuông góc với phương truyền sóng. Trong trường hợp này, môi trường trải qua biến dạng cắt theo chu kỳ. Các sóng siêu âm có thể truyền qua các thanh truyền sóng này.

Cách tạo sóng siêu âm như thế nào?

Sóng siêu âm được tạo ra bằng cách sử dụng các bộ dao động, có bao gồm 2 loại chính:

#1 Bộ tạo dao động điện Piezo

Theo hiệu ứng điện piezo, khi một lực cơ học (thay đổi) được tác dụng lên hai mặt đối diện của tế bào tinh thể, một hiệu điện thế được tạo ra trên nó, khi một dòng điện xoay chiều (AC) được đặt qua các đầu nối của nó, tế bào tinh thể bắt đầu rung động ở tần số tự nhiên của nó.

Nếu tần số của dao động tương tự với tần số tự nhiên của tinh thể thì dao động sẽ ở quy mô lớn. Hiện tượng cộng hưởng này được sử dụng để tạo ra sóng siêu âm.

Điện áp xoay chiều tần số cao được đặt vào tế bào tinh thể và được dao động Hartley thu được. Dao động điện áp gồm trên một đoạn mạch điều chỉnh có  và mắc song song, một đầu của đoạn mạch điều chỉnh này nối với lưới điện. Cuộn dây chạm gần tâm nối với cực âm của ống. Tinh thể được mắc song song với tụ điện  và tụ điện lưới.

Điện áp một chiều được áp dụng thông qua bộ ngắt tần số vô tuyến và ngăn nguồn điện áp một chiều khỏi tần số vô tuyến. Tụ điện chặn ngăn DC đi qua mạch bể. Điện dung của tụ điện  được điều chỉnh sao cho tần số của dao động bằng tần số riêng của tế bào tinh thể. Do đó, sóng siêu âm được tạo ra.

#2 Bộ tạo dao động ma sát Magneto

Nếu một thanh hoặc ống được làm từ vật liệu pero từ hay niken thay đổi chiều dài hoặc bắt đầu dao động khi chúng được đặt trong từ trường biến thiên mạnh, đặt song song với chiều dài của thanh.

Thanh hoặc ống sắt được cố định trong bản trung gian và đặt bên trong hai cuộn dây. Cuộn dây thoát ra khỏi cảm kháng trong mạch bằng cách điều chỉnh tụ điện, dòng điện tần số cao bắt đầu chạy qua cuộn dây và tạo ra từ trường làm thay đổi về chiều dài của thanh hoặc ống do nó bắt đầu dao động ở tần số tự nhiên.

Nhận biết tần số sóng siêu âm theo từng loại

Ở mỗi tần số của sóng siêu âm sẽ mang đến những công dụng khác nhau và chia thành bốn giải tần số sau đây:

→ Ở tần số 25 KHz

Đây là tần số thích hợp nhất để loại bỏ ô nhiễm trong các môi trường. Tuy nhiên, không nên sử dụng tần số này để làm sạch mặt kính hay thủy tinh, nhôm,.. vì nó sẽ làm hư hại các vật dụng trên.

→ 40KHz

Tần số sóng siêu âm này phù hợp trong việc làm sạch mọi vật dụng và được sử dụng phổ biến trong bể rửa siêu âm cơ hay dòng thông minh.

→ Tần số 80Hz

80Hz thích hợp cho việc làm sạch các vật dụng có kích thước lỗ nhỏ, nhiều kẽ hở, hình dáng phức tạp,…tẩy rửa bụi bẩn chuyên sâu hơn.

→ Ở tần số 120KHz

Khác với các tần số khác, 120KHz không được sử dụng thường xuyên trong làm sạch, nó chỉ dùng trong việc loại bỏ các hạt bụi ở cuối quá trình tẩy rửa hay cho các vật dụng có độ nhạy cảm cao.

>>> 100+ Mã Sản Phẩm Dây Rút: https://mecsu.vn/san-pham/day-rut-nhua.5op

>>> 1000+ Mã Sản Phẩm Đầu Cosse: https://mecsu.vn/san-pham/dau-cosse.Q1j

Mời anh em xem thêm:

•  Sóng điện từ là gì? Đặc điểm & phân loại bước sóng
• Máy Oscilloscope là gì? Cách sử dụng máy hiện sóng
• Nên dùng tần số dòng điện nào tốt

Qua bài viết này, đã đem đến những thông tin về khái niệm, ứng dụng liên quan đến sóng siêu âm. Hy vọng những thông tin này sẽ giúp anh em có thêm nhiều kiến thức bổ ích để vận dụng vào công việc, đời sống hay cho nhu cầu học tập của bản thân mình.