Sóng siêu âm là gì? Cơ chế và ứng dụng của sóng siêu âm trong thực tiễn

Chắc hẳn nhiều người không còn quá xa lạ với tên gọi sóng siêu âm. Nó được nhắc đến nhiều trong học tập và đời sống hàng ngày. Tuy nhiên, hầu như mọi người đều chỉ mới nghe đến tên chứ chưa thực sự hiểu rõ sóng siêu âm là gì? Cơ chế và ứng dụng của sóng siêu âm trong thực tiễn ra sao? Mời bạn đọc bài viết bên dưới của Nhà thuốc Long Châu để được giải đáp cụ thể nhé!

Sóng siêu âm là gì?

Sóng siêu âm là các sóng âm thanh có tần số rung động nhanh hơn mức mà tai người không thể nghe được. Từ “siêu âm” có nguồn gốc từ hai chữ cái Latinh là “ultra” có nghĩa là vượt ra ngoài và “sonic” có nghĩa là âm thanh. So về tính chất, nó không khác so với các loại âm bình thường, chỉ khác ở chỗ là con người ra có thể phát hiện ra nó hay không.

Sóng âm có tần số dao động trong một giây là từ 100 KHz đến 50 MHz. Vận tốc của sóng siêu âm tại một thời điểm nhất định và mức nhiệt độ cụ thể sẽ không thay đổi trong môi trường. Những âm có tần số dưới 20 Hz được gọi là hạ âm và những âm trên 20.000 Hz được gọi là siêu âm. Đây là những vùng mà tại người không thể nghe thấy được. Phạm vi sóng âm mà tai con người có thể phát hiện được là từ 20 - 20.000 Hz.

Tốc độ lan truyền của siêu âm thường phụ thuộc vào bản chất cũng như nhiệt độ của môi trường truyền âm và không phụ thuộc vào tần số. Tốc độ truyền âm trong không khí tương đối thấp, thường rơi vào khoảng 342 m/s. Năng lượng của sóng siêu âm là động năng dao động và thế năng đàn hồi của các phân tử trong môi trường với đơn vị là W.

Trong y học, sóng siêu âm được tạo ra từ một dòng điện cao tần. Khi dòng điện này được phát ra đầu phát và tác động lên bản thạch anh hoặc gốm đá tinh thể, từ đó phát ra sóng âm có tần số tương đương với tần số của dòng điện. Sóng siêu âm được tạo ra bằng bộ phận chuyển đổi tín hiệu điện áp thành điện cao tần, có tên là cực hàn sonotrode, giúp biến đổi thành những dao động cơ học có cùng tần số. Trong điều trị thường sử dụng sóng siêu âm với tần số từ 0,7 - 3 MHz, còn đối với việc chẩn đoán có thể sử dụng tần số lên đến 10 MHz.

Phân loại sóng siêu âm

Có hai cách phân loại sóng siêu âm cơ bản:

Phân loại theo phương dao động

Sóng ngang: Phương dao động của những phần tử có trong môi trường sẽ vuông góc với tia của sóng. Sóng ngang thường xuất hiện trong những môi trường có tính đàn hồi về hình dạng chẳng hạn như các vật thể rắn.

Sóng dọc: Ngược với sóng ngang, phương dao động của các phần tử có trong môi trường sẽ trùng với tia của sóng. Sóng dọc sẽ thường có mặt ở những môi trường chịu sự biến dạng về thể tích, chẳng hạn như vật thể rắn, khí hoặc chất lỏng.

Phân loại theo tần số

Hạ âm (Infrasound): Là những sóng âm có tần số cực thấp, với tần số f dưới 20 Hz.

Âm thanh (Audible sound): Là sóng âm có thể nghe thấy được, tai người có thể nghe được những sóng âm có tần số nằm trong khoảng từ 20 - 20.000 Hz.

Sóng siêu âm (Ultrasound): Đây là những sóng âm có tần số f trên 20.000 Hz.

Cơ chế hoạt động của sóng siêu âm

Sóng siêu âm là sóng cơ học, tuân theo mọi quy luật của sóng cơ. Chúng được tạo ra với tần số siêu cao để có thể tạo một lực cơ học tác động đến môi trường truyền âm bao gồm môi trường chất lỏng, chất rắn, không khí giống các âm thanh bình thường. Tốc độ của sóng siêu âm tương đương với vận tốc của âm thanh nhưng có tần số cao hơn nên bước sóng sẽ ngắn hơn bước sóng của âm thanh.

Loại sóng này được truyền dưới dạng hình cầu rỗng đồng tâm, với bề mặt là những phân tử không khí bị nén lại và phần không gian ở giữa là đoạn mở rộng của các phân tử không khí mà sóng âm truyền qua. Một một lượt sóng nở ra hoặc nén lại được gọi là một chu kỳ. Trong vòng 1 giây, sóng siêu âm có thể hoàn thành khoảng 50 chu kỳ tức chúng có thể thực hiện lên đến 50 lần giãn nở và nén lại. Chu kỳ trong mỗi giây được gọi là hertz hay viết tắt là Hz.

Ứng dụng của sóng siêu âm trong thực tiễn

Trong cuộc sống hiện đại ngày nay, sóng siêu âm được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Một số ứng dụng của sóng siêu âm trong thực tiễn có thể kể đến như:

Ứng dụng trong thám hiểm

Làm công cụ hỗ trợ thám hiểm ở những địa hình hiểm trở, đáy sâu hoặc khu vực rừng núi hiểm hóc. Chẳng hạn như trong trường hợp dưới nước sâu, sóng âm sẽ được truyền thẳng đi và chính xác theo một hướng. Sóng siêu âm sẽ toả ra chùm tia hẹp theo một hướng, trong trường hợp có vật thể cản trở lại, lúc này sóng siêu âm sẽ tự động phản xạ ngược theo hướng cũ, từ đó giúp phát hiện những vật cản.

Phát hiện hải sản, tài nguyên dưới biển, cảnh báo chướng ngại vật như bãi đá ngầm, núi băng… dưới biển. Ngoài ra, đôi khi sóng siêu âm được dùng là công cụ tìm kiếm những loại tàu ngầm xâm nhập bất hợp pháp.

Ứng dụng trong y học

Một số ứng dụng của sóng siêu âm trong y học như sau:

• Hỗ trợ để điều trị các bệnh lý trên cơ thể con người, siêu âm trị liệu.
• Hỗ trợ phát hiện, chẩn đoán các bệnh lý ở bên trong bộ phận của cơ thể và phân tích tình trạng diễn biến của bệnh hiện tại, cũng như mức độ nguy hiểm của bệnh.
• Phát hiện những bộ phận khác thường trên cơ thể, đồng thời phát tín hiệu để triệu hồi âm phản xạ.
• Siêu âm thai nhi để chẩn đoán hình ảnh, tình trạng phát triển trong bụng mẹ qua các giai đoạn của thai kỳ. Hiện nay với sự phát triển của khoa học - kỹ thuật, đã có thể siêu âm màu, siêu âm doppler, siêu âm 4D…

Ứng dụng trong tẩy rửa, làm sạch

Sử dụng phổ biến trong nhiều thí nghiệm, giúp làm sạch những chi tiết nhỏ và khó tẩy rửa trên các dụng cụ, đồ vật trong thời gian ngắn.

Ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp làm sạch. Tẩy rửa những đồ vật với nhiều chi tiết nhỏ, số lượng lớn một cách nhanh chóng và dễ dàng. Hiện nay, có nhiều máy làm sạch sử dụng sóng siêu âm ra đời để hỗ trợ quá trình làm sạch đồ vật.

Ngoài ra, sóng siêu âm còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như công nghiệp hàn, nông nghiệp, hóa học phân tích…

Qua bài viết này đã đem đến những thông tin về sóng siêu âm là gì. Cơ chế và ứng dụng của sóng siêu âm trong thực tiễn. Hy vọng những thông tin này sẽ giúp cho các bạn có thêm nhiều kiến thức bổ ích về cuộc sống, ứng dụng được sóng siêu âm phục vụ nhiều nhu cầu trong cuộc sống cũng như học tập. 

Xem thêm:

• Siêu âm Doppler và siêu âm thường có khác gì nhau?
• Siêu âm doppler xuyên sọ được chỉ định trong trường hợp nào?
• Chức năng của siêu âm nhãn cầu trong điều trị các bệnh về mắt