Sóng siêu âm là gì? Phân loại và ứng dụng chi tiết

Sóng siêu âm là gì?

Sóng siêu âm là các sóng âm thanh có tần số rung động nhanh hơn mức mà tai con người có thể phát hiện được. Từ “siêu âm” có nguồn gốc từ các từ tiếng Latinh “ultra”, có nghĩa là vượt ra ngoài và “sonic” có nghĩa là âm thanh.

Các loại sóng siêu âm có dải tần số cụ thể hoặc số lần dao động trong một giây. Con người có khả năng phát hiện âm thanh trong dải tần số từ 20Hz đến 20 KHz. Tuy nhiên, dải tần số thường sử dụng trong phát hiện siêu âm là từ 100 KHz đến 50MHz. Vận tốc của sóng siêu âm tại một thời điểm và nhiệt độ cụ thể là không thay đổi trong một môi trường. Công thức tính như sau:

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

Nguồn gốc của sóng siêu âm

• Trong y học, sóng siêu âm được tạo ra từ một máy tạo ra dòng điện siêu cao tần. Dòng điện siêu cao tần được tạo ra sẽ đưa ra đầu phát và chúng sẽ tác động lên các bản thạch anh hoặc gốm đá tinh thể, sau đó những vật thể này sẽ phát ra sóng âm có tần số bằng tần số dòng điện.
• Sóng siêu âm được tạo ra bằng cực hàn sonotrode, đây là bộ phận chuyển đổi tín hiệu điện áp thành điện áp cao tần, biến đổi thành dao động cơ học có cùng tần số.

Những sóng siêu âm bao gồm loại nào?

Theo phương dao động

• Sóng ngang

Phương dao động của phần tử trong môi trường vuông góc với tia sóng. Sóng ngang thường xuất hiện trong môi trường có tính đàn hồi về hình dạng, cụ thể là các vật rắn.

• Sóng dọc

Phương dao động của các phần tử trong môi trường trùng với tia sóng. Sóng dọc thường xuất hiện trong các môi trường chịu biến dạng về thể tích, cụ thể là môi trường vật rắn, chất khí, chất lỏng.

Phân loại theo tần số

• Sóng âm tần số cực thấp: Còn được gọi là sóng hạ âm, có tên tiếng Anh là Infrasound với tần số f < 16 Hz.
• Sóng âm tần số nghe thấy được, có tên tiếng Anh là Audible sound với tần số f = 16Hz- 20kHz.
• Sóng siêu âm có tên tiếng Anh là Ultrasound với tần số  f > 20kHz

Cơ chế hoạt động của sóng siêu âm

Là loại sóng cơ học, do đó sóng siêu âm tuân theo mọi quy luật của sóng cơ, tạo ra sóng có tần số siêu cao có thể tác động lực cơ học vào môi trường truyền âm như chất lỏng, chất rắn, không khí giống các âm thanh bình thường. Với tốc độ tương đương với vận tốc âm thanh, nhưng do có tần số cao hơn nên bước sóng ngắn hơn bước sóng âm thanh.

Loại sóng này được truyền đi dưới dạng hình cầu rỗng đồng tâm, bề mặt của quả cầu là các phân tử không khí nén, không gian giữa của quả cầu là phần mở rộng của các phân tử không khí mà sóng siêu âm truyền qua. Mỗi lượt sóng nở và nén được gọi là một chu kỳ. Do đó, trong vòng 1 giây, khi sóng siêu âm hoàn thành 50 chu kỳ có nghĩa là chúng đã thực hiện được 50 lần giãn nở và nén.

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 1000 Hz; và megahertz (MHz) đại diện cho 1000000 Hz hoặc 1000 kHz.

Những ứng dụng nổi bật của sóng siêu âm trong thực tiễn

Ứng dụng trong y học

• Sóng siêu âm được ứng dụng trong y tế để hỗ trợ điều trị bệnh trên cơ thể con người.
• Giúp phát hiện, chẩn đoán các bệnh lý trong bộ phận cơ thể và phân tích tình trạng nguy hiểm của bệnh.
• Phát hiện những bộ phận khác thường và phát tín hiệu hồi âm phản xạ.
• Chuẩn đoán tình trạng thai nhi trong bụng mẹ ở giai đoạn thai kỳ.

Ứng dụng trong thám hiểm

• Được sử dụng làm công cụ hỗ trợ thám hiểm những nơi có địa hình hiểm trở, đáy sâu đại dương hoặc khu vực rừng núi hiểm hóc. Ví dụ, khi ở dưới nước, sóng siêu âm có khả năng truyền thẳng và chính xác theo một hướng nhất định, có khi truyền xa đến vài km. Khi đó, sóng siêu âm tỏa ra chùm tia hẹp theo một hướng, khi có vật cản, sóng sẽ tự động phản xạ theo hướng cũ.
• Sóng siêu âm được dùng để phát hiện thủy sản, tài nguyên biển; cảnh báo chướng ngại vật trên biển như bãi ngầm, đá ngầm, núi băng. Đôi khi, loại sóng này cũng là công cụ để tìm kiếm các loại tàu ngầm xâm nhập bất hợp pháp.

>> Đồng hồ nước siêu âm cũng sử dụng sóng siêu âm để đo lường lưu lượng nước đi qua vị trí lắp đặt đồng hồ.

Ứng dụng trong làm sạch, tẩy rửa

• Sử dụng phổ biến nhất trong các phòng thí nghiệm. Sóng siêu âm giúp làm sạch những chi tiết nhỏ và khó tẩy rửa trong thời gian ngắn.
• Sóng siêu âm còn được ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp hay hoá học phân tích.

Ứng dụng trong tiền xử lý bùn hữu cơ

Trong xử lý nước thải, phân hủy yếm khí là kỹ thuật thường được sử dụng để xử lý bùn, ổn định chất rắn và tạo khí biogas. Tuy nhiên, phân hủy yếm khí diễn ra khá chậm, sự thủy phân của các chất hữu cơ dạng hạt trong bùn bị hạn chế, nếu không có phương pháp giúp quá trình này diễn ra thuận lợi thì sẽ gặp khó khăn trong các quá trình sau.

Để giải quyết được vấn đề này thì người ta thường sử dụng sóng siêu âm để tiền xử lý bùn trước khi phân hủy yếm khí nhằm thúc đẩy các quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ diễn ra nhanh hơn, nâng cao hiệu suất xử lý, tiết kiệm chi phí.

Trên đây là những thông tin cơ bản về sóng siêu âm. Hy vọng rằng với những thông tin trên sẽ giúp các bạn hiểu rõ hơn về loại sóng này cũng như những ứng dụng cụ thể trong thực tiễn. Nếu có bất cứ thắc mắc nào cần giải đáp, hãy liên hệ ngay với Vankhinen-THP để hỗ trợ tốt nhất.

Xem thêm bài viết: lực hấp dẫn