Ngày nay, sóng siêu âm đã trở thành một cụm từ khá quen thuộc đối với chúng ta. Chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ làm sạch dụng cụ, chuẩn đoán bệnh tật, trinh sát biển, dò cá, đến các ngành công nghiệp hàn, công nghiệp thực phẩm và ngành dược.

Hình 1. Mô phỏng sóng siêu âm (Nguồn: epilepsyu.com)

Sóng siêu âm là gì?

Sóng siêu âm là một loại âm thanh có tần số rất cao so với tần số âm thanh mà con người có thể nghe thấy được. Thông thường tần số siêu âm sẽ có cường độ lớn hơn 20 kHz.

Sóng siêu âm có thể lan truyền trong nhiều môi trường khác nhau như không khí, các chất lỏng, rắn. Nhưng tần số của sóng siêu âm cao hơn nhiều so với âm thanh nên bước sóng của sóng siêu âm sẽ ngắn hơn bước sóng của âm thanh. Nhờ vậy mà sóng siêu âm được truyền qua các vật chất tốt hơn và độ phân giải từ ảnh chụp siêu âm sẽ cho chất lượng tốt hơn. Vì thế siêu âm được ứng dụng nhiều trong chuẩn đoán y học hoặc chụp ảnh bên trong linh kiện cơ khí để kiểm tra cấu trúc. Bên cạnh đó, sóng siêu âm còn ứng dụng để quan trắc, đo khoảng cách, vận tốc hoặc dùng để làm sách thiết bị, dụng cụ, …

1.Ứng dụng của sóng siêu âm trong công nghiệp

Thường được dùng phổ biến trong các lĩnh vực công nghiệp như: hàn siêu âm, kiểm tra chất lượng sản phẩm, gia công vật liệu cứng. Với phương pháp hàn siêu âm, người ta ta dựa vào dao động siêu âm với tần số khoảng 2000Hz được tạo từ máy phát để tác động vào một vùng nhỏ của mối hàn. Làm cho vùng cần hàn trở nên linh hoạt. Sau đó dùng lực ép để đẩy các chi tiết lại với nhau với khoảng cách nhất định để các nguyên tử phát sinh sự liên kết chặt chẽ tạo thành mối hàn tốt nhất.

Hình 2. Thiết bị hàn siêu âm (Nguồn: dotdap.com)

Bên cạnh phương pháp hàn siêu âm, trong công nghiệp còn sử dụng sóng siêu âm để phát hiện các khuyết tật nằm ẩn trong vật liệu như các vết nứt, lỗ rỗng, rỗ khí và các bất liên tục nằm trong kim loại, chất dẻo và gốm sứ bằng cách phát ra luồng sóng siêu âm từ bộ phát sung. Lúc này luồng năng lượng âm được hình thành và lan truyền qua các vật liệu dưới dạng sóng.

Khi có sự gián đoạn hệ sóng được tạo ra bới các vết nứt, rỗ trên đường truyền sóng thì một phần năng lượng sẽ bị phản xạ trở lại từ bề mặt khuyết tật. Tín hiệu được tiếp nhận lại thiết bị và chuyển thành tín hiệu điện nhờ biến từ và tính toán rồi mới thể hiện lên màn hình hiển thị. Bằng kỹ thuật này, chúng ta có thể kiểm tra chất lượng các mẫu vật liệu được đút ra hay các mối hàn kim loại, …

Hình 3. Cách kiểm tra khuyết tật vật liệu bằng sóng siêu âm (Nguồn : visco.com.vn)

2.Ứng dụng sóng siêu âm trong y học

Trong y học, thiết bị siêu âm là một thiết bị rất có hiệu quả trong việc ghi nhận hình ảnh của các mô mềm. Thông thường trong y khoa người ta dùng tần số 1 – 15MHz để truyền chùm âm đi xuyên qua cơ thể. Khi hình siêu âm hiện trên màn hình có nền đen, các tín hiệu cường độ mạnh hiện lên màu trắng, không có tín hiệu hiện lên màu đen, còn các tín hiệu với cường độ trung gian thể hiện qua các sắc xám (thang xám). Trong y khoa, thường sử dụng siêu âm 2D để tiến hành các kiểm tra sơ bộ, siêu âm 3D để khám thai, khám tuyến giáp hay siêu âm Doppler để kiểm tra mạch máu bệnh nhân.

Hình 4. Siêu âm khoang bụng của bệnh nhân ( Nguồn: vinmec.com)

3.Ứng dụng sóng siêu âm trong hàng hải

Dựa và nguyên lý truyền sóng âm và thu âm lại mà các nhà nghiên cứu đã tạo ra thiết bị dò cá bằng sóng siêu âm, cho phép xác định vị trí hướng di chuyển và vận tốc của đàn cá dưới biển. Các máy dò cá hay máy tầm ngư này phát ra một chùm sóng siêu âm xuống đáy với theo hình chóp nón tần số nhất định, thông thường tần số các máy dò cá nước ngọt khoản 200kHZ và máy dò cá ở biển là 50kHz để dò các ở mặt nước sâu hơn.

Các luồng sóng siêu âm này là truyền trong nước với tốc độ khoản 1500m/s, khi nó gặp chướng ngại vật nào đó thì sẽ lập tức một phần của đợt sóng âm ấy bị dội ngược trở lại phía trên. Lúc này, luồng sóng ấy sẽ được tiếp nhận bằng dụng cụ thăm dò, sau đó được khuếch đại và chuyển đổi để hiển thị thông tin lên màn hình. Giúp cho các ngư dân có thể biết được khu vực có nhiều cá và hướng di chuyển của đàn cá.

Hình 5. Nguyên lý hoạt động của máy dò cá (Nguồn: espesca.com)

4.Ứng dụng sóng siêu âm trong vệ sinh dụng cụ, thiết bị

Bên cạnh việc sử dụng sóng siêu âm trong việc dò tìm hay chuẩn đoán y học, sóng siêu âm ở tần số cao còn sử dụng để phá hủy các vật thể hay để vệ sinh các dụng cụ y tế, làm sạch đồ trang sức, dụng cụ thí nghiệm, đồng hồ, mắt kính, …dựa vào hiện tượng xâm thực của sóng siêu âm. Các dòng sóng siêu âm này sẽ tấn công vào các bọt khí thường xuất hiện trong chất lỏng này với tần số cao.

Việc dao động cơ học khi bị tấn công bởi siêu âm và sự chênh lệch về khối lượng riêng làm cho các hạt khí này chuyển động hỗn loạn, chúng sẽ kết hợp lại với nhau và tạo ra những bọt khí có kích thước lớn hơn. Khi các hạt khí này đạt đến một kích cỡ nhất định sẽ bị vỡ tung thành nhiều hạt nhỏ, tạo nên sức va đập mạnh và áp suất lớn, đồng thời, nhiệt độ trong chất lỏng cũng tăng lên.

Dựa trên hiện tượng xâm thực nêu trên, khi những chiếc máy rửa siêu âm hoạt động, sóng siêu âm cũng tác dụng đến dung dịch rửa, khiến dung dịch bị ép lại, dãn ra liên tục và sinh ra những bọt khí nhỏ li ti. Các bọt khí này nhanh chóng vỡ tan, tạo ra các luồng sóng xung kích giống như những chiếc chổi nhỏ len lỏi vào từng ngóc ngách, chi tiết của món đồ, cuốn trôi đi bụi bẩn, từ đó giúp món đồ được vệ sinh tốt hơn.

Hình 6. Bể rửa siêu âm trong phòng thí nghiệm (hình bên trái) và máy siêu âm vệ sinh kim xăng (hình bên phải)

5.Ứng dụng sóng siêu âm trong nông nghiệp

Dựa vào cơ chế xâm thực và bức của sóng siêu âm, các bể siêu âm còn được sử dụng để loại bỏ các hóa chất, thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực vật tồn dư ra khỏi các sản phẩm nông nghiệp. Nhưng việc sử dụng chúng đơn thuần sẽ không loại bỏ hết các hoá chất tồn dư trên sản phẩm nông nghiệp vì phần còn lại này chúng có liên kết với các cấu tử trên bề mặt các loại trái cây, các sản phẩm nông nghiệp.

Do đó, Nakao Nomura và cộng sự (2015) đã sử dụng sóng siêu âm kết hợp với khí Ozon nhằm phân hủy các hợp chất này giúp cho sóng siêu âm loại bỏ tốt hơn các hóa chất. Kết quả thu nhận được cho thấy các thuốc trừ sâu Ethion và Chlorpyrios tồn dư trên quả quýt và trái ớt được loại bỏ đáng kể, lên đến 75% các chất liên kết bề mặt của trái cây.

Trên đây, là những chia sẻ về ứng dụng của sóng siêu âm trong thực tế; hy vọng phần nào giúp ích cho mọi người.

xem thêm >> nguyên lý hoạt động của máy hàn siêu âm

máy hàn nhựa bằng sóng siêu âm