Intro: Sóng siêu âm, một loại sóng tự nhiên, đã tìm được sự ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y học, làm sạch và quân sự. Vậy sóng siêu âm là gì và tại sao chúng lại có thể được sử dụng trong các ngành này? Hãy cùng khám phá nguyên lý hoạt động và những ứng dụng thú vị của sóng siêu âm trong cuộc sống.
Sóng siêu âm: Khám phá khái niệm và tần số
Siêu âm, được gốc từ từ tiếng Latinh "ultra" có nghĩa là "vượt ra ngoài" và "sonic" có nghĩa là "âm thanh". Đây là thuật ngữ được sử dụng để miêu tả các sóng âm thanh rung động nhanh hơn mức tai người có thể phát hiện.
Siêu âm có tần số cụ thể hoặc số lần dao động trong một giây. Con người có thể phát hiện âm thanh trong dải tần từ 20Hz đến 20 KHz. Tuy nhiên, dải tần số thường được sử dụng trong phát hiện siêu âm là 100 KHz đến 50MHz. Vận tốc của siêu âm tại một thời điểm và nhiệt độ cụ thể là không đổi trong một môi trường. Chúng được thể hiện theo công thức dưới đây:
W = C / F (hoặc) W = CTTrong đó:
- W = Chiều dài sóng
- C = Vận tốc của âm thanh trong môi trường
- F = Tần số của sóng
- T = Khoảng thời gian
Sóng siêu âm được phát ra như thế nào?
Sóng siêu âm tồn tại tự nhiên hoặc có thể được tạo ra nhân tạo. Cá voi, dơi và cá heo là những loài động vật có khả năng tạo ra sóng siêu âm và sử dụng chúng để tìm đường đi, nhận biết vật cản và tìm kiếm mồi. Con người cũng có thể tạo ra sóng siêu âm thông qua các thiết bị nhân tạo như tinh thể áp điện trong loa và đầu phát siêu âm trong các bể rửa siêu âm.
Trong hầu hết các ứng dụng thương mại, sóng âm được tạo ra bằng cách sử dụng một bộ chuyển đổi bao gồm một tinh thể áp điện có chức năng chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Sóng âm này sau đó được phản xạ và trở lại đầu dò dưới dạng tiếng vang, sau đó chuyển đổi trở lại thành tín hiệu điện.
Ngoài ra, cũng có thể tạo ra sóng siêu âm bằng cách từ hóa một nguyên tố sắt hoặc niken để thay đổi kích thước của nó. Siêu âm cũng có thể được tạo ra bằng một máy phát kiểu còi hoặc còi báo động, trong đó dòng khí hoặc chất lỏng được đi qua một khoang cộng hưởng hoặc bộ phản xạ để tạo ra các dao động siêu âm đặc trưng.
Nguyên lý hoạt động của sóng siêu âm truyền
Sóng siêu âm truyền đi dưới dạng hình cầu rỗng đồng tâm. Bề mặt của các quả cầu là các phân tử không khí nén, và không gian giữa các quả cầu là phần mở rộng của các phân tử không khí mà sóng âm truyền qua. Do đó, sóng siêu âm là một loạt các nén và giãn nở trong môi trường xung quanh chúng. Mặc dù chúng ta thường nghĩ về siêu âm thanh như truyền trong không khí, nhưng chúng cũng có thể lan truyền qua các phương khác.
Mỗi lượt sóng siêu âm nở và nén được gọi là một chu kỳ. Trong vòng 1 giây, khi siêu âm hoàn thành 50 chu kỳ tức là chúng đã thực hiện 50 lần giãn nở và nén. Thuật ngữ tần số chỉ số chu kỳ trên một đơn vị thời gian mà sóng âm thanh dao động. Một 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 1.000 Hz; và megahertz (MHz), đại diện cho 1.000.000 Hz hoặc 1.000 kHz.
Sóng siêu âm có thể lan truyền qua nhiều môi trường khác nhau và gây ra nén và giãn nở của các phân tử trong môi trường xung quanh nó. Tuy nhiên, sóng siêu âm có bước sóng ngắn và có thể bị nhiễu xạ hoặc tán xạ bởi các vật thể cùng kích thước. Vận tốc truyền của siêu âm thu được bằng cách nhân tần số của siêu âm với bước sóng của nó.
Ứng dụng của sóng siêu âm trong cuộc sống
Sóng siêu âm đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau và tiếp tục mở rộng trong tương lai.
1. Sử dụng sóng siêu âm đuổi chuột và diệt côn trùng
Sóng siêu âm đã được sử dụng để xua đuổi chuột và diệt côn trùng gây hại như muỗi và gián. Máy đuổi chuột là những thiết bị nhỏ phát ra sóng âm tần số cao mà loài động vật này không thích. Khi thiết bị hoạt động, sự xuất hiện của siêu âm giống như tiếng khoan lớn khiến chúng khiếp sợ và phải bỏ đi.
2. Ứng dụng của sóng siêu âm trong y học
Ứng dụng sóng siêu âm trong y học rất quan trọng, đặc biệt trong siêu âm chẩn đoán. Các bác sĩ sử dụng công nghệ siêu âm để đưa ra những dự đoán chính xác về tình trạng bệnh và sự phát triển của thai nhi. Các vấn đề thường được theo dõi bằng siêu âm bao gồm bọng đái, não (ở trẻ sơ sinh), mắt, túi mật, thận, gan, buồng trứng, tuyến tụy, lá lách, tuyến giáp, tinh hoàn, tử cung và mạch máu.
3. Áp dụng sóng siêu âm trong quân sự
Sóng siêu âm được sử dụng trong lĩnh vực trinh sát biển để phát hiện thủy sản, tài nguyên biển và cảnh báo chướng ngại vật như đá ngầm hoặc núi băng. Chúng cũng là công cụ để tìm kiếm các loại tàu ngầm xâm nhập bất hợp pháp.
4. Máy phun sương bằng sóng siêu âm
Máy phun sương là một ứng dụng phổ biến của sóng siêu âm. Khi hoạt động, sóng siêu âm tác động đến các hạt nước và làm chúng vỡ tan thành các hạt sương nhỏ. Sự xuất hiện của sương mù là giải pháp lý tưởng cho các phòng máy lạnh hoặc trong môi trường khô và độ ẩm thấp.
5. Sóng siêu âm trong việc làm sạch đồ dùng
Làm sạch bằng sóng siêu âm là một ứng dụng mới. Các thiết bị này sử dụng hiệu ứng giãn - nở của sóng siêu âm để tạo ra các bọt khí và đánh bật các vết bẩn. Máy rửa sóng siêu âm có thể làm việc tự động, không cần giám sát liên tục và làm sạch một lượng lớn đồ vật trong cùng một khoảng thời gian.
6. Tác dụng công nghệ siêu âm xử lý khí thải
Sóng siêu âm được sử dụng để kết dính, hoặc đông tụ, các hạt rắn hoặc lỏng có trong bụi, sương mù hoặc khói thành các cục lớn hơn. Kỹ thuật này được sử dụng trong quá trình tẩy rửa bằng sóng siêu âm để giữ chặt các hạt vật chất trong túi khí trước khi gây ô nhiễm bầu khí quyển.
7. Chế biến sữa và gia công kim loại
Sóng siêu âm có thể được sử dụng để phá vỡ các giọt chất béo trong sữa để chúng hòa tan vào sữa. Ngoài ra, sóng siêu âm cũng có thể được sử dụng để gia công kim loại bằng cách khoan lỗ trên các vật liệu cứng như vonfram hoặc đá quý và hàn kim loại.
8. Giám sát và nghe trộm
Sóng siêu âm có thể được sử dụng để nghe lén các cuộc trò chuyện mà không cần sử dụng micro bằng cách hướng sóng siêu âm vào cửa sổ của căn phòng đang được giám sát. Âm thanh trong phòng làm rung cửa sổ và các rung động giọng nói tạo ra sự thay đổi trong sóng siêu âm được phản xạ trở lại và chuyển đổi thành tín hiệu điện có thể tái tạo thành âm thanh nghe được.
Sóng siêu âm và sức khoẻ
Mặc dù sóng siêu âm mang đến nhiều lợi ích, chúng cũng có thể ảnh hưởng đến sức khoẻ con người. Các nhà khoa học đã liệt kê những ảnh hưởng tiêu cực của sóng siêu âm đến sức khoẻ, bao gồm gây vô sinh cho nam giới trong 6 tháng, ảnh hưởng đến sức khoẻ sinh sản của bé trai khi tiếp xúc với sóng siêu âm trong bụng mẹ và gây biến dạng trường DNA.
Thiết bị tạo sóng siêu âm
Thiết bị tạo sóng siêu âm, từ dân dụng đến công nghiệp, đã và đang được phát triển để nâng cao hiệu suất sử dụng. Tuỳ thuộc vào yêu cầu thực tế, thiết bị tạo sóng siêu âm có thể tạo ra tần số thấp hoặc cao. Người mua cần tìm hiểu kỹ về tần số siêu âm phù hợp với ứng dụng của mình và nhờ đến sự giúp đỡ của chuyên gia để lựa chọn thiết bị phù hợp.
Sóng siêu âm, một khám phá tuyệt vời trong lĩnh vực khoa học và công nghệ, hiện đang mang đến nhiều lợi ích và tiềm năng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Việc hiểu rõ về nguyên lý hoạt động và ứng dụng của sóng siêu âm giúp chúng ta có cái nhìn rõ ràng và sẵn sàng khám phá thêm nhiều khía cạnh thú vị khác.
