• Nếu bạn thấy trang bị bể khung, chữ xếp lộn xộn... hãy tải lại trang một lần nữa. Xin cảm ơn!

Cùng tản mạn về siêu âm đại cương

CDHA

Administrator
Chào các bạn, hôm nay mình sẽ chia sẻ với các bạn một vài điều cơ bản về siêu âm. Nói là cơ bản vì những cái này ai cũng biết hết rồi, mình chia sẻ vì mình thích thôi. Bắt đầu nhé.

SÓNG SIÊU ÂM
Dĩ nhiên các máy siêu âm sử dụng sóng siêu âm, và sóng siêu âm là một loại sóng cơ học. Các bạn có thể tìm trên mạng rất nhiều định nghĩa về sóng cơ học, nhưng mình tự định nghĩa theo cách hiểu của mình (có thể không được chính xác) thì sóng cơ học là sự lan truyền dao động của các phần tử vật chất trong môi trường (rắn, lỏng, khí, plasma). Môi trường chân không không có vật chất, sóng cơ học không tồn tại, không lan truyền qua được.

Vậy tại sao sóng cơ học này lại được gọi là sóng siêu âm?
Số lần dao động trong một đơn vị thời gian (cụ thể là giây) của các phân tử vật chất gọi là tần số (Hz). Các phần tử vật chất giao động tạo ra sóng, sóng này truyền trong môi trường vật chất (rắn, lỏng, khí) đến tai người. Khi các phần tử này giao động từ 16Hz đến 20.000Hz thì tạo ra sóng gọi là sóng âm, truyền đến tai người tạo thành tín hiệu âm thanh. Nếu giao động với tần số lớn hơn 20.000Hz thì nó tạo ra sóng siêu âm. Như vậy sóng siêu âm là sóng cơ học có tần số dao động trên 20.000Hz (20KHz). Sóng siêu âm có các đặc tính vật lý y như sóng âm, chỉ là vì tai người không nghe được nên gọi là siêu âm, bản chất nó vẫn là sóng âm. Từ chỗ này trở đi, mình sẽ gọi chung sóng siêu âm và sóng âm là sóng âm cho dễ.

Siêu âm và siêu thanh có giống nhau?
Siêu thanh là một thuật ngữ chỉ vận tốc, nếu vận tốc này lớn hơn vận tóc của sóng âm trong không khí (khoảng 340m/s) thì gọi là siêu thanh. Như vậy siêu thanh khác siêu âm. Siêu âm là một thuật ngữ chỉ về tần số giao động của sóng âm, sóng âm có vận tốc truyền sóng không phụ thuộc vào tần số mà nó phụ thuộc vào môi trường vật chất nó truyền qua, với mỗi một môi trường khác nhau, sóng âm (hay sóng siêu âm) có một vận tốc truyền sóng hằng định khác nhau. Ví dụ vận tốc truyền của sóng âm trong môi trường không khí, ở độ cao mực nước biển, nhiệt độ 20 độ C vào khoảng 343m/s. Cho dù sóng âm này có tần số 300Hz hay 400Hz hay 500Hz thì nó vẫn truyền với vận tốc khoảng 343m/s.

Tần số, chu kỳ, bước sóng và vận tốc truyền âm (cũng như siêu âm)?
Tần số
là số giao động trong một giây, ký hiệu là f, đơn vị SI là Hz
Chu kỳ là thời gian của một giao động (nghĩa là tỷ lệ nghịch với tần số), ký hiệu là T.

(F = 1/T).
Bước sóng có thể hiểu nôm na là khoảng cách gần nhất giữa 2 điểm vật chất có giao động giống nhau trong môi trường truyền sóng. Ký hiệu λ
Gọi c là vận tốc truyền sóng âm trong môi trường, ta có công thức kinh điển

c = f.λ.​

Dựa vào công thức này có bạn nói ta có thể tăng vận tốc truyền âm bằng cách tăng tần f số hoặc tăng bước sóng λ nhưng điều này không thể. Trong một môi trường nhất định thì c là hằng định, c chỉ thay đổi khi cấu trúc môi trường truyền âm thay đổi. Nếu bạn tăng f thì λ sẽ bị nhỏ lại, ngược lại nếu bạn giảm f thì λ sẽ tăng lên. (λ là thuộc tính không thể tác động được, nó sẽ tự thay đổi khi f thay đổi, nói cách khác bạn muốn có một sóng có bước sóng dài hơn, thì cái duy nhất bạn có thể làm là giảm tần số giao động của sóng xuống, nếu bạn muốn có một sóng có bước sóng ngắn hơn, cái duy nhất bạn có thể làm là tăng tần số giao động của sóng lên, nếu bạn muốn tăng vận tốc truyền sóng, cái duy nhất bạn có thể làm là thay đổi môi trường sóng truyền qua)

Sóng ngang, sóng dọc, sóng hình sin
Sóng ngang:
là sóng có phương dao động vuông góc với phương truyền sóng.
Sóng dọc: là sóng có phương dao động cùng hướng (trùng) với phương truyền sóng. Sóng siêu âm bình thường là sóng dọc, khi phân tử dao động đi tới trong môi trường, nó nén môi trường lại tạo nên một áp suất lớn (áp suất dương), sau đó phần tử dao động này quay trở về hướng ngược lại, nó kéo dãn môi trường ra tạo nên một áp suất nhỏ (áp suất âm). Như vậy sự lan truyền sóng âm cũng chính là sự lan truyền áp suất nén của môi trường.
Biên độ: là độ lớn của giao động. Biên độ là đại lượng vô hướng. Trong sóng âm, thì biên độ của sóng là độ chênh lệch áp suất giữa nơi có không khí bình thường và nơi có không khí bị nén tối đa.
Sóng hình sin: Sóng âm là một loại sóng hình sin, sóng hình sin là loại sóng dao động điều hòa. Người ta thường biểu diễn mối liên hệ giữa biên độ sóng âm theo thời gian trên một trục tọa độ thời gian - biên độ sẽ cho ra một đồ thị hình sin. Lưu ý biên độ ở đây là áp suất môi trường bị nén.

SỰ TRUYỀN SÓNG ÂM
Như đã nói ở trên, sự truyền sóng âm là sự lan truyền áp lực nén trong môi trường. Vận tốc truyền sóng là cố định trong mỗi môi trường, nó không phụ thuộc và tần số hay bước sóng, nó chỉ phụ thuộc vào các đặc tính vật lý của môi trường đó.

Giao diện âm - Trở kháng âm:
Mỗi một môi trường khác nhau sẽ có một vận tốc truyền sóng khác nhau. Khi sóng âm truyền qua 2 môi trường có vận tốc dẫn truyền khác nhau sẽ xuất hiện khái niệm "giao diện âm".
Giao diện âm là mặt phân cách giữa hai môi trường có vận tốc dẫn truyền âm khác nhau. Khi sóng âm đi qua mặt phân cách này, nó sẽ bị dội lại một phần. Nói một cách tương đối thì đại lượng đặc trưng cho sự dội này là trở kháng âm (Ký hiệu là Z). (Đúng ra phải gọi là sức cản âm, sức cản càng lớn thì sự dội lại càng nhiều, nhưng dễ gây hiểu lầm vì môi trường có vận tốc dẫn truyền âm càng lớn thì trở kháng âm càng cao, tức là sức cản âm càng cao - nghe có vẻ mâu thuẫn, đã có sức cản cao sao lại còn dẫn truyền tốt? - vì khái niệm sức cản này chỉ tồn tại ở giao diện âm thôi)

Z = p x c
Z: Trở kháng âm
p: mật độ của môi trường (kg/m3) - (Là khối lượng riêng? D = m/V)
c: vận tốc truyền sóng âm trong môi trường (m/s)​

Hiện tượng phản xạ, khúc xạ, tán xạ:
Khi tia siêu âm đi qua giao diện âm giữa hai môi trường, sẽ có các trường hợp sau xảy ra:
Nếu 2 môi trường có độ chênh lệch trở kháng âm quá lớn, toàn bộ sóng âm bị phản xạ lại khi nó va vào giao diện âm giữa 2 môi trường.
Nếu 2 môi trường có độ chênh lệch trở kháng âm quá nhỏ, toàn bộ sóng âm coi như không bị phản xạ lại khi nó va vào giao diện âm giữa 2 môi trường, sóng tiếp tục truyền đi.
Nếu 2 môi trường có độ chênh lệch trở kháng âm ở mức vừa phải, một phần sóng âm phản xạ lại tại giao diện âm, một phần sóng âm tiếp tục truyền qua giao diện âm vào môi trường thứ 2.

Trong 2 trường hợp có sóng âm tiếp tục truyền đi:
- Nếu tia siêu âm thẳng góc với mặt phẳng giao diện âm thì tia siêu âm sẽ tiếp tục đi thẳng.
- Nếu tia siêu âm đi không thẳng góc với mặt phẳng giao diện âm, thì tia siêu âm sẽ bị đổi hướng khi đi vào môi trường thứ 2. gọi là hiện tượng khúc xạ.

Nếu giao diện âm có kích thước quá nhỏ, nhỏ hơn bước sóng của sóng âm, thì khi sóng âm đến giao diện âm nó sẽ bị phản xạ ra thành nhiều hướng trong môi trường, gọi là hiện tượng tán xạ.

Sự suy giảm năng lượng sóng âm
 
Top