Chương 2: Dao động – Sóng âm – Siêu âm

MỤC TIÊU

1. Giải thích được cơ chế hình thành và truyền sóng cơ và phân biệt được các loại sóng.
2. Trình bày được các đặc tính sinh lý và hiệu ứng của âm và siêu âm.
3. Nêu được các ứng dụng sóng âm – siêu âm.

NỘI DUNG

1. Sóng cơ
2. Sóng âm – Hiệu ứng Doppler – Siêu âm
3. Ứng dụng sóng âm – siêu âm trong y học

1. SÓNG CƠ

Các khái niệm về dao động

• Dao động: Chuyển động lặp đi lặp lại quanh vị trí cân bằng và có giới hạn trong không gian.
• Dao động tuần hoàn: Là dao động mà trạng thái chuyển động của vật được lặp lại như cũ sau những khoảng thời gian bằng nhau xác định.
• Dao động điều hòa: Là dao động mà trạng thái dao động được mô tả bởi định luật dạng cosin (hay sin) đối với thời gian.

Khái niệm – Phân loại

Sóng cơ: Dao động cơ học lan truyền trong môi trường vật chất.

Các loại sóng cơ bao gồm:

• Sóng dọc
• Sóng ngang
• Sóng bề mặt

Sóng ngang

“Sóng ngang là sóng mà các phần tử vật chất của môi trường có phương dao động vuông góc với phương truyền sóng.”

• Sóng ngang chỉ có thể xảy ra trong môi trường tại đó biến dạng trượt gây ra các lực đàn hồi.
• Do đó các sóng ngang không xuất hiện trong chất lỏng và chất khí.

Sóng dọc

“Sóng dọc là sóng mà các phần tử vật chất của môi trường có phương dao động trùng với phương truyền sóng.”

• Khi các phần tử của môi trường bị giãn hoặc nén, và môi trường xuất hiện lực đàn hồi chống lại, khi đó sẽ sinh ra sóng dọc.
• Khi các phần tử của môi trường co cụm lại với nhau, ta gọi là “sự nén”.
• Khi các phần tử của môi trường tách ra xa nhau, ta gọi là “sự giãn”.
• Vậy “Sóng dọc” xuất hiện khi có “sự giãn nén” của các phần tử vật chất trong một môi trường nhất định.

Sóng mặt

Sóng mặt: là loại sóng chỉ truyền trong lớp mỏng của không gian, nghĩa là sóng chỉ truyền hầu như trong không gian hai chiều.

Các đại lượng đặc trưng của sóng cơ

• Chu kỳ (T): là khoảng thời gian cần thiết để vật thực hiện đúng một dao động toàn phần.
• Tần số (f): là số dao động toàn phần được thực hiện trong khoảng thời gian 1 giây (đơn vị: Hz).

Bước sóng (λ): là khoảng cách giữa hai điểm gần nhau nhất trên cùng một phương truyền sóng dao động cùng pha.

Công thức: λ = v.T = v/f

Vận tốc của sóng cơ (v): là vận tốc lan truyền của sóng trong không gian.

Công thức: v = λ.f = λ/T (m/s)

Lưu ý: Vận tốc và mức lan truyền của sóng cơ phụ thuộc vào nhiều yếu tố (tính đàn hồi của môi trường, nhiệt độ, áp suất….)

Biên độ của sóng: là độ dịch chuyển lớn nhất của phần tử vật chất so với vị trí đứng yên trong môi trường truyền sóng.

“Sóng có năng lượng càng lớn thì biên độ càng cao.”

Hiện tượng đặc trưng

Phản xạ và Khúc xạ

Khi sóng gặp mặt phân cách giữa hai môi trường, nó có thể bị phản xạ trở lại môi trường cũ và/hoặc khúc xạ (truyền) vào môi trường mới.

Giao thoa

Hiện tượng hai sóng kết hợp, khi gặp nhau tại những điểm xác định, luôn luôn hoặc tăng cường nhau, hoặc làm yếu nhau gọi là sự giao thoa của sóng.

Nhiễu xạ

Nhiễu xạ là hiện tượng sóng đi qua khe hẹp hoặc khi gặp vật cản thì nó bị lệch khỏi phương truyền thẳng và đi vòng qua vật cản.

2. SÓNG ÂM – HIỆU ỨNG DOPPLER

Khái niệm

• Sóng âm có bản chất là sóng cơ học.
• Trong môi trường chất lỏng hoặc khí, sóng âm là sóng dọc. Quá trình truyền âm là quá trình nén dãn của các phân tử vật chất trong suốt môi trường truyền âm.

Phân loại sóng âm theo tần số:

• Hạ âm: Tần số dưới 16 Hz (tai người không nghe được).
• Âm nghe được: Tần số từ 16 Hz – 20,000 Hz (20 kHz).
• Siêu âm: Tần số trên 20 kHz (tai người không nghe được).

2.1 Đặc trưng sinh lý của sóng âm

Cường độ âm (I) và Mức cường độ âm (L)

Cường độ âm (I): là năng lượng của sóng âm truyền qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian. (Đơn vị: W/m²)

Cường độ âm phụ thuộc vào:

• Biên độ sóng
• Khoảng cách từ nguồn phát ra âm đến vị trí khảo sát âm.

Mức cường độ âm (L): là đại lượng đo lường cường độ của một âm thanh so với một cường độ âm chuẩn (ngưỡng nghe). (Đơn vị: decibel – dB).

Công thức: L(dB) = 10log(I/I₀)

Trong đó:

• I: cường độ âm
• I₀: cường độ âm chuẩn (thường là 10⁻¹² W/m²)

Độ cao và Âm sắc

• Độ cao của âm: đặc trưng bởi tần số của dao động âm. Tần số càng lớn, âm càng cao (bổng); tần số càng nhỏ, âm càng thấp (trầm).
• Âm sắc: là phẩm chất của một nốt nhạc hoặc âm thanh, giúp phân biệt các âm thanh có cùng độ cao phát ra từ các nguồn khác nhau (ví dụ: tiếng đàn piano và violin cùng chơi một nốt). Âm sắc phụ thuộc vào dạng đồ thị dao động của âm.

2.2 Hiệu ứng Doppler

Hiệu ứng Doppler là sự thay đổi tần số âm thanh mà người nghe (máy thu) nhận được khi có sự chuyển động tương đối giữa nguồn âm và người nghe (máy thu).

Cấu tạo tai người

• Tai ngoài: Thu thập âm thanh.
• Tai giữa: Tiếp nhận và khuếch đại các dao động âm.
• Tai trong: Sử dụng các đầu dây thần kinh để cảm nhận dao động (độ rung) và gửi tín hiệu đến não.

Hệ thống xương con ở tai giữa (xương búa, xương đe, xương bàn đạp) có chức năng khuếch đại áp suất âm thanh từ màng nhĩ truyền vào tai trong, giúp ta nghe được những âm thanh yếu.

2.3 Sóng siêu âm

Đặc tính

Sóng siêu âm là một loại sóng âm có tần số trên 20kHz, cao hơn giới hạn nghe thấy của con người.

• Là sóng phẳng nên các tia sóng là những tia song song, dễ định hướng.
• Có bước sóng nhỏ, ít bị nhiễu xạ nên có khả năng tập trung năng lượng lớn.
• Ít bị hấp thu trong chất lỏng.
• Bị phản xạ rất mạnh khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường khác nhau.

Nguyên lý thu phát: Hiệu ứng áp điện

Hiệu ứng áp điện là hiện tượng một số vật liệu (như thạch anh, gốm PZT) tạo ra một hiệu điện thế khi bị tác dụng một lực cơ học (nén hoặc giãn), và ngược lại, chúng sẽ biến dạng (nén hoặc giãn) khi đặt trong một điện trường. Đây là nguyên lý cơ bản để tạo và thu sóng siêu âm trong các đầu dò.

Tác động của sóng siêu âm

Sóng siêu âm có ba tác động chính, được ứng dụng trong điều trị:

1. Tác động Cơ – Nhiệt: Dao động của các phần tử gây ma sát và sinh nhiệt.
2. Tác động Hóa – Lý: Tăng tốc độ các phản ứng hóa học.
3. Tác động Sinh học: Tác động lên tế bào và mô sống.

3. ỨNG DỤNG SÓNG ÂM – SIÊU ÂM

3.1 Ứng dụng sóng âm (trong y học)

Chẩn đoán

• Gõ: Các tổ chức có cấu trúc, trạng thái bệnh lý khác nhau khi gõ sẽ tạo ra âm thanh khác nhau (ví dụ: gõ lồng ngực).
• Nghe: Nghe những âm thanh phát ra từ cơ quan trong cơ thể (tim, phổi, ruột) để biết trạng thái và sự hoạt động của chúng.

Phép thử Rinner – Phép thử Weber

• Đây là các phương pháp đánh giá tình trạng suy giảm thính lực.
• Lợi dụng sự khác biệt giữa khả năng dẫn truyền âm thanh qua đường khí (qua tai ngoài và tai giữa) và đường xương (qua xương sọ).

3.2 Ứng dụng sóng siêu âm

Trong kỹ thuật công nghiệp

Siêu âm được dùng để đo độ sâu của biển (SONAR), phát hiện các khuyết tật bên trong vật liệu (vết nứt, lỗ hổng) mà không cần phá hủy mẫu vật.

Trong chẩn đoán y khoa

Là kỹ thuật dùng sóng siêu âm tần số cao để tạo ảnh về cấu trúc bên trong cơ thể.

Các phương pháp chính:

• PP truyền qua: Đo mức độ hấp thụ của chùm siêu âm sau khi đi qua mô để xác định mật độ, kích thước, tính chất mô.
• PP Phản xạ: Đo chùm siêu âm phản xạ lại từ các cấu trúc để xác định khoảng cách, kích thước, hình dạng và mật độ (rắn hay chứa dịch).
• PP Doppler: Đo sự thay đổi tần số của sóng siêu âm phản xạ từ các vật thể chuyển động, chủ yếu là đo vận tốc dòng máu.

Các kiểu siêu âm (Modes):

• A-mode (Amplitude mode): Hiển thị tín hiệu phản xạ dưới dạng các xung nhọn trên một đường thẳng, biên độ xung cho biết cường độ phản xạ.
• B-mode (Brightness mode): Hiển thị tín hiệu dưới dạng các điểm sáng trên màn hình (thang xám). Cường độ tín hiệu càng mạnh, điểm sáng càng sáng. Đây là kiểu siêu âm 2D phổ biến nhất.
• TM-mode (Time-Motion mode): Hiển thị chuyển động của các cấu trúc theo thời gian, thường dùng trong siêu âm tim để khảo sát sự chuyển động của van tim, thành tim.

Trong điều trị y khoa

Siêu âm trị liệu được dùng để:

• Tăng tuần hoàn máu cục bộ do tăng nhiệt độ tại chỗ.
• Giãn cơ, giảm đau do kích thích trực tiếp của siêu âm lên các cảm thụ thần kinh.
• Tăng tính thấm của màng tế bào làm tăng hấp thu dịch nề, tăng trao đổi chất, tăng dinh dưỡng và tái sinh tổ chức, dẫn thuốc.