Ứng dụng của sóng âm trong y tế, kỹ thuật và đời sống

Sau bài này, em nêu và giải thích được các ứng dụng chính của sóng âm (đặc biệt là siêu âm) trong y tế, định vị dưới nước và cách âm chống ồn, đồng thời vận dụng được công thức $d=vt/2$ để tính khoảng cách từ thời gian truyền và phản xạ của sóng âm.

Bài Miền tần số nghe được đã định nghĩa siêu âm là sóng âm có tần số trên $20\,000$ Hz. Bài này dùng lại định nghĩa đó, cùng với công thức quãng đường quen thuộc từ THCS $s=vt$, để giải thích các ứng dụng thực tế của siêu âm — trong đó $v$ chính là tốc độ truyền âm trong môi trường đang xét. Bài này cũng lần đầu đưa hiện tượng phản xạ sóng âm vào một phép tính định lượng — trước đây ta mới chỉ nói định tính về tiếng vang.

**Siêu âm trong y tế:** sóng siêu âm phát vào cơ thể sẽ phản xạ khác nhau tại ranh giới giữa các mô có mật độ khác nhau (da, cơ, xương, nước ối...). Đầu dò thu lại các sóng phản xạ này, máy tính xử lí thời gian và cường độ phản xạ để dựng thành hình ảnh — đó là nguyên lí của máy siêu âm chẩn đoán (siêu âm thai, siêu âm ổ bụng). Vì không dùng tia phóng xạ, siêu âm chẩn đoán an toàn để dùng nhiều lần, kể cả cho phụ nữ mang thai. **Sonar — định vị dưới nước:** nguyên lí tương tự được dùng để đo khoảng cách. Một thiết bị phát một xung siêu âm; xung này truyền đi với tốc độ $v$ trong môi trường (ví dụ nước), gặp vật cản hoặc đáy biển thì phản xạ ngược lại, thiết bị thu và đo tổng thời gian $t$ từ lúc phát đến lúc nhận. Vì sóng đi và về cùng một quãng đường $d$, tổng thời gian $t$ ứng với quãng đường $2d$, nên: $$d = \dfrac{v.t}{2}$$ Sonar dùng siêu âm thay vì âm nghe được vì bước sóng ngắn của siêu âm cho tín hiệu phản xạ rõ nét hơn tại các vật cản có kích thước nhỏ, đồng thời không gây tiếng ồn khó chịu cho người vận hành thiết bị. **Cách âm — chống ồn:** cần phân biệt hai khái niệm hay bị nhầm. **Cách âm** là ngăn không cho âm truyền từ phòng này sang phòng khác (dùng tường dày, vật liệu đặc, có lớp đệm không khí ở giữa); **tiêu âm** (hay hút âm) là làm giảm tiếng vang bên trong chính căn phòng đó (dùng vật liệu xốp, mềm để hấp thụ sóng phản xạ). Một phòng thu âm chuyên nghiệp thường cần cả hai: tường dày để cách âm với bên ngoài, và bề mặt xốp bên trong để tiêu âm. Vật liệu cứng, đặc, nhẵn (kính, bê tông trơn) phản xạ âm tốt nên ít có tác dụng tiêu âm nếu dùng một mình, dù vẫn có thể cách âm tốt nếu đủ dày. Máy siêu âm y tế thường dùng tần số từ khoảng $2$ đến $18$ triệu Hz ($2$–$18$ MHz), cao hơn rất nhiều so với ranh giới $20\,000$ Hz phân loại siêu âm. Tần số càng cao, bước sóng càng ngắn, hình ảnh dựng được càng chi tiết, nhưng sóng lại bị hấp thụ nhanh hơn khi đi sâu vào cơ thể — vì vậy bác sĩ phải chọn tần số phù hợp với độ sâu của bộ phận cần quan sát. Sóng siêu âm phản xạ mạnh nhất tại nơi có sự thay đổi đột ngột về mật độ môi trường: ranh giới giữa mô mềm và xương, hay giữa mô và không khí trong phổi, phản xạ gần như toàn bộ sóng tới. Ngược lại, hai mô mềm có mật độ gần giống nhau chỉ phản xạ một phần nhỏ, nên máy siêu âm phải khuếch đại tín hiệu phản xạ yếu này để dựng được hình ảnh rõ nét của các mô bên trong. Nguyên lí sonar ban đầu được phát triển để dò tìm tàu ngầm trong quân sự, sau đó ứng dụng rộng rãi sang dân dụng: đo độ sâu đại dương, dò luồng cá cho tàu đánh cá, và kiểm tra kết cấu công trình dưới nước.