LÝ THUYẾT SÓNG SIÊU ÂM VÀ CÁC ỨNG DỤNG CỦA SÓNG SIÊU ÂM

LÝ THUYẾT SÓNG
SIÊU ÂM VÀ CÁC ỨNG
DỤNG CỦA SÓNG


SIÊU ÂM :

Khái quát sóng âm
•
Các môi trường chất đàn hồi (rắn, lỏng và khí) có thể coi
Các môi trường chất đàn hồi (rắn, lỏng và khí) có thể coi
là những môi trường liên tục gồm những phân tử liên kết
là những môi trường liên tục gồm những phân tử liên kết
chặc chẽ với nhau. Lúc bình thường mỗi phân tử có một
chặc chẽ với nhau. Lúc bình thường mỗi phân tử có một
vị trí cân bằng bền. Nếu tác động một lực lên phân tử A
vị trí cân bằng bền. Nếu tác động một lực lên phân tử A
nào đó bên trong môi trường này, nó sẽ rời khỏi vị trí cân
nào đó bên trong môi trường này, nó sẽ rời khỏi vị trí cân
bằng bền. Do tương tác tạo nên bởi các mối liên kết với
bằng bền. Do tương tác tạo nên bởi các mối liên kết với
các phân tử bên cạnh, một phân tử A bị kéo về vị trí cân
các phân tử bên cạnh, một phân tử A bị kéo về vị trí cân
bằng, một mặt nó cũng chịu tác động nên phân tử A di
bằng, một mặt nó cũng chịu tác động nên phân tử A di
chuyển qua _lại quanh vị trí cân bằng, có nghĩa là phân
chuyển qua _lại quanh vị trí cân bằng, có nghĩa là phân
tử A thực hiện dao động dưới dạng dao động. Hiện tượng
tử A thực hiện dao động dưới dạng dao động. Hiện tượng
này tiếp tục xảy ra với các phân tử khác của môi trường.

này tiếp tục xảy ra với các phân tử khác của môi trường.
Dao động cơ, có tính lặp đi lặp lại, lan truyền trong môi
Dao động cơ, có tính lặp đi lặp lại, lan truyền trong môi
trường đàn hồi được gọi là sóng đàn hồi hay sóng cơ.
trường đàn hồi được gọi là sóng đàn hồi hay sóng cơ.

•
Về bản chất, sóng âm là sóng cơ học, do đó nó luôn tuân
Về bản chất, sóng âm là sóng cơ học, do đó nó luôn tuân
theo mọi quy luật của sóng cơ, có thể tạo ra sóng âm
theo mọi quy luật của sóng cơ, có thể tạo ra sóng âm
bằng cách tác động một lực cơ học vào môi trường
bằng cách tác động một lực cơ học vào môi trường
truyền âm
truyền âm
•
Ví dụ: Đánh lên mặt trống, tác dụng dòng điện làm rung
Ví dụ: Đánh lên mặt trống, tác dụng dòng điện làm rung
màng loa, đạn bay trong không khí,….
màng loa, đạn bay trong không khí,….

Các đại lượng đặc trưng
Các đại lượng đặc trưng
của sóng bao gồm:
của sóng bao gồm:
•
Chu kỳ t=(s) là khoảng thời gian mà sóng thực hiện
Chu kỳ t=(s) là khoảng thời gian mà sóng thực hiện
một lần nén và một lần dãn.
một lần nén và một lần dãn.

•
Tần số f=(hz) là chu kỳ thực hiện trong một giây.
Tần số f=(hz) là chu kỳ thực hiện trong một giây.
•
Vận tốc truyền của sóng âm là quãng đường sóng âm
Vận tốc truyền của sóng âm là quãng đường sóng âm
truyền được sau một đơn vị thời gian.
truyền được sau một đơn vị thời gian.
•
Độ dài bước sóng: λ = (μm) là quãng đường mà sóng
Độ dài bước sóng: λ = (μm) là quãng đường mà sóng
truyền được sau khoảng thời gian bằng 1 chu kỳ (λ =
truyền được sau khoảng thời gian bằng 1 chu kỳ (λ =
v.T = v/f). Trên hình vẽ, ta thấy bước sóng λ là khoảng
v.T = v/f). Trên hình vẽ, ta thấy bước sóng λ là khoảng
cách giữa hai đỉnh hoặc hai đáy nằm kề nhau.
cách giữa hai đỉnh hoặc hai đáy nằm kề nhau.

Định nghĩa sóng siêu âm

•
Siêu âm
Siêu âm
là một dao động
là một dao động
âm thanh
âm thanh


s

s
óng
óng
áp lực với một
áp lực với một
tần số
tần số
lớn hơn giới hạn
lớn hơn giới hạn
trên của con người
trên của con người
phạm vi thính giác
phạm vi thính giác
. Siêu âm là như vậy, không tách ra từ
. Siêu âm là như vậy, không tách ra từ
"bình thường" (âm thanh) âm thanh dựa
"bình thường" (âm thanh) âm thanh dựa
trên sự khác biệt về tính chất vật lý, chỉ có
trên sự khác biệt về tính chất vật lý, chỉ có
một thực tế mà con người không thể nghe
một thực tế mà con người không thể nghe
được. Mặc dù giới hạn này thay đổi từ
được. Mặc dù giới hạn này thay đổi từ
người này sang người khác, đó là khoảng
người này sang người khác, đó là khoảng
20
20
kilohertz
kilohertz
(20,000 hertz) trong lành

(20,000 hertz) trong lành
mạnh, người lớn trẻ tuổi. Các thiết bị siêu
mạnh, người lớn trẻ tuổi. Các thiết bị siêu
âm hoạt động với tần số từ 20 kHz đến vài
âm hoạt động với tần số từ 20 kHz đến vài
gigahertz.
gigahertz.

Ứng dụng sóng siêu âm
•
Siêu âm được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác
Siêu âm được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác
nhau. Các thiết bị siêu âm được sử dụng để phát
nhau. Các thiết bị siêu âm được sử dụng để phát
hiện các đối tượng và đo khoảng cách. Hình ảnh
hiện các đối tượng và đo khoảng cách. Hình ảnh
siêu âm (
siêu âm (
siêu âm
siêu âm
) được sử dụng trong cả hai
) được sử dụng trong cả hai
thuốc thú y
thuốc thú y
và
và
y học của con người
y học của con người
. Trong các
. Trong các

thử nghiệm không phá hủy
thử nghiệm không phá hủy
các sản phẩm và cơ
các sản phẩm và cơ
cấu, siêu âm được sử dụng để phát hiện các sai
cấu, siêu âm được sử dụng để phát hiện các sai
sót vô hình. Công nghiệp, siêu âm được sử dụng
sót vô hình. Công nghiệp, siêu âm được sử dụng
để làm sạch và để pha trộn, và đẩy nhanh quá
để làm sạch và để pha trộn, và đẩy nhanh quá
trình hóa học. Các sinh vật như dơi và cá heo
trình hóa học. Các sinh vật như dơi và cá heo
dùng sóng siêu âm để định vị con mồi và trở ngại
dùng sóng siêu âm để định vị con mồi và trở ngại
.
.

Một số ứng dụng:
Một số ứng dụng:
•
Các thiết bị cảm biến: cảm biến không tiếp xúc,
Các thiết bị cảm biến: cảm biến không tiếp xúc,
cảm biến chuyển động và đo lường, …;
cảm biến chuyển động và đo lường, …;
•
Trong kiểm tra và tìm kiếm;
Trong kiểm tra và tìm kiếm;
•
Trong y tế: máy siêu âm, thuốc thú y, điều trị
Trong y tế: máy siêu âm, thuốc thú y, điều trị

bằng tác động siêu âm, ….
bằng tác động siêu âm, ….
•
Làm sạch bằng siêu âm;
Làm sạch bằng siêu âm;
•
Hàn nhựa bằng sóng siêu âm;
Hàn nhựa bằng sóng siêu âm;
•
Vũ khí;
Vũ khí;
•
Truyền tín hiệu;
Truyền tín hiệu;

CẢM BIẾN SÓNG SIÊU
ÂM

Giới thiệu về cảm biến tiệm cận
Giới thiệu về cảm biến tiệm cận
siêu âm
siêu âm
Cảm biến siêu âm là thiết bị dùng để xác định vị trí của các vật thông qua
Cảm biến siêu âm là thiết bị dùng để xác định vị trí của các vật thông qua
phát sóng siêu âm.
phát sóng siêu âm.
Cảm biến tiệm cận siêu âm có thể
Cảm biến tiệm cận siêu âm có thể
phát
phát

hiện ra hầu hết các đối tượng là kim
hiện ra hầu hết các đối tượng là kim
loại hoặc không phải kim loại,chất lỏng hoặc chất rắn,vật trong hoặc mờ
loại hoặc không phải kim loại,chất lỏng hoặc chất rắn,vật trong hoặc mờ
đục (những vật có hệ số phản xạ sóng âm thanh đủ lớn)
đục (những vật có hệ số phản xạ sóng âm thanh đủ lớn)

Một số hình ảnh về cảm
Một số hình ảnh về cảm
biến siêu âm
biến siêu âm

Một số hình ảnh về cảm biến
Một số hình ảnh về cảm biến
siêu âm
siêu âm

Một số hình ảnh về cảm biến
Một số hình ảnh về cảm biến
siêu âm
siêu âm

Một số cách bố trí cảm
biến

Bố trí cảm biến

Bố trí cảm biến

Cấu tạo của cảm biến tiệm cận

Cấu tạo của cảm biến tiệm cận
siêu âm
siêu âm
•
Cảm biến siêu âm gồm có 4 phần
Cảm biến siêu âm gồm có 4 phần
chính:
chính:
1/Bộ phận phát và nhận sóng siêu âm
1/Bộ phận phát và nhận sóng siêu âm
2/bộ phận so sánh
2/bộ phận so sánh
3/mạch phát hiện
3/mạch phát hiện
4/mạch ngõ ra
4/mạch ngõ ra

Cấu tạo của cảm biến tiệm cận
Cấu tạo của cảm biến tiệm cận
siêu âm
siêu âm
•
Khi cảm biến nhận được sóng phản hồi,bộ phận
Khi cảm biến nhận được sóng phản hồi,bộ phận
so sánh sẽ tính toán khoảng cách,bằng cách so
so sánh sẽ tính toán khoảng cách,bằng cách so
sánh thời gian phát,nhận và vận tốc âm thanh
sánh thời gian phát,nhận và vận tốc âm thanh
•
Tín hiệu ngõ ra có thể là digital hoặc analog. Tín

Tín hiệu ngõ ra có thể là digital hoặc analog. Tín
hiệu từ cảm biến digital báo có hay không sự
hiệu từ cảm biến digital báo có hay không sự
xuất hiện của đối tượng trong vùng cảm nhận
xuất hiện của đối tượng trong vùng cảm nhận
của cảm biến.tín hiệu từ cảm biến analog chứa
của cảm biến.tín hiệu từ cảm biến analog chứa
đựng thông tin khoảng cách của đối tượng đến
đựng thông tin khoảng cách của đối tượng đến
cảm biến
cảm biến

Nguyên lý hoạt động của cảm
Nguyên lý hoạt động của cảm
biến tiệm cận siêu âm
biến tiệm cận siêu âm
•
Kĩ thuật cảm thuật cảm biến siêu âm dựa trên đặc điểm
Kĩ thuật cảm thuật cảm biến siêu âm dựa trên đặc điểm
vận tốc âm thanh là hằng số.thời gian sóng âm thanh đi
vận tốc âm thanh là hằng số.thời gian sóng âm thanh đi
từ cảm biến đến đối tượng và quay trở lại liên hệ trực
từ cảm biến đến đối tượng và quay trở lại liên hệ trực
tiếp đến độ dài quảng đường.vì vậy cảm biến siêu âm
tiếp đến độ dài quảng đường.vì vậy cảm biến siêu âm
thường được dùng trong các ứng dụng đo khoảng cách
thường được dùng trong các ứng dụng đo khoảng cách
•
Tần số hoạt động:nhìn chung là cảm biến công nghiệp
Tần số hoạt động:nhìn chung là cảm biến công nghiệp

hoạt động với tần số là từ 25khz đến 500khz.các cảm
hoạt động với tần số là từ 25khz đến 500khz.các cảm
biến siêu âm trong y khoa thì hoạt động với tần số 5mhz
biến siêu âm trong y khoa thì hoạt động với tần số 5mhz
trở lên.tần số của cảm biến tỉ lệ nghịch với khoảng cách
trở lên.tần số của cảm biến tỉ lệ nghịch với khoảng cách
phát hiện của cảm biến,với tần số 50khz thì phạm vi hoạt
phát hiện của cảm biến,với tần số 50khz thì phạm vi hoạt
động của cảm biến có thể lên tới 10m hoặc hơn,với tần
động của cảm biến có thể lên tới 10m hoặc hơn,với tần
số 200khz thì phạm vi hoạt động của cảm biến giới hạn ở
số 200khz thì phạm vi hoạt động của cảm biến giới hạn ở
mức 1m
mức 1m

Nguyên lý hoạt động của cảm
Nguyên lý hoạt động của cảm
biến tiệm cận siêu âm
biến tiệm cận siêu âm

Nguyên lý hoạt động của cảm
Nguyên lý hoạt động của cảm
biến tiệm cận siêu âm
biến tiệm cận siêu âm
•
MẠCH CẢM BIẾN
MẠCH CẢM BIẾN
SIÊU ÂM
SIÊU ÂM

MẠCH CẢM BIẾN SIÊU
ÂM

Nguyên lý hoạt động của cảm
Nguyên lý hoạt động của cảm
biến tiệm cận siêu âm
biến tiệm cận siêu âm
•
Vùng hoạt động:là khu vực giữa 2 giới hạn khoảng cách lớn
Vùng hoạt động:là khu vực giữa 2 giới hạn khoảng cách lớn
nhất và khoảng cách nhỏ nhất
nhất và khoảng cách nhỏ nhất
•
Cảm biến siêu âm có một vùng nhỏ không thể sử dụng gần cảm
Cảm biến siêu âm có một vùng nhỏ không thể sử dụng gần cảm
biến gọi là khu vực mù
biến gọi là khu vực mù
•
Kích thước và vật liệu của đối tượng cần phát hiện quyết định
Kích thước và vật liệu của đối tượng cần phát hiện quyết định
khoảng cách phát hiện lớn nhất (vật xốp<bìa các tông<kim loại)
khoảng cách phát hiện lớn nhất (vật xốp<bìa các tông<kim loại)
•
Cảm biến siêu âm có thể điều chỉnh khoảng cách phát hiện
Cảm biến siêu âm có thể điều chỉnh khoảng cách phát hiện
•
Một số dạng cảm biến ngõ ra analog cho phép điều chỉnh
Một số dạng cảm biến ngõ ra analog cho phép điều chỉnh
khoảng cách phát hiện,sau một khoảng xác định.khoảng cách
khoảng cách phát hiện,sau một khoảng xác định.khoảng cách

phát hiện có thể điều chỉnh bởi người sử dụng
phát hiện có thể điều chỉnh bởi người sử dụng
•
Ngoài ra để cảm biến siêu âm không phát hiện đối tượng dù
Ngoài ra để cảm biến siêu âm không phát hiện đối tượng dù
chúng di chuyển vào vùng hoạt động của cảm biến,người ta có
chúng di chuyển vào vùng hoạt động của cảm biến,người ta có
thể tạo một lớp vỏ bằng chất liệu có khả năng không phản xạ lại
thể tạo một lớp vỏ bằng chất liệu có khả năng không phản xạ lại
sóng âm thanh
sóng âm thanh

Xác định khoảng cách
•
Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với vận
Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với vận
tốc khoảng 343m/s. Nếu một cảm biến phát ra sóng siêu
tốc khoảng 343m/s. Nếu một cảm biến phát ra sóng siêu
âm và thu về các sóng phản xạ đồng thời, đo được
âm và thu về các sóng phản xạ đồng thời, đo được
khoảng thời gian từ lúc phát đi tới lúc thu về, thì máy
khoảng thời gian từ lúc phát đi tới lúc thu về, thì máy
tính có thể xác định được quãng đường mà sóng đã di
tính có thể xác định được quãng đường mà sóng đã di
chuyển trong không gian. Quãng đường di chuyển của
chuyển trong không gian. Quãng đường di chuyển của
sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng
sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng
ngoại vật, theo hướng phát của sóng siêu âm.Hay
ngoại vật, theo hướng phát của sóng siêu âm.Hay

khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật sẽ được
khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật sẽ được
tính theo nguyên lý TOF :
tính theo nguyên lý TOF :
d=v.t/2
d=v.t/2

Nguyên lý TOF
Tro
ng
đó:
d là
kh
oản
g c
ách
cầ
n đ
o,
v là
vậ
n tố
c s
ón
g si
êu
âm
tro
ng
mô

i
trườ
ng
tru
yề
n só
ng
,
t là
thờ
i g
ian
từ
lúc
són
g
đượ
c p
hát
đi
đến
lú
c
són
g đ
ược
gh
i n
hận
lạ

i.