Nghiên cứu và chế tạo thiết bị hỗ trợ người mù sử dụng sóng siêu âm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG





ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:
NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ HỖ
TRỢ NGƯỜI MÙ SỬ DỤNG SÓNG SIÊU ÂM


Sinh viên thực hiện: NGUYỄN HÙNG-KTYS-K53
NGỤY PHAN TÍN-KTYS-K53
NGUYỄN HỮU THẮNG-KTSY-K53

Giảng viên hướng dẫn: Th.S NGUYỄN THU VÂN

Hà Nội, 6-2013
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI


c lp - T do - Hnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Hùng Số hiệu sinh viên: 20081209
Ngụy Phan Tín 20082681
Nguyễn Hữu Thắng 20082470
Khoá: K53
Viện: Điện tử - Viễn thông
Ngành: Kỹ thuật y sinh

1. u   án:
……………………………………………………………………………………………………………………… ….……
……………………………………………………………………………………………………………………… ….……
Các s liu và d liu u:
……………………………………………………………………………………………………………………… ….……
……………………………………………………………………………………………………………………………….
……………………………………………………………………………………………………………………… ….……
Ni dung các phn thuyt minh và tính toán:
……………………………………………………………………………………………………………… ….……………
……………………………………………………………………………………………………………………… ….……
………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………… ….……
Các bn v th ( ghi rõ các loc bn v ):
……………………………………………………………………………………………………………………… ….……
…………………………………………………………………………………………………………………… ……….…
……………………………………………………………………………………………………….
2. H tên ging viên ng dn……………………………………………………… ……………………
3. Ngày giao nhim v  án 
4.  án: ……………………………………………………………………… ………




Ngày tháng 
Chủ nhiệm Bộ môn
Giảng viên hướng dẫn



Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm

Cán bộ phản biện
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI


BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Hùng Số hiệu sinh viên: 20081209
Ngụy phan Tín 20082681
Nguyễn Hữu Thắng 20082470

Ngành: Kỹ thuật y sinh Khoá: K53
Giảng viên hướng dẫn:
Cán bộ phản biện:
1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:








2. Nhận xét của cán bộ phản biện:












Ngày tháng năm
Cán bộ phản biện
( Ký, ghi rõ họ và tên )
5

LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay xu hướng áp dụng khoa học công nghệ và kỹ thuật vào mọi mặt trong đời
sống xã hội là một xu hướng thiết yếu, đã và đang được các bộ ngành cũng như các
cơ quan nhà nước quan tâm và chú trọng phát triển. Việc ứng dụng khoa học kỹ
thuật ở nước ta vào trong đời sống xã hội sẽ giúp cải thiện nâng cao chất lượng cuộc
sống của người dân, đẩy mạnh quá trình tiếp cận và bắt nhịp với xu hướng chung
của thế giới.
Khoa học kỹ thuật không chỉ giúp tăng năng suất, chất lượng sản xuất mà còn giúp
nâng cao chất lượng cuộc sống của người dân về mặt sức khỏe và tinh thần, đặc biệt
đối với những người khuyết tật không gặp may mắn trong cuộc sống. Một trong
những đối tượng được quan tâm đó là những người bị khiếm thị. Những đối tượng
này do bị các tật về mặt hoặc vì một lý do nào đó mắt không nhìn được nên việc
sinh hoạt giao tiếp với xã hội rất khó khăn. Bằng việc sử dụng các công nghệ hiện
đại như siêu âm, laser, các phương pháp cấy ghép giác mạc những người khiếm
thị đã có được nhiều cơ hội hòa nhập với cộng đồng hơn.
Trong các công nghệ hiện nay thì công nghệ sử dụng sóng siêu âm để dẫn đường
được sử dụng khá phổ biến. Do có nhiều ưu điểm so với các phương pháp truyền
thống và một số các phương pháp khác hiện nay. Ngoài ra sóng siêu âm cũng rất an
toàn với người sử dụng và mọi người xung quanh. Từ đó nhóm chúng em đã đưa ra
ý tưởng thiết kế “Thiết bị hỗ trợ người khiếm thị sử dụng sóng siêu âm”.
Dưới sự hướng dẫn tận tình của Th.S Nguyễn Thu Vân cùng sự đoàn kết cố gắng
của cả nhóm, chúng em đã hoàn thành đồ án với đề tài “ Thiết bị hỗ trợ người
khiếm thị sử dụng sóng siêu âm”.
Sau nhiều tháng nỗ lực nghiên cứu và phát triển, chúng em đã đạt được một số kết
quả khả quan trong quá trình triển khai và thực hiện đồ án. Mặc dù vậy, do còn
thiếu sót về mặt kiến thức thực tế cũng như hạn chế về các linh kiện cần thiết nên
nhóm chúng em không tránh khỏi thiếu sót cũng như một số mục tiêu chưa hoàn
thành. Vì vậy nhóm chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy
cô giáo và bạn bè.
6

Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô giáo Th.S Nguyễn Thu Vân
cùng toàn thể gia đình bạn vè đã hỗ trợ nhóm chúng em trong quá trình nghiên cứu.
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Hùng
Ngụy Phan Tín
Nguyễn Hữu Thắng





`









7

TÓM TẮT ĐỒ ÁN
“Thiết bị hỗ trợ người khiếm thị sử dụng sóng siêu âm”
Sóng siêu âm là một dạng sóng cơ học có khả năng lan truyền trong môi trường rắn,
lỏng, khí. Sóng siêu âm sẽ được phát ra từ một đầu cảm biến, sau khi va chạm với
các vật cản sẽ được thu nhận lại và xử lý để đưa ra những cảnh bảo chỉ dẫn cho
người khiếm thị. Thiết bị sẽ gồm bốn phần cơ bản:

- Đầu cảm biến thu và phát sóng siêu âm
- Khối điều khiển và xử lý tín hiệu siêu âm
- Khối cảnh báo khi có vật cản trên đường di chuyển
- Khối vỏ bảo vệ và gắn thiết bị lên cơ thể người khiếm thị
Thiết bị hỗ trợ sẽ được gắn lên cánh tay của người khiếm thị. Khi người khiếm thị
di chuyển, thiết bị sẽ liên tục phát ra các sóng siêu âm trong phạm vi đã xác định,
thu nhận các sóng âm phản hồi về. Sau đó khối điều khiển và xử lý sẽ tính toán các
thông tin về vị trí, tốc độ của các vật cản phía trước. Từ đó khối cảnh báo sẽ đưa ra
các cảnh báo dẫn đường với người khiếm thị để tránh các vật cản trên đường đi.
Đồ án trình bày quá trình nhóm tìm hiểu, thiết kế và kiểm tra tính thực tiễn của thiết
bị bao gồm 4 chương:
 Chương 1: Khái niệm về siêu âm và các ứng dụng
Trình bày về các khái niệm cơ bản cần biết về sóng siêu âm, các tính chất vật
lý của sóng siêu âm và ứng dụng của sóng siêu âm trong thực tế.
 Chương 2: Cảm biến siêu âm
Trình bày một cách cơ bản về cấu tạo của một cảm biến siêu âm, các thông
số cần quan tâm của một cảm biến siêu âm, nêu cấu tạo và các chế độ hoạt
động của siêu âm HC-SR04 được sử dụng trong đồ án.
 Chương 3: Phân tích và thiết kế
Trình bày về một số đặc điểm đặc trưng của đối tượng sử dụng thiết bị, phân
tích các bài toán thực tế, các yêu cầu cần thiết đối với việc thiết kế thiết bị.
Sau đó, dựa trên các phân tích đưa ra được các giải pháp thiết kế, chế tạo để
giải quyết các bài toán thực tế.
8

 Chương 4: Kết quả đạt được và thử nghiệm
Trình bày về quá trình thử nghiệm thiết bị trong thực tế, đánh giá kết quả thu
được, từ đó rút ra các kết luận, đánh giá tổng kết quá trình triển khai thực
hiện đề tài.

9

ABSTRACT
“Research and design a equipmentassisting sightless person using ultrasonic”
Ultrasonic wave is a form of mechanical waves, can propagate in solid, liquid and

gas. Ultrasonic waves are emitted from a sensor head, after colliding with the
obstacle will be collected and processed to give the warning instructions for blind
people. The equipment will consist of four basic parts:
- The ultrasonic wave transmitter and receiver
- The ultrasonic signal controlling and processingblock
- Warning block when there are obstacle on the move
- Protective shell, attaching the device to the body blind
Assistant equipment will be attached to the arm of the blind. When blind people
move, the device will continuously emit ultrasonic waves in the specified range and
receive the feedback wave. Then the controller and processor block will calculate
information on position, speed of the obstacles ahead. From thatit will give a
statement to warn the blinds to avoid obstacles along the way.
The thesis reports the process of group learning, designing and testing practicality
of the device consists of 4 chapters:
 Chapter 1: the concept of ultrasound and its applications
Presentation of the basic concepts you need to know about sonar, the physical
properties of ultrasonic wave and application in fact.
 Chapter 2: Ultrasonic sensors
Presenting a fundamental way about the texture of an ultrasonic sensor, the need of
an ultrasonic sensor, articulated structure and mode of operation of HC-SR04
ultrasound is used in blueprints.
 Chapter 3: Analysis and design
Presentation on some of the characteristics of using objects, analysis of the actual
problem, the necessary requirements for the design of the equipment. Then, based
10

on the analysis of given designing and buliding solutionsto solve the actual
problem.
 Chapter 4: Test and results achieved
Presentation on the process of testing the device in fact, reviews the results

obtained, from which to draw conclusions, the evaluation of the process of
implementing the subject.























11

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 5

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 7
ABSTRACT 9
MỤC LỤC 11
DANH MỤC HÌNH VẼ 14
DANH MỤC BẢNG BIỂU 16
MỞ ĐẦU 17
CHƯƠNG 1. KHÁI NIỆM VỀ SIÊU ÂM VÀ CÁC ỨNG DỤNG 22
1.1. Bản chất vật lý của sóng siêu âm 22
1.1.1. Âm thanh 22
1.1.2. Sóng âm 23
1.1.3. Sóng siêu âm 28
1.2. Tương tác giữa sóng siêu âm với môi trường 29
1.2.1. Phương trình sóng 29
1.2.2. Phản xạ 31
1.2.3. Tán xạ 32
1.2.4. Hấp thụ 33
1.2.5. Sự suy giảm 34
1.2.6. Một số môi trường cụ thể 36
1.3. Ứng dụng siêu âm trong y tế 39
1.4. Kết luận 40
CHƯƠNG 2. CẢM BIẾN SIÊU ÂM 42
2.1. Phần tử áp điện và hiệu ứng áp điện 42
2.1.1. Phần tử áp điện 42
2.1.2. Hiệu ứng áp điện 43
2.1.3. Ứng dụng của hiệu ứng áp điện 44
2.2. Đầu dó cảm biến 45
2.2.1. Thành phần cơ bản 45
12

2.2.2. Phân loại 46

2.3. Cấu tạo một đầu dò cảm biến 40kHz 49
2.3.1. Cơ chế hoạt động của sóng siêu âm 49
2.3.2. Tổng quan đầu dò 50
2.3.3. Cấu trúc bên trong của đầu dò cảm biến 51
2.4. Đặc tính của đầu dò cảm biến 54
2.4.1. Cường độ 54
2.4.2. Trường siêu âm 54
2.4.3. Độ phân giải ngang, dọc 59
2.5. Module cảm biến SR04 61
2.5.1. Cấu tạo và đặc tính của module cảm biến HC - SR04 61
2.6. Kết luận 65
CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ 66
3.1. Phân tích tập tính của người khiếm thị 66
3.1.1. Định nghĩa người khiếm thị 66
3.1.2. Hoạt động não bộ của người khiếm thị 67
3.2. Phân tích các bài toán thực tế 71
3.2.1. Phát hiện vật thể bằng sóng siêu âm 71
3.2.2. Cảnh báo 73
3.2.3. Xử lý tín hiệu 74
3.1.4 Năng lượng 75
3.2.4. Nguyên liệu chế tạo 76
3.3. Thiết kế 76
3.3.1. Cấu tạo thiết bị 76
3.3.2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động thiết bị 78
3.3.3. Sơ đồ giải thuật 78
3.3.4. Sơ đồ mạch nguyên lý 82
3.3.5. Sơ đồ mạch in 85
3.4. Kết luận 86
CHƯƠNG 4. TRIỂN KHAI THỰC TẾ VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 87
4.1. Những kết quả đạt được trên thực tế 87

13

4.1.1. Kiểm tra các thông số cảm biến 87
4.1.2. Kiểm tra năng lượng 95
4.2. Những khó khăn gặp phải 96
4.2.1. Các lỗi đặc trưng chưa xử lý triệt để 96
4.2.2. Các phương pháp xử lý lỗi 99
4.3. Kết luận và định hướng phát triển tương lai 105
4.3.1. Phân tích tính khả dụng của thiết bị 105
4.3.2. Hướng phát triển tương lai 106
TÀI LIỆU THAM KHẢO 107
Phụ Lục ký hiệu toán học 108











14

DANH MỤC HÌNH VẼ
y siêu âm 18
 tr i khim th 19
ng 22
i tn s âm thanh 23

u din dng sóng 24
nh minh ha sóng dc và sóng ngang 26
i sóng âm theo tn s, di tn s ca siêu âm 27
 dch chuyn và phân b các phn t  sóng ngang 29
 Mt khi vt cht vi tr kháng Z  trng thái cân bng 31
n b mt phân cách ging có tr kháng âm khác
nhau s xy ra hai hing: khúc x và phn x 32
  th biu di suy hao theo trc z 36
 Gi th hiên s suy gi âm theo khong cách vi tng
tn s 36
 ca chùm tia siêu âm tr i v
tr kháng khác nhau. 39
 cc t trong vt ch  42
 phân cc trong vt liu gm và to ra hiu n 43
 Ví d v hiu n 44
 Các ch  ng khác nhau có th xy ra vi tinh th gn 45
u trúc cm bin siêu âm h [5] 47
 Mô phng quá trình rung [5] 47
u trúc cm bin siêu âm kín [5] 48
u trúc cm bin siêu âm tn s cao [5] 48
t cu dò siêu âm thu và phát 50
t sau ca cm bin siêu âm 50
 Cm bin sau khi tháo li phía trên 51
 Lp v kim loi và cu trúc bên trong cm bin 51
 Cu trúc bên trong ca cm bin 52
  n và dây dn ca cm bin 52
 Khi tng ca cm bin 53
 th ng sóng liên tc ca cm bin mng vành khuyên
có bán kính r và góc phân kì


 th   c chun
hóa dc theo tri xng ca cm bin phía trên  tn s trung tâm là 5Mhz và
bán kính 7mm. 56
 ng siêu âm ca cm bin 61
 Module cm bin siêu âm HC-SR04 62
 thi gian ch  1 62
 thi gian ch  2 63
15

ng chùm sóng siêu âm ca cm bin HC-SR04 65
 t l tip nhn thông tin bng giác quan  ng 67
 tip nhn thông tin mi  i
khim th 68
3.3 Bi tip nhn thông tin  i khim th khi s dng sóng siêu âm . 70
nh mô t hong ca thit b 72
nh mô t vt cn chuyng v phía thit b 73
c Lipo 500 mAh 75
 ngoài thit b 77
 t các khi thit b 77
 nguyên lý hong 78
  thut toán và các hàm x lý ngt 80
  rng xung theo các ch  hong 81
Hu ch ng r u khi 81
 nguyên lý khi ngun 82
 nguyên lý khi x lý 83
  nguyên lý khi cm bin 84
  nguyên lý khi cnh báo rung 84
 Tín hickhi s dng b  thu nhn tín hiu 87
c khi s dng b  thu 88
c  c b phát và thu  ch  hin th ng thi ca

oscillator; vi tín hing bao bên ngoài là ca b thu. 88
4.4 Tín hic  khong cách 20cm   89
 Tín hic  khong cách 40cm  90
 Tín hic  khong cách 60cm   90
 Tín hic  khong cách 70cm  91
 Tín hic  khong cách 4m   91
  âm ti mm trong không gian 94
 ng siêu âm ca module cm bin HC-SR04 [5] 94
 Hình nh mô t nhiu lp khi s dng ba cm bin siêu âm 97
 Hình nh mô t li tán x b mt 98
 Hình nh mô t lc chéo 99
 Hình t góc gia hai cm bin 100
 Tính toán góc gia hai cm bin 100
 S xut hin cc chéo [17] 101
  c tín hiu 102
 Thut toán loi b tín hiu c chéo 103


16

DANH MỤC BẢNG BIỂU
B tín hiu sóng siêu âm ti các tn s khác nhau 92
B tín hiu sóng siêu âm phn x ti các b mt vt liu khác nhau
92
Bng 4.3 Bng kt qu di khong vi các
c vtt th khác nhau 93
Bng 4.4 Bng kt qu di khong cách thu phát sóng siêu âm vi các góc phát
khác nhau 93

17

MỞ ĐẦU
Trong thực tế hiện nay, do điều kiện môi trường thay đổi cũng như nhận thức còn
yếu kém của con người về vấn đề giữ gìn sức khỏe, bảo vệ an toàn cho bản
thântrước những mối nguy hại trong cuộc sống, con người rất dễ gặp phải các vấn
đề về sức khỏe. Sự suy giảm về mặt sức khỏe ảnh hưởng một cách trực tiếp hoặc
gián tiếp đến các hoạt động sinh hoạt bình thường của một cá nhân.
Một trong các vấn đề sức khỏe nổi cộm mà con người gặp phải là các vấn đề về
mắt. Trên thực tế có rất nhiều bệnh làm suy giảm thị lực của con người cũng như
làm hỏng hẳn thị lực. Trong đồ án này, nhóm chúng em quan tâm đến nhóm người
bị suy giảm thị lực nặng được xét vào nhóm bị “mù lòa”. Theo khái niệm của WHO
năm 1992, một người được gọi là khiếm thị khi chức năng thị giác của người đó bị
giảm nặng, thậm chí ngay cả khi đã được điều trị và điều chỉnh tật khúc xạ tốt nhất
nhưng thị lực ở mắt tốt chỉ ở mức dưới 6/18 (0,33) cho đến còn phân biệt sáng tối
và hoặc thị trường bị thu hẹp dưới 100 kể từ điểm định thị [14].

Theo ước tính Việt Nam hiện có khoảng 2 triệu người khiếm thị (năm 2011) [18].
Vì vậy, phục hồi chức năng (PHCN) cho người khiếm thị đóng vai trò quan trọng
trong công tác chống mù lòa, hướng tới thực hiện mục tiêu toàn cầu “Thị giác 2020
- Quyền được nhìn thấy” [13].
Khiếm thị có thể do rất nhiều bệnh lý hay những bất bình thường của con mắt gây
ra. Một số nguyên nhân thường gặp như: bệnh cận thị cao, sẹo giác mạc, đục thể
thủy tinh, bệnh võng mặc sắc tố, bệnh võng mạc đái tháo đường, bệnh thoái hóa
hoàng điểm, bệnh glôcôm, bệnh bạch tạng… Tùy thuộc vào mức độ của bệnh có thể
gây khiếm thị ở mức độ nhẹ, vừa, nặng và rất nặng.
Ở nước ta hiện nay, các thiết bị hỗ trợ người khiếm thị còn rất khiêm tốn sơ sài,
chưa được quan tâm đầu tư nghiên cứu và phát triển đúng mức. Trong khi đó, với
một người khiếm thị việc sinh hoạt cá nhân rất khó khăn, đặc biệt khi những người
khiếm thị muốn đi ra ngoài để giao tiếp làm việc. Chính vì vậy nhóm chúng em đã
quyết định chọn đề tài thiết kế “Thiết bị hỗ trợ người khiếm thị” với mong muốn
18

góp chút sức để giúp đỡ những người kém may mắn có thể cải thiện bớt khó khăn
trong việc hòa nhập với xã hội.
 Các bin pháp h tr
Người mù và người khiếm thị được xếp chung vào nhóm bệnh nhân “mù lòa”
(visually impaired) hay còn gọi là suy giảm thị lực, các bệnh nhân này chỉ có số ít
được thành công với các ca phẫu thuật mắt, còn phần lớn là không khỏi hoặc chịu
biến chứng sau các ca phẫu thuật. Do đó các biện pháp được đặt ra để thay đổi tình
trạng thị giác cho bệnh nhân mà thực chất là dùng các thiết bị để thay thế cho chức
năng của măt, hoặc là các loại kính đặc biệt để cải thiện sức nhìn. Ngoài các phương
pháp truyền thống như gậy hay chó dẫn đường, hiện nay, các nhà nghiên cứu đã và
đang đưa ra rất nhiều thiết bị sử dụng công nghệ cao như siêu âm, camera lập thể,
mắt sinh học…
Một số biện pháp hỗ trợ người mù đã và đang được nghiên cứu hiện nay:

0.1 Gy siêu âm
- Gậy siêu âm. Hai cảm biến siêu âm được gắn trên đầu gậy sẽ bắn ra những
tia siêu âm rất mạnh, rất lớn đến nỗi nếu nghe thấy, con người có thể bị điếc.
Tuy nhiên do tần số của nó cực cao nên không gây hại đến tế bào thính giác.
19

Siêu âm phát ra được phản hồi trở lại khi gặp bất kỳ vật cản mềm hay cứng
nào dù đó là những chiếc lá trên cành cây, quần áo trên người, hoặc một tấm
màn, hay các vật thể như bàn, ghế… Những nút cảm ứng trên cán gậy sẽ
rung lên khi thiết bị cảm biến phát hiện có vật cản ở phía trước. Mức độ rung
mạnh hay nhẹ tùy thuộc vào khoảng cách từ gậy đến vật cản. Nhờ đó, người
khiếm thị dùng gậy siêu âm có thể dễ dàng tự đi lại một mình và tránh được
mọi thứ xung quanh. Tuy nhiên, phần lớn người sử dụng có thể phải mất vài
tháng để làm quen với chiếc gậy siêu âm. Còn theo các nhà phát triển, thiết
bị hiện đại này sẽ mang lại cho người mù một thế giới hoàn toàn mới về cảm
giác. Hiện nay, các nhà khoa học cho biết phiên bản mới có nhiều cải tiến và
cho độ chính xác cao hơn.

0.2 Kính h tr i khim th
- Kính hỗ trợ người khiếm thị: Sử dụng camera lập thể nhỏ xíu được lắp trên
gọng, máy chiếu sẽ phóng những hình ảnh vật thể được đơn giản hóa lên
phần tròng kính, và hình sẽ càng sáng hơn khi tiến gần đến chướng ngại vật
ở phía trước. Công nghệ được tích hợp vào kính có thể mở rộng thêm chức
năng, như đọc sách báo thông qua tai nghe, hoặc quét mã vạch để hiển thị giá
cả từng mặt hàng. Tiến sĩ Stephen Hicks của Đại học Oxford, người phát
minh loại kính trên, dự kiến sẽ cho ra mắt trong vòng 2 năm nữa.
20

- Mắt sinh học: Mắt sinh học đã được nghiên cứu từ rất lâu trước đây. Vào
năm 1929, nhà thần kinh học người Đức Otfird Foerster dùng điện kích thích

vỏ não thị giác của người mù tình nguyện. Kết quả: họ "thấy" được các điểm
sáng nhỏ. Cho đến năm 1968, Giles S. Brindley ở Đại học Cambridge cấy 80
điện cực dưới lớp da đầu một phụ nữ mù 52 tuổi. Khi mở dòng điện, bà ta
thấy được các chấm sáng. Sau nhiều năm nghiên cứu, phương pháp đã có
bước nhảy đột biến Arman Tanguay và đồng nghiệp Noelle Stiles tiến hành
thí nghiệm đầu tiên cấy một camera kỹ thuật số vào mắt, thay thế thấu kính
tự nhiên của con chó bằng thấu kính thủy tinh và một bộ cảm ứng vào năm
2004. Phải đến năm 2010 các camera kỹ thuật số đầu tiên mới được ứng
dụng cơ thể người mù kết nối với vật cấy võng mạc mang 256 điện cực trong
cuộc nghiên cứu của dự án USC. Các nhà nghiên cứu dự đoán đến năm 2014
sẽ chế tạo được vật cấy mang 1000 điện cực cho phép những người tình
nguyện thí nghiệm nhận rõ mặt người và đọc được cỡ chữ khoảng 2,5 cm.
Trong các nghiên cứu gần đây, vật cấy được chế tạo bằng muối bạc hay
sillicon mắc đầy điện cực vào một trong võng mạc của người tình nguyện.
Một camera kỹ thuật số lắp trên kính râm sẽ cung cấp các hình ảnh không
dây đến vật cấy này và các điện cực sẽ kích thích các dây thần kinh võng
mạc để sản sinh ra cảm giác trước ánh sáng trong não. Kết quả thu được rất
khả quan, các tình nguyện viên có thể phân biệt được sáng tối và một số đồ
vật có hình dạng khác nhau.
Các phương pháp kể trên đều có tính khả thi rất cao. Mỗi một phương pháp đều có
ưu nhược điểm và đang được các nhà nghiên cứu tiếp tục phát triển, khắc phục các
nhược điểm. Với năng lực của nhóm cũng như độ lớn của đề tài, nhóm chúng em
quyết định sử dụng phương pháp siêu âm để thiết kế thiết bị hỗ trợ người khiếm thị.
Mục tiêu của nhóm hướng tới là thiết kế một sản phẩm có tính ứng dụng trong thực
tế, có thể hỗ trợ những người khiếm thị dễ dàng hơn trong các hoạt động sinh hoạt
hằng ngày.
 Phm vi nghiên cu c tài
21

Với ý tưởng sử dụng sóng siêu âm để đo khoảng cách, kết hợp với hệ thống cảnh

báo để trợ giúp những người mù lòa trong việc phát hiện vật cản, thực hiện bằng
cách sử dụng các transducer thu và phát sóng siêu âm, phân tích khoảng cách và
phản hồi đầu ra bằng xung động cơ học được đặt trên cơ thể của người sử dụng, với
khoảng cách càng gần, xung động càng mạnh. Cụ thể trong đồ án này, nhóm chúng
em sẽ thiết kế và chế tạo một thiết bị đặt ở tay được gắn trên người khiếm thị dưới
dạng một chiếc găng tay. Thiết bị này có những ưu điểm sau:
- Có thể coi là một hệ thống khôi phục giác quan, nối dài các giác quan của
người khiếm thị, để họ có thể tự tin hơn trong việc di chuyển và hành động.
- Giúp người khiếm thị tự do hơn, khi có thể giải phóng cả hai tay, không phải
phụ thuộc vào gậy, hoặc là chó dẫn đường.
- Giá thành rẻ, an toàn cho người sử dụng, máy móc và các sinh vật sống.
Không bị nhiễu bởi ánh sáng mặt trời, điều khiển từ xa, camera an ninh, các
bề mặt hấp thụ ánh sáng… (như hồng ngoại)
- Sử dụng cho mọi trường hợp bệnh nhân suy giảm thị lực, có thể ứng dụng
cho các ngành như định vị - dẫn đường, các ngành công nghiệp, quân sự…
Thiết bị sẽ là một sản phẩm lý tưởng với mức giá không quá đắt giúp cho người
khiếm thị có thể hòa nhập với cộng đồng, cũng như tiện lợi hơn trong những sinh
hoạt hàng ngày.








22

CHƯƠNG 1. KHÁI NIỆM VỀ SIÊU ÂM VÀ CÁC ỨNG DỤNG
1.1. Bản chất vật lý của sóng siêu âm

1.1.1. Âm thanh
Âm thanh là cảm giác cảm nhận được bằng thính giác, là năng lượng cơ học truyền
đi bởi sóng áp suất trong một môi trường vật chất.
Âm học là một nhánh của vật lý học, nghiên cứu về sự lan truyền của sóng âm
thanh trong các loại môi trường và sự tác động qua lại của nó với vật chất.
1.1.1.1. Nguồn âm
Âm thanh được sinh ra từ các vật rung động. Âm thanh phát sinh từ nhiều nguồn thí
dụ như tiếng nói người, tiếng súc vật kêu, tiếng trống, tiếng đàn từ các nhạc cụ . Khi
thổi sáo, khi đánh trống hay khi hai cái ly chạm nhau đều cho một “tiếng” hay một
“âm”. Nói chung, “Tiếng” phát sinh khi có va chạm giữa hai vật. Tiếng cao hay
thấp tùy thuộc vào sự va chạm mạnh hay nhẹ.

1.1 Âm thanh tng
Khi thổi sáo thì nghe được một tiếng thanh, khi đánh trống thì nghe được một tiếng
trầm. Tiếng thanh hay trầm tùy thuộc vào vật liệu và môi trường không gian của
vật. Trong các nhạc cụ, âm thanh "thanh" hay "trầm" phụ thuộc vào kích thước vật
23

thể như chiều dài, không gian (như sáo, kèn) và cấu tạo (dây thanh mảnh hay dây
to) Thí dụ âm thoa cho tiếng thanh hay trầm phụ thuộc vào độ dài âm thoa.
1.1.1.2. Bản chất vật lý âm thanh
Các nghiên cứu về âm thanh cho thấy âm thanh nghe được là âm thanh trong dải tần
số 16Hz - 20KHz. Âm thanh có dải tần cao hơn 20KHz gọi là Siêu âm. Âm thanh
thấp hơn 16 Hz gọi Hạ âm.

1.2 Các di tn s âm thanh
Âm thanh không tồn tại trong chân không. Thí nghiệm cho thấy chuông sẽ không
kêu khi nằm trong môi trường không có không khí.
Âm thanh cần vật chất để di truyền. Âm thanh di truyền qua mọi vật ở ba trạng thái
rắn, lỏng, và khí. Âm thanh dễ truyền trong vật rắn tới vật lỏng tới vật Khí.

Khi âm thanh truyền trong không khí sẽ làm cho các phân tử không khí co lại hay
giãn nở ra tạo ra các cột không khí co giản. Âm thanh di chuyển qua không khí dưới
dạng sóng dọc có vận tốc bằng tích của bước sóng với tần Số sóng:

Vận tốc của âm thanh di chuyển thay đổi theo nhiệt độ và áp suất của môi trường
vật chất. Vận tốc âm thanh ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn đo được bằng 340m/s.
1.1.2. Sóng âm
Sóng là một hiện tượng vật lý trong đó năng lượng được dẫn truyền dưới dạng dao
động của các phần tử vật chất của môi trường truyền sóng, có vận tốc cố định trong
môi trường.
24

Về bản chất, âm thanh là một sóng cơ học, nhanh và thường không tạo ra những
thay đổi nhìn thấy trong môi trường. Âm thanh được đặc trưng bởi tần số, bước
sóng, chu kỳ, biên độ và vận tốc lan truyền (tốc độ âm thanh).
1.1.2.1. Đại lượng đặc trưng của sóng âm
Hình bên dưới là hình biểu diễn của sóng, nó là một tập hợp của các lần nén và dãn
thay đổi tuần tự theo dạng hình sin, trong đó các đỉnh sóng thể hiện áp lực cao nhất
còn các đáy sóng thể hiện áp lực thấp nhất.

1.3 Biu din dng sóng
Hình bên trên là hình biểu diễn của sóng, nó là một tập hợp của các lần nén và dãn
thay đổi tuần tự theo dạng hình sin, trong đó các đỉnh sóng thể hiện áp lực cao nhất
còn các đáy sóng thể hiện áp lực thấp nhất.
Các đại lượng đặc trưng của sóng bao gồm:
- Chu kỳ là khoảng thời gian thực hiện một nén và dãn. Đơn vị thường
được tính bằng đơn vị đo thời gian( s, ms )
- Biên độ là khoảng cách lớn nhất giữa 2 đỉnh cao nhất và thấp nhất.
- Tần số (f) là số chu kỳ giao động trong 1 giây, đơn vị đo là Hz.
25

- Độ dài bước sóng λ = (μm): là quãng đường mà sóng 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 cách giữa hai đỉnh hoặc hai đáy nằm kế nhau.
- Tốc độ sóng âm (c) là quãng đường mà chùm tia siêu âm đi được trong 1
đơn vị thời gian, thường được đo bằng m/s. Tốc độ sóng âm không phụ
thuộc vào công suất của máy phát mà phụ thuộc vào bản chất của môi
trường truyền âm. Những môi trường có mật độ phân tử cao, tính đàn hồi
lớn siêu âm truyền tốc độ cao và ngược lại những môi trường có mật độ
phân tử thấp tốc độ sẽ nhỏ. Giữa tốc độ truyền âm, bước sóng và tần số
có mối liên hệ qua phương trình sau:


- Năng lượng sóng âm (P) biểu thị mức năng lượng mà chùm tia siêu âm
truyền vào cơ thể. Giá trị này phụ thuộc vào nguồn phát, trong siêu âm
chẩn đoán để đảm bảo an toàn các máy thường phát với mức năng lượng
thấp vào khoảng 1mw đến 10mw. Tuy nhiên trong các kiểu siêu âm thì
siêu âm Doppler thường có mức năng lượng cao hơn. Ở các máy siêu âm
hiện đại người sử dụng có thể chủ động thay đổi mức phát năng lượng để
nâng cao hơn tính an toàn cho bệnh nhân, nhất là đối với thai nhi và trẻ
em.
- Cường độ sóng âm là mức năng lượng do sóng âm tạo nên trên 1 đơn vị
diện tích. Thường được đo bằng đơn vị W/cm2. Cường độ sóng âm sẽ
suy giảm dần trên đường truyền nhng tần số của nó không thay đổi.
Người ta còn tính cường độ sóng âm tương đối đo bằng dB. Khác với
cường độ sóng âm, đại lượng này là một giá trị tương đối, nó cho biết sự
khác nhau về cường độ siêu âm tại 2 vị trí trong không gian.









: Cường độ siêu âm tại một điểm bất kỳ


: Cường độ siêu âm ban đầu