Siêu âm dò đường cho người khiếm thị.

Luaän vaên toát nghieäp www.bme.vn
- 1-
CHÚ Ý
Bạn đã download tài liệu này từ website www. bme.vn. Các bạn có quyền tự do
sử dụng tài liệu này cho các mục đích học tập, nghiên cứu. Nếu bạn sử dụng những
tài liệu này cho mục đích thương mại phải xin ý kiến của các tác giả. Nếu bạn
không thể liên lạc trực tiếp với tác giả h ãy liên hệ với chúng tôi theo địa chỉ
, chúng tôi sẽ giúp bạn.
www.bme.v n
Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn
- 2-
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG
BỘ MÔN VẬT LÝ KỸ THUẬT Y SINH
---------------o0o---------------
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
SIÊU ÂM DÒ ĐƯỜNG CHO NGƯỜI KHIẾM THỊ
SVTH: Dương Hoàng Yến
Email :
GVHD: TS. Đinh Sơn Thạch
Tp.HCM, Tháng 01/2007
Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn
- 3-
Chương 1
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN
Thiết bò siêu âm dò đường cho người khiếm thò thì không quá mới, nó đã được nghiên
cứu và đưa vào ứng dụng khá nhiều ở một số nước trên thế giới. Tuy nhiên vẫ n chưa có thiết
bò nào được nghiên cứu và sản xuất tại Việt Nam , trong khi nhu cầu về thiết bò ở Việt Nam là
khá lớn. Trong phạm vi những kiến thức đã học, em đã chọn đề tài này, với mong muốn gợi
lên một ý tưởng và tiến hành những bước đi ban đầu về thiết bò phục vụ người khiếm thò .

Thiết bò hoạt độ ng dựa trên nguyên lý phát và thu tín hiệu của cảm biến siêu âm.
Trong y học ngày nay, cụm từ “siêu âm” hầu như không còn xa lạ với mọi người. Siêu âm đã
và đang được ứng dụng khá rộng rãi, như: chẩn đoán bằng siêu â m, siêu âm trò liệu, dao m ổ
siêu âm… và ngoài y học, siêu âm cũng đượ c ứng dụng khá nhiều trong các lónh vực khác
trong công nghiệp. Trong đề tài này , cảm biến siêu âm được dùng với mục đích nhậân biết vật
cản và khoảng cách vật cản.
Những nhiệm vụ chính của luận văn này là:
 Tìm hiểu lý thuyết cơ sở về siêu âm, những đề tài có liên quan đến thiết bò đã được
thực hiện trên thế giới.
 Nghiên cứu về cảm biến siêu âm, lựa chọn cảm b iến siêu âm phù hợp mục đích thiết
bò.
 Thực hiện mạch xử lý phân giải dọc cho cảm biến, đánh giá những kết quả ban đầu.
Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn
- 4-
Chương 2
TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
2.1 - LỜI NÓI ĐẦU :
Khoa học kỹ thuật trên thế giới phát triển không ngừng qua các thời kỳ. Trong quá khứ
là sự phát triển của công nghệ tự động hóa và năng lươ ïng hạt nhân. Ngày nay là sự phát triển
mạnh mẽ của Công nghệ thông tin. Và trong một tương lai gần là sự chiếm lónh của Công
nghệ sinh học, Công nghệ Nano, x a hơn nữa là Khoa học vũ trụ. Khoa học kỹ thuật p hát triển
không ngừng là để ã phục vụ cho nhu cầu ngày càng cao của cuộc sống, nhằm đem lại nhữn g
thuận lợi, tiện nghi, thoả i mái cho hoạt đ ộng hằng ngày của mỗi người , giúp cho việc chuyển
giao thông tin đi xa và nhanh hơn, cũng n hư trong việc nghiên cứu, phòng ngừa và chống lại
những căn bệnh của thế kỷ nhờ công ng hệ gen và sẽ tìm ra những “ vùng đất sự sống mới” …
Khoa học phát triển đã thực sự hỗ trợ rất nhiều trong cuộc sống của mỗi chúng ta.
Nhưng khoa học và ứng dụng của nó là dàønh cho tất cả mọi người. Vì vậy khoa học công nghệ
không chỉ tiếp cận những người bình thường mà còn phải tiếp cận và hỗ trợ hơn nữa cho những
người khuyết tật, những người vốn dó đã gặp rất nhiều thiệt thòi và khó khăn trong cuộc sống.
Phải làm sao để tạo thuận lợi nhất cho họ, giúp họ có thể sinh hoa ït bình thường, hoà nhập

cuộc sống cộng đồng là điều tối thiểu cần phải làm được, và điều tốt hơn là tạo điều kiện để
cho họ có thể phát huy hết khả năng bản thân phục vụ trở lại cho lợi ích bản thân và lợi ích
cộng đồng.
Cụ thể như : việc chế tạo và cải tiến không ngừng các loại xe lăn, hay chi giả giúp cho
người bò khiếm khuyết chi có thể tự di chuyển, và hơn nữa là có thể tham gia chơi thể thao
(như thi đấu ParaGames); Hay các thie át bò trợ thính giúp cho người khiếm thính có thể dễ dàng
hơn trong giao tiếp và cập nhật thông tin; Hay các phần mềm trình đọc màn hình giúp cho
Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn
- 5-
người khiếm thò có thể sử dụng máy vi tính truy cập Internet, cũng như xây dựng các thư viện
sách nói để phục vụ nhu cầu về thông tin và giải trí cho họ …
Để góp phần nhỏ vào lónh vực khoa học kỹ thuật hỗ trợ người khuyết tật, dựa trên
những ý tưởng đã có về việc cải thiện sự đi lại cho người k hiếm thò, dựa trên những thiết bò
đang được nghiên cứu và đã đưa vào sử dụng ở một số nước trên thế giới và tình hình thực tế ở
Việt Nam, nên luận văn này được hình thành với m ục đích nghiên cứu ứng dụng thiết bò siêu
âm dò đường cho người khiếm thò và tiến đến thiết kế mô hình thiết bò có khả năng ứng dụng
cao.
2.2 - KHIẾM THỊ LÀ GÌ? CÁC LOẠI KHIẾM THỊ ? NGƯỜI KHIẾM THỊ CẦN GÌ? [5 ]
Thuật ngữ “khiếm thò” dùng để mô tả tình trạng thò lực không thểà điều chỉnh bằng kính
thuốc hay phẫu thuật, bao gồm những người mắc bệnh thò lực chỉ còn một phần và những
người bò mù hoàn toàn.
Một số người khiếm thò khó nhìn thấy nh ững vật ngay trước mặt nhưng có thể nhìn thấy
những vật trên sàn hoặc hai bên. Một số người ngược lại có thể thấy rõ những vật ngay trước
mắt nhưng không thấy gì ở hai bên. Một số trường hợp bệnh lý có thể gây thò lự c chỉ nhìn lốm
đốm từng vùng, một số khác gây ảnh hưởng đến khả năng nhận biết màu sắc. Cũng có một số
người thì rất khó khăn khi gặp ánh nắng chói chang và một số khác thì không thể nhìn thấy gì
khi ánh sáng yếu … Mu ø hoàn toàn có thể là hệ quả của các loại bệnh thò lực ghi nhận ở trên,
cũng như từ các nguyên nhân khác như: tai nạn, võng mạc bò tách ra ở cả hai mắt và các bệnh
khác.
Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn

- 6-
Thoái hóa hoàng điểm
Đục thủy tinh thể
Ống thò giác
Bệnh lý võng mạc do tiểu đường
Hình 2.1 - Một số hình ảnh minh họa về khả năng nhìn của người khiếm thò ứng với vài bệnh
thò lực phổ biến .
Những người bò mất thò lực một cách đột ngột, đặc biệt là nếu họ đang học tập, nghiên
cứu và làm việc thì họ vẫn mong muốn được tiếp tục công việc của mình, muốn được họ c,
đọc, nghiên cứu hoặc giải trí. Nên họ sẽ học ngôn ngữ riêng là Braille hay Moon, và dùng
sách nói, các chương trình đọc web chuyên dụng. Về khả năng đi lại, theo một bài báo từ trang
web của Anh đưa ra một vài số liệu t hống kê: 32% người lớn khiếm thò nói rằng họ bò giới hạn
rất nhiều trong việc đi lại ngoài đường, 26% nói rằng họ bò giới hạn hoàn toàn khả năng đi lại
ngoài đường, 48% tương đối tự tin khi đi bộ một mình trong khu vực mà họ sinh sống. Rất ít
Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn
- 7-
người khiếm thò dùng phương tiện hỗ trợ đi lại: 22% người khiếm thò từ 16 tuổi trở lên dùng
gậy và 1% dùng chó dẫn đường. Từ đó ta có thể nhận thấy tình hình người khiếm thò ỡ Việt
Nam thì còn khó kha ên hơn rất nhiều trong việc tự đi lại.
2.3 - TÌNH HÌNH THỰC TẾ VỀ N GƯỜI KHIẾM THỊ Ở VIỆT NAM [5 ]:
Theo thống kê của Viện Mắt Trung ương, nước ta có khoảng 900.000 người khiếm thò,
trong đó có khoảng hơn 600.000 thuộc đối tượng m ù hoàn toàn, chiếm 1,20% dân số cả nước
(theo kết quả điều tra về tình hình mù lòa năm 2002).
Phần lớn người tàn tật nói chung sống cùng với gia đình, chiếm tỷ lệ 95,85%. Số người
tàn tật sống độc thân chiếm 3,31%. Tỷ l ệ người tàn tật sống trong trại bảo trợ của nhà nước là
0,22% (tập trung chính ở 2 nhóm tuổi 15 -55 chiếm 54,17% và nhóm tuổi dưới 15 chiếm
28,85%). Người tàn tật sống lang thang là 0,62%. Về môi trường sống của người mù kh ông có
số liệu thống kê chi tiết, nhưng tỷ lệ người mù trên tổng số người khuyết tật là 15,70%, nên
dựa vào những số liệu đó ta cũng có thể ước tính được môi trường sống của họ.
Vẫn còn khó khăn khi người tàn tật đi ra ngoài một mình, vì thành phố thiếu những

đường đi và phương tiện giao thông có thiết kế đặc biệt dành cho người khuyết tật. Việt Nam
chưa có cơ sở hạ tầng như là những lối đi trong công viên công cộng dành cho người k huyết tật
và hệ thống giao thông hữu ích đề người khuyết tật có thể tự đi ra ngoài mà không cần nhiều
đến sự trợ giúp của người nhà. Theo Vietnamnet về chương trình người khuyết tật tiếp cận các
công trình công cộng, thì phần lớn các công trình đang xây dựng và sử dụng đều thiếu phương
tiện và trang thiết bò, cũng như các giải pháp thiết kế tiếp cận sử dụng đối với người khuyết
tật. Nó sẽ là rào cản hạn chế người khuyết tật hòa nhậ p cộng đồng, phát huy năng lực, đóng
góp cho xã hội.
2.4 – Ý TƯỞNG VỀ THIẾT BỊ SỬ DỤNG SIÊU ÂM DÒ ĐƯỜNG CHO NGƯỜI KHIẾM
THỊ ( An Ultrasonic Rangefinder For The Blind) :
Waters, một nhà động vật học tại Đại học Leeds của Anh, đã nảy ra ý tưởng này khi
quan sát dơi tìm thức ăn. Cổ họng dơi có thể phát sóng siêu âm rất mạnh, thoát ra ngoàøi qua
Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn
- 8-
miệng và lỗ mũi. Khi gặp phải vật thể, sóng siêu âm liền phản xạ trở lại, tai của dơi nghe
được âm thanh phản hồi, nên dơi có thể phán đoán được khoảng cách và kích cỡ to nhỏ của
vật thể.
Tương tự, nếu ta dùng một cảm biến có khả năng tạo ra sóng siêu âm có tần số khoảng
từ 40kHz đến 80kHz vào môi trường xung qua nh. Sóng sẽ lan truyền và khi gặp vật cản sẽ
phản hồi trở lại.
Hình 2.2 – Nguyên tắc của phạm vi tín hiệu dội.
Khoảng cách với vật cản có thể được xác đònh bằng đo thời gian giữa xung phát và tín hiệu dội
nhận được, giả thiết vận tốc truyền âm trong môi trường không đổi.
Thu nhận tín hiệu phản hồi này, dựa trên vận tốc lan truyền của sóng âm trong môi
trường đã biết, thời gian từ khi phát sóng đến khi nhận sóng phản hồi t , và s ố lượng sóng phản
hồi về, ta dùng thuật toán xử lý sẽ cho biết khoảng cách và kích thước vật cản. Tín hiệu sau
khi xử lý và tính toán sẽ được chuyển sang dạng âm thanh nghe được, hay dạng rung động cơ
học có thể cảm nhận đượ c để giao tiếp với sử dụng.
Tuy nhiên, với việc xác đònh vò trí bằng tín hiệu phản hồi, để mô tả được vò trí của vật
cản một cách chính xác, thì cần đảm bảo hai điều kiện sau đây :

Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn
- 9-
1. Sóng siêu âm phải truyền thẳng tới m ặt phân cách (hướng vuông góc với mặt phân
cách) và quay trở về đầu dò theo đường truyền thẳng.
2. Vận tốc truyền âm trong môi trường không đổi trong quá trình truyền.
Hình 2.3 – Sơ đồ khối cơ sở của thiết bò
Vì các cảm biến siêu âm thường có tầm quét lớn và góc mở nhỏ khoảng 30
o
, nên để
nhận biết đúng chính xác vò trí vật cản ta sẽ :
 Tăng số lượng cảm biến siêu âm, và cần bố trí vò trí các cảm biến hợp lí để có độ phân
giải ngang chính xác của vật cản. Do tín hiệu sóng của cảm biến phụ thuộc vào nhiều
yếu tố nên tín hiệu trả về bò ảnh hưởng lẫn nhau , nếu việc bố trí khối cảm biến hợp lí
thì có thể giảm được nhược điểm này của cảm biến siêu âm. Giả sử như chúng ta có 2
cảm biến được bố trí như sau :
Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn
- 10-
Hình 2.4 – Bố trí các cảm biến
=>Khi đó vò trí của vật cản có thể được xác đònh d ựa vào giao điểm của 2 cung tròn giới
hạn tầm đọc của 2 cảm biến.
 Hoặc cho cảm biến xoay quanh trục theo chu kỳ để có góc quét là lớn hơn.
2.5 - THỰC TRẠNG VỀ CÁC THIẾT BỊ ĐANG ĐƯC NGHIÊN CỨU VÀ SỬ DỤNG
TRÊN THẾ GIỚI :
2.5.1 - Thiết bò siêu âm dò đường dùng cảm biến Sona Switch
TM
1700 của David
T.Batarseh, Đại học bang Mississippi (được nghiên cứu và ứng dụng năm 1997) [2]:
Thiết bò có cấu tạo chính là cảm biến Sona Switch
TM
1700, bộ biến đổi AD654 và máy

nghe. Cảm biến này sẽ phát và thu nhận sóng siêu âm để xác đònh k hoảng cách từ cảm biến
đến vật cản.
Cách thức hoạt động của thiết bò : cảm biến sẽ phát và nhận sóng phản hồi, tín hiệu
ngõ ra cảm biến được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp thay đổi trong khoảng từ 5V đến xấp
xỉ 0V, ứng với khoảng cách vật cản thay đổi từ 1,5 feet đến hơn 12 feet. Sau đó, khối AD654
sẽ nhận tín hiệu một chiều không đổi từ ngõ ra của cảm biến và chuyển sang xung vuông xoay
chiều, theo biểu thức sau:
Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn
- 11-
T
in
ADout
CRR
V
Frequency
)(10
21
)654(


Hình 2.5 – Mạch xử lý
Nghóa là khối AD654 có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điện sang tín hiệu âm nghe được.
Theo biểu thức trên, tần số của âm phát ra sẽ thay đổi trong khoảng 0Hz ( ứng với những
khoảng cách lớn hơn 12 feet) đ ến 20Hz ( ứng với những khoảng cách vật nhỏ hơn 1,5 feet).
Với trường hợp đặt ra là hố sâu trước mặt thì có kèm mạch đóng ngắt. Khi không nhận được
tín hiệu phản hồi về mạch sẽ ngắt tín hiệu một chiều không đổi từ cảm biến và nối cho AD654
tín hiệu áp vào là 5V, tạo tần số âm thanh nghe được là 20Hz sẽ báo động cho người sử dụng
khi họ sắp đến gần hố trong khoảng 5 feet. Khi người sử dụng trở nên quen dần với những âm
thanh có tần số khác nhau sẽ dễ dàng xác đònh được vật cản trước mặt.
Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn

- 12-
Hình 2.6 - Thiết bò siêu âm dò đường dùng cảm biến Sona Switch
TM
1700
Thiết bò dùng nguồn cung cấp có áp 15V và 650mA và được thiết kế trên mũ bảo hộ
thông thường, với cảm biến chính được đặt trước mặt, tai nghe được nối với máy đặt ở thắt
lưng. Giá của nó khi đó là 510 USD.
2.5.2 - Thiết bò chống va chạm vật cản của Timothy S.Lane và Martyn J.C.Berry, Đại
học bang New York ở Buffalo [3]:
Thiết bò này được chia làm 2 phần chính : đ cảm biến siêu âm (với góc mở cảm biến là
30
o
) và mạch vi xử lý.
Vò trí đặt đầu dò siêu âm phải đảm bảo 2 nhiệm vụ vừa phát ra tín hiệu và thu nhận
xung phản hồi. Tín hiệu pha ùt ra với tần số cao không thể nghe thấy, được giữ trong khoảng
nửa ms, một mức áp 400V được đặt vào mỗi đầu dò trong khoảng thời gian phát xung. Vì vậy,
đầu dò siêu âm được bọc tinh vi, cẩn thận và lớp vỏ bọc làm bằng polyethylene có tỷ trọng
Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn
- 13-
cao, không dẫn nhiệt -điện. Lớp vỏ bọc này dày khoảng 2 -1/8 inch, đường kính trong khoảng 1
inch và gắn với giải buộc đầu có độ đàn hồi. Mạch chi tiết (mạch điều khiển) thì được đặt
riêng biệt với vi xử lý, được thiết kế trong một cái hộp đeo ở thắt lưng. Cảm biến siêu âm và
mạch xử lý được gắn với nhau bời cáp phono công suất cao 0.25inch.
Hình 2.7 – Thiết bò chống va chạm vật cản
Thiết bò được thiết kế tương thí ch với một số dạng tai nghe khác nhau với lỗ chấu cắm
đa năng. Chỉnh mức độ âm thanh tai nghe được điều khiển bởi điện trờ riêng biệt. Lỗ chấu
cắm 0.25 inch cho nguồn nạp. Người dùng có thể chọn lựa 2 chế độ hoạt động kh ác nhau. Giá
của nó là 226USD.
Hình 2.8 – Thiết bò và người sử dụng .
Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn

- 14-
2.5.3 - Gậy BAT ‘K’ sonar (sản xuất năm 2003) [6]:
Là thiết bò mới cải tiến gần đây nên gọn nhẹ và tiện dụng hơn rất nhiều. Nó có khả
năng phát ra những xung siêu âm. Tiếp đó, nó sẽ nhận những sóng phản xạ lại từ vật thể, lập
nên một bản đồ ba chiều về các vật cản ở xung quanh, trong bán kính 3 mét. Thông tin từ bản
đồ này được gửi đến 4 miếng đệm rung trên tay ca àm của gậy, chúng sẽ rung nhẹ để cảnh báo
cho người sử dụng tránh đụng phải trần nhà thấp, và hướng dẫn bước tránh những vật cản trên
đường đi. Những tín hiệu nhanh và mạnh có nghóa là một vật cản đang ở gần. Thiết bò có thể
gửi đi 60.000 xung sóng âm mỗi giây và có khả năng nhận được những sóng dội khá yếu. Rất
dễ sử dụng, chỉ cần tập với thiết bò trong khoảng 30 phút. Giá của nó là 635USD.
Hình 2.9 - Gậy BAT ‘K’ sonar
Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn
- 15-
2.5.4 – Hình ảnh một số thiết bò tương tự đã được nghiên cứu và sử dụng :
Hình 2.10 – The Sonic Torch. Được nghiên cứu từ năm 1959
Hình 2.11 - The Binaural Sonic Glasses. Được nghiên cứu từ 1965, là thiết bò cải tiến của
“Sonic Torch”
Hình 2.12 - The Trisensor. Được sản xuất từ 1993.
Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn
- 16-
2.6 - Kết luận :
Chương này đưa ra cái nhìn tổng quan về đề tài, nguồn ý tưởng hình thành đề tài, khả
năng ứng dụng của đề tài, ý nghóa của thiết bò đối với người khiếm thò. Trên thực tế, đề tài này
không mới, vì nó đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng khá nhiều ở một số nước. Tuy nhiên
giá cả của nó là rất đắt. Nên vấn đề đặt ra là khả năng tự nghiên cứu va ø chế tạo thiết bò trong
nước với giá thành phù hợp hơn.
Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn
- 17-
Chương 3
LÝ THUYẾT TIẾP CẬN

3.1 - ÂM THANH VÀ SIÊU ÂM :
3.1.1 - Các khái niệm về sóng âm:
Âm thanh là sóng cơ học được truyền trong môi trường mà thính giác của co n người có
thể nhận biết được. Khi có lực tác động lên các phân tử môi trường, chúng sẽ dao động quanh
vò trí cân bằng và lan truyền ra xung quanh, từ đó sẽ tạo ra áp lực thay đổi tuần hoàn trong
môi trường đó.
Vì các dao động này có tính tuần hoàn nên thuật ngữ chu kỳ (T) được dùng để mô tả
quá trình thay đổi chuyển động các phân tử môi trường lặp lại sau những khoảng thời gian. Và
tần số sóng (f) là giá trò nghòch đảo của chu kỳ :
][
1
][
sT
Hzf 
(3.1)
Siêu âm là sóng cơ học có tần số cao mà con người không thể nghe thấy, chú ng là các
sóng có tần số lớn hơn 20kHz. Hạ âm là sóng cơ với tần số nhỏ hơn 20Hz, con người cũng
không thể nghe được. Âm thanh, siêu âm, hạ âm có cùng thuộc tính là sóng âm.
f < 20 Hz 20 Hz < f < 20.000 Hz f > 20.000 Hz
Hạ âm Âm thanh Siêu âm
Về phương diện vật lý, âm nghe được hay không nghe được không có gì khác nhau về
bản chất. Chúng chỉ khác nhau về phương diện sinh lý đối với tai ta.
Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn
- 18-
Âm truyền theo những tia gọi là tia âm. Thực nghiệm chứng tỏ tia âm cũng có thể bò
phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ và hấp thụ như tia sáng. Khi tia âm truyền qua hai môi tr ường có
vận tốc truyền âm khác nhau thì ở mặt phân cách hai môi trường, một phần tia âm bò phản xạ,
một phần bò khúc xạ. Góc phản xạ bằng góc tới. Còn góc khúc xạ lớn hơn hay nhỏ hơn góc tới
là tùy thuộc vào vận tố c truyền âm trong hai môi trường . Khi tia âm truyền từ môi trường có
vận tốc lớn sang môi trường có vận tốc nhỏ thì góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới (n

1
<n
2
) và ngược
lại. [1,4]
Hình 3.1 – Sự phản xạ và khúc xạ âm.
3.1.2 - Tính chất của sóng âm :
Sóng âm là sóng dọc . Đó là sóng mà phương dao động của các phân tử dọc theo hướng
truyền năng lượng sóng. Sự dao động và tương tác lẫn nhau của các phân tử sẽ tạo ra những
vùng nén và giãn, nghó a là tạo ra những vùng có áp suất cao và những vùng có áp suất thấp,
nhờ đó mà âm thanh được truyền đi. Điều này cũng giải thích tại sao âm thanh không thể
truyền trong chân không. [1,4]
Vận tốc âm (c): tốc độ sóng truy ền trong môi trường gọi là vận tốc âm thanh. Thực
nghiệm chứng tỏ trong một môi trường đồng chất và đẳng hướng thì âm thanh truyền với vận
tốc không đổi. Vận tốc âm thanh phụ thuộc vào khối lượng riêng (  - tỷ khối) và khả năng nén
(k - hệ số đàn hồi) của môi trường :
Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn
- 19-
k
c
1

(3.2)
Sự thay đổi tỷ khối thường đi đôi với sự thay đổ khả năng nén, nhưng khả năng nén thay đổi
rất nhanh nên nó trở thành yếu tố quyết đònh tro ng công thức trên.
Tuy nhiên, trong chất khí, vận tốc âm thanh không phụ thuộc vào áp suất khối khí mà tỷ lệ với
1
với  là khối lượng riêng chất khí. Vì thế vận tốc truyền âm lúc này sẽ tỷ l ệ với nhiệt
độ, do nhiệt độ tăng thì thể tích của khối khí tăng v à khối lượng riêng giảm [1], ta có công
thức:


273
1
1
0
 cc
(3.3)
Với : c
0
là vận tốc truyền sóng ở 0
o
C
c là vận tốc truyền sóng ở 
o
C
Để tính sự phụ thuộc của vận tốc truyền sóng vào nhiệt độ và khối lượng riêng ta dùng công
thức Laplace [4,7]:


)
273
1(
0


P
C
C
c
V

P
(3.4)
Với : C
p
và C
V
lần lượt là nhiệt dung riêng đẳng áp và đẳng tích của không khí
P
0
=1,013.105 N/m
2
là áp suất khí quyển
 là khối lượng riêng của chất khí tính bằng kg/m
3
c là vận tốc truyền sóng ở 
o
C
Trong không khí, ta có công thức tính vận tốc truyền sóng ở 
o
C gần đúng sau[4,7] :
)6,0(4,331 c
(3.5)
Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn
- 20-
Trở kháng âm (Z): là đại lượng tỷ lệ với động lượng. Đại lượng này là đơn vò đo sự hạn
chế của âm thanh truyền qua môi trường. Đơn vò là kg/m
2
/s hay còn có tên đặc biệt là rayl.
Z = .c (3.6)
Vật liệu có tỷ khối cao làm t ăng tốc độ sóng âm và do đó nâng cao trở kháng âm. Tương tự,

vật liệu có tỷ khối thấp như các khí có trở kháng âm thấp nên vận tốc truyền âm trong môi
trường nhỏ hơn. [1]
3.1.3 - Một số tương tác của siêu âm với môi trường mà ta cần quan tâm :
3.1.3.1 - Phản xạ :
Tương tác chính được quan tâm trong siêu âm dò đường là phản xạ. Nếu một chùm
sóng âm được truyền mặt phân cách hai môi trường, một phầm âm bò phản xạ, còn một phần
âm bò khúc xạ vào (truyền qua) môi trường thứ hai. Chính nhờ các tia phản xạ trở về mà ta có
thể tính được khoảng cách vật cản so với cảm biến.
Hình 3.2 – Sự phản xạ và truyền qua gây ra bởi sóng âm
chạm vào vật cản dưới một góc vuông.
Hệ số phản xạ ( 
R
) :
Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn
- 21-
2
12
2
12
)(
)(
ZZ
ZZ
R


 (3.7)
Hệ số truyền qua ( 
T
) :

2
12
12
)(
4
ZZ
ZZ
T


(3.8)
Trong đó: Z
1
là trở kháng âm của môi trường 1
Z
2
là trở kháng âm của môi trường 2
Phản xạ khuếch tán : Khi một chùm siêu âm được chiếu tới một bề mặt phân cách
không phẳng, nó bò phản xạ ra nhiều hướng. Bề mặt phẳng lớn của mặt phản xạ tạo nên chùm
đònh hướng chính xác, còn bề mặt gồ ghề lớn làm chệch hướng chùm si êu âm theo nhiều
hướng. Do mặt phân cách không phẳng, chùm siêu âm tới mặt phân cách với các góc tới khác
nhau, tạo ra các góc phản xạ khác nhau. Điều này sẽ làm mất sự kết hợp các chùm tia phản
xạ, làm cho tín hiệu dội về đầu dò yếu đi. [1]
Hình 3.3 – Phản xạ khuếch tán.
2.1.3.2 - Nhiễu xạ :
Nhiễu xạ gây ra chùm siêu âm bò phân ra hoặc trải ra khi chùm sóng ra khỏi nguồn âm.
Tốc độ phân kỳ tăng khi kích cỡ nguồn âm giảm. Nhiễu xa ï cũng xảy ra sau khi chùm tia tới
Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn
- 22-
với mặt sóng phẳng đi qua khe hở nhỏ khoảng một bước sóng. Độ phân giải ngang của chùm

tia và độ nhạy của hệ thống siêu âm đều bò ảnh hưởng bởi sự phân kỳ. [1]
Hình 3.4 – Sự mở rộng của chùm tia từ một nguồn nhỏ
Hình 3.5 – Sự nhiễu xạ của chùm sóng sau khi đi qua lỗ nhỏ
3.1.3.3 – Sự giao thoa :
Khi có nhiều sóng đồng thời truyền qua một miền nào đó của môi trường đàn hồi thì
dao động của mỗi điểm tro ng miền đó là tổng hợp các dao động gây ra bởi từng sóng riêng rẽ.
Các sóng đó không làm nhiễu loạn nhau. Sau khi gặp nhau , các sóng đó vẫn truyền đi như
chúng truyền đi riêng rẽ. Đó là sự giao thoa hay còn gọi là ngun lý chồng chất sóng.
Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn
- 23-
Nếu các sóng cùng tần số và cùng pha, chúng giao thoa cộng hưởng. Giao thoa cộng
hưởng gây ra sự tăng biên độ.
Hình 3.6 – Giao thoa cộng hưởng
Nếu các sóng có cùng tần số nhưng khác pha, sự giao thoa củ a chúng triệt tiêu, nghóa
là có sự làm giảm biên độ do các đỉnh không trùng hợp ở cùng một vò trí. Giao thoa triệt tiêu
hoàn toàn xảy ra khi các sóng cùng tần số, biên độâ và hoàn toàn ngược pha. Ngoài ra, nếu các
sóng giao thoa trong các trường hợp còn lại sẽ cho kết quả là sóng tổng hợp rất phức tạp.
Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn
- 24-
Hình 3.7 – Giao thoa sóng
Sự giao thoa này rất quan trọng khi thiết kế đầu dò siêu âm bởi nó ảnh hưởng đến tính
đồng nhất của cường đo ä chùm tia qua trường siêu âm. [1]
3.1.3.4 - Sự hấp thụ và độ suy giảm :
Luận văn tốt nghiệp www.bme.vn
- 25-
Là quá trình mà năng lượng âm bò tiêu tán trong môi trường, nghóa là chuyển sang dạng
năng lượng khác, chủ yếu là nhiệt. Sự hấp thụ chùm siêu âm l iên quan đến tần số chùm tia,
tính nhớt và thời gian hồi phục của môi trường.
Mọi dạng tương tác ( p hản xạ, khúc xạ, tán xạ, p hân kỳ) là giảm cường độ chùm siêu
âm bởi sự đònh hướng lại năng lượng của chùm. Vì vậy đ ộ suy giảm cần được xem xét và tính

toán. Độ suy giảm bao gồm ảnh hưởng của tán xạ và hấp thụ trong đặc tính suy giảm biên đô
khi sóng âm truyền qua môi trường. Độ suy giảm tuân theo công thừc hàm mũ [1]:
za
eAA
.
0
.


(3.9)
Trong đ đó: A là biên đô đỉnh của chùm tia tại khoảng cách z
A
0
là biên độ đỉnh ban đầu của chùm tia
a là hệ số suy giảm, bằng tổng hệ số tán xạ a
s
và hệ số hấp thụ 
z là khoảng cách chùm tia đã đi
3.2 - CẢM BIẾN SIÊU ÂM :
3.2.1 - Hiệu ứng áp điện :
Cảm biến siêu âm hoạt động dưa trên hiệu ứng áp điện. Hiệu ứng này thường thấy ở
các vật liệu kết tinh có các phân tử lưỡng cực (cực âm ở một đầu và cực dương ở một đầu),
các vật liệu như vậy được gọi là tinh thể áp điện. Khi đặt vào tinh thể áp điện một điện thế
xoay chiều, các phân tử lưỡng cực bò vặn để sắp xếp lại chúng trong trường điện thế, nên tinh
thể áp điện sẽ bò n én và giãn liên tục theo chu kỳ sẽ tạo ra dao động cơ, chính là sóng siêu âm
và được lan truyền trong môi trường. Vậy, một điện áp được đặt vào tinh thể áp điện sẽ tạo ra
sóng siêu âm được gọi là hiệu ứng áp điện ngh òch. Khi các sóng siêu âm phản hồi về, quay trở
lại tinh thể và tạo ra các tín hiệu điện, để từ đó ta có thể thu nhận và xử lý, thì được gọi là
hiệu ứng áp điện thuận.
3.2.2 - Nguyên lý hoạt động :