Chuyên đề Vật lí 12 CTST Bài 4. Chẩn đoán bằng siêu âm có đáp án

Kĩ thuật siêu âm dựa trên những tính chất của sóng là: Phản xạ và khúc xạ khi gặp mặt phân cách giữa các môi trường, không truyền trong chân không.

Khi sóng siêu âm truyền tới bề mặt giữa hai môi trường không đồng nhất trong cơ thể, một phần của nó sẽ bị phản xạ và phần còn lại sẽ bị khúc xạ do sự khác biệt về tốc độ truyền sóng của hai môi trường này. Như vậy, sóng siêu âm phản xạ sẽ được thu nhận bởi đầu dò, tinh thể áp điện chuyển sóng siêu âm thành tín hiệu điện. Từ đó sử dụng các phần mềm máy tính để tái tạo hình ảnh của cơ quan trong cơ thể.

- Sóng cơ học là quá trình lan truyền dao động cơ học theo thời gian trong môi trường vật chất đàn hồi.

- Khi sóng truyền qua, các phân tử của môi trường chỉ dao động quanh vị trí cân bằng của chúng mà không chuyển dời theo sóng, chỉ có pha dao động của chúng được truyền đi.

- Môi trường truyền sóng ngang: chất rắn và bề mặt chất lỏng.

- Môi trường truyền sóng dọc: các chất rắn, lỏng, khí.

- Sóng cơ không truyền được trong chân không.

- Sóng có tính chất phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, giao thoa.

a) Bước sóng của một sóng siêu âm là: $\lambda = \frac{v}{f} = \frac{{5800}}{{{{2.10}^6}}} = {2{,}9.10^{ - 3}}m$

b) Bề dày tối ưu của tinh thể áp điện trong đầu dò là một nửa bước sóng của sóng siêu âm là: $d = \frac{\lambda }{2} = \frac{{{{2{,}9.10}^{ - 3}}}}{2} = {1{,}45.10^{ - 3}}m$

Ứng dụng của tinh thể áp điện:

- Các thiết bị đầu dò, các thiết bị cảm biến như cảm biến áp suất, cảm biến gia tốc áp điện, cảm biến siêu âm

- Tinh thể áp điện được sử dụng để chế tạo bộ dao động có độ ổn định cao, đóng vai trò quan trọng trong các thiết bị điện tử như đồng hồ, máy tính,…

- Tinh thể áp điện được sử dụng để chế tạo loa có âm thanh rõ ràng và có thể tái tạo âm thanh với độ chính xác cao, được ứng dụng trong hệ thống âm thanh vòm.

- Tinh thể áp điện được sử dụng để chế tạo máy in phun có độ phân giải cao, tốc độ in nhanh.

v là tốc độ truyền âm của lớp vật liệu giữa về mặt B và C.

d là quãng đường sóng truyền được trong thời gian t (bề dày của lớp giữa bề mặt B và C )

t là thời gian sóng siêu âm đi từ B đến C

Từ đó, bề dày của lớp giữa bề mặt B và C được xác là d = v.t

Ta thấy xung 1, 2 và 3 mô tả tại các ranh giới khác nhau. Xung 1 phản xạ tại ranh giới giữa cơ và xương tại B. Xung 2 phản xạ tại ranh giới giữa xương và cơ tại C. Do đó để xuất hiện xung 2 thì sóng siêu âm phải xuất đi qua lớp B, đến lớp C sau đó quay trở lại qua B và tới đầu dò, nên Δt là khoảng thời gian cần thiết để sóng siêu âm truyền được quãng đường bằng hai lần bề dày của lớp giữa hai bề mặt B và C.

Do đó $t = \frac{{\Delta t}}{2} \Rightarrow d = v.t = \frac{{v.\Delta t}}{2}$

Khoảng cách giữa hai bề mặt phản chiếu ứng với hai xung này là:

$$d = \frac{{v.\Delta t}}{2} = \frac{{{{1570.0{,}03.10}^{ - 3}}}}{2} = 0{,}02355\,m$$

Ứng dụng của sóng siêu âm trong nông nghiệp là:

- Sấy khô bằng siêu âm được lựa chọn để thay thế cho sấy nóng những vật không thể sấy khô bằng nhiệt vi nhiệt độ cao sẽ làm thay đổi các tính chất của chúng.

- Siêu âm cũng được dùng để tiệt trùng làm kéo dài thêm thời gian bảo quản thực phẩm.

- Loại bỏ các hoá chất, thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực vật tồn dư ra khỏi các sản phẩm nông nghiệp.

- Dùng siêu âm để kiểm tra chất lượng sản phẩm.

- Sóng siêu âm còn có thể xử lí đất trồng.

- Các nhà khoa học cho biết, sóng siêu âm có thể đã tác dụng lên vi sinh vật trong đất khiến cho chúng kích thích phát triển làm tỷ lệ mùn tăng lên.

Có hai loại sonar:

- Sonar chủ động thì tự phát xung sóng và nghe tiếng vọng lại. Loại này thường được trang bị trên các tàu khu trục, tàu quét mìn, tàu corvette, tàu phóng lôi,...của quân sự (dùng chống tàu ngầm, quét. rà phá thủy lôi) và trên các tàu đánh cá, tàu cứu hộ,... của dân sự

- Sonar bị động (hay sonar thụ động) thì chỉ nghe âm thanh do tàu bè hay nguồn âm khác phát ra. Loại sonar này có tầm hoạt động kém hơn so với sonar chủ động và được trang bị trên tàu ngầm.

Một số bệnh lí có thể được chẩn đoán bằng kĩ thuật siêu âm là:

- Bệnh lý tim mạch như: tim bẩm sinh, bệnh tim do van tim, bệnh tim do thiếu máu cục bộ,…

- Bệnh lí liên quan đến buồng trứng, bệnh lí tử cung,…

- Bệnh về đường tiết liệu như sỏi thận, viêm đường tiết liệu,…