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: \[d = \frac{\lambda }{2} = \frac{{{{2,9.10}^{ - 3}}}}{2} = {1,45.10^{ - 3}}m\]

Vai trò của lớp vật liệu hấp thụ dao động trong đầu dò được sử dụng để làm suy giảm và hấp thụ năng lượng siêu âm bức xạ từ mặt sau của tinh thể áp điện, để nó không bị phản xạ trở lại trong đầu dò. Hơn nữa lớp vật liệu hấp thụ dao động còn giúp bảo vệ tinh thể áp điện khỏi các tác động cơ học, rung động và tiếng ồn môi trường, giúp kéo dài tuổi thọ và nâng cao độ ổn định của tinh thể áp điện, góp phần tăng độ bền cho đầu dò. Trong ứng dụng siêu âm y tế thì lớp vật liệu hấp thụ dao động đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện độ phân giải hình ảnh bằng cách giảm thiểu nhiễu sóng giúp hình ảnh siêu âm sắc nét và rõ ràng hơn. 

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 \[t = \frac{{\Delta t}}{2} \Rightarrow d = v.t = \frac{{v.\Delta t}}{2}\]