Cơ sở vật lý của siêu âm

Hiện nay siêu âm đã rất phát triển, có ứng dụng rộng rãi trong chẩn đoán của rất nhiều chuyên khoa.Chúng ta hãy tìm hiểu cơ sở vật lý của ứng dụng này nhé
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cơ sở vật lý của siêu âm Cơ sở vật lý của siêu âm Hiện nay siêu âm đã rất phát triển, có ứng dụng rộng rãi trong chẩnđoán của rất nhiều chuyên khoa.Chúng ta hãy tìm hiểu cơ sở vật lý của ứngdụng này nhé ! 1. Vật lý học của sóng âm* Bản chất của sóng âm:Sự hình thành sóng cơ trong môi trường chất: các môi trường chất đàn hồi(khílỏng hay rắn) có thể coi như những môi trường liên tục gồm những phần tử liênkết chặt chẽ với nhau. Lúc bình thường mỗi phần tử có một vị trí cân bằng bền.Nếu tác dụng lực lên một phần tử A về vị trí cân bằng nào đó của môi trường thìphần tử này rời khỏi vị trí cân bằng bền. Do tương tác, các phần tử bên cạnh, mộtmặt kéo phần tử A một mặt cũng chịu lực tác dụng và do đó ũng thực hiện daođộng. Hiện tượng tiếp tục xảy ra đối với các phần tử khác của môi trường. Nhữngdao động cơ lan truyền trong môi trường đàn hồi gọi là sóng cơVề bản chất sóng âm là sóng cơ học do đó tuân theo mọi quy luật đối với sóng cơ,có thể tạo ra sóng âm bằng cách tác động một lực cơ học vào môi trường truyềnâm. Ví dụ: đánh vào mặt trống: tác động dòng điện làm rung màng loa; tác độnglàm rung âm thoa, đạn bay trong không khí...* Phân loại sóng âm:Theo phương dao động:- Sóng ngang: phương dao động vuông góc với tia sóng- Sóng dọc: phương dao động trùng với tia sóng- Sóng siêu âm ứng dụng trong y học thuộc sóng dọcTheo tần số:- Sóng âm tần số cực thấp hay gọi là vùng hạ âm: f< 16Hz, ví dụ sóng địa chấn- Sóng âm tần số nghe thấy: f= 16Hz- 20kHz- Sóng siêu âm: f< 20kHz* Các đại lượng đặc trưng- Chu kỳ T là khoảng thời gian thực hiện 1nén và 1 giãn, tính bằng giây- Tần số f(Hz): số chu kỳ thực hiện được trong một giây- Vận tốc truyền âm(m/s) là quãng đường mà sóng truyền được sau một đơn vịthời gian.- Độ dài bước sóng λ(m) là quãng đường mà sóng truyền được sau khoảng thờigian bằng một chu kỳ: λ = vT=v/f2. Cơ sở vật lý và kỹ thuật của phương pháp tạo hình bằng siêu âm* Cơ sở vật lýCơ sở vật lý là sự phản hồi của tia siêu âm từ các tổ chức trong cơ thể , sự phản hồinày phụ thuộc vào:- Tốc độ truyền của sóng âm trong môi trường- Trở kháng âm của môi trường- Sự hấp thụ của tổ chức- Thông số(f,λ) của sóng siêu âm và cấu trúc hình học của tổ chức* Tốc độ truyền của sóng âm:Phụ thuộc vào môi trường. Tốc độ trung bình của sóng siêu âm trong các tổ chứcphần mềm v λ≈ 1540m/s. Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về củasóng siêu âm ta có thể định vị trí rõ được bề mặt phản xạ* Trở kháng âm của môi trường và các định luật truyền âm- Trở kháng âm z: Trở kháng âm của môi trường gọi nôm na là độ vang hay độ dộicủa sóng âm trong môi trườngZ(rayls)= c*ρTrong đó:ρ(kg/m3): mật độ của môi trườngc(m/s)- vận tốc lan truyền của sóng siêu âm trong môi trườngTrở kháng của môi trường có vai trò quyết định với biên độ của sóng phản xạ trênmặt phân cách giữa 2 môi trường- Sự phản xạ và sự khúc xạÂm được truyền đi theo những tia gọi là âm tia.Phản xạ và khúc xạ: Khi sóng âm truyền trong môi trường đồng nhất và đẳnghướng nó sẽ truyền theo phương thẳng; khi gặp mặt phân cách đủ lớn giữa 2 môitrường có trở kháng âm khác nhau tức là có vận tốc truyền âm khác nhau, tia âmsẽ tuân theo định luật phản xạ và khúc xaqj. Một phần năng lượng của sóng âm sẽphản xạ ngược trở lại và phần còn lại sẽ truyền tiếp vào môi trường thứ 2Độ lớn của năng lượng phản xạ phụ thuộc vào sự khác biệt của trở kháng âm ∆zgiữa 2 môi trường. Hệ số phản xạ K được tính theo công thức: K= Pr/Pi((Z2 cosθt- Z1cosθi) / (Z2 cosθt+ Z1cosθi))Trong đó:θi: góc tới; θt: góc phản xạ; θt: góc khúc xạPr- Biên độ áp lực của sóng phản hồiPi- biên độ áp lực của sóng tớiZ1, Z2- trở kháng âm của 2 môi trườngỞ đây sẽ xảy ra 2 trường hợp:- Trường hợp 1: Tia tới vuông góc với mặt pâhn cách θi=θt=0Hệ số phản hồi của mặt phân cách sẽ được tính theo công thức:Cosθ = cos θr = 1 nên:- Trường hợp 2: Tia tới tạo một góc θi≠0. Theo đinh luật phản xạ góc phản xạ bằnggóc tới. Sóng truyền tiếp lúc này không còn cùng hướng với sóng tới và tạo một gócθt≠θi , hiện tượng này gọi là hiện tượng khúc xạ, góc khúc xạ θt phụ thuộc vào vậntốc truyên âm trong 2 môi trường và được xác định bởi công thức:sin θt= (c2/c1)*sinθi+ Với c2> c1, khi sin θi= c1/c2 ta có θcritic =arcsin (c1/c2)Thì sin θt=1 và θt= 900. Hiện tượng này gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần. Nhưvậy với tất cả các góc θi ≥θcritic sóng âm sẽ không khúc xạ được sang môi trườngthứ 2 bên kia mặt phân cách và toàn bộ năng lượng được phản xạ trở lại môitrường thứ nhất+ Ngoài ra dù với c2>c1 hay c2siêu âm nếu sóng siêu âm gặp những mặt phân cách này thì hầu hết năng lượng sẽbị phản xạ trở lại, sóng truyền tiếp sẽ rất nhỏ và ta sẽ không nhận được thông tincấu trúc bên dưới mặt phân cách này, đó cũng chính là lý do tại sao trong siêu âmchẩn đoán ta phải dùng gel tiếp xúc nhằm tạo ra tiếp xúc không có không khí* Sự tán xạMột hiện tượng quan trọng khác trong tạo hình bằ ...