Siêu âm là âm thanh (sóng âm) có tần số cao hơn tần số tối đa mà tai người nghe thấy được. Tần số tối đa này tùy vào từng người, nhưng thông thường nó vào cỡ 20 kHz.

Siêu âm có thể lan truyền trong nhiều môi trường vật chất như không khí, các chất lỏng và rắn, và với tốc độ gần bằng tốc độ âm thanh (khoảng 344 m/s trong môi trường không khí). Do cùng tốc độ lan truyền, trong khi tần số cao hơn, bước sóng của siêu âm thường ngắn hơn bước sóng của âm thanh. Nhờ bước sóng ngắn, độ phân giải của ảnh chụp siêu âm thường đủ để phân biệt các vật thể ở kích thước cỡ cm hoặc mm. Do đó, siêu âm ngày càng được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực như y học, sinh học, hóa học, công nghiệp, nông nghiệp và thực phẩm….

ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC

Thiết bị siêu âm là một thiết bị rất có hiệu quả trong việc ghi nhận hình ảnh của các mô mềm. Những cấu trúc nằm ở bề mặt như cơ, dây chằng, và não được quan sát với tần số cao (7-18 MHz). Những cấu trúc nằm sâu bên trong cơ thể như gan, thận được khảo sát với sóng âm có tần số thấp hơn từ 1 đến 6 Mhz.
Tác dụng đầu tiên của siêu âm trong điều trị là tác dụng về mặt cơ học, do tác dụng của sóng siêu âm gây nên những thay đổi áp lực tương ứng với tần số siêu âm. Với tần số càng lớn (trên 3MHz) sự thay đổi áp lực nhanh hơn so với tần số thấp (dưới 1 MHz). Sự thay đổi áp lực có thể gây ra thay đổi thể tích tế bào, thay đổi tính thấm màng tế bào, tăng chuyển hóa…Tác dụng cơ học phụ thuộc vào cường độ siêu âm (W/cm2) và chế độ liên tục hay xung.
Tác dụng khác của siêu âm là tác dụng sinh nhiệt. Sự sinh nhiệt của siêu âm là do hiện tượng cọ xát và chuyển từ năng lượng cơ học sang năng lượng nhiệt. Siêu âm có thể tác động tới độ sâu từ 3-5cm.
Từ tác dụng cơ học và tác dụng nhiệt dẫn đến tác động sinh học như: tăng tuần hoàn và dinh dưỡng do tăng nhiệt độ, tăng tính thấm của mạch máu và tổ chức, giãn cơ do kích thích trực tiếp của siêu âm lên các thụ cảm thể thần kinh, tăng tính thấm của màng tế bào, kích thích quá trình tái sinh tổ chức, tác dụng lên hệ thần kinh ngoại vi, giảm đau…

ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHIỆP, NÔNG NGHIỆP

Siêu âm thường dùng phổ biến trong các lĩnh vực công nghiệp và nông nghiệp như: hàn siêu âm, kiểm tra chất lượng sản phẩm, gia công vật liệu cứng, sấy khô bằng siêu âm….
Ngày nay, nhờ những tiến bộ về khoa học kỹ thuật mà các thiết bị kiểm tra bằng siêu âm được phát triển rất da dạng và trong nhiều lĩnh vực như: kiểm tra bề dày, độ đồng đều, phát hiện khuyết tật trong kim loại, kiểm tra vết nứt, chất lượng bê tông,… Tín hiệu siêu âm được phát đến sản phẩm, từ sản phẩm sóng được phản xạ sẽ được chuyển thành tín hiệu điện nhờ biến tử và thể hiện trên màn hình. Từ thông tin nhận được này, chúng ta có thể biết được vị trí, kích thước của khuyết tật và độ chắc đặc của vật liệu đang kiểm tra.
Ngoài ra, nhờ vào khả năng tác dụng cơ học lớn của dao động siêu âm, ngành công nghiệp đã ứng dụng nó vào việc hàn một số vật liệu. Năng lượng cơ học của dao động siêu âm được sử dụng làm biến dạng dẻo cục bộ tại bề mặt mối ghép, làm cho các phần tử của các chi tiết hàn khuếch tán, thẩm thấu lẫn nhau và liên kết với nhau tạo thành mối hàn. Hàn siêu âm thường dùng tần số vào khoảng vài chục Khz cho mối hàn với kích thước rất nhỏ. Hàn siêu âm được dùng để hàn các chi tiết tinh vi mà không cần đòi hỏi phải làm sạch trước khi hàn.
Siêu âm còn được ứng dụng trong việc sấy khô các loại vật liệu. Trước đây, có nhiều phương pháp sấy, song hầu hết là sấy nóng. Tuy nhiên, có nhiều loại vật liệu, vật phẩm không thể sấy khô bằng nhiệt vì nhiệt độ cao sẽ làm thay đổi các tính chất hóa, lý của chúng. Vì vậy, sấy khô bằng siêu âm được lựa chọn như là một giải pháp tối ưu.

ỨNG DỤNG TRONG THỰC PHẨM

Trong ngành công nghiệp thực phẩm, sóng siêu âm dùng để bảo quản và nâng cao chất lượng sản phẩm. Dưới tác dụng của siêu âm có tần số thích hợp, cường độ xác định trong thời gian phù hợp sẽ làm chất lượng của một số loại thực phẩm tăng rõ rệt.
Một ví dụ điển hình của sóng siêu âm là đẩy nhanh quá trình già rượu. Rượu sau khi xử lý bằng sóng siêu âm được đánh giá “già đi” nhanh hơn so với rượu được ủ bằng phương pháp thông thường (khi so sánh về các thông số như: pH, nồng độ cồn, đo sắc kí khí, đánh giá cảm quan). Điều này cho thấy ứng dụng tiềm năng của siêu âm thay thế cho phương pháp ủ rượu truyền thống. Ngoài ra, siêu âm còn dùng để tiệt trùng cho thực phẩm, giúp thực phẩm được bảo quản lâu hơn và chất lượng cao hơn./.

Tài liệu tham khảo:
1. Audrey Chingzu Chang, Fa Chung Chen – The application of 20 kHz ultrasonic waves to accelerate the aging of different wines – 2002
2. D. Bates – Case Studies in Novel Food Processing Technologies Industrial applications of high power ultrasonics in the food, beverage and wine industry – 2010
3. D. Novoa-Díaz, J.M. Rodríguez-Nogales, Fernández-Fernández – Ultrasonic monitoring of malolactic fermentation in red wines – 2014
4. Shin-ichi Matsuoka; Hisashi Imai – Direct welding of different metals used ultrasonic vibration – 2009
5. A.P. Hulst – Macrosonics in industry 2. Ultrasonic welding of metals – 1972
6. J.V. García-Pérez1, J.A. Carcel1, A. Mulet1, E. Riera2, J.A. Gallego-Juarez2- Ultrasonic drying for food preservation – 2015
7. M.P. Matheny, K.F. Graff– Ultrasonic welding of metals – 1965
8. Farid chemat, Zill-e-Huma, Muhammed Kamran Khan – Applications of ultrasound in food technology: Processing, preservation and extraction – 2010
9. F.J Fuchs – Power Ultrasonics Ultrasonic cleaning and washing of surfaces – 2015
10. Tạp chí thông tin khoa học và công nghệ Quãng Bình – số 3/2014
11. Farid chemat, Zill-e-Huma, Muhammed Kamran Khan – Applications of ultrasound in food technology: Processing, preservation and extraction – 2010

Người tổng hợp: Nguyễn Tấn Minh

Đăng ngày: 29/07/2015