TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ

TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG SIÊU ÂM DOPPLER
CỦA THIẾT BỊ CTS 8800 PLUS CHO Y HỌC
Luận văn tốt nghiệp
Ngành Sư phạm Vật lý
Chuyên ngành Sư phạm Vật lý Công nghệ

Giáo viên hướng dẫn
Ths. Hồ Hữu Hậu

Sinh viên thực hiện
Họ và tên: Phạm Thị Hồng Thanh
MSSV: 1117611
Lớp Sư phạm Vật lý Công nghệ
Khóa 37

Cần Thơ, tháng 11/2014


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Hồ Hữu Hậu

MỤC LỤC
PHẦN 1: PHẦN MỞ ĐẦU
PHẦN 2: NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: DAO ĐỘNG VÀ SÓNG CƠ HỌC....................................................... 1
I. Dao động cơ học..................................................................................................... 1

II. Sóng cơ học........................................................................................................... 1
1. Môi trường đàn hồi ................................................................................................ 1
2. Sóng ngang và sóng dọc......................................................................................... 1
3. Đặc điểm của sóng cơ học...................................................................................... 2
4. Phương trình sóng.................................................................................................. 3
5. Giao thoa sóng ....................................................................................................... 3
CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ÂM THANH ................................................................. 5
I. Âm và sóng âm....................................................................................................... 5
II. Đặc điểm của sóng âm........................................................................................... 5
1. Vận tốc của âm ...................................................................................................... 5
2. Sự truyền sóng âm.................................................................................................. 6
3. Giao thoa ............................................................................................................... 7
4. Cộng hưởng ........................................................................................................... 7
5. Sóng dừng.............................................................................................................. 7
III. Các đặc trưng của sóng âm................................................................................... 8
1. Đặc trưng vật lý ..................................................................................................... 8
2. Đặc trưng sinh lý.................................................................................................... 8
IV. Nguồn phát âm thanh ........................................................................................... 9
1. Thuyết cơ đàn hồi còn gọi là thuyết cơ học ............................................................ 9
2. Giả thiết luồng thần kinh của Housson ................................................................... 9
V. Phương pháp âm trong chẩn đoán bệnh ................................................................. 10
1. Chẩn đoán gõ ......................................................................................................... 10
2. Chẩn đoán nghe ..................................................................................................... 11
3. Phép thử Rinner (Rhinner) ..................................................................................... 11
CHƯƠNG 3: SÓNG SIÊU ÂM ................................................................................. 13
I. Sóng siêu âm .......................................................................................................... 13
II. Vận tốc của sóng siêu âm ...................................................................................... 13
III. Năng lượng của sóng siêu âm............................................................................... 14
IV. Tính chất của sóng siêu âm .................................................................................. 15
1. Hiện tượng phản xạ................................................................................................ 15

2. Hiện tượng khúc xạ................................................................................................ 15
3. Hiện tượng nhiễu xạ............................................................................................... 15
4. Hiện tượng hấp thụ................................................................................................. 15
V. Quá trình lan truyền sóng siêu âm trong cơ thể...................................................... 16
1. Trong môi trường đồng chất................................................................................... 16
2. Trong môi trường không đồng chất ........................................................................ 17
VI. Ứng dụng của siêu âm trong ngành y ................................................................... 18
1. Ứng dụng siêu âm trong điều trị ............................................................................ 18
2. Ứng dụng siêu âm vào chẩn đoán........................................................................... 19
VII. Các nguồn phát và thu sóng siêu âm ................................................................... 20
i

SVTH: Phạm Thị Hồng Thanh


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Hồ Hữu Hậu

1. Hiện tượng áp điện (Piezoelectric) ......................................................................... 20
2. Hiện tượng từ giảo ................................................................................................. 23
3. Nguồn phát sóng siêu âm ....................................................................................... 24
4. Nguồn thu sóng siêu âm ......................................................................................... 25
CHƯƠNG 4: HIỆU ỨNG DOPPLER........................................................................ 26
I. Hiệu ứng Doppler ................................................................................................... 26
II. Công thức hiệu ứng Doppler.................................................................................. 26
III. Các kiểu Doppler ................................................................................................. 27
IV. Sự thể hiện thông tin Doppler .............................................................................. 28
1. Âm thanh ............................................................................................................... 28
2. Phổ tần số theo thời gian ........................................................................................ 28

3. Sự thể hiện theo từng loại vận tốc .......................................................................... 29
4. Kỹ thuật Doppler màu............................................................................................ 30
5. Kỹ thuật Power Doppler – Doppler năng lượng...................................................... 30
V. Siêu âm Doppler.................................................................................................... 32
VI. Ứng dụng của siêu âm Doppler ............................................................................ 32
CHƯƠNG 5: SIÊU ÂM CHẨN ĐOÁN ..................................................................... 34
I. Lịch sử ra đời của siêu âm chẩn đoán...................................................................... 34
II. Cấu tạo chung của một máy siêu âm...................................................................... 36
III. Đầu dò siêu âm .................................................................................................... 36
1. Hiệu ứng áp điện.................................................................................................... 36
2. Cấu tạo của đầu dò ................................................................................................. 37
3. Các đầu dò quét điện tử.......................................................................................... 38
4. Độ phân giải đầu dò ............................................................................................... 40
5. Lựa chọn đầu dò..................................................................................................... 41
6. Các hình thức thể hiện............................................................................................ 42
CHƯƠNG 6: MÁY CTS 8800 PLUS......................................................................... 44
I. Các thông số kỹ thuật.............................................................................................. 45
II. Sơ đồ khối chức năng ............................................................................................ 46
III. Các chức năng thăm khám của máy siêu âm......................................................... 47
CHƯƠNG 7: TỔNG QUÁT VỀ SIÊU ÂM TRONG THỰC TẾ................................ 48
I. Chuẩn bị khi siêu âm .............................................................................................. 48
1. Chuẩn bị của bệnh nhân ......................................................................................... 48
2. Cách thực hiện một ca siêu âm ............................................................................... 48
3. Những gì bệnh nhân sẽ cảm thấy trong lúc siêu âm và sau khi siêu âm .................. 48
4. Những giới hạn của siêu âm chẩn đoán .................................................................. 48
II. Một vài hình ảnh siêu âm của một số bệnh ............................................................ 49
III. Những ích lợi và nguy cơ của siêu âm.................................................................. 50
1. Ích lợi .................................................................................................................... 50
2. Nguy cơ ................................................................................................................. 50
PHẦN 4: KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

i

SVTH: Phạm Thị Hồng Thanh


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Hồ Hữu Hậu

LỜI CẢM ƠN
Hoàn thành luận văn này em xin chân thành cảm ơn quý thầy (cô) trong Khoa Sư
phạm và Bộ môn Sư phạm Vật lý đã cung cấp cho em những kiến thức và những kinh
nghiệm quý báu trong suốt thời gian học tập và rèn luyện tại trường.
Đặc biệt em gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến thầy Hồ Hữu Hậu đã tận tình
chỉ bảo và định hướng và hướng dẫn em thực hiện thành công đề tài luận văn này.
Và em cũng muốn gửi lời biết ơn đến gia đình, bạn bè và những người thân đã động
viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng còn hạn chế về thời gian và kiến thức nên không
thể tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong sự đóng góp ý kiến của quý thầy (cô) và các
bạn.
Xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện

Phạm Thị Hồng Thanh

SVTH: Phạm Thị Hồng Thanh



Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Hồ Hữu Hậu

DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Tốc độ truyền âm tính ra đơn vị m/s của một số chất ở 00C.
Bảng 2.2. Mối liên hệ giữa tần số và tỉ lệ năng lượng của âm phát ra từ tim bình thường.
Bảng 3.1. Tốc độ siêu âm trung bình qua cơ thể con người là 1500 – 1600 m/s.
Bảng 3.2. Sự suy giảm của sóng âm ở các môi trường khác nhau trong cơ thể.
Bảng 3.3. Giá trị âm trở của một số vật chất hay gặp.
Bảng 6.1. Bảng thông số kỹ thuật của máy siêu âm màu 4D CTS 8800 Plus.
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Dao động cơ học.
Hình 1.2. Sóng ngang.
Hình 1.3. Sóng dọc.
Hình 1.4. Đặc điểm của sóng cơ học.
Hình 2.1. Dãy âm thanh.
Hình 3.1. Sơ đồ của chùm tia siêu âm trong cơ thể người với các môi trường có độ trở
kháng khác nhau.
Hình 3.2. Hình ảnh chùm siêu âm truyền qua tương tự như tạo ảnh Xquang trong chẩn
đoán.
Hình 3.3. Hình ảnh tạo nên nhờ chùm siêu âm phản xạ từ các mặt phân cách đối tượng
khảo sát với môi trường.
Hình 3.4. Hiệu ứng áp điện.
Hình 3.5. Hướng của sự phân cực.
Hình 3.6. Cảm biến áp điện.
Hình 3.7. Cấu trúc cảu vật liệu áp điện.
Hình 3.8. Tinh thể áp điện.
Hình 3.9. Hiện tượng từ giảo.

Hình 3.10. Mạch phát siêu âm.
Hình 3.11. Mạch thu siêu âm.
Hình 4.1. Hiệu ứng Doppler ở thế hệ đầu ứng dụng trong siêu âm.
Hình 4.2. Sự phản hồi hai lần của dòng chảy khi phát xung từ đầu dò.
Hình 4.3. Các loại dòng chảy trong lòng mạch máu.
Hình 4.4. Sự thể hiện phổ Doppler.
Hình 4.5. Hình ảnh Doppler màu.
Hình 4.6. Hình ảnh Doppler năng lượng.
Hình 5.1. Howry và thiết bị ông nghiên cứu về siêu âm.
Hình 5.2. Igne Ender và Hert với thiết bị siêu âm của mình.
Hình 5.3. Giáo sư Ian Donald.
Hình 5.4. Kratochwil và thiết bị của mình.
Hình 5.5. Hiệu ứng áp điện.
Hình 5.6. Cấu tạo của đầu dò.
Hình 5.7. Đầu dò Linear array.
Hình 5.8. Đầu dò Convex.
Hình 5.9. Góc quét với tia đầu dò.
Hình 5.10. Đầu dò Sector.
Hình 5.11. Các loại đầu dò gắn kèm trên máy siêu âm.
Hình 5.12. Tín hiệu kiểu A-mode.
SVTH: Phạm Thị Hồng Thanh


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Hồ Hữu Hậu

Hình 5.13. Tín hiệu B-mode.
Hình 5.14. So sánh 3 kiểu thu nhận tind hiệu A-mode, B-mode và TM-mode.
Hình 6.1. Các máy CTS 8800 Plus.

Hình 6.2. Cấu hình chung của một máy siêu âm chẩn đoán.
Hình 7.1. Siêu âm Doppler van tim nhân tạo.
Hình 7.2. Mặt cắt dọc của thận.
Hình 7.3. Siêu âm thai nhi.
Hình 7.4. Siêu âm bụng tổng quát.
Hình 7.5. Siêu âm mô mềm.

SVTH: Phạm Thị Hồng Thanh


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Hồ Hữu Hậu

PHẦN 1: MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Vật lý học nghiên cứu về vật chất và sự tương tác. Đây là ngành khoa học cơ bản
vì các định luật vật lý chi phối tất cả các ngành khoa học tự nhiên khác như hóa học, sinh
vật, nông nghiệp, y khoa, ….
Y học là ngành khoa học quan trọng cùng với Vật lý đã có những đóng góp lớn
trong lĩnh vực y tế nhằm bảo vệ và chăm sóc sức khỏe cho con người. Một số ứng dụng
tiêu biểu của Vật lý trong y học như dùng laser để phẩu thuật mắt, ung thư, chụp X
quang, điện tâm đồ, … Đặc biệt kể từ khi siêu âm được ứng dụng vào trong y học (năm
1950) đến nay, trải qua nhiều tiến bộ về kĩ thuật trong chất lượng hình ảnh, siêu âm đã trở
thành công cụ chẩn đoán hình ảnh thông dụng và phổ biến trong các trung tâm y tế cũng
như các bệnh viện. Tổ chức Y tế Thế giới đã đề nghị các phương tiện chẩn đoán hình ảnh
ở các nước đang phát triển là ưu tiên đối với kỹ thuật siêu âm. Kỹ thuật này đã chứng tỏ
sự hiệu quả và tiết kiệm của nó. Phương pháp siêu âm chẩn đoán có những lợi thế nổi
bật: khả năng ứng dụng rộng, thông tin chẩn đoán cao, gọn nhẹ.
Trong vài thập niên tới tiềm năng này còn đẩy mạnh hơn nữa bởi hiệu quả của siêu

âm chẩn đoán trong y học rất lớn lao.
Là sinh viên SP vậy lý công nghệ tôi muốn tìm hiểu những tính chật vật lý của
siêu âm ứng dụng vào y học như thế nào? Tôi quyết định nghiên cứu và chọn đề tài:
“Ứng dụng siêu âm Doppler của thiết bị CTS 8800 Plus cho y học”.

2. Mục đích của đề tài
- Nghiên cứu tính chất vật lý của sóng siêu âm và siêu âm Doppler cho y học.
- Nghiên cứu ứng dụng siêu âm Doppler của thiết bị CTS 8800 Plus trong y học.

3. Phương pháp nghiên cứu
- Tổng hợp và phân tích các nguồn tài liệu liên quan đến đề tài.
- Ý kiến hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn.
4. Các bước thực hiện đề tài
Bước 1: Nhận đề tài, xác định nhiệm vụ cần đạt được của đề tài.
Bước 2: Xây dựng đề cương.
Bước 3: Thu thập, tìm kiếm các tài liệu có liên quan đến đề tài.
Bước 4: Tổng hợp tài liệu, tiến hành viết đề tài.
Bước 5: Nộp cho giáo viên hướng dẫn, tham khảo ý kiến và chỉnh sửa.
Bước 6: Hoàn chỉnh luận văn và báo cáo.

SVTH: Phạm Thị Hồng Thanh


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Hồ Hữu Hậu

PHẦN 2: NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: DAO ĐỘNG CƠ HỌC VÀ SÓNG CƠ HỌC
I. DAO ĐỘNG CƠ HỌC

Dao động là sự lặp lại nhiều lần một trạng
thái của một vật nào đó.
Trong cơ học, dao động là chuyển động có
giới hạn trong không gian, lặp đi lặp lại nhiều lần
quanh vị trí cân bằng. Một ví dụ về dao động cơ học
là con lắc đồng hồ. Vị trí cân bằng trong ví dụ này
là khi con lắc đứng yên không chạy.
Một dao động được nghiên cứu nhiều trong
cơ học là dao động tuần hoàn, tức là dao động lặp đi
lặp lại như cũ quanh vị trí cân bằng sau những
khoảng thời gian bằng nhau. Khoảng thời gian ngắn
nhất mà vật lặp lại vị trí cũ được gọi là chu kì dao
động.
Hình 1.1. Dao động cơ học
II. SÓNG CƠ HỌC
1. Môi trường đàn hồi
Môi trường đàn hồi là môi trường được cấu tạo bởi các phần tử (phân tử, nguyên
tử) mà giữa chúng có lực liên kết.
Thí dụ ta ném một hòn đá xuống mặt nước, miền nước dưới hòn đá chạm vào sẽ
bắt đầu dao động, dao động này sẽ được truyền từ miền nước này đến miền lân cận và
chúng ta nhận được sóng trên mặt nước.
Ta cũng cần chú ý rằng khi truyền dao động, tức là sóng truyền đi, các phần tử của
môi trường đàn hồi chỉ dao động quanh vị trí cân bằng mà không dịch chuyển theo sóng
lan đến vùng khác. Đồng thời với quá trình sóng truyền đi là năng lượng được truyền tới
các phần tử môi trường mà sóng tới, phần tử này sẽ có trạng thái dao động giống như
nguồn lúc ban đầu.
2. Sóng ngang và sóng dọc
Sóng cơ là những dao động cơ học lan truyền trong môi trường.
Trong khi sóng truyền đi, mỗi phần tử của sóng dao động tại chỗ xung quanh vị trí
cân bằng. Quá trình truyền sóng là quá trình truyền năng lượng.

Sóng ngang là sóng trong đó các phần tử môi trường dao động theo phương vuông
góc với phương truyền sóng. Trừ trường hợp sóng trên mặt nước, sóng ngang chỉ truyền
trong chất rắn.

Hình 1.2. Sóng ngang
Sóng dọc là sóng trong đó các phần tử môi trường dao động theo phương trùng với
phương truyền sóng. Sóng dọc được truyền trong cả chất khí, chất lỏng và chất rắn.

1

SVTH: Phạm Thị Hồng Thanh


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Hồ Hữu Hậu

Hình 1.3. Sóng dọc
3. Đặc điểm của sóng cơ học

Hình 1.4. Đặc điểm của sóng cơ học
a) Chu kỳ, tần số của sóng tất cả các phần tử của môi trường khi có sóng truyền tới
đều dao động với chu kỳ và tần số bằng chu kỳ và tần số của nguồn dao động. Đó là chu
kỳ và tần số của sóng.
b) Tốc độ truyền sóng là tốc độ lan truyền dao động trong môi trường, được đo bằng
quãng đường sóng truyền đi trong một đơn vị thời gian. Kí hiệu v, đơn vị m/s.
Tốc độ truyền sóng phụ thuộc vào bản chất và nhiệt độ của môi trường.
d) Biên độ của sóng tại một điểm là biên độ dao động của phần tử môi trường tại
điểm đó. Thực tế, càng xa tâm dao động biên độ càng nhỏ. Kí hiệu a, đơn vị m hoặc cm.
e) Bước sóng

+ Là khoảng cách gần nhất giữa hai điểm dao động cùng pha trên phương truyền
sóng.
+ Là quãng đường sóng truyền đi trong thời gian một chu kỳ.
Kí hiệu , đơn vị m hoặc cm.
f) Năng lượng của sóng
Một chất diểm dao động điều hòa có cơ năng tỉ lệ với bình phương biên độ. Sóng
làm cho các phần tử vật chất dao động, tức là truyền cho chúng một năng lượng. Quá
trình truyền sóng là một quá trình truyền năng lượng. Năng lượng sóng là năng lượng dao
động của các phần tử môi trường có sóng truyền qua.
Nếu nguồn điểm, sóng lan truyền trên mặt phẳng (sóng phẳng) năng lượng sóng tỉ
lệ nghịch với quãng đường truyền sóng r. (Biên độ giảm tỉ lệ nghịch với r ).
2

SVTH: Phạm Thị Hồng Thanh


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Hồ Hữu Hậu

Nếu nguồn điểm, sóng lan truyền trong không gian (sóng cầu) năng lượng sóng tỉ
lệ nghịch với bình phương quãng đường truyền sóng r2. (Biên độ giảm tỉ lệ nghịch với r).
Nếu nguồn điểm, sóng lan truyền trên đường thẳng (lí tưởng) năng lượng sóng
không đổi. (Biên độ không đổi).
g) Liên hệ giữa chu kỳ, tần số, bước sóng, tốc độ truyền
  v.T 

v
f


(1.1)

4. Phương trình sóng
Là phương trình dao động của môi trường tại một điểm. Nó cho ta xác định được
li độ dao động của một phần tử môi trường ở cách gốc toạ độ một khoảng x tại thời điểm
t. Phương trình sóng có dạng:
x
t x
2x
u ( x, t ) M  a cos  (t  )  a cos 2 (  )  a cos(t 
)
(1.2)
v
T 

Trong đó :
a là biên độ sóng
 là tần số góc
T là chu kỳ sóng,
v là tốc độ truyền sóng
 là bước sóng.
Nếu sóng truyền ngược chiều dương thì phương trình có dạng:
x
t x
2x
u (x , t ) M  a cos ( t  )  a cos 2 (  )  a cos(t 
)
v
T 



(1.3)

Phương trình sóng cơ cho thấy sóng cơ vừa tuần hoàn theo thời gian, vừa tuần
hoàn theo không gian.
5. Giao thoa sóng
a. Hai sóng kết hợp
Hai nguồn kết hợp là hai nguồn thỏa mãn các điều kiện sau:
+ Dao động cùng tần số cùng phương.
+ Có độ lệch pha không đổi theo thời gian.
Hai sóng do hai nguồn kết hợp phát ra gọi là sóng kết hợp.
b. Giao thoa
Giao thoa là hiện tượng hai sóng kết hợp, khi gặp nhau tại những điểm xác định luôn
luôn tăng cường nhau hoặc làm yếu nhau.
+ Độ lệch pha của sóng tại một điểm:
  ( t 

2d 2
2d1
2
)  ( t 
)  (d 1  d 2 )




(1.4)

+ Tại những điểm mà hiệu đường đi của hai sóng tới đó bằng nguyên lần bước
sóng (hai sóng cùng pha) thì  = 2k hay d 1 - d2 = k; (k = 0, 1, 2, …), thì dao

động tổng hợp có biên độ cực đại. Tại đó có cực đại giao thoa.
+ Tại những điểm mà hiệu đường đi của hai sóng tới đó bằng số bán nguyên lần
bước sóng (hai sóng ngược pha):
  ( 2 k  1)



hay d1  d 2  (2k  1) ; (k = 0, 1, 2, …), thì dao động tổng hợp có
2
2

biên độ cực tiểu. Tại đó có cực tiểu giao thoa.
Trên mặt nước, khi có giao thoa, tập hợp những điểm có biên độ cực đại hay cực
tiểu là những đường hypebol xen kẽ lẫn nhau, gọi là các vân giao thoa.
+ Giao thoa là hiện tượng đặc trưng của quá trình truyền sóng.
c. Sóng dừng là sóng có nút và bụng cố định trong không gian.
3

SVTH: Phạm Thị Hồng Thanh


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Hồ Hữu Hậu

Khi sóng phản xạ trên vật cản cố định thì tại điểm phản xạ, sóng phản xạ luôn
ngược pha với sóng tới và chúng triệt tiêu lẫn nhau. Khi phản xạ trên các vật cản tự do thì
tại điểm phản xạ, sóng phản xạ luôn cùng pha với sóng tới và chúng tăng cường lẫn nhau.
Sóng tới và sóng phản xạ, nếu truyền theo cùng một phương, ngược chiều thì có
thể giao thoa với nhau thành một hệ thống sóng dừng.

Trong sóng dừng, có một số điểm luôn đứng yên gọi là nút. Xen kẽ giữa các nút là
những điểm luôn luôn dao động với biên độ cực đại gọi là bụng sóng.
+ Điều kiện để có sóng dừng trên dây đàn hồi có hai đầu cố định (một đầu cố định,
một đầu sát một nút) là chiều dài của dây bằng một số nguyên lần nửa bước sóng. l =
k/2; k = 1, 2, …
+ Điều kiện để có sóng dừng trên dây đàn hồi có một đầu cố định, một đầu tự do
(một đầu cố định hay sát nút sóng, đầu kia tự do hay là bụng sóng) là chiều dài của dây
bằng một số lẻ lần một phần tư bước sóng. l = (2k + 1)/4; k = 1, 2, …
+ Đặc điểm của sóng dừng: Biên độ dao động của phần tử vật chất tại một điểm
không đổi theo thời gian; Khoảng cách giữa hai điểm bụng liền kề (hoặc hai nút liền kề)
bằng nửa bước sóng, khoảng cách giữa một điểm bụng và một điểm nút liền kề bằng một
phần tư bước sóng.
+ Ứng dụng: Để xác định vận tốc truyền sóng.

4

SVTH: Phạm Thị Hồng Thanh


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Hồ Hữu Hậu

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ÂM THANH
I. ÂM VÀ SÓNG ÂM
Âm là dao động của các phần tử trong môi trường đàn hồi, truyền đi dưới dạng
sóng dọc, có tần số từ 16 Hz đến 20.000 Hz.
Sóng âm là những sóng cơ học có thể lan truyền qua tất cả các môi trường vật chất
ở thể khí, lỏng, rắn mà không thể truyền trong chân không vì chân không không có
những phần tử cụ thể để thực hiện dao động cơ học.

Nguồn phát âm thông thường là các vật thực hiện dao động do tác dụng của lực có
tần số, do va chạm, do biến dạng đàn hồi, … Chẳng hạn một cái âm thoa bị đập mạnh vào
một vật rắn sẽ biến dạng đàn hồi gây ra dao động và dao động ấy được môi trường không
khí truyền đến tai ta gây ra cảm giác âm.
Tùy theo tần số mà người ta chia sóng âm thành những vùng sau đây:
- Vùng hạ âm, tần số từ 1 Hz đến 16 Hz.
- Vùng âm, tần số từ 16 Hz đến 20.000 Hz (tai người có thể nghe được).
- Vùng siêu âm, tần số từ 10 MHz trở lên tới tần số tương đương với tần số dao động
nhiệt của mạng tinh thể (khoảng 1013 Hz).

Hình 2.1. Dãy âm thanh
II. CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA SÓNG ÂM
1. Vận tốc của âm
Trong những cơn giông bão, ánh chớp sáng loáng vừa dứt bao giờ cũng có tiếng
sấm rền vang. Thực chất sấm với chớp bao giờ cũng đi liền với nhau, đó là 2 hiện tượng
xảy ra đồng thời, cùng là kết quả của một nguyên nhân là sự phóng điện trong khí quyển.
Sở dĩ ta nhìn thấy tia chớp trước khi nghe được tiếng sấm vì vận tốc lan truyền sóng âm
thanh nhỏ hơn rất nhiều lần so với vận tốc truyền ánh sáng. Vận tốc truyền sóng âm trong
không khí khoảng 330 m/s (1200 Km/h) trong khi đó vận tốc truyền ánh sáng khoảng
300.000 km/s.
a. Vận tốc của một sóng phụ thuộc vào quán tính của môi trường (để dự trữ
động năng) và tính đàn hồi của môi trường (thế năng)
Vận tốc của sóng là quãng đường mà sóng truyền được sau một đơn vị thời gian:

(2.1)
v  f 
T
 là bước sóng (m)
f là tần số (Hz)
T là chu kì (s)

Vận tốc truyền âm trong các môi trường khác nhau là khác nhau. Môi trường càng
rắn (tức môi trường có hệ số đàn hồi càng lớn) thì vận tốc truyền sóng âm càng lớn. Môi

Trong đó:

5

SVTH: Phạm Thị Hồng Thanh


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Hồ Hữu Hậu

trường càng mềm (tức môi trường có hệ số đàn hồi càng nhỏ) thì vận tốc truyền sóng âm
càng nhỏ.
Tốc độ truyền sóng âm phụ thuộc phụ thuộc vào mật độ môi trường và tính chất đàn hồi
của môi trường
v

1


(2.2)

Trong đó:

 là hệ số đàn hồi của môi trường
 là mật độ của môi trường hay khối lượng của một Kmol chất khí.
b. Vận tốc pha của sóng dọc theo chất khí và chất lỏng (tìm vận tốc theo hướng

kích thích)
Trong chất khí và chất lỏng, vận tốc truyền âm v được tính theo công thức
RT
(2.3)
v

Trong đó:
R là hằng số khí lí tưởng
Cp
là tỉ số nhiệt dung ( C p là nhiệt dung đẳng áp, C v là nhiệt dung đẳng tích)
 
Cv
T là nhiệt độ tuyệt đối của chất khí
 là mật độ dài của dây
Công thức (2.1) chứng tỏ khí càng nhẹ, vận tốc truyền âm trong chất khí đó càng lớn.

Tốc độ âm (m/s)
331,5
1450
3800
4900
5600
4800
430-530
50
1500

Môi trường
Không khí
Nước

Đồng
Sắt
Thủy tinh
Gỗ thông
Lie
Cao su
Cơ thể người

Bảng 2.1. Tốc độ truyền âm tính ra đơn vị m/s của một số chất ở 00C
Sóng âm cũng bị nhiễu xạ khi gặp các chướng ngại vật. Khi đó, các tia âm bị đổi
phương. Chướng ngại vật càng nhỏ, hiện tượng nhiễu xạ càng rõ.
Sóng siêu âm có tần số lớn hay bước sóng ngắn nên với nguồn phát có kích thước
nhỏ, chùm siêu âm phát ra có thể có diện tích hẹp, truyền thẳng do không bị nhiễu xạ.
Khi truyền trong một môi trường, năng lượng của âm bị hấp thụ dần nên càng xa
nguồn, âm càng bé dần đi rồi tắt hẳn.
2. Sự truyền sóng âm
Khi sóng âm truyền từ môi trường này tới môi trường khác (ta phân biệt hai môi
trường chủ yếu dựa vào âm trở) thì ở mặt phân cách giữa hai môi trường sẽ xảy ra hiện
tượng khúc xạ, phản xạ giống như ánh sáng. Do có bước sóng của âm dài nên hiện tượng
nhiễu xạ thường hay gặp. Nhờ hiện tượng nhiễu xạ này âm có thể vòng qua vật cản nó
một cách dễ dàng. Ta cũng có thể biết được sự phản xạ âm trước một vật cản (như bức
6

SVTH: Phạm Thị Hồng Thanh


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Hồ Hữu Hậu


tường, ngọn núi): sau một khoảng thời gian lại nghe thấy âm vừa phát ra dội trở lại (tiếng
dội). Hiện tượng tiếng dội có thể làm cho khó nghe âm nguyên phát vì tiếng dội tiếp nối
hoặc xen lẫn vào âm nguyên phát làm mờ âm đi và khó nghe. Tuy vậy đôi khi nếu được
bố trí tốt, tiếng dội lại giúp cho việc vì nó làm tăng cường độ âm đến tai. Muốn vậy phải
bố trí cho thích hợp để có khoảng cách thời gian giữa âm nguyên phát và tiếng dội là bé
nhất. Thời gian đó phụ thuộc vào khoảng cách của nguồn phát âm và vật cản. Trong
nhiều trường hợp khó đạt được thời gian đó thích hợp thì người ta tìm cách xóa bỏ tiếng
dội.
Cùng với sự truyền sóng âm vào không gian, xảy ra hiện tượng truyền năng lượng
âm thanh. Năng lượng này là thế năng đàn hồi của môi trường truyền âm và năng lượng
dao động của các phần tử môi trường.
3. Giao thoa
Giả sử sóng âm có bước sóng  được phát ra từ hai nguồn cùng pha với nhau
nghĩa là các sóng phát ra đạt đến cực đại cùng một thời điểm. Nếu bây giờ các sóng ấy đi
qua một điểm chung trong lúc truyền (gần đúng) theo cùng một phương thì chúng vẫn
còn cùng pha với nhau khi đường đi của chúng đến điểm chung ấy có độ dài bằng nhau.
Tuy nhiên nếu chúng đi được các quãng đường có hiệu đường đi d thì chúng có thể
không còn cùng pha nữa. Chúng ta tìm được số pha  ứng với một bước sóng:
Cũng giống như đối với sóng ngang, sóng âm cũng sẽ chịu giao thoa tăng cường
và giao thoa dập tắt.
- Giao thoa tăng cường khi   0 hay một số nguyên lần 2 :   n2
(n  0,1,2...) thì giao thoa là hoàn toàn tăng cường.
1
2

- Giao thoa dập tắt khi bằng số lẽ lần  :   (m  )2 (m  0,1,2...) thì giao thoa
hoàn toàn dập tắt.
Từ đó suy ra:
d  n : Giao thoa hoàn toàn tăng cường
1

d  ( m  ) : Giao thoa hoàn toàn dập tắt
2

4. Cộng hưởng
Nếu lấy hai âm thoa có tần số dao động riêng như nhau, đặt cách nhau một khoảng
nào đó và kích thích làm một trong hai âm thoa đó dao động thì dao động cũng xuất hiện
ở âm thoa kia với biên độ cực đại.
Hiện tượng vừa mô tả là hiện tượng cộng hưởng âm. Có thể giải thích như sau:
sóng âm phát từ âm thoa thứ nhất tới âm thoa thứ hai làm cho âm thoa này dao động
cưỡng bức. Vì tần số dao động của âm thoa thứ hai bằng tần số của lực cưỡng bức (gây
bởi âm thoa thứ nhất) nên có hiện tượng cộng hưởng âm thanh.
5. Sóng dừng
Một trường hợp đặc biệt về kết quả giao thoa của hai sóng là hiện tượng sóng
dừng. Khi một sóng tới và một sóng phản xạ của nó cùng truyền theo một phương, chúng
giao thoa với nhau và tạo thành sóng dừng có những nút và những điểm không dao động
và những bụng là những điểm dao động cực đại.
Giả sử có hai sóng phẳng có cùng biên độ, một sóng truyền theo chiều dương của
trục y, còn một truyền theo chiều âm.
Chọn gốc tọa độ là điểm mà tại đó hai sóng gặp nhau có cùng pha và giả thiết pha
ban đầu của hai sóng bằng không.
Khi đó hàm sóng của sóng truyền theo trục dương là:
7

SVTH: Phạm Thị Hồng Thanh


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Hồ Hữu Hậu
x1  a 0 cos 2 (


t y
 )
T 
t

y

Và hàm sóng của sóng truyền theo chiều âm là x 2  a 0 cos 2 (  )
T 
Trong hai trường hợp này thì y là tọa độ của một điểm bất kì trên phương truyền
sóng, còn T và  là chu kì và bước sóng của sóng truyền. Hiệu pha của chúng là
 2  1  4

y


Biên độ của sóng tổng hợp được tính theo công thức
A  2 a 02 (1  cos 4

y
y
y
)  a 0 2(1  cos 4  )  a 0 4(cos 2 ) 2



(2.4)

y

 A  2a 0 cos(2 )


Công thức (2.2) chứng tỏ biên độ của sóng tổng hợp chỉ phụ thuộc vào tọa độ y
của các điểm trên phương truyền sóng. Một sóng như vậy gọi là sóng dừng.

III. CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA SÓNG ÂM
1. Đặc trưng vật lý
a. Cường độ âm
Cường độ âm tại một điểm là đại lượng biểu thị bằng năng lượng sóng âm truyền
một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền sóng trong một đơn vị thời gian.
Đơn vị cường độ âm W/m2. Cường độ âm càng lớn, cho ta cảm giác nghe thấy âm càng
to. Tuy nhiên độ to của âm không tỉ lệ thuận với cường độ âm.
Tai người có thể nghe được âm có cường độ âm nhỏ nhất bằng 10-12 W/m2 ứng với
âm chuẩn có tần số 1000 Hz (gọi là cường độ âm chuẩn I0) và âm có cường độ âm lớn
nhất bằng 10 W/m2. Như vậy âm mạnh nhất có cường độ âm I lớn gấp 1013 lần cường độ
âm chuẩn I0, vì

I
 1013
I0

b. Mức cường độ âm
Để so sánh độ to của một âm với độ to âm chuẩn, người ta dùng đại lượng mức
cường độ âm đo bằng đơn vị Ben, kí hiệu B. Mức cường độ âm được định nghĩa bằng
công thức
L( B)  lg

I
I0


(2.5)

Gọi âm có cường độ bằng cường độ âm chuẩn (

I
 1  10 0 ) là mức cường độ âm
I0

I
 1013 ) có mức cường độ âm bằng 13 B.
I0
I
Dùng đơn vị đêxiben thì công thức trở thành L( B)  10 lg
I0

bằng 0 B, thì âm mạnh nhất (

Mức cường độ âm của một số âm thường gặp có trị số trong khoảng từ 20 dB đến
100 dB. Chẳng hạn tiếng nói chuyện bình thường có mức cường độ âm bằng 40 dB.
2. Đặc trưng sinh lý
a. Độ cao của âm
Độ cao của âm do tần số của âm quyết định. Tần số càng lớn, âm càng cao. Ví dụ
âm La3 có tần số 435 Hz, khi tăng lên một bậc độ thì tần số cũng tăng gấp đôi thành 870
Hz.
8

SVTH: Phạm Thị Hồng Thanh



Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Hồ Hữu Hậu

b. Độ to của âm
Để đặc trưng cho độ mạnh của âm người ta dùng hai đại lượng là cường độ âm và
độ to của âm.
- Cường độ âm đặc trưng cho độ mạnh của âm về phương diện vật lý. Nó có trị số
bằng mật độ năng thông trung bình của âm:
I P

1
va 2 2
2

(2.6)

Ta thấy cường độ âm tỉ lệ với bình phương biên độ âm (a2). Biên độ âm càng lớn,
âm càng mạnh. Đơn vị của cường độ âm là J/m2s hay W/m 2.
- Độ to của âm đặc trưng cho độ mạnh của âm về phương diện sinh lý. Vì tai
người chỉ nghe được những âm có tần số từ 20 Hz đến 20.000 Hz nên độ to của âm chỉ có
ý nghĩa trong khoảng tần số đó. Vebe Phesne đã tìm ra định luật xác định độ to của âm
theo công thức:
L  k log

I
I0

(2.7)


Trong đó:

I là cường độ của âm mà ta muốn xác định độ to
I0 = 10-12 W/m2 là cường độ âm cơ sở
k là hệ số tỉ lệ
Nếu đo L bằng đơn vị Bel thì k = 1.

IV. NGUỒN PHÁT ÂM THANH
Có nhiều phương pháp tạo nên âm thanh, nhưng phổ biến hơn cả là làm cho một
vật rắn, một màng căng hoặc một dây căng thẳng thực hiện dao động đàn hồi. Tần số dao
động âm tạo ra ở đây có thể tính theo công thức:


1
P
2L M

(2.8)

Trong đó:

 là tần số âm
L là chiều dài của dây căng
M là khối lượng của một đơn vị chiều dài dây
P là lực căng dây
Ở động vật, cơ quan phát âm quan trọng nhất là thanh quản với các dây thanh âm.
Tiếng nói đối với con người đặc biệt quan trọng, nó thuộc về hệ thống tín hiệu thứ hai,
hình thành trong quá trình lao động sáng tạo và phát triển về cấu tạo của cơ thể con
người, nó là công cụ thể hiện và truyền bá tư duy. Tiếng nói từ âm do con người phát ra,
tuy vậy con người còn hiểu biết quá ít về cơ chế phát âm của mình. Có hai giả thiết sau

giải thích sự phát âm ở người:
1. Thuyết cơ đàn hồi còn gọi là thuyết cơ học: hai dây âm thanh là bộ phận phát âm
chủ yếu, chúng có cấu tạo đặc biệt và có thể điều hòa được độ căng. Hai dây có xu hướng
nằm song song và khép kín vào nhau. Khi phát âm, không khí được đẩy từ dưới phổi lên
với một áp suất nhất định. Luồng khí đi qua khe hẹp của dây âm thanh làm dây run lên.
Luồng thần kinh trung ương chỉ huy mức độ căng của dây và do đó điều khiển tần số dao
động của dây. Tần số sóng âm phát ra tính theo công thức (2.8).
Khá nhiều hiện tượng sinh lý liên quan đến sự phát âm không giải thích được bằng
thuyết này.
2. Giả thiết luồng thần kinh của Housson: dây âm thanh có khả năng dao động với
tần số khác nhau. Tuy vậy tần số dao động đó không phải tùy thuộc vào độ căng của dây
và áp lực luồng khí mà do chính luồng thần kinh đến dây thanh âm quyết định. Nói một
cách khác, dây âm thanh đáp ứng theo nhịp kích thích của luồng thần kinh trung ương,
9

SVTH: Phạm Thị Hồng Thanh


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Hồ Hữu Hậu

nhịp kích thích đó quyết định tần số dao động âm. Người ta thấy trung tâm phát ra các
xung thần kinh tạo âm thanh có nhịp điệu (bài ca) là vùng đồi thị ở vỏ não, tạo tiếng nói
là trung não.
Dựa vào lý thuyết này, người ta có thể đánh giá xếp loại giọng ca của một người
theo khả năng đáp ứng kích thích của dây thần kinh quặt ngược của dây X, là dây thần
kinh liên quan đến cơ quan phát âm. Khả năng đáp ứng kích thích thường được đánh giá
bằng thời trị (cronacxi). Tần số tối đa của một người có thể phát ra được tính theo công
thức:

M 

Trong đó:

1000
kc

(2.9)

k là hệ số tỉ lệ
c là thời trị của dây thần kinh quặt ngược, đo được bằng thiết bị

chuyên dụng
 M là tần số tối đa của âm có thể phát ra

Ngày nay người ta thấy rõ hơn là cấu tạo của dây âm thanh rất đặc biệt. Niêm mạc
của nó rất loãng, lỏng lẻo và không dính chặt vào tổ chức dưới đó. Vì vậy một dao động
có thể xuất hiện ở từng bộ phận dưới, trên và ngay ở dây âm thanh. Những tìm tòi này bổ
sung cho hai quan niệm cơ học và thần kinh ở trên về cơ chế phát âm.
Ta cũng cần nhấn mạnh rằng các xoang cộng hưởng đóng vai trò khá quan trọng,
chúng quyết định âm sắc của tiếng nói người. Khi phát nguyên âm (như a, o, u…) thì
xoang cộng hưởng chia ra hai phần tạo thành hai tần số cộng hưởng khác nhau. Khi phát
phụ âm thì âm thanh sinh ra còn nhờ sự ma sát qua kẽ răng, các khe giữa lưỡi và vòm
hầu. Nhiều khi các âm phát ra không phải do dây âm thanh rung động mà các hốc ở
xương mặt đóng vai trò quan trọng ta gọi là giọng mũi (khi ngâm nga, nói thầm).

V. PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN BỆNH DỰA VÀO SÓNG ÂM
1. Chẩn đoán gõ
Khi gõ vào các vị trí tương ứng của các tạng (tim, phổi, gan…) trên lòng ngực hay
trên thành bụng, các tạng này sẽ dao động và phát ra âm. Dựa vào âm phát ra chúng ta có

thể xác định vị trí, kích thước của chúng. Cũng có thể đánh giá chúng bình thường hay có
bệnh do sự thay đổi về âm sắc và độ cao.
Ta có thể dùng ngón tay hay một dùi nhỏ gõ trực tiếp trên da bệnh nhân, ở vùng
tương ứng với các phủ tạng cần chẩn đoán. Phương pháp này ít dùng vì những chấn động
gõ thường bị tắt dần sau khi đi qua các lớp da, mô cơ, … Do đó chúng chỉ làm cho các
tạng đó dao động với biên độ nhỏ, âm phát ra quá nhỏ, khó nghe.
Ta thường gõ qua ngón tay hoặc qua thanh gỗ mỏng đặt sát vào nơi muốn gõ. Tùy
theo bệnh nhân và yêu cầu chẩn đoán, chúng ta phải gõ với mức độ mạnh nhẹ khác nhau:
gõ mạnh với bệnh nhân quá béo, với trẻ em phải gõ nhẹ.
Thường chúng ta phải gõ với mức độ trung bình vì gõ như thế cũng đủ làm cho
các tạng ở sâu dưới da 5cm dao động và dao động này có thể lan truyền trên một diện tích
từ 4 đến 6cm 2. Khi muốn tìm giới hạn của một tạng nào hay nghiên cứu một phần tạng
đó, cần phải gõ nhẹ.
Âm phát ra khi gõ cần phải phân tích một cách tỉ mỉ về cường độ, độ cao, âm
sắc… Như thế mới nhận được sự thay đổi nhỏ của âm, phân biệt được các trường hợp
bệnh lý và bình thường. Ví dụ như âm phát ra khi gõ vào phổi của một người bình thường
có tần số cao, âm sắc phong phú (có nhiều họa âm), cường độ lớn, thời gian dư âm dài.
Âm phát ra khi gõ những tạng đặc hoặc phổi bị vôi hóa, màng phổi bị tràng dịch… có tần
10

SVTH: Phạm Thị Hồng Thanh


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Hồ Hữu Hậu

số thấp (tiếng nghe đục), cường độ nhỏ, thời gian dư âm ngắn. Còn âm ở ổ bụng, dạ dày
phát ra có tần số cao song âm sắc nghèo nàn hầu như không có họa âm.
2. Chẩn đoán nghe

Đó là những phương pháp nghiên cứu những âm từ cơ thể phát ra như tim, phổi để
định bệnh.
Các âm có thể phát ra thường có tần số không vượt quá 1000Hz. Âm ở phổi do
không khí qua lại khí quản, cuống phổi và mô phổi sinh ra. Cường độ của âm này mạnh
hay yếu là do hô hấp nông hay sâu, độ cao của âm tỉ lệ nghịch với tiết diện khí quản,
cuống phổi. Khi khí quản, cuống phổi hẹp hay chứa các dịch nhầy do một quá trình bị
bệnh nào đấy thì âm phổi sẽ thay đổi, có thể dựa vào sự thay đổi đó mà chẩn bệnh.
Âm phát ra ở tim biến đổi do nhiều yếu tố: tình trạng van tim, vận tốc của máu, độ
nhớt của máu, miệng của các van (tức là các lỗ trong tim mà các van đó đậy lại, …).
Tần số (Hz)
50 – 60
60 – 70
70 – 80
80 – 90
90 – 100
100 – 110

Năng lượng (%)
56
27
10
4
2
1

Bảng 2.2. Mối liên hệ giữa tần số và tỉ lệ năng lượng của âm phát ra từ tim bình thường
Để nghe các âm phát ra từ trong cơ thể, người ta dùng ống nghe (stetoscope). Ống
nghe gồm hai dây cao su mềm hình trụ có tác dụng truyền âm, nối với một hộp bằng sắt
hình trụ bẹt, mặt có căng một màng mỏng đóng vai trò một hộp cộng hưởng. Hộp cộng
hưởng có khi là một loa hình phễu không có màng căng. Mặt của hộp cộng hưởng đặt áp

sát da (nơi muốn nghe), dao động âm của cơ thể truyền tới được hộp này được khuếch
đại, sau đó sẽ qua các dây truyền âm để tới tai.
Tần số dao động riêng của màng căng tỉ lệ thuận với độ căng của màng. Các dao
động âm từ cơ thể tới màng sẽ làm màng dao động mạnh nhất (cộng hưởng) nếu tần số
của chúng trùng với tần số dao động riêng của màng.
Nếu dùng loa để nghe, thì chỗ da bệnh nhân bị loa ép vào sẽ căng ra và đóng vai
trò của một màng căng. Chúng ta có thể điều chỉnh sức ép của loa vào da để độ căng của
da đó có tần số dao động riêng trùng với tần số của âm muốn nghiên cứu, nhờ đó chúng
ta có thể nghe âm này rõ hơn các âm khác, thường dùng cách này khi âm muốn nghiên
cứu bị các âm khác che lấp.
3. Phép thử Rinner (Rhinner)
Mục đích của phép thử này để xác định tổn thương ở vùng nào của cơ quan thính
giác: ở tai ngoài, tai giữa, tai trong hoặc não.
Phép thử này dựa vào nhận xét như sau: Những dao động âm có thể truyền qua
xương sọ tới những tận cùng của thần kinh thính giác… và cho chúng ta cảm giác âm, do
đó dù rằng tai ngoài và tai giữa hỏng âm rồi âm vẫn truyền qua xương và gây cảm giác
được.
Nếu ta đặt một âm thoa đang dao động gần tai bệnh nhân sau đó để bệnh nhân cắn
đuôi âm thoa đó (dao động của âm thoa lúc này cũng có biên độ giống lúc trước). Nếu lúc
đầu bệnh nhân còn nghe được âm, lúc sau không được thì dấu hiệu Rhinner là dương, nếu
ngược lại ta có dấu hiệu Rhinner âm.
11

SVTH: Phạm Thị Hồng Thanh


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Hồ Hữu Hậu


Hội chứng điếc có dấu hiệu Rhinner dương chứng tỏ một tổn thương ở tai trong
hoặc não. Nếu dấu hiệu Rhinner âm thì tổn thương chỉ khu trú ở tai ngoài hay tai giữa.

12

SVTH: Phạm Thị Hồng Thanh


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Hồ Hữu Hậu

CHƯƠNG 3: SÓNG SIÊU ÂM
I. SÓNG SIÊU ÂM
Tùy theo tần số mà người ta chia sóng âm thành các vùng như: vùng hạ âm, vùng
âm và vùng siêu âm. Mặc dù có cùng một bản chất, song do tần số khác nhau mà các
vùng sóng âm có những tính chất khác nhau. Ta hãy so sánh vùng âm với vùng siêu âm
của sóng đàn hồi.
- Trước hết sóng siêu âm có năng lượng lớn hơn hẳn sóng âm có tần số nhỏ hơn
20 KHz. Để dễ dàng hình dung, ta hãy lấy một ví dụ, muốn đun sôi một lít nước mà lấy
năng lượng từ sóng âm, chẳng hạn sóng âm do người phát ra có tần số dao động khoảng
1000 Hz thì cần phải huy động 7 triệu người la hét suốt 12 giờ liền. Trong khi đó năng
lượng sóng siêu âm tần số 1 MHz lớn gấp 1 triệu lần năng lượng sóng âm ở tàn số 1000
Hz với điều kiện cùng biên độ dao động. Do sóng siêu âm có năng lượng lớn như vậy nên
cường độ của nó có thể đạt tới hàng trăm, hàng ngàn W/cm2. Do cường độ rất lớn mà
sóng siêu âm có nhiều tính chất đặc biệt, chẳng hạn trong chất lỏng, chúng gây ra hiệu
ứng sinh lỗ hỏng (hiệu ứng Kavitaxi), hiệu ứng gió âm (hiệu ứng chảy âm). Sóng vùng
âm không thể gây ra các hiệu ứng trên.
- Sóng siêu âm có tần số dao động lớn hơn tần số sóng âm nhỏ hơn 20 KHz nên
bước sóng của sóng siêu âm rất nhỏ so với bước sóng âm trong cùng một môi trường

truyền sóng. Chẳng hạn, trong không khí sóng âm có tần số 1000 Hz ứng với bước sóng
0,33 m, sóng siêu âm có tần số 1 MHz ứng với bước sóng chỉ có 0,33.10-3 m.
Vì các nguồn phát sóng siêu âm thông thường có kích thước hoạt động lớn hơn
nhiều lần bước sóng do nó phát ra trong môi trường nên sóng siêu âm có tính định hướng
rất cao, nghĩa là năng lượng sóng phát ra được tập trung vào một phương nhất định. Vì
vậy, các hệ định vị bằng sóng âm thanh trong hầu hết các môi trường như đất, nước biển,
bêtong, kim loại … đều dùng sóng đàn hồi tần số vùng siêu âm.

II. VẬN TỐC CỦA SÓNG SIÊU ÂM
Ta biết vận tốc truyền sóng âm thanh trong các môi trường khác nhau là khác
nhau. Mặc dù sóng siêu âm có tính chất khác với sóng âm, song các môi trường khác
nhau, vận tốc truyền của chúng lại như nhau. Sự khác nhau được thể hiện ở khả năng
truyền xa, hay chính là sự tắt dần nói chung, ở tính chất hấp thụ sóng âm thanh có tần số
càng nhỏ, càng bị hấp thụ ít, càng truyền được xa trong môi trường.
Với cùng một công suất máy phát và tần số sóng siêu âm, trong các lớp đất đá,
nham thạch, sóng truyền được từ vài mét đến vài chục mét. Nhưng trong môi trường
nước biển, nó có thể truyền xa tới hàng chục km. Như vậy sự hấp thụ sóng âm thanh còn
phụ thuộc vào bản chất môi trường nữa. Ở các môi trường truyền âm khác nhau thì vận
tốc âm khác nhau và hệ số hấp thụ âm cũng khác nhau.
Khi truyền qua các môi trường, sóng siêu âm bị môi trường hấp thụ nên cường độ
của nó giảm dần. Giả sử chùm siêu âm song song khi tới một môi trường nó có cường độ
I0 khi xuyên vào chiều sâu x của môi trường, cường độ chỉ còn là I, ta cũng có
I  I 0 e  x
(3.1)
Trong đó:
I là cường độ lúc ra khỏi môi trường
I0 là cường độ lúc bắt đầu vào môi trường
 là hệ số hấp thụ của môi trường
Với: e = 1,71828… còn  tỉ lệ với f2,


1
và V3. Không khí có


 bé nên  lớn,

nghĩa là I giảm nhanh, nói khác đi là chùm siêu âm bị hấp thụ nhiều.
13

SVTH: Phạm Thị Hồng Thanh


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Hồ Hữu Hậu

Vận tốc truyền âm và hệ số hấp thụ âm liên quan chặt chẽ đến cấu trúc nội tại của
môi trường. Sự thay đổi cấu trúc nội tại sẽ dẫn đến sự thay đổi vận tốc truyền âm và hệ số
hấp thụ âm trong môi trường. Hai đại lượng này là những đặc trưng của môi trường và
phương diện âm học. Chúng cho phép hiểu biết được cấu trúc bên trong bản thân của môi
trường. Ngoài ra, biết vận tốc truyền âm và hệ số hấp thụ âm thanh có thể xác định được
các thông số quan trọng khác của môi trường như: hệ số Poatxong, suất đàn hồi, khối suất
đàn hồi trượt… Nghiên cứu, xác định các thông số này chính là một trong những nhiệm
vụ rất cơ bản của âm học.
Tốc độ siêu âm (m/s)
1408
1450(330)
1500
1585(330)
1560

1540
3000
1581(330)
1514
4080(330)

Môi trường
Da và tổ chức dưới da
Mỡ
Nước ối
Cơ
Cổ tử cung
Tổ chức xốp
Xương xọ thai
Thận
Não thai
Xương dài

Bảng 3.1. Tốc độ siêu âm trung bình qua cơ thể con người là 1500-1600m/s.

III. NĂNG LƯỢNG SÓNG SIÊU ÂM
Năng lượng siêu âm (P) biểu thị mức năng lượng mà chùm tia siêu âm truyền vào
cơ thể. Giá trị này phụ thuộc vào nguồn phát, trong siêu âm chẩn đoán để đảm bảo an
toàn các máy thường phát với mức năng lượng thấp vào khoảng 1MW đến 10MW. Tuy
nhiên trong các kiểu siêu âm thì siêu âm Doppler thường có mức năng lượng cao hơn. Ở
các máy siêu âm hiện đại người sử dụng có thể chủ động thay đổi mức phát năng lượng
để nâng cao hơn tính an toàn cho bệnh nhân, nhất là đối với thai nhi và trẻ em.
Ứng dụng trong điều trị
Người ta dùng mức năng lượng cao hơn rất nhiều so với siêu âm chẩn đoán. Ở
nhiều trường hợp thì tần số được sử dụng cũng rất khác nhau.

Sóng siêu âm cũng có thể làm sạch răng
Nguồn sóng siêu âm có thể dùng để tạo nhiệt năng cục bộ trong mô sinh học,
chẳng hạn như điều trị bằng lao động liệu pháp, vật lý trị liệu và điều trị ung thư.
Sóng siêu âm tập trung có thể dùng tạo ra nhiệt năng tập trung để điều trị các nang
và khối u (lành tính hoặc ác tính). Liệu pháp này được biết đến với tên gọi FUS (Focused
Ultrasound Surgery) hoặc HIFU (High Intensity Focused Ultrasound). Những thủ thuật
này thường dùng sóng có tần số thấp hơn (từ 250 KHz cho đến 2000 KHz) nhưng có mức
năng lượng cao hơn nhiều so với siêu âm chẩn đoán. HIFU thường được thực hiện dưới
hướng dẫn của MRI.
Sóng siêu âm tập trung có thể được dùng để phá sỏi niệu bằng lithotrypsy
Siêu âm có thể được dùng để điều trị đục nhãn câu bằng phacoemulsification
Một tác dụng vật lý mới của sóng siêu âm cường độ thấp vừa mới được phát hiện
gần đây là kích thích phát triển xương và khả năng phá vỡ hàng rào máu não để giúp cho
sự thâm nhập của thuốc.
14

SVTH: Phạm Thị Hồng Thanh


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Hồ Hữu Hậu

IV. TÍNH CHẤT CỦA SÓNG SIÊU ÂM
1. Hiện tượng phản xạ
Khi một tia siêu âm lan truyền qua hai môi trường có âm trở khác nhau sẽ tạo nên
hiện tượng phản xạ siêu âm, còn một phần siêu âm xuyên qua môi trường và tuân theo
định luật quang hình học
Hệ số phản xạ (R) giữa hai môi trường khác nhau sẽ có hệ số phản xạ siêu âm
khác nhau. Hệ số phản xạ tùy thuộc vào âm trở của hai môi trường

R

Z1  Z 2
Z1  Z 2

(3.2)

Trong đó: Z1, Z2 là âm trở của môi trường 1 và 2
2. Hiện tượng khúc xạ
Là hiện tượng chùm tia siêu âm khi lan truyền trong một môi trường có âm trở
khác nhau bị lệch hướng ngay tại mặt phân cách.
Sự khúc xạ siêu âm làm lệch tia siêu âm và ảnh hưởng đến chùm siêu âm phản xạ
và kết quả chẩn đoán vì thế phải hết sức tránh hiện tượng khúc xạ.
Trong kĩ thuật siêu âm cần làm giảm khúc xạ có nghĩa là phải để nguồn siêu âm
tới thẳng góc.
3. Hiện tượng nhiễu xạ
Là hiện tượng chùm siêu âm có thể vòng qua vật cản. Hiện tượng này phụ thuộc
vào khoảng cách đầu dò đến mặt phẳng thăm dò, phụ thuộc vào bước sóng siêu âm,
đường kính của nguồn phát và góc độ chùm siêu âm phát ra.
4. Hiện tượng hấp thụ
Sự hấp thụ phụ thuộc vào độ dày các môi trường siêu âm truyền qua, tần số siêu
âm và hệ số hấp thụ của môi trường. Sự hấp thụ biểu hiện ở cường độ siêu âm càng thấp
dần
I k  I 0 e  fx
(3.3)
Trong đó: I0, Ik là cường độ siêu âm lúc đầu và cường độ siêu âm đo được ở độ sâu
x
f là hệ số hấp thụ của môi trường
x là chiều dày của môi trường siêu âm đi qua
Do các hiện tượng trên nên cường độ siêu âm đi càng xa càng bị suy giảm.

Nguyên nhân gây ra sự suy giảm năng lượng của tia siêu âm:
- Sự phản xạ và tán xạ trên tổ chức.
- Sự hấp thu của môi trường do một phần năng lượng của tia siêu âm bị
chuyển thành năng lượng của các dao động nhiệt, nhưng đối với siêu âm
chẩn đoán thì năng lượng này quá nhỏ và không thể gây ra các biến đổi về
nhiệt độ.
Mức độ suy giảm được tính theo công thức:
D(dB hoặc dB/cm) = 10 log (Ix/I0)
(3.4)
Ngoài ra đối với mô mềm có thể áp dụng công thức gần đúng:
D(dB) = f (MHz) * z (cm) * μ
(3.5)

15

SVTH: Phạm Thị Hồng Thanh


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Hồ Hữu Hậu

Vật liệu

Mật độ
(kg/m3)

Vận tốc (m/s)

Không khí

Nước
Máu
Nước tiểu
Mỡ
Cơ
Gan
Thận
Não
Da
Xương
Mô mềm

1,129
1000
1058
1020
924
1040
1061
1041
1030
1100
1700-9970
1050

330
1480
1560
1535
1450

1568
1555
1565
1520
1950
1700-3600
1540

Khoảng cách năng
lượng bị giảm nửa
(cm), tại 2MHz
0,08
380
15

1-0,6

0,7-0,2
5,1-1

Độ suy giảm
(dB/cm) với
tần số 1MHz
1,7
0,002
0,1
0,0025
0,4
0,7
0,6

0,5
0,5
1,0
5

Bảng 3.2. Sự suy giảm của sóng âm ở các môi trường khác nhau trong cơ thể
Từ bảng trên ta thấy năng lượng siêu âm bị giảm mạnh trong môi trường không
khí và xương còn đối với mô mềm sự suy giảm này nằm trong khoảng 0,4 – 1 dB/cm.
Năng lượng siêu âm càng vào sâu thì càng suy giảm (Ví dụ: khi vào sâu tới 20 cm,
với đầu dò 3,5 MHz có μ ≈1 theo công thức tính thì D = 70 dB = 3162 lần). Như vậy
những mặt phản xạ có Δz như nhau nếu nằm ở những độ sâu khác nhau sẽ cho tín hiệu có
độ lớn khác nhau. Để khắc phục điều này ta phải dùng đến khuyếch đại bù theo độ sâu
DGC (depth gain control) để tạo ảnh đồng nhất, ngoài ra còn điều chỉnh DGC khi thăm
khám các bệnh nhân gầy, béo khác nhau và chọn lựa vùng khảo sát nông hay sâu…

V. QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN SÓNG SIÊU ÂM TRONG CƠ THỂ
1. Trong môi trường đồng chất
Là môi trường có cấu trúc giống nhau, đặc trưng cho mỗi một môi trường là một hệ
số mật độ môi trường (ρ). Khi chiếu một chùm tia siêu âm vào một môi trường đồng
nhất, nó sẽ xuyên qua với một năng lượng giảm dần cho tới khi hết năng lượng. Sở dĩ có
sự suy giảm năng lượng trên đường tryền là do có sự tương tác giữa siêu âm và các phần
tử nhỏ của cơ thể gây ra hiệu ứng tỏa nhiệt và tạo vi bọt, tuy nhiên do siêu âm chẩn đoán
sử dụng công suất thấp nên chúng ta không cảm thấy sự tăng nhiệt độ này trong quá trình
thăm khám. Mỗi một môi trường có hệ số hấp phụ siêu âm (α) khác nhau, nên mức độ
suy giảm siêu âm cũng khác nhau. Ngoài ra, độ suy giảm siêu âm còn phụ thuộc vào
nhiệt độ của môi trường và tần số của chùm tia siêu âm, khi tần số càng cao mức độ suy
giảm càng nhanh nên độ xuyên sâu càng kém. Trong siêu âm hệ số (α) thường được tính
bằng đơn vị dB/cm ở tần số 1MHz. Một số tổ chức, cơ quan trong cơ thể có hệ số hấp thụ
như sau: Phổi 41, xương xọ 20, cơ 3,3, thận 1, gan 0,94, não 0,85, mỡ 0,65, máu 0,18,
nước 0,0022. Ví dụ khi chiếu chùm tia siêu âm với tần số 1 MHz qua 1 cm thận cường độ

siêu âm sẽ giảm đi 1 dB. Tương tự như vậy chùm tia siêu âm sẽ bị giảm năng lượng
nhiều khi chiếu qua phổi, xương và hầu như không thay đổi khi truyền qua máu và nước.
Trong thực hành lâm sàng mức độ suy giảm siêu âm còn cao hơn nữa vì thông thường
chúng ta sử dụng đầu dò có tần số lớn hơn 1MHz, tuy nhiên nếu nói chính xác mối quan
hệ giữa tần số và hệ số hấp phụ không hoàn toàn tuyến tính, nhưng trong dãy tần số của
siêu âm chẩn đoán thông thường, chúng ta có thể coi gần như tuyến tính, nghĩa là khi tần
số tăng lên 2 MHz thì hệ số hấp phụ tăng lên gần gấp đôi. Do đó muốn nâng cao độ
16

SVTH: Phạm Thị Hồng Thanh


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Hồ Hữu Hậu

xuyên sâu để thăm khám các bộ phận ở xa đầu dò người ta buộc phải giảm tần số nguồn
phát hoặc tăng năng lượng của chùm tia siêu âm, nhưng để đảm bảo an toàn cho bệnh
nhân điều kiện thứ 2 thường không thể thực hiện được.
2. Trong môi trường không đồng chất
Cơ thể người là một môi trường không đồng chất, bao gồm nhiều cơ quan, tổ chức
có cấu trúc khác nhau, một phần sẽ đi theo hướng ban đầu và tiếp tục đi vào môi trường
tiếp theo, một phần sẽ bị phản xạ trở lại, mức độ phản xạ nhiều hay ít phụ thuộc vào độ
chênh lệch trở kháng giữa hai môi trường. Trở kháng âm (Z) là một đại lượng vật lý biểu
thị cho khả năng cản trở của môi trường, chống lại không cho siêu âm xuyên qua, nó phụ
thuộc vào mật độ và tốc độ truyền âm của môi trường
Z=ρC
(3.6)
Trong đó: ρ: mật độ môi trường
c : tốc độ siêu âm trong cơ thể

Z :Độ trở kháng rayl( kg/m2/sX 10-6)
Ví dụ độ trở kháng âm của một số tổ chức, cơ quan trong cơ thể như: không khí
0,0004; mỡ 1,38; gan 1,65; cơ 1,7; xương 7,8…
Khi sóng siêu âm truyền tới mặt phân cách giữa hai môi trường có độ trở kháng
âm khác nhau, phần năng lượng của chùm tia siêu âm phản xạ trở về tỉ lệ thuận với độ
chênh lệch trở kháng giữa hai môi trường. Và chúng được đặc trưng bằng một đại lượng
gọi là hệ số phản xạ R. Để đơn giản chúng ta xét trường hợp đặc biệt khi chùm tia vuông
góc với mặt phẳng phân cách của các bộ phận cần thăm dò
 (Z  Z 1 ) 
R 2

 ( Z 2  Z1 ) 

2

(3.7)

Trong đó: Z1 là độ trở kháng âm môi trường 1
Z2 là độ trở kháng âm môi trường 2
Ngược lại với độ trở kháng là độ truyền âm qua hai môi trường có cấu trúc
khác nhau. Người ta tính hệ số truyền âm qua hai môi trường theo công thức sau
 4 Z 2 Z1 
PT  
2 
 (Z 1  Z 2 ) 

(PT: Percentage transmitted (%))

(3.8)


Ví dụ hệ số phản xạ và hệ số truyền âm giữa hai môi trường xương và tổ chức mô
mềm như sau:
2

 (7,8  1,63) 
R
 0,654 2  0,43

 (7,8  1,63) 

Như vậy khi chùm tia siêu âm đi qua tổ chức xương vào mô mền có 43% năng
lượng bị phản xạ trở lại và chỉ có 57% năng lượng tiếp tục đi qua. Tương tự như vậy nếu
bề mặt phân cách là không khí và mô mền thì R= 0,998, hay hệ số truyền âm chỉ còn 10,998 = 0,002 hay =0,2%. Do đó khi thực hành chúng ta phải tạo môi trường chất lỏng
(gel siêu âm ) giữa đầu dò và cơ thể để chùm tia siêu âm có thể xuyên vào trong cơ thể,
mà không bị phản xạ trở lại.
Những ví dụ mà chúng ta mô tả trên là xét trong điều kiện chùm tia siêu âm vuông
góc với bề mặt phân cách các môi trường truyền âm có độ trở kháng khác nhau của cơ
thể. Nhưng trên thực tế phức tạp hơn và ta có hiện tượng phản xạ toàn phần hoặc hiện
tượng sóng âm chỉ trượt trên bề mặt phân cách hai môi trường, hiện tượng này hay gặp
khi trên đường đi của chùm tia siêu âm có các cấu trúc hình cầu.

17

SVTH: Phạm Thị Hồng Thanh


Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Ths. Hồ Hữu Hậu


Ngoài ra khi mặt phẳng phân cách giữa 2 môi trường không phẳng thì ngoài hiện
tượng phản xạ và xuyên qua còn có hiện tượng tán xạ siêu âm, lúc này có một phần rất
nhỏ sóng siêu âm đi theo các hớng khác nhau và chỉ có rất ít các sóng này trở về được
đầu dò. Hiện tượng tán xạ siêu âm thường gặp khi siêu âm gặp các cấu trúc nhỏ có đường
kính nhỏ hơn bớc sóng (ϕ<<λ). Nhưng nhờ có tán xạ siêu âm mà ta có thể đánh giá được
sự đồng đều của nhu mô, tổ chức trong cơ thể.

Hình 3.1. Sơ đồ của chùm tia siêu âm trong cơ thể người với các môi trường có độ trở
kháng khác nhau.

VI. ỨNG DỤNG CỦA SIÊU ÂM TRONG NGÀNH Y
1. Ứng dụng siêu âm trong điều trị
Do song siêu âm có tần số rất lớn (bước sóng nhỏ) nên khi lan truyền ít bị nhiễu
xạ, truyền tương đối thẳng. Ta có thể làm chùm siêu âm hội tụ lên những vị trí cần thiết
bằng các dạng đặc biệt của đầu phát siêu âm. Khi truyền qua môi trường, do môi trường
có ma sát và hấp thu nhiệt nên cường độ siêu âm giảm theo quy luật:

I  I 0 e  x

(3.9)
Trong đó:
I0 là cường độ lúc bắt đầu vào môi trường
I là cường độ lúc ra khỏi môi trường nếu môi trường có chiều dài x
 là hệ số hấp thụ của môi trường
e là cơ số logarit tự nhiên bằng 2,71828
Qua thực nghiệm người ta thấy α tỉ lệ với bình phương tần số v, tỉ lệ nghịch với
mật độ trong môi trường và vì lập phương vận tốc nhỏ nên siêu âm bị hấp thụ nhiều trong
không khí, đồng thời do mặt phân cách giữa môi trường nào đó với môi trường không khí
phản xạ nhiều sóng âm nên khi điều trị hoặc chẩn đoán dùng siêu âm người ta để đầu
phát siêu âm sát da và ở trên da phải bôi một lớp dầu, hoặc ngâm cả đầu phát siêu âm lẫn

bộ phận cần điều trị vào nước. Sự hấp thụ năng lượng siêu âm của môi trường thể hiện
bằng sự tăng nhiệt độ. Mức tăng của nhiệt độ phụ thuộc vào tỉ nhiệt môi trường, nhiệt độ
môi trường ngoài, … Lợi dụng đặc tính này người ta dùng siêu âm làm dãn các mạch
máu ngoại biên để tăng cường tính thẩm thấu của tế bào biểu bì do đó có tác dụng chống
viêm.
Lúc qua mặt phân cách giữa hai môi trường, siêu âm tạo nên sức ép vào mặt này.
Sức ép tỉ lệ thuận với năng lượng của luồng siêu âm đi tới, vào khoảng 1G/cm2. Vì vậy
khi nhúng đầu phát siêu âm vào nước, siêu âm có thể làm nước bắn lên cao tới vài cm.
Nhờ có sức ép này các tổ chức nông của cơ thể bị chấn động, đó là một cách xoa bóp tế
vi, một tác dụng rất quý trong điều trị chứng viêm tế bào.
18

SVTH: Phạm Thị Hồng Thanh