Siêu âm dò đường cho người khiếm thị.

Siêu âm dò đường cho người khiếm thị.

CHÚ Ý

Bạn đã download tài liệu này từ websitewww bme.vn Các bạn có quyền tự dosử dụng tài liệu này cho các mục đích học tập, nghiên cứu Nếu bạn sử dụng nhữngtài liệu này cho mục đích thương mại phải xin ý kiến của các tác giả Nếu bạnkhông thể liên lạc trực tiếp với tác giả h ãy liên hệ với chúng tôi theo địa chỉbmevn@bme.vn, chúng tôi sẽ giúp bạn.

www.bme.v n

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNGBỘ MÔN VẬT LÝ KỸ THUẬT Y SINH

-o0o -LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

SIÊU ÂM DÒ ĐƯỜNG CHO NGƯỜI KHIẾM THỊ

SVTH: Dương Hoàng Yến

Email : neymit21@yahoo.com

GVHD: TS Đinh Sơn Thạch

Tp.HCM, Tháng 01/2007

Chương 1

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

Thiết bị siêu âm dò đường cho người khiếm thị thì không quá mới, nó đã được nghiêncứu và đưa vào ứng dụng khá nhiều ở một số nước trên thế giới Tuy nhiên vẫ n chưa có thiếtbị nào được nghiên cứu và sản xuất tại Việt Nam , trong khi nhu cầu về thiết bị ở Việt Nam làkhá lớn Trong phạm vi những kiến thức đã học, em đã chọn đề tài này, với mong muốn gợilên một ý tưởng và tiến hành những bước đi ban đầu về thiết bị phục vụ người khiếm thị.

Thiết bị hoạt động dựa trên nguyên lý phát và thu tín hiệu của cảm biến siêu âm.Trong y học ngày nay, cụm từ “siêu âm” hầu như không còn xa lạ với mọi người Siêu âm đãvà đang được ứng dụng khá rộng rãi, như: chẩn đoán bằng siêu â m, siêu âm trị liệu, dao mổsiêu âm… và ngoài y học, siêu âm cũng được ứng dụng khá nhiều trong các lĩnh vực kháctrong công nghiệp Trong đề tài này , cảm biến siêu âm được dùng với mục đích nhậân biết vậtcản và khoảng cách vật cản.

Những nhiệm vụ chính của luận văn này là:

 Tìm hiểu lý thuyết cơ sở về siêu âm, những đề tài có liên quan đến thiết bị đã đượcthực hiện trên thế giới.

 Nghiên cứu về cảm biến siêu âm, lựa chọn cảm b iến siêu âm phù hợp mục đích thiếtbị.

 Thực hiện mạch xử lý phân giải dọc cho cảm biến, đánh giá những kết quả ban đầu.

Chương 2

TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

2.1 - LỜI NÓI ĐẦU :

Khoa học kỹ thuật trên thế giới phát triển không ngừng qua các thời kỳ Trong quá khứlà sự phát triển của công nghệ tự động hóa và năng lươ ïng hạt nhân Ngày nay là sự phát triểnmạnh mẽ của Công nghệ thông tin Và trong một tương lai gần là sự chiếm lĩnh của Côngnghệ sinh học, Công nghệ Nano, x a hơn nữa là Khoa học vũ trụ Khoa học kỹ thuật p hát triểnkhông ngừng là đểã phục vụ cho nhu cầu ngày càng cao của cuộc sống, nhằm đem lại nhữn gthuận lợi, tiện nghi, thoải mái cho hoạt động hằng ngày của mỗi người, giúp cho việc chuyểngiao thông tin đi xa và nhanh hơn, cũng n hư trong việc nghiên cứu, phòng ngừa và chống lạinhững căn bệnh của thế kỷ nhờ công ng hệ gen và sẽ tìm ra những “vùng đất sự sống mới” …

Khoa học phát triển đã thực sự hỗ trợ rất nhiều trong cuộc sống của mỗi chúng ta.Nhưng khoa học và ứng dụng của nó là dàønh cho tất cả mọi người Vì vậy khoa học công nghệkhông chỉ tiếp cận những người bình thường mà còn phải tiếp cận và hỗ trợ hơn nữa cho nhữngngười khuyết tật, những người vốn dĩ đã gặp rất nhiều thiệt thòi và khó khăn trong cuộc sống.Phải làm sao để tạo thuận lợi nhất cho họ, giúp họ có thể sinh hoa ït bình thường, hoà nhậpcuộc sống cộng đồng là điều tối thiểu cần phải làm được, và điều tốt hơn là tạo điều kiện đểcho họ có thể phát huy hết khả năng bản thân phục vụ trở lại cho lợi ích bản thân và lợi íchcộng đồng.

Cụ thể như : việc chế tạo và cải tiến không ngừng các loại xe lăn, hay chi giả giúp chongười bị khiếm khuyết chi có thể tự di chuyển, và hơn nữa là có thể tham gia chơi thể thao(như thi đấu ParaGames); Hay các thie át bị trợ thính giúp cho người khiếm thính có thể dễ dàng

người khiếm thị có thể sử dụng máy vi tính truy cập Internet, cũng như xây dựng các thư việnsách nói để phục vụ nhu cầu về thông tin và giải trí cho họ …

Để góp phần nhỏ vào lĩnh vực khoa học kỹ thuật hỗ trợ người khuyết tật, dựa trênnhững ý tưởng đã có về việc cải thiện sự đi lại cho người k hiếm thị, dựa trên những thiết bịđang được nghiên cứu và đã đưa vào sử dụng ở một số nước trên thế giới và tình hình thực tế ởViệt Nam, nên luận văn này được hình thành với m ục đích nghiên cứu ứng dụng thiết bị siêuâm dò đường cho người khiếm thị và tiến đến thiết kế mô hình thiết bị có khả năng ứng dụngcao.

2.2 - KHIẾM THỊ LÀ GÌ? CÁC LOẠI KHIẾM THỊ ? NGƯỜI KHIẾM THỊ CẦN GÌ? [5]

Thuật ngữ “khiếm thị” dùng để mô tả tình trạng thị lực không thểà điều chỉnh bằng kínhthuốc hay phẫu thuật, bao gồm những người mắc bệnh thị lực chỉ còn một phần và nhữngngười bị mù hoàn toàn.

Một số người khiếm thị khó nhìn thấy nh ững vật ngay trước mặt nhưng có thể nhìn thấynhững vật trên sàn hoặc hai bên Một số người ngược lại có thể thấy rõ những vật ngay trướcmắt nhưng không thấy gì ở hai bên Một số trường hợp bệnh lý có thể gây thị lự c chỉ nhìn lốmđốm từng vùng, một số khác gây ảnh hưởng đến khả năng nhận biết màu sắc Cũng có một sốngười thì rất khó khăn khi gặp ánh nắng chói chang và một số khác thì không thể nhìn thấy gìkhi ánh sáng yếu … Mù hoàn toàn có thể là hệ quả của các loại bệnh thị lực ghi nhận ở trên,cũng như từ các nguyên nhân khác như: tai nạn, võng mạc bị tách ra ở cả hai mắt và các bệnhkhác.

Thoái hóa hoàng điểmĐục thủy tinh thể

Ống thị giácBệnh lý võng mạc do tiểu đườngHình 2.1 - Một số hình ảnh minh họa về khả năng nhìn của người khiếm thị ứng với vài bệnh

thị lực phổ biến

Những người bị mất thị lực một cách đột ngột, đặc biệt là nếu họ đang học tập, nghiêncứu và làm việc thì họ vẫn mong muốn được tiếp tục công việc của mình, muốn được họ c,đọc, nghiên cứu hoặc giải trí Nên họ sẽ học ngôn ngữ riêng là Braille hay Moon, và dùngsách nói, các chương trình đọc web chuyên dụng Về khả năng đi lại, theo một bài báo từ trangweb của Anh đưa ra một vài số liệu t hống kê: 32% người lớn khiếm thị nói rằng họ bị giới hạnrất nhiều trong việc đi lại ngoài đường, 26% nói rằng họ bị giới hạn hoàn toàn khả năng đi lạingoài đường, 48% tương đối tự tin khi đi bộ một mình trong khu vực mà họ sinh sống Rất ít

người khiếm thị dùng phương tiện hỗ trợ đi lại: 22% người khiếm thị từ 16 tuổi trở lên dùnggậy và 1% dùng chó dẫn đường Từ đó ta có thể nhận thấy tình hình người khiếm thị ỡ ViệtNam thì còn khó khăn hơn rất nhiều trong việc tự đi lại.

2.3 - TÌNH HÌNH THỰC TẾ VỀ NGƯỜI KHIẾM THỊ Ở VIỆT NAM [5 ]:

Theo thống kê của Viện Mắt Trung ương, nước ta có khoảng 900.000 người khiếm thị,trong đó có khoảng hơn 600.000 thuộc đối tượng m ù hoàn toàn, chiếm 1,20% dân số cả nước(theo kết quả điều tra về tình hình mù lòa năm 2002).

Phần lớn người tàn tật nói chung sống cùng với gia đình, chiếm tỷ lệ 95,85% Số ngườitàn tật sống độc thân chiếm 3,31% Tỷ l ệ người tàn tật sống trong trại bảo trợ của nhà nước là0,22% (tập trung chính ở 2 nhóm tuổi 15 -55 chiếm 54,17% và nhóm tuổi dưới 15 chiếm28,85%) Người tàn tật sống lang thang là 0,62% Về môi trường sống của người mù kh ông cósố liệu thống kê chi tiết, nhưng tỷ lệ người mù trên tổng số người khuyết tật là 15,70%, nêndựa vào những số liệu đó ta cũng có thể ước tính được môi trường sống của họ.

Vẫn còn khó khăn khi người tàn tật đi ra ngoài một mình, vì thành phố thiếu nhữngđường đi và phương tiện giao thông có thiết kế đặc biệt dành cho người khuyết tật Việt Namchưa có cơ sở hạ tầng như là những lối đi trong công viên công cộng dành cho người k huyết tậtvà hệ thống giao thông hữu ích đề người khuyết tật có thể tự đi ra ngoài mà không cần nhiềuđến sự trợ giúp của người nhà Theo Vietnamnet về chương trình người khuyết tật tiếp cận cáccông trình công cộng, thì phần lớn các công trình đang xây dựng và sử dụng đều thiếu phươngtiện và trang thiết bị, cũng như các giải pháp thiết kế tiếp cận sử dụng đối với người khuyếttật Nó sẽ là rào cản hạn chế người khuyết tật hòa nhậ p cộng đồng, phát huy năng lực, đónggóp cho xã hội.

2.4 – Ý TƯỞNG VỀ THIẾT BỊ SỬ DỤNG SIÊU ÂM DÒ ĐƯỜNG CHO NGƯỜI KHIẾMTHỊ ( An Ultrasonic Rangefinder For The Blind) :

Waters, một nhà động vật học tại Đại học Leeds của Anh, đã nảy ra ý tưởng này khiquan sát dơi tìm thức ăn Cổ họng dơi có thể phát sóng siêu âm rất mạnh, thoát ra ngoàøi qua

miệng và lỗ mũi Khi gặp phải vật thể, sóng siêu âm liền phản xạ trở lại, tai của dơi ngheđược âm thanh phản hồi, nên dơi có thể phán đoán được khoảng cách và kích cỡ to nhỏ củavật thể.

Tương tự, nếu ta dùng một cảm biến có khả năng tạo ra sóng siêu âm có tần số khoảngtừ 40kHz đến 80kHz vào môi trường xung qua nh Sóng sẽ lan truyền và khi gặp vật cản sẽphản hồi trở lại.

Hình 2.2 – Nguyên tắc của phạm vi tín hiệu dội.

Khoảng cách với vật cản có thể được xác định bằng đo thời gian giữa xung phát và tín hiệu dộinhận được, giả thiết vận tốc truyền âm trong môi trường không đổi.

Thu nhận tín hiệu phản hồi này, dựa trên vận tốc lan truyền của sóng âm trong môitrường đã biết, thời gian từ khi phát sóng đến khi nhận sóng phản hồi t , và s ố lượng sóng phảnhồi về, ta dùng thuật toán xử lý sẽ cho biết khoảng cách và kích thước vật cản Tín hiệu saukhi xử lý và tính toán sẽ được chuyển sang dạng âm thanh nghe được, hay dạng rung động cơhọc có thể cảm nhận được để giao tiếp với sử dụng.

Tuy nhiên, với việc xác định vị trí bằng tín hiệu phản hồi, để mô tả được vị trí của vậtcản một cách chính xác, thì cần đảm bảo hai điều kiện sau đây :

1 Sóng siêu âm phải truyền thẳng tới m ặt phân cách (hướng vuông góc với mặt phâncách) và quay trở về đầu dò theo đường truyền thẳng.

2 Vận tốc truyền âm trong môi trường không đổi trong quá trình truyền.

Hình 2.3 – Sơ đồ khối cơ sở của thiết bị

Vì các cảm biến siêu âm thường có tầm quét lớn và góc mở nhỏ khoảng 30o, nên đểnhận biết đúng chính xác vị trí vật cản ta sẽ :

 Tăng số lượng cảm biến siêu âm, và cần bố trí vị trí các cảm biến hợp lí để có độ phângiải ngang chính xác của vật cản Do tín hiệu sóng của cảm biến phụ thuộc vào nhiềuyếu tố nên tín hiệu trả về bị ảnh hưởng lẫn nhau, nếu việc bố trí khối cảm biến hợp líthì có thể giảm được nhược điểm này của cảm biến siêu âm Giả sử như chúng ta có 2cảm biến được bố trí như sau :

Hình 2.4 – Bố trí các cảm biến

=>Khi đó vị trí của vật cản có thể được xác định d ựa vào giao điểm của 2 cung tròn giớihạn tầm đọc của 2 cảm biến.

 Hoặc cho cảm biến xoay quanh trục theo chu kỳ để có góc quét là lớn hơn.

2.5 - THỰC TRẠNG VỀ CÁC THIẾT BỊ ĐANG ĐƯỢC NGHIÊN CỨU VÀ SỬ DỤNGTRÊN THẾ GIỚI :

2.5.1 - Thiết bị siêu âm dò đường dùng cảm biến Sona SwitchTM1700 của DavidT.Batarseh, Đại học bang Mississippi (được nghiên cứu và ứng dụng năm 1997) [2]:

Thiết bị có cấu tạo chính là cảm biến Sona SwitchTM1700, bộ biến đổi AD654 và máynghe Cảm biến này sẽ phát và thu nhận sóng siêu âm để xác định k hoảng cách từ cảm biếnđến vật cản.

Cách thức hoạt động của thiết bị : cảm biến sẽ phát và nhận sóng phản hồi, tín hiệungõ ra cảm biến được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp thay đổi trong khoảng từ 5V đến xấpxỉ 0V, ứng với khoảng cách vật cản thay đổi từ 1,5 feet đến hơn 12 feet Sau đó, khối AD654sẽ nhận tín hiệu một chiều không đổi từ ngõ ra của cảm biến và chuyển sang xung vuông xoaychiều, theo biểu thức sau:

10 1 2

Hình 2.5 – Mạch xử lý

Nghĩa là khối AD654 có nhiệm vụ chuyển tín hiệu điện sang tín hiệu âm nghe được.Theo biểu thức trên, tần số của âm phát ra sẽ thay đổi trong khoảng 0Hz ( ứng với nhữngkhoảng cách lớn hơn 12 feet) đ ến 20Hz ( ứng với những khoảng cách vật nhỏ hơn 1,5 feet).Với trường hợp đặt ra là hố sâu trước mặt thì có kèm mạch đóng ngắt Khi không nhận đượctín hiệu phản hồi về mạch sẽ ngắt tín hiệu một chiều không đổi từ cảm biến và nối cho AD654tín hiệu áp vào là 5V, tạo tần số âm thanh nghe được là 20Hz sẽ báo động cho người sử dụngkhi họ sắp đến gần hố trong khoảng 5 feet Khi người sử dụng trở nên quen dần với những âmthanh có tần số khác nhau sẽ dễ dàng xác định được vật cản trước mặt.

Hình 2.6 - Thiết bị siêu âm dò đường dùng cảm biến Sona SwitchTM1700

Thiết bị dùng nguồn cung cấp có áp 15V và 650mA và được thiết kế trên mũ bảo hộthông thường, với cảm biến chính được đặt trước mặt, tai nghe được nối với máy đặt ở thắtlưng Giá của nó khi đó là 510 USD.

2.5.2 - Thiết bị chống va chạm vật cản của Timothy S.Lane và Martyn J.C.Berry, Đạihọc bang New York ở Buffalo [3]:

Thiết bị này được chia làm 2 phần chính : đ cảm biến siêu âm (với góc mở cảm biến là30o) và mạch vi xử lý.

Vị trí đặt đầu dò siêu âm phải đảm bảo 2 nhiệm vụ vừa phát ra tín hiệu và thu nhậnxung phản hồi Tín hiệu phát ra với tần số cao không thể nghe thấy, được giữ trong khoảngnửa ms, một mức áp 400V được đặt vào mỗi đầu dò trong khoảng thời gian phát xung Vì vậy,đầu dò siêu âm được bọc tinh vi, cẩn thận và lớp vỏ bọc làm bằng polyethylene có tỷ trọng

cao, không dẫn nhiệt-điện Lớp vỏ bọc này dày khoảng 2 -1/8 inch, đường kính trong khoảng 1inch và gắn với giải buộc đầu có độ đàn hồi Mạch chi tiết (mạch điều khiển) thì được đặtriêng biệt với vi xử lý, được thiết kế trong một cái hộp đeo ở thắt lưng Cảm biến siêu âm vàmạch xử lý được gắn với nhau bời cáp phono công suất cao 0.25inch.

Hình 2.7 – Thiết bị chống va chạm vật cản

Thiết bị được thiết kế tương thích với một số dạng tai nghe khác nhau với lỗ chấu cắmđa năng Chỉnh mức độ âm thanh tai nghe được điều khiển bởi điện trờ riêng biệt Lỗ chấucắm 0.25 inch cho nguồn nạp Người dùng có thể chọn lựa 2 chế độ hoạt động kh ác nhau Giácủa nó là 226USD.

Hình 2.8 – Thiết bị và người sử dụng

2.5.3 - Gậy BAT ‘K’ sonar (sản xuất năm 2003) [6]:

Là thiết bị mới cải tiến gần đây nên gọn nhẹ và tiện dụng hơn rất nhiều Nó có khảnăng phát ra những xung siêu âm Tiếp đó, nó sẽ nhận những sóng phản xạ lại từ vật thể, lậpnên một bản đồ ba chiều về các vật cản ở xung quanh, trong bán kính 3 mét Thông tin từ bảnđồ này được gửi đến 4 miếng đệm rung trên tay ca àm của gậy, chúng sẽ rung nhẹ để cảnh báocho người sử dụng tránh đụng phải trần nhà thấp, và hướng dẫn bước tránh những vật cản trênđường đi Những tín hiệu nhanh và mạnh có nghĩa là một vật cản đang ở gần Thiết bị có thểgửi đi 60.000 xung sóng âm mỗi giây và có khả năng nhận được những sóng dội khá yếu Rấtdễ sử dụng, chỉ cần tập với thiết bị trong khoảng 30 phút Giá của nó là 635USD.

Hình 2.9 - Gậy BAT ‘K’ sonar

2.5.4 – Hình ảnh một số thiết bị tương tự đã được nghiên cứu và sử dụng :

Hình 2.10 – The Sonic Torch Được nghiên cứu từ năm 1959

Hình 2.11 -The Binaural Sonic Glasses Được nghiên cứu từ 1965, là thiết bị cải tiến của“Sonic Torch”

Hình 2.12 - The Trisensor Được sản xuất từ 1993.

2.6 - Kết luận :

Chương này đưa ra cái nhìn tổng quan về đề tài, nguồn ý tưởng hình thành đề tài, khảnăng ứng dụng của đề tài, ý nghĩa của thiết bị đối với người khiếm thị Trên thực tế, đề tài nàykhông mới, vì nó đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng khá nhiều ở một số nước Tuy nhiêngiá cả của nó là rất đắt Nên vấn đề đặt ra là khả năng tự nghiên cứu va ø chế tạo thiết bị trongnước với giá thành phù hợp hơn.

Chương 3

LÝ THUYẾT TIẾP CẬN

3.1 - ÂM THANH VÀ SIÊU ÂM :3.1.1 - Các khái niệm về sóng âm:

Âm thanh là sóng cơ học được truyền trong môi trường mà thính giác của co n người cóthể nhận biết được Khi có lực tác động lên các phân tử môi trường, chúng sẽ dao động quanhvị trí cân bằng và lan truyền ra xung quanh, từ đó sẽ tạo ra áp lực thay đổi tuần hoàn trongmôi trường đó.

Vì các dao động này có tính tuần hoàn nên thuật ngữ chu kỳ (T) được dùng để mô tảquá trình thay đổi chuyển động các phân tử môi trường lặp lại sau những khoảng thời gian Vàtần số sóng (f) là giá trị nghịch đảo của chu kỳ :

Siêu âm là sóng cơ học có tần số cao mà con người không thể nghe thấy, chú ng là cácsóng có tần số lớn hơn 20kHz Hạ âm là sóng cơ với tần số nhỏ hơn 20Hz, con người cũngkhông thể nghe được Âm thanh, siêu âm, hạ âm có cùng thuộc tính là sóng âm.

f < 20 Hz 20 Hz < f < 20.000 Hz f > 20.000 Hz

Về phương diện vật lý, âm nghe được hay không nghe được không có gì khác nhau vềbản chất Chúng chỉ khác nhau về phương diện sinh lý đối với tai ta.

Âm truyền theo những tia gọi là tia âm Thực nghiệm chứng tỏ tia âm cũng có thể bịphản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ và hấp thụ như tia sáng Khi tia âm truyền qua hai môi tr ường cóvận tốc truyền âm khác nhau thì ở mặt phân cách hai môi trường, một phần tia âm bị phản xạ,một phần bị khúc xạ Góc phản xạ bằng góc tới Còn góc khúc xạ lớn hơn hay nhỏ hơn góc tớilà tùy thuộc vào vận tốc truyền âm trong hai môi trường Khi tia âm truyền từ môi trường cóvận tốc lớn sang môi trường có vận tốc nhỏ thì góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới (n1<n2) và ngượclại [1,4]

Hình 3.1 – Sự phản xạ và khúc xạ âm.

3.1.2 - Tính chất của sóng âm :

Sóng âm là sóng dọc Đó là sóng mà phương dao động của các phân tử dọc theo hướng

truyền năng lượng sóng Sự dao động và tương tác lẫn nhau của các phân tử sẽ tạo ra nhữngvùng nén và giãn, nghĩa là tạo ra những vùng có áp suất cao và những vùng có áp suất thấp,nhờ đó mà âm thanh được truyền đi Điều này cũng giải thích tại sao âm thanh không thểtruyền trong chân không [1,4]

Vận tốc âm (c): tốc độ sóng truyền trong môi trường gọi là vận tốc âm thanh Thực

nghiệm chứng tỏ trong một môi trường đồng chất và đẳng hướng thì âm thanh truyền với vậntốc không đổi Vận tốc âm thanh phụ thuộc vào khối lượng riêng (- tỷ khối) và khả năng nén(k - hệ số đàn hồi) của môi trường :

 P

331  



Trở kháng âm (Z): là đại lượng tỷ lệ với động lượng Đại lượng này là đơn vị đo sự hạn

chế của âm thanh truyền qua môi trường Đơn vị là kg/m2/s hay còn có tên đặc biệt là rayl.

Vật liệu có tỷ khối cao làm tăng tốc độ sóng âm và do đó nâng cao trở kháng âm Tương tự,vật liệu có tỷ khối thấp như các khí có trở kháng âm thấp nên vận tốc truyền âm trong môitrường nhỏ hơn [1]

3.1.3 - Một số tương tác của siêu âm với môi trường mà ta cần quan tâm :

3.1.3.1 - Phản xạ :

Tương tác chính được quan tâm trong siêu âm dò đường là phản xạ Nếu một chùmsóng âm được truyền mặt phân cách hai môi trường, một phầm âm bị phản xạ, còn một phầnâm bị khúc xạ vào (truyền qua) môi trường thứ hai Chính nhờ các tia phản xạ trở về mà ta cóthể tính được khoảng cách vật cản so với cảm biến.

Hình 3.2 – Sự phản xạ và truyền qua gây ra bởi sóng âmchạm vào vật cản dưới một góc vuông.

Hệ số phản xạ ( ) :

Hệ số truyền qua (T) :

Trong đó: Z1 là trở kháng âm của môi trường 1Z2là trở kháng âm của môi trường 2

Phản xạ khuếch tán: Khi một chùm siêu âm được chiếu tới một bề mặt phân cách

không phẳng, nó bị phản xạ ra nhiều hướng Bề mặt phẳng lớn của mặt phản xạ tạo nên chùmđịnh hướng chính xác, còn bề mặt gồ ghề lớn làm chệch hướng chùm si êu âm theo nhiềuhướng Do mặt phân cách không phẳng, chùm siêu âm tới mặt phân cách với các góc tới khácnhau, tạo ra các góc phản xạ khác nhau Điều này sẽ làm mất sự kết hợp các chùm tia phảnxạ, làm cho tín hiệu dội về đầu dò yếu đi.[1]

Hình 3.3 – Phản xạ khuếch tán.2.1.3.2 - Nhiễu xạ :

Nhiễu xạ gây ra chùm siêu âm bị phân ra hoặc trải ra khi chùm sóng ra khỏi nguồn âm.Tốc độ phân kỳ tăng khi kích cỡ nguồn âm giảm Nhiễu xa ï cũng xảy ra sau khi chùm tia tới

với mặt sóng phẳng đi qua khe hở nhỏ khoảng một bước sóng Độ phân giải ngang của chùmtia và độ nhạy của hệ thống siêu âm đều bị ảnh hưởng bởi sự phân kỳ [1]

Hình 3.4 – Sự mở rộng của chùm tia từ một nguồn nhỏ

Hình 3.5 – Sự nhiễu xạ của chùm sóng sau khi đi qua lỗ nhỏ3.1.3.3 – Sự giao thoa :

Khi có nhiều sóng đồng thời truyền qua một miền nào đó của môi trường đàn hồi thìdao động của mỗi điểm trong miền đó là tổng hợp các dao động gây ra bởi từng sóng riêng rẽ.Các sóng đó không làm nhiễu loạn nhau Sau khi gặp nhau , các sóng đó vẫn truyền đi nhưchúng truyền đi riêng rẽ Đó là sự giao thoa hay cịn gọi là nguyên lý chồng chất sóng.

Nếu các sóng cùng tần số và cùng pha, chúng giao thoa cộng hưởng Giao thoa cộnghưởng gây ra sự tăng biên độ.

Hình 3.6 – Giao thoa cộng hưởng

Nếu các sóng có cùng tần số nhưng khác pha, sự giao thoa củ a chúng triệt tiêu, nghĩalà có sự làm giảm biên độ do các đỉnh không trùng hợp ở cùng một vị trí Giao thoa triệt tiêuhoàn toàn xảy ra khi các sóng cùng tần số, biên độâ và hoàn toàn ngược pha Ngoài ra, nếu cácsóng giao thoa trong các trường hợp còn lại sẽ cho kết quả là sóng tổng hợp rất phức tạp.

Hình 3.7 – Giao thoa sóng

Sự giao thoa này rất quan trọng khi thiết kế đầu dò siêu âm bởi nó ảnh hưởng đến tínhđồng nhất của cường độ chùm tia qua trường siêu âm [1]

3.1.3.4 - Sự hấp thụ và độ suy giảm :

Là quá trình mà năng lượng âm bị tiêu tán trong môi trường, nghĩa là chuyển sang dạngnăng lượng khác, chủ yếu là nhiệt Sự hấp thụ chùm siêu âm l iên quan đến tần số chùm tia,tính nhớt và thời gian hồi phục của môi trường.

Mọi dạng tương tác ( phản xạ, khúc xạ, tán xạ, phân kỳ) là giảm cường độ chùm siêuâm bởi sự định hướng lại năng lượng của chùm Vì vậy đ ộ suy giảm cần được xem xét và tínhtoán Độ suy giảm bao gồm ảnh hưởng của tán xạ và hấp thụ trong đặc tính suy giảm biên đôkhi sóng âm truyền qua môi trường Độ suy giảm tuân theo công thừc hàm mũ [1]:

Trong đ đó: A là biên đô đỉnh của chùm tia tại khoảng cách zA0 là biên độ đỉnh ban đầu của chùm tia

a là hệ số suy giảm, bằng tổng hệ số tán xạ as và hệ số hấp thụ 

z là khoảng cách chùm tia đã đi

3.2 - CẢM BIẾN SIÊU ÂM :3.2.1 - Hiệu ứng áp điện :

Cảm biến siêu âm hoạt động dưa trên hiệu ứng áp điện Hiệu ứng này thường thấy ởcác vật liệu kết tinh có các phân tử lưỡng cực (cực âm ở một đầu và cực dương ở một đầu),các vật liệu như vậy được gọi là tinh thể áp điện Khi đặt vào tinh thể áp điện một điện thếxoay chiều, các phân tử lưỡng cực bị vặn để sắp xếp lại chúng trong trường điện thế, nên tinhthể áp điện sẽ bị nén và giãn liên tục theo chu kỳ sẽ tạo ra dao động cơ, chính là sóng siêu âmvà được lan truyền trong môi trường Vậy, một điện áp được đặt vào tinh thể áp điện sẽ tạo rasóng siêu âm được gọi là hiệu ứng áp điện ngh ịch Khi các sóng siêu âm phản hồi về, quay trởlại tinh thể và tạo ra các tín hiệu điện, để từ đó ta có thể thu nhận và xử lý, thì được gọi làhiệu ứng áp điện thuận.

3.2.2 - Nguyên lý hoạt động :