Bài 7 · Chuyên đề học tập

Siêu âm

Tính độ sâu ranh giới từ thời gian vọng (d = vt/2), hiểu vì sao phải bôi gel (trở kháng âm, phản xạ), chọn tần số đầu dò và đọc được các kiểu siêu âm A, B, Doppler.

Ứng với SGK Vật lí 12 (bộ thống nhất): Chuyên đề 2 · Bài 7

⚡ Nhớ nhanh

1Siêu âm: sóng âm tần số > 20 kHz; chẩn đoán dùng khoảng 1 – 20 MHz. Đầu dò phát xung ngắn rồi thu vọng (echo) phản xạ ở ranh giới giữa hai mô.
2Độ sâu: d = vt/2 (t là thời gian đi và về). Máy coi mô mềm có v = 1540 m/s ⇒ cứ 1 cm sâu ứng với khoảng 13 μs.
3Trở kháng âm Z = ρv. Cường độ phản xạ ở ranh giới: R = (Z₂ − Z₁Z₂ + Z₁)²; phần truyền qua T = 1 − R. Z chênh nhiều ⇒ vọng mạnh.
4Không khí–da phản xạ 99,9 % ⇒ phải bôi gel lấp khe không khí giữa đầu dò và da.
5Bước sóng λ = v/f. Tần số cao ⇒ ảnh nét hơn nhưng bị hấp thụ mạnh, nhìn được nông hơn.
6Doppler: sóng phản xạ từ vật chuyển động (hồng cầu) lệch tần số Δf = 2fv cos θ / c. Bẫy: quên chia 2 ở d = vt/2.

👀 Nhìn là hiểu

Xung siêu âm đi xuống, mỗi ranh giới gửi về một vọng và đồ thị A hiện thêm một gai. Kéo khối sâu hơn thì gai dời sang phải. Tab Thí nghiệm quét đầu dò ngang qua khối rồi dựng mặt cắt; tab Đoán trước có câu "không bôi gel".

Vọng mặt khối t65 μs

Độ sâu d = vt/25,0 cm

Bước sóng λ = v/f0,31 mm

Suy giảm tới khối (đi và về)25 dB

Kéo thả tự do, xem số và đồ thị chạy theo.

Độ sâu mặt khối (ngay dưới x = 4 cm): 5,0 cm Vị trí đầu dò x: 4 cm

Khối:

Tần số:

Nang cho hai vọng yếu (R ≈ 0,4 %): thành trước sau 65 μs (d ≈ 5,0 cm), thành sau sau 91 μs. Đường kính = v·Δt/2 ≈ 2,0 cm. Mỗi cm sâu ứng với khoảng 13 μs.

1 🔊 Vọng và độ sâu

Cần nhớ

✦Siêu âm là sóng âm tần số trên 20 kHz, tai người không nghe thấy. Sóng âm là sóng dọc, truyền trong chất rắn, lỏng, khí, không truyền trong chân không.
✦Tốc độ âm phụ thuộc môi trường: không khí ≈ 340 m/s; mỡ ≈ 1450; nước ≈ 1480; mô mềm trung bình ≈ 1540; cơ ≈ 1580; xương ≈ 4080 m/s. Máy siêu âm lấy v = 1540 m/s cho mô mềm.
✦Đầu dò (tinh thể áp điện) vừa phát xung ngắn vừa thu vọng. Xung gặp ranh giới giữa hai mô thì một phần phản xạ về đầu dò, phần còn lại đi tiếp.
✦Vì sao chia 2: thời gian t đo được là thời gian xung đi tới ranh giới rồi quay về, nên quãng đường đi tới ranh giới chỉ bằng nửa vt.

Dạng bài

Tính độ sâu ranh giới từ thời gian vọng

1 Đổi t sang giây: 1 μs = 10⁻⁶ s.
2 Chọn tốc độ âm của mô (mô mềm: v = 1540 m/s).
3 Tính d = v·t/2.
4 Thử lại: t = 2d/v phải ra đúng thời gian đề cho.

⚠️ Bẫy hay gặp: Quên chia 2: d = 1540 · 65·10⁻⁶ ≈ 0,10 m = 10 cm, sâu gấp đôi thực tế. Nhớ: sóng đi cả hai chiều.

🩻

Làm mẫu

Đầu dò phát xung vào mô mềm (v = 1540 m/s), thu vọng từ một ranh giới sau 65 μs. Ranh giới nằm ở độ sâu bao nhiêu?

Hướng dẫn giải

Thử tự giải trước nhé!

Dạng bài

Đo kích thước một vật từ hai vọng

1 Xác định hai vọng: thành trước (t₁) và thành sau (t₂).
2 Hiệu thời gian Δt = t₂ − t₁ là thời gian đi và về qua bề dày vật.
3 Kích thước D = v·Δt/2.
4 Thử lại: D phải bằng hiệu hai độ sâu d₂ − d₁.

⚠️ Bẫy hay gặp: Lấy D = v·Δt = 4,0 cm (quên chia 2), hoặc lấy d₂ = v·t₂ = 12 cm rồi trừ. Cả hai đều bỏ sót chuyến về của sóng.

🫧

Làm mẫu

Một nang chứa dịch cho hai vọng: thành trước sau 52 μs, thành sau sau 78 μs (v = 1540 m/s). Tính đường kính nang.

Hướng dẫn giải

Thử tự giải trước nhé!

2 🧴 Trở kháng âm, phản xạ và gel

Tốc độ âm và trở kháng âm (1 MRayl = 10⁶ kg/(m²·s))

Môi trường	v (m/s)	Z (MRayl)
Không khí	340	0,0004
Mỡ	1450	1,33
Nước	1480	1,48
Gan (mô mềm)	1550	1,65
Cơ	1580	1,70
Xương	4080	7,8

Cần nhớ

✦Trở kháng âm Z = ρv (mật độ nhân tốc độ âm). Z càng chênh lệch giữa hai bên ranh giới thì phản xạ càng mạnh.
✦Hệ số phản xạ cường độ: R = (Z₂ − Z₁Z₂ + Z₁)²; phần truyền qua T = 1 − R. R luôn từ 0 đến 1.
✦Hai mô mềm gần nhau (mỡ–cơ) chỉ phản xạ vài phần trăm ⇒ vọng yếu nhưng còn sóng đi sâu. Ranh giới mô–xương hay mô–khí phản xạ rất mạnh ⇒ sau xương không còn thấy gì (bóng cản âm).
✦Gel: không khí–da có R ≈ 99,9 %, chỉ khoảng 0,1 % cường độ đi vào cơ thể. Gel có Z gần như mô (≈ 1,5 MRayl) lấp khe không khí nên sóng vào được.

Dạng bài

Tính phần phản xạ và truyền qua ở một ranh giới

1 Tra Z₁ và Z₂ của hai môi trường (cùng đơn vị).
2 Tính Z₂ − Z₁Z₂ + Z₁ rồi bình phương ⇒ R.
3 Phần truyền qua T = 1 − R.
4 Thử lại: R tăng khi hai Z chênh nhau nhiều; R nằm trong [0; 1].

⚠️ Bẫy hay gặp: Quên bình phương: 0,642 ≈ 64 %. Công thức tính cường độ phản xạ phải có bình phương.

🦴

Làm mẫu

Xung siêu âm đi từ cơ (Z₁ = 1,70 MRayl) tới xương (Z₂ = 7,8 MRayl). Tính phần cường độ phản xạ và truyền qua.

Hướng dẫn giải

Thử tự giải trước nhé!

3 📡 Tần số, bước sóng và độ sâu quan sát

Cần nhớ

✦Bước sóng λ = v/f. Trong mô mềm: 2,5 MHz ⇒ λ ≈ 0,62 mm; 5 MHz ⇒ 0,31 mm; 10 MHz ⇒ 0,15 mm.
✦Độ phân giải dọc cỡ vài bước sóng (xung 2 chu kì thì cỡ λ): hai ranh giới gần nhau hơn khoảng đó thì hai vọng chồng thành một. Tần số cao ⇒ λ nhỏ ⇒ ảnh nét.
✦Mô hấp thụ siêu âm, mạnh dần theo tần số: khoảng 0,5 dB cho mỗi cm đường đi và mỗi MHz. Đường đi gồm cả đi và về: suy giảm ≈ 0,5·f·(2d) dB.
✦Chọn đầu dò: nhìn sâu (bụng, thai) dùng 2 – 5 MHz; nhìn nông, nét (tuyến giáp, mạch máu ngoài) dùng 7 – 15 MHz.

Dạng bài

Kiểm tra suy giảm khi chọn tần số

1 Quãng đường đi và về: s = 2d (cm).
2 Suy giảm = 0,5 dB/(cm·MHz) · f (MHz) · s (cm).
3 Đổi dB ra tỉ số cường độ: 10 dB ứng với giảm 10 lần, 30 dB ứng với giảm 1000 lần.
4 Thử lại: tăng f hay d thì suy giảm phải tăng.

⚠️ Bẫy hay gặp: Tính suy giảm chỉ theo d (một chiều): 0,5 · 3 · 10 = 15 dB. Vọng đã đi cả đi lẫn về nên phải dùng 2d.

📉

Làm mẫu

Đầu dò 3 MHz quan sát một cơ quan ở sâu 10 cm. Hấp thụ khoảng 0,5 dB/(cm·MHz). Tổng suy giảm khi sóng đi và về là bao nhiêu dB?

Hướng dẫn giải

Thử tự giải trước nhé!

4 🩺 Các kiểu siêu âm: A, B, Doppler

Ba kiểu thường gặp

Kiểu	Cho ra	Dùng để
A (biên độ)	Đồ thị biên độ vọng theo thời gian của một chùm tia	Đo khoảng cách, bề dày (vd: chiều dài nhãn cầu)
B (độ sáng)	Ảnh lát cắt 2 chiều: quét nhiều chùm, độ sáng điểm ∝ biên độ vọng	Quan sát thai, gan, thận, tim
Doppler	Độ lệch tần số giữa sóng phát và sóng vọng	Đo tốc độ và chiều dòng máu

Hiệu ứng Doppler trong siêu âm

✦Hồng cầu chuyển động lại gần đầu dò: tần số vọng lớn hơn tần số phát; ra xa: nhỏ hơn.
✦Độ lệch tần số: Δf = 2f·v·cos θ / c. Số 2 vì sóng bị dịch tần hai lần (khi tới hồng cầu và khi phản xạ về); θ là góc giữa chùm tia và dòng máu; c = 1540 m/s.
✦θ = 0 (chùm song song dòng máu) cho Δf lớn nhất; θ = 90° thì cos θ = 0 ⇒ không đo được. Vì thế bác sĩ nghiêng đầu dò, thường dưới 60°.

Dạng bài

Tính tốc độ dòng máu hoặc độ lệch Doppler

1 Ghi f (Hz), c = 1540 m/s, góc θ.
2 Δf = 2f·v·cos θ / c, hoặc ngược lại v = c·Δf / (2f cos θ).
3 Đổi Δf sang kHz cho dễ đọc.
4 Thử lại: Δf cỡ kHz, nhỏ hơn f hàng nghìn lần.

⚠️ Bẫy hay gặp: Quên số 2: Δf = fv/c ≈ 1,6 kHz, chỉ bằng nửa đáp số đúng.

🩸

Làm mẫu

Đầu dò 5 MHz đặt song song dòng máu (θ = 0) đo máu chảy với tốc độ 0,5 m/s. Tính độ lệch tần số (c = 1540 m/s).

Hướng dẫn giải

Thử tự giải trước nhé!

5 🔬 Thí nghiệm: quét đầu dò, dựng mặt cắt

Dạng bài

Các bước thí nghiệm

1 Dụng cụ: đầu dò 5 MHz, gel, mô hình mô mềm chứa một khối.
2 Bôi gel lên mặt mô hình rồi đặt đầu dò ở vị trí x.
3 Đọc thời gian t của vọng từ mặt trên của khối (bỏ qua vọng yếu ở lớp mỡ–cơ), tính d = vt/2.
4 Lặp lại với nhiều vị trí x, vẽ d theo x để thấy hình dạng mặt khối. Thử lại: hai vị trí đối xứng cho d bằng nhau ✓.

⚠️ Bẫy hay gặp: Quên bôi gel: chỉ có một vọng rất mạnh ở ngay mặt da, phía sau gần như không còn tín hiệu ⇒ không đọc được t của khối. Tab Thí nghiệm tô vàng những lần ghi như vậy.

Một bảng số liệu mẫu (v = 1540 m/s)

x (cm)	t (μs)	d = vt/2 (cm)
0	86	6,6
2	70	5,4
4	65	5,0
6	70	5,4
8	86	6,6

Đọc bảng số liệu

✦d nhỏ nhất (5,0 cm) ở x = 4 cm: mặt khối nhô gần da nhất ở giữa, càng ra hai bên càng sâu.
✦Hai vị trí đối xứng qua x = 4 (x = 2 và 6; x = 0 và 8) cho cùng t ⇒ mặt khối đối xứng.
✦Chênh giữa x = 0 và x = 4: 86 − 65 = 21 μs ứng với 1540 · 21·10⁻⁶/2 ≈ 1,6 cm sâu hơn.

6 🐬 Hiện tượng quanh ta

✦🤰 Siêu âm thai: dùng sóng không ion hoá, quan sát được nhiều lần; phải bôi gel để sóng vào được bụng.
✦🦇 Dơi, cá heo tự phát siêu âm và nghe vọng để tìm mồi, đúng nguyên lí d = vt/2.
✦🚢 Sonar đo độ sâu biển: tín hiệu quay lại sau 0,4 s, v ≈ 1500 m/s ⇒ đáy sâu ≈ 300 m.
✦🚗 Cảm biến lùi xe phát siêu âm cỡ 40 kHz, đo thời gian vọng để báo khoảng cách tới vật cản.

7 💡 Mẹo làm nhanh và lỗi hay sai

⚡ Mẹo làm nhanh trắc nghiệm

✦Trong mô mềm: d (cm) ≈ t μs13, hay t ≈ 13 · d. Vọng sau 65 μs ⇒ 5 cm; sau 130 μs ⇒ 10 cm.
✦Thấy "gel", "không khí", "xương" ⇒ nghĩ ngay tới Z chênh nhiều, R lớn.
✦Cần tính R: nhẩm hiệu và tổng Z trước, bình phương sau.
✦Muốn nét hơn thì tăng f; muốn sâu hơn thì giảm f.

⚠️ Lỗi hay sai nhất

✦Quên chia 2 ở d = vt/2: vọng 65 μs thành 10 cm thay vì 5,0 cm.
✦Quên bình phương trong R: cơ–xương ra 64 % thay vì 41 %.
✦Suy giảm chỉ tính một chiều: 15 dB thay vì 30 dB (3 MHz, sâu 10 cm).
✦Quên số 2 ở Doppler: 1,6 kHz thay vì 3,2 kHz; quên cos θ khi chùm tia nghiêng.
✦Quên đổi μs ra giây (10⁻⁶), ra đáp số lệch 10⁶ lần.
✦Tưởng gel "dẫn sóng nhanh hơn": gel chỉ lấp khe không khí.

📏 Kiểm tra đơn vị và độ lớn

✦Độ sâu quan sát cỡ vài cm tới vài chục cm; thời gian vọng cỡ chục tới vài trăm μs. Ra mét hay mili giây là sai đơn vị.
✦R và T nằm trong [0; 1] (0 % đến 100 %) và R + T = 1.
✦Bước sóng siêu âm chẩn đoán cỡ 0,1 – 1 mm, rất nhỏ so với kích thước cơ quan.
✦Δf Doppler cỡ kHz, nhỏ hơn f (MHz) hàng nghìn lần.

✏️ Luyện tập

Làm xong mỗi nhóm bấm Kiểm tra. Câu sai có lời giải ngắn và nút quay lại phần kiến thức.

🔊

Vọng và độ sâu

1
Nhận biết
Siêu âm là sóng âm có tần số
2
Nhận biết
Siêu âm dùng để chẩn đoán trong y học thường có tần số cỡ
3
Thông hiểu Đầu dò thu vọng từ một ranh giới sau 78 μs. Lấy v = 1540 m/s. Ranh giới ở độ sâu bao nhiêu cm? Đáp số:
4
Thông hiểu
Vọng từ một ranh giới trong mô mềm (v = 1540 m/s) trở về sau 104 μs. Độ sâu ranh giới là
5
Vận dụng Một nang cho hai vọng (n = 1 là thành trước, n = 2 là thành sau): $n t (μ s) 152278$ Lấy v = 1540 m/s. Đường kính nang là bao nhiêu cm? Đáp số:
6
Vận dụng
Máy siêu âm cần quan sát tới độ sâu 12 cm trong mô mềm (v = 1540 m/s). Sau mỗi xung phát, máy phải chờ vọng ít nhất khoảng

🧴

Trở kháng âm, phản xạ, gel

1
Nhận biết
Trở kháng âm của một môi trường được tính bằng
2
Thông hiểu
Siêu âm phản xạ mạnh ở ranh giới giữa hai môi trường khi hai môi trường đó
3
Thông hiểu Mô có mật độ 1060 kg/m³ và tốc độ âm 1540 m/s. Trở kháng âm là bao nhiêu MRayl (1 MRayl = 10⁶ kg/(m²·s)), làm tròn đến hai chữ số thập phân? Đáp số:
4
Thông hiểu Ranh giới mỡ (Z = 1,33 MRayl) và cơ (Z = 1,70 MRayl) phản xạ bao nhiêu phần trăm cường độ, làm tròn đến một chữ số thập phân? Đáp số:
5
Thông hiểu
Phải bôi gel giữa đầu dò và da vì
6
Vận dụng
Ở ranh giới cơ–xương, cường độ phản xạ là 41 %. Phần cường độ truyền qua ranh giới là

📡

Tần số và độ sâu quan sát

1
Thông hiểu Đầu dò 5 MHz trong mô mềm (v = 1540 m/s). Bước sóng là bao nhiêu mm, làm tròn đến hai chữ số thập phân? Đáp số:
2
Thông hiểu
Tăng tần số đầu dò siêu âm thì
3
Vận dụng Hấp thụ trong mô khoảng 0,5 dB/(cm·MHz). Đầu dò 3 MHz, cơ quan ở sâu 10 cm. Tổng suy giảm đi và về là bao nhiêu dB? Đáp số:
4
Vận dụng
Đổi đầu dò từ 2,5 MHz sang 10 MHz. Bước sóng trong mô mềm

🩺

Siêu âm A, B, Doppler

1
Nhận biết
Siêu âm kiểu B cho ra
2
Vận dụng Đầu dò 5 MHz song song dòng máu, máu chảy 0,5 m/s, c = 1540 m/s. Độ lệch tần số Doppler là bao nhiêu kHz, làm tròn đến một chữ số thập phân? Đáp số:
3
Thông hiểu
Chùm siêu âm nghiêng 60° so với phương dòng máu (cos 60° = 0,5). So với khi song song dòng máu, độ lệch tần số Doppler

🔬

Thí nghiệm và số liệu

1
Thông hiểu
Quét đầu dò ngang qua một khối, đo thời gian vọng của mặt trên khối: $x (cm) t (μ s) 086270465670886$ Mặt trên của khối gần da nhất tại
2
Thông hiểu Theo bảng ở câu trên, tại x = 0 vọng về sau 86 μs. Lấy v = 1540 m/s. Mặt khối ở độ sâu bao nhiêu cm, làm tròn đến một chữ số thập phân? Đáp số:

🐬

Hiện tượng quanh ta

1
Thông hiểu
Cảm biến lùi xe phát siêu âm và thu vọng sau 5,0 ms. Lấy tốc độ âm trong không khí 340 m/s. Vật cản cách xe

🏆 Luyện theo dạng đề tốt nghiệp

Đề Vật lí có 3 phần: 18 câu 4 lựa chọn, 4 câu đúng/sai (mỗi câu 4 ý) và 6 câu trả lời ngắn (đáp số tối đa 4 ký tự, kể cả dấu − và dấu phẩy). Dưới đây là đủ 3 dạng, chỉ dùng kiến thức của bài này.

🅰️

Kiểm tra · Trắc nghiệm

1
Thông hiểu
Vọng từ một ranh giới trong mô mềm (v = 1540 m/s) về sau 91 μs. Ranh giới ở độ sâu
2
Thông hiểu
Nếu bác sĩ quên bôi gel thì ảnh siêu âm hầu như trống vì
3
Vận dụng
Hai mô có trở kháng âm 1,0 MRayl và 3,0 MRayl. Phần cường độ phản xạ ở ranh giới giữa chúng là

✅

Kiểm tra · Đúng / sai

1
Thông hiểu
Một nang chứa dịch trong gan cho hai vọng: thành trước sau 52 μs, thành sau sau 78 μs. Lấy v = 1540 m/s, Z của cơ 1,70 MRayl, của dịch trong nang 1,50 MRayl.

a)Thành trước của nang ở độ sâu khoảng 4,0 cm.

b)Thành sau của nang ở độ sâu 12 cm vì 1540 · 78·10⁻⁶ = 0,12 m.

c)Đường kính nang khoảng 2,0 cm.

d)Nếu ranh giới là cơ–xương (Z = 7,8 MRayl) thì vọng yếu hơn vì xương cứng nên hấp thụ hết sóng.
2
Vận dụng
Đầu dò 5 MHz đặt song song dòng máu đang chảy lại gần đầu dò với tốc độ 0,6 m/s. Lấy c = 1540 m/s.

a)Tần số vọng lớn hơn tần số phát.

b)Độ lệch tần số Doppler khoảng 3,9 kHz.

c)Nghiêng chùm tia 60° so với dòng máu thì Δf tăng gấp đôi.

d)Nếu máu chảy ra xa đầu dò thì tần số vọng vẫn bằng tần số phát.

🔢

Kiểm tra · Trả lời ngắn

1
Thông hiểu Vọng về sau 117 μs trong mô mềm (v = 1540 m/s). Ranh giới ở độ sâu bao nhiêu cm? Đáp số:
2
Vận dụng Đầu dò 7 MHz trong mô mềm (v = 1540 m/s). Bước sóng là bao nhiêu mm, làm tròn đến hai chữ số thập phân? Đáp số:
3
Vận dụng Hấp thụ 0,5 dB/(cm·MHz). Đầu dò 5 MHz quan sát cơ quan ở sâu 4 cm. Tổng suy giảm đi và về là bao nhiêu dB? Đáp số:

🎯 Bài này vào đề tốt nghiệp ở đâu?

•Chuyên đề không có trong đề thi tốt nghiệp; nội dung dùng cho kiểm tra trên lớp và đánh giá chuyên đề.
•Hay hỏi tính độ sâu hoặc kích thước từ thời gian vọng (d = vt/2) và ghi nhớ vì sao phải chia 2.
•Thường có câu giải thích gel, phản xạ ở ranh giới (Z chênh lệch, R, T), và so sánh tần số cao thấp (nét hơn hay nhìn sâu hơn).
•Có thể hỏi Doppler: chiều thay đổi tần số và tính Δf; bẫy quên số 2 và cos θ.

Làm đề thi thử trọn bộ

Bài tiếp theo
Chụp cộng hưởng từ