Ultrasound device for help blind, University graduation thesis of Hanoi University of Science and Technology

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Đề tài:
NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ HỖ
TRỢ NGƯỜI MÙ SỬ DỤNG SÓNG SIÊU ÂM
Sinh viên thực hiện: NGUYỄN HÙNG-KTYS-K53
NGỤY PHAN TÍN-KTYS-K53
NGUYỄN HỮU THẮNG-KTSY-K53
Giảng viên hướng dẫn: Th.S NGUYỄN THU VÂN
Hà Nội, 6-2013

2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠIHỌC BÁCHKHOA HÀ NỘI
--------------------------------------------------
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
---------------------------------
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Hùng Số hiệu sinh viên: 20081209
Ngụy Phan Tín 20082681
Nguyễn Hữu Thắng 20082470
Khoá: K53
Viện: Điện tử - Viễn thông
Ngành: Kỹ thuật y sinh
1. Đầu đề đồ án:
………………………………………………………………………………………………………………………..….……
………………………………………………………………………………………………………………………..….……
Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
………………………………………………………………………………………………………………………..….……
……………………………………………………………………………………………………………………………….
………………………………………………………………………………………………………………………..….……
Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
………………………………………………………………………………………………………………..….……………
………………………………………………………………………………………………………………………..….……
………………………………………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………………………………..….……
Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
………………………………………………………………………………………………………………………..….……
……………………………………………………………………………………………………………………..……….…
……………………………………………………………………………………………………….
2. Họ tên giảng viên hướng dẫn………………………………………………………..……………………
3. Ngày giao nhiệm vụ đồ án ………………………………………………….……………
4. Ngày hoàn thành đồ án: ………………………………………………………………………..………
Ngày tháng năm

3. Chủ nhiệm Bộ môn Giảng viên hướng dẫn
Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm
Cán bộ phản biện

4. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------------------
BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Hùng Số hiệu sinh viên: 20081209
Ngụy phan Tín 20082681
Nguyễn Hữu Thắng 20082470
Ngành: Kỹ thuật y sinh Khoá: K53
Giảng viên hướng dẫn:
Cán bộ phản biện: .......................................................................................................................................
1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
...................................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................................
......................................................................................................................
2. Nhận xét của cán bộ phản biện:
...................................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................................
..........................................................................
Ngày tháng năm
Cán bộ phản biện
( Ký, ghi rõ họ và tên )

5. 5
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay xu hướng áp dụng khoa học công nghệ và kỹ thuật vào mọi mặt trong đời
sống xã hội là một xu hướng thiết yếu, đã và đang được các bộ ngành cũng như các
cơ quan nhà nước quan tâm và chú trọng phát triển. Việc ứng dụng khoa học kỹ
thuật ở nước ta vào trong đời sống xã hội sẽ giúp cải thiện nâng cao chất lượng cuộc
sống của người dân, đẩy mạnh quá trình tiếp cận và bắt nhịp với xu hướng chung
của thế giới.
Khoa học kỹ thuật không chỉ giúp tăng năng suất, chất lượng sản xuất mà còn giúp
nâng cao chất lượng cuộc sống của người dân về mặt sức khỏe và tinh thần, đặc biệt
đối với những người khuyết tật không gặp may mắn trong cuộc sống. Một trong
những đối tượng được quan tâm đó là những người bị khiếm thị. Những đối tượng
này do bị các tật về mặt hoặc vì một lý do nào đó mắt không nhìn được nên việc
sinh hoạt giao tiếp với xã hội rất khó khăn. Bằng việc sử dụng các công nghệ hiện
đại như siêu âm, laser, các phương pháp cấy ghép giác mạc ... những người khiếm
thị đã có được nhiều cơ hội hòa nhập với cộng đồng hơn.
Trong các công nghệ hiện nay thì công nghệ sử dụng sóng siêu âm để dẫn đường
được sử dụng khá phổ biến. Do có nhiều ưu điểm so với các phương pháp truyền
thống và một số các phương pháp khác hiện nay. Ngoài ra sóng siêu âm cũng rất an
toàn với người sử dụng và mọi người xung quanh. Từ đó nhóm chúng em đã đưa ra
ý tưởng thiết kế “Thiết bị hỗ trợ người khiếm thị sử dụng sóng siêu âm”.
Dưới sự hướng dẫn tận tình của Th.S Nguyễn Thu Vân cùng sự đoàn kết cố gắng
của cả nhóm, chúng em đã hoàn thành đồ án với đề tài “ Thiết bị hỗ trợ người
khiếm thị sử dụng sóng siêu âm”.
Sau nhiều tháng nỗ lực nghiên cứu và phát triển, chúng em đã đạt được một số kết
quả khả quan trong quá trình triển khai và thực hiện đồ án. Mặc dù vậy, do còn
thiếu sót về mặt kiến thức thực tế cũng như hạn chế về các linh kiện cần thiết nên
nhóm chúng em không tránh khỏi thiếu sót cũng như một số mục tiêu chưa hoàn
thành. Vì vậy nhóm chúng em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy
cô giáo và bạn bè.

6. 6
Nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô giáo Th.S Nguyễn Thu Vân
cùng toàn thể gia đình bạn vè đã hỗ trợ nhóm chúng em trong quá trình nghiên cứu.
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Hùng
Ngụy Phan Tín
Nguyễn Hữu Thắng
`

7. 7
TÓM TẮT ĐỒ ÁN
“Thiết bị hỗ trợ người khiếm thị sử dụng sóng siêu âm”
Sóng siêu âm là một dạng sóng cơ học có khả năng lan truyền trong môi trường rắn,
lỏng, khí. Sóng siêu âm sẽ được phát ra từ một đầu cảm biến, sau khi va chạm với
các vật cản sẽ được thu nhận lại và xử lý để đưa ra những cảnh bảo chỉ dẫn cho
người khiếm thị. Thiết bị sẽ gồm bốn phần cơ bản:
- Đầu cảm biến thu và phát sóng siêu âm
- Khối điều khiển và xử lý tín hiệu siêu âm
- Khối cảnh báo khi có vật cản trên đường di chuyển
- Khối vỏ bảo vệ và gắn thiết bị lên cơ thể người khiếm thị
Thiết bị hỗ trợ sẽ được gắn lên cánh tay của người khiếm thị. Khi người khiếm thị
di chuyển, thiết bị sẽ liên tục phát ra các sóng siêu âm trong phạm vi đã xác định,
thu nhận các sóng âm phản hồi về. Sau đó khối điều khiển và xử lý sẽ tính toán các
thông tin về vị trí, tốc độ của các vật cản phía trước. Từ đó khối cảnh báo sẽ đưa ra
các cảnh báo dẫn đường với người khiếm thị để tránh các vật cản trên đường đi.
Đồ án trình bày quá trình nhóm tìm hiểu, thiết kế và kiểm tra tính thực tiễn của thiết
bị bao gồm 4 chương:
 Chương 1: Khái niệm về siêu âm và các ứng dụng
Trình bày về các khái niệm cơ bản cần biết về sóng siêu âm, các tính chất vật
lý của sóng siêu âm và ứng dụng của sóng siêu âm trong thực tế.
 Chương 2: Cảm biến siêu âm
Trình bày một cách cơ bản về cấu tạo của một cảm biến siêu âm, các thông
số cần quan tâm của một cảm biến siêu âm, nêu cấu tạo và các chế độ hoạt
động của siêu âm HC-SR04 được sử dụng trong đồ án.
 Chương 3: Phân tích và thiết kế
Trình bày về một số đặc điểm đặc trưng của đối tượng sử dụng thiết bị, phân
tích các bài toán thực tế, các yêu cầu cần thiết đối với việc thiết kế thiết bị.
Sau đó, dựa trên các phân tích đưa ra được các giải pháp thiết kế, chế tạo để
giải quyết các bài toán thực tế.

8. 8
 Chương 4: Kết quả đạt được và thử nghiệm
Trình bày về quá trình thử nghiệm thiết bị trong thực tế, đánh giá kết quả thu
được, từ đó rút ra các kết luận, đánh giá tổng kết quá trình triển khai thực
hiện đề tài.

9. 9
ABSTRACT
“Research and design a equipmentassisting sightless person using ultrasonic”
Ultrasonic wave is a form of mechanical waves, can propagate in solid, liquid and
gas. Ultrasonic waves are emitted from a sensor head, after colliding with the
obstacle will be collected and processed to give the warning instructions for blind
people. The equipment will consist of four basic parts:
- The ultrasonic wave transmitter and receiver
- The ultrasonic signal controlling and processingblock
- Warning block when there are obstacle on the move
- Protective shell, attaching the device to the body blind
Assistant equipment will be attached to the arm of the blind. When blind people
move, the device will continuously emit ultrasonic waves in the specified range and
receive the feedback wave. Then the controller and processor block will calculate
information on position, speed of the obstacles ahead. From thatit will give a
statement to warn the blinds to avoid obstacles along the way.
The thesis reports the process of group learning, designing and testing practicality
of the device consists of 4 chapters:
 Chapter 1: the concept of ultrasound and its applications
Presentation of the basic concepts you need to know about sonar, the physical
properties of ultrasonic wave and application in fact.
 Chapter 2: Ultrasonic sensors
Presenting a fundamental way about the texture of an ultrasonic sensor, the need of
an ultrasonic sensor, articulated structure and mode of operation of HC-SR04
ultrasound is used in blueprints.
 Chapter 3: Analysis and design
Presentation on some of the characteristics of using objects, analysis of the actual
problem, the necessary requirements for the design of the equipment. Then, based

10. 10
on the analysis of given designing and buliding solutionsto solve the actual
problem.
 Chapter 4: Test and results achieved
Presentation on the process of testing the device in fact, reviews the results
obtained, from which to draw conclusions, the evaluation of the process of
implementing the subject.

11. 11
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ...............................................................................................................5
TÓM TẮT ĐỒ ÁN ........................................................................................................7
ABSTRACT...................................................................................................................9
MỤC LỤC....................................................................................................................11
DANH MỤC HÌNH VẼ ..............................................................................................14
DANH MỤC BẢNG BIỂU.........................................................................................16
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................17
CHƯƠNG 1. KHÁI NIỆM VỀ SIÊU ÂM VÀ CÁC ỨNG DỤNG.....................22
1.1. Bản chất vật lý của sóng siêu âm..................................................................22
1.1.1. Âm thanh ..............................................................................................22
1.1.2. Sóng âm.................................................................................................23
1.1.3. Sóng siêu âm.........................................................................................28
1.2. Tương tác giữa sóng siêu âm với môi trường .............................................29
1.2.1. Phương trình sóng................................................................................29
1.2.2. Phản xạ .................................................................................................31
1.2.3. Tán xạ ...................................................................................................32
1.2.4. Hấp thụ .................................................................................................33
1.2.5. Sự suy giảm...........................................................................................34
1.2.6. Một số môi trường cụ thể.....................................................................36
1.3. Ứng dụng siêu âm trong y tế.........................................................................39
1.4. Kết luận ..........................................................................................................40
CHƯƠNG 2. CẢM BIẾN SIÊU ÂM .....................................................................42
2.1. Phần tử áp điện và hiệu ứng áp điện ...........................................................42
2.1.1. Phần tử áp điện.....................................................................................42
2.1.2. Hiệu ứng áp điện..................................................................................43
2.1.3. Ứng dụng của hiệu ứng áp điện ..........................................................44
2.2. Đầu dó cảm biến ............................................................................................45
2.2.1. Thành phần cơ bản ..............................................................................45

12. 12
2.2.2. Phân loại...............................................................................................46
2.3. Cấu tạo một đầu dò cảm biến 40kHz...........................................................49
2.3.1. Cơ chế hoạt động của sóng siêu âm ....................................................49
2.3.2. Tổng quan đầu dò.................................................................................50
2.3.3. Cấu trúc bên trong của đầu dò cảm biến ............................................51
2.4. Đặc tính của đầu dò cảm biến ......................................................................54
2.4.1. Cường độ...............................................................................................54
2.4.2. Trường siêu âm ....................................................................................54
2.4.3. Độ phân giải ngang, dọc ......................................................................59
2.5. Module cảm biến SR04..................................................................................61
2.5.1. Cấu tạo và đặc tính của module cảm biến HC - SR04 .......................61
2.6. Kết luận ..........................................................................................................65
CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ.......................................66
3.1. Phân tích tập tính của người khiếm thị.......................................................66
3.1.1. Định nghĩa người khiếm thị ................................................................66
3.1.2. Hoạt động não bộ của người khiếm thị...............................................67
3.2. Phân tích các bài toán thực tế.......................................................................71
3.2.1. Phát hiện vật thể bằng sóng siêu âm...................................................71
3.2.2. Cảnh báo...............................................................................................73
3.2.3. Xử lý tín hiệu ........................................................................................74
3.1.4 Năng lượng...........................................................................................75
3.2.4. Nguyên liệu chế tạo..............................................................................76
3.3. Thiết kế ...........................................................................................................76
3.3.1. Cấu tạo thiết bị......................................................................................76
3.3.2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động thiết bị ......................................................78
3.3.3. Sơ đồ giải thuật.....................................................................................78
3.3.4. Sơ đồ mạch nguyên lý ..........................................................................82
3.3.5. Sơ đồ mạch in .......................................................................................85
3.4. Kết luận ..........................................................................................................86
CHƯƠNG 4. TRIỂN KHAI THỰC TẾ VÀ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC ...............87
4.1. Những kết quả đạt được trên thực tế ..........................................................87

13. 13
4.1.1. Kiểm tra các thông số cảm biến...........................................................87
4.1.2. Kiểm tra năng lượng ............................................................................95
4.2. Những khó khăn gặp phải.............................................................................96
4.2.1. Các lỗi đặc trưng chưa xử lý triệt để...................................................96
4.2.2. Các phương pháp xử lý lỗi...................................................................99
4.3. Kết luận và định hướng phát triển tương lai............................................105
4.3.1. Phân tích tính khả dụng của thiết bị.................................................105
4.3.2. Hướng phát triển tương lai................................................................106
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................107
Phụ Lục ký hiệu toán học.........................................................................................108

14. 14
DANH MỤC HÌNH VẼ
nh . ậy siêu âm................................................................................................18
nh . ính hỗ trợ người khiếm thị.......................................................................19
nh . m thanh tạo ra khi đánh trống.................................................................22
nh . ác ải tần số âm thanh ............................................................................23
nh . iểu diễn dạng sóng...................................................................................24
nh . nh ảnh minh họa sóng dọc và sóng ngang.............................................26
nh . h n oại sóng âm theo tần số, dải tần số của siêu âm.............................27
nh . ự dịch chuyển và phân bố các phần tử ở sóng ngang..............................29
nh . Một khối vật chất với trở kháng Z ở trạng thái cân bằng..........................31
nh . ng tới đến bề mặt phân cách giữa hai môi trường có trở kháng âm khác
nhau sẽ xảy ra hai hiện tượng: khúc xạ và phản xạ..................................................32
nh . Đồ thị biểu diễn độ suy hao theo trục z......................................................36
nh . Giản đồ thể hiên sự suy giảm cường độ âm theo khoảng cách với từng
tần số .........................................................................................................................36
nh . đồ của chùm tia siêu âm trong c thể người với các môi trường c độ
trở kháng khác nhau..................................................................................................39
nh . h n bố cực từ trong vật chất đ n tinh thể và đa tinh thể ........................42
nh . ự phân cực trong vật liệu gốm và tạo ra hiệu ứng áp điện......................43
nh . Ví dụ về hiệu ứng áp điện...........................................................................44
nh . Các chế độ ao động khác nhau có thể xảy ra với tinh thể gốm áp điện ..45
nh . ấu trúc cảm biến siêu âm hở [5] .............................................................47
nh . Mô phỏng quá trình rung [5].....................................................................47
nh . ấu trúc cảm biến siêu âm kín [5].............................................................48
nh . ấu trúc cảm biến siêu âm tần số cao [5] .................................................48
nh . ột cặp đầu dò siêu âm thu và phát ..........................................................50
nh . ặt sau của cảm biến siêu âm.................................................................50
nh . Cảm biến sau khi tháo lớp ưới phía trên ................................................51
nh . Lớp vỏ kim loại và cấu trúc bên trong cảm biến .....................................51
nh . Cấu trúc bên trong của cảm biến.............................................................52
nh . Đế cách điện và dây dẫn của cảm biến....................................................52
nh . Khối tạo ao động của cảm biến .............................................................53
nh . Đồ thị phía trên: trường sóng liên tục của cảm biến mảng vành khuyên
có bán kính r và góc phân kì ∅. Đồ thị phía ưới: iên độ cường độ đã được chuẩn
hóa dọc theo trục đối xứng của cảm biến phía trên ở tần số trung tâm là 5Mhz và
bán kính 7mm. ...........................................................................................................56
nh . Trường siêu âm của cảm biến..................................................................61
nh . Module cảm biến siêu âm HC-SR04 ........................................................62
nh . iản đồ thời gian chế độ 1.......................................................................62
nh . iản đồ thời gian chế độ 2.......................................................................63

15. 15
nh . ướng chùm sóng siêu âm của cảm biến HC-SR04 ................................65
nh . iểu đồ tỉ lệ tiếp nhận thông tin bằng giác quan ở người b nh thường.....67
nh . iểu đồ tiếp nhận thông tin mới ở người; a) người b nh thường; b) người
khiếm thị....................................................................................................................68
nh 3.3 Biểu đồ tiếp nhận thông tin ở người khiếm thị khi sử dụng sóng siêu âm.70
nh . nh ảnh mô tả hoạt động của thiết bị.......................................................72
nh . nh ảnh mô tả vật cản chuyển động về phía thiết bị................................73
nh . in ạc Lipo 500 mAh ................................................................................75
nh . ỏ ngoài thiết bị........................................................................................77
nh . ị trí đặt các khối thiết bị...........................................................................77
nh . đồ nguyên lý hoạt động.........................................................................78
nh . đồ thuật toán và các hàm xử lý ngắt...................................................80
nh . Độ rộng xung theo các chế độ hoạt động ................................................81
H nh . Điều chế động rộng xung để điều khiển động c .....................................81
nh . đồ nguyên lý khối nguồn .....................................................................82
nh . đồ nguyên lý khối xử lý .......................................................................83
nh . đồ nguyên lý khối cảm biến.................................................................84
nh . đồ nguyên lý khối cảnh báo rung........................................................84
nh . Tín hiệu đo đượckhi sử dụng bộ thu để thu nhận tín hiệu .........................87
nh . Tín hiệu đo được khi sử dụng bộ phát để thu.............................................88
nh . Đo tín hiệu thu được ở cả bộ phát và thu ở chế độ hiển thị đồng thời của
oscillator; với tín hiệu đường bao bên ngoài là của bộ thu......................................88
nh 4.4 Tín hiệu iêu m thu được ở khoảng cách 20cm – thang đo m / iv .....89
nh . Tín hiệu iêu m thu được ở khoảng cách 40cm– thang đo m / iv ......90
nh . Tín hiệu iêu m thu được ở khoảng cách 60cm – thang đo m / iv ....90
nh . Tín hiệu iêu m thu được ở khoảng cách 70cm– thang đo m / iv ......91
nh . Tín hiệu iêu m thu được ở khoảng cách 4m – thang đo m / iv...........91
nh . ường độ âm tại một điểm trong không gian ............................................94
nh . Trường siêu âm của module cảm biến HC-SR04 [5]...............................94
nh . Hình ảnh mô tả nhiễu lặp khi sử dụng ba cảm biến siêu âm...................97
nh . Hình ảnh mô tả lỗi tán xạ bề mặt.............................................................98
nh . Hình ảnh mô tả lỗi đọc chéo ....................................................................99
nh . Hình ảnh o ánh hai cách đặt góc giữa hai cảm biến..........................100
nh . Tính toán góc giữa hai cảm biến............................................................100
nh . Sự xuất hiện của đọc chéo [17]..............................................................101
nh . Lưu đồ cách đọc tín hiệu........................................................................102
nh . Thuật toán loại bỏ tín hiệu đọc chéo......................................................103

16. 16
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng . iên độ tín hiệu sóng siêu âm tại các tần số khác nhau...........................92
Bảng . iên độ tín hiệu sóng siêu âm phản xạ tại các bề mặt vật liệu khác nhau
...................................................................................................................................92
Bảng 4.3 Bảng kết quả dải khoảng cách thu phát ng iêu m tư ng ứng với các
kích thước vậtt thể khác nhau ...................................................................................93
Bảng 4.4 Bảng kết quả dải khoảng cách thu phát sóng siêu âm với các góc phát
khác nhau ..................................................................................................................93

17. 17
MỞ ĐẦU
Trong thực tế hiện nay, do điều kiện môi trường thay đổi cũng như nhận thức còn
yếu kém của con người về vấn đề giữ gìn sức khỏe, bảo vệ an toàn cho bản
thântrước những mối nguy hại trong cuộc sống, con người rất dễ gặp phải các vấn
đề về sức khỏe. Sự suy giảm về mặt sức khỏe ảnh hưởng một cách trực tiếp hoặc
gián tiếp đến các hoạt động sinh hoạt bình thường của một cá nhân.
Một trong các vấn đề sức khỏe nổi cộm mà con người gặp phải là các vấn đề về
mắt. Trên thực tế có rất nhiều bệnh làm suy giảm thị lực của con người cũng như
làm hỏng hẳn thị lực. Trong đồ án này, nhóm chúng em quan tâm đến nhóm người
bị suy giảm thị lực nặng được xét vào nhóm bị “mù lòa”. Theo khái niệm của WHO
năm 1992, một người được gọi là khiếm thị khi chức năng thị giác của người đó bị
giảm nặng, thậm chí ngay cả khi đã được điều trị và điều chỉnh tật khúc xạ tốt nhất
nhưng thị lực ở mắt tốt chỉ ở mức dưới 6/18 (0,33) cho đến còn phân biệt sáng tối
và hoặc thị trường bị thu hẹp dưới 100 kể từ điểm định thị [14].
Theo ước tính Việt Nam hiện có khoảng 2 triệu người khiếm thị (năm 2011) [18].
Vì vậy, phục hồi chức năng (PHCN) cho người khiếm thị đóng vai trò quan trọng
trong công tác chống mù lòa, hướng tới thực hiện mục tiêu toàn cầu “Thị giác 2020
- Quyền được nhìn thấy” [13].
Khiếm thị có thể do rất nhiều bệnh lý hay những bất bình thường của con mắt gây
ra. Một số nguyên nhân thường gặp như: bệnh cận thị cao, sẹo giác mạc, đục thể
thủy tinh, bệnh võng mặc sắc tố, bệnh võng mạc đái tháo đường, bệnh thoái hóa
hoàng điểm, bệnh glôcôm, bệnh bạch tạng… Tùy thuộc vào mức độ của bệnh có thể
gây khiếm thị ở mức độ nhẹ, vừa, nặng và rất nặng.
Ở nước ta hiện nay, các thiết bị hỗ trợ người khiếm thị còn rất khiêm tốn sơ sài,
chưa được quan tâm đầu tư nghiên cứu và phát triển đúng mức. Trong khi đó, với
một người khiếm thị việc sinh hoạt cá nhân rất khó khăn, đặc biệt khi những người
khiếm thị muốn đi ra ngoài để giao tiếp làm việc. Chính vì vậy nhóm chúng em đã
quyết định chọn đề tài thiết kế “Thiết bị hỗ trợ người khiếm thị” với mong muốn

18. 18
góp chút sức để giúp đỡ những người kém may mắn có thể cải thiện bớt khó khăn
trong việc hòa nhập với xã hội.
 Các biện pháp hỗ trợ
Người mù và người khiếm thị được xếp chung vào nhóm bệnh nhân “mù lòa”
(visually impaired) hay còn gọi là suy giảm thị lực, các bệnh nhân này chỉ có số ít
được thành công với các ca phẫu thuật mắt, còn phần lớn là không khỏi hoặc chịu
biến chứng sau các ca phẫu thuật. Do đó các biện pháp được đặt ra để thay đổi tình
trạng thị giác cho bệnh nhân mà thực chất là dùng các thiết bị để thay thế cho chức
năng của măt, hoặc là các loại kính đặc biệt để cải thiện sức nhìn. Ngoài các phương
pháp truyền thống như gậy hay chó dẫn đường, hiện nay, các nhà nghiên cứu đã và
đang đưa ra rất nhiều thiết bị sử dụng công nghệ cao như siêu âm, camera lập thể,
mắt sinh học…
Một số biện pháp hỗ trợ người mù đã và đang được nghiên cứu hiện nay:
nh 0.1 Gậy siêu âm
- Gậy siêu âm. Hai cảm biến siêu âm được gắn trên đầu gậy sẽ bắn ra những
tia siêu âm rất mạnh, rất lớn đến nỗi nếu nghe thấy, con người có thể bị điếc.
Tuy nhiên do tần số của nó cực cao nên không gây hại đến tế bào thính giác.

19. 19
Siêu âm phát ra được phản hồi trở lại khi gặp bất kỳ vật cản mềm hay cứng
nào dù đó là những chiếc lá trên cành cây, quần áo trên người, hoặc một tấm
màn, hay các vật thể như bàn, ghế… Những nút cảm ứng trên cán gậy sẽ
rung lên khi thiết bị cảm biến phát hiện có vật cản ở phía trước. Mức độ rung
mạnh hay nhẹ tùy thuộc vào khoảng cách từ gậy đến vật cản. Nhờ đó, người
khiếm thị dùng gậy siêu âm có thể dễ dàng tự đi lại một mình và tránh được
mọi thứ xung quanh. Tuy nhiên, phần lớn người sử dụng có thể phải mất vài
tháng để làm quen với chiếc gậy siêu âm. Còn theo các nhà phát triển, thiết
bị hiện đại này sẽ mang lại cho người mù một thế giới hoàn toàn mới về cảm
giác. Hiện nay, các nhà khoa học cho biết phiên bản mới có nhiều cải tiến và
cho độ chính xác cao hơn.
nh 0.2 Kính hỗ trợ người khiếm thị
- Kính hỗ trợ người khiếm thị: Sử dụng camera lập thể nhỏ xíu được lắp trên
gọng, máy chiếu sẽ phóng những hình ảnh vật thể được đơn giản hóa lên
phần tròng kính, và hình sẽ càng sáng hơn khi tiến gần đến chướng ngại vật
ở phía trước. Công nghệ được tích hợp vào kính có thể mở rộng thêm chức
năng, như đọc sách báo thông qua tai nghe, hoặc quét mã vạch để hiển thị giá
cả từng mặt hàng. Tiến sĩ Stephen Hicks của Đại học Oxford, người phát
minh loại kính trên, dự kiến sẽ cho ra mắt trong vòng 2 năm nữa.

20. 20
- Mắt sinh học: Mắt sinh học đã được nghiên cứu từ rất lâu trước đây. Vào
năm 1929, nhà thần kinh học người Đức Otfird Foerster dùng điện kích thích
vỏ não thị giác của người mù tình nguyện. Kết quả: họ "thấy" được các điểm
sáng nhỏ. Cho đến năm 1968, Giles S. Brindley ở Đại học Cambridge cấy 80
điện cực dưới lớp da đầu một phụ nữ mù 52 tuổi. Khi mở dòng điện, bà ta
thấy được các chấm sáng. Sau nhiều năm nghiên cứu, phương pháp đã có
bước nhảy đột biến Arman Tanguay và đồng nghiệp Noelle Stiles tiến hành
thí nghiệm đầu tiên cấy một camera kỹ thuật số vào mắt, thay thế thấu kính
tự nhiên của con chó bằng thấu kính thủy tinh và một bộ cảm ứng vào năm
2004. Phải đến năm 2010 các camera kỹ thuật số đầu tiên mới được ứng
dụng cơ thể người mù kết nối với vật cấy võng mạc mang 256 điện cực trong
cuộc nghiên cứu của dự án USC. Các nhà nghiên cứu dự đoán đến năm 2014
sẽ chế tạo được vật cấy mang 1000 điện cực cho phép những người tình
nguyện thí nghiệm nhận rõ mặt người và đọc được cỡ chữ khoảng 2,5 cm.
Trong các nghiên cứu gần đây, vật cấy được chế tạo bằng muối bạc hay
sillicon mắc đầy điện cực vào một trong võng mạc của người tình nguyện.
Một camera kỹ thuật số lắp trên kính râm sẽ cung cấp các hình ảnh không
dây đến vật cấy này và các điện cực sẽ kích thích các dây thần kinh võng
mạc để sản sinh ra cảm giác trước ánh sáng trong não. Kết quả thu được rất
khả quan, các tình nguyện viên có thể phân biệt được sáng tối và một số đồ
vật có hình dạng khác nhau.
Các phương pháp kể trên đều có tính khả thi rất cao. Mỗi một phương pháp đều có
ưu nhược điểm và đang được các nhà nghiên cứu tiếp tục phát triển, khắc phục các
nhược điểm. Với năng lực của nhóm cũng như độ lớn của đề tài, nhóm chúng em
quyết định sử dụng phương pháp siêu âm để thiết kế thiết bị hỗ trợ người khiếm thị.
Mục tiêu của nhóm hướng tới là thiết kế một sản phẩm có tính ứng dụng trong thực
tế, có thể hỗ trợ những người khiếm thị dễ dàng hơn trong các hoạt động sinh hoạt
hằng ngày.
 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

21. 21
Với ý tưởng sử dụng sóng siêu âm để đo khoảng cách, kết hợp với hệ thống cảnh
báo để trợ giúp những người mù lòa trong việc phát hiện vật cản, thực hiện bằng
cách sử dụng các transducer thu và phát sóng siêu âm, phân tích khoảng cách và
phản hồi đầu ra bằng xung động cơ học được đặt trên cơ thể của người sử dụng, với
khoảng cách càng gần, xung động càng mạnh. Cụ thể trong đồ án này, nhóm chúng
em sẽ thiết kế và chế tạo một thiết bị đặt ở tay được gắn trên người khiếm thị dưới
dạng một chiếc găng tay. Thiết bị này có những ưu điểm sau:
- Có thể coi là một hệ thống khôi phục giác quan, nối dài các giác quan của
người khiếm thị, để họ có thể tự tin hơn trong việc di chuyển và hành động.
- Giúp người khiếm thị tự do hơn, khi có thể giải phóng cả hai tay, không phải
phụ thuộc vào gậy, hoặc là chó dẫn đường.
- Giá thành rẻ, an toàn cho người sử dụng, máy móc và các sinh vật sống.
Không bị nhiễu bởi ánh sáng mặt trời, điều khiển từ xa, camera an ninh, các
bề mặt hấp thụ ánh sáng… (như hồng ngoại)
- Sử dụng cho mọi trường hợp bệnh nhân suy giảm thị lực, có thể ứng dụng
cho các ngành như định vị - dẫn đường, các ngành công nghiệp, quân sự…
Thiết bị sẽ là một sản phẩm lý tưởng với mức giá không quá đắt giúp cho người
khiếm thị có thể hòa nhập với cộng đồng, cũng như tiện lợi hơn trong những sinh
hoạt hàng ngày.

22. 22
CHƯƠNG 1. KHÁI NIỆM VỀ SIÊU ÂM VÀ CÁC ỨNG DỤNG
1.1. Bản chất vật lý của sóng siêu âm
1.1.1. Âm thanh
Âm thanh là cảm giác cảm nhận được bằng thính giác, là năng lượng cơ học truyền
đi bởi sóng áp suất trong một môi trường vật chất.
Âm học là một nhánh của vật lý học, nghiên cứu về sự lan truyền của sóng âm
thanh trong các loại môi trường và sự tác động qua lại của nó với vật chất.
1.1.1.1. Nguồn âm
Âm thanh được sinh ra từ các vật rung động. Âm thanh phát sinh từ nhiều nguồn thí
dụ như tiếng nói người, tiếng súc vật kêu, tiếng trống, tiếng đàn từ các nhạc cụ . Khi
thổi sáo, khi đánh trống hay khi hai cái ly chạm nhau đều cho một “tiếng” hay một
“âm”. Nói chung, “Tiếng” phát sinh khi có va chạm giữa hai vật. Tiếng cao hay
thấp tùy thuộc vào sự va chạm mạnh hay nhẹ.
nh 1.1 Âm thanh tạo ra khi đánh trống
Khi thổi sáo thì nghe được một tiếng thanh, khi đánh trống thì nghe được một tiếng
trầm. Tiếng thanh hay trầm tùy thuộc vào vật liệu và môi trường không gian của
vật. Trong các nhạc cụ, âm thanh "thanh" hay "trầm" phụ thuộc vào kích thước vật

23. 23
thể như chiều dài, không gian (như sáo, kèn) và cấu tạo (dây thanh mảnh hay dây
to)... Thí dụ âm thoa cho tiếng thanh hay trầm phụ thuộc vào độ dài âm thoa.
1.1.1.2. Bản chất vật lý âm thanh
Các nghiên cứu về âm thanh cho thấy âm thanh nghe được là âm thanh trong dải tần
số 16Hz - 20KHz. Âm thanh có dải tần cao hơn 20KHz gọi là Siêu âm. Âm thanh
thấp hơn 16 Hz gọi Hạ âm.
nh 1.2 Các dải tần số âm thanh
Âm thanh không tồn tại trong chân không. Thí nghiệm cho thấy chuông sẽ không
kêu khi nằm trong môi trường không có không khí.
Âm thanh cần vật chất để di truyền. Âm thanh di truyền qua mọi vật ở ba trạng thái
rắn, lỏng, và khí. Âm thanh dễ truyền trong vật rắn tới vật lỏng tới vật Khí.
Khi âm thanh truyền trong không khí sẽ làm cho các phân tử không khí co lại hay
giãn nở ra tạo ra các cột không khí co giản. Âm thanh di chuyển qua không khí dưới
dạng sóng dọc có vận tốc bằng tích của bước sóng với tần Số sóng:
Vận tốc của âm thanh di chuyển thay đổi theo nhiệt độ và áp suất của môi trường
vật chất. Vận tốc âm thanh ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn đo được bằng 340m/s.
1.1.2. Sóng âm
Sóng là một hiện tượng vật lý trong đó năng lượng được dẫn truyền dưới dạng dao
động của các phần tử vật chất của môi trường truyền sóng, có vận tốc cố định trong
môi trường.

24. 24
Về bản chất, âm thanh là một sóng cơ học, nhanh và thường không tạo ra những
thay đổi nhìn thấy trong môi trường. Âm thanh được đặc trưng bởi tần số, bước
sóng, chu kỳ, biên độ và vận tốc lan truyền (tốc độ âm thanh).
1.1.2.1. Đại lượng đặc trưng của sóng âm
Hình bên dưới là hình biểu diễn của sóng, nó là một tập hợp của các lần nén và dãn
thay đổi tuần tự theo dạng hình sin, trong đó các đỉnh sóng thể hiện áp lực cao nhất
còn các đáy sóng thể hiện áp lực thấp nhất.
nh 1.3 Biểu diễn dạng sóng
Hình bên trên là hình biểu diễn của sóng, nó là một tập hợp của các lần nén và dãn
thay đổi tuần tự theo dạng hình sin, trong đó các đỉnh sóng thể hiện áp lực cao nhất
còn các đáy sóng thể hiện áp lực thấp nhất.
Các đại lượng đặc trưng của sóng bao gồm:
- Chu kỳ là khoảng thời gian thực hiện một nén và dãn. Đơn vị thường
được tính bằng đơn vị đo thời gian( s, ms...)
- Biên độ là khoảng cách lớn nhất giữa 2 đỉnh cao nhất và thấp nhất.
- Tần số (f) là số chu kỳ giao động trong 1 giây, đơn vị đo là Hz.

25. 25
- Độ dài bước sóng λ = (μm): là quãng đường mà sóng truyền được sau
khoảng thời gian bằng 1 chu kỳ (λ = v.T = v/f). Trên hình vẽ, ta thấy
bước sóng λ là khoảng cách giữa hai đỉnh hoặc hai đáy nằm kế nhau.
- Tốc độ sóng âm (c) là quãng đường mà chùm tia siêu âm đi được trong 1
đơn vị thời gian, thường được đo bằng m/s. Tốc độ sóng âm không phụ
thuộc vào công suất của máy phát mà phụ thuộc vào bản chất của môi
trường truyền âm. Những môi trường có mật độ phân tử cao, tính đàn hồi
lớn siêu âm truyền tốc độ cao và ngược lại những môi trường có mật độ
phân tử thấp tốc độ sẽ nhỏ. Giữa tốc độ truyền âm, bước sóng và tần số
có mối liên hệ qua phương trình sau:
- Năng lượng sóng 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.
- Cường độ sóng âm là mức năng lượng do sóng âm tạo nên trên 1 đơn vị
diện tích. Thường được đo bằng đơn vị W/cm2. Cường độ sóng âm sẽ
suy giảm dần trên đường truyền nhng tần số của nó không thay đổi.
Người ta còn tính cường độ sóng âm tương đối đo bằng dB. Khác với
cường độ sóng âm, đại lượng này là một giá trị tương đối, nó cho biết sự
khác nhau về cường độ siêu âm tại 2 vị trí trong không gian.
( )
: Cường độ siêu âm tại một điểm bất kỳ
: Cường độ siêu âm ban đầu

26. 26
1.1.2.2. Phân loại sóng âm
 Theo phư ng ao động
- Sóng dọc (lan truyền trong chất rắn, lỏng, khí): Sóng dọc là sóng mà
phương dao động của các phần tử môi trường trùng với tia sóng. Sóng
dọc xuất hiện trong cá môi trường chịu biến dạng về thể tích, do đó nó
truyền được trong các vật rắn cũng như trong môi trường lỏng và khí.
Sóng siêu âm ứng dụng trong siêu âm chẩn đoán thuộc loại sóng dọc.
- Sóng ngang ( truyền tốt trong chất rắn): Sóng ngang là sóng mà phương
dao động của các phần tử của môi trường vuông góc với tia sóng. Sóng
ngang xuất hiện trong các môi trường có tính đàn hồi về hình dạng. Tính
chất này chỉ có ở vật rắn.
nh 1.4 Hình ảnh minh họa sóng dọc và sóng ngang
 Theo tần số âm: sóng âm được chia theo dải tần số thành 3 vùng chính.
- Sóng âm tần số cực thấp, hay còn gọi là sóng hạ âm (Infrasound): f < 16
Hz. Ví dụ: sóng địa chấn.
- Sóng âm tần số nghe thấy được (Audible sound): f= 16 Hz – 20 kHz

27. 27
- Sóng siêu âm (Ultrasound): f > 20kHz. Các nguồn sóng siêu âm có trong
tự nhiên: Dơi, một vài loài cá biển phát sóng siêu âm để định hướng …
Nói chung các sóng này nằm trong vùng tần số 20 – 100 kHz. Sóng siêu
âm ứng dụng trong y học có tần số từ 700 KHz đến 50 MHz trong đó siêu
âm chẩn đoán sử dụng các tần số từ 2 MHz đến 50 MHz.
nh 1.5 Phân loại sóng âm theo tần số, dải tần số của siêu âm
1.1.2.3. Ứng dụng của sóng âm
 Ứng ụng trong thông tin
Âm thanh nghe được nằm trong dải tần 20Hz - 20 KHz được dùng trong thông tin
để truyền dẫn âm thanh từ nơi phát đến nơi nhận trên một quảng đường gần hay xa.
Thực nghiệm cho thấy, âm thanh trong dải tần 20Hz - 20 KHz dễ mất năng lượng
khi truyền qua không khí nên không thể truyền đi xa hơn 3m. Để truyền âm thanh đi
xa hơn, sóng âm thanh phải được trộn với một sóng dẫn có tần số cao MHz - GHz
cho ra một sóng phát thanh AM, FM hay PM.
- Sóng AM
Sóng AM là một loại sóng trộn của hai sóng, sóng âm và sóng dẫn, có cường độ
sóng dẫn thay đổi theo cường độ sóng âm. Sóng AM thích hợp cho việc truyền
dẫn thông tin trên quãng đường gần hay ngắn trong phạm vi địa phương.

28. 28
- Sóng FM
Sóng FM là một loại sóng trộn của hai sóng, sóng âm và sóng dẫn, có cùng
cường độ nhưng khác tần số. Sóng FM thích hợp cho việc truyền dẫn thông tin
trên quãng đường dài hay xa trong phạm vi trong hay ngoài nước.
Sóng FM cho một tiếng trong rõ hơn sóng AM và có khả năng truyền đi xa hơn
sóng AM. Vậy, có thể tạo một hệ thông tin viễn thông qua hệ thống điện tử.
 Ứng dụng trong thăm ò
Sóng âm còn được dùng trong kỹ thuật thăm dò để tìm vị trí một vật. Sóng âm khi
bị một vận cản sẽ bị phản xạ. Sóng phản xạ cho biết vị trí của một vật.
Quãng đường = Vận tốc x Thời gian
1.1.3. Sóng siêu âm
Siêu âm là âm thanh có tần số cao hơn tần số tối đa mà tai người nghe thấy được.
Tần số tối đa này tùy vào từng người, nhưng thông thường nó vào cỡ 20000 Hz.
Ngược lại với siêu âm, các âm thanh có tần số thấp hơn ngưỡng nghe được bởi tai
người (thường vào khoảng 20 Hz) là hạ âm.
Siêu âm có thể lan truyền trong nhiều môi trường tương tự như môi trường lan
truyền của âm thanh, như không khí, các chất lỏng và rắn, và với tốc độ gần
bằng tốc độ âm thanh. Do cùng tốc độ lan truyền, trong khi tần số cao hơn, bước
sóng của siêu âm thường ngắn hơn bước sóng của âm thanh. Nhờ bước sóng ngắn,
độ phân giải của ảnh chụp siêu âm thường đủ để phân biệt các vật thể ở kích thước
cỡ centimet hoặc milimet. Do đó siêu âm được ứng dụng trong chẩn đoán hình ảnh
y khoa (siêu âm y khoa) hoặc chụp ảnh bên trong các cấu trúc cơ khí trong kiểm tra
không phá hủy. Nhờ khả năng không bị nhận biết được bởi người, sóng siêu âm còn
được dùng trong các ứng dụng quan trắc khác, như để đo khoảng cách hay vận tốc.
Ngoài ra còn có nhiều ứng dụng siêu âm khác như làm sạch bằng siêu âm, hàn siêu
âm, ứng dụng siêu âm trong hóa học, sinh học, ...

29. 29
Siêu âm có thể được tạo ra từ một số loại loa, từ dao động của tinh thể áp điện.
Trong tự nhiên, nhiều loài động vật có thể tạo ra hoặc cảm nhận được siêu âm, ví dụ
như dơi là loài có thị giác kém phát triển nhưng tạo ra và cảm nhận siêu âm để xác
định các vật thể trong không gian xung quanh.
1.2. Tương tác giữa sóng siêu âm với môi trường
1.2.1. Phương trình sóng
Khi sóng siêu âm truyền qua mô sống, năng lượng và động lượng của nó sẽ truyền
vào mô. Sẽ không có sự chuyển khối tại bất kì điểm nào trong môi trường trừ khi
điều này gây ra bởi sự chuyển động lượng. Khi sóng siêu âm truyền qua mô hay
môi trường, áp suất môi trường sẽ tăng lên. Sự dao động của các phần tử chất dẫn
đến sự thay đổi áp suất và tạo ra sóng áp suất truyền trong môi trường vật chất làm
cho các phân tử kế cận dịch chuyển lần lượt.
Các phần tử này có thể dịch chuyển qua lại theo những hướng song song nhau
(sóng dọc) hay vuông góc với phương truyền sóng (sóng ngang).
nh 1.6 Sự dịch chuyển và phân bố các phần tử ở sóng ngang
Chúng ta sẽ xem xét trường hợp thứ nhất, giả sử có một thể tích nguyên tố của
phần tử vật chất có thể xem như một chất lỏng không nhớt (không thể tạo ra

30. 30
sóng trượt). Khi tác dụng một lực làm dịch chuyển một đoạn theo trục
z.
Một gradient:
được tạo ra dọc theo khối thể tích đó. Giả sử rằng khối thể tích đó đủ nhỏ để động
lượng đo được trong môi trường đó là hằng số, ta có thể biểu diễn tuyến tính như
sau:
Theo định luật Hooke :
với K là hệ số đàn hồi, lấy đạo hàm 2 vế theo z, ta có:
với c : vận tốc âm thanh.
√ √
với là mật độ môi trường, và là hệ số nén của môi trường.

31. 31
nh 1.7 Một khối vật chất với trở kháng Z ở trạng thái cân bằng
Sóng áp suất p(t,z) được tạo ra do sự dịch chuyển của các phần tử môi trường
( ) [ ( )]
Trong đó là biên độ âm cực đại. Mối tương quan giữa tốc độ truyền và sóng áp
suất được mô tả theo phương trình sau:
với Z là trở kháng âm của môi trường, được tính bằng công thức:
Cường độ âm:
1.2.2. Phản xạ

32. 32
nh 1.8 Sóng tới đến bề mặt phân cách giữa hai môi trường có trở kháng âm khác nhau
sẽ xảy ra hai hiện tượng: khúc xạ và phản xạ
hệ số phản xạ:
i: góc tới (incident wave).
t: góc truyền qua (transmitted wave) .
hệ số truyền qua:
1.2.3. Tán xạ
Trường tán xạ ngược (scattered back) tác động lên đầu dò tạo nên hình ảnh siêu
âm cấu trúc bên trong của các bộ phận trên ảnh. Sự tán xạ này xảy ra do các mặt
phân cách nhỏ (nhỏ hơn khoảng vài bước sóng). Khi chùm tia siêu âm truyền vào

33. 33
trong cơ thể tác động lên các mặt phân cách , mỗi mặt phân cách chịu tác động lại
hoạt động như một nguồn âm mới và âm được phản xạ theo tất cả các hướng. Sự tán
xạ do các phân tử nhỏ, có kích thước thẳng nhỏ hơn bước sóng gọi là tán xạ
Rayleigh. Tán xạ có sự phụ thuộc mạnh mẽ vào tần số ( ) rất hữu dụng trong
việc mô tả đặc tính mô.
1.2.4. Hấp thụ
Trong quá trình sóng siêu âm đi qua các tổ chức của cơ thể, năng lượng của nó giảm
dần, sở dĩ như vậy là do một phần đã bị phản xạ trở lại, một phần do tương tác với
môi trường chuyển thành nhiệt năng và gây biến đổi cấu trúc của môi trường. Nếu
ta gọi P(d) là biên độ áp âm ở vị trí d, P(0) là biên độ áp âm ban đầu thì:
( ) ( )
α: Hệ số suy giảm siêu âm.
f: tần số sóng siêu âm.
d: khoảng cách đo so với ban đầu.
Theo phương trình trên ta thấy sự suy giảm của năng lượng siêu âm tỷ lệ thuận với
khoảng cách thăm dò, hệ số hấp phụ siêu âm của tổ chức và tần số đầu dò, đây là
một khó khăn cho việc phát triển kỹ thuật siêu âm vì với tần số cao hình ảnh sẽ có
độ nét cao, nhưng độ xuyên sâu kém nên không thể thăm dò được các vị trí ở xa đầu
dò.
Từ đây chúng ta có khái niệm khoảng cách giảm năng lượng 1/2, là khoảng cách mà
chùm tia siêu âm đi được nhưng năng lượng đã bị giảm đi một nửa so với ban đầu.
Năng lượng của chùm tia siêu âm khi tương tác với cơ quan, tổ chức của cơ thể tạo
ra hai hiện tượng:
- Một phần năng lượng này sẽ tạo thành nhiệt, có tác dụng làm nóng tổ
chức mà nó đi qua, tuy nhiên do công suất phát của các máy siêu âm chẩn
đoán rất thấp nên hiện tượng tăng nhiệt độ tại chỗ rất nhỏ, không đáng kể
và không thể đo được (điều này thấy rõ hơn nhiều với các máy siêu âm

34. 34
điều trị sử dụng trong khoa vật lý trị liệu phục hồi chức năng do sử dụng
công suất lớn hơn).
- Tác dụng tạo bọt, hay còn gọi là tạo hốc. Tác dụng này phụ thuộc vào tần số
sóng âm, năng lượng của chùm tia siêu âm và cả tính chất hội tụ của chùm
tia, cũng như tính chất của môi trường truyền âm. Siêu âm có thể tạo ra các
vi bọt có kích thước nhỏ cỡ µm trong các tổ chức, ở mức độ nặng hơn các vi
bọt có thể phá vỡ các tế bào, tuy nhiên tác động này trong thăm khám siêu
âm không rõ ràng và cũng chưa được nghiên cứu đầy đủ.
Hay có thể nói, các tác động sinh học của siêu âm là có thực, tuy nhiên, theo viện
nghiên cứu siêu âm trong y học của Hoa kỳ (AIUM- American Institude of
Ultrasound in Medicine), nếu sử dụng siêu âm tần số thấp với cường độ
<100mW/cm2. Hoặc khi tích cường độ và thời gian xuyên âm < 50Joules/cm2
(J/cm2 = W/cm2x sec.) thì không có hậu quả sinh học.
1.2.5. Sự suy giảm
Tất cả các dạng tương tác: phản xạ, tán xạ, khúc xạ, hấp thụ… đều làm ảnh hưởng
đến cường độ chum siêu âm. Sự hấp thụ năng lượng là quá trình làm suy giảm chum
tia siêu âm nhiều nhất và năng lượng bị hấp thụ này thường chuyển thành nhiệt
năng (có ích trong vật lý trị liệu). Sự hấp thụ chùm tia siêu âm liên quan đến tần số
chùm tia, tính nhớt, và thời gian hồi phục của môi trường.
 Thời gian hồi phục của môi trường: nếu một vật liệu có thời gian hồi phục
ngắn thì các phân tử quay trở về vị trí ban đầu trước khi có chùm tia siêu âm
tiếp theo tác động vào. Nếu thời gian hồi phục dài, các phân tử có thể đang
trở về vị trí ban đầu thì lại có một đợt sóng tác động vào vì thế cần nhiều
năng lượng hơn để dừng và chuyển hướng các phân tử và nó tạo ra nhiệt
nhiều hơn (hấp thụ).
 Độ nhớt: khả năng của các phân tử chuyển động qua một phân tử khác. Độ
nhớt cao hạn chế lớn dòng chảy cần phải thắng lực ma sát bởi các phân tử
chuyển động.

35. 35
 Tần số: cũng ảnh hưởng đến sự hấp thụ trong mối quan hệ với cả độ nhớt và
thời gian hồi phục. Nếu tần số tăng, các phân tử dao động nhiều hơn do đó
tao ra nhiều nhiệt hơn do ảnh hưởng kéo theo của ma sát (độ nhớt), thời gian
cho các phân tử quay lại trạng thái ban đầu trong thời gian hồi phục ít hơn.
Các phân tử sẽ tiếp tục chuyển động, cần nhiều năng lượng hơn để dừng và
định hướng lại chúng, dẫn đến hấp thụ năng lượng nhiều hơn. Tốc độ hấp thụ
liên quan đến tần số, tần số tăng gấp đôi, tốc độ hấp thụ của các phân tử cũng
tăng gấp đôi.
( )
với là hệ số nhớt động học, chỉ số nhớt trượt của môi trường.
nghiệm của phương trình trên:
( ) ( ) [ ( )]
với là hệ số suy giảm
( )
từ đó suy ra cường độ của chùm siêu âm:
( ) ( ) [ ( )]
〈 〉 ( )

36. 36
nh 1.9 Đồ thị biểu diễn độ suy hao theo trục z
nh 1.10 Giản đồ thể hiên sự suy giảm cường độ âm theo khoảng cách với từng tần số
1.2.6. Một số môi trường cụ thể
 Trong môi trường đồng nhất
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

37. 37
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 truyền là do có sự tương tác
giữa siêu âm và các phần tử nhỏ của cơ thể gây ra hiệu ứng toả 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. 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 1 MHz, tuy nhiên
nếu nói chính xác mối quan hệ giữa tần số và hệ số hấp phụ không hoàn toàn tuyến
tính, nhưng trong giải 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 2MHz thì hệ số hấp phụ tăng lên
gần gấp đôi. Do đó muốn nâng cao độ 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 tính an toàn cho bệnh nhân điều kiện thứ 2 thường
không thể thực hiện được.
 Trong môi trường không đồng nhất
Cơ thể người là một môi trường không đồng nhất, bao gồm nhiều thành phần vật
chất có cấu trúc khác nhau. Khi chùm tia siêu âm truyền tới biên giới của hai môi
trường có độ trở kháng âm 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:

38. 38
ρ: mật độ môi trường
c: tốc độ siêu âm trong cơ thể
Z: Độ trở kháng rayl (kg/m2/sX 10-6)
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 tỷ lệ thuận với độ
chênh lệch trở kháng giữa 2 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.
[
( )
( )
]
Với : Độ trở kháng âm môi trường 1
: 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:
( )
PT: Hệ số truyền qua (Percentage transmitted) (%)
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.
Nhưng trên thực tế phức tạp hơn và ta có hiện tượng phản xạ toàn phần hoặc hiện -
ượng 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.
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 hướng khác nhau và chỉ có rất ít các sóng này trở

39. 39
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).
nh 1.11 đồ của chùm tia iêu m trong c thể người với các môi trường c độ trở
kháng khác nhau.
1.3. Ứng dụng siêu âm trong y tế
Các ứng dụng của siêu âm diều trị trong y học được chấp nhận và lợi ích của tác
dụng siêu âm sinh học được sử dụng nhiều năm qua. Cường độ siêu âm thấp khoảng
1 MHz được áp dụng rộng rãi kể từ thập niên 1950 cho vật lý trị liệu trong viêm gân
và viêm bao hoạt dịch. Trong thập niên 1980, sóng gây sốc ở biên độ áp lực cao
(high pressure amplitude shock waves) bắt đầu được dùng trong tán sỏi thận và
nhanh chóng được lựa chọn điều trị thường xuyên nhất thay cho phương pháp phẫu
thuật truyền thống. Sử dụng năng lương siêu âm trị liệu tiếp tục mở rộng, và được
chấp nhận trong tất cả các ứng dụng điều trị bằng tác động sinh học siêu âm, chuẩn
hóa, định liều, bảo đảm lơi ích tối ưu về tỷ lệ rủi ro cho bệnh nhân.
Siêu âm không chỉ là một phương thức chuẩn đoán hình ảnh mà còn là một phương
thức điều trị mà trong đó năng lượng được gửi trong mô để tạo ra các tác dụng sinh
học. Ứng dụng y học siêu âm cho trị liệu bắt đầu được khám phá từ thập niên 1930.
Các ứng dụng ban đầu đã cố sử dụng các cơ chế làm nóng mô (tissue heating) cho
nhiều bệnh khác nhau. Qua các thập niên sau, những tiến bộ khoa học cho phép cải

40. 40
tiến phương pháp điều trị hiệu quả bệnh Meniere, bằng cách hủy dây thần kinh tiền
đình (vestibular) và bệnh Parkinson bằng cách dùng siêu âm tập trung (focused
US) để huỷ mô não khu trú. Vào những năm 1970, siêu âm điều trị được thành lập
cho vật lý trị liệu và nghiên cứu tiếp tục với các ứng dụng khó khăn hơn trong phẫu
thuật thần kinh và cho điều trị ung thư. Sau đó, siêu âm điều trị đã phát triển nhanh
chóng, với một loạt các phương pháp mà đến nay vẫn còn sử dụng. Các ứng dụng
mạnh của siêu âm điều trị hiệu quả cũng mang lại các tác dụng sinh học rủi ro ngoại
ý bất lợi, dẫn đến chấn thương nghiêm trọng, thậm chí đe dọa mạng sống bệnh
nhân. Vì vậy, việc chuẩn hóa, định liều (dosimetry)và giảm thiểu nguy cơ tác dụng
phụ phải được xem xét cẩn thận để đảm bảo một kết quả tối ưu cho bệnh nhân.
Mục đích của phần này là phác thảo ngắn về sự phát triển gần đây của các ứng dụng
siêu âm điều trị và các thiết bị chuyên ngành đã được chấp thuận cho sử dụng, cùng
với cân nhắc an toàn có liên quan. Các ứng dụng điều trị của siêu âm có thể được sử
dụng lâm sàng sau khi được tổ chức FDA (Food and Drug Administration) của
chính phủ Mỹ phê cho tiếp thị các thiết bị điều trị thích hợp.Cơ sở cơ bản của năng
lượng và các cơ chế qua trung gian siêu âm cho các hiệu ứng sinh học được thảo
luận, theo sau thảo luận về các phương pháp siêu âm điều trị bằng cách sử dụng
nhiệt, bao gồm vật lý trị liệu, nhiệt độ cao và siêu âm tập trung cường
độ cao (HIFU), sau đó các ứng dụng không nhiệt đã được xem xét và nghiên cứu
phát triển với các thiết bị siêu âm với tần số kHz. Một số phương pháp trị liệu siêu
âm mới vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu bao gồm thẩm thấu qua da (skin
permeabilization) để phân phối thuốc và siêu âm xung cường độ thấp, có thể làm
sớm lành xương gãy, phương pháp vi bọt (microbubble) mới hoặc phương pháp
điều trị bằng cách tạo hốc (cavitation).Những nghiên cứu khám phá sâu hơn nữa về
vật lý và sinh học của sóng siêu âm sẽ dẫn đến các phương pháp điều trị và ứng
dụng mới mang tính đột phá trong y học.
1.4. Kết luận
Trong chương này chúng ta đã tìm hiểu rõ các tính chất cơ bản của sóng siêu âm
như cường độ âm, tần số, vận tốc âm, đặc biệt là tính chất phản xạ của sóng âm

41. 41
trong môi trường không đồng chất. Đây là chính chất quan trọng của sóng siêu âm
được sử dụng trong đề tài nghiên cứu này để chế tạo thiết bị hỗ trợ người khiếm thị.
Ở chương tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu về cấu tạo và phương thức hoạt động của
cảm biến siêu âm nói chung, và tìm hiểu sơ qua về một số loại cảm biến trong thực
tế.

42. 42
CHƯƠNG 2. CẢM BIẾN SIÊU ÂM
Đầu dò cảm biến siêu âm có nhiệm vụ phát chùm tia siêu âm và thu nhận chùm tia
siêu âm phản xạ quay về. Dựa trên nguyên lý áp điện của Pierre Curie và Paul Curie
phát minh năm 1880 người ta có thể chế tạo được các đầu dò siêu âm đáp ứng được
các yêu cầu trên.
2.1. Phần tử áp điện và hiệu ứng áp điện
2.1.1. Phần tử áp điện
Phần tử áp điện là một chất có khả năng tạo ra điện tích khi bị tác dụng bởi một ứng
suất cơ học (bị ép hoặc kéo). Ngược lại, một biến dạng cơ học (co hoặc mở rộng)
được tạo ra khi phần tử bị một điện trường tác động. Hiệu ứng này được hình thành
trong các tinh thể không có tâm đối xứng. Để giải thích điều này, chúng ta phải đi từ
các phân tử cá tao nên tinh thể. Mỗi phân tử đều có sự phân cực, một đầu tích điện
dương và đầu kia tích điện âm, và được gọi là lưỡng cực. Đây là kết quả do các
nguyên tử tạo nên phân tử và cách các phân tử được hình thành. Trên trục cực là
một đường tưởng tưởng chạy qua trung tâm của các hai cực phân tử. Trong một đơn
tinh thể, đơn trục cực của tất cả các lưỡng cực đều nằm theo một hướng. Tinh thể
được cho là đối xứng nếu bạn cắt tinh thể ở bất kỳ điểm nào, các trục cực của cả hai
phần sẽ nằm cùng một hướng như lúc đầu. Trong một đa tinh thể, có những khu vực
khác nhau mà tại đó tồn tại các trục cực khác hướng với các trục còn lại. Đó gọi là
phân tử bất đối xứng.
nh 2.1 Phân bố cực từ trong vật chất đ n tinh thể và đa tinh thể

43. 43
2.1.2. Hiệu ứng áp điện
Hiệu ứng áp điện có tính thuận nghịch: Khi nén và dãn tinh thể thạch anh theo một
phương nhất định thì trên bề mặt của tinh thể theo phương vuông góc với lực kéo,
dãn sẽ xuất hiện những điện tích trái dấu và một dòng điện được tạo thành, chiều
của dòng điện thay đổi theo lực kéo hoặc dãn. Ngược lại khi cho một dòng điện
xoay chiều chạy qua tinh thể thạch anh, tinh thể sẽ bị nén và dãn liên tục theo tần số
dòng điện và tạo thành dao động cơ học. như vậy hiệu ứng áp điện rất thích hợp để
chế tạo đầu dò siêu âm.
Để tạo ra hiệu ứng áp điện, đa tinh thể được làm nóng dưới tác dụng của một điện
trường mạnh. Nhiệt làm các phân tử di chuyển tự do hơn và lực điện trường của
lưỡng cực trong tinh thể mạnh lên và khiến các cực từ sắp xếp theo cùng một
hướng.
nh 2.2 Sự phân cực trong vật liệu gốm và tạo ra hiệu ứng áp điện

44. 44
nh 2.3 Ví dụ về hiệu ứng áp điện
Hiệu ứng áp điện có thể được quan sát thấy trong tinh thể. Hình 2.3 minh họa hiệu
ứng áp điện, hình 2.3a cho thấy vật liệu áp điện mà không có ứng suất hoặc tích
điện. Nếu vật liệu được nén, sau đó một điện áp của các cực tương tự như điện áp
phân cực sẽ xuất hiện giữa các điện cực (b). Nếu kéo dài, một điện áp phân cực
ngược lại sẽ xuất hiện (c). Ngược lại, nếu điện áp được áp dụng các vật liệu sẽ làm
biến dạng. Một điện áp với các cực đối diện như điện áp phân cực sẽ gây ra sự mở
rộng của vật chất, (d), và một điện áp cùng với các cực sẽ gây ra các vật chất để nén
(e). Sử dụng một tín hiệu xoay chiều sau đó thì nguyên liệu sẽ dao động ở cùng một
tần số tín hiệu (f).
2.1.3. Ứng dụng của hiệu ứng áp điện
Tinh thể áp điện uốn cong theo những cách khác nhau ở tần số khác nhau. Uốn này
được gọi là chế độ dao động. Tinh thể có thể được thực hiện thành các hình dạng
khác nhau để đạt được chế độ dao động khác nhau. Để thực hiện nhỏ, hiệu quả về
chi phí, và hiệu quả hoạt động cho mỗi sản phẩm cao, một số phương thức đã được
phát triển để hoạt động trên một số dải tần số. Các chế độ này cho phép chúng ta

45. 45
làm cho sản phẩm làm việc trong phạm vi kHz thấp lên đến khoảng MHz. Hình 4
cho thấy các chế độ dao động và tần số mà họ có thể làm việc.
Một nhóm quan trọng của vật liệu áp điện là gốm áp điện. Người ta sử dụng những
chế độ dao động và gốm sứ khác nhau để làm cho nhiều sản phẩm hữu ích, chẳng
hạn như cộng hưởng đồ, bộ lọc dải, bộ tách sóng, bẫy gốm, bộ lọc sóng âm bề mặt,
và chuông… như trong hình 2.4
nh 2.4 Các chế độ ao động khác nhau có thể xảy ra với tinh thể gốm áp điện
2.2. Đầu dò cảm biến
2.2.1. Thành phần cơ bản
 Chấn tử tạo ao động: thành phần cơ bản của đầu dò siêu âm là các chấn tử.
Mỗi chấn tử bao gồm 1 tinh thể được nối với dòng điện xoay chiều. Khi cho
dòng điện chạy qua tinh thể áp điện. Chiều dày của các tinh thể càng mỏng
tần số càng cao. Vì các tinh thể thạch anh, PVDF (polyvinylidene difluoride)

46. 46
có những hạn chế về mặt kỹ thuật nên ngày nay nhiều vật liệu mới như các
muối titanat (bari titanat, PZT-lead ziriconi titanat…) được sử dụng trong
công nghệ chế tạo đầu dò , cho phép tạo ra những đầu dò có tần số theo yêu
cầu sử dụng. Đồng thời trước kia mỗi đầu dò chỉ phát 1 tần số cố định, ngày
nay bằng công nghệ mới người ta có thể sản xuất những đầu dò đa tần, bằng
cách cắt các tinh thể thành những mảnh rất nhỏ tứ 100- 200 µm, sau đó ngăn
cách chúng bằng một loại vật liệu tổng hợp có độ trở kháng thấp, những đầu
dò kiểu mới có thể phát với các tần số khác nhau trên một dải rộng 2-4 MHz,
thậm chí 3-17MHz...
Tần số cộng hưởng đặc trưng cho hiệu năng chuyển hóa năng lượng điện
thành năng lượng sóng âm và ngược lại. Tần số cộng hưởng phụ thuộc vào
độ dày l của lớp vật liệu, lớp vật liệu càng mỏng thì tần số cộng hưởng càng
lớn và ngược lại.
 Lớp vật liệu đệm (Backing material): trong siêu âm hình ảnh, đầu dò phát
một hệ thống xung siêu âm ngắn (có thể là 1 chu kỳ) sau đó là một khoảng
lặng để tín hiệu dội trở về (nhận) trước khi chùm khác phát đi. Lý tưởng là
vật liệu đệm có thể hấp thụ hết năng lượng, trừ một chu kỳ sóng được tạo ra
từ mặt trước của đầu dò. Để truyền năng lượng lớn nhất (từ tinh thể đến vật
liệu hỗ trợ) vật liệu đệm cần có trở kháng âm giống hệt với tinh thể. Phần sau
của lớp backing được vát xiên để ngăn chặn sự phản xạ năng lượng âm vào
tinh thể.
2.2.2. Phân loại
 Đầu dò cảm biến siêu âm hở

47. 47
nh 2.5 Cấu trúc cảm biến siêu âm hở [5]
Như minh hoạ trong sơ đồ cấu trúc một đầu dò cảm biến siêu âm, một bộ rung tích
hợp được gắn cố định lên đế. Bộ rung tích hợp này bao gồm một bộ cộng hưởng và
một bộ rung mà được cấu tạo từ một phiến kim loại và một phiến gốm áp điện. Bộ
cộng hưởng có hình nón để tăng hiệu quả việc phát sóng siêu âm bằng cơ chế rung,
đồng thời để tăng hiệu quả tập trung sóng siêu âm ở trung tâm của bộ rung.
nh 2.6 Mô phỏng quá trình rung [5]
Hình 2.6 Mô tả lại quá trình mô phỏng hữu hạn các rung động của bộ rung tích hợp.
 Đầu dò cảm biến siêu âm kín

48. 48
nh 2.7 Cấu trúc cảm biến siêu âm kín [5]
Bộ cảm biến siêu âm để sử dụng ngoài trời được đóng gói kín để bảo vệ khỏi sương,
mưa và bụi. Thành phần gốm áp điện được gắn phía trong trên đỉnh của vỏ hợp kim.
Đường dẫn của vỏ được bọc lớp vỏ nhựa.
 Cảm biến siêu âm tần số cao
nh 2.8 Cấu trúc cảm biến siêu âm tần số cao [5]
Để sử dụng trong robot công nghiệp, độ chính xác phải đạt đến mức 1mm và độ
nhạy phát xạ cao. Do độ cong rung của bộ rung thông thường không có đặc điểm

49. 49
thực tế để có thể thu được ở tần số cao hơn 70kHz, và do đó, chế độ rung dọc theo
chiều dày của lớp vật liệu gốm áp điện được sử dụng để thăm dò cấu trúc ở tần số
cao.Trong trường hợp này, phối hợp trở kháng âm giữa gốm áp điện và không khí
reaast quan trọng.Trở kháng âm của gốm áp điện là 2.6×10.7 , trong khi đó
của không khí là 4.3×10.2 . Sự chênh lệch gấp 5 lần này gây ra tổn hao lớn
trên bề mặt phát xạ rung động của gốm áp điện.
Phối hợp trở kháng âm với không khí được thực hiện bằng cách ghép thêm một lớp
vật liệu đặc biệt với gốm áp điện, được gọi là lớp phối hợp trở kháng âm.
Cấu trúc này cho phép các cảm biến siêu âm có thể làm việc trong các tần số lên
đến vài trăm kHz.
2.3. Cấu tạo một đầu dò cảm biến 40kHz
2.3.1. Cơ chế hoạt động của sóng siêu âm
Cảm biến siêu âm là các thiết bị sử dụng các biến đổi năng lượng điện – cơ để đo
khoảng cách từ các cảm biến đến đối tượng quan tâm. Sóng siêu âm là sóng cơ dọc,
truyền trong môi trường vật chất như một chuỗi các quá trình nén và giãn dọc theo
hướng lan truyền. Ngoài việc đo đạc khoảng cách, họ cũng được sử dụng trong
kiểm tra các vật liệu liệu bằng siêu âm (để phát hiện các vết nứt, bong bóng khí, và
các lỗ hổng trong các sản phẩm), phát hiện đối tượng, phát hiện vị trí, con chuột
siêu âm…
Các cảm biến được phân loại thành hai loại dựa theo hiện tượng làm việc của
chúng: cảm biến áp điện và cảm biến tĩnh điện. Ở đây chúng ta xem xét đến các bộ
cảm biến siêu âm sử dụng nguyên tắc áp điện. Bộ cảm biến siêu âm sử dụng một vật
liệu áp điện để tạo ra những con sóng siêu âm.

50. 50
2.3.2. Tổng quan đầu dò
nh 2.9 Một cặp đầu dò siêu âm thu và phát
Một cảm biến siêu âm trong thực tế bao gồm cặp truyền và nhận được nhúng với
nhau thành một đầu dò đơn hoặc tách ra thành một cặp đầu dò thu phát.
nh 2.10 Mặt sau của cảm biến siêu âm
Hình ảnh trên hiển thị mặt sau của các bộ cảm biến siêu âm, cho ta biết đâu là cảm
biến thu đâu là cảm biến phát dựa ssvào kí hiệu “T” và “R”, chỉ số 40 cho biết cặp
cảm biến này làm việc ở tần số 40kHz. Cấu trúc bên trong của cả hai cảm biến gần
như tương tự nhau, có hai chân tín hiệu truyền dẫn tín hiệu điện đến và trả về từ các
cảm biến.

51. 51
2.3.3. Cấu trúc bên trong của đầu dò cảm biến
 Lớp vỏ bên ngoài
nh 2.11 Cảm biến sau khi tháo lớp ưới phía trên
nh 2.12 Lớp vỏ kim loại và cấu trúc bên trong cảm biến
Lớp lưới kim loại phía trên và vỏ kim loại có tác dụng bảo vệ cảm biến khỏi bụi,
mưa và sương.

52. 52
 hối tạo ao động và cộng hưởng
nh 2.13 Cấu trúc bên trong của cảm biến
Sau khi bỏ lớp lưới phía trên chúng ta có thể thấy cấu tạo bên trong của cảm biến.
Lớp vật liệu áp điện, vật liệu đêm và nón kim loại là những thành phần chính của
cảm biến được gắn keo lên đế cách điện. Lớp vật liệu kim loại hình nón trên đỉnh là
bộ cộng hưởng được dùng để năng cao hiệu quả thu phát sóng siêu. Khối vật liệu
hình tròn là khối rung tạo ra sóng siêu âm, được cấu tạo từ lớp vật liệu áp điện và
lớp vật liệu đệm. Khối cộng hưởng được hàn lên trên khối rung.
 D y ẫn
nh 2.14 Đế cách điện và dây dẫn của cảm biến

53. 53
Đĩa tạo dao động được nối với mạch ngoài qua hai dâydẫn. Hai dây dẫn này nằm
sau khối vật liệu đệm, có nhiệm vụ triệt tiêu dao động quán tính của vật liệu gốm áp
điện sau khi đã tạo ra các xung sóng siêu âm. Như trên hình minh hoạ, có sự khác
biệt nhỏ trong cấu trúc cảm biến thu và cảm biến nhận tương ứng.
 hối tạo ao động
nh 2.15 Khối tạo ao động của cảm biến
Khối tạo dao động bao gồm một đĩa vật liệu tạo ra từ các vật liệu gốm áp điện được
gắn cố định vào một đĩa kim loại. Vật liệu gốm áp điện chuyển đổi các tín hiệu
điện để tạo ra các sóng siêu âm và ngược lại. Khi điện áp được áp vào hai phía của
vật liệu gốm áp điện, lớp vật liệu áp điện sẽ bị biến dạng theo các mức điện áp và
tần số. Đĩa gốm áp điện có hình tròn trong bộ phát và hình vuông trong bộ nhận để
tạo ra dao động một cách hiệu quả.
 hư ng thức hoạt động
Bộ phát sóng siêu âm sử dụng một tinh thể gốm áp điện gắn liền với một tấm kim
loại hình nón. Khi đưa một điện áp vào lớp vật liệu gốm áp điện, lớp vật liệu này sẽ
rung với quá hai quá trình nén và giãn diễn ra liên tục. Do đó theo tính chất áp điện,
sóng siêu âm được tạo ra và lan truyền thẳng do bộ cộng hướng hình nón.
Bộ thu sóng siêu hoạt động trên nguyên lý ngược lại. Khi sóng siêu âm đập vào bộ
cộng hưởng sẽ gây ra sự rung động trên khối rung được gắn với nó (tấm kim loại).
Lớp vật liệu áp điện dính trên khối rung sẽ rung theo, từ đó một dòng điện được

54. 54
sinh ra do tính cho chất của vật liệu gốm áp điện. Dòng điện này được đưa ra mạch
ngoài nhờ hai dây dẫn.
2.4. Đặc tính của đầu dò cảm biến
2.4.1. Cường độ
Cường độ chùm sóng siêu âm
( )
( )
Trong đó
( )
( )
Với ( ) là nghiệm của phương trình Bessel, Jinc(x) còn được gọi là hệ số định
hướng (directivity).
Độ hội tụ: độ phân giải ngang (điều quan trọng nhất trong siêu âm chẩn đoán) có thể
cải thiện bằng sự hội tụ (focusing) tinh thể đầu dò. Sự hội tụ giới hạn độ sâu trường
gần hiệu dụng do chùm tia phân kỳ nhanh chóng vượt qua vùng hội tụ.
Vùng hội tụ đựơc định nghĩa là vùng mà cường độ có giá trị trong khoảng giảm 3dB
so với cực đại dọc theo trục đầu dò.Vùng hội tụ gần mặt đầu dò hơn so với độ sâu
trường gần không hội tụ với các đầu dò có cùng tần số và đường kính.Vùng hội tụ
có thể không đối xứng quanh điểm hội tụ(là điểm có cường độ cực đại), chùm tia
hẹp nhất tại điểm hội tụ, cường độ chùm siêu âm tại điểm hội tụ lớn hơn so với
cường độ của đầu dò không hội tụ có cùng đường kính do mặt cắt ngang của chùm
tia của đầu dò hội tụ nhỏ hơn so với đầu không hội tụ. Độ lớn cường độ được tạo ra
bởi hội tụ có thể cao tới hệ số 100.
2.4.2. Trường siêu âm
 Sóng liên tục

55. 55
Chúng ta sẽ xem xét đầu dò có cấu trúc đơn giản nhất, nguồn âm được tạo ra từ
những khe tròn đơn. Khi đó, theo nguyên lý Huygen, ta có được sự giao thoa của
những nguồn đơn trên đầu dò
Vùng cực đại:
( )
( )
Vùng cực tiểu:
vị trí cổ chùm:
Vì r >> nên
Dựa vào phổ quan sát được, ta thấy cường độ chùm tia không đồng nhất ở vùng
trường gần (không phân kỳ) và đồng nhất ở vùng trường xa (phân kỳ).

56. 56
nh 2.16 Đồ thị phía trên: trường sóng liên tục của cảm biến mảng vành khuyên có bán
kính r và góc phân kì ∅. Đồ thị phía ưới: iên độ cường độ đã được chuẩn hóa dọc theo
trục đối xứng của cảm biến phía trên ở tần số trung tâm là 5Mhz và bán kính 7mm.
 Trường gần (near field): đối với đầu dò không hội tụ, độ sâu trường gần D
(khoảng cách mà trường gần đi vào trong cơ thể) :
f: tần số đầu dò
d: đường kính đầu dò
c: vận tốc âm trong môi trường
: bước sóng chùm siêu âm

57. 57
Công thức trên chỉ ra rằng độ sâu trường gần tăng nhanh chóng khi đường kính đầu
dò tăng.
Khi tăng tần số độ sâu trường gần tăng. Trên lý thuyết, khi tăng tần số, vùng phân
giải ngang tốt nhất được mở rộng nhưng trong thực tế, tần số càng cao bị hấp thụ
càng mạnh khi truyền qua mô và do vậy, các cấu trúc ở sâu khó thấy được do các
sóng phản xạ quá yếu.
 Trường xa (far field): tại đây chùm tia bắt đầu bị phân kỳ (đối với đầu dò
không hội tụ).
Góc mở:
( )
Công thức trên cho thấy khi tần số tăng góc phân tán sẽ nhỏ đi,cũng vậy khi đường
kính tăng thì chùm tia phân tán.
Độ phân giải ngang giảm giá trị ở vùng trường xa do sự phân tán của chùm tia. Nếu
có thể, vùng quét quan tâm nên hạn chế ở vùng trường gần.
 Trường áp suất dạng xung - trường xung echo
Sóng phản xạ có thể coi là sóng cầu trong trường hợp sóng truyền qua bị tán xạ
ngược (back-scattered) và khoảng cách giữa phần mô gây tán xạ ngược (back-
scatterers) đầu dò là lớn. Hay khi sử dụng cùng thíêt bị đầu dò cho cả truyền qua và
ghi nhận, có cùng đáp ứng xung, ta có thể mô tả được qua trình tạo và ghi nhận của
trường tán xạ. Do đó, người ta có thể biểu diễn toán học dạng sóng phản xạ như sau:
( ) ( ) ( )
với p(x,y,z) là đáp ứng xung hệ thống
f(x,y,z) là tính chất âm của cấu trúc mô.

58. 58
Trong đó
( ) ( ) ( ) ( )
Px(x) Hướng trục dọc.
Py(y) Hướng trục ngang.
Pz(z) Hướng trục sâu .
Tín hiệu r(x,y,z) gọi là tín hiệu thô, đây không phải là tín hiệu hiển thị lên màn hình
máy siêu âm.
Theo nguyên lý Huygen, giả sử sóng truyền thẳng thì đáp ứng xung của từng tinh
thể có thể cộng gộp lại
( ) ∑ ( )
N: số tinh thể đầu dò.
Pj(x,y,z) : hàm truyền của từng tinh thể.
Pa(x,y,z) : hàm truyền của toàn bộ hệ thống đầu dò tại vị trí (x,y,z).
Nếu tinh thể có kích thước nhỏ và khoảng cách đầu dò đến trường điểm lớn, thì
những tinh thể đầu dò nầy có thể coi là hàm Dirac:
| ( )| |
( )
( )
|
K: số sóng
d: khoảng cách từ đầu dò đến trường điểm
D: khoảng cách giữa 2 tinh thể kế cận.

59. 59
: góc tán xạ.
Búp chính của chùm tia ở vị trí nhưng vẫn còn có những vị trí có cường độ
cực đại nữa :
( )
n=1, 2, 3 …
điều này chứng tỏ rằng tín hiệu thu nhận cũng bị ảnh hưởng bởi các tán xạ lân cận
vùng quan sát. Những đáp ứng tự nhiên này là những tín hiệu không mong muốn.
Cường độ chùm tia phụ này thường thấp hơn từ 60-100dB so với chùm siêu âm
chính. Tuy nhiên nếu hiển thị ở cường độ lớn thì các tia phụ này có thể tạo ra ảnh
giả. Có thể hạn chế tác chùm tia phụ này bằng gắn các tinh thể này ở khỏang cách
nhỏ hơn 1 bước sóng.
2.4.3. Độ phân giải ngang, dọc
Độ phân giải của đầu dò là khoảng cách gần nhất giữa 2 cấu trúc cạnh nhau mà trên
màn hình chúng ta vẫn còn phân biệt được. như vậy có thể nói độ phân giải càng
cao khả năng quan sát chi tiết các cấu trúc càng rõ nét, chính vì thế độ phân giải là
một trong những chỉ tiêu để đánh giá chất lượng máy siêu âm. người ta phân biệt độ
phân giải ra làm 3 loại: Độ phân giải theo chiều dọc là khả năng phân biệt 2 vật theo
chiều của chùm tia (theo chiều trên-dưới của màn hình). Độ phân giải ngang là khả
năng phân biệt theo chiều ngang (chiều phải-trái của màn hình). Độ phân theo chiều
dày (chiều vuông góc với mặt phẳng cắt, vì thực tế mặt cắt siêu âm không phải là
một mặt phẳng, mà có độ dày nhất định). Độ phân giải phụ thuộc rất nhiều vào tần
số của đầu dò, vị trí của cấu trúc đang nghiên cứu thuộc trường gần hay xa của đầu
dò.
 Độ ph n giải ngang
Như đã đề cập, những kiểu đầu dò khác nhau cũng như sự tương thích khác nhau
cần được xem xét phụ thuộc vào từng ứng dụng cụ thể.

60. 60
Sóng liên tục: hiệu quả sử dụng chùm siêu âm(điều trị, Doppler)
Sóng xung: chất lượng hình ảnh hiển thị.
Hệ số chất lượng
B: băng thong của xung tại vị trí -3dB
f0 : tần số trung tâm.
Q: tỉ lệ nghịch với băng thông
Q cao: xung dài, hay liên tục
Q thấp: xung ngắn có độ phân giải ngang cao.
Độ phân giải ngang:
 Độ ph n giải ọc( atera re o ution)
Độ phân giải dọc thường ảnh hưởng bởi các thấu kính hơn là bản chất của xung siêu
âm.

61. 61
nh 2.17 Trường siêu âm của cảm biến
2.5. Module cảm biến SR04
2.5.1. Cấu tạo và đặc tính của module cảm biến HC - SR04
 Giới thiệu
Cảm biến HC – SR04 là một module có khả năng đo lường không tiếp xúc
khoảng cách từ 2cm – 400 cm, với độ chính xác lên đến 3mm. Các module
bao gồm bộ phát, bộ thu và mạch điều khiển. Nguyên tắc hoạt động cơ bản
của module:
- Cấp một 1 xung kích hoạt mức cao có độ rông 10 us lên chân IO.
- Module tự đọng gửi tám xung với tần số 40 kHz và phát hiện các xung
dội lại.
- Nếu tín hiệu dội lại, chân IO sẽ được kéo lên mức 1, độ rộng của mức
một trên chân IO tương ứng với thời gian từ khi gửi đi đến lúc tín hiệu
siêu âm trở về. Và từ đó có thể xác định được khoảng cách:
Khoảng cách kiểm tra bằng độ rộng xung mức cao nhân với vận tốc âm
thanh (340 m/s) chia cho hai.

62. 62
nh 2.18 Module cảm biến siêu âm HC-SR04
 Chế độ 1: kích hoạt và phản hồi tách biệt
nh 2.19 Giản đồ thời gian chế độ 1
Từ giản đồ ta nhận thấy, để cho hc-sr04 hoạt động thì cần cấp 1 xung mức cao có độ
rộng lớn hơn bằng 10uS trên chân Tri. Sau khi nhận được xung từ chân Tri thì hc-
sr04 sẽ tạo ra 8 xung để phát siêu âm, sau khi hoàn thành việc phát 8 xung này thì
hc-sr04 sẽ kéo chân echo lên mức 1, độ rộng của mức 1 trên chân echo tương ứng
với khoản cách của vật cản với hc-sr04, nếu ko có vật cản thì nó sẽ được trả về mức
0 sau 30ms. Đặc biệt là hc-sr04 chỉ có thể nhận xung trên chân Tri tối đa là 20Hz,
cho nên việc kích xung trên chân Tri phải phù hợp thì hc-sr04 mới hoạt động chính
xác.

63. 63
 Chế độ 2: kích hoạt và phản hồi cùng 1 chân
Chế độ này sử dụng một chân duy nhất cho cả tín hiệu kích hoạt và hồi tiếp, và
được thiết kế để lưu các giá trị trên chân lên bộ điều khiển nhúng. Để sử dụng chế
độ này, chân chế độ kết nối vào chân mát. Tín hiệu hồi tiếp sẽ xuất hiện trên cùng
một chân với tín hiệu kích hoạt. HC-SR04 sẽ không tăng dòng phản hồi cho đến
700uS sau khi kết thúc các tín hiệu kích hoạt. Lệnh PULSIN được tìm ra và được
dùng phổ biến hiện nay để điều khiển tự động.
nh 2.20 Giản đồ thời gian chế độ 2
Để sử dụng chế độ 2 với các Stamps BS2 cơ bản, chỉ cần sử dụng PULSOUT và
PULSIN trên cùng một chân, như sau:
HC-SR04 PIN 15 ‘sử dụng chân 15 cho cả hai và kích hoạt echo.
Range VAR Word ‘xác định phạm vi biến 16 bit
HC-SR04 = 0 ‘bắt đầu bằng chân thấp.
PULSOUT HC-SR04, 5 ‘đưa ra kích hoạt pulse 10uS (5 x 2uS).
PULSIN HC-SR04, 1, Range ‘echo đo thời gian
Range = Range/58 ‘để chuyển đổi sang cm (chia 148 cho inch)
 Tính toán khoảng cách