"Đạn âm thanh" giúp cải tiến hình tượng thính giác
Các nhà nghiên cứu thuộc viện công nghệ California (Caltech) đã chế tạo một thiết bị cho phép phát ra những tín hiệu âm thanh có độ tập trung cao và biện độ lớn nhằm mang lại những hình tượng thính giác rõ ràng hơn so với các thiết bị ảnh hóa siêu âm trong y học thông thường. Tín hiệu sóng âm được gọi đạn âm thanh (Sound Bullets) còn thiết bị là một thấu kính âm thanh phi tuyến. Theo nhóm nghiên cứu, thiết bị sẽ được dùng để thăm dò những hư tổn bên trong những vật thể "không trong suốt" như cầu cống, vỏ tàu thuyền, cánh máy bay. Ngoài ra, thiết bị còn được áp dụng để phát triển một loại dao mổ không xâm lấn và phục vụ trong công tác điều trị ung thư.
Phó giáo sư hàng không học và vật lý ứng dụng Chiara Daraio cùng nghiên cứu sinh sau tiến sỹ Alessandro Spadoni đã chế tạo thấu kính âm thanh này bằng cách lắp ghép 21 chuỗi hạt bi thép không rỉ song song thành một mạng lưới. Mỗi chuỗi gồm 21 viên bi đường kính 9.5mm. Ngoài thép, bi có thể được làm từ các vật liệu đàn hồi khác và hình dạng bi cũng có thể thay đổi.
Trong quá trình chế tạo thấu kính âm thanh, các nhà nghiên cứu đã lấy ý tưởng từ mô hình chuỗi con lắc Newton - mô hình bao gồm một dãy các quả cầu giống nhau treo lơ lửng trên khung bằng dây. Khi một quả cầu ở một đầu được kéo và thả, nó sẽ tác động lực vào quả cầu tiếp theo trong chuỗi và khiến quả cầu còn lại ở đầu kia dội ra.
Chuỗi hạt trong thấu kính âm thanh trên trông giống một phiên bản lớn hơn của mô hình Newton. Trong thấu kính, một xung lực được kích thích tại một đầu và sóng phi tuyến sẽ hình thành trong chuỗi. Theo Daraio: "Các chuỗi hạt sẽ biểu diễn một cách đơn giản những đường sóng âm phi tuyến. Chúng lợi dụng đặc tính của sự va chạm hạt để điều chỉnh hình dạng tín hiệu âm thanh dẫn truyền và tốc độ dẫn truyền, qua đó tạo nên các xung âm thanh gọi là sóng đơn."
Không giống như sóng gợn xuất hiện khi chúng ta ném một viên sỏi xuống mặt hồ, sóng đơn có thể tồn tại độc lập, trước hoặc theo sau những sóng khác. Daraio cho biết thêm: "Sóng đơn luôn duy trì một bước sóng không gian giống nhau và có biên độ lớn mà không chịu bất kì tác động biến dạng nào bên trong thấu kính. Đây là một điểm tiến bộ hơn so với các công nghệ hiện thời."
Chuỗi hạt được nén lại gần nhau (nén sơ bộ) bằng dây câu. Bằng cách thay đổi độ lớn lực nén, 2 nhà nghiên cứu có thể biến đổi tốc độ của sóng đơn. Khi một đợt sóng đơn thoát khỏi mạng lưới, chúng sẽ hợp nhất tại một tiêu điểm trên vật liệu mục tiêu (có thể là ga, khí, chất lỏng hoặc rắn). Các sóng đơn chồng lên nhau tại tiêu điểm sẽ định hình đạn âm thanh và việc biến đổi thông số hệ thống sẽ có thể tạo ra một lọat đạn âm thanh liên tục.
Với thiết kế hiện tại, các hạt được lắp ráp trong một bố cục 2 chiều, hàng này độc lập với hàng kia. Nhưng Spadoni cho biết: "Bố cục 3 chiều sẽ dễ dàng hơn để tạo và điều khiển hình dạng cũng như hướng truyền dẫn của đạn âm thanh."
"Thấu kính âm thanh có khả năng sản sinh những tín hiệu âm thanh với biên độ lớn và dày đặc trong một tuyến tính trung bình, nó cũng cho phép chúng tôi kiểm soát vị trí của tiêu điểm," Daraio cho biết. Điều này đồng nghĩa, không cần thiết phải chuyển đổi kết cấu hình học của thấu kính để thay đổi vị trí tiêu điểm. Tất cả những gì cần làm là điều chỉnh lực nén sơ bộ của chuỗi hạt.
Các nhà nghiên cứu cho biết, với sự điều chỉnh đơn giản trên, đạn âm thanh có thể dễ dàng thích ứng với nhiều ứng dụng khác nhau.
Các máy siêu âm hiện thời cần phải chuyển đổi bộ dò tùy theo đặc tính và vị trí bên trong vật thể cần kiểm tra. Nhưng thấu kính âm thanh của Daraio và Spadoni không yêu cầu thay thế kết cấu, chỉ đơn giản là điều chỉnh lực nén sơ bộ trên mỗi chuỗi hạt.
Qua so sánh thì thiết bị của họ có tiềm năng vươt trội hơn về độ rõ ràng và độ an toàn bởi xung lực sản sinh có độ lớn tập trung và biên độ lớn hơn nhiều lần so với các thiết bị ảnh hóa siêu âm y học khác. Ngoài ra, thiết bị cũng giảm được tác động tiếng ồn, tạo ra hình ảnh trung thực hơn, dẫn truyền nhanh và tiến sâu hơn vào vật thể.
Thiết bị còn mở ra khả năng phát triển một loại dao mổ không xâm lấn có khả năng tiêu diệt các tế bào ung thư ẩn sâu bên trong cơ thể.
"Các liệu pháp y học như điều trị thân nhiệt sẽ tìm kiếm và tác động lên các mô bằng cách tăng nhiệt độ cục bộ. Để đạt được điều này, các tín hiệu âm thanh có mức năng lượng cao phải tập trung lên một khu vực giới hạn đồng thời kiểm soát hiệu quả các vùng tiêu điểm. Vì vậy, các mô khỏe mạnh sẽ không bị đốt nóng và tổn thương," Daraio giải thích. "Thấu kính của chúng tôi hoàn toàn có thể đáp ứng và liệu pháp này có thể áp dụng trong kỹ thuật điều trị thân nhiệt."
Ngoài ra, đạn âm thanh còn mang lại một phương thức kiểm tra và phân tích bên trong các vật thể như cầu cống, vỏ tàu thuyền, cánh máy bay để phát hiện các vết nứt và sai sót kỹ thuật.
Được biết, nghiên cứu của Daraio và Spadoni được tài trợ bởi phòng nghiên cứu quân đội và tổ chức khoa học quốc gia Hoa Kì. Hiện thấu kính âm thanh đã được chứng thực từ thiết kế ý tưởng và vẫn còn nhiều năm nữa để chính thức sử dụng thương mại.
Theo Tinhte
