Luận văn Thạc sĩ: nghiên cứu thiết kế chế tạo máy rửa siêu âm ứng dụng làm

Nghiên cứu chuyên sâu Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế chế tạo máy rửa siêu âm ứng dụng làm sạch c, phương pháp luận hiện đại, kết quả ứng dụng

• Trường học: Trường Đại Học Điện Lực
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế, Chế Tạo Máy Rửa Siêu Âm Ứng Dụng Làm Sạch Các Dụng Cụ Y Tế
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về sóng siêu âm và ứng dụng làm sạch dụng cụ y tế

Sóng siêu âm là những sóng âm có tần số vượt quá 20 kHz, nằm ngoài phạm vi nghe của con người. Trong lĩnh vực làm sạch dụng cụ y tế, sóng siêu âm đóng vai trò vô cùng quan trọng nhờ khả năng tạo ra các bọt khí (cavitation) xâm thực bề mặt vật liệu. Hiệu quả làm sạch bằng sóng siêu âm được xác định bởi tần số, công suất, và loại chất lỏng sử dụng. Công nghệ này đặc biệt hiệu quả trong việc loại bỏ các vết rỉ sét, bẩn bám trong các khe rãnh của các dụng cụ y tế phức tạp như mũi khoan, mũi mài, kéo y tế. Phương pháp này không gây hại đến cấu trúc của dụng cụ, đảm bảo chất lượng vệ sinh cao nhất.

1.1. Nguyên lý hoạt động của hiệu ứng áp điện

Hiệu ứng áp điện là hiện tượng vật liệu áp điện (PZT) thay đổi kích thước khi chịu tác động của điện áp. Khi một xung điện áp cao tần được tác dụng lên vật liệu PZT, nó sẽ co giãn với tần số tương ứng, tạo ra sóng siêu âm. Quá trình này là nền tảng của các đầu phát siêu âm trong máy rửa siêu âm.

1.2. Cơ chế tạo bọt khí xâm thực Cavitation

Cavitation là hiện tượng tạo ra các bọt khí nhỏ trong chất lỏng khi áp suất giảm đột ngột. Khi bọt khí này sụp đổ, nó giải phóng năng lượng khổng lồ tạo ra áp lực cơ học mạnh mẽ có khả năng làm sạch các khu vực khó tiếp cận. Đây là cơ chế chính giúp loại bỏ vết bẩn, rỉ sét trên dụng cụ y tế.

II. Thiết kế chế tạo máy rửa siêu âm cho dụng cụ y tế

Thiết kế máy rửa siêu âm yêu cầu sự kết hợp hợp lý giữa nhiều khối chức năng chính. Sơ đồ khối thiết bị bao gồm: khối phát công suất siêu âm, khối khuếch đại công suất, khối điều khiển trung tâm, khối gia nhiệt, khối đo lường, và khối giao diện người máy. Khoang rửa siêu âm được chế tạo từ inox SUS304 với các đầu phát siêu âm JYD3840A được bố trí chiến lược để đảm bảo phân phối đều sóng siêu âm trong toàn bộ không gian rửa. Mục tiêu là tạo ra môi trường làm sạch đồng nhất với công suất siêu âm tối ưu để xử lý hiệu quả các dụng cụ y tế có hình dạng và độ phức tạp khác nhau.

2.1. Thiết kế khối phát công suất siêu âm

Khối phát công suất bao gồm mạch khuếch đại Class DE sử dụng transistor IRF840 để tăng công suất từ tín hiệu điều khiển. Biến áp xung cao tần với lõi quấn dạng EE được thiết kế để chuyển đổi và truyền tải tín hiệu siêu âm tới đầu phát. Thiết kế này đảm bảo hiệu suất cao và ổn định.

2.2. Khối điều khiển và giao diện người máy

Vi điều khiển PIC18F45K22 được sử dụng làm trung tâm xử lý, điều khiển các chế độ rửa (xung, quét tần số). Khối giao diện người máy cho phép người dùng thiết lập thông số như nhiệt độ, công suất, thời gian rửa. Cảm biến đo nhiệt độ được tích hợp để duy trì nhiệt độ tối ưu cho từng loại dụng cụ y tế.

III. Chế tạo và lắp ráp hệ thống máy rửa siêu âm

Chế tạo máy rửa siêu âm bao gồm nhiều bước quy trình kỹ thuật chặt chẽ. Trước tiên, mạch in PCB cho khối phát công suất siêu âm và mạch điều khiển được thiết kế và sản xuất theo đặc tả kỹ thuật. Các linh kiện điện tử được lựa chọn cẩn thận để đáp ứng yêu cầu công suất và độ tin cậy. Khoang rửa inox SUS304 được xây dựng với các đầu phát siêu âm được lắp đặt chắc chắn tại các vị trí chiến lược. Khối gia nhiệt được tích hợp để nâng nhiệt độ dung dịch rửa tới mức tối ưu. Toàn bộ hệ thống được đấu nối và chuẩn bị thử nghiệm để đảm bảo mọi chức năng hoạt động chính xác.

3.1. Quá trình lắp ráp linh kiện chính

Các linh kiện chính như transistor, biến áp, vi điều khiển được lắp ghép trên mạch in PCB với độ chính xác cao. Đầu phát siêu âm được lắp đặt vào khoang rửa sử dụng các khung giá đặc biệt để đảm bảo vị trí cố định và truyền tải sóng siêu âm hiệu quả.

3.2. Kiểm tra chất lượng và điều chỉnh hiệu chuẩn

Sau lắp ráp, toàn bộ hệ thống được kiểm tra điện áp đầu vào, dạng sóng đầu ra, và công suất phát. Dạng sóng siêu âm được đo bằng oscilloscope để xác nhận tần số và biên độ đúng theo thiết kế. Các thông số kỹ thuật được ghi chép chi tiết.

IV. Thử nghiệm hiệu quả làm sạch dụng cụ y tế

Mục đích thử nghiệm là đánh giá khả năng làm sạch của máy rửa siêu âm trên các dụng cụ y tế thực tế. Các mẫu thử nghiệm bao gồm mũi khoan, mũi mài, kéo y tế và các chi tiết khớp nối bị rỉ sét, bẩn bám. Quá trình rửa được thực hiện với nước sạch ở các chế độ khác nhau (xung, quét tần số) và công suất khác nhau. Kết quả đạt được cho thấy máy có khả năng loại bỏ hoàn toàn vết rỉ sét, bẩn bám trên các dụng cụ y tế mà không gây hư hỏng. Hiệu quả làm sạch đạt 95% trở lên trên các chi tiết phức tạp. Các dụng cụ y tế sau khi rửa đạt tiêu chuẩn vệ sinh cao theo AAMI standards.

4.1. Phương pháp đánh giá kết quả làm sạch

Kết quả làm sạch được đánh giá dựa trên xét nghiệm trực quan trước và sau rửa bằng hình ảnh chụp chi tiết. Các dụng cụ y tế bị rỉ sét nặng và bẩn bám trong khe rãnh được so sánh sau quá trình rửa bằng sóng siêu âm để xác định mức độ sạch đạt được.

4.2. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo

Máy rửa siêu âm đã được chế tạo thành công và đạt các yêu cầu kỹ thuật đề ra. Hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm cải thiện hiệu suất năng lượng, mở rộng phạm vi tần số, và phát triển các chế độ rửa tự động cho các loại dụng cụ y tế khác nhau.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực y tế, việc khử khuẩn và làm sạch triệt để các dụng cụ phẫu thuật, nha khoa và nội soi là mắt xích sống còn nhằm ngăn ngừa nguy cơ nhiễm khuẩn bệnh viện. Các phương pháp cọ rửa truyền thống bằng thủ công thường để lại từ 15% đến 30% cặn bẩn sinh học tại các khe hẹp có kích thước dưới 5 mm. Công nghệ làm sạch bằng sóng siêu âm ra đời như một giải pháp đột phá, hoạt động dựa trên hiện tượng xâm thực cơ học khi các bọt khí siêu vi nổ tung dưới áp suất cục bộ lên tới 10.000 PSI và nhiệt độ tức thời đạt 10.000°F. Trên 95% các ứng dụng y tế hiện đại đều sử dụng dải tần số 40 kHz để đảm bảo khả năng đánh bật mảng bám mà không gây biến dạng bề mặt kim loại.

Luận văn tập trung giải quyết bài toán nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình máy rửa siêu âm đơn chuyên dụng cho dụng cụ y tế. Mục tiêu cốt lõi là làm chủ công nghệ nguồn phát công suất cao tần và hoàn thiện hệ thống cơ điện tử đồng bộ. Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm được triển khai tại các phòng thí nghiệm kỹ thuật điện tử và cơ sở y tế trên địa bàn Hà Nội trong năm 2024. Đề tài đã chế tạo thành công thiết bị có dung tích khoang rửa 15 lít, công suất siêu âm hiệu dụng 171 W, công suất đỉnh 300 W cùng dải nhiệt độ điều khiển linh hoạt từ 30°C đến 80°C. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện qua việc giảm thiểu 100% sức lao động thủ công, rút ngắn thời gian làm sạch dụng cụ xuống còn 1 đến 30 phút, đồng thời tạo tiền đề tự chủ sản xuất thiết bị y tế công nghệ cao tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên hai trụ cột lý thuyết nền tảng: Lý thuyết áp điện do Jacques và Pierre Curie phát hiện năm 1880 (bổ sung hiệu ứng áp điện nghịch đảo năm 1881) và Lý thuyết thủy động lực học về hiện tượng xâm thực sóng âm (Acoustic Cavitation). Cụ thể, mô hình toán học của Sajjadi chứng minh rằng thể tích và động học của các bọt khí tỷ lệ thuận với năng lượng siêu âm, theo đó tổng khối lượng bóng khí tăng khoảng 4,95% cho mỗi 100 W công suất gia tăng.

Các khái niệm then chốt được áp dụng xuyên suốt bao gồm:

• Hiệu ứng xâm thực bọt khí: Quá trình hình thành, tích lũy năng lượng và nổ bọt khí tạo sóng xung kích cực mạnh đánh bật tạp chất bám dính.
• Mạch tương đương Butterworth-Van Dyke (BVD): Mô hình hóa các đặc tính điện tích và cơ học của đầu phát áp điện PZT gồm điện dung tĩnh Cs, điện cảm Ld, điện dung cơ Cd và điện trở Rd.
• Chuyển mạch mềm cộng hưởng Class-DE: Cấu trúc biến đổi điện áp DC/AC đạt điều kiện đóng ngắt ở điện áp hoặc dòng điện bằng không (ZVS/ZCS), tận dụng điện dung ký sinh để triệt tiêu tổn hao chuyển mạch.
• Điều chế xung quét Sweep và khử khí Degas: Giải pháp tối ưu hóa phân bố trường âm đa hướng và loại bỏ lớp bọt khí cản trở trên bề mặt dụng cụ.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa tính toán giải tích lý thuyết, mô phỏng mạch điện tử và thực nghiệm kiểm chứng. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ hơn 20 mẫu dụng cụ y tế thực tế bao gồm kéo phẫu thuật, kẹp y tế, mũi khoan và mũi mài nha khoa có kích thước rãnh hẹp dưới 5 mm bị rỉ sét hoặc bám dính dịch sinh học. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng nhằm đánh giá hiệu quả tại các vị trí hình học phức tạp nhất.

Phương pháp phân tích dựa trên sự tính toán tối ưu hóa thông số từ tính của lõi ferit EE28/18 với số vòng dây sơ cấp Np là 117 vòng và thứ cấp Ns là 121 vòng, đảm bảo truyền tải dòng điện sơ cấp đỉnh 1,15 A ở tần số 40 kHz. Quá trình thực nghiệm diễn ra liên tục qua các giai đoạn thiết kế phần cứng, lập trình điều khiển trên vi điều khiển PIC18F45K22 và thử nghiệm tẩy rửa dung dịch trong mốc thời gian năm 2024. Việc lựa chọn cấu trúc mạch Class-DE được lý giải bởi khả năng đạt hiệu suất năng lượng vượt mức 90%, khắc phục triệt để tổn hao nhiệt so với các bộ khuếch đại Class-B truyền thống vốn chỉ đạt hiệu suất lý thuyết 78,5%.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thử nghiệm và đo đạc thực tế mang lại 4 phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, mạch khuếch đại công suất Class-DE sử dụng cặp MOSFET IRF840 đạt hiệu suất chuyển đổi điện năng trên 90%, vận hành an toàn ở điện áp định mức 310 V với tổng dòng điện cao tần 0,77 A, cao hơn 14,6% so với hiệu suất của mạch khuếch đại Class-B thông thường (78,5%).

Thứ hai, việc bố trí 4 đầu phát sóng siêu âm PZT model JYD3840A công suất 60 W với khoảng cách tâm - tâm từ 10 đến 15 cm dưới đáy bồn SUS304 kích thước 38 x 20 x 20 cm tạo ra trường âm phân bố đồng đều, đạt công suất đỉnh 240 W (công suất an toàn 300 W) và công suất hiệu dụng 171 W.

Thứ ba, sự phối hợp giữa chế độ Sweep (quét tần số) và Degas (khử khí với chu kỳ xung bật tắt 10% đến 50%) giúp loại bỏ 100% rỉ sét và chất bám bẩn trên các mũi mài dưới 5 mm chỉ sau 10 đến 15 phút xử lý, tăng độ đồng đều bề mặt lên 35% so với chế độ phát tần số cố định.

Thứ tư, hệ thống gia nhiệt sử dụng tấm nhiệt 150 W kết hợp cảm biến NTC 10K cho phép duy trì nhiệt độ nước rửa ổn định trong khoảng 30°C đến 80°C với sai số chỉ ±5°C, kích hoạt tự động quá trình siêu âm khi đạt ngưỡng nhiệt tối ưu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp thiết bị đạt hiệu năng làm sạch vượt trội nằm ở cơ chế chuyển mạch mềm ZVS/ZCS của cấu trúc Class-DE, giúp giảm thiểu hiện tượng biến dạng sóng khi điều khiển công suất. So với các công trình nghiên cứu trước đây tại Việt Nam vốn sử dụng mạch khuếch đại âm tần cồng kềnh hoặc bộ chuyển mạch tiếp điểm đơn giản, thiết kế này nhỏ gọn hơn và tối ưu hóa trở kháng cộng hưởng tốt hơn.

Dữ liệu thực nghiệm về dạng sóng ngõ ra có thể được biểu diễn trực quan qua biểu đồ dao động ký cho thấy biên dạng sóng sin chuẩn ở tần số 40 kHz với chu kỳ xung 50% (Duty cycle D = 0,5). Bảng so sánh các mức nhiệt độ từ 30°C đến 80°C cũng minh chứng rằng khả năng tẩy rửa tăng trưởng rõ rệt khi kết hợp giữa năng lượng sóng cơ học và nhiệt độ dung dịch. Điều này khẳng định máy rửa siêu âm tự chế tạo hoàn toàn đáp ứng các tiêu chuẩn làm sạch dụng cụ y tế khắt khe.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng và hoàn thiện dây chuyền chế tạo, 4 giải pháp trọng tâm được đề xuất:

1. Chuẩn hóa quy trình sản xuất bảng mạch in PCB công suất Class-DE: Đơn vị nghiên cứu và chế tạo cần tối ưu hóa layout mạch in 2 lớp nhằm giảm thiểu nhiễu điện từ EMI, nâng cao độ bền hoạt động của MOSFET IRF840 lên trên 10.000 giờ, hướng tới mục tiêu giảm 25% giá thành phần cứng trong Quý I/2025.
2. Tích hợp thuật toán tự động bám tần số cộng hưởng (Auto-tuning): Kỹ sư phát triển phần mềm nhúng cần nâng cấp chương trình điều khiển trên vi điều khiển PIC18F45K22 bằng cách bổ sung vòng khóa pha số (DPLL), đảm bảo hệ thống duy trì hệ số công suất trên 98% khi trở kháng tải thay đổi, hoàn thành trước Quý II/2025.
3. Ứng dụng quy trình khử khuẩn siêu âm chuẩn hóa tại các cơ sở y tế: Hội đồng Kiểm soát nhiễm khuẩn tại các bệnh viện và phòng khám cần ban hành quy chuẩn tẩy rửa phối hợp dung dịch chuyên dụng ở nhiệt độ 50°C đến 60°C trong thời gian 10 đến 15 phút, đảm bảo tỷ lệ sạch khuẩn đạt 100% theo tiêu chuẩn của Hiệp hội vì sự tiến bộ của dụng cụ y tế (AAMI) từ Quý III/2025.
4. Đẩy mạnh thương mại hóa và chuyển giao công nghệ: Các doanh nghiệp sản xuất thiết bị y tế trong nước cần phối hợp với các viện, trường đại học để hoàn thiện chứng nhận tiêu chuẩn bảo vệ IP20 và an toàn điện y tế, phấn đấu chiếm lĩnh 15% thị phần thiết bị làm sạch dung tích nhỏ trong giai đoạn 2025-2026.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn mang lại giá trị thực tiễn sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Kỹ sư điện tử và chuyên gia thiết kế nguồn xung: Cung cấp phương pháp tính toán chi tiết biến áp xung ferit EE28/18, thiết kế bộ nghịch lưu cộng hưởng Class-DE 40 kHz và giải pháp ghép nối trở kháng đầu phát PZT.
2. Cán bộ y tế và kỹ thuật viên phòng vô trùng: Nắm bắt nguyên lý vận hành chế độ Sweep và Degas trên bồn rửa SUS304 dung tích 15 lít để tối ưu hóa quy trình tiền xử lý dụng cụ phẫu thuật, nha khoa.
3. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên kỹ thuật: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về tích hợp hệ thống nhúng với vi điều khiển PIC18F45K22, module cảm biến nhiệt NTC 10K và thuật toán đóng cắt công suất cao tần.
4. Doanh nghiệp sản xuất trang thiết bị y tế: Tiếp cận bản vẽ thiết kế nguyên lý, mạch in PCB và bài toán kinh tế kỹ thuật để nội địa hóa dòng máy rửa siêu âm chất lượng cao với chi phí thấp hơn 40% so với thiết bị nhập khẩu từ Đức hoặc Đài Loan.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tần số 40 kHz lại được lựa chọn cho máy rửa dụng cụ y tế? Tần số 40 kHz tạo ra các bóng khí xâm thực có kích thước vi mô tối ưu, giải phóng năng lượng vừa đủ để đánh bật các mảng bám sinh học mà không gây xước hay biến dạng bề mặt kim loại sáng bóng. Hơn 95% thiết bị y tế trên thế giới sử dụng tần số này nhờ khả năng len lỏi hiệu quả vào các khe hẹp dưới 5 mm của kéo và kẹp phẫu thuật.

2. Cấu trúc mạch Class-DE có ưu điểm gì vượt trội so với các mạch công suất khác? Mạch Class-DE kết hợp ưu điểm của Class-D và Class-E, hoạt động theo nguyên lý chuyển mạch mềm tại thời điểm điện áp hoặc dòng điện bằng không (ZVS/ZCS). Điều này giúp triệt tiêu tổn hao chuyển mạch trên MOSFET IRF840, nâng hiệu suất làm việc lên trên 90%, vượt trội hơn hẳn so với mức 78,5% của mạch Class-B và giảm áp lực tản nhiệt đáng kể.

3. Chế độ quét tần số Sweep và khử khí Degas mang lại lợi ích gì? Chế độ Sweep điều biến tần số liên tục quanh 40 kHz để triệt tiêu các điểm chết sóng âm, giúp trường sóng phân bố đồng đều 100% khắp bồn rửa. Chế độ Degas hoạt động với chu kỳ xung 10% đến 50% giúp gom và giải phóng các bọt khí hòa tan ban đầu, tăng áp lực nổ của bọt khí xâm thực lên mảng bám.

4. Vật liệu chế tạo bồn rửa và đầu phát siêu âm đáp ứng tiêu chuẩn ra sao? Bồn rửa dung tích 15 lít được chế tạo từ inox SUS304 dày dặn, có khả năng chống ăn mòn hóa chất và chịu được áp lực nổ 10.000 PSI của hiện tượng xâm thực. Bốn đầu phát PZT model JYD3840A chịu nhiệt tới 90°C, mang lại độ bền cơ học cao và công suất dao động 60 W ổn định trong môi trường dung dịch tẩy rửa y tế.

5. Vi điều khiển PIC18F45K22 đóng vai trò điều hành hệ thống như thế nào? Vi điều khiển PIC18F45K22 đóng vai trò xử lý trung tâm, tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến nhiệt NTC 10K và bộ mã hóa quay encoder để điều khiển hiển thị LCD1602. Đồng thời, chip trực tiếp phát xung nửa cầu điều khiển khối công suất 300 W, tự động kích hoạt chức năng siêu âm khi nhiệt độ đạt mức cài đặt từ 30°C đến 80°C.

Kết luận

Luận văn đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu với 5 kết quả nổi bật:

• Làm chủ toàn diện quy trình tính toán, thiết kế và chế tạo máy rửa siêu âm y tế dung tích 15 lít đạt công suất cực đại 300 W.
• Ứng dụng thành công mạch công suất Class-DE tần số 40 kHz đạt hiệu suất chuyển đổi trên 90% với điều kiện chuyển mạch mềm ZVS/ZCS.
• Tích hợp linh hoạt các chế độ làm sạch chuyên sâu gồm Degas, Sweep và gia nhiệt tự động từ 30°C đến 80°C.
• Thử nghiệm thực tế chứng minh khả năng làm sạch 100% rỉ sét và cặn bẩn trên các dụng cụ phẫu thuật, nha khoa có khe hẹp dưới 5 mm.
• Tối ưu hóa giá thành và cấu trúc điều khiển thông qua vi điều khiển PIC18F45K22 và bồn rửa SUS304 bền bỉ.

Định hướng tiếp theo trong giai đoạn 2025-2026 là tích hợp thuật toán bám pha tự động và mở rộng quy mô dung tích lên 30 đến 50 lít. Hãy liên hệ và tham khảo chi tiết công trình nghiên cứu để cùng thúc đẩy các giải pháp tự chủ công nghệ thiết bị y tế tiên tiến tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I của luận văn sẽ trình bày những vấn đề nghiên cứu nêu trên để làm căn cứ phân tích, thiết kế mô hình thiết bị của đề tài. Sóng siêu âm và hiệu quả làm sạch bằng sóng siêu âm 1. Sóng siêu âm và hiệu ứng áp điện Sóng siêu âm là sóng cơ học có bước sóng cực ngắn - thường ngắn hơn 2 cm trong không khí. Sóng siêu âm có tần số lớn hơn ngưỡng nghe của con người (16 kHz) thường trên 20 kHz (hình 1.

Công suất, cường độ và mật độ năng lượng là những thông số quan trọng của siêu âm ảnh hưởng trực tiếp đến những ứng dụng có sử dụng sóng âm này. Môi trường truyền của sóng siêu âm rất đa dạng có thể là không khí, chất lỏng, chất rắn với tốc độ bằng tốc độ âm thanh. Do đó, sóng siêu âm được sử dụng trong nhiều ứng dụng như làm sạch, hàn kim loại, gia công bằng cách loại bỏ phoi kim loại, tạo hình, kiểm tra kim loại, phát hiện, chuẩn đoán và điều trị trong y học, truyền tín hiệu…. Các tần số sóng âm [7] Công nghệ siêu âm đã ra đời và phát triển sau khi hiệu ứng áp điện được hai nhà vật lý người Pháp là Jacques và Pierre Curie được phát hiện ra vào năm 1880 [8].

Nghiên cứu [8] chỉ ra rằng khi đặt một vật nặng lên tinh thể thạch anh, trên bề mặt tinh thể xuất hiện một điện tích và lượng điện tích tỷ lệ với khối lượng của vật nặng. Năm 1881, hiệu ứng áp điện nghịch đảo được mô tả như sau: Khi đặt một hiệu điện thế vào tinh thể, tinh thể bị biến dạng do sự biến dạng của mạng tinh thể gây ra bởi hiệu ứng áp điện. Khi điện áp được đảo ngược, biến dạng cũng được đảo ngược. Như vậy, hiệu ứng áp điện là hiện tượng vật lý mà một chất dẫn điện được đặt trong một trường điện có thể tạo ra một điện thế giữa hai đầu của nó.

Do đó, hiệu ứng áp điện đóng vai trò là mối ghép giữa mạch và cơ tính của tinh thể. Các nhà nghiên cứu đã phát hiện một loại vật liệu khi được kéo dãn dưới một lực cơ học có thể sản sinh ra điện tích trên bề mặt vật liệu. Vật liệu đó gọi là vật liệu áp điện. Vật liệu áp điện có thể tạo ra điện trường do biến dạng cơ học, hoặc biến dạng cơ học do tác dụng của điện trường.

Nếu vật liệu hoạt động ở tần số cao, vật liệu sẽ tỏa nhiệt lượng lớn, khi vật liệu hoạt động ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ Curie thì vật liệu sẽ mất đi tính áp điện và nó có thể gây hư hỏng thiết bị. Các vật liệu áp điện đầu tiên là các tinh thể tự nhiên như thạch anh và muối Rochelle. Sau khi được cắt, đánh bóng, tạo kích thước chính xác, những vật liệu này được thiết lập thành rung động cộng hưởng trong các mạch điện để hoạt động như máy phát tần số. Sau đó đến năm 1950, sau nhiều nghiên cứu, sóng siêu âm đã được đưa vào sử dụng cho công việc làm sạch.

Loa phát sóng siêu âm [16] 5 1. Hiệu quả làm sạch bằng sóng siêu âm Nguyên tắc vệ sinh, làm sạch bằng sóng siêu âm dựa trên hiệu ứng xâm thực của các bọt khí trong môi trường chất lỏng để loại bỏ các hạt bụi bẩn, các mảng bám tồn tại trên bề mặt dụng cụ. Nguyên lý này được mô tả ở hình 1. Khi truyền qua dung dịch tẩy rửa, sóng siêu âm tạo ra các lực kéo và nén xen kẽ dao động ở cùng tần số làm hình thành và phá vỡ các bọt khí.

Những bọt khí phát triển theo hai giai đoạn: giai đoạn hấp thụ năng lượng và giải phóng năng lượng. Giai đoạn hấp thụ năng lượng thể hiện ở việc kích thước các bọt khí tăng dần lên. Giai đoạn giải phóng năng lượng thể hiện ở việc các bọt khí to đến mức tới hạn, bị vỡ ra, tạo ra năng lượng nổ đánh bật các chất bẩn khỏi bề mặt cần làm sạch. Cơ chế tạo bọt khí xâm thực [9] Sajjadi [10] đã nghiên cứu ảnh hưởng của năng lượng siêu âm đối với thể tích và kiểu chất lỏng của các bóng khí, đồng thời phân tích mô phỏng quá trình hình thành và đặc điểm động học của chúng.

Phân tích mô hình toán học cho thấy công suất siêu âm ảnh hưởng đáng kể đến điều kiện hình thành và vận tốc dao động của các bóng khí, tổng khối lượng bóng khí tăng khoảng 4,95% cho mỗi lần tăng 100 W công suất siêu âm. Khi áp suất âm Pm lớn hơn áp suất tĩnh của chất lỏng P0, hiện tượng xâm thực xảy ra đánh thủ độ bền kết cấu của chất lỏng. Lúc này ngưỡng tạo bọt khi I c (cường độ hoặc biên độ âm thanh thấp nhất mà tại đó xảy ra tạo bọt khí trong chất lỏng) có thể được biểu thị bằng biểu thức 1.1) Trong đó: P0 là áp suất tĩnh của chất lỏng, Pm là biên độ của áp suất âm, Pv là áp suất hơi, σ là hệ số căng bề mặt R0, Ru là bán kính ban đầu của hạt nhân tạo bọt; bán kính lúc nổ của bọt khí. T là nhiệt độ của chất lỏng Từ biểu thức 1.1, ngưỡng xâm thực có liên quan đến loại chất lỏng, nhiệt độ, áp suất, bán kính bóng khí và hàm lượng khí.

Khi xảy ra hiện tượng xâm thực, các bong bóng khí sinh ra dưới tác dụng của áp suất âm thanh bị co dãn liên tục đến một ngưỡng xác định sẽ vỡ ra và tạo ra sóng xung kích có nhiệt độ và áp suất hàng nghìn atm cục bộ, đủ cao để phá vỡ chất bẩn trên bề mặt làm việc, quá trình được mô tả như hình 1. Năng lượng sóng xung kích thủy lực tạo ra hiệu ứng hút mạnh mẽ. Những sóng xung kích có thể đạt nhiệt độ cao tới 10.000°F và áp suất thủy động lực học thấp tới 10.000 pounds trên mỗi inch vuông (PSI), làm lỏng và loại bỏ vi sinh vật cũng như các mảnh vụn bám dính khác từ ngay cả những bề mặt khó tiếp cận nhất của một dụng cụ bẩn. Trên thực tế, các yếu tố ảnh hưởng của cường độ xâm thực rất phức tạp, nó liên quan đến môi trường chất lỏng xung quanh, tần số sóng và áp suất siêu âm, kích thước bong bóng, v.

Như vậy có thể thấy: hiệu quả làm sạch của sóng siêu âm phụ thuộc vào các thông số vật lý như tần số siêu âm, công suất, phân bố trường siêu âm, đặc tính của dung dịch tẩy rửa, thời gian tác động, hình dạng vết bẩn cần làm sạch, đặc tính âm thanh, v. Bên cạnh đó, vì quá trình làm sạch bằng sóng siêu âm phụ thuộc vào năng lượng sóng xung kích từ sự nổ của các bong bóng khí, nên tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ và số lần nổ của bong bóng khí trong chất lỏng đều ảnh hưởng tới hiệu quả làm sạch của sóng siêu âm. Ảnh hưởng của kích thước và số lượng bong bóng khí Lượng năng lượng giải phóng trong quá trình nổ bóng khí có liên quan đến kích thước của nó. Các bong bóng kích thước lớn hơn giải phóng nhiều năng lượng hơn trong quá trình nổ so với các bong bóng kích thước nhỏ.

Nói chung, việc giải phóng năng lượng nổ có lợi cho quá trình làm sạch bằng sóng siêu âm. Tuy nhiên, 7 quá nhiều năng lượng được giải phóng bởi các bong bóng kích thước lớn hoặc dư thừa trong một số trường hợp, có thể gây ra thiệt hại cho các dụng cụ nhạy cảm, dễ bị hư hại. Ảnh hưởng của hóa chất tẩy rửa và nhiệt độ Hóa chất làm sạch (chất tẩy rửa) là hỗn hợp tổng hợp nhân tạo của các thành phần nước và chất hóa học có khả năng làm sạch. Khi kết hợp với làm sạch bằng sóng siêu âm, chất tẩy rửa gốc nước đã được chứng minh là có hiệu quả và triệt để trong việc làm sạch mọi bề mặt của các bộ phận công nghiệp và nhiều đồ vật khác.

Các chất tẩy rửa tiếp xúc với các chất hoạt động bề mặt giúp giảm sự bám giữ của các chất gây ô nhiễm trên dụng cụ, trong khi hiệu ứng tạo bọt khí bắt nguồn từ sóng siêu âm đánh vào vật thể tạo ra hàng triệu bọt khí bắn phá các bụi bẩn bám dính trên bề mặt vật thể. Nhiệt độ cũng là một yếu tố quan trọng liên quan đến hiệu quả làm sạch của sóng siêu âm. Bản thân sóng siêu âm khi tạo ra các vụ nổ bóng khí cũng sẽ tạo ra một lượng nhiệt đáng kể. Tuy nhiên, với một số dung môi làm sạch, nhiệt độ này chưa đủ nên cần thêm khâu gia nhiệt để tăng khả năng làm sạch của sóng siêu âm kết hợp hóa chất.

Ảnh hưởng của công suất siêu âm Công suất siêu âm phải đảm bảo để tạo ra các vụ nổ bóng khí trong toàn thể tích chất lỏng. Đơn vị đo lường cho công suất siêu âm của các bể là Watts trên gallon Khi thể tích bể tăng lên, tổng công suất cấp không đổi, số watt trên mỗi gallon cần thiết để đạt được hiệu suất siêu âm tương đương sẽ giảm xuống. thể hiện mối quan hệ giữ công suất và kích thước bể rửa siêu âm. Tuy nhiên, có thể thay đổi với từng trường hợp cụ thể.

Biểu đồ quan hệ giữa kích thước bể và công suất siêu âm [12] 8 Mặc dù công suất cao thường mang lại hiệu quả làm sạch cao và quá trình nhanh hơn, nhưng công suất quá lớn có thể làm hỏng các dụng cụ cần làm sạch vì vậy cần có thực nghiệm để tìm ra công suất tối ưu cho thiết kế. Công suất siêu âm từ 50-100W/3,78L chất tẩy rửa là phù hợp để rửa các dụng cụ y tế mà không làm hư hại. Ảnh hưởng của tần số siêu âm Kích thước bóng khí tỷ lệ nghịch với tần số siêu âm. Tần số sóng siêu âm tăng lên, năng lượng được giải phóng bởi mỗi vụ nổ bóng khí giảm vì kích thước chúng nhỏ hơn.

Tùy thuộc vào ứng dụng, có thể đạt được hiệu quả làm sạch mong muốn bằng cách tạo ra một số lượng nhỏ các vụ nổ năng lượng cao hoặc một số lượng lớn các vụ nổ năng lượng thấp. Tần số siêu âm thấp hơn sẽ tạo ra các bóng khí lớn hơn, vì vậy khi chúng nổ sẽ giải phóng năng lượng làm sạch lớn hơn. Tần số 25 kHz thường sử dụng để làm sạch các chi tiết có độ cứng cao, tần số khoảng 40 kHz là tần số được sử dụng trong 95% ứng dụng [12].