CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Chương này trình bày kết luận nghiên cứu đề tài và đề ra các giải pháp phát triển cho đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 3 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2. Tổng hợp lý thuyết sóng siêu âm.
Sóng siêu âm cũng là một sóng cơ và có các tính chất căn bản thông qua các thông số như tần số, bước sóng… 2. Bản chất của sóng âm. Các môi trường chất đàn hồi (khí, lỏng hay rắn) có thể coi như là những môi trường liên tục gồm những phần tử liên kết chặt chẽ với nhau. Lúc bình thường, mỗi phần tử có một vị trí cân bằng bền [1].1: Các dạng cân bằng Nếu tác động một lực lên một phần tử A nào đó bên trong môi trường này, nó sẽ rời khỏi vị trí cân bằng bền.
Do tương tác tạo nên bởi các mối liên kết với các phần tử bên cạnh, một mặt phần tử A bị kéo về vị trí cân bằng, một mặt nó cũng chịu tác dụng bởi lực tác động nên phần tử A sẽ di chuyển qua – lại quanh vị trí cân bằng, có nghĩa là phần tử A thực hiện chuyển động dưới dạng dao động. Hiện tượng này tiếp tục xảy ra đối với các phần tử khác của môi trường. Dạng dao động cơ, có tính chất lặp đi lặp lại, lan truyền trong môi trường đàn hồi được gọi là sóng đàn hồi hay sóng cơ, nói một cách khác, 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. Sóng siêu âm đặc điểm.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 4 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Sóng âm là dao động của các hạt của chất rắn, chất lỏng và chất khí, đó là các chất đàn hồi. Nói một cách khác sóng âm thanh là sóng đàn hồi lan truyền trong môi trường đàn hồi cũng có nghĩa là mọi vật thể đàn hồi đều lan truyền được sóng âm thanh. Tùy theo dải tần người ta phân chia sóng đàn hồi thành các vùng sau: - Vùng hạ âm có tần số từ 1Hz đến 20Hz - Vùng âm tần có tần số từ 20Hz đến 20kHz - Vùng siêu âm có tần số từ 20KHz đến 100MHz - Vùng cực siêu âm có tần số > 100MHz Mặc dù có cùng bản chất là sóng đàn hồi nhưng do có tần số khác nhau nên có các ứng dụng khác nhau. Đặc điểm : Sóng siêu âm mang năng lượng lớn hơn sóng âm (chẳng hạn với cùng một biên độ dao động, năng lượng sóng tại tần số 1Mhz lớn gấp 106 lần năng lượng sóng tại tần số 1Khz).
Trong cùng một môi trường truyền sóng, sóng siêu âm có bước sóng ngắn nên có tính định hướng cao, năng lượng sóng truyền đi theo một phương nhất định. Lợi dụng tính chất này người ta có thể chế tạo các hệ hội tụ để tập trung năng lượng lớn trên một diện tích hẹp. Trong dải sóng siêu âm với một điều kiện nhất định xuất hiện hiện tượng xâm thực sóng xảy ra trong chất lỏng. Tính chất này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng.
Hiệu ứng Doppler. Các đại lượng đặc trưng của sóng. 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. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 5 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.2: Biểu diễn dạng sóng Hình 2.3: Các vùng giãn và nén Các đại lượng đặc trưng của sóng bao gồm: • Chu kỳ T = (s) là khoảng thời gian mà sóng thực hiện một lần nén và một lần dãn.
• Tần số f = (Hz) là số chu kỳ thực hiện được trong 1 giây. • Vận tốc truyền của sóng âm là quãng đường mà sóng âm truyền được sau một đơn vị thời gian. • Độ dài bước sóng λ = (μm): là quãng đường mà sóng truyền được sau khoảng thời gian bằng 1 chu kỳ (λ = v. Trên hình vẽ, ta thấy bước sóng λ là khoảng cách giữa hai đỉnh hoặc hai đáy nằm kế nhau.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 6 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT a. Tần số của một sóng cơ học cũng là tần số dao động của các nguyên tử của môi trường mà trong đó sóng truyền. Tần số biểu thị số lượng chu kỳ trong một giây. Ký hiệu của tần số là f, đơn vị là Hertz (Hz).
Bước sóng là khoảng đường sóng truyền được trong khoảng thời gian một chu kỳ T. Các nguyên tử ở cách nhau một quãng đường sẽ có cùng một trạng thái dao động tức là dao động cùng pha khi sóng truyền qua môi trường. Tốc độ năng lượng được truyền giữa hai điểm trong môi trường bởi sự chuyển động của sóng được gọi là vận tốc v của sóng. Sự hấp thụ sóng siêu âm của môi trường truyền sóng.
Trong quá trình lan truyền sóng trong môi trường, cường độ sóng bị suy giảm dần do sự hấp thụ của môi trường và do sự tán xạ của sóng. Sự suy giảm năng lượng phụ thuộc vào các yếu tố: - Tính dẫn nhiệt, hệ số ma sát, tính không đồng nhất của môi trường. - Tần số của sóng. Tổng quát sự hấp thụ sóng được tính theo công thức: Trong đó: 𝛼: hệ số hấp thụ ρo: tỉ trọng trung bình của môi trường k: tỉ số nhiệt riêng K: hệ số dẫn nhiệt của môi trường Cp: nhiệt riêng tại áp suất cố định.
Lúc này biên độ dao động tính theo biểu thức: 𝐴𝑥 = 𝐴𝑜 𝑒 −𝑥 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 7 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Như vậy khi biết biên độ dao động tại vị trí x người ta có thể biết được hệ số hấp thụ sóng của môi trường. Công nghệ làm sạch. Công nghệ làm sạch truyền thống. Làm sạch là vấn đề mà tất cả chúng ta thường xuyên phải đối mặt hàng ngày.
Nói một cách bao quát hơn, đó là sự tẩy rửa những chất liệu không cần thiết, rắc rối ra khỏi từ những vị trí của những thiết bị bộ phận cần làm sạch [2]. Sự làm sạch có thể được thực hiện bằng nhiều cách. Một trong những phương pháp truyền thống thông thường thủ công là ngâm thiết bị trong dung dịch. Phương pháp này là sự kết hợp của tác động hóa học và tác động cơ học.
Phương pháp truyền thống chủ yếu là dùng bàn chải, chổi để làm sạch với những bộ phận có cấu trúc đơn giản, được dùng cho bề mặt phẳng, nhẵn mà không phải là những vùng ngóc ngách hay chỗ khó cọ chải trực tiếp. Ưu điểm : • Quy trình rửa nhanh, đơn giản, không đòi hỏi công nghệ cao. • Rẻ tiền Nhược điểm: • Không thể rửa được những thiết bị có cấu tạo phức tạp, có khe hở hẹp, ngóc ngách nhỏ bên trong thiết bị. • Gây xước bề mặt do dùng bàn chải hoặc chổi.
• Biến dạng bề mặt, cấu trúc gây gẫy vỡ các chi tiết nhỏ, mỏng của thiết bị. Làm sạch bằng công nghệ rửa siêu âm. [2] Ngày nay nền sản xuất công nghiệp ngày càng hiện đại các dây chuyền sản xuất ra đời bảo đảm sản xuất hàng triệu sản phẩm cùng loại trong một năm. Thực tế này đòi hỏi chất lượng, độ đồng đều kích thước, độ lặp lại rất cao để bảo đảm lắp lẫn một cách dễ dàng, tốn ít thời gian công sức và hạ giá thành sản phẩm.
Để đạt được điều đó các dây chuyền công nghệ thường trang bị nhiều thiết bị rửa siêu âm trong các công đoạn khác nhau. Bảo đảm làm sạch “tuyệt đối” bề mặt của các sản phẩm trước khi bước BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 8 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT sang công đoạn gia công khác trên sản phẩm đó. Công nghệ rửa siêu âm đặc biệt rất cần trong công nghiệp chế tạo các bản mạch điện tử có mật độ linh kiện cao, trong các thiết bị chế tạo các chi tiết cơ khí bằng kim loại, có hình dáng ngóc ngách, nhiều lỗ nhưng, phải có độ sạch, độ cứng, độ chính xác cao. Công nghệ rửa siêu âm giúp chúng ta xử lý các bụi bẩn trên bề mặt chi tiết trên trước khi đưa vào công đoạn phủ mặt, làm bóng bề mặt.
Nguyên lý làm sạch bằng công nghệ rửa siêu âm. Sóng siêu âm là sóng có tần số lớn hơn 18kHz, ở tần số này người không thể nghe thấy được[2]. Trong máy rửa siêu âm tần số sóng thường nằm trong dải từ 20kHz - 200kHz. Sóng siêu âm dùng trong các máy rửa siêu âm áp dụng cho các dây chuyền sản suất và làm sạch các dụng cụ y tế có tần số lớn từ 10kHz - 50kHz.
Các máy rửa siêu âm dùng tần số cao hơn 50kHz được ứng dụng để rửa các dụng cụ quang học, màng lọc sinh học, công nghiệp, máy làm sạch răng ở các bệnh viện. Sóng siêu âm ở các máy rửa siêu âm là sóng cơ và nó mang đầy đủ các tính chất vật lý như phương thức truyền, tính phản xạ, giao thoa sóng,… trong các môi trường truyền khác nhau. Khi một sóng cơ học được tạo ra trong không khí hay trong chất lỏng, dưới tác dụng của áp suất một lượng vật chất được dồn nén tạo thành các con sóng, sóng này được dịch chuyển về phía có áp suất thấp hơn và được lan truyền theo các hướng khác nhau nhưng mạnh hơn cả vẫn là hướng thẳng trực tiếp của lực đẩy. Chùm sóng này chứa vô số chùm sóng có tần số cao hơn tạo nên vì vậy xuất hiện trong búp sóng vô vàn các búp sóng nhỏ thường được gọi là bong bóng.
Kích thước những bong bóng này phát triển khá đa dạng, thông thường phụ thuộc vào tần số của sóng siêu âm. Sóng siêu âm càng cao kích thước sóng bong bóng càng nhỏ. Những bong bóng này di chuyển kế tiếp nhau trong môi trường chất lỏng cho đến khi đập vào bề mặt vật cản trên đường truyền sóng. Dưới tác dụng lực nén của sóng các bong bóng vỡ tung tạo ra các vụ nổ, bắn các hạt chất lỏng trực tiếp vào bề mặt vật.
Những vụ bắn phá này chia cắt các màn chất bẩn, bụi cặn phủ trên bề mặt và kéo chúng ra khỏi vật khi có áp suất âm xuất hiện trong lòng chất lỏng gần sát bề mặt vật. Quá trình làm sạch bằng công nghệ rửa siêu âm. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP 9 do an CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Khi cấp điện cho cảm biến siêu âm, cảm biến này tạo ra những dao động sóng cơ trên bề mặt của nó với tần suất lớn hơn 20.