đặt vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. Chƣơng 2: Cơ Sở Lý Thuyết Chƣơng này trình bày cơ sở lý thuyết về sóng siêu âm, vai trò và phân loại biến tử siêu âm dùng trong bồn rửa, mô hình và cơ sở của phƣơng pháp tẩy rửa dùng sóng siêu âm. Chƣơng 3: Thiết Kế và Tính Toán Chƣơng này gồm tính toán và thiết kế sơ đồ khối hệ thống, tính toán và thiết kế mạch, sơ đồ nguyên lý toàn mạch. Chƣơng 4: Thi công hệ thống Chƣơng này gồm thi công board mạch, lắp ráp và kiểm tra các module, viết lƣu đồ giải thuật và lập trình cho vi điều khiển.
Chƣơng 5: Kết Quả, Nhận Xét và Đánh Giá Chƣơng này trình bày kết quả của cả quá trình nghiên cứu làm đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2 do an CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN Chƣơng 6: Kết Luận và Hƣớng Phát Triển Chƣơng này trình bày kết quả đã thu đƣợc và định hƣớng phát triển đề tài. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 do an CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chƣơng 2.1 Tổng quan lý thuyết sóng siêu âm Sóng siêu âm là sóng dọc, tức là dao động cùng chiều với chiều lan truyền của sóng. Sóng siêu âm chỉ lan truyền trong môi trƣờng giãn nở (không thể lan truyền trong chân không).
Sóng âm tạo nên một sức ép làm thay đổi áp lực môi trƣờng. Tại một vị trí nào đó trong môi trƣờng, ở nửa chu kỳ đầu của sóng áp lực tại đó tăng. Trong nửa chu kỳ sau, áp lực lại giảm gây ra hiệu ứng cơ học của siêu âm.1 Bản chất và đặc điểm sóng siêu âm Bản chất Mọi vật đều đƣợc cấu tạo từ các nguyên tử hoặc các phân tử, chúng đƣợc liên kết với nhau bằng các lực nguyên tử. Nếu có một nguyên tử bị dịch chuyển khỏi vị trí ban đầu do một lực căng tác dụng, nguyên tử đó sẽ dao động.
Do có sự liên kết giữa các nguyên tử nên sự dao động của một nguyên tử sẽ làm cho các nguyên tử kế cận dao động theo. Dạng dao động cơ, có tính chất lặp đi lặp lại, lan truyền trong môi trƣờng đàn hồi đƣợc gọi là sóng đàn hồi hay sóng cơ. Qua trên ta nói năng lƣợng cơ học hay sóng cơ học đã đƣợc truyền từ vị trí này đến vị trí khác trong môi trƣờng. Về bản chất, sóng âm là sóng cơ học, do đó nó tuân theo mọi quy luật đối với sóng cơ, có thể tạo ra sóng âm bằng cách tác động một lực cơ học vào môi trƣờng truyền âm.
Các đặc trƣng của sự truyền sóng - Tần số Tần số của một sóng cơ học cũng là tần số dao động của các nguyên tử của môi trƣờng mà trong đó sóng truyền. Tần số biểu thị số lƣợng chu kỳ trong một giây. Ký hiệu của tần số là f , đơn vị là Hertz (Hz). - Bƣớc sóng Bƣớc sóng là khoảng đƣờng sóng truyền đƣợc trong khoảng thời gian một chu kỳ T.
Các nguyên tử ở cách nhau một quãng đƣờng sẽ có cùng một trạng thái dao động tức là dao động cùng pha khi sóng truyền qua môi trƣờng. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 do an CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Vận tốc Tốc độ năng lƣợng đƣợc truyền giữa hai điểm trong môi trƣờng bởi sự chuyển động của sóng đƣợc gọi là vận tốc v của sóng. Đặc điểm Sóng âm là dao động của các hạt của các 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 trƣờng đàn hồi cũng có nghĩa là mọi vật thể đàn hồi đều lan truyền đƣợc sóng âm thanh.
Tùy theo dải tần ngƣời 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 nhƣng do có tần số khác nhau nên có các ứng dụng khác nhau: - Sóng siêu âm mang năng lƣợng lớn hơn sóng âm ( chẳng hạn với cùng một biên độ dao động, năng lƣợng sóng tại tần số 1MHz lớn gấp 106 lần năng lƣợng sóng tại tần số 1KHz). - Trong cùng một môi trƣờng truyền sóng, sóng siêu âm có bƣớc sóng ngắn nên có tính định hƣớng cao, năng lƣợng sóng truyền đi theo một phƣơng nhất định. Lợi dụng tính chất này ngƣời ta có thể chế tạo các hệ hội tụ để tập trung năng lƣợng lớn trên một diện tích hẹp. - Trong dải sóng siêu âm với một điều kiện nhất định xuất hiện hiện tƣợng xâm thực sóng xảy ra trong chất lỏng.
Tính chất này đƣợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng.2 Các thông số đặc trƣng sóng siêu âm Âm trở của môi trƣờng Trở kháng âm của môi trƣờng còn gọi là độ vang hay độ dội của sóng âm trong môi trƣờng, đƣợc xác định theo biểu thức: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 do an CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Z V Với : V là vận tốc truyền sóng trong môi trƣờng (m/s). là mật độ khối lƣợng của môi trƣờng (Kg/m3). Z là trở kháng âm của môi trƣờng (Rayls). Nhƣ vậy tổng trở âm học là một thông số phụ thuộc môi trƣờng truyền sóng.
Vận tốc sóng âm Vận tốc của sóng dọc, sóng ngang và sóng mặt phụ thuộc vào kết cấu của vật liệu đặc trƣng bởi độ nén và mật độ, không phụ thuộc vào tần số của sóng và kích thƣớc của vật liệu. - Độ nén: Vận tốc sóng siêu âm tỉ lệ thuận với độ nén của vật liệu. Vật liệu càng khó nén vận tốc sóng lan truyền càng nhanh. Trong môi trƣờng chất khí các phân tử cách xa nhau nên sự liên kết giữa chúng yếu, mỗi hạt phải di chuyển một khoảng cách tƣơng đối lớn trƣớc khi có thể tác động vào phần tử bên cạnh nên vận tốc sóng lan truyền thấp.
Trong môi trƣờng lỏng và đặc biệt là chất rắn, các phân tử ở gần hơn nên sự liên kết giữa chúng mạnh , mỗi hạt chỉ cần di chuyển một khoảng cách ngắn để có thể tác động vào phần tử bên cạnh nên vận tốc sóng lan truyền cao. - Mật độ: Các vật liệu có mật độ dày đặc thƣờng tạo bởi những phần tử lớn, các phần tử này do có quán tính lớn nên khó dịch chuyển và cũng khó dừng lại. Do vậy, nếu xét riêng mật độ thì vật liệu có mật độ càng lớn thì vận tốc sóng càng giảm. Trong môi trƣờng lỏng, mật độ và độ nén thƣờng tỉ lệ nghịch nên vận tốc truyền sóng đa số giống nhau.
Trong chất rắn độ nén thƣờng rất lớn hơn mật độ nên vận tốc truyền sóng cao. Âm áp và cƣờng độ sóng âm Âm áp là một đại lƣợng đặc trƣng cho sức căng biến đổi tuần hoàn trong vật liệu gây nên bởi sự truyền sóng siêu âm, âm áp thể hiện qua biểu thức: P 2.a P: áp suất âm ; Z: trở kháng âm ; f: tần số sóng âm ; a: biên độ sóng âm BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 do an CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Cƣờng độ sóng âm thể hiện sự truyền năng lƣợng qua một đơn vị diện tích vuông góc với phƣơng truyền sóng cho bởi biểu thức: I P/Z I: cƣờng độ sóng âm, P: âm áp, Z: trở kháng âm.3 Sự bức xạ, sự phản xạ, sự hấp thụ sóng siêu âm Sự bức xạ Sự bức xạ sóng âm phụ thuộc vào các yếu tố chính: - Kích thƣớc của biến tử càng lớn sự bức xạ càng cao. - Đặc trƣng của môi trƣờng cho phép bức xạ nhiều hay ít. - Nguồn dao động cung cấp cho biến tử.
Với cùng một bƣớc sóng lan truyền, kích thƣớc biến tử càng lớn thì góc tập trung năng lƣợng bức xạ càng hẹp, tính định hƣớng của biến tử càng cao. Xét riêng về mặt tần số thì khi tăng tần số, tính định vị cũng tăng. Tuy vậy, sự hấp thụ của môi trƣờng cũng tăng làm giảm sóng tryền xa. Sự phản xạ sóng Khái niệm về mặt phẳng âm: mặt phẳng âm là mặt phẳng có bề mặt nhận sóng có độ nhấp nhô nhỏ thua 10 lần bƣớc sóng.
Phản xạ sóng khi truyền sóng vuông góc trên giới hạn phân cách giữa hai môi trƣờng. Khi truyền sóng vuông góc trên giới hạn phân cách hai môi trƣờng thì một phần năng lƣợng truyền qua, một phần năng lƣợng sẽ phản xạ lại môi trƣờng thứ nhất. Tỉ lệ thành phần truyền qua và thành phần phản xạ phụ thuộc vào trở kháng âm của hai môi trƣờng. Hiện tƣợng phản xạ toàn phần chỉ xảy ra khi truyền sóng từ môi trƣờng có vận tốc truyền sóng nhỏ sang môi trƣờng có vận tốc truyền sóng lớn.
Sự hấp thụ sóng siêu âm của môi trƣờng truyền sóng Trong quá trình lan truyền sóng trong môi trƣờng, cƣờng độ sóng bị suy giảm dần do sự hấp thụ của môi trƣờng và do sự tán xạ của sóng. Sự suy giảm năng lƣợng phụ thuộc vào các yếu tố: - Tính dẫn nhiệt, hệ số ma sát, tính không đồng nhất của môi trƣờng. - Tần số của sóng. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 do an CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.2 Biến tử siêu âm 2.1 Vai trò và phân loại biến tử siêu âm Biến tử siêu âm là thiết bị trực tiếp biến đổi năng lƣợng điện có tần số siêu âm thành dao động cơ học có cùng tần số.
Ngƣợc lại một biến tử siêu âm cũng có khả năng biến đổi dao động cơ học thành dao động điện có tần số tƣơng ứng. Theo hai chức năng đó, biến tử đƣợc phân chia thành biến tử thu sóng và biến tử phát sóng. - Biến tử phát sóng Một dao động điện có tần số siêu âm sau khi đƣợc xử lý và khuếch đại đến mức cần thiết đƣợc đƣa đến biến tử phát sóng. Biến tử phát sóng sẽ biến đổi dao động điện thành dao động cơ học lan truyền trong môi trƣờng nhằm thực hiện một chức năng nào đó.
Tùy theo vật liệu cấu tạo nên biến tử mà ta có biến tử áp điện hay biến tử từ giảo. Biến tử áp điện thƣờng có công suất nhỏ , hoạt động ở vùng tần số cao. Ngƣợc lại biến tử từ giảo thƣờng đƣợc sử dụng trong các thiết bị có công suất lớn, làm việc với tần số thấp.