(Đồ án hcmute) nghiên cứu, chế tạo hệ thống rửa siêu âm trong công nghiệp ứng dụng rửa gạc y tế

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO HỆ THỐNG RỬA SIÊU ÂM
TRONG CÔNG NGHIỆP ỨNG DỤNG RỬA
GẠC Y TẾ

GVHD: TS. NGUYỄN THANH HẢI
PHẠM THẾ MẠNH
MSSV: 12146108
ÐỒNG PHÚC QUYỀN
MSSV: 12146151

S KL 0 0 4 7 5 5

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2016

do an


KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài: “NGHIÊN

CỨU, CHẾ TẠO HỆ THỐNG RỬA
SIÊU ÂM TRONG CÔNG NGHIỆP ỨNG DỤNG RỬA

GẠC Y TẾ”

Giảng viên hƣớng dẫn:

TS. NGUYỄN THANH HẢI

Sinh viên thực hiện:

PHẠM THẾ MẠNH

12146108

ĐỒNG PHÚC QUYỀN

12146151

Lớp:

121461D

Khoá:

2012 - 2016

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2016
i

do an

TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
TP. HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA
VIỆT NAM
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
Bộ mơn cơ điện tử

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Giảng viên hƣớng dẫn: Ts. Nguyễn Thanh Hải
Sinh viên thực hiện: Phạm Thế Mạnh - 12146108
Đồng Phúc Quyền - 12146151
1. Tên đề tài:
Nghiên cứu chế tạo hệ thống rửa siêu âm trong công nghiệp ứng dụng rửa gạc y tế.
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:
Nguồn phát siêu âm: 220V – 20kHz – 2200W.
Khuôn rửa: 170x10mm.
Chiều dài cuộn gạc 50m, rộng 130mm.
3. Nội dung chính của đồ án:
Thiết kế mơ hình, thử nghiệm khả năng rửa của siêu âm đối với vật liệu gạc. Từ đó
tìm ra phƣơng án, ngun lý rửa tốt nhất để thiết kế máy rửa hồn chỉnh.
Tìm ra các thơng số rửa phù hợp cho gạc.
Sau khi thử nghiệm gạc đạt kết quả mong muốn, sẽ tiến hành cải tiến đƣa hệ thống
vào dây chuyền sản xuất liên tục.
4. Các sản phẩm dự kiến
Mơ hình máy rửa gạc dùng để thử nghiệm.
Tập bản vẽ.
5. Ngày giao đồ án:

6. Ngày nộp đồ án:
TRƢỞNG BỘ MÔN

GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN

(Ký, ghi rõ họ tên)

(Ký, ghi rõ họ tên)

Đƣợc phép bảo vệ…………………………………………
(GVHD ký, ghi rõ họ tên)
ii

do an


-

LỜI CAM KẾT
Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo hệ thống rửa siêu âm trong công nghiệp ứng dụng
rửa gạc y tế.

-

GVHD: Ts. Nguyễn Thanh Hải

-

Họ tên sinh viên cam kết: Phạm Thế Mạnh

-

MSSV: 12146108

-

Địa chỉ sinh viên: G259, Bùi Văn Hoà, Biên Hoà – Đồng Nai

-

Số điện thoại liên lạc: 01696367401

-

Email:

-

Ngày nộp khoá luận tốt nghiệp (ĐATN):

-

Lời cam kết: “ Tơi xin cam đoan khố luận tốt nghiệp (ĐATN) này là cơng trình

Lớp: 121461D

do chính tơi nghiên cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết
nào đã được cơng bố mà khơng trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi
phạm nào, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm”.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày …. tháng …. năm 20…..
Ký tên

iii

do an


LỜI CẢM ƠN
Để có đƣợc luận văn này nhóm nghiên cứu đã nhận đƣợc rất nhiều sự giúp đỡ của
nhiều tập thể và cá nhân. Do đó nhóm nghiên cứu muốn dành một trang, trang trọng
của đầu luận văn này để bày tỏ lòng cám ơn tới những ngƣời đã giúp đỡ hồn thành
luận văn này.
Nhóm nghiên cứu xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS.Nguyễn Thanh Hải ngƣời
thầy đã tận tình hƣớng dẫn chúng em trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp.
Nhóm nghiên cứu cũng xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô trƣờng Đại học Sƣ
Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM đã truyền dạy cho chúng em kiến thức về các môn đại cƣơng
và các môn chuyên ngành, giúp chúng em có đƣợc cơ sở, nền tảng lý thuyết vững vàng
để trở thành những ngƣời có ích cho đất nƣớc.
Lời cuối con muốn bày tỏ lòng biết ơn tới ba mẹ, những ngƣời thân trong gia đình
đã sinh thành, ni dƣỡng và ln tạo mọi điều kiện về vật chất, tinh thần tốt nhất cho
con để con hồn thành sự nghiệp học tập của mình.
Sau cùng, nhóm nghiên cứu xin kính chúc q Thầy Cơ trong Khoa Cơ khí máy
và TS.Nguyễn Thanh Hải thật dồi dào sức khỏe, niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ
mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau.
Trân trọng.
Nhóm sinh viên thực hiện

iv

do an


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO HỆ THỐNG RỬA SIÊU ÂM TRONG CƠNG NGHIỆP
ỨNG DỤNG RỬA GẠC Y TẾ
Cơng nghệ siêu âm đã đƣợc ứng dụng trong công nghiệp từ lâu ở các nƣớc phát
triển. Tuy nhiên, việc ứng dụng siêu âm vào cơng nghiệp tại Việt Nam cịn chƣa phổ
biến. Các doanh nghiệp Việt Nam và các doanh nghiệp nƣớc ngoài tại Việt Nam muốn
chuyển đổi, nâng cấp thành cơng nghệ siêu âm cịn phải phụ thuộc vào các cơng ty
nƣớc ngồi. Trƣớc tình hình đó, nhóm nghiên cứu mong muốn tìm hiểu về cơng nghệ
này để có đƣợc kiến thức và nhận biết đƣợc các tác dụng của siêu âm. Ngoài ra việc
đƣợc thực hiện đồ án với sự hỗ trợ của cơng ty cho nhóm thêm nhiều kiến thức thực tế
và khả năng giải quyết vấn đề.
Các vấn đề mà nhóm nghiên cứu trong đồ án này nhƣ sau:
 Tìm hiểu về sóng siêu âm.
 Tìm hiểu về nguyên lý rửa siêu âm.
 Tìm hiểu về quy trình rửa gạc và sản xuất gạc.
 Thiết kế hệ cơ khí của máy bằng phần mềm SOLIDWORKS.
 Tiến hành thí nghiệm thử mẫu gạc, nhận xét kết quả.
 Từ q trình thí nghiệm, đƣa ra phƣơng án cải thiện, giải quyết các vấn đề khiến
kết quả chƣa đạt.
Mặc dù chúng em đã có nhiều cố gắng tìm hiểu, học hỏi và sƣu tầm nhƣng do thời
gian có hạn, năng lực hạn chế nên đồ án của chúng em khơng tránh khỏi những thiếu
sót. Vậy chúng em mong đƣợc sự đóng góp ý kiến chỉ đạo của các thầy cơ để chúng
em có thể rút kinh nghiệm và học hỏi thêm cho cơng việc sau này.

Nhóm sinh viên thực hiện

v

do an


ABSTRACT
Research, manufacture ultrasonic cleaning system in industry, application
wash medical gauze
Ultrasonic technology has been applied in industry for decades in developing
countries. However the application of ultrasonic in Vietnam’s industry is not so
popular. Vietnam enterprises and foreign enterprises in Vietnam want to convert,
upgrade to ultrasonic technology have to depend on foreign companies. Under these
circumstances, we want to learn about this technology to acquire knowledge and
become aware of the ultrasonic effect. Moreover, the project is implemented with the
support of the company gives us more practical knowledge and ability to solve
problems.
 Learn about ultrasonic wave
 Learn about ultrasonic clean
 Learn about wash and produce medical gauze
 Design of mechanical systems of the machine in SolidWorks software
 Labotary test sample gauze and comment of results
 Given improvement plans, resolve problems that have not achieved results
Although we have made great efforts to learn, study and collect, but due to time
constraints, the limited capacity so our project can not avoid the deficiency. We look
forward to your opinion and guidance so that we can learn from experiences and learn
for our future work.

vi

do an

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP..................................................................................... ii
LỜI CAM KẾT ..................................................................................................................... iii
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................ iv
TÓM TẮT ĐỒ ÁN ................................................................................................................. v
ABSTRACT ........................................................................................................................... vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH..................................................................................................... ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................... xi
CHƢƠNG 1:

GIỚI THIỆU ............................................................................................... 1

1.1 Đặt vấn đề ....................................................................................................................................... 1
1.2 Mục đích nghiên cứu của đề tài..................................................................................................... 1
1.3 Giới hạn của đề tài ......................................................................................................................... 1

CHƢƠNG 2:

SÓNG SIÊU ÂM VÀ BẢN CHẤT CỦA SÓNG ...................................... 2

2.1. Lịch sử phát triển của sóng siêu âm.............................................................................................. 2
2.2. Các khái niệm cơ bản về sóng siêu âm ........................................................................................... 3
2.2.1.

Sóng âm là gì .............................................................................................................................. 3

2.2.2.

Sóng siêu âm .............................................................................................................................. 3

2.2.3.

Thang sóng ................................................................................................................................. 3

2.3. Vận tốc sóng siêu âm ....................................................................................................................... 4
2.3.1.

Độ nén ........................................................................................................................................ 4

2.3.2.

Mật độ ........................................................................................................................................ 4

2.4. Năng lượng siêu âm ........................................................................................................................ 5
2.5. Đặc điểm của sóng siêu âm ............................................................................................................. 6
2.6. Phân loại sóng siêu âm theo phương truyền sóng......................................................................... 6
2.6.1.

Sóng dọc ..................................................................................................................................... 6

2.6.2.

Sóng ngang ................................................................................................................................. 7

2.6.3.

Sóng mặt hay cịn gọi là sóng Raleigh ....................................................................................... 7

2.6.4.

Sóng bản mỏng hay cịn gọi là sóng Lamb ................................................................................ 8

CHƢƠNG 3:

ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM TRONG RỬA .................................... 10

3.1. Sự tạo thành bọt khí .....................................................................................................................10
3.2. Cơng thức tính bán kính bóng khí ..............................................................................................11
3.3. Tần số của sóng siêu âm ảnh hƣởng đến các ứng dụng ............................................................12
3.4. Nguyên lý làm sạch các loại vết bẩn của quá trình phát nổ của bọt khí .................................13
3.5. Ƣu điềm của rửa siêu âm .............................................................................................................15
3.6. Các công ty sản xuất bể rửa siêu âm...........................................................................................16
vii

do an


CHƢƠNG 4:

GẠC Y TẾ ................................................................................................. 22

4.1 Cấu trúc của gạc ...........................................................................................................................22
4.2 Tiêu chuẩn khi sản xuất gạc ở Việt Nam....................................................................................22
4.3 Vai trị của gạc và các nhóm gạc .................................................................................................23
4.4 Quy trình sản xuất gạc .................................................................................................................24
4.5 Quy trình rửa gạc cũ ....................................................................................................................25
4.6 Quy trình rửa gạc bằng siêu âm..................................................................................................27

CHƢƠNG 5:

HỆ PHÁT SIÊU ÂM ................................................................................ 30

5.1. Nguồn phát siêu âm ......................................................................................................................30
5.2. Hệ tạo siêu âm ...............................................................................................................................30
5.2.1.

Bộ chuyển đổi điện cơ ............................................................................................................31

5.2.2.

Bộ khuếch đại..........................................................................................................................36

5.2.3.

Khn rửa ...............................................................................................................................37

CHƢƠNG 6:

TIẾN HÀNH LÀM MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM ..................................... 40

6.1. Sơ đồ nguyên lý .............................................................................................................................40
6.2. Quy trình hoạt động .....................................................................................................................40
6.3. Bản vẽ một số chi tiết ...................................................................................................................41
6.4. Lắp ráp hệ siêu âm .......................................................................................................................43
6.5. Tiến hành gia công hệ con lăn và lắp ráp khung máy ...............................................................46

CHƢƠNG 7:

THỬ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN ......................................................... 50

7.1. Kích thƣớc gạc y tế đƣợc rửa ......................................................................................................50
7.2. Mơ hình thí nghiệm ......................................................................................................................50
7.2.1.

Chuẩn bị mẫu test...................................................................................................................50

7.2.2.

Chuẩn bị các thiết bị khác và nhân công ..............................................................................51

7.3. Tiến hành thí nghiệm ...................................................................................................................52
7.4. Thơng số và kết quả .....................................................................................................................52
7.5. Nhận xét kết quả nhận đƣợc........................................................................................................54

CHƢƠNG 8:

CẢI TIẾN .................................................................................................. 56

TÀI LIỆU KHAM KHẢO .................................................................................................. 58

viii

do an


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Thang sóng siêu âm ............................................................................................................................ 4
Hình 2.2: Sóng dọc.............................................................................................................................................. 6
Hình 2.3: Sóng ngang .......................................................................................................................................... 7

Hình 2.4: Sóng Raleigh ........................................................................................................................................ 7
Hình 2.5: A- tiết diện của bản mỏng, B- phóng đại hai dạng đối xứng và phản đối xứng của sóng lamb truyền
qua bản mỏng tại ba thời điểm liên quan chặt chẽ với nhau, C- cả 2 sóng lamb đều sinh ra sóng rị truyền ra
ngồi mơi trường với hướng tương ứng ............................................................................................................ 8
Hình 3.1: Ảnh hưởng của tần số đến tốc độ phát triển của bóng khí ..............................................................10
Hình 3.2: Bọt khí nổ tác động lên bề mặt rửa ..................................................................................................11
Hình 3.3: Biểu đồ mối liên hệ giữa tần số và kích thước bóng khí ...................................................................11
Hình 3.4: Chất bẩn bám tại bề mặt của vật liệu rửa ........................................................................................13
Hình 3.5: Lớp bão hồ được hình thành ngăn hố chất rửa phản ứng với chất bẩn.......................................13
Hình 3.6: Bọt khí nổ bóc rời lớp bão hồ .........................................................................................................14
Hình 3.7: Chất bẩn với lực liên kết yếu (bụi) bám vào vật rửa.........................................................................14
Hình 3.8: Tác động của bọt khí làm phá vỡ liên kết lỏng lẽo của chất bẩn ......................................................15
Hình 3.9: Bề mặt rửa thực tế là các nhấp mơ gây khó khăn cho việc rửa thơng thường ................................15
Hình 3.10: Chi tiết được làm sạch bằng siêu âm mà không cần tháo rời.........................................................16
Hình 3.11: Sản phẩm multi-tank của hãng ESMA cho ứng dụng làm sạch, rửa, sấy khơ .................................16
Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý ..............................................................................................................................17
Hình 3.13: Máy rửa DRS2000 của Hielscher Ultrasonics ..................................................................................18
Hình 3.14: Giải pháp rửa sản phẩm dạng ống của Hielscher Ultrasonics ........................................................19
Hình 3.15: Hệ phát siêu âm và khn rửa ........................................................................................................20
Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lý máy rửa DRS2000 .................................................................................................20
Hình 4.1: Sơ đồ cấu trúc của các sợi vải trong gạc ...........................................................................................22
Hình 4.2: Gạc chưa rửa của cơng ty bảo thạch ................................................................................................22
Hình 4.3: Sản xuất gạc xám thơ ........................................................................................................................25
Hình 4.4: Cắt gạc bằng phương pháp thủ cơng ................................................................................................25
Hình 4.5: Lõi dùng để rửa gạc...........................................................................................................................26
Hình 4.6: Quy trình bơm nước vào ..................................................................................................................26
Hình 4.7: Quy trình hút nước ra .......................................................................................................................27
Hình 4.8: Giải pháp rửa siêu âm đối với gạc.....................................................................................................28
Hình 4.9: Biểu đồ so sánh rửa siêu âm với các phương pháp khác .................................................................29
Hình 5.1: Nguồn phát 20kHz ............................................................................................................................30

Hình 5.2: Hệ phát siêu âm dùng trong đề tài ...................................................................................................30
Hình 5.3: Cấu tạo bộ chuyển đổi dựa trên hiệu ứng từ giảo............................................................................31
Hình 5.4: Hiện tượng áp điện ...........................................................................................................................32
Hình 5.5: Đĩa gốm áp điện ................................................................................................................................32
Hình 5.6: Siêu âm trong cơng nghiệp ...............................................................................................................33
Hình 5.7: Cấu tạo converter theo kiều Langevin ..............................................................................................34
Hình 5.8: Cấu tạo của bộ chuyển đổi áp điện dùng trong đề tài, A-Đĩa áp điện, B-Khối trước, C-Bề mặt đính
kèm, D-Kết nối điện, E-Khối sau, F-Bulơng kết nối ...........................................................................................35
Hình 5.9: Converter tiêu chuẩn 40Khz .............................................................................................................36
Hình 5.10: Converter 15kHz .............................................................................................................................36
Hình 5.11: Booster 20kHz và hệ số khuếch đại (hàng trên là nhôm, hàng dưới là sắt);( D = khuếch đại, C =
đầu nối, I = giảm) ..............................................................................................................................................37
Hình 5.12: Booster 20kHz - 1:2 .........................................................................................................................37
Hình 5.13: Khn rửa 170x10mm sử dụng trong đề tài ..................................................................................38
Hình 5.14: Các loại khuôn rửa ..........................................................................................................................39
ix

do an


Hình 6.1: Sơ đồ nguyên lý ban đầu dùng để thí nghiệm ..................................................................................40
Hình 6.2: Bản vẽ hệ con lăn ..............................................................................................................................41
Hình 6.3: Con lăn phi 60 (trên), con lăn phi 35 (dưới)......................................................................................42
Hình 6.4: Bản vẽ đầu rửa ..................................................................................................................................42
Hình 6.5: Bản vẽ bồn rửa ..................................................................................................................................43
Hình 6.6: Back mass..........................................................................................................................................43
Hình 6.7: Front mass ........................................................................................................................................44
Hình 6.8: Thạch anh - lá đồng...........................................................................................................................44
Hình 6.9: Bộ chuyển đổi hồn chỉnh ................................................................................................................45
Hình 6.10: Converter và booster ......................................................................................................................45

Hình 6.11: Hệ phát hồn chỉnh.........................................................................................................................45
Hình 6.12: Mặt bích ..........................................................................................................................................46
Hình 6.13: Hệ con lăn trải gạc ..........................................................................................................................46
Hình 6.14: Bồn rửa và hệ con lăn .....................................................................................................................47
Hình 6.15: Khung máy siêu âm nhìn nghiêng ...................................................................................................47
Hình 6.16: Khung máy nhìn chính diện ............................................................................................................47
Hình 6.17: Sơ dồ nguyên lý mạch điều khiển ...................................................................................................48
Hình 6.18: Tủ điện ............................................................................................................................................49
Hình 6.19: Lắp ráp mơ hình hồn chỉnh ...........................................................................................................49
Hình 7.1: Mẫu gạc.............................................................................................................................................50
Hình 7.2: Chia và đánh mã số mẫu gạc y tế......................................................................................................50
Hình 7.3: Cuộn gạc ban đầu ( 1 ) và cuộn gạc đã chia ( 2 ) ..............................................................................51
Hình 7.4: Mơ hình dùng thí nghiệm ảnh hưởng của siêu âm ...........................................................................51
Hình 7.5: Tỷ lệ gạc đạt theo phương thức rửa. ................................................................................................54
Hình 8.1: Ngun lý sau khi cải tiến .................................................................................................................56
Hình 8.2: Vịi xịt áp suất cao được gắn thêm vào hệ thống .............................................................................57

x

do an


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Mật độ của các chất dùng trong chế tạo khuôn siêu âm ................................................................... 5
Bảng 2.2: Vận tốc sóng siêu âm trong các vật liệu phổ biến .............................................................................. 5
Bảng 3.1: Bảng tiêu chuẩn các dòng máy .........................................................................................................17
Bảng 7.1: Bảng các thiết bị sử dụng thí nghiệm ...............................................................................................52
Bảng 7.2: Khuôn ngâm vào nước .....................................................................................................................53
Bảng 7.3: Khuôn không ngâm vào nước ..........................................................................................................53

xi

do an


CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1 Đặt vấn đề
Các phƣơng pháp làm sạch cũ nhƣ sử dụng tay kết hợp các loại dung dịch,
không đảm bảo độ sạch của các chi tiết có kết cấu phức tạp, độ bám dính tạp chất
cao.
Thống kê cho thấy các phƣơng pháp tẩy rửa thông thƣờng độ bẩn trên bề mặt
chi tiết còn 70%. Rửa bằng phƣơng pháp rung độ bẩn trên bề mặt chi tiết còn 50%,
khi rửa chi tiết bằng tay độ bẩn trên bề mặt chi tiết còn 20%. Còn phƣơng pháp tẩy
rửa bằng sóng siêu âm độ bẩn chỉ cịn lại 5%.
Với xu hƣớng sử dụng công nghệ giảm tiêu hao năng lƣợng, không gây ô nhiễm
môi trƣờng, không gây ra tác động độc hại đến sức khoẻ con ngƣời, nhóm nghiên cứu
đã nhận định, rửa siêu âm sẽ là lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng rửa trong công
nghiệp và đây cũng là nguyên nhân nhóm chọn đề tài: “Nghiên cứu – chế tạo máy
rửa siêu âm trong công nghiệp ứng dụng rửa gạc y tế ” làm đồ án tốt nghiệp.
1.2 Mục đích nghiên cứu của đề tài
 Nghiên cứu máy rửa sử dụng sóng siêu âm.
 Thí nghiệm để tìm các tham số phù hợp trong quá trình rửa gạc.
 Nghiên cứu và thiết kế mơ hình rửa gạc y tế.
1.3 Giới hạn của đề tài
 Không thiết kế nguồn phát siêu âm.
 Khơng tính tốn, thiết kế hệ phát siêu âm.
 Làm mơ hình thí nghiệm khả năng rửa gạc của hệ phát siêu âm.

1

do an


CHƢƠNG 2: SÓNG SIÊU ÂM VÀ BẢN CHẤT CỦA SÓNG
2.1. Lịch sử phát triển của sóng siêu âm
[ Tham khảo từ điển Bách Khoa Toàn Thƣ Wikipedia]
Cuối thế kỷ 18, Lazzaro Spalanzani nhà sinh vật học ngƣời Italia và sau đó là
Charles Jurine nhà sinh vật học ngƣời Thụy Sĩ đã quan sát và thực hiện một số thí
nghiệm để chứng tỏ rằng lồi dơi sử dụng tai để tìm đƣờng đi. Tuy nhiên, ý tƣởng
này gặp một số phản bác và chìm dần vào quên lãng.
Đến tận đầu thế kỷ 20, sau các nghiên cứu của W. Hahn, Hiram Maxim và
Hartridge, ngƣời ta đã biết rằng lồi dơi có thể phát ra âm thanh với tần số cao, sau
đó thu âm thanh phản hồi bằng một bộ phận ở tai ngồi và dựa vào đó để xác định
đƣờng đi. Trên các kết quả này các nhà khoa học đã bắt đầu nghiên cứu chế tạo các
máy móc tƣơng tự để xác định chƣớng ngại vật.
Năm 1877 là thời điểm bắt đầu cho sự phát triển siêu âm, nhờ sự khám phá ra
hiện tƣợng áp điện của anh em nhà vật lý ngƣời Pháp Pierre và Jacques Curie.
Năm 1881, Gabriel Lippman nhà vật lý ngƣời Luxembour phát hiện ra hiện
tƣợng áp điện ngƣợc (converse piezoelectricity). Và 35 năm sau, nhà vật lý ngƣời
Pháp Paul Langevin đã phát triển phƣơng pháp chụp ảnh biểu đồ âm thanh.
Cuối thế kỷ 19 và trong suốt thế kỷ 20, mong muốn đƣợc nhìn thấy đƣợc bên
trong cơ thể con ngƣời đã thôi thúc các nhà khoa học phát triển các loại máy ghi và
đầu phát siêu âm.
Năm 1928, nhà vật lý Liên Xô Sergei Sokolov đã đề nghị sử dụng siêu âm trong
công nhiệp, bao gồm cả việc phát hiện vết nứt trong kim loại.
Karl Th. Dussik, một chuyên gia thần kinh tại đại học Vienna (Áo), đƣợc xem
nhƣ ngƣời đầu tiên sử dụng siêu âm trong chẩn đoán y khoa. Trong thập kỷ 1920 và
1930 siêu âm đƣợc sử dụng nhƣ là phƣơng pháp trị liệu. Tuy nhiên, khái niệm siêu
âm chẩn đoán lúc này còn khá mới mẻ. Cuối những năm 1940, George Ludwig đã sử
dụng siêu âm để phát hiện sỏi mật.

Trong khoảng thời gian năm 1937 đến năm 1942, Dussik và ngƣời anh là
Freiderich đã định vị đƣợc các khối u não và các hốc não (cerebral ventricle) bằng
cách đo sự truyền của siêu âm xuyên qua sọ. Họ gọi phƣơng pháp này là
hyperphonography.
2

do an


Thập kỷ 1940, siêu âm đƣợc xem nhƣ phƣơng pháp điều trị bách bệnh, nó đƣợc
sử dụng để điều trị từ bệnh viêm khớp, loét dạ dày đến eczema.
Cuối những năm 1960 và đầu những năm 1970 là thời kỳ phát triển và bùng nổ
của các thiết bị siêu âm. Trong thời gian này, Klaus Bom giới thiệu 2D echo. Năm
1966, Don Baker, Dennis Watkins và John Reid đã phát triển siêu âm Doppler xung
có thể phát hiện dịng máu ở nhiều độ sâu khác nhau trong tim. Don Baker sau đó cịn
tham gia phát triển Doppler màu và phƣơng pháp quét kép (duplex scanning).
Những năm 1980 siêu âm thời gian thực xuất hiện. Với tiến bộ này, phƣơng pháp
siêu âm trở nên đáng tin cậy hơn. Trong thập niên 1990, kỹ thuật siêu âm lại tiến một
bƣớc dài với ảnh 3D và 4D, giúp ngƣời bình thƣờng cũng có thể hiểu đƣợc hình ảnh
siêu âm. Siêu âm đã có thể giúp bác sĩ và bệnh nhân nói chuyện về những gì mà họ
nhìn thấy.
Sự ra đời của transitor và IC đã giúp thiết bị siêu âm ngày nay nhỏ hơn rất nhiều
so với các thiết bị đầu tiên.
Kỹ thuật chế tạo transducer cũng có những tiến bộ vƣợt bậc. Các transducer đầu
tiên sử dụng tinh thể thạch anh. Sau đó, ngƣời ta sử dụng nhiều vật liệu khác nhƣ
muối Rochelle, gốm áp điện,…Hiện nay, các transducer đƣợc chế tạo từ các vật liệu
tổng hợp với những tính năng vƣợt trội hơn so với các vật liệu tự nhiên.
2.2. Các khái niệm cơ bản về sóng siêu âm
2.2.1.

Sóng âm là gì

Sóng âm là những sóng cơ học lan truyền trong mơi trƣờng vật chất có tần số f >
0 (khơng truyền đƣợc trong chân khơng). Những sóng âm có tần số trong khoảng từ
16(Hz) – 20.000(Hz) gây ra đƣợc cảm giác âm trong tai con ngƣời.
2.2.2.

Sóng siêu âm

Siêu âm là sóng âm có tần số cao hơn 15kHz. Vì thế nó vẫn có các đặc tính vật lý
của sóng cơ học.
2.2.3.

Thang sóng

Tuỳ 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.
3

do an


Động Y khoa
vật và và phá
hóa học
hủy

Âm trầm

Hạ âm

Âm Thanh

Kiểm tra
khơng
phá hủy

Siêu âm

Hình 2.1: Thang sóng siêu âm
2.3. Vận tốc sóng siêu âm
Vận tốc của sóng siêu âm phụ thuộc vào kết cấu của vật liệu, không phụ thuộc
vào tần số hay kích thƣớc của vật liệu, mà nó đặc trƣng bởi độ nén và mật độ.
Công thức:

(2.1)

√

Với:
c - vận tốc sóng siêu âm
p – độ nén
k – mật độ
2.3.1.

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 mơi 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 mơi 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 cánh ngắn để có thể tác
động vào phân tử bên cạnh nên vận tốc sóng lan truyền cao.
2.3.2.

Mật độ

Mật độ là đại lƣợng thể hiện lƣợng vật chất trên mỗi đơn vị đo thể tích. Các vật
liệu có mật độ lớnthƣờng tạo bởi nhƣng phần tử lớn, các phần tử này do có qn 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.

4

do an


Bảng 2.1: Mật độ của các chất dùng trong chế tạo khn siêu âm
Trạng thái rắn

Trạng thái lỏng

(to phịng)

(to nóng chảy)

g.cm-3

g.cm-3

Titan

4.51

4.11

Sắt

7.87

6.98

Nhơm

2.7

2.38

Bảng 2.2: Vận tốc sóng siêu âm trong các vật liệu phổ biến
V

V

(inch/us)

(m/s)

Sắt

0.23

5900

Thép

0.23

5920

Titanium

0.24

6100

Nhôm

0.25

6320

Vật liệu

Từ bảng 2.1 và 2.2 ta thấy, cùng một thể tích thì do có mật độ lớn hơn nên khuôn
làm từ sắt sẽ nặng hơn titan và khn nhơm là nhẹ nhất nhƣng vận tốc sóng siêu âm

trong khuôn nhôm sẽ nhanh nhất.
2.4. Năng lƣợng siêu âm
Năng lƣợng siêu âm là động năng dao động và thế năng đàn hồi của các phần tử
trong môi trƣờng, đƣợc tính theo cơng thức:

(2.2)
Với e = năng lƣợng siêu âm
r = mật độ môi trƣờng
w = 2πf
a = biên độ siêu âm

5

do an


2.5. Đặc điểm của sóng siêu âm


Sóng siêu âm mang năng lƣợng lớn hơn sóng âm (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 mơi trƣờng truyền sóng, sóng siêu âm có bƣớc sóng ngắn nên có
tính định hƣớng cao. 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.



Sóng siêu âm có thể truyền trong nƣớc với khoảng cách rất xa. Vì thế sóng siêu
âm là phƣơng tiện đầu tiên để thám hiểm vật thể dƣới nƣớc.



Trong dải sóng siêu âm với một điều kiện nhất định xuất hiện hiện tƣợng xâm
thực xảy ra trong chất lỏng. Tính chất này đƣợc ứng dụng rộng rãi trong công
nghiệp và dân dụng.



Hiệu ứng Doppler: Là hiện tƣợng tần số và bƣớc sóng thay đổi khi vị trí của
nguồn phát sóng thay đổi.

2.6. Phân loại sóng siêu âm theo phƣơng truyền sóng
2.6.1.

Sóng dọc

Sóng dọc (cịn gọi là sóng nén) là một loại sóng cơ học có phƣơng dao động
trùng với phƣơng truyền sóng, sóng dọc truyền trong tất cả các mơi trƣờng rắn, lỏng,
khí với tốc độ lớn (6-8 km/s), tính định hƣớng cao, mang năng lƣợng lớn nên thƣờng
đƣợc ứng dụng trong thực tế. Sóng dọc bao gồm sóng âm thanh, sóng áp xuất, địa
chấn, các vụ nổ,…

Chiều dài
sóng

Nén

Giãn
Hình 2.2: Sóng dọc
6

do an


2.6.2.

Sóng ngang

Sóng ngang (sóng trượt), trong sóng ngang các vùng nén và dãn kế tiếp nhau
đƣợc tạo ra do sự dao động của các hạt vng góc với phƣơng truyền sóng.
Để cho sóng ngang lan truyền đƣợc thì liên kết giữa các hạt trong mơi trƣờng
phải là vững chắc. Vì thế sóng ngang chỉ lan truyền đƣợc trong mơi trƣờng chất rắn.
Trong các chất lỏng và chất khí khoảng cách giữa các nguyên tử là quá lớn nên lực
tƣơng tác giữa chúng nhỏ, dao động ngang bị tắt dần nhanh chóng.
Phƣơng truyền sóng

Phƣơng dao động
Hình 2.3: Sóng ngang
2.6.3.

Sóng mặt hay cịn gọi là sóng Raleigh

Sóng mặt chỉ truyền đƣợc trên bề mặt liên kết giữa chất rắn và chất lỏng. Trong
sóng mặt, dao động của hạt theo một quĩ đạo hình Elip với vận tốc chừng 90% vận
tốc sóng ngang và truyền trong vùng nhỏ hơn một bƣớc sóng tính từ mặt phân cách.
Sóng mặt thƣờng dùng để kiểm tra kim loại vì sự suy giảm của nó gây ra do mơi

trƣờng thấp hơn so với sóng ngang hoặc sóng dọc tƣơng ứng, mặt khác sóng mặt cịn
có thể đi qua các góc cạnh của vật thể có kết cấu phức tạp.

Hƣớng của sóng Raleigh
Hình 2.4: Sóng Raleigh

7

do an


2.6.4.

Sóng bản mỏng hay cịn gọi là sóng Lamb

Khi một sóng lan truyền vào một vật thể có bề dày nhỏ hơn hoặc bằng một phần
bƣớc sóng thì sẽ xuất hiện một loại sóng khác gọi là sóng bản mỏng.
Vật liệu bắt đầu dao động nhƣ một tấm mỏng tức là sóng tràn ngập tồn bộ bề
dày của vật. Vận tốc sóng Lamb phụ thuộc vào vật liệu, bề dày vật liệu, tần số và
dạng của sóng.
Sóng bản mỏng tồn tại dƣới nhiều dạng phức hợp của dao động của hạt. Hai dạng
cơ bản của sóng là:


Dạng đối xứng hay dạng dãn nở.



Dạng phản đối xứng hay dạng uốn cong.
Các dạng của sóng đƣợc xác định theo sự dao động của hạt đối với trục trung tâm

của bản mỏng.

Hình 2.5: A- tiết diện của bản mỏng, B- phóng đại hai dạng đối xứng và phản đối xứng
của sóng lamb truyền qua bản mỏng tại ba thời điểm liên quan chặt chẽ với nhau, Ccả 2 sóng lamb đều sinh ra sóng rị truyền ra ngồi mơi trƣờng với hƣớng tƣơng ứng
Trong sóng Lamb đối xứng sự dịch chuyển của hạt theo chiều dọc của trục bản
mỏng và một dịch chuyển theo hình Elip của hạt trên bề mặt. Kết quả là dạng sóng
bao gồm những chỗ dày và mỏng nối tiếp nhau.
8

do an


Trong sóng Lamb phản đối xứng sự dịch chuyển trƣợt của các hạt theo chiều
ngang của trục bản mỏng và một dịch chuyển theo hình Elip của hạt trên mỗi bề mặt.
Kết quả dạng sóng có hình uốn lƣợn.

9

do an


CHƢƠNG 3: ỨNG DỤNG SÓNG SIÊU ÂM TRONG RỬA
3.1. Sự tạo thành bọt khí
[ Tài liệu Branson Ultrasonic ]
Sóng siêu âm phát ra làm cho dung dịch rửa lúc thì bị nén lại, lúc thì dãn ra nhanh
chóng. Điều này dẫn đến việc trong dung dịch tạo ra những khoảng trống, những
khoảng trống này tạo thành những bọt khí li ti trong bể rửa siêu âm (bọt khí là các
khoảng không nhỏ như những tế bào máu, bằng 8/1000 milimet nghĩa là cần 1,250
bóng khí xếp hàng thẳng để đạt được 1 cm chiều dài). Những bọt khí này đƣợc tạo

thành liên tục và cũng nhanh chóng tan đi.
Dƣới áp lực của những dao động liên tục do sóng siêu âm đƣợc tạo ra, các bóng
khí căng ra và nén lại với tốc độ nhanh. Một khi chúng căng tới giới hạn nhất định,
đƣợc xác định bởi tần số và cơng suất của thiết bị phát sóng, các bóng khí này sẽ bị
phá vỡ cấu trúc và phát nổ.

Tần số thấp

Tần số cao
Time

Time

Chu kỳ

Chu kỳ

Tần số thấp (20-30 kHz)
Thời gian phát triển bóng khí lâu
Bóng khí to với sức mạnh nổ lớn

Tần số cao (35-60 kHz)
Thời gian phát triển bóng khí ngắn
Bóng khí nhỏ hơn, cho mục đích nổ
nhanh, lực nổ thấp

Hình 3.1: Ảnh hƣởng của tần số đến tốc độ phát triển của bóng khí
Tại điểm phát nổ, các bóng khí sẽ phát ra dịng plasma năng lƣợng cao di chuyển
với tốc độ khoảng 500 m/h, có nhiệt độ lên đến 10,000oF và áp suất vƣợt quá 10,000
PSI va chạm, khuấy động loại bỏ các hạt và các chất rất nhỏ khỏi bề mặt cần làm sạch.

Quá trình này xảy ra hàng triệu lần trong mỗi giây và do các bóng khí rất nhỏ nên q
10

do an


trình tẩy rửa sẽ thâm nhập sâu vào chất bẩn và loại bỏ chúng, ngay cả khi chúng bám
chặt hay ăn sâu vào bề mặt rắn.

Hình 3.2: Bọt khí nổ tác động lên bề mặt rửa
3.2. Cơng thức tính bán kính bóng khí
Mối liên hệ giữa kích thƣớc bóng khí và tần số của sóng siêu âm đƣợc cho bởi
phƣơng trình sau:
(3.1)

√
Với:
f - tần số cộng hƣởng
r - bán kính
- khối lƣợng riêng của dung dịch
Po - áp suất
- hằng số (1.4)

Bán kính (micro met)

Sự phụ thuộc kích thƣớc bóng khí vào tần số

Tần số (kHz)
Hình 3.3: Biểu đồ mối liên hệ giữa tần số và kích thƣớc bóng khí
11

do an


3.3. Tần số của sóng siêu âm ảnh hƣởng đến các ứng dụng
Tần số

Ứng dụng

20kHz

Chi tiết lớn, các bồn rửa lớn

40kHz

Hầu hết các ứng dụng (95%)

68kHz

Vật liệu da mềm, linh kiện
kim loại

132kHz

Linh kiện ổ đĩa

170kHz

Ổ đĩa và linh kiện bán dẫn

12

do an


3.4. Nguyên lý làm sạch các loại vết bẩn của q trình phát nổ của bọt khí
Việc làm sạch trong hầu hết các trƣờng hợp, đƣợc yêu cầu phải hoà tan chất gây ơ
nhiễm hay bóc rời chúng khỏi vật liệu hoặc kết hợp cả hai vừa bóc rời vừa hồ tan.
Tác dụng cơ học của năng lƣợng sóng siêu âm là hữu ích trong việc tăng tốc độ hồ
tan và bóc rời các chất bẩn.
Ngồi có lợi trong việc làm sạch, sóng siêu âm cũng rất có lợi cho việc rửa. Các
hố chất dùng làm sạch cịn dƣ lại sẽ đƣợc loại bỏ hồn tồn và nhanh chóng bằng
cách rửa siêu âm.
Việc hồ tan các chất gây ơ nhiễm là điều cần thiết để cho chất tẩy rửa tiếp tục
thâm nhập, tiếp xúc để hoà tan lớp chất gây ô nhiễm còn lại. Phản ứng làm sạch chỉ
diễn ra tại bề mặt tiếp xúc giữa chất tẩy rửa và chất gây ơ nhiễm (Hình 3.4).
Chất bẩn
Hố chất làm sạch

Chi tiết đƣợc làm
sạch
Hình 3.4: Chất bẩn bám tại bề mặt của vật liệu rửa
Ngay khi chất làm sạch hoà tan chất gây ơ nhiễm, một lớp bão hồ hình thành tại
bề mặt tƣơng tác của chúng. Lớp bão hoà này khiến tác động làm sạch bị dừng lại do
hoá chất bị bão hồ khơng có tác dụng với chất ơ nhiễm, ngăn cản hố chất cịn mới
tƣơng tác với chất ơ nhiễm (Hình 3.5).
Chất bẩn

Lớp bão hồ sau
phản ứng

Hố chất chƣa phản ứng

Chi tiết đƣợc làm
sạch

Hình 3.5: Lớp bão hồ đƣợc hình thành ngăn hố chất rửa phản ứng với chất
bẩn
13

do an