nghiên cứu chế tạo máy phát siêu âm công suất kiểu hội tụ

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình
nào khác.
Tác giả
Lê Quang Quý Tú
LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sỹ với đề tài Nghiên cứu chế tạo máy phát siêu âm công suất
kiểu hội tụ được thực hiện tại Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học, Đại học
Huế. Trong suốt thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận được nhiều sự giúp đỡ
quý báu, cả về vật chất lẫn tinh thần.
Trước hết, tác giả gửi lời cảm ơn đến Ban Chủ nhiệm, các cán bộ, giảng viên
của Khoa Vật lý, trực tiếp là Bộ môn Vật lý Chất rắn (Trường Đại học Khoa học,
Đại học Huế) đã tạo mọi điều kiện để luận văn này được hoàn thành.
Xin bày tỏ tình cảm biết ơn sâu sắc nhất đến thầy hướng dẫn, TS. Trương
Văn Chương. Thầy luôn theo dõi sát sao và hướng dẫn giải quyết triệt để những
vướng mắc mà tác giả gặp phải. Thầy đã tập cho học trò của mình tư duy và niềm
đam mê khoa học.
Đồng cảm ơn ThS. Đặng Anh Tuấn (Đại học Khoa học Huế) về những hỗ trợ
tích cực trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Xin ghi vào đây lời tri ân đến bạn trong gia đình lớp Cao học Vật lý Khóa
2010 (2010 – 2012) về những tình cảm tốt đẹp, sự giúp đỡ trong những lúc tác giả
khó khăn nhất.
Cuối cùng, xin dành lời cảm ơn đặc biệt đến ba mẹ và những người thân.
Công cha, nghĩa mẹ, tình cảm gia đình là động lực to lớn thôi thúc tác giả hoàn
thành luận văn này.

Huế, 9 – 2012
MỤC LỤC
Trang phụ bìa
LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 5
TỔNG QUAN VỀ SIÊU ÂM CÔNG SUẤT 5
1.1. HIỆU ỨNG SINH LỖ HỔNG 5
1.2. ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ NỔ TUNG BỌT KHÍ [8] 7
1.2.1. Sự nổ tung của bọt chứa hơi 7
1.2.2. Sự nổ tung đoạn nhiệt đối của bọt chứa khí - hơi đa biến 9
1.2.3. Tính chất của cavitacy âm 10
1.3. ỨNG DỤNG CỦA SIÊU ÂM CÔNG SUẤT 15
1.3.1. Dùng siêu âm công suất để tổng hợp vật liệu mới [4], [7] 15
1.3.1.1. Tổng hợp vật liệu hệ vô cơ - polime 15
1.3.1.2. Tổng hợp vật liệu hệ hữu cơ - polime: vinyl polime 16
1.3.1.3. Tổng hợp vật liệu sinh học 17
1.3.1.4. Tổng hợp vật liệu vô cơ cấu trúc nano 17
1.3.2. Siêu âm trong bảo vệ môi trường và xử lý ô nhiễm [17], [23], [24],
[26] 18
1.3.2.1. Xử lý nước 18
1.3.2.2. Siêu âm nước 22
1.3.2.3. Ảnh hưởng của siêu âm 23
1.3.2.4. Ứng dụng kết hợp giữa siêu âm và Ozone 24
1.3.2.5. Ứng dụng kết hợp giữa siêu âm với chiếu xạ UV 25
CHƯƠNG 2 27
2.1. CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA GỐM 27
2.1.1. Quy trình chế tạo mẫu 28
2.1.2. Phân loại mẫu 31
2.2. CẤU TRÚC VÀ VI CẤU TRÚC CỦA GỐM 31

2.2.1. Cấu trúc 31
2.2.2. Vi cấu trúc 32
2.2.3. Các tính chất điện môi 33
2.2.4. Tính chất sắt điện của gốm PZT-MnZn-LBO 35
2.2.5. Các tính chất áp điện của gốm PZT-MnZn-LBO 37
2.3. CHẾ TẠO BIẾN TỬ CHO SIÊU ÂM HỘI TỤ [1], [8], [11] 44
2.4. LẮP RÁP CỤM BIẾN TỬ [8] 47
CHƯƠNG 3 50
CHẾ TẠO MÁY PHÁT SIÊU ÂM CÔNG SUẤT KIƒU H„I TỤ 50
3.1. THIẾT KẾ ĐẦU PHÁT KIỂU NHẢY BƯỚC (USH) [19], [20], [21] 51
3.2. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ 54
3.2.1. Phương pháp kích thích biến tử siêu âm 55
3.2.2. Thiết kế mạch phát siêu âm 56
3.2.3. Nguyên lý hoạt động mạch điều khiểu biến tử siêu âm 58
3.2.3.1. Sơ đồ mạch điện 58
3.2.3.2. Nguyên lý hoạt động 58
3.3. LẮP RÁP VÀ HOÀN THIỆN MÁY PHÁT SIÊU ÂM CÔNG SUẤT KIỂU HỘI TỤ 59
3.4. CÁC THÔNG SỐ CỦA MÁY PHÁT SIÊU ÂM KIỂU HỘI TỤ 60
3.4.1. Tần số làm việc, biên độ tín hiệu, dòng điện tiêu thụ 60
3.4.2. Công suất âm 61
3.5. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA MÁY SIÊU ÂM HỘI TỤ ĐÃ CHẾ TẠO 63
3.5.1. Chế tạo nano bạc 63
3.5.2 . Chế tạo nhũ tương hệ dầu tràm - nước 64
Tiếng Việt 68
Tiếng Anh 69
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT
Ký hiệu Ý nghĩa
AOPs Quá trình oxy hóa nâng cao
UV Ánh sáng tia cực tím
PZT

Pb
PZT-MnZn
PZT-MnZn-LBO
USH Đầu phát dạng nhảy bước
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Khối lượng riêng của các mẫu gốm PZT-MnZn-LBO 32
Bảng 2.2. Sự phụ thuộc của điện trường kháng và phân cực dư vào nồng độ LBO
Bảng 2.3. Các thông số từ phổ cộng hưởng áp điện
Bảng 2.4. Các thông số áp điện dao động theo phương bán kính
Bảng 2.5. Các giá trị tần số cộng hưởng bậc một, bậc ba và hệ số liên kết điện cơ của dao
động theo chiều dày
Bảng 2.6. Khối lượng riêng và vận tốc âm của vật liệu
Bảng 2.7. Thông số hình học của các biến tử
Bảng 2.8. Các đặc trưng cộng hưởng của mẫu và
Bảng 2.9. Các thông số hình học của khối kim loại nhôm và thép
Bảng 3.1. Các tham số của đường làm khớp
Bảng 3.2. Đặc tính kỹ thuật của máy phát siêu âm hội tụ
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Quá trình tạo bọt khí
Hình 1.2. Phân bố nhiệt độ trong và ngoài bọt khí
Hình 1.3. Sự phụ thuộc của bán kính bọt khí vào tần số cộng hưởng 14
Hình 1.4. Tổng hợp các vật liệu cấu trúc nano bằng phương pháp hóa học dưới tác
động của siêu âm
Hình 2.1. Quy trình công nghệ chế tạo gốm theo phương pháp truyền thống
Hình 2.2. Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu M850-2.0 31
Hình 2.3. Ảnh hiển vi điện tử quét của gốm M850-2.0 32
Hình 2.4. Sự phụ thuộc của khối lượng riêng vào nhiệt độ thiêu kết ứng với các mẫu
có nồng độ LBO khác nhau
Hình 2.5. Sự phụ thuộc hằng số điện môi và tổn hao điện môi vào nhiệt độ của mẫu
850-1.5 33

Hình 2.6. Sự phụ thuộc hằng số điện môi và tổn hao điện môi vào nhiệt độ của mẫu
M850-2 33
Hình 2.7. Sự phụ thuộc hằng số điện môi và tổn hao điện môi vào nhiệt độ của mẫu
M850-2.5 34
Hình 2.8. Sự phụ thuộc hằng số điện môi và tổn hao điện môi vào nhiệt độ của mẫu
M850-3 34
Hình 2.9. Sự phụ thuộc hằng số điện môi, tổn hao điện môi vào nhiệt độ ứng với các
mẫu khác nhau 34
Hình 2.10. Sự phụ thuộc nhiệt độ Curie T
c
vào nồng độ LBO 35
Hình 2.11. Dạng đường trễ của các mẫu M0
,
M850-2, M850-2.5, M850-3 36
Hình 2.12. Dạng đường trễ của các mẫu 36
Hình 2.13. Sự phụ thuộc của phân cực dư vào nồng độ LBO 37
Hình 2.14. Sự phụ thuộc của điện trường kháng vào nồng độ LBO 37
Hình 2.15. Phổ dao động radian của mẫu M750-2 37
Hình 2.16a. Phổ dao động radian của mẫu M800-2.5 37
Hình 2.16b. Phổ dao động radian của mẫu M800-3 38
Hình 2.17. Phổ dao động radian của mẫu M850-2 38
Hình 2.18. Phổ dao động radian của mẫu MU5H 38
Hình 2.19. Phổ dao đông radian của mẫu M0 38
Hình 2.20. Sự phụ thuộc hệ số liên kết điện cơ k
p
vào nhiệt độ thiêu kết ứng với các
mẫu có nồng độ LBO khác nhau 41
Hình 2.2. Sự phụ thuộc hệ số phẩm chất Q
m
vào nhiệt độ thiêu kết ứng với các mẫu

có nồng độ LBO khác nhau 41
Hình 2.22. Phổ dao động cộng hưởng theo chiều dày của các mẫu 42
Hình 2.23. Sự phụ thuộc hệ số liên kết điên cơ k
t
vào nhiệt độ thiêu kết ứng với các
mẫu có nồng độ LBO khác nhau 43
Hình 2.24. Biến tử Langevin kép 45
Hình 2.25. Biến tử áp điện sau khi được chế tạo 46
Hình 2.26. Phổ cộng hưởng áp điện của (a) mẫu , (b) mẫu 46
Hình 2.27. Mạch đo điện áp xuất hiện trên biến tử khi chịu lực ép 48
Hình 2.28. Biến tử ghép đã chế tạo 48
Hình 2.29. Mặt cắt của biến tử ghép 48
Hình 2.30. Phổ cộng hưởng áp điện của (a) hệ biến tử, (b) biến tử tự do 49
Hình 3.1. Một số dạng đầu phát trong hệ siêu âm công suất 50
Hình 3.2. Đầu phát siêu âm nhảy bước (quan hệ và biên độ) 52
Hình 3.3. Mặt cắt ngang của đầu phát siêu kiểu hội tụ 56
Hình 3.4. Đầu phát siêu âm hội tụ đã lắp ráp hoàn thiện 54
Hình 3.5. Phổ cộng hưởng của đầu phát siêu âm 54
Hình 3.6. Sơ đồ khối của máy phát siêu âm kiểu hội tụ 55
Hình 3.7. Mô hình biến tử Butterworth- Van Dyke 56
Hình 3.8. Sơ đồ nguyên lý bộ khuếch đại công suất đẩy-kéo 57
Hình 3.9. Biến áp suất âm 58
Hình 3.10. Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử của máy phát siêu âm đơn 58
Hình 3.11. Sơ đồ mạch in của mạch phát siêu âm đơn 59
Hình 3.12. Chùm hội tụ của sóng siêu âm trong môi trường nước 60
Hình 3.13. Dạng tín hiệu trên các biến tử của máy phát 60
Hình 3.14. Máy phát siêu âm hội tụ thành phẩm 61
Hình 3.15. Thí nghiệm đo công suất âm 62
Hình 3.16. Sự gia tăng nhiệt độ của nước theo thời gian dưới tác dụng của siêu âm hội tụ
62

Hình 3.17. Phổ UV-VIS của dung dịch nano bạc nồng độ 100 ppm 64
Hình 3.18. Trước khi siêu âm 65
Hình 3.19. Sau khi siêu âm 65
1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Siêu âm là một trong những lĩnh vực khoa học phát triển khá nhanh trong
thời gian hiện nay. Tuỳ thuộc vào tần số, công suất phát của các nguồn siêu âm mà
chúng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống, khoa học và
công nghệ.
Trong nông nghiệp, sóng siêu âm có tác dụng rất hiệu quả đến quá trình xử
lý giống, kích thích sinh trưởng. Dưới tác động của sóng siêu âm, các chất vi lượng
trong đất được giải phóng và năng suất cây trồng được nâng cao, tác dụng cải tạo
đất hiệu quả hơn. Sóng siêu âm đã được ứng dụng trong việc thăm dò, đánh bắt hải
thuỷ sản. Trong y học, nhờ những tiến bộ vượt bậc của kỹ thuật điện tử - tin học - tự
động hóa, các thiết bị chẩn đoán, thăm dò, điều trị, phẫu thuật và vi phẫu thuật hiện
đại dựa trên nguyên lý sóng siêu âm đã được đưa vào sử dụng. Kỹ thuật điều trị
bằng siêu âm cũng ngày càng tỏ ra hiệu quả trong việc điều trị nhiều loại bệnh khác
nhau. Làm sạch bằng siêu âm được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực nghiên cứu
khoa học, đời sống là một trong những ví dụ điển hình về tính hiệu quả của siêu âm.
Như chúng ta đã biết, nhiệt độ cao và áp suất lớn là hai thông số vật lý quan
trọng nhất trong bất kỳ một quá trình nào liên quan đến việc chế tạo vật liệu. Có thể
nói, ai làm chủ được hai thông số này, người đó có thể chế tạo được bất kỳ một vật
liệu nào theo mong muốn. Hiện nay, người ta đang quan tâm nghiên cứu ứng dụng
siêu âm công suất cao để chế tạo các vật liệu vô cơ, hữu cơ, vật liệu điện tử có cấu
trúc nano.
Với một nguồn phát siêu âm công suất lớn, hiệu ứng cavitacy hình thành các
bọt khí có áp suất nội đến hàng nghìn atmotphe, nhiệt độ biểu kiến khoảng 5000 K,
tốc độ tăng và giảm nhiệt độ đạt tới 10
10

K/s. Các phản ứng hoá học không thể xảy
ra trong điều kiện thường, sẽ dễ dàng thực hiện khi có mặt của sóng siêu âm công
suất cao. Các dung dịch khác nhau không thể hoà tan sẽ dễ dàng trộn lẫn vào nhau
một cách đồng nhất và dễ dàng khi có mặt siêu âm. Trong xử lý chất thải bảo vệ
môi trường, siêu âm hiện đang được chú trọng như một tác nhân siêu oxy hoá tiên
2
tiến. Siêu âm có thế làm gia tăng tốc độ, hiệu suất chiết tách các hợp chất quý mà
các phương pháp thông thường không thể đạt được.
Ở nước ta hiện nay, việc nghiên cứu và ứng dụng của siêu âm công suất cao
vẫn còn hạn chế. Để thúc đẩy và góp phần vào lĩnh vực này và trên cơ sở trang thiết
bị tại phòng thí nghiệm khoa lý Trường đại học Khoa học Huế, chúng tôi chọn
“Nghiên cứu chế tạo máy phát siêu âm công suất kiểu hội tụ” làm đề tài cho
Luận văn Thạc sỹ.
2. Tính cấp thiết của đề tài
Sự cần thiết nghiên cứu
Ngày nay, những ứng dụng siêu âm trong các lĩnh vực khác nhau, đòi hỏi
công suất phát cao chẳng hạn như : khoan, mài, cắt các vật liệu cứng, máy giặt siêu
âm, hàn bằng siêu âm hay những ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp và đặc biệt
là trong lĩnh vực chế tạo vật liệu. Trong những năm gần đây, thiết bị phát siêu âm
công suất phục vụ cho việc chế tạo các vật liệu có cấu trúc nano rất cần thiết cho
nhiều lĩnh vực và có khả năng phân hủy nước thải, chiết tách vật liệu, diệt tảo độc ở
các nơi nước bị nhiễm độc…[9]. Tuy nhiên, việc chế tạo biến tử phát với công suất
lớn gặp nhiều khó khăn, bởi vì để có công suất cao thì ngoài các đặc tính vật lý của
vật liệu, chúng còn đòi hỏi về hình dạng và kích thước, chẳng hạn như chiều dài
theo phương truyền sóng và diện tích bề mặt lớn, do đó rất khó để chế tạo. Vì vậy,
kỹ thuật hội tụ để nâng cao công suất phát là một đòi hỏi thiết yếu đặt ra.
Ý nghĩa về lý luận và thực tiễn của đề tài
Đề tài góp phần vào những nghiên cứu cơ bản về siêu âm công suất và ứng
dụng
3. Tình hình nghiên cứu và tính mới của đề tài

Tình hình nghiên cứu
Năm 2009, nhóm nghiên cứu gồm Tiến sỹ Trương Văn Chương, Thạc sỹ Lê
Quang Tiến Dũng, Thạc sỹ Nguyễn Đình Tùng Luận và Thạc sỹ Thân Trọng Huy,
Khoa Vật lý – ĐH Khoa học Huế, là nhóm đầu tiên đã chế tạo thành công thiết bị
phát siêu âm công suất với tần số 33.2 kHz và công suất siêu âm 117W [2], [3], [6].
3
Tác giả Nguyễn Văn Thông đã lắp ráp thành công máy phát siêu âm công
suất đa tần sử dụng hai đầu phát ghép được điều khiển bởi hai mạch điện tử riêng lẻ
hoạt động đồng thời trong khay chứa siêu âm trên nguyên lý hiệu ứng tạo phách để
tạo ra một dải tần số rộng. Từng biến tử được ghép trong một tổ hợp phản xạ và bức
xạ siêu âm để tập trung năng lượng siêu âm vào trong khay chứa. Mạch điện tử
được đo đạc chỉnh lý phù hợp với hệ biến tử để khai thác hiệu suất cao nhất. Máy
phát có công suất trung bình 156.5 W, bồn rửa có kích thước đảm bảo yêu cầu sử
dụng trong các phòng thí nghiệm để tổng hợp vật liệu, đặc biệt là vật liệu điện tử có
cấu trúc nano [8]. Năm 2011, trên hệ gốm Pb(Zr
0.51
Ti
0.49
)O
3
- 0.4%wt MnO
2
–
0.25%wt ZnO, Thạc sỹ Đặng Anh Tuấn đã hoàn thiện máy phát siêu âm dưới nước
sử dụng biến tử dạng đĩa [9]. Cũng trên nền vật liệu này, Thạc sỹ Phan Thanh Hà đã
nghiên cứu và chế tạo thành công biến tử phát siêu âm dùng trong thiết bị kiểm tra
không phá huỷ bê tông [5].
Tính mới của đề tài
Lần đầu tiên sử dụng đầu hội tụ để tập trung năng lượng siêu âm vào một
vùng đã được định trước nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng

4. Mục đích của đề tài
- Nghiên cứu chế tạo hệ vật liệu áp điện PZT(51/49) − 0.4%wt MnO
2 −
0.15%wt ZnO pha chất chảy LBO thiêu kết ở nhiệt độ thấp. Chế tạo biến tử áp điện
hình xuyến.
- Lắp ráp biến tử ghép kiểu Langevin và thiết kế đầu hội tụ.
- Thiết kế mạch kích phát sóng siêu âm.
- Lắp ráp máy phát siêu âm công suất kiểu hội tụ.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thực nghiệm, sử dụng công nghệ gốm truyền thống.
- Sử dụng thiết bị nghiền hành tinh PM 400/2 MA để chế tạo mẫu.
- Sử dụng nhiễu xạ tia X và ảnh SEM nghiên cứu cấu trúc và vi cấu trúc.
- Các phương pháp đo: sử dụng các phương pháp đo hiện đại được tự động
hóa đã trang bị tại bộ môn vật lý chất rắn, Khoa Vật lý, Trường Đại học khoa học,
4
Đại học Huế như: RLC Hioki 3532, HP 4193A, Impedance HP 4396B, hệ đo đường
trễ sắt điện sử dụng phương pháp mạch Sawyer – Tower, cân điện tử M -120.
- Tính toán các thông số áp điện theo chuẩn IRE 1961 và IRE 1987.
6. Cấu trúc của luận văn
Các nội dung chính của luận văn được triển khai trong ba chương.
Chương 1. Tổng quan về siêu âm công suất
Trong chương này, chúng tôi trình bày một số khái niệm về siêu âm công
suất và các ứng dụng của siêu âm công suất để minh chứng cho vai trò của nó trong
các lĩnh vực khác nhau của đời sống, khoa học và công nghệ.
Chương 2. Chế tạo biến tử siêu âm công suất kiểu hội tụ
- Chế tạo vật liệu trên cơ sở gốm

Pb(Zr
0.51
Ti

0.49
)O
3
– 0.4%wt MnO
2 −
0.15%wt ZnO pha chất chảy LBO.
- Thiết kế biến tử Langevin kiểu hội tụ
Chương 3. Nghiên cứu chế tạo máy phát siêu âm công suất kiểu hội tụ
- Thiết kế mạch điện tử kích thích phát sóng siêu âm
- Thiết kế và lắp ráp máy phát siêu âm công suất kiểu hội tụ
- Xác định các thông số của máy phát siêu âm công suất kiểu hội tụ
- Thử nghiệm ứng dụng
5
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ SIÊU ÂM CÔNG SUẤT
1.1. HIỆU ỨNG SINH LỖ HỔNG
Hóa học ứng dụng siêu âm gọi là âm hóa học (sonochemistry) đã trở thành
một lĩnh vực nghiên cứu mới trong thập kỷ qua. Lịch sử của ngành âm hóa học phát
triển sau những năm 1800. Năm 1984, trên con tàu chiến cao tốc, Sir John I.
Thornycroft và Sydney W. Barnaby đã phát hiện con tàu lắc dữ dội và chân vịt tàu
bị ăn mòn nhanh chóng. Họ thấy có những bóng khí lớn hình thành trên chân vịt
của tàu khi tàu đang chạy. Bằng cách tăng kích thước của chân vịt và giảm vận tốc
quay của chân vịt, họ đã hạn chế được sự hình thành và vỡ của những bóng khí và
giảm được ăn mòn. Hiệu ứng này được gọi là cavitation (tạm dịch là "sự tạo và vỡ
bọt" và thường quen gọi là cavitacy).
Cavitacy xảy ra không những trong sự xoáy mạnh của dòng chảy mà còn xảy
ra trong trường hợp chiếu xạ môi trường lỏng bằng sóng siêu âm cường độ cao.
Chiếu xạ siêu âm có thể làm tăng tốc độ phản ứng lên gấp nhiều lần. Ảnh hưởng
hóa học của sóng siêu âm được được chia thành ba hướng: âm hóa học đồng pha sử
dụng trong dung dịch lỏng (homogeneous sonochemistry of liquids), âm hóa học dị

pha sử dụng trong hệ lỏng–lỏng hay lỏng–rắn (heterogeneous sonochemistry of
liquid-liquid or liquid-solid systems) và âm học xúc tác (sonocatalysis). Do cavitacy
chỉ diễn ra trong môi trường dung dịch nên phản ứng hóa học của hệ rắn hay rắn –
khí không sử dụng chiếu xạ siêu âm được.
Sóng siêu âm có bước sóng khoảng 10cm – 10
-3
cm. Các sóng trong vùng này
không tạo đủ năng lượng để tương tác trực tiếp lên liên kết hóa học (không thể làm
đứt liên kết hóa học). Tuy nhiên, sự chiếu xạ siêu âm trong môi trường lỏng lại sinh
ra một năng lượng lớn, do đó gây nên một hiện tượng vật lý gọi là cavitation, quá
trình này phụ thuộc vào môi trường phản ứng (môi trường đồng thể lỏng rất khác so
với cavitation ở bề mặt tiếp xúc rắn-lỏng).
Siêu âm được chiếu xạ qua môi trường lỏng tạo ra một chu trình giãn nở,
gây ra áp suất âm (negative pressure) trong môi trường lỏng. Hiện tượng cavitation
6
xảy ra khi áp suất chân không vượt quá so với độ bền kéo (local tensile strength)
của chất lỏng. Độ bền này thay đổi tùy theo loại và độ tinh khiết của chất lỏng.
Thông thường sự tạo − vỡ bọt là một quá trình tạo mầm, bắt nguồn từ những chỗ
yếu trong chất lỏng như một lỗ hổng chứa khí phân tán lơ lửng trong hệ hoặc là
những vi bọt tồn tại thời gian ngắn trước khi sự tạo − vỡ bọt xảy ra. Hầu hết các
chất lỏng đều có đủ những chỗ yếu này để hình thành nên cavitation.
Những vi bọt này qua sự chiếu xạ của siêu âm sẽ hấp thu dần năng lượng từ
sóng và sẽ phát triển. Sự phát triển của bọt phụ thuộc vào cường độ của sóng. Ở
cường độ sóng cao, những bọt này sẽ phát triển nhanh thông qua tương tác quán
tính. Nếu chu kỳ giãn nở của sóng đủ nhanh, bọt khí được giãn ra ở nữa chu kỳ đầu
và nữa chu kỳ còn lại là nén bọt, nhưng bọt chưa kịp nén thì lại được giãn tiếp, cứ
thế bọt lớn dần lên và vỡ. Ở cường độ âm thấp hơn bọt khí cũng hình thành theo
quá trình chậm hơn.
Trong chất lỏng được chiếu xạ bởi siêu âm, khí bị nén khi các bọt bị vỡ vào
trong dưới áp lực bên ngoài của chất lỏng, làm phát sinh ra một lượng nhiệt tại một

điểm gọi là sự tỏa nhiệt tại một điểm (hot-spot). Tuy nhiên trong môi trường xung
quanh là lỏng lạnh và sự gia nhiệt nhanh chóng bị dập tắt, nên nó tồn tại trong thời
gian ngắn. Hot-spot là yếu tố quyết định của âm hóa học trong môi trường đồng thể.
Hot spot có nhiệt độ xấp xỉ 5000 K, áp suất khoảng 1000 atm, thời gian sống
ngắn hơn 1μs, tốc độ gia nhiệt và làm lạnh trên 10
10
K/giây. Một sự so sánh gần
đúng như sau: Hot-spot tạo được nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ bề mặt của mặt trời, áp
suất lớn như dưới lòng đại dương, thời gian sống như một tia chớp, thời gian làm
lạnh nhanh gấp hành triệu lần khi nhúng một thanh sắt nóng đỏ vào chậu nước. Sự
tạo và vỡ bọt đóng vai trò như một quá trình trung gian để nhận và tập trung năng
lượng của sóng âm và chuyển năng lượng này sang dạng có ích cho hóa học.
7
Ngoài ra, vùng phân giới xung quanh các bọt khí sinh lổ hổng có nhiệt độ, áp
suất và có thể có sự biến thiên điện trường rất lớn. Sự vận chuyển chất lỏng trong
các vùng lân cận này còn làm phát sinh sự biến thiên về biến dạng và sức căng rất
lớn do dòng chảy rất nhanh của các phân tử dung môi xung quanh các bọt khí sinh
lổ hổng cũng như sự va chạm mãnh liệt của các sóng phát ra trong quá trình vỡ tan
của các bọt khí. Các hiệu ứng vật lý này có tầm quan trọng đặc biệt trọng trong việc
tổng hợp các vật liệu polime bằng phương pháp hóa học có sự tác dụng của siêu âm.
Hệ quả cuối cùng của nhiệt độ cao là các phản ứng hoá học dễ dàng xảy ra. Áp suất
cao dẫn đến tăng số lượng phân tử va chạm, và vì vậy chúng làm tăng độ linh động
phân tử và kết quả làm gia tăng tốc độ phản ứng hoá học.
1.2. ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ NỔ TUNG
BỌT KHÍ [8]
1.2.1. Sự nổ tung của bọt chứa hơi
Cho đến nay có khá nhiều phương pháp khác nhau dẫn ra phương trình
Rayleigh – Plesset mô tả sự hình thành, phát triển và nổ tung của các bọt khí (lỗ
hổng) hình cầu. Hầu hết các phương pháp đều xuất phát từ sự cần bằng năng lượng
cơ hoặc gần đúng động học chất lưu.

Từ định luật bảo toàn khối lượng, vận tốc u tại vị trí r và thời điểm t được
biểu diễn bởi
Hình 1.1. Quá trình tạo bọt
khí
và nổ tung
Hình 1.2. Phân bố nhiệt độ
trong và ngoài bọt khí
8
2
)(
),(
r
tF
tru
=
(1.1)

Với hàm F(t) được biểu diễn dưới dạng:
dt
dR
R
T
tF
L
sv
2
)(
1)(







−=
ρ
ρ
(1.2)
Trong đa số các trường hợp,
LBV
T
ρρ
<<
)(
vì vậy chúng ta bỏ qua các hiệu
ứng hóa hơi và ngưng tụ. Như vậy, chúng ta hoàn toàn khẳng định rằng sự chuyển
khối qua bề mặt của bọt khí là bằng không, và do đó F(t) trong phương trình (1.2)
được viết lại dưới dạng:
dt
dR
RtF
2
)(
=
(1.3)
Nếu chúng ta xem rằng chất lưu được mô tả bởi mô hình này là chất lỏng
Newton (không bị nén), khi đó chúng ta có thể sử dụng phương trình chuyển động
dạng Vavier - Stoke theo phương bán kính để mô tả sự lớn lên hoặc sự nổ tung của
bọt khí







−






∂
∂
∂
∂
−
∂
∂
+
∂
∂
=
∂
∂
−
2
2
22
211

r
u
r
u
r
rrr
u
u
t
u
r
p
L
L
ν
ρ
(
1.4)
Thay (1.1) vào (1.4), và loại bỏ thành phần chứa
L
ν
, ta có phương trình
5
2
2
)(
2
)(11
r
tF

dt
tdF
rr
p
L
−=
∂
∂
−
ρ
(1
.5)
Tích phân phương trình (1.5) với cận
r r
= → ∞
và
p p p
∞
= →
ta có:
4
2
)(
2
1)(1
r
tF
dt
tdF
r

pp
L
−=
−
∞
ρ
(1.
6)
Để giải phương trình này, chúng ta cần phải đưa ra điều kiện biên tại thành
bọt và F(t). Hàm F(t) được xác định từ phương trình (1.3) và sự cân bằng lực tại
thành bọt có dạng:






−
∂
∂
+==+
r
u
r
u
Rp
R
p
rB
3

42
µσ
(1.7)
Sử dụng phương trình (1.1) và (1.3), khi đó vận tốc dịch chuyển của thành
bọt có thể biểu diễn bởi phương trình sau:
9
dt
dR
r
R
dr
du
dt
dR
r
R
u
3
2
2
2
2
−=
=
(1.8)
Kết hợp phương trình (1.6) tại
r R
p p
=
=

với các phương trình (1.7), (1.8), khi
đó phương trình Reyleigh – Plesset mô tả động học của bọt khí có dạng:
Rdt
dR
Rdt
dR
dt
Rd
R
tptp
LL
L
L
B
ρ
σ
ρ
µ
ρ
24
2
3)()(
2
2
2
++







+=
−
∞
(1.9)
Cần phải lưu ý rằng, để dẫn ra phương trình (1.9) chúng ta đã sử dụng khá
nhiều phép gần đúng. Chúng ta đã bỏ qua sự truyền nhiệt cũng như chuyển khối qua
biên, cũng như các hiệu ứng ngưng tụ hoặc hóa hơi. Bên cạnh đó, cũng đã bỏ qua
sức căng bề mặt và độ nhớt của chất lỏng.
1.2.2. Sự nổ tung đoạn nhiệt đối của bọt chứa khí - hơi đa biến
Trong hầu hết các trường hợp, một lượng khí nào đó chắc chắn sẽ bị bẫy
trong các bọt trống. Có nhiều cách để mô tả hiện tượng này, ví dụ tính đến sự vận
chuyển khí qua lớp biên. Để đơn giản, chúng ta mô tả khí có trong bọt bởi sự đóng
góp bằng một áp suất
0
G
p
nào đó. Khi đó, áp suất tại một ví trí bất kỳ trong bọt khí
có dạng:
k
oB
GBVB
R
R
T
T
pTptp
o
3

)()(














+=
∞
(1
.10)
Sự thay đổi áp suất của khí khi bán kính bọt biến đổi có thể là một quá trình
đẳng nhiệt (k =1) hoặc đoạn nhiệt (k = γ). Trong trường hợp đoạn nhiệt, giá trị k =
1.4 đối với chất khí lý tưởng là không khí. Thay (1.10) vào (1.9), khi đó chúng ta
nhận được phương trình Rayleigh-Plesset khi tính đến có một lượng khí chứa trong
bọt:
3
2
2
2
( ) ( ) ( ) ( )
4

3 2
2
o
k
G
V V B V B o
L L L
L
L L
p
p T p t p T p T T R
T R
d R dR dR
R
dt dt R dt R
ρ ρ ρ
µ
σ
ρ ρ
∞ ∞ ∞
∞
 
− −
 
+ +
 ÷
 ÷
 
 
 

= + + +
 ÷
 
(1.11)
Phương trình trên có thể được đơn giản hóa nếu chúng ta bỏ qua thành phần
thứ hai bên vế trái, bởi vì nhiệt độ của chất lỏng xem là không đổi trong một khoảng
10
thời gian rất ngắn. Vì vậy, tỷ số nhiệt độ trong thành phần thứ 3 cũng được bỏ qua.
Phương trình Rayleigh – Plesset đối với sự nổ tung đoạn nhiệt của chất khí đa biến
khi nhiệt độ của bọt không đổi được viết dưới dạng:
Rdt
dR
Rdt
dR
dt
Rd
R
R
R
p
tpTp
LL
Lo
L
G
L
V
ρ
σ
ρ

µ
ρρ
γ
24
2
3)()(
2
2
2
3
0
++






+=






+
−
∞∞
(1.12)
1.2.3. Tính chất của cavitacy âm

Để mô tả đầy đủ phương trình Rayleigh – Plesset, phần áp suất bên ngoài
( )p t
∞
cần được xác định. Trong trường hợp hiệu ứng cavitacy âm được hình thành
do các nguồn siêu âm công suất cao sinh ra, khi đó
( )p t
∞
có thể viết dưới dạng:
tpptp
Aamb
ω
sin)(
−=
∞
(1.13)
ở đây,
amb
p
là áp suất của môi trường (thường là khí quyển) và
A
p
là biên độ áp suất
của trường siêu âm.
2 f
ω π
=
, với f là tần số của nguồn siêu âm phát ra. Mối quan
hệ giữa cường độ I (W/m
2
) của nguồn siêu âm phát ra, biên độ áp suất âm, mật độ

môi trường chất lỏng và tốc độ truyền âm C
L
trong chất lỏng được biểu diễn bởi
phương trình sau :
LL
A
C
p
I
ρ
2
2
=
(1.14)
Thực nghiệm có thể xác định được biên độ áp suất âm bằng phương pháp đo
nhiệt lượng. Đầu phát siêu âm được nhúng vào trong dung dịch, độ tăng nhiệt của
dung dịch trong quá trình phát siêu âm được đo chính xác, khi đó nhiệt lượng sinh
ra do đầu phát siêu âm sẽ được xác định. Để có số liệu chính xác, nhiệt lượng kế
phải được thiết kế chính xác, có như vậy nhiệt lượng do nguồn siêu âm phát ra
chính xác bằng nhiệt lượng hấp thụ của dung dịch. Tổng công suất đo được trong thí
nghiệm này chia cho diện tích của đầu phát siêu âm sẽ cho ta cường độ I. Sử dụng
phương trình (1.14), chúng ta tính được biên độ áp suất âm trong phương trình (1.13).
Sử dụng phương trình (1.14), khi đó áp suất bên ngoài có thể được xác định
bằng phương trình sau:
)2sin(2)( ftCIptp
LLamb
πρ
−=
∞
(1.15)

Như vậy, sự phân bố áp suất trong hệ được xác định chủ yếu bởi hai thông số
của nguồn âm, đó là cường độ và tần số. Trong hầu hết các thực nghiệm, nguồn siêu
11
âm được phát ra với tần số xác định. Thông thường các nguồn siêu âm công suất
hiện nay chủ yếu làm việc tại các tần số trong dải từ 20 đến 40 kHz.
Cường độ trường âm sinh ra bởi các nguồn phát siêu âm nói chung là không
đồng nhất, nó phụ thuộc vào khoảng cách d đối với nguồn phát dưới dạng:
)exp( dII
o
α
−=
(1.16)
Hệ số suy giảm α phụ thuộc vào tính chất của hệ chất lưu và tần số nguồn
phát:
3
22
3
8
LL
L
C
f
ρ
πµ
α
=
(1.17)
Nói chung, từ các phương trình trên chúng ta có thể xác định được sự phân
bố trường âm trong hệ với một độ chính xác nào đó.
Người ta cũng đã phát hiện thấy rằng, cường độ và tần số phát của nguồn âm

cũng như bán kính ban đầu của bọt có ảnh hưởng mạnh đến hiệu ứng sinh lỗ hổng.
Nói chung khi cường độ âm tăng, tỷ số của bán kính bọt cực đại và bán kính ban
đầu đều tăng và như vậy thời gian sống của bọt cũng tăng. Tuy nhiên, cũng có một
số nghiên cứu lại cho thấy có một sự sai khác nào đó khi bắt đầu tăng cường độ âm.
Người ta thấy rằng bán kính cực đại của bọt lại giảm khi bắt đầu tăng áp suất âm và
sau đó áp suất của bọt khi nổ tung lại giảm.
Sự tăng của tần số nguồn phát cũng ảnh hưởng đến thời gian sống của bọt
giống như khi tăng công suất. Tuy nhiên, sự ảnh hưởng của tần số đến bán kính cực
đại của bọt có thể bỏ qua so với sự thay đổi của cường độ khi chúng ta không tính
đến hiệu ứng nén trong các thảo luận nói trên. Thực tế khi tính đến hiệu ứng nén
của chất lưu, người ta đã chỉ ra rằng khi tăng tần số thời gian sống của bọt sẽ giảm
và sự nổ tung của bọt là nhanh hơn và hết sức mãnh liệt tại tần số rất cao.
Kích thước bọt ban đầu ảnh hưởng mạnh đến hiệu ứng cavitacy âm. Nói
chung khi áp suất bắt đầu tăng, các bọt có kích thước ban đầu lớn sẽ phát triển
nhanh hơn các bọt nhỏ, và các bọt nhỏ có thời gian sống ngắn hơn. Trên cơ sở mô
phỏng qúa trình hình thành hiệu ứng cavitacy trong nước và xem chúng là một chất
lưu bị nén, người ta đã đưa ra được mối quan hệ giữa áp suất của bọt cavity với bán
kính ban đầu của bọt R
0
, cường độ I và tần số f:
12
( )
11.017.0
88.1
¸
)()(114 fIRp
opecoll
−
−
=

(1.18)
Bán kính mầm tới hạn của bọt được xác định từ các điều kiện cân bằng, đó là
bán kính mà bọt nhỏ nhất có thể hình thành trong điều kiện áp suất âm nhỏ nhất
xuất hiện trong trường siêu âm:
( )
LCv
c
pp
R
−
=
3
4
σ
(1.19)
Ở đây,
LC
p
chính là áp suất nhỏ nhất sinh ra trong chất lỏng, nó chính bằng
amb A
p p
−
. Kích thước tới hạn này cũng chính là kích thước của bọt sinh ra trong
điều kiện áp suất khí quyển, chính vì vậy:
σ
σ
2
6)(3
23
ooVamb

c
RRpp
R
+−
=
(1.20)
Năng lượng sinh ra trong quá trình nổ của các bọt cavitacy có thể được xác
định từ điều kiện nổ tung đoạn nhiệt của bọt chứa khí. Tại thời điểm bùng nổ, bọt có
bán kính ban đầu
max
R
, áp suất thủy tĩnh của môi trường xung quanh bọt là P, lớp
chất lỏng quanh bọt có chiều dày
δ
và bán kính cuối cùng của bọt sau khi nổ là R.
Xem bọt có dạng hình cầu, khi đó công sinh ra trong quá trình nổ tung của bọt sẽ là:
( )
33
max
3
4
RRPW
−=
π
(1.21)
Năng lượng sinh ra trong quá trình nổ của các bọt cavitacy có thể được xác
định từ điều kiện nổ tung đoạn nhiệt của bọt chứa khí. Tại thời điểm bùng nổ, bọt có
bán kính ban đầu
max
R

, áp suất thủy tĩnh của môi trường xung quanh bọt là P, lớp
chất lỏng quanh bọt có chiều dày
δ
và bán kính cuối cùng của bọt sau khi nổ là R.
Xem bọt có dạng hình cầu, khi đó công sinh ra trong quá trình nổ tung của bọt sẽ là:
)(
3
4
3
max
RPW
π
=
(1.22)
Công suất phát ra khi bọt nổ tung trong khoảng thời gian t được xác định bởi:
t
P
RW
3
max
3
4
π
=

(1.23)
Rayleigh đã xác định được thời gian nổ tung hoàn toàn của bọt:
P
Rt
ρ

max
91.0
=
(1.24)
13
với,
ρ
là khối lượng riêng của chất lỏng quanh bọt. Thay giá trị này vào phương
trình (2.23) ta có:
ρ
3
2
max
6.4
P
RW =

(1.25)
Nếu chúng ta xem rằng chiều dày của lớp chất lỏng quanh bọt nhỏ hơn rất
nhiều so với
max
R
, khi đó khối lượng chất lỏng chịu ảnh hưởng của năng lượng sinh
ra trong quá trình nổ tung của bọt sẽ là:
ρδπ
2
max
4 Rm =
(1.26)
Cuối cùng, năng lượng tiêu tán trên một đơn vị khối lượng chất lỏng được

xác định bởi:
2/3
1
366.0








==
ρδ
ε
P
m
W

(1.27)
Như vậy, năng lượng tiêu tán không phụ thuộc vào kích thước của bọt, mà
chỉ phụ thuộc vào áp suất thủy tĩnh, chiều dày lớp chất lỏng và khối lượng riêng của
chất lỏng. Hơn nữa, nếu chúng ta xem rằng chiều dày của lớp chất lỏng quanh bọt
không phụ thuộc vào kích thước bọt, khi đó (1.27) sẽ được áp dụng cho tất cả các
bọt bị nổ tung. Như vậy, bằng cách thay đổi áp suất thủy tĩnh của hệ, chúng ta có
thể điều khiển được năng lượng sinh ra bởi hiệu ứng cavitacy.
Cuối cùng, từ điều kiện nổ tung đoạn nhiệt chúng ta có thể dẫn ra phương
trình đoạn nhiệt đối với nhiệt độ và áp suất như sau:
( )
max

.exp 1 /
o ex bub
T T p p
γ
 
= −
 
(1.28)
ở đây, T
max
là nhiệt độ đạt được của bọt khí sau khi phá vỡ. T
0
là nhiệt độ của buồng
siêu âm, γ = C
p
/C
v
, P
ex
là áp suất ngoài bằng tổng của áp suất thuỷ tĩnh và áp suất
âm, P
bub
là áp suất của khí trong lỗ hổng, tại bán kính của bọt vỡ. Việc chọn lựa
những dung môi khó bay hơi bảo đảm rằng chỉ có những hơi nước của chất hoà tan
tìm thấy trong lỗ hổng của bọt khí. Vì vậy P
bub
được gọi là áp suất bay hơi của chất
hoà tan và nó được tìm ở dưới mẫu số.
14
Hình 1.3. Sự phụ thuộc của bán kính bọt khí vào tần số cộng hưởng.

Mối quan hệ giữa tần số
f
và bán kính
R
được biểu diễn theo phương trình
(1.29)














−+=
γ
σ
ρ
γ
π
3
1
1
2

1
3
2
1
0
0
RP
P
R
f
(1.29)
Trong đó,
γ
là hệ số đa hướng,
ρ
là mật độ của môi trường chất lỏng và
0
P
là
áp suất thủy tĩnh.
Cường độ của sóng xung kích được tạo ra bởi sự nổ tung bọt khí trong nước,
nó trực tiếp liên quan tới kích thước bọt khí trong nước. Sự tạo thành bọt khí lớn
hơn sẽ tạo ra một sóng xung kích mãnh liệt hơn khi nó nổ tung. Kích thước của bọt
khí được tạo ra bởi một sóng siêu âm tỷ lệ nghịch với tần số tương ứng, tần số càng
thấp thì kích thước bọt khí càng lớn. Đó là vì một tần số thấp hơn sẽ phát sinh
những mặt sóng trong một khoảng thời gian dài hơn giữa chúng do đó cho phép
nhiều thời gian hơn cho sự tăng trưởng của bọt khí. Số lượng bọt khí trong nước
được tạo ra tăng lên cùng với tần số. Nếu công suất đầu vào siêu âm là hằng số thì
thiết bị phát tần số thấp sẽ tạo ra ít hơn những sự nổ tung bọt khí trong nước ứng
với năng lượng cao hơn trong khi một tần số cao hơn sẽ tạo ra nhiều những sự nổ

tung bọt khí trong nước ứng với năng lượng thấp hơn.
Tần
số
Bán kính bọt khí
15
1.3. ỨNG DỤNG CỦA SIÊU ÂM CÔNG SUẤT
Như đã đề cập, sóng siêu âm công suất ngày càng được sử dụng rộng rãi
trong lĩnh vực khác nhau của đời sống, khoa học và công nghệ. Dưới đây, chúng tôi
trình bày một số ứng dụng quan trọng.
1.3.1. Dùng siêu âm công suất để tổng hợp vật liệu mới [4], [7]
1.3.1.1. Tổng hợp vật liệu hệ vô cơ - polime
Các chất polime được chế tạo ra dưới tác động siêu âm đã hạn chế hơn sự đa
phát tán nhưng có trọng lượng phân tử lớn hơn so với các polime được chế tạo dưới
các điều kiện thông thường. Sự tăng cường quá trình trùng hợp càng chịu tác động
của axit xúc tác càng dẫn đến phản ứng đồng nhất và vì vậy làm chiều dài chuỗi
polime giảm đi. Tuy nhiên, vẫn tồn tại sự thoái biến do siêu âm tác động đến chiều
dài của chuỗi polime cần phải được nghiên cứu kỹ trong giai đoạn cuối cùng của
phản ứng trùng hợp.
Sử dụng phương pháp Wurtz đã hạ thấp được nhiệt độ loại bỏ các tạp chất
halogen trong hệ vật liệu polime vô cơ trên nền silicon (polysilane). Tuy nhiên hiệu
suất của phương pháp này thấp, các phản ứng khó tái tạo và dẫn đến sự phân bố
khối lượng phân tử trong một khoảng rộng và thường tồn tại hai hoặc ba sự phân bố
khác nhau của các polime. Để khắc phục những hạn chế này, Kim cùng các đồng sự
đã sử dụng phương pháp hóa học kết hợp với tác động của siêu âm đã chế tạo các
vật liệu polime này với sự phân bố trọng lượng phân tử theo một cách thức duy
nhất. Tuy nhiên hiệu suất thấp (10 – 15) %. Trong nhiều công trình gần đây, Price
& Patel đã xác minh rằng một số polysilanes với các chất thay thế khác nhau được
tổng hợp có hiệu suất cao hơn và tốc độ phản ứng nhanh hơn khi có sự tác động của
siêu âm. Mặc khác, ảnh hưởng của cường độ sóng siêu âm đến trọng lượng phân tử
polime và sự phân bố trọng lượng trong các điều kiện giống nhau đã được xác minh

một cách rõ ràng rằng, khi cường độ sóng siêu âm cao thì sự phân bố hẹp hơn và
phân tử gam nhỏ hơn.
16
1.3.1.2. Tổng hợp vật liệu hệ hữu cơ - polime: vinyl polime
Đa số các polymer hữu cơ không được tổng hợp từ các monomer chứa tương
tác liên kết đôi (chẳng hạn như α-olefins và vinyl monomers), mà phải trải qua sự
phát triển chuỗi hoặc các phản ứng phụ. Phương pháp tổng hợp đơn giản là bắt đầu
từ các gốc tự do trong dung dịch. Các gốc tự do được tạo ra từ hiệu ứng hình thành
lỗ hổng do tác động của sóng siêu âm trong chất lỏng.
Thuyết cơ giới của Price và các đồng sự đã chỉ ra một số đặc điểm của phản
ứng trùng hợp dưới tác động của siêu âm. Các polymer với trọng lượng phân tử cao
được hình thành trong phản ứng này, nhưng chiều dài mắt xích ngắn lại khi thời
gian tương tác dài. Siêu âm tạo ra các gốc tự do cần thiết cho phản ứng trùng hợp
ban đầu. Điều này có thể xảy ra theo hai hướng. Sự tác động của siêu âm lên các
monomer tinh khiết làm phát sinh các gốc tự do thông qua sự phân hủy bên trong
bọt khí hoặc ở bề mặt phân giới của nó, hoặc là sự phân hủy của các chất phụ gia
ban đầu có thể làm tốc độ phản ứng tăng nhanh hơn. Khi tạo được nhiệt độ, áp suất
hơi dung môi và cường độ siêu âm phù hợp, người ta có thể phán đoán và điều
khiển tốc độ của các phản ứng ban đầu. Tốc độ phản ứng ban đầu tỉ lệ với nồng độ
monomer và phụ thuộc vào căn bậc hai của cường độ siêu âm. Trọng lượng nguyên
tử cuối cùng thay đổi nghịch đảo với nồng độ monomer và tỉ lệ nghịch với căn bậc
hai của cường độ siêu âm. Về cơ bản, tốc độ ban đầu tỉ lệ với số lượng các vị trí
sinh lỗ hổng có thể có, nghĩa là phụ thuộc vào cường độ sóng siêu âm ban đầu. Sử
dụng cơ chế này có thể mô tả được sự phụ thuộc tốc độ phản ứng trùng hợp vào thời
gian, trọng lượng phân tử và sự chuyển biến polymer, phù hợp tốt với các kết quả
thực nghiệm.
Trái ngược với ban đầu, nhiệt độ cao làm gia tăng tốc độ phản ứng trùng
hợp. Ở các bước cuối cùng, sự tồn tại phản ứng giữa hai phân tử gốc, không phụ
thuộc mạnh vào nhiệt độ, trong khi đó, việc bổ sung monomer vào sự phát triển dãy
mắt xích được điều khiển bởi sự khuếch tán sẽ tăng lên theo nhiệt độ. Thực nghiệm

đã khẳng định, siêu âm ít ảnh hưởng đến quá trình lan truyền hoặc các tương tác
ban đầu. Mức độ dịch chuyển lớn gây ra bởi dòng chảy âm và sự tương tác giữa các