tổng quan tài liệu về ứng dụng siêu âm trong công nghệ thực phẩm

Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêm âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -1- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT SIÊU ÂM
1.1. Khái niệm cơ bản về siêu âm [1, 2, 11]
Âm thanh là kết quả của sự lan truyền năng lượng âm trong vật chất dưới dạng
một sóng tạo nên hiện tượng nén giãn lập đi lập lại. Chuyển động vật lý hạn chế của
các phần tử trong vật chất tạo nên những sóng có áp lực giúp âm thanh được truyền đi.
Những biến đổi áp lực đó được biểu thò dưới dạng sóng hình sin (hình 1.1) trong đó trục
Y chỉ áp lực tại một thời điểm nào đó và trục X chỉ thời gian.


Hình 1.1
: Sóng âm thanh. Âm thanh truyền đi như một chuỗi các sóng áp lực
lập đi lập lại với hiện tượng nén giãn của môi trường. [2]
Trong tự nhiên, tần số âm thanh trải rộng từ 1 Hz đến 100.000 Hz (100 kHz), và
dãy âm sử dụng được chia ra thành các vùng sau (hình 1.2):
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -2- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt

Hình 1.2
: Dãy tần số âm [11]
Như vậy, tùy theo số dao động của phân tử có chu kỳ mà ta có thể phân biệt được
âm, hoặc siêu âm:

Âm có tần số dao động dưới 18 000 chu kỳ/ giây (hay gọi là tần số 18
000 Hz)

Siêu âm có tần số dao động trên 18 000 Hz
 Vậy: siêu âm là những sóng dao động cơ học có tần số cao trên 18 000 Hz, tai
người không thể nghe được. Siêu âm thường được ứng dụng trong thực phẩm là vùng

20 kHz – 100 kHz
1.2. Phương pháp tạo siêu âm [11, 15]
Yêu cầu đầu tiên trong quá trình nghiên cứu ứng dụng của kỹ thuật siêu âm trong
thực phẩm là nghiên cứu phương pháp tạo siêu âm. Bất kì một dụng cụ thương mại nào
cũng tuân theo nguyên lý chung, đó là năng lượng được phát ra sẽ truyền qua máy biến
năng siêu âm – một thiết bò chuyển các năng lượng cơ học hoặc năng lượng điện thành
năng lượng âm. Có 3 loại máy biến năng siêu âm được sử dụng phổ biến nhất là: máy
biến năng chất lỏng, máy biến năng điện từ, máy biến năng áp điện
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -3- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
1.2.1. Máy biến năng chất lỏng (Liquid-driven transducer) [11, 15]
Nguyên lý
: chất lỏng (Liquid whistles) được đẩy qua một khe hẹp và va đập vào
tấm bản mỏng, làm tấm bản mỏng rung động. Ứng với mỗi chuyển động rung thì tấm
bản mỏng sẽ tạo ra một sóng áp suất và sẽ tạo bọt trong chất lỏng, hoạt động này tương
tự như hoạt động của chân vòt của tàu. Việc phát ra liên tiếp áp lực và tạo bọt trong thể
tích chất lỏng thì tấm bản mỏng sẽ phát ra một nguồn năng lượng.


Hình 1.3: Máy biến năng chất lỏng [15]
1.2.2. Máy biến năng điện từ (Magnetostrictive transducer)
[11, 17, 18]
Máy biến năng điện từ sử dụng nguyên lý sau: đó là các vật liệu sẽ bò nén giãn
khi được đặt vào vùng điện từ.
Cấu tạo
: loại máy biến năng này được xem như là một dạng của solenoid với vật
liệu từ tính làm lõi. Lõi được cấu tạo từ nhiều lớp mỏng niken hoặc hợp kim của nó
(hoặc các vật liệu từ tính khác) xếp song song với nhau và được quấn xoắn ốc quanh
bằng cuộn dây đồng. Một cạnh của mỗi lớp mỏng nikel sẽ cùng được gắn với một bề
mặt khác (hoặc gắn vào đáy của bồn xử lý) , bề mặt này sẽ rung dưới tác động của từ

trường (hình 1.4)
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -4- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
Nguyên tắc hoạt động: năng lượng điện xoay chiều được phát từ máy phát điện
siêu âm sẽ đi vào máy biến năng điện từ. Đầu tiên năng lượng điện này sẽ được
chuyển thành trường điện từ do các cuộn dây quấn. Sau đó trường điện từ sẽ được sử
dụng để tạo ra các dao động rung cơ học tại tần số siêu âm. Vì có dòng điện chạy qua
các cuộn dây thì nó sẽ sinh ra trường điện từ, trường điện từ này sẽ làm các vật liệu từ
tính nén giãn, từ các dao động cơ học đó nó sẽ truyền sóng âm vào môi trường. Do các
vật liệu từ tính đều biến đổi giống hệt nhau trong trường điện từ, nên tần số của năng
lượng điện đầu vào của máy biến năng điện từ sẽ bằng ½ của tần số đầu ra
Nhược điểm của phương pháp này
: máy biến năng điện từ năng lượng cao ít khi
hoạt động ở tần số trên 100 kHz và hệ thống này chỉ dụng hiệu quả 60% năng lượng
điện, còn lại chúng thất thoát ra ngoài dưới dạng nhiệt do đó chúng cần có hệ thống
làm mát bên ngoài (do nó phải chuyển năng lượng điện thành năng lượng từ rồi chuyển
năng lượng từ thành năng lượng cơ học, mỗi quá trình chuyển đều gây thất thoát năng
lượng lớn), ngoài ra hiện tượng trễ cũng làm giảm hiệu quả sử dụng máy biến năng
điện từ
Ưu điểm chính
của hệ thống là chúng có cấu trúc cứng chắc và chòu được áp lực
hoạt động lớn
`

Hình 1.4: Máy biến năng điện từ
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -5- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
1.2.3. Máy biến năng áp điện (Piezoelectric transducer) [1, 11]
Đây là thiết bò được sử dụng rộng rãi nhất. Nó biến đổi trực tiếp năng lượng điện
thành năng lượng rung cơ học thông qua việc sử dụng các vật liệu áp điện.

Phát siêu âm dựa trên hiệu ứng áp điện do Currie khám phá từ năm 1880. Hiệu
ứng này chỉ xảy ra đối với một số vật chất tự nhiên mang tính áp điện dưới tác dụng
của nguồn điện
1.2.3.1. Hiệu ứng áp điện
Là khả năng biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học (âm, siêu âm) và
ngược lại của một số chất
Ví dụ: dùng tấm thạch anh rất mỏng cắt thẳng góc với trục điện F của tinh thể,
kẹp giữa 2 điện cực và nối với dòng điện cao thế. Dưới tác dụng của điện từ trường
xoay chiều làm cho tấm thạch anh co dãn và rung động. Tần số rung động phụ thuộc
vào bề dày của tấm thạch anh và hiệu thế của dòng điện. Hiệu thế dòng điện 1 vôn
làm cho tấm thạch anh co dãn 1 picromet (10
-10
cm) không tạo ra rung động được.
Muốn bản thạch anh rung động phải có hiệu thế 1000 vôn. Tần số rung động của bản
thạch anh cao hay thấp sẽ phát ra dao động cơ học có tần số tương ứng. Nếu dao động
cơ học phát ra có tần số trên 18000 Hz thì tai người không nghe được gọi là siêu âm.
Ngược lại nếu có một nguồn âm vang (sóng dao động cơ học) có tần số trên
18000 Hz sẽ làm cho bản thạch anh co giãn, rung động theo tần số tương ứng và sẽ
phát ra dòng điện. Dòng điện này được thu lại biến đổi thành tín hiệu âm
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -6- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
B
A
BA
T
TT

Hình 1.5
: Sơ đồ mô tả hiệu ứng áp điện [1]
A: Khi chưa đóng nguồn điện, tấm thạch anh T chưa chòu tác động của từ trường

điện làm cho co dãn. Không phát sinh hiệu ứng áp điện
B: Khi đóng nguồn điện tấm thạch anh T co giãn, rung động tạo ra siêu âm, hay
ngược lại nếu tác động năng lượng làm co giãn tấm thạch anh sẽ tạo ra nguồn điện
1.2.3.2. Các vật liệu mang tính áp điện
Các vật liệu này thường ở dạng tinh thể tự nhiên như: thạch anh,loại kết tinh đa
diện ceramic như bariumtitanate, chì titanate zirconate, chì metaniobate. Các chất này
có thể tán thành bột và ép lại thành khuôn đã đònh để thực hiện trong kỹ nghệ đầu dò
phát siêu âm
1.2.3.3. Nguyên lý cấu tạo đầu dò siêu âm áp điện

Đầu dò siêu âm bao gồm một đơn vò tinh thể có tính áp điện để trong một buồng
làm bằng chất nhựa. Đơn vò tinh thể là một tấm mỏng thạch anh hoặc barium titanate
(tuỳ theo từng loại) được nối 2 cực dòng điện của máy. Trong buồng nhựa còn chứa
một môi trường hỗ trợ nhằm đònh hướng nguồn siêu âm phát ra (môi trường này sẽ hấp
thụ nguồn siêu âm phát ngược lại). Tuỳ theo chiều dày của thạch anh và hiệu thế dòng
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -7- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
điện sẽ tạo ra độ rung động khác nhau, tạo ra nguồn siêu âm có tần số khác nhau, nếu
chiều dày 1mm tương ứng với tần số 2 MHz.

Hình 1.6
: Sơ đồ đầu dò phát siêu âm (một đơn vò áp điện) [1]
1. Dây cáp dẫn dòng điện
2. Vỏ bọc bằng nhựa
3. Dây nối đất, nối vào điện cựuc
4. Dây điện cao thế nối vào điện cực
5. Dây nối vào điện cực đầu dò
6. Chất bổ trợ hấp thụ siêu âm phát trở lại phía sau
7. Điện cực áp hai bên bản thạch anh
8. Bản thạch anh

9. Bản bảo vệ trước đầu dò
Cấu tạo máy biến năng áp điện: tâm của máy biến năng áp điện là một hay hai
đóa mỏng vật liệu áp điện ceramic, tiêu biểu là Lead Zirconate Titanate (PZT). Chúng
được kẹp giữa hai cực dòng điện. Vật liệu ceramic còn bò ép chặt bởi 2 khối kim loại
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -8- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
(một nhôm, một thép). Khi áp dòng điện vào 2 cực, thì sẽ có dòng điện tới ceramic, nó
sẽ bò giãn hoặc co lại tuỳ vào cực, và tạo ra một sóng âm (hình 1.7)

Hình 1.7
: Cấu tạo máy biến năng áp điện
Hiệu ứng áp điện xảy ra 2 chiều: do đó người ta có thể dùng đầu phát siêu âm làm
đầu thu. Khi thu sóng âm vang gặp tấm thạch anh sẽ tạo nên độ co dãn rung động và
phát ra dòng điện. Tín hiệu điện được thu vào 2 diện cực và biến đổi khuếch đại đến
dao động ký thành tín hiệu nhìn được.
Hiện nay người ta dùng chất áp điện Barititanat Zicornate để làm đầu dò vì hệ số
áp điện của chất này cao hơn thạch anh 300 lần, chỉ cần hiệu điện thế 100 vôn cũng đủ
làm cho bản Barititanat Zicornate co giãn và rung động
1.3. Hệ thống siêu âm [11]
Một hệ thống siêu âm gồm có 3 phần cơ bản: máy phát điện siêu âm, máy biến
năng siêu âm, và hệ thống truyền siêu âm (hình 1.8).
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -9- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt

Hình 1.8
: Hệ thống đầu dò siêu âm [11]
1.3.1. Máy phát điện siêu âm
[11]
Máy phát điện siêu âm sẽ chuyển dòng điện xoay chiều từ hệ thống điện thông
dụng là 50 hoặc 60 Hz đến một năng lượng điện siêu âm

Hình 1.9
: Máy phát điện siêu âm
1.3.2. Máy biến năng siêu âm

Là một thiết bò chuyển năng lượng điện cao tần thành năng lượng siêu âm. Có 3
loại máy biến năng siêu âm được sử dụng phổ biến nhất là: máy biến năng chất lỏng,
máy biến năng điện từ, máy biến năng áp điện, như đã trình bày ở phần 2 (các phương
pháp tạo siêu âm)
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -10- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
1.3.3. Hệ thống truyền siêu âm [11]
Hệ thống này giúp truyền năng lượng siêu âm đến môi trường cần xử lý, đây cũng
là một bộ phận rất quan trọng. Trong trường hợp bồn siêu âm thì máy biến năng sẽ
được đặt dưới đáy của bồn và nó sẽ truyền siêu âm trực tiếp vào trong môi trường lỏng
chứa trong bồn. Tuy nhiên trong hệ thống siêu âm năng lượng cao thì năng lượng âm
phải được khuếch đại và được dẫn tới dung dòch cần xử lý bằng một hệ thống gắn vào
máy biến năng có hình dạng sừng kim loại như hình 1.8. Sau một thời gian sử dụng thì
phía đầu của sừng này sẽ bò mòn và sẽ làm giảm hiệu quả làm việc của nó. Vì vậy
trong thực tế người ta sẽ thiết kế phần đầu của thiết bò sừng này có thể thay thế được
hình 1.8
1.4. Tính chất sóng siêu âm [1, 2]
Cũng như âm, siêu âm cũng được biểu thò qua các chỉ số: tần số, bước sóng, chu
kỳ, cường độ, tốc độ lan truyền,…
1.4.1. Tần số dao động
Là số chu kỳ dao động/1 giây
1.4.2. Bước sóng
Là độ dài của một chu kỳ dao động, nếu tần số càng cao thì bước sóng càng ngắn
1.4.3. Tốc độ lan truyền của siên âm
Là độ dài mà siêu âm lan truyền trong một đơn vò thời gian (giây)

Như vậy tần số siêu âm, bước sóng và tốc độ lan truyền đều liên quan mật thiết
với nhau theo công thức:

f
V
=
λ

Trong đó:
λ
: Bước sóng (m)
V: Tốc độ lan truyền(m/s)
f: Tần số (hz)
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -11- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
1.4.4. Độ trở kháng âm
Mỗi môi trường có đặc điểm cấu trúc, tính chất và mật độ khác nhau, gây ra
những cản trở vận tốc siêu âm khác nhau. Sự cản trở đó được gọi là độ trở kháng âm
của môi trường
Độ trở kháng âm của môi trường tỉ lệ với mật độ môi trường và tốc độ lan truyền
siêu âm
I=p.V
Trong đó: I: độ trở kháng âm (g/cm
2
s)
p: mật độ môi trường (g/cm
3
)
V: Tốc độ lan truyền siêu âm (cm/s)
1.4.5. Phản xạ siêu âm tạo thành âm vang

Khi một nguồn siêu âm lan truyền qua 2 môi trường có trở kháng âm khác nhau
sẽ tạo nên phản xạ siêu âm gọi là siêu âm vang còn một phần siêu âm xuyên qua môi
trường và tuân theo đònh luật quang hình học.

Hình 1.10
: Sơ đồ về phản xạ siêu âm [1]
1. Góc siêu âm chiếu tới α
1
(i)
2. Góc âm vang phản xạ r
3. Siêu âm truyền qua môi trường B
4. mặt phẳng giữa 2 môi trường A và B
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -12- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
5. Góc tới α
1
= góc phản xạ r
Hệ số phản xạ
:giữa 2 môi trường khác nhau có hệ số phản xạ siêu âm riêng biệt.
Hệ số phản xạ tuỳ thuộc vào mật độ, tốc độ lan truyền của siêu âm qua 2 môi trường
khác nhau.

2211
2211
VPVP
VPVP
R
+
−
=

Trong đó : P
1
, P
2
là mật độ của môi trường 1 và 2
V
1
V
2
là tốc độ lan truyền siêu âm trong môi trường 1 và 2
R là hệ số phản xạ
Hệ số lan truyền: hệ số lan truyền trong một môi trường phụ thuộc vào hệ số
phản xạ của môi trường đó
Khi nguồn siêu âm phát tới mặt phẳng giữa 2 mội trường 1 và 2 có độ trở kháng
âm của 2 môi trường khác nhau ít thì ta sẽ có hệ số phản xạ thấp đồng thời hệ số lan
truyền cao
T=1-R
T: hệ số lan truyền
R: hệ số phản xạ
1.4.6. Khúc xạ siêu âm

Cũng như ánh sáng góc khúc xạ t nhỏ hơn góc tới i. Sự khúc xạ siêu âm làm lệch
nguồn siêu âm và ảnh hưởng đến âm vang phản xạ, vì thế hết sức tránh hiện tượng
khúc xạ
Hiện tượng khúc xạ siêu âm phụ thuộc vào góc tới của chùm siêu âm và tốc độ
siêu âm qua môi trường được biểu thò trong công thức:

2
1

2
1
sin
sin
V
V
=
α
α


1
α
:góc tới
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -13- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt

2
α
: góc khúc xạ
V
1
, V
2
: tốc độ siêu âm trong môi trường 1 và 2
Ta cần làm giảm khúc xạ, có nghóa là phải để nguồn siêu âm tới thẳng góc để
1
α
=0
1.4.7. Nhiễu xạ siêu âm

Hiện tượng này phụ thuộc vào khoảng cách đầu dò, phụ thuộc vào bước sóng
λ

siêu âm, đường kính của nguồn phát và góc độ của chùm siêu âm phát ra.


Hình 1.11: Nhiễu xạ siêu âm [1]
D. Đầu dò
δ. Góc độ chùm siêu âm phát ra
FD. Vùng nhiễu xạ siêu âm
V. Vật quan sát
Nhiễu xạ càng ít nếu góc độ chùm siêu âm nhỏ, độ dài FD lớn phù hợp với bước
sóng
λ


r
2
22.1
sin
λ
δ
=


δ
: góc độ chùm siêu âm phát ra

λ
: bước sóng

r: đường kính nguồn siêu âm phát
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -14- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
Do các hiện tượng trên nguồn siêu âm càng đi xa càng suy giảm và cường độ càng kém
đi
1.4.8. Cường độ siêu âm
Biểu thò bằng năng lượng siêu âm tạo ra trong một đơn vò diện tích tính bằng
w/cm
2
. Cường độ siêu âm phụ thuộc vào hướng lan truyền của siêu âm, tần số siêu âm
và trở kháng âm của môi trường
pV
fUF
I
22

=
(w/cm
2
)
F: Tần số rung động của bản tinh thể thạch anh
U: Hiệu thế sử dụng để tạo rung động
f: Tần số nguồn siêu âm phát
p: Trở kháng âm của môi trường
V: Tốc độ siêu âm
1.4.9. Sự suy giảm siêu âm

Qua các lớp môi trường nguồn siêu âm bò suy giảm do các hiện tượng:
- Biến đổi năng lượng siêu âm thành năng lượng nhiệt
- Hiện tượng khuếch tán, tán sắc

- Hiện tượng hấp thụ năng lượng của môi trường
Công suất âm, biểu thò bằng watt (W) là năng lượng âm sinh ra trong một đơn vò
thời gian. Mặc dầu đo công suất có thể biết tương quan giữa năng lượng với thời gian,
nhưng thực ra nó không liên quan đến sự phân bố năng lượng trong không gian.
Cường độ âm, biểu thò bằng w/cm
2
được dùng để chỉ khả năng phân bố năng
lượng trong không gian. Cường độ I, là tỷ số giữa công suất với độ rộng của vùng phân
bố
I(w/cm
2
)= Công suất(w) / Vùng phân bố (cm
2
)
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -15- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
Độ suy giảm được tính bằng dB (deciben). Độ suy giảm phụ thuộc vào độ dày của
môi trường siêu âm truyền qua, tần số siêu âm và hệ số hấp thụ của môi trường. Độ suy
giảm biểu hiện ở cường độ siêu âm càng thấp dần

fx
X
II
2
0
−
=

I
X

: Cường độ siêu âm đo được ở độ sâu x
I
0
: Cường độ siêu âm lúc ban đầu
f: Hệ số hấp thụ của môi trường
x: Chiều dày của môi trường siêu âm đi qua
Độ giảm siêu âm được tính theo công thức:
N
dB
=log
x
I
I
0

I
X
: Cường độ siêu âm ở điểm x cần đo
I
0
: Cường độ siêu âm lúc ban đầu
Nếu độ suy giảm cao, cường độ siêu âm giảm sẽ làm giảm âm vang phản xạ. Vì
vậy muốn âm vang phản xạ rõ thì ngoài kỹ thuật hướng nguồn siêu âm thẳng góc với
mặt thăm dò mà còn phải chọn tần số siêu âm phù hợp với tính chất và vò trí (độ sâu)
của môi trường cần thăm dò. Cùng một môi trường nguồn siêu có tần số càng cao thì
khả năng bò hấp thụ càng nhiều, độ lan truyền xuyên sâu càng giảm
1.5. Cơ chế tác động của sóng siêu âm: [10, 11]


 Âm, siêu âm lan truyền trong môi trường đặc, khí, lỏng sẽ gây ra những biến

đổi cơ học và tạo ra hàng loạt các hoạt động nén giãn liên tục, có tác dụng như một lực
làm chuyển động các phần tử của môi trường đó. Các lực nén giãn này có thể tạo ra
các kênh rãnh nhỏ trong lòng môi trường, làm thúc đẩy quá trình truyền nhiệt, truyền
khối


 Sự tạo bọt
: trong môi trường đàn hồi như không khí và hầu hết chất rắn thì
sóng âm sẽ được truyền liên tục. Trong môi trường không đàn hồi như nước và hầu hết
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -16- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
các chất lỏng, thì sóng âm vẫn có thể truyền liên tục khi biên độ âm là thấp. Khi biên
độ tăng, độ lớn của áp suất âm trong vùng giãn có thể đủ để làm đứt đoạn môi trường
lỏng và gây ra hiện tượng tạo bọt

Hình 1.12
: Sự di chuyển của các bọt khí trong suốt quá trình tạo bọt [10]
Trong suốt chu kỳ âm (chu kỳ giãn) của sóng siêu âm, các bong bóng (bao gồm
cả các bong bóng có sẵn trong chất lỏng) sẽ không ngừng lớn lên và tạo ra một áp lực
chân không và làm cho các khí hoà tan trong chất lỏng sẽ khuếch tán vào chúng. Khi
áp suất âm giảm và đạt tới áp suất khí quyển thì các bong bóng khí này bắt đầu co lại
dưới sức căng bề mặt. Và trong chu kỳ nén, chu kỳ có áp suất dương, các khí đã khuếch
tán trong các bọt khí sẽ thoát ra lại chất lỏng. Quá trình này chỉ diễn ra trong giai đoạn
các bọt khí bò nén. Tuy nhiên, trong khi các bọt khí bò nén thì khả năng khuếch tán ở bề
mặt ngoài của nó giảm, do đó lượng khí thoát ra khỏi các bọt khí sẽ ít hơn lượng khí đã
khuếch tán vào, kết quả là các bọt khí sẽ ngày càng lớn hơn qua mỗi chu kỳ sóng âm.
Các bọt sẽ dao động và phát triển tới một kích cỡ không bền, cuối cùng chúng sẽ bò vỡ
mãnh liệt và gây ra hiện tượng nổ tung và gây ra va chạm sóng. Sự vỡ bọt và nổ tung
của vô số các bọt khí trong chất lỏng được xử lý siêu âm có thể tăng nhiệt độ quá 10
000

0
F , và áp suất tăng quá 10 000 PSI.
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -17- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt

Hình 1.13
: Một chu kỳ phát triển bọt


 Các vi dòng
cũng là một hiện tượng âm quan trọng khác liên quan đến sự
tạo bọt. Nó xảy ra khi các bọt khí dao động một cách mãnh liệt và tạo ra các dòng xoáy
mãnh liệt trong chất lỏng xung quanh chúng (Scheba et al.,1991). Sự khuếch tán vào
và ra của các khí cũng làm tăng các vi dòng xung quanh chúng và kéo dài hơn nữa
trong chất lỏng (Hughes&Nyborg,1962). Sự dao động mãnh liệt của hiện tượng vi dòng
được ứng dụng làm tăng khả năng truyền nhiệt và truyền khối trong nhiều quá trình
(Ensminger,1998; McClement,1995; Simal, benekito, Sanchez,& Rossello,1998).
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -18- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
CHƯƠNG 2:
ỨNG DỤNG KỸ THUẬT SIÊU ÂM
TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
Siêu âm là một lónh vực đang được nghiên cứu và phát triển nhanh trong công
nghệ thực phẩm. Nó có thể được phân loại thành 2 lónh vực được ứng dụng chính trong
công nghiệp thực phẩm:[10]

Tần số cao và năng lượng thấp, siêu âm chuẩn đoán, trong khoảng tần số
MHz. Phần này được sử dụng như một kỹ thuật phân tích đảm bảo chất lượng, qui trình
điều khiển và kiểm tra không làm phá huỷ cấu trúc, điều này được ứng dụng trong xác
đònh tính chất thực phẩm, đo tốc độ dòng chảy, kiểm tra bao gói thực phẩm…( Floros &

Liang, 1994; McClements,1995; Mason, Paniwnyk & Lorimer, 1996; Mason1998).

Tần số thấp và siêu âm năng lượng cao. Phần này được ứng dụng rộng rãi
như một qui trình hỗ trợ trong hàng loạt các lónh vực như: kết tinh, sấy, bài khí, trích ly,
lọc, đồng hoá, làm mềm thòt, quá trình oxi hoá, quá trình tiệt trùng …( Floros & Liang,
1994;Gennano et al.,1999; Mason,1998; Mason et al.,1996; McClements,1995).
Bảng 2.1: Ứng dụng năng lượng siêu âm trong công nghệ thực phẩm [11]
Tác dụng cơ học:
Quá trình kết tinh
Quá trình bài khí
Quá trình phá bọt
Trích ly
Quá trình lọc và sấy
Lạnh đông
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -19- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
Trộn và đồng hoá
Làm mềm thòt
Tác động hoá học và vi sinh
Quá trình oxi hoá
Tiệt trùng dụng cụ
c chế enzym
Tiêu diệt vi sinh vật
…

2.1. Xác đònh kích thước hệ nhũ tương thực phẩm bằng phép
đo phổ siêu âm. [3, 5, 8, 11]
2.1.1 Giới thiệu
Có rất nhiều thực phẩm tự nhiên và các quá trình có liên quan đến một phần hay
toàn bộ hệ nhũ tương, hoặc ở trạng thái nhũ tương trong suốt quá trình tồn tại ví dụ như

sữa, kem, kem đá, bơ, phômai, magarine, nước sốt rau quả, nùc sốt, mayonnaise, súp
… Tính chất lưu biến, hình dạng, sự ổn đònh, các hoạt tính hoá học của các sản phẩm
này được xác đònh thông qua kích thước các giọt nhũ tương trong thực phẩm đó. Vì vậy
một kó thuật phân tích nhằm xác đònh kích thước của các giọt phân tán trong hệ nhũ
tương là rất quan trọng.
Trong nhiều năm nay, các kó thuật xác đònh kích thước của các giọt phân tán
trong hệ nhũ tương dựa trên kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử, tán xạ ánh
sáng, dẫn điện đều đã được sử dụng (Dickinson và Stainby, 1982). Mỗi kỹ thuật đều có
những ưu điểm và những giới hạn của nó, và hầu hết chúng đều có lónh vực sử dụng
khác nhau.
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -20- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
»
Phương pháp kính hiển vi quang học – điện tử: cung cấp trực tiếp kích
thướt siêu vi của hệ nhũ tương thực phẩm ví dụ như kích thước, tương tác lẫn nhau, sự
phân bố trong không gian của các giọt phân tán. Tuy nhiên việc chuẩn bò mẫu thì rất
phức tạp và mất nhiều thời gian và có thể làm thay đổi cấu trúc của mẫu cần quang sát.
»
Phương pháp tán xạ ánh sáng và dẫn điện: là phương pháp vận hành
đơn giản, cho biết thông tin về sự phân bố các kích thướt hạt và có thể tiến hành phân
tích hoàn chỉnh trong vài phút hoặc ngắn hơn. Bất lợi chính của phương pháp này là các
mẫu đặc phải được pha loãng trước khi phân tích, điều này có thể làm biến đổi cấu trúc
ban đầu của các giọt pha phân tán, điều này có nghóa là rất nhiều mẫu không thể được
phân tích bằng phương pháp này.
Vì vậy người ta tìm những kỹ thuật mới mà không phá huỷ cấu trúc , sự phân bố
của các giọt phân tán trong quá trình xác đònh đối với những hệ nhũ tương nồng độ cao
hay hệ nhũ tương mờ đục. Những kỹ thuật này cần phải được nghiên cứu cơ bản trong
phòng thí nghiệm và sau đó áp dụng thích hợp vào quy trình thực phẩm.
Phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân cũng được phát triển gần đây nhằm xác
đònh kích thước, phân bố của các giọt trong hệ nhũ tương mờ đục nồng độ cao (Van de

Enden et at.,1990; Sodeman et at., 1992; Li và Dougherty,193; Lonnqvist et at., 1991;
Dickinson và McClements, 1995). Kỹ thuật này dựa trên phương pháp khuếch tán phân
tử giới hạn đối với các giọt nhũ tương. Ngày nay việc ứng dụng rộng rãi kỹ thuật này
thì có giới hạn bởi vì giá thành thiết bò cao, đòi hỏi kỹ năng vận hành cao và không dễ
dàng thích ứng với các phương pháp hiện nay.
Qua một thế kỷ người ta đã nhận ra được mối quan hệ giữa kích thướt phân bố
các giọt nhũ tương và tán xạ sóng siêu âm. Vài năm sau đó thì những lý thuyết toán
học đã xác đònh được mối quan hệ giữa tính chất siêu âm của hệ nhũ tương và kích
thướt các giọt của nó (Epstein và Carhart, 1953; Waterman và truell,1961; Allgegra và
Hawley, 1972). Thậm chí gần đây việc sử dụng sóng siêu âm để xác đònh kích thước
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -21- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
phân bố các hạt phân tán trong hệ nhũ tương đã bắt đầu thực hiện được. Bởi vì những
cải tiến hiện nay trong lónh vực vi điện tử đã dẫn đến việc mở rộng việc sử dụng những
công cụ giá thành thấp để thực hiện phương pháp siêu âm, cũng như việc sử dụng máy
tính để phân tích nhanh kết quả dữ liệu.
Việc sử dụng sóng siêu âm để xác đònh kích thước hạt phân tán bao gồm 2 bước.
Đầu tiên, tốc độ siêu âm và hệ số tắt dần của hệ nhũ tương được đo lường trên những
vùng tần số có thể. Hai là, chuyển đổi từ phương pháp này sang kích thước của các giọt
trong hệ nhũ tương bằng những phương pháp toán học hiện đại và dựa trên những kiến
thức nhiệt động về thành phần các pha.
Một số các nhà máy ngày nay đã phát triển hệ thống xác đònh kích thước hạt bằng
siêu âm và có thể áp dụng trong phân tích hệ nhũ nồng độ cao. Do đó ta cần phải xem
xét lại các nguyên lý của kích thướt phân tử siêu âm nhằm đưa ra những ưa điểm và
hạn chế của kỹ thuật này và xác đònh một số lónh vực áp dụng của phương pháp này đối
với hệ thực phẩm. Một số nhà khoa học thực phẩm đã quyết đònh sử dụng phép quang
phổ siêu âm vào những kỹ thuật thích hợp cho những ứng dụng đặc biệt này.
2.1.2 Phương pháp xác đònh
Để xác đònh sự phân bố kích thướt giọt trong hệ nhũ tương bằng phép quang phổ
siêu âm thì cần phải đo được tốc độ siêu âm và hệ số tắt dần trên các vùng tần số thích

hợp (thông thường từ 0.1 đến 100 MHz).
»
Tốc độ siêu âm là quãng đường sóng siêu âm đi được trong một đơn vò
thời gian
Thờigian
ng
Quãngđườ
=c

»
Độ tắt dần được đo bằng độ giảm dần biên độ siêu âm trên một đơn vò
quãng đường đi được.
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -22- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
Các kỹ thuật thực nghiệm để đo lường tần số thì phụ thuộc vào tính chất sóng siêu
âm của chất lỏng, và có thể chia làm 3 loại: kỹ thuật xung (pulse echo), kỹ thuật
truyền qua (through transmission) và kỹ thuật giao thoa (interferometric).
Sự khác nhau chính giữa các kỹ thuật này là các tín hiệu siêu âm tự nhiên được
áp dụng vào mẫu (hình 2.1), và cơ cấu thực nghiệm dùng để tiến hành các phương
pháp này (hình 2.2 và 2.3 ).

Hình 2.1
: Các loại tín hiệu đầu vào khác nhau sử dụng trong kỹ thuật siêu
âm [11]

Hình 2.2
: Mô hình thực nghiệm đo lường siêu âm [11]
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -23- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
Các hệ thống siêu âm đều có chung những bộ phận điện tử như nhau, ví dụ như

máy phát và nhận tín hiệu, máy biến năng siêu âm và màn hình phân tích (hình 2.2).
Máy phát tín hiệu sẽ phát ra một sóng điện với tần số, biên độ và khoảng thời gian
thích hợp (hình 2.1). Sóng điện này sẽ được truyền qua máy biến năng siêu âm và được
chuyển thành sóng siêu âm và truyền qua mẫu cần phân tích, sau khi truyền qua mẫu
thì sóng siêu âm sẽ đi qua một máy biến năng khác (có thể là máy ban đầu) và tín hiệu
sẽ được chuyển lại tín hiệu điện, tín hiệu này sẽ được số hoá chuyển từ tín hiệu liên tục
anologe thành tín hiệu số digital, được khuếch đại và thể hiện trên màng hình phân
tích, tại đây nó được phân tích để xác đònh tính chất của mẫu. Các chi tiết chính xác
của mẫu phân tích phụ thuộc kỹ thuật siêu âm được sử dụng.
2.1.2.1 Kỹ thuật truyền qua ( through transmission techniques)
Nhũ tương thực phẩm cần phân tích được đổ vào bình chứa (measurement cell)
đặt giữa hai máy biến năng siêu âm, một cái đóng vai trò máy phát, cái còn lại là máy
thu (hình 2.3). Máy phát sẽ tạo ra xung siêu âm và truyền qua mẫu và đến máy thu
siêu âm. Tốc độ siêu âm và hệ số tắt dần của hệ nhũ tương được xác đònh bằng việc đo
lường các thông số như thời gian (t), biên độ của xung siêu âm truyền qua mẫu.
» Tốc độ siêu âm bằng chiều dài của mẫu (d) chia cho thời gian (t) mà sóng
siêu âm truyền qua khoảng cách này C=d/t
» Chiều dài của mẫu được xác đònh một cách chính xác bằng việc đo lường
thời gian truyền qua chất lỏng đã biết tính chất siêu âm (ví dụ như nước cất ):
d=c
water
. t
water

» Hệ số tắt dần α được tính toán bằng cách so sánh sự giảm biên độ xung
khi truyền qua vật thể cần phân tích và cũng xung đó truyền qua vật thể chuẩn mà ta
đã biết hệ số tắt dần (thường sử dụng nước cất). α
2
= α
1

+ ln (A
R
/A
S
)/d
Trong đó: A
R
: biên độ siêu âm khi truyền qua dung dòch chuẩn
A
S
: biên độ siêu âm khi truyền qua dung dòch mẫu
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -24- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
α
1,
α
2
: hệ số tắt dần của dung dòch chuẩn và mẫu
d: chiều dài của mẫu

Hình 2.3
: Ba kỹ thuật đo tính chất siêu âm trong chất lỏng thường dùng ,
G & R lần lượt là máy biến năng phát và thu [11]
Về nguyên tắc phương pháp siêu âm rất dễ thực hiện, nhưng trên thực tế thì cần
phải chú ý đến nhiều nhân tố để hệ thống có độ tin cậy và độ chính xác cao. Bình chứa
phải được thiết kế đặc biệt để giảm tối thiểu sự thay đổi nhiệt độ, sự dội lại của xung
siêu âm trên thành bình và máy biến năng, và giảm tối thiểu ảnh hưởng của tán xạ và
sự biến đổi pha do thành bình không song song .
Có hai phương pháp khác nhau để xác đònh tần số phụ thuộc vào tính chất siêu
âm của hệ nhũ tương. Cách đầu tiên đó là sử dụng xung siêu âm dải rộng (broad –

band), đây là loại xung đơn chứa một dãy rộng các tần số khác nhau (hình 1.2.1) . Sau
khi xung này truyền qua mẫu nó sẽ được phân tích, sử dụng thuật toán Fourie để xác
đònh các hệ số t và A từ đó xác đònh c và α. Để bao phủ toàn bộ dãy tần số từ 0.1 – 100
MHz thì một số máy biến năng (thường là 3 hoặc 4 cái) với các tầng số cộng hưởng
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -25- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
khác nhau được sử dụng. Cách thứ 2, xung siêu âm tone-burst được sử dụng đây là loại
xung đơn chứa một chu kỳ siêu âm ứng với một tần số đặc biệt (hình 1.2.1). Trong
trường hợp này máy biến năng được điều chỉnh tới một tần số đặc biệt và tiến hành đo
tốc độ siêu âm, hệ số tắt dần. Sau đó máy biến năng được điều chỉnh sang một tần số
khác và tiến hành đo lặp lại như trên. Bởi vì phương pháp này lần lượt tiến hành ở các
tần số khác nhau nên phương pháp này sẽ tốn nhiều thời gian, khó khăn hơn việc sử
dụng xung dải rộng
2.1.2.2 Kỹ thuật xung ( pulse echo techniques)

Tần số phụ thuộc vào tính chất siêu âm của vật liệu, được đo chính xác bằng kỹ
thuật truyền qua (through transmission technique). Nếu chỉ có một máy biến năng thì
nó sẽ được sử dụng vừa là máy phát, vừa là máy thu xung siêu âm. Máy biến năng phát
ra xung siêu âm và truyền xuyên qua mẫu, nó được phản xạ bởi thành bình của bình
chứa và truyền ngược lại qua mẫu và quay về máy biến năng ban (hình 1.21.1). Tốc
độ và hệ số tắt dần được đo lường cùng một cách như trong kỹ thuật truyền qua
(through transmission technique), ngoại trừ quãng đường mà xung truyền đi là 2d
2.1.2.3 Kỹ thuật giao thoa ( interferometric tchniques)

Hệ nhũ tương cần phân tích sẽ được đổ vào trong một bình chứa, sao cho nó được
đặt giữa máy biến năng và đóa phản xạ có thể di chuyển được (hình 1.2.1.1). Tín hiệu
điện hình sin từ một tần số cho trước sẽ được truyền tới máy biến năng, tại đây nó được
chuyển thành sóng siêu âm hình sin và truyền qua mẫu, sóng này sẽ được phản xạ
ngược trở lại giữa máy biến năng và đóa phản xạ và kết quả là tạo ra sóng đứng trong
hệ nhũ tương. Bởi vì đóa phản xạ có thể di chuyển thẳng đứng trong mẫu nên biên độ

của tín hiệu nhận được bởi máy biến năng có thể thay đổi trong khoảng từ nhỏ nhất tới
lớn nhất do sự phá hoại
Khoảng cách lớn nhất x
max
bằng một nửa bước sóng siêu âm của mẫu, do đó tốc
độ có thể tính bằng: c=fλ=2fx
max
. Biên độ sóng giảm dần khi khoảng cách giữa máy