THIẾT KẾ CHẾ TẠO KHẢO NGHIỆM MÁY RỬA BẰNG SÓNG SIÊU ÂM Họ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ - CHẾ TẠO - KHẢO NGHIỆM
MÁY RỬA BẰNG SÓNG SIÊU ÂM

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN NGỌC KHOA
NGUYỄN QUANG PHƯỚC
Ngành : ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
Niên khóa: 2005 - 2009

Tháng 7/2009


THIẾT KẾ - CHẾ TẠO - KHẢO NGHIỆM
MÁY RỬA DÙNG SÓNG SIÊU ÂM

Tác giả:

NGUYỄN NGỌC KHOA
NGUYỄN QUANG PHƯỚC

Khóa luận được đệ trình đề để đáp ứng yêu cầu
cấp bằng Kỹ sư ngành:
Điều Khiển Tự Động

Giáo viên hướng dẫn:
Th.S NGUYỄN VĂN CÔNG CHÍNH

Tháng 7 năm 2009
i


CẢM TẠ
Nhóm sinh viên thực hiển đề tài xin chân thành cảm ơn quí thầy cô thuộc khoa
Cơ Khí – Công Nghệ, bộ môn Điều Khiển Tự Động và tất cả các thầy cô thuộc Trường
Đại Học Nông Lâm TP. HCM đã truyền đạt những kiến thức bổ ích cũng như tận tình
giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường cũng như trong suốt quá trình
thực hiện đề tài này.
Đặc biệt cảm ơn thầy Nguyễn Văn Công Chính, cán bộ hướng dẫn đề tài, đã tận
tình hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian thực hiện đề tài, giúp
nhóm hoàn thành tốt đề tài và đúng thời hạn.
Xin chân thành cảm ơn thầy Lê Văn Bạn, trưởng bộ môn Điều Khiển Tự Động
đã tận tình giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Xin bày tỏ lòng biết ơn đến cha mẹ, người thân, và bạn bè đã giúp đỡ tạo mọi
điều kiện tốt nhất để nhóm thực hiện hoàn thành đồ án.
Sinh viên thực hiện:
NGUYỄN NGỌC KHOA
NGUYỄN QUANG PHƯỚC

ii


TÓM TẮT
THIẾT KẾ - CHẾ TẠO – KHẢO NGHIỆM
MÁY RỬA DÙNG SÓNG SIÊU ÂM
An toàn vệ sinh thực phẩm, ngày nay được nhiều người quan tâm nhất là các sản
phẩm nông nghiệp và đặc biệt là các loại trái cây ăn sống như: Táo, Nho, Cà chua…
Việc rửa các sản phẩm trên là vấn đề rất cần thiết. Hiện nay, các phương pháp làm

sạch bằng cơ học, hóa học được sử dụng khá phổ biến. Tuy nhiên, các phương pháp
này còn nhiều nhược điểm, như phương pháp cơ học dễ gây dập nát còn phương pháp
hóa học dễ thay đổi phẩm chất mùi vị và còn để lại dư chất.
Để rửa sản phẩm không bị dập nát hoặc thay đổi mùi vị, bước đầu nhóm đã thực
hiện đề tài “ Thiết Kế, Chế Tạo Máy Rửa Dùng Sóng Siêu Âm” để đáp ứng nhu cầu
trên. Với đặc trưng của Ngành Điều Khiển Tự Động, Nhóm đã vận dụng những kiến
thức về cơ khí, điện tử và lập trình vào thực hiện đề tài trên.
Nhóm đã chế tạo thành công máy rửa dùng sóng siêu âm với những thông số kỹ
thuật sau:
- Điện áp hoạt động 220V
- Máy có thể rửa với chế độ nhiệt độ cao dãy nhiệt độ điều khiển được từ 30 đến
700C. Máy sử dụng điện trở nhiệt có công suất 75W.
- Sử dụng một biến tử siêu âm có công suất 55W, tần số hoạt động 25Khz.
- Dung tích bể rửa 1,5 lít
Bước đầu đánh giá về mặt cảm quan và đã khảo nghiệm sơ bộ trên một số loại
trái cây như: Táo, Nho….cho kết quả tốt.
Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Th.S NGUYỄN VĂN CÔNG CHÍNH

NGUYỄN NGỌC KHOA
NGUYỄN QUANG PHƯỚC

iii


MỤC LỤC
Trang

Trang tựa ................................................................................................................... i
Lời cảm tạ ................................................................................................................... ii
Tóm tắt....................................................................................................................... iii
Mục lục ...................................................................................................................... iv
Danh sách các hình .................................................................................................. viii
Danh sách các bảng ................................................................................................... xi
CHƯƠNG 1.MỞ ĐẦU ............................................................................................. 1
1.1Đặt vấn đề.............................................................................................................. 1
1.2 Tầm quan trọng của đề tài và lý do chọn đề tài.................................................... 2
1.3Mục đích đề tài ...................................................................................................... 2
1.3.1 Mục đích chung ........................................................................................ 2
1.3.2 Mục đích cụ thể ........................................................................................ 2
1.4 Giới hạn đề tài ...................................................................................................... 2
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN .................................................................................... 3
2.1Sóng siêu âm và các tính chất cơ bản của sóng .................................................... 3
2.1.2 Các đặc trưng của sự truyền sóng ............................................................ 4
2.1.3 Các phương trình cơ bản của sóng .......................................................... 4
2.1.4 Sóng siêu âm, đặc điểm ........................................................................... 6
2.1.5 Phân loại sóng siêu âm ............................................................................ 6
2.1.6 Hình dáng của các mặt sóng .................................................................... 8
2.2 Các thông số đặc trưng của sóng siêu âm ............................................................ 9
2.2.1 Âm trở của môi trường ............................................................................ 9
2.2.2 Vận tốc của sóng âm ................................................................................ 9
2.2.3 Âm áp và cường độ sóng âm ................................................................. 10
2.3 Sự bức xạ sóng âm ............................................................................................. 11
iv


2.4 Sự phản xạ sóng ................................................................................................. 12
2.4.1 Phản xạ sóng khi truyền vuông góc trên giới hạn phân cách giữa hai môi

trường .............................................................................................................. 12
2.4.2 Phản xạ sóng khi truyền xiên góc trên giới hạn phân cách giữa hai môi
trường............................................................................................................... 13
2.4.3Sự hấp thụ sóng siêu âm của môi trường truyền sóng............................. 14
2.5Cơ sở của phương pháp tẩy rửa dùng sóng siêu âm ........................................... 15
2.6Các yêu cầu cần thiết của phương pháp tẩy rửa dùng sóng siêu âm .................. 16
2.6.1Tần số sóng siêu âm................................................................................. 16
2.6.2Dạng sóng ............................................................................................... 17
2.6.3Nhiệt độ dung dịch .................................................................................. 17
2.7Nguyên tắc hoạt động của máy rửa bằng sóng siêu âm ...................................... 17
2.8Sơ đồ khối máy rửa ............................................................................................. 18
2.8.1Khối dao động Sin .................................................................................. 18
2.8.2Khối khuếch đại công suất....................................................................... 18
2.8.3Khối cài đặt và hiển thị thời gian ............................................................ 18
2.8.4Khối cài đặt, ổn định và hiển thị nhiệt độ .............................................. 18
2.9Tra cứu biến tử siêu âm( Ultrasonic Transducer) ............................................... 18
2.9.1 Vai trò và phân loại biến tử siêu âm ...................................................... 18
2.9.2 Đầu siêu âm kiểu áp điện ....................................................................... 19
2.9.3 Vật liệu áp điện ...................................................................................... 22
2.9.4 Khái niệm, Cấu tạo và các thông số đặc trưng của biến tử áp điện ....... 25
2.9.5 Phạm vi ứng dụng của biến tử áp điện ................................................... 26
2.10 Một số mẫu máy tham khảo ............................................................................. 26
2.10.1 Máy rửa hãng Elma.............................................................................. 27
2.10.2 Máy rửa hãng Eumax ........................................................................... 27
2.11 Tra cứu linh kiện sủ dụng ................................................................................ 28
2.11.1 Tra cứu LM7805 .................................................................................. 28
2.11.2 Tra cứu LM336 .................................................................................... 28
v

2.11.3 Tra cứu triac BTA 12............................................................................ 28
2.11.4 Tra cứu LM35 ...................................................................................... 29
2.11.5 Tra cứu Transistor C1815 ..................................................................... 29
2.11.6 Tra cứu FET IRF 740............................................................................ 30
2.11.7 Tra cứu OPTO MOC3020 .................................................................... 30
2.11.8 Tìm hiểu vi điều khiển Atmega32 ........................................................ 31
2.11.9 Tra cứu bộ hiển thị LCD ...................................................................... 33
2.11.10 Tìm hiểu phần mềm BASCOM-AVR lập trình cho vi điều khiển ..... 33
2.12 Tra cứu biến áp xung ....................................................................................... 35
CHƯƠNG 3. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...................... 37
3.1 Phương pháp thực hiện đề tài ............................................................................ 37
3.1.1 Chọn phương pháp thiết kế máy rửa....................................................... 37
3.1.2 Phương pháp thực hiện phần cơ khí ....................................................... 37
3.1.3 Phương pháp thực hiện phần điện tử ...................................................... 38
3.2 Phương tiện thực hiện đề tài............................................................................... 38
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN......................................................... 39
4.1Lựa chọn mô hình máy ....................................................................................... 39
4.1.1Cấu tạo chung ......................................................................................... 39
4.2.Chọn vật liệu chế tạo máy ................................................................................. 40
4.3Thực hiện phần cơ khí ......................................................................................... 40
4.3.1Bể rửa ...................................................................................................... 40
4.3.2Thân máy ................................................................................................. 40
4.4Thực hiện phần điện tử ....................................................................................... 42
4.4.1 Mạch nguồn ............................................................................................ 42
4.4.2 Mạch khuếch đại dao động ..................................................................... 43
4.4.2 Mạnh hiển thị và nút nhấn điều khiển .................................................... 44
4.4.3 Mạch công suất điều khiển nhiệt độ ....................................................... 45
4.4.4 Mạch điều khiển và mạch công suất tích hợp......................................... 45
4.4.5 Quấn biến áp xung .................................................................................. 46
vi

4.5 Thực hiện phần mềm ......................................................................................... 47
4.5.1 Khối cài đặt và hiển thị nhiệt độ ............................................................ 47
4.5.2 Lưu đồ giải thuật điều khiển thời gian.................................................... 49
4.5.3 Lưu đồ giải thuật cho toàn bộ máy ......................................................... 50
4.5.4 Viết chương trình vi điều khiển .............................................................. 53
4.6 Kiểm tra chạy thử và hoàn thành hệ thống......................................................... 54
4.6.1 Kiểm tra máy .......................................................................................... 54
4.6.2 Thử nghiểm máy..................................................................................... 54
4.7 Kết quả và thảo luận ........................................................................................... 55
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ............................................................. 64
5.1Kết luận................................................................................................................ 64
5.2 Đề nghị ............................................................................................................... 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

vii


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Trang
Hình 2.1 Khảo sát cơ chế truyền năng lượng sóng .................................................... 3
Hình 2.2 Cơ chế truyền sóng âm ................................................................................ 5
Hình 2.3 Sóng dọc ...................................................................................................... 7
Hình 2.4 Sóng ngang .................................................................................................. 7
Hình 2.5 Sự phân bố trong không gian của chùm tia siêu âm.................................. 11
Hình 2.6 hình phản xạ sóng khi truyền vuông góc trên mặt phân cách giữa 2 môi
trường ....................................................................................................................... 13
Hình 2.7: Sự phản xạ sóng khi truyền xiên góc trên giới hạn phân cách giữa hai môi

trường ....................................................................................................................... 14
Hình 2.8 Hiện tượng xâm thực khí xảy ra trong chất lỏng....................................... 16
Hình 2.9 Dạng sóng thay đổi tần số liên tục ............................................................ 17
Hình 2.10 Sơ đồ khối mạch điện máy rửa siêu âm................................................... 18
Hình2.11 Biến tử siêu âm kiểu áp điện .................................................................... 20
Hình 2.12 Hiệu ứng áp điện thuận............................................................................ 20
Hình 2.13 Hiệu ứng áp điện nghịch.......................................................................... 21
Hình 2.14 Piezoelectric Transducer ......................................................................... 25
Hình 2.15 Máy rửa hãng Elma ................................................................................. 27
Hình 2.16 Máy rửa hãng Eumax .............................................................................. 27
Hình 2.17 Sơ đồ chân LM7805 ........................................................................................... 28

Hình 2.18 Sơ đồ chân LM336 .................................................................................. 28
Hình 2.19 Hình dáng và kí hiệu của BTA 12........................................................... 29
Hình 2.20 Sơ đồ chân LM35 .................................................................................... 29
Hình 2.21 sơ đồ chân Transistor C1815 ................................................................... 29
viii


Hình 2.22 Sơ đồ chân IRF 740 ................................................................................. 30
Hình 2.23 Sơ đồ chân MOC3020 ............................................................................. 30
Hình 2.24 Sơ đồ chân vi điều khiển ATMEGA32 ................................................... 31
Hình 2.25 Bộ hiển thị LCD ...................................................................................... 33
Hình 2.26 Giao diện chính của phần mềm Bascom – AVR..................................... 34
Hình 2.27 Sơ đồ nguyên lí mạch nạp ....................................................................... 35
Hình 2.28 Hình dáng lõi Ferit................................................................................... 36
Hình 2.29 Các dạng biến áp xung ............................................................................ 36
Hình 2.30. Sơ đồ cấu trúc bên trong của vi điều khiển ATMEGA32 ...................... 75
Hình 2.31. Sơ đồ khối bộ hiển thị LCD.................................................................... 75
Hình 2.32. Sơ đồ đấu nối mođun LCD với vi điều khiển ATMEGA32 .................. 76

Hình 3.1 Sơ đồ khối máy rửa ................................................................................... 37
Hình 4.1 Cấu tạo cơ bản của máy rửa bằng sóng siêu âm........................................ 39
Hình 4.2 Bể rửa được sử dụng trong máy ................................................................ 40
Hình 4.3 Thân máy trên Autocad ............................................................................. 41
\Hình 4.4 Khai triển trên Tole .................................................................................. 41
Hình 4.5 Thân máy 3D ............................................................................................. 42
Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 5V .............................................................. 42
Hình 4.7 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn công suất.................................................... 43
Hình 4.8 Mạch khuếch đại công suất ....................................................................... 43
Hình 4.9 Hình Mạch hiển thị và nút nhấn điều khiển .............................................. 44
Hình 4.10 Mạch điều khiển nhiệt độ ........................................................................ 45
Hình 4.11 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển và công suất máy .............................. 46
Hình 4.12 Sơ đồ khối hiển thị nhiệt độ .................................................................... 47
Hình 4.17 Nạp chương trình cho vi điều khiển ........................................................ 53
Hình 4.18 Hình máy hoàn chỉnh............................................................................... 54
Hình 4.19 Màn hình hiển thị chương trình điều khiển ............................................. 55
Hình 4.20 Sơ đồ mạch bố trí thí nghiệm đo tần số giữa 2 đầu biến tử siêu âm ....... 56
Hình 4.21 Hình mô phỏng tạo xung trên Proteus..................................................... 57
ix


Hình 4.22 Hình đo tần số sóng siêu âm trên Oscillocope ........................................ 57
Hình 4.23 Hình đo tần số giữa 2 đầu biến tử siêu âm trên Oscillocope................... 58
Hình 4.24 Một số hình ảnh khảo nghiệm thời gian và nhiệt độ trên máy................ 60

Hình 4.25 Hình ảnh trước khi rửa .................................................................. 61
Hình 4.26 Hình ảnh trong khi rửa ............................................................................ 62
Hình 4.27 Hình ảnh sau khi rửa................................................................................ 62

x

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Trang
Bảng 1 Hình dáng các mặt sóng thông thường .......................................................... 9
Bảng 2 Quan hệ giữa tần số, đường kính biến tử và chiều dài trường gần .............. 12
Bảng 3 Hệ số hấp thụ của một số chất...................................................................... 15
Bảng 4 Một vài đặc trưng của các biến tử áp điện phổ biến .................................... 24
Bảng 5 Bảng sơ đồ nối dây LCD............................................................................. 33
Bảng 6 Kết quả khảo nghiệm thời gian và nhiệt độ hoạt động của máy.................. 60
Bảng 7 Kết quả rửa khảo nghiệm ............................................................................. 62

xi


Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề
Ngày nay, thiết bị làm sạch có vai trò quan trọng trong sản xuất công nghiệp như
xi mạ, sơn, bán dẫn, công nghiệp nữ trang…, lĩnh vực y tế… Các phương pháp làm
sạch cổ điển như sử dụng tay kết hợp với các loại dung dịch không đảm bảo độ sạch
của các vật cần làm sạch đặc biệt với các vật có kết cấu phức tạp, có độ bám dính tạp
chất cao. Trong nông nghiệp dùng để rửa các loại trái cây mềm dễ dập nát như: Nho,
Cà chua….. cũng rất cần thiết. Kỹ thuật tẩy rửa dùng sóng siêu âm ra đời nhằm đáp
ứng các yêu cầu về công nghệ làm sạch được áp dụng rộng rãi trong các thiết bị tẩy
rửa với hiệu quả cao, tốc độ nhanh mà các phương pháp khác không đáp ứng được.
Thống kê cho thấy các phương pháp tẩy rửa thông thường độ bẩn trên bề mặt chi tiết
còn 70%. Rửa bằng phương pháp rung độ bẩn còn 50%. Khi rửa bằng tay, độ bẩn trên
bề mặt chi tiết còn 20%. Trong phương pháp rửa bằng sóng siêu âm độ bẩn còn lại
0,5%.

Tuy nhiên, công nghệ này chỉ được sử dụng rộng rãi ở nước ngoài với nhiều
chủng loại, mẫu mã và đa dạng về chức năng, còn trong nước thì rất hạn chế. Vì các
thiết bị này phải nhập từ nước ngoài giá thành rất đắt và khó khăn trong việc bảo trì
sửa chữa.
Được sự chấp nhận của ban chủ nhiệm khoa Cơ Khí & Công Nghệ - Trường Đại
Học Nông Lâm, chúng em bước đầu tiến hành thực hiện đề tài: “Thiết Kế - Chế Tạo –
Khảo Nghiệm Máy Rửa Dùng Sóng Siêu Âm” với mong muốn của đề tài là ứng dụng
lý thuyết đã học để chế tạo và máy rửa siêu âm có thể ứng dụng được vào thực tế.

1


1.2 Tầm quan trọng của đề tài và lý do chọn đề tài
Với xu hướng của công nghệ không gây ô nhiễm môi trường, không gây độc hại
đến sức khỏe của con người. Việc sử dụng năng lượng sóng siêu âm sẽ mang lại hiệu
quả tẩy rửa vượt trội hơn so với các dung dịch tẩy rửa trước đây đặc biệt đối với các
vật thể có kích thước nhỏ và hình dạng phức tạp.
Sóng siêu âm không chỉ được ứng dụng trong lĩnh vực tẩy rửa mà còn ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực khác như: Kiểm tra chất lượng sản phẩm, hệ thống phát hiện di
động (cảm biến siêu âm),. . . Vì thế, đề tài này là bước khởi đầu để nghiên cứu ứng
dụng sóng siêu âm.
1.3 Mục đích đề tài
1.3.1 Mục đích chung
Khảo sát nguyên lý hoạt động của một số mẫu máy. Khảo sát mạch tạo xung,
mạch điều khiển nhiệt độ, mạch điều khiển thời gian bằng vi điều khiển trên cơ sở đó
tính toán, thiết kế máy rửa có qui mô nhỏ và rửa được một số loại trái cây như Nho, Cà
chua...
1.3.2 Mục đích cụ thể
Tìm hiểu cấu tạo máy, kết cấu máy, mạch điều khiển, mạch công suất bên trong
máy ứng dụng lý thuyết đã học vào. Thiết kế, chế tạo mạch điều khiển, mạch công suất

và viết chương trình điều khiển.
Thiết kế và thi công phần cơ khí.
Rửa khảo nghiệm trên một số loại trái cây.
1.4 Giới hạn đề tài
Thiết kế máy rửa bằng sóng siêu âm bể chứa bằng nhôm dung tích 1,5 lít sử dụng
một biến tử siêu âm.
Mạch dao động hoạt động nhờ dao động tạo ra từ vi điều khiển Atmega 32 với
tần số 25KHz.
Kiểm soát nhiệt độ tới 700C.
Tần số của sóng siêu âm trong khoảng 20 - 25Khz.

2


Chương 2
TỔNG QUAN
2.1 Sóng siêu âm và các tính chất cơ bản của sóng
2.1.1 Bản chất của sóng và cơ chế truyền năng lượng
Khảo sát cơ chế truyền năng lượng giữa hai điểm A và B trong thí nghiệm như
hình 2.1:

Hình 2.1 Khảo sát cơ chế truyền năng lượng sóng
Trong trạng thái cân bằng, vật M chịu tác dụng của trọng lực G và sức căng T.
Dưới tác dụng của lực ngoài làm M chuyển động từ A tới B, sức căng T tăng. Khi rời
vị trí B, M sẽ được gia tốc trở về A do tác dụng của sức căng T. Tại A sức căng T cân
bằng với G nhưng do M chuyển động với vận tốc xác định nên M tiếp tục di chuyển về
C làm lực căng T giảm, đồng thời trọng lực G sẽ tăng tương đối có xu hướng hãm vật
M làm cho nó không còn động năng và dừng lại tại C. Tại C, do trọng lực G lớn hơn
sức căng T, vật M lại chuyển động về phía A, quá trình này lập lại nhiều lần.
Sự di chuyển của vật thể từ A → B; B → A; A→C; C→A thể hiện một chu kỳ

dao động. Số lượng chu trình dao động trong một giây thể hiện tần số dao động. Thời

3


gian cần thiết thực hiện một chu kỳ dao động gọi là một chu kỳ T. Độ di chuyển từ A
đến B hay từ A đến C gọi là biên độ dao động.
Mọi vật đều cấu tạo từ các nguyên tử hay phân tử, chúng được liên kết với nhau
bằng lực nguyên tử. Các lực nguyên tử này là lực đàn hồi nên chúng có thể xem như là
các lò xo.
Nếu có một nguyên tử bị dịch chuyển khỏi vị trí ban đầu do một lực căng tác
dụng, nguyên tử đó sẽ dao động như vật M mô tả trên. Do sự liên kết giữa các nguyên
tử nên sự dao động của một nguyên tử sẽ làm cho các nguyên tử kế cận dao động theo.
Nên ta nói năng lượng cơ học hay sóng sơ học đã được truyền từ vị trí này sang vị trí
khác trong môi trường.
2.1.2 Các đặc trưng của sự truyền sóng
a. Tần số:
Tần số của một sóng cơ học cũng là tần số dao động của các nguyên tử của môi
trường mà nó truyền qua. Tần số biểu thị số chu kỳ trong một giây. Ký hiệu của tần số
là f, đơn vị là Hertz (Hz)
b. Bước sóng:
Bước sóng λ là quãng đường sóng truyền được trong khoảng thời gian một chu
kỳ T. Các nguyên tử ở cách nhau một quãng đường sẽ sẽ có cùng trạng thái dao động
tức là dao động cùng pha khi sóng truyền qua môi trường.
c. Vận tốc:
Tốc độ năng lượng được truyền giữa hai điểm trong môi trường bởi sự chuyển
động của sóng được gọi là vận tốc V của sóng.
2.1.3 Các phương trình cơ bản của sóng
Khi một sóng cơ học lan truyền trong môi trường, sự dịch chuyển một hạt của
môi trường ra khỏi vị trí cân bằng của nó tại một thời điểm bất kỳ t cho bởi phương

trình:
a = A0sin 2πft
Với:

(2.1)

a Là độ dịch chuyển của hạt tại thời điểm t.
A0 Là biên độ dao động cực đại của hạt.
4


f Là tần số dao động của hạt.
Xét chuyển động của hạt tại vị trí cách hạt đầu tiên một khoảng cách x ta có:
a = A0sin 2πft( t- x/v)
Với

(2.2)

x Là vị trí đang khảo sát và vị trí hạt đầu tiên.
v Là vận tốc lan truyền của sóng.

Trong một chu kỳ T, một sóng cơ học có vận tốc v đi trong môi trường được một
quãng đường λ được xác định:
λ

(2.3)

hay λ =

(2.4)

Đây chính là phương trình của mọi chuyển động sóng.

Hình 2.2 Cơ chế truyền sóng âm
2.1.4 Sóng siêu âm, đặc điểm
Sóng âm là dao động của các hạt của các chất rắn, chất lỏng và chất khí. Đó là
các chất đàn hồi. Nói một cách khác sóng âm thanh là một sóng đàn hồi lan truyền
5


trong môi trường đàn hồi cũng có nghĩa là mọi vật thể đàn hồi đều lan truyền được
sóng âm thanh.
Tùy theo dải tần người ta phân chia sóng đàn hồi thành các vùng sau:
- Vùng hạ âm có tần số từ 1 Hz đến 20 Hz.
- Vùng âm tần có tần số 20Hz đến 20Khz.
- Vùng siêu âm có tần số từ 20Khz đến 100Mhz.
- Vùng cực siêu âm có tần số > 100 Mhz.
Mặc dù có cùng bản chất là sóng đàn hồi nhưng do có tần số khác nhau nên có
các ứng dụng khác nhau.
a. Đặc điểm:
Sóng siêu âm mang năng lượng lớn hơn sóng âm (chẳng hạn với cùng một biên
độ dao động, năng lượng sóng tại tần số 1 Mhz lớn gấp 106 lần năng lượng sóng tại tần
số 1 Khz).
Trong cùng một môi trường truyền sóng, sóng siêu âm có bước sóng ngắn nên có
tính định hướng cao. Lợi dụng tinh chất này người ta có thể chế tạo các hệ hội tụ để
tập trung năng lượng lớn trên một diện tích hẹp.
Trong dải sóng siêu âm với một điều kiện nhất định xuất hiện hiện tượng xâm
thực xảy ra trong chất lỏng. Tính chất này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp
và dân dụng.
2.1.5 Phân loại sóng siêu âm

Trên cơ sở của dạng dao động của các hạt trong môi trường so với phương truyền
sóng, sóng siêu âm được phân loại thành sóng dọc, sóng ngang, sóng bản mỏng, sóng
mặt.
a. Sóng dọc
Sóng dọc còn gọi là sóng nén. Trong sóng dọc, các vùng nén và giãn kế tiếp với
nhau được tạo ra do sự dao động của các hạt song song với phương truyền sóng.
Phương truyền sóng

Vùng dãn

6

Vùng nén


Chuyển động của hạt
Hình 2.3 Sóng dọc
Người ta có thể tạo ra sóng dọc bằng cách chấn động và một trong các mặt phẳng
vuông góc với phương truyền sóng. Sóng dọc lan truyền được trong chất rắn, lỏng, khí
với tốc độ lớn, tính định hướng cao, mang năng lượng lớn nên thường được ứng dụng
trong thực tế.
b. Sóng ngang
Sóng ngang còn gọi là sóng trượt. Trong sóng ngang, các vùng nén và giãn kế
tiếp nhau tạo ra do sự dao động của các hạt vuông góc với phương truyền sóng.
Phương truyền sóng

Chuyển động của hạt
Hình 2.4 Sóng ngang
Để sóng ngang lan truyền được thì liên kết giữa các hạt trong môi trường phải là
vững chắc. Sóng ngang chỉ lan truyền trong môi trường chất rắn. Trong các chất lỏng

và khí khoảng cách giữa các nguyên tử là quá lớn nên lực tương tác giữa chúng nhỏ,
dao động ngang bị tắt dần nhanh chóng.
c. Sóng mặt hay sóng raleigh
Sóng mặt chỉ truyền được trên bề mặt liên kết giữa chất rắn và chất lỏng. Trong
sóng mặt dao động của hạt treo quĩ đạo hình Elip với vận tốc bằng 90% vận tốc sóng
ngang và truyền trong vùng nhỏ hơn một bước sóng tính từ mặt phân cách.
Sóng mặt thường dùng để kiểm tra kim loại vì sự suy giảm của nó gây ra cho môi
trường thấp hơn song với sóng ngang hoặc sóng dọc tương ứng, mặt khác sóng mặt
còn có thể đi qua các góc cạnh của vật thể có kết cấu phức tạp.
d. Sóng bản mỏng hay sóng lamb
Khi một sóng lan truyền vào một vật thể có bề dày nhỏ hơn hoặc bằng một phần
bước sóng thì sẽ xuất hiện một loại sóng khác gọi là sóng bản mỏng.

7


Vật liệu bắt đầu dao động như một tấm mỏng tức là sóng tràn ngập toàn bộ bề
dày của vật. Vận tốc sóng lamb phụ thuộc vào vật liệu, bề dày, tần số và dạng của
sóng.
Sóng bản mỏng tồn tại dưới nhiều dạng phức hợp của dao động của hạt.
Hai dạng cơ bản của sóng là:
- Dạng đối xứng hay dạng nở.
- Dạng phản đối xứng hay dạng uốn cong.
Các dạng của sóng được xác định theo sự dao động của hạt đối với trục trung tâm
của vật thể.
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.
Trong sóng lamb phản đối xứng sự dịch chuyển trượt của các hạt theo chiều
ngang của trục bản mỏng và một dịch chuyển theo hình elip của hạt trên mỗi bề mặt.

2.1.6 Hình dáng của các mặt sóng
Nguồn dao động tạo ra sóng siêu âm lan truyền theo mọi hướng của môi trường.
Mỗi một phần tử của môi trường được bao quanh bởi một số lượng lớn các hạt
dao động cùng pha. Bề mặt tập hợp những điểm dao động cùng pha gọi là mặt sóng,
mặt sóng luôn luôn vuông góc với phương truyền sóng. Hình dáng vuông góc của mặt
sóng phụ thuộc vào cấu tạo bề mặt của nguồn dao động hay hình dáng của biến tử. Có
các hình dáng của mặt sóng thông thường như bảng 1.

8


Bảng 1: Hình dáng các mặt sóng thông thường
Phân loại

Hình cắt của mặt sóng

Hình cắt của biến tử

Hình cầu

Hình trụ

Hình tấm phẳng

2.2 Các thông số đặc trưng của sóng siêu âm
2.2.1 Âm trở của môi trường
Trở kháng của môi trường còn gọi là độ vang hay độ dội của sóng âm trong môi
trường, được xác định theo biểu thức:
Z = ρ.V

(2.5)

Với: V là vận tốc truyền sóng trong môi trường (m/s).
ρ là mật độ khối lượng của môi trường (Kg/m3).
Z là trở kháng âm của môi trường (Rayls).
Như vậy tổng trở âm học là một thông số phụ thuộc vào phương truyền sóng.

9


2.2.2 Vận tốc của sóng âm
Vận tốc của sóng dọc, sóng ngang, sóng mặt phụ thuộc vào kết cấu của vật liệu
đặc trưng bởi độ nén và mật độ, không phụ thuộc vào tần số của sóng và kích thước
của vật liệu.
a. Độ nén
Vận tốc sóng siêu âm tỷ lệ thuận với độ nén của vật liệu. Vật liệu càng khó nén
vận tốc sóng lan truyền càng nhanh. Trong môi trường chất khí các phân tử cách xa
nhau nên sự liên kết giữa chúng yếu, mỗi hạt phải di chuyển một khoảng cách tương
đối lớn trước khi có thể tác động vào phần tử bên cạnh nên vận tốc sóng lan truyền
thấp.
Trong môi trường lỏng và đặc biệt là chất rắn, các phân tử ở gần hơn nên sự liên
kết giữa chúng mạnh, mỗi hạt chỉ cần di chuyển một khoảng cách ngắn có thể tác động
vào phân tử bên cạnh nên vận tốc sóng lan truyền cao.
b. Mật độ
Các vật liệu có mật độ dày thường tạo bởi những phần tử lớn, các phần tử này do
có quán tính lớn nên khó dịch chuyển mà cũng khó dừng lại. Do vậy, nếu xét riêng
mật độ thì vật liệu có mật độ càng lớn thì vận tốc sóng càng giảm.
Trong môi trường lỏng, mật độ và độ nén thường tỷ lệ nghịch nên vận tốc truyền
sóng đa số giống nhau.
Trong chất rắn độ nén thường lớn hơn mật độ nên vận tôc truyền sóng đa số

giống nhau.
Vận tốc sóng Lamb phụ thuộc nhiều yếu tố như đã nêu:
- Chất rắn lan truyền được sóng mặt, sóng ngang, sóng dọc.
- Chất lỏng lan truyền được sóng dọc và sóng ngang.
- Chất khí lan truyền được sóng dọc.
2.2.3 Âm áp và cường độ sóng âm
a. Âm áp
Là đại lượng đặc trưng cho sức căng biến đổi tuần hoàn trong vật liệu gây nên
bởi sự truyền sóng âm, âm áp thể hiện qua biểu thức:
10


P = 2πZfA
Trong đó:

(2.6)

P Áp suất âm
Z Trở kháng âm
f Tần số sóng âm
A Biên độ sóng âm

b. Cường độ sóng âm
Thể hiện sự truyền năng lượng qua một đơn vị diện tích vuông góc với phương
truyền sóng cho bởi biểu thức:
(2.7)
Biểu thức liên hệ:
(2.8)
Trong đó:

I Cường độ
P Âm áp
A Biên độ dao động
Z Trở kháng

2.3 Sự bức xạ sóng âm
Sự bức xạ sóng âm phụ thuộc vào các yếu tố chính:
- Kích thước đầu siêu âm càng lớn thì sự bức xạ càng cao.
- Đặc trưng của môi trường cho phép bức xạ nhiều hay ít.
- Nguồn dao động cung cấp cho đầu siêu âm.
Khi nghiên cứu sự phân bố trong không gian của chùm tia siêu âm hay còn gọi là
trường âm phát đi từ biến tử gốm áp điện, người ta thấy sự phân bố như hình vẽ:

11


Hình 2.5 Sự phân bố trong không gian của chùm tia siêu âm
Đầu siêu âm có đường kính D khi dao động theo bề dày L sẽ phát sóng theo
phương vuông góc với bề mặt và chuyển dần sang mặt sóng cầu.
- Tại vùng gần biến tử chùm tia siêu âm truyền đi theo phương song song được
gọi là trường gần hay vùng Freshnel. Chiều dài trường gần được xác định theo biểu
thức:
(2.9)
- Tại vùng xa biến tử dạng sóng biến thành sóng cầu với góc mở θ được xác định
theo biểu thức:
(2.10)
Với: θ là góc tập trung năng lượng bức xạ
Giả thuyết sóng siêu âm lan truyền với vận tốc 1450 m/s, mối quan hệ giữa tần
số, đường kính biến tử và chiều dài trường gần xác định như trong bảng 2.
Bảng 2: Quan hệ giữa tần số, đường kính biến tử và chiều dài trường gần

Tầnsố(Mhz)
1,0
1,5
2,0
2,5
5,0

Chiều dài trường gần theo đường kính biến tử (cm)
0,5
1,0
1,5
2,0
0,37
1,6
3,4
6,5
0,58
2,4
5,1
9,7
0,79
3,2
6,8
13
1,01
4,0
8,5
16
2,01
8,1

17
32

Qua đó nhận thấy:
12

2,5
10
15
20
25
50


- Với cùng một đường kính D của đầu siêu âm, khi tăng tần số dao động, độ dài
trường gần cũng tăng theo.
- Với cùng một tần số dao động, khi tăng đường kính biến tử, độ dài trường gần
cũng tăng theo.
2.4 Sự phản xạ sóng
Khái niệm về mặt phẳng âm: Mặt phẳng âm là mặt phẳng có bề mặt nhận sóng có
độ nhấp nhô nhỏ thua 10 lần bước sóng.
2.4.1 Phản xạ sóng khi truyền vuông góc trên giới hạn phân cách giữa hai
môi trường
Khi truyền sóng vuông góc trên giới hạn phân cách hai môi trường thì một phần
năng lượng truyền qua, một phần năng lượng phản xạ lại môi trường thứ nhất. Tỷ lệ
thành phần truyền qua và thành phần phản xạ phụ thuộc vào trở kháng âm của môi
trường.
Sóng tới

Môi trường 1

Z1 = V1.ρ1
Sóng phản xạ
Môi trường 2
Z2 = V2.ρ2
Hình 2.6 Sự phản xạ sóng khi truyền vuông góc trên giới hạn
phân cách giữa hai môi trường
Hệ số phản xạ xác định theo biểu thức:
(2.11)
Hệ số truyền qua được xác định theo công thức:
(2.12)

13