Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình cắt thực phẩm ứng dụng siêu âm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MƠN CHẾ TẠO MÁY
-----o0o-----

THẠCH NGỌC PHÚ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC
THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ TRONG QUÁ TRÌNH
CẮT THỰC PHẨM ỨNG DỤNG SIÊU ÂM
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí
Mã ngành: 60520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2016

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hải

1

HVTH: Thạch Ngọc Phú


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa ĐHQG TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: Ts.

Nguyễn Thanh Hải

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS.
Cán bộ chấm nhận xét 2: TS.

Phan Đình Huấn

Phạm Sơn Minh

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG-TP. HCM
ngày 08 tháng 07 năm 2016
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1. PGS.TS. Phan Đình Huấn
2. TS. Phạm Sơn Minh
3. PGS.TS. Đặng Vũ Ngoạn
4. TS. Lê Thanh Danh
5. TS. Lưu Phương Minh
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sữa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

TS. Lưu Phương Minh

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hải

PGS.TS. Nguyễn Hữu Lộc

2

HVTH: Thạch Ngọc Phú


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

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

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

Thạch Ngọc Phú

MSHV: 13040395

Ngày, tháng, năm sinh: 02-04-1989
Chuyên ngành:

Nơi sinh: Trà Vinh

Kỹ Thuật Cơ Khí

Mã số : 60520103

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ trong quá trình cắt thực
phẩm ứng dụng siêu âm.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Mô phỏng hệ siêu âm khuôn cắt bằng phần mềm Abaqus

2. Chế tạo khuôn cắt thử nghiệm
3. Thực nghiệm cắt một số thực phẩm
4. Đưa ra một số thơng số cơng nghệ trong q trình cắt thực phẩm
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 11-01-2016
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17-06-2016
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Nguyễn Thanh Hải

Tp. HCM, ngày 25 tháng 07 năm 2016
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TS. Nguyễn Thanh Hải

TS. Trần Nguyễn Duy Phương

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ
(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS. Nguyễn Hữu Lộc

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hải

3

HVTH: Thạch Ngọc Phú

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên tôi muốn gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Thanh Hải, luận văn này
sẽ không được hồn thành nếu khơng có sự hướng dẫn tận tình của Thầy, Thầy
đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện nghiên cứu, thực nghiệm cũng
như tháo gỡ các khúc mắc mà tơi gặp phải trong q trình thực hiện luận văn.
Tôi cũng gửi lời cảm ơn đến gia đình và người thân của mình, họ ln là
động lực để tôi phấn đấu trong cuộc sống cũng như trong việc học tập, nghiên
cứu.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè, học viên cao học đã trải qua khó
khăn, vui buồn trong suốt thời gian học cao học.
Tơi xin chân thành cảm ơn !

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 18 tháng 06 năm 2016

Thạch Ngọc Phú

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hải

4

HVTH: Thạch Ngọc Phú


TÓM TẮT
Cắt thực phẩm ứng dụng siêu âm là một ứng dụng mới sử dụng công nghệ siêu âm
giúp đem lại lợi ích tốt hơn so với cắt theo phương pháp truyền thống, đặc biệt đối với
một số thực phẩm khó cắt vì chúng có tính chất cứng, giịn, mềm, dẻo, dễ bám dính,…thì
phương pháp này áp dụng càng hiệu quả hơn. Nghiên cứu này tập trung nghiên cứu các
thông số ảnh hưởng tới quá trình cắt, để làm cơ sở cho việc thiết kế và chế tạo thử
nghiệm khuôn cắt (sonotrode), đồng thời sẽ đưa ra thông số công nghệ hợp lý cho

phương pháp cắt thực phẩm ứng dụng siêu âm.
Từ khóa: khn cắt, siêu âm,

ABSTRACT
Ultrasonic food cutting is new application using ultrasonic technology in order to
bring better benefits compare to the conventional method. Especially for some foods
which difficult to cut because of its hard, easy stick,…so this method could be more
efficient. This research focus on cutting parameters which could effect during cutting
process. This result is fundamental for designing and making prototype of sonotrode,
also provide technological parameters for food cutting technology.
Keywords: sonotrode, ultrasonic,

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hải

1

HVTH: Thạch Ngọc Phú


LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ
Các nghiên cứu của tôi được phân tích dựa trên việc tham khảo một số tài liệu, luận
văn, bài báo đã thực hiện.
Các phân tích, đánh giá và trích xuất dữ liệu là hồn tồn trung thực, khơng vi phạm
bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam.
Tơi hồn toàn chịu trách nhiệm trước pháp luật về luận văn của tôi.
Tác giả

Thạch Ngọc Phú

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hải

2

HVTH: Thạch Ngọc Phú


MỤC LỤC
1

2

TỔNG QUAN .............................................................................................. 11
1.1

Giới thiệu công nghệ cắt siêu âm:........................................................... 11

1.2

Tình hình nghiên cứu ............................................................................. 12

1.2.1

Nghiên cứu trong nước .................................................................... 12

1.2.2

Nghiên cứu trên thế giới .................................................................. 12

1.3

Ứng dụng của công nghệ cắt siêu âm ..................................................... 14

1.4

Lý do chọn đề tài: .................................................................................. 15

1.5

Mục tiêu của luận văn ............................................................................ 16

1.6

Ý nghĩa và đóng góp của đề tài: ............................................................. 16

1.6.1

Khoa học: ........................................................................................ 16

1.6.2

Thực tiễn: ........................................................................................ 16

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................... 17
2.1

Lý thuyết sóng siêu âm: ......................................................................... 17

2.1.1

Định nghĩa sóng siêu âm: ................................................................ 17

2.1.2

Bản chất sóng âm: ........................................................................... 18

2.1.3

Các đại lượng đặc trưng:.................................................................. 18

2.1.4

Phân loại sóng âm: .......................................................................... 19

2.1.5

Tính chất vật lý của sóng âm và siêu âm .......................................... 20

2.1.6

Nguồn phát siêu âm ......................................................................... 22

2.2

Cấu tạo và nguyên lý cắt thực phẩm bằng siêu âm.................................. 24

2.3

Các thông số cắt siêu âm ........................................................................ 28

2.3.1

Áp lực cắt F (N)............................................................................... 28

2.3.2

Tần số siêu âm f (kHz) .................................................................... 29

2.3.3

Biên độ cắt A (μm) .......................................................................... 29

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hải

3

HVTH: Thạch Ngọc Phú


2.3.4
3

Tốc độ cắt v (mm/s) ......................................................................... 29

QUÁ TRÌNH THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG KHUÔN CẮT .......................... 29
3.1

Cơ sở thiết kế ......................................................................................... 30

3.1.1

Sóng dọc truyền qua thanh trụ thẳng [1] .......................................... 30

3.1.2

Sóng truyền qua chi tiết có biên dạng khơng đồng nhất ................... 32

3.2

Lựa chọn vật liệu cho khuôn cắt ............................................................. 34

3.3

Mơ hình phân tử hữu hạn FEM (Finite Element Modelling) ................... 35

3.4

Mô phỏng hệ siêu âm và khuôn cắt ........................................................ 36

3.4.1

Giới thiệu phần mềm ABAQUS ...................................................... 36

3.4.2

Giới thiệu mơ hình bộ siêu âm và khuôn cắt .................................... 38

3.4.3

Định nghĩa vật liệu cho các chi tiết của mơ hình trong Abaqus: ....... 39

3.4.4

Tạo lưới mơ phỏng cho mơ hình ...................................................... 44

3.4.5

Thiết lập trạng thái (analysis step) trong Abaqus cho mơ hình. ........ 46

3.4.6

Thiết lập tương tác giữa các chi tiết với nhau. .................................. 47

3.4.7

Gán điều kiện biên (boundary conditions) ....................................... 49

3.4.8

Áp đặt lực cho bài tốn (loads) ........................................................ 51

3.4.9

Kết quả mơ phỏng: .......................................................................... 52

3.4.10 Khảo sát hệ siêu âm với khuôn cắt bằng nhơm ................................ 67
3.4.11 Kết luận ........................................................................................... 71
4

Q TRÌNH CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM KHUÔN CẮT ....................... 72
4.1

Chế tạo khuôn cắt bằng thép .................................................................. 72

4.2

Chế tạo khuôn cắt bằng nhôm ................................................................ 74

4.3

Thử nghiệm khuôn cắt............................................................................ 75

4.3.1

Cắt bánh chocopie ........................................................................... 76

4.3.2

Cắt bánh mì khơng .......................................................................... 77

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hải

4

HVTH: Thạch Ngọc Phú


4.3.3

Cắt bánh bông lan ............................................................................ 78

4.3.4

Các thực phẩm khác ........................................................................ 79

4.4
5

Kết luận ................................................................................................. 80

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................... 80
5.1

Luận văn đã giải quyết được các vấn đề sau: .......................................... 80

5.2

Kiến nghị ............................................................................................... 81

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hải

5

HVTH: Thạch Ngọc Phú


Danh sách hình vẽ
Hình 1.1: Cắt bánh bơng lan bằng dao siêu âm [8] ................................................ 11
Hình 1.2: Hệ thống cắt bánh tự động bằng cánh tay robot của Abrigo. ................. 13
Hình 1.3: Hệ thống cắt bánh kem,pazza, bánh bơng lan của hãng Bakon .............. 13
Hình 1.4: Máy cắt sandwich của hãng Dưinghaus ................................................. 14

Hình 1.5: Các loại bánh kẹo cắt bằng siêu âm [6] ................................................. 15
Hình 2.1: Các vùng tần số của sóng âm [9]……….………………………………17
Hình 2.2: Biểu đồ biểu diễn dao động của sóng âm [6]. ........................................ 18
Hình 2.3: a. sóng dọc; b. sóng ngang [9] ............................................................... 19
Hình 2.4: Dao động của tinh thể thạch anh [6]. ..................................................... 22
Hình 2.5: Hiện tượng piezo-electric [9]. ............................................................... 22
Hình 2.6: Hiện tượng từ giảo ................................................................................ 23
Hình 2.7: Các bộ phận chính của hệ thống cắt siêu âm [8]. ................................... 25
Hình 2.8: Bộ phát cao tần [6]. ............................................................................... 25
Hình 2.9: Bộ chuyển đổi siêu âm [6]. ................................................................... 26
Hình 2.10: Bộ khuếch đại sóng siêu âm [6]. ......................................................... 26
Hình 2.11: Các loại khn cắt siêu âm trong thực phẩm [6]. ................................. 27
Hình 2.12: So sánh q trình cắt vật liệu xốp trường hợp có và khơng có siêu âm 27
Hình 2.13: Các thơng số cắt siêu âm ..................................................................... 28
Hình 2.14: So sánh lực sử dụng trong q trình cắt khơng có và có siêu âm [3] .... 28
Hình 2.15: Sơ đồ hệ thống cắt siêu âm [3] ............................................................ 29
Hình 3.1: Sóng dọc trên thanh trụ thẳng đồng nhất [1]……………………………..30
Hình 3.2: Miêu tả sự phân phối ứng suất của khn có biên dạng đối xứng tâm ... 33
Hình 3.3: Hình dạng sóng truyền qua các biên dạng khác nhau ............................ 34
Hình 3.4: Lưu đồ mơ phỏng trong Abaqus ............................................................ 37
GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hải

6

HVTH: Thạch Ngọc Phú


Hình 3.5: Mơ hình mơ phỏng khn cắt................................................................ 38
Hình 3.6: Mơ hình mơ phỏng khn cắt................................................................ 39
Hình 3.7: Định nghĩa vật liệu thép trong ABAQUS .............................................. 40

Hình 3.8: Tạo hướng dao động cho vật liệu piezoelectric trong Abaqus................ 44
Hình 3.9: Định dạng phần tử cho các chi tiết (ngoại trừ đĩa ceramic) .................... 45
Hình 3.10: Định dạng phần tử cho đĩa piezo ceramic ............................................ 45
Hình 3.11: Mơ hình sau khi đã được chia lưới. ..................................................... 46
Hình 3.12: Tạo các trạng thái trong Abaqus. ......................................................... 47
Hình 3.13: Tương tác giữa bulong và đầu transducer. ........................................... 48
Hình 3.14: Định nghĩa 2 kiểu tương tác gồm general contact và frictionless. ........ 48
Hình 3.15: Tạo module tương tác cho mơ hình. .................................................... 49
Hình 3.16: Gán điều kiện biên cho đĩa piezo ceramic. .......................................... 50
Hình 3.17: Điều kiện biên cho bài tốn mơ phỏng. ............................................... 50
Hình 3.18: Khống chế 6 bật tự do của booster. ..................................................... 51
Hình 3.19: Khai báo lực bulong ở trạng thái tĩnh cho bài tốn. ............................. 51
Hình 3.20: Mode dao động dọc trục ở tần số từ 19162-20700 (Hz) ....................... 52
Hình 3.21: Mode dao động xoắn ở tần số 26687-28731 (Hz) ................................ 53
Hình 3.22: Mode dao động phức hợp ở tần số 20733-24215 (Hz) ......................... 54
Hình 3.23: Khảo sát biên độ dao động ở đầu ra của transducer. ............................ 55
Hình 3.24: Phân bố ứng suất theo phương dọc trục của transducer. ...................... 55
Hình 3.25: Chuyển vị theo 3 phương ở mặt A-A của booster. ............................... 56
Hình 3.26: Biến thiên của biên độ dao động dọc trục booster ............................... 57
Hình 3.27: Biểu đồ biến thiên ứng suất dọc trục của booster. ................................ 57
Hình 3.28: Khảo sát chuyển vị tại A và B. ............................................................ 58
Hình 3.29: Đồ thị chuyển vị của điểm A và B theo tần số. .................................... 59
GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hải

7

HVTH: Thạch Ngọc Phú


Hình 3.30: Ứng suất phân phối trong hệ mơ phỏng. .............................................. 60

Hình 3.31: Điểm chuyển vị lớn nhất của hệ. ......................................................... 61
Hình 3.32: Khn cắt bị biến dạng trong q trình dao động. ............................... 62
Hình 3.33: Các đường cần khảo sát. ..................................................................... 62
Hình 3.34: Quan hệ giữa chuyển vị và ứng suất dọc trục của đố số 1. ................... 63
Hình 3.35: Quan hệ chuyển vị và ứng suất của đường lưỡi dao (đường số 2) ........ 64
Hình 3.36: Chuyển vị dọc trục của khn cắt. ...................................................... 64
Hình 3.37: Ứng suất theo chiều dọc trục của khn cắt. ....................................... 65
Hình 3.38: Chuyển vị và ứng suất của đường trung tâm (đường số 3) ................... 65
Hình 3.39: Phân phối phản lực của hệ thống ......................................................... 66
Hình 3.40: Tổng áp lực của hệ siêu âm. ................................................................ 66
Hình 3.41: Mơ hình khn nhơm .......................................................................... 67
Hình 3.42: Khảo sát 2 điểm trên lưỡi cắt của khn nhơm .................................... 67
Hình 3.43: Biểu độ chuyển vị của điểm A và B theo tần số................................... 68
Hình 3.44: Biểu đồ chuyển vị và ứng suất dọc trục tại tần số 20547 (Hz) ............. 69
Hình 3.45: Chuyển vị dọc trục và ứng suất dọc trục.............................................. 69
Hình 3.46: Biểu đồ chuyển vị và ứng suất dọc trục theo chiều dài lưỡi dao .......... 70
Hình 3.47: Biểu đồ áp lực tại vị trí định vị ............................................................ 70
Hình 4.1: Khn cắt bánh bơng lan………………………………………………..72
Hình 4.2: Hệ thống cắt gồm 3 hệ siêu âm. ............................................................ 73
Hình 4.3: Khn cắt 120mm bằng thép ................................................................ 73
Hình 4.4: Bản vẽ khn cắt bằng nhơm ................................................................ 74
Hình 4.5: Khn cắt bằng nhơm ........................................................................... 75
Hình 4.6: Hệ siêu âm chưa gắn khn cắt ............................................................. 75
Hình 4.7: Mơ hình thử khuôn cắt. ......................................................................... 76
GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hải

8

HVTH: Thạch Ngọc Phú

Hình 4.8: Cắt bánh chocopie................................................................................. 76
Hình 4.9: Quá trình cắt bánh mì ............................................................................ 77
Hình 4.10: Mặt cắt bánh mì sau khi cắt ................................................................. 78
Hình 4.11: Mặt cắt bánh bơng lan ......................................................................... 78
Hình 4.12: Khả năng cắt mỏng của hai phương pháp ............................................ 79
Hình 4.13: Cắt khơng và có siêu âm bánh dẻo. ..................................................... 79
Hình 4.14: Cắt bánh in bằng siêu âm .................................................................... 79
Hình 4.15: Cắt xúc xích bằng siêu âm................................................................... 80

Danh sách bảng
Bảng 3.1: Một số vật liệu thường được dùng làm khuôn cắt [5] ............................ 35
Bảng 3.2: Bảng các thông số vật liệu của các chi tiết [9] ...................................... 40
Bảng 3.3: Các thông số của piezoelectric P8 [4] ................................................... 41
Bảng 3.4: Các thông số vật liệu của PIC 181 [4]. .................................................. 42
Bảng 3.5: Độ lớn dao động tại A và B tại các tần số ............................................. 68
Bảng 3.6: Thông số công nghệ theo kết quả mô phỏng của khuôn thép: ............... 71
Bảng 3.7: Thông số công nghệ của khuôn nhôm: .................................................. 71

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hải

9

HVTH: Thạch Ngọc Phú


Danh sách ký hiệu và từ viết tắt
λ bước sóng (μm)
T chu kỳ songs (s)
f tần só của sóng (Hz)

v vận tố trường sóng (mm)
A biên độ sóng (μm)
E module đàn hồi của vật liệu (Pa)
σ ứng suất (N/m2)
ε biến dạng tương đối (đơn vị)
ρ khối lượng riêng (kg/m3)
m khối lượng (kg)
S diện tích mặt cắt (m2) cơng thức 3.15
F lực (N)
Q hệ số chất lượng công thức 3.19

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hải

10

HVTH: Thạch Ngọc Phú


1

TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu công nghệ cắt siêu âm:
Công nghệ siêu âm đã được ứng dụng khá lâu trong công nghiệp như là siêu âm

trong y học, hàn siêu âm, kiểm tra không phá hủy bằng siêu âm,....Tuy nhiên, cắt thực
phẩm ứng dụng siêu âm thì chỉ thực sự được áp dụng khá phổ biến vào những năm 1990
[1]. Các nhà khoa học thực phẩm không những ngày càng chú trọng đến những thực
phẩm an toàn về mặt vi sinh mà còn đặc biệt quan tâm đến những thực phẩm có mẫu mã
đẹp. Ngồi ra, do lợi ích thương mại mà người ta ngày càng có xu hướng sản xuất những
chiếc bánh to, từng mảng lớn,…điều này giúp làm giảm chi phí sản xuất. Do đó khâu

cắt thực phẩm trở nên rất cần thiết để có thể cắt nhỏ những chiếc bánh này theo kích
thước mong muốn mà ít tốn kém, đáp ứng nhanh, hợp vệ sinh mà mẫu mã vẫn đảm bảo.
Bên cạnh đó, một số thực phẩm gặp khó khăn khi cắt xén hoặc chúng dễ bám dính vào
dụng cụ cắt thì cơng nghệ cắt thực phẩm bằng siêu âm càng trở nên phù hợp hơn. Với
ưu điểm như vết cắt hồn hảo, hạn chế bám dính, ít tổn thất thực phẩm, thực phẩm không
biến dạng sau cắt,…
Cũng giống như phương pháp cắt truyền thống, cắt bằng siêu âm cũng tạo vết cắt
nhờ sự tác động của dao cắt tới vật cần cắt. Tuy nhiên, dao cắt siêu âm được cấp một
nguồn siêu âm nên nó dao động với tần số cao, điều này làm giảm ma sát giữa lưỡi dao
với vật liệu cần cắt nên việc chia tách vật liệu diễn ra dễ dàng hơn mà không phải sử
dụng nhiều áp lực cắt như phương pháp truyền thống.

Hình 1.1: Cắt bánh bơng lan bằng dao siêu âm [8]

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hải

11

HVTH: Thạch Ngọc Phú


1.2 Tình hình nghiên cứu
1.2.1 Nghiên cứu trong nước
Ở nước ta, ứng dụng công nghệ cắt thực phẩm bằng siêu âm còn khá mới mẻ và xa
lạ với nhiều người tuy rằng công nghệ hàn siêu âm cũng khá phổ biến ngày nay. Ở các
trường đại học, các trung tâm nghiên cứu thì chưa có bài báo khoa học chính thức nào
được công bố về ứng dụng này. Phương pháp này chỉ dừng lại ở mức độ giới thiệu khái
quát.
Tuy nhiên, nhận thấy tiềm năng cũng như ưu điểm và lợi ích của phương pháp này
mang lại một một số công ty như là Vietsonic,…đã và đang nghiên cứu và đã cho ra một

số sản phẩm đáp ứng nhu cầu cắt một số thực phẩm như là bánh bông lan, cá đông
lạnh,…
1.2.2 Nghiên cứu trên thế giới
Từ những năm 1990, trên thế giới đã bắt đầu sử dụng phương pháp cắt này khá phổ
biến nhờ tính ưu việt của nó trong lĩnh vực cắt thực phẩm. Phương pháp này được thừa
kế từ cơng nghệ hàn siêu âm, nó chỉ khác với hàn siêu âm ở khuôn cắt và tần số sử dụng.
Có rất nhiều nghiên cứu về cơng nghệ này mà người tiên phong là Merkulov [1]. Ông
đã nghiên cứu lý thuyết thiết kế khuôn cắt (hàn) bằng cách phân tích sự tập trung sóng
siêu âm, và cho ra một loạt định nghĩa và cơng thức tính tốn, ơng cũng nhiêu cứu về
trường hợp sóng siêu âm truyền qua các chi tiết có biên dạng khác nhau. Sau này có
nhiều nghiên cứu dựa trên lý thuyết của ông đã đưa ra.
Ngày nay, với sự phát triển của máy tính thì việc thiết kế càng trở nên dễ dàng hơn
nhờ có một số phần mềm mô phỏng hộ trợ như là Abaqus, Ansys, hypermesh,…nhờ đó
người ta có thể thiết kế một số thiết bị phức tạp như dao mổ, dao cắt xương trong y
học,…Sau đây là một số bài báo, luận văn đã được công bố ở các trường đại học trên
thế giới:
Luận văn tiến sĩ của Euan McCulloch, "Experimental and Finte Element Modeling
of Ultrasonic Cutting of Food", năm 2008.
Luận văn tiến sĩ của Alan MacBeath, "Ultrasonic Bone Cutting", năm 2006.

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hải

12

HVTH: Thạch Ngọc Phú


Luận văn tiến sĩ của Hassan Dakhil Al-Budairi, "Design and Analysis of Ultrasonic
Horns Operating in Longitudinal and Torsional Vibration" năm 2012.
Trên thế giới cũng đã có nhiều hãng chuyên cung cấp các thiết bị máy móc ứng dụng

cơng nghệ này phải kể đến là Dukane, Abrigo, Bakon, Doeinghaus, Matiss,…

Hình 1.2: Hệ thống cắt bánh tự động bằng cánh tay robot của Abrigo.

Hình 1.3: Hệ thống cắt bánh kem,pazza, bánh bơng lan của hãng Bakon

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hải

13

HVTH: Thạch Ngọc Phú


Hình 1.4: Máy cắt sandwich của hãng Dưinghaus
1.3 Ứng dụng của công nghệ cắt siêu âm
Được ứng dụng khá phổ biến ở nước ngoài trong lĩnh vực bánh kẹo, rau quả, và một
số thực phẩm cao cấp trong các nhà hàng. Đây sẽ là một công nghệ cắt tiềm năng cho
ngành thực phẩm của Việt Nam trong thời gian sắp tới. Sản phẩm cắt khá đa dạng.
 Frozen cakes and pies
 Frozen fish
 Snack and health bars
 Fresh/frozen prepared meats
 Dough or baked cookies
 Soft and hard cheeses
 Fresh/frozen vegetables

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hải

14

HVTH: Thạch Ngọc Phú


 Candy and confections
 Ice cream bars
 Pizza
 Sandwiches

Hình 1.5: Các loại bánh kẹo cắt bằng siêu âm [6]
1.4 Lý do chọn đề tài:
Nước ta đang trong quá trình hội nhập do đó ngành thực phẩm cũng phát triển và đa
dạng hóa theo. Các doanh nghiệp thực phẩm đang có xu hướng mở rộng quy mô sản
xuất và sản xuất theo từng mảng, theo dây chuyền tự động được vì nó làm giảm chi phí
sản xuất. Để chia nhỏ những chiếc bánh này một cách hiệu quả thì phương pháp truyền
thống khơng cịn đáp ứng được nhu cầu nữa, đặc biệt đối với một số sản phẩm như là
bánh kẹo, cá đơng lạnh,…là những thực phẩm dễ biến dạng, có tính bám dính, giịn thì
phương pháp cắt thực phẩm này càng nên được ứng dụng. Tuy là một phương pháp cắt
thực phẩm tiềm năng và đã được sử dụng rộng rãi ở trên thế giới, nhưng ở nước ta nó
chưa thực sự được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi.
-

Vết cắt hồn hảo, thực phẩm ít bị biến dạng sau khi cắt, đặc biệt đối với một
số thực phẩm dòn, xốp, dễ bám dính vì dao cắt siêu âm khơng cần áp lực cắt
lớn, nó dao động với tần số siêu âm nên thực phẩm khơng bị bám dính vào
khn cắt.

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hải

15

HVTH: Thạch Ngọc Phú


-

Chưa được đánh giá đúng tầm quan trọng của phương pháp cắt này trong lĩnh
vực thực phẩm ở trong nước, có thể áp dụng cơng nghệ cắt này cho các loại
thực phẩm trong nước như kẹo dừa, cá ba sa, su-shi,…

-

Chưa có một nghiên cứu cụ thể nào về cơng nghệ cắt thực phẩm ứng dụng
siêu âm ở trong nước.

Do đó, với tầm quan trọng của cơng nghệ này, việc “Nghiên cứu ảnh hưởng của các
thông số công nghệ trong quá trình cắt thực phẩm ứng dụng siêu âm” là hết sức cần
thiết.
1.5 Mục tiêu của luận văn
-

Thiết kế khuôn cắt (sonotrode), mơ phỏng q trình truyền sóng trong khn
cắt sử dụng FEM

-

Chế tạo khuôn cắt thử nghiệm.

-

Tiến hành thực nghiệm trên các loại thực phẩm.

-

Đưa ra các thông số cơng nghệ hợp lý cho q trình cắt.

1.6 Ý nghĩa và đóng góp của đề tài:
1.6.1 Khoa học:
 Đưa ra được thơng số tính tốn cho hệ thống như tốc tần số cắt, biên dạng
dao,…
 Thiết kế mơ hình mơ phỏng quá trình cắt bằng cách sử dụng phần mềm
ABAQUS
 Là cơ sở lý thuyết cho quá trình thiết kế các dụng cụ cắt.
1.6.2 Thực tiễn:
 Tìm ra phương pháp cắt hiệu quả và tiết kiệm áp dụng cho các sản phẩm cần
thiết.
 Triển khai và áp dụng từ lý thuyết đi vào thực tiễn.
 Đáp ứng nhu cầu thị trường khó tính về thực phẩm như hiện nay.

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hải

16

HVTH: Thạch Ngọc Phú


2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Lý thuyết sóng siêu âm:
2.1.1 Định nghĩa sóng siêu âm:

Siêu âm được định nghĩa là năng lượng được tạo ra bởi sóng âm thanh khi truyền

qua môi trường vật chất với tần số lớn hơn hoặc bằng 20 (kHz). Tần số nhỏ nhất của
siêu âm được xác định là tần số tối đa mà con người có thể nghe được hay cịn gọi là
ngưỡng nghe trên. Trong khi tần số lớn nhất của siêu âm được giới hạn bởi khả năng tạo
tín hiệu của nó [1].

Hình 2.1: Các vùng tần số của sóng âm [9]
Siêu âm có tần số lớn hơn 100 kHz được ứng dụng những nơi mà sự truyền sóng
khơng gây ảnh hưởng nào lên vật thể mà nó truyền qua, bao gồm các ứng dụng như siêu
âm trong y học, kiểm tra không phá hủy. Năng lượng tại nơi mà những sóng này được
tạo ra là tương đối nhỏ với cường độ trong khoảng 0.1-0.5W/cm2. [1]
Siêu âm có tần số từ 20-100 (kHz) được sử dụng trong những ứng dụng đòi hỏi một
lượng năng lượng lớn ví dụ như q trình gia cơng chế tạo (gọi là siêu âm năng lương
cao). Cường độ thông thường được sử dụng trong siêu âm năng lương cao là trên
10W/cm2. Năng lượng cần thiết của những ứng dụng này được truyền tới vật liệu cần
được gia công thông qua một hoặc nhiều chi tiết siêu âm nhờ bộ chuyển đổi, chuyển đổi
từ dao động điện thành dao động cơ. [1]

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hải

17

HVTH: Thạch Ngọc Phú


2.1.2 Bản chất sóng âm:
Các mơi trường vật chất đàn hồi (khí, lỏng hay rắn) có thể coi như là những môi
trường liên tục gồm những phần tử liên kết chặt chẽ với nhau. Lúc bình thường, mỗi
phần tử có một vị trí cân bằng bền. Nếu tác động một lực lên phần tử A nào đó bên trong

mơi trường này, nó sẽ rời khỏi vị trí cân bằng bền. Do tương tác tạo nên bởi các mối liên
kết với các phần tử bên cạnh, một mặt phần tử A bị kéo về vị trí cân bằng, một mặt nó
cũng chịu tác động bởi lực bên ngoài nên phần tử A sẽ di chuyển qua lại quanh vị trí cân
bằng, có nghĩa là phần tử A thực hiện chuyển động dưới dạng dao động. Hiện tượng này
tiếp tục xảy ra đối với các phần tử khác của môi trường. Dạng dao động cơ có tính chất
lặp đi lặp lại, lan truyền trong mơi trường đàn hồi được gọi là sóng đàn hồi hay sóng cơ,
nói một cách khác, sóng là hiện tượng vật lý trong đó năng lượng được dẫn truyền dưới
dạng dao động của các phần tử vật chất của mơi trường truyền sóng.
Về bản chất, sóng âm là sóng cơ học, do đó nó tuân theo mọi quy luật đối với sóng
cơ, có thể tạo ra sóng âm bằng cách tác động một lực cơ học vào môi trường truyền âm.
2.1.3 Các đại lượng đặc trưng:
Hình bên dưới là hình biểu diễn của sóng, nó là một tập hợp của các lần nén và dãn
thay đổi tuần tự theo dạng hình sin, trong đó các đỉnh sóng thể hiện áp lực cao nhất, cịn
các đáy sóng thể hiện áp lực thấp nhất.

Hình 2.2: Biểu đồ biểu diễn dao động của sóng âm [6].
Các đại lượng đặc trưng của sóng bao gồm:
GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hải

18

HVTH: Thạch Ngọc Phú


 Chu kỳ T (s) là khoảng thời gian mà sóng thực hiện một lần nén và một lần dãn.
 Tần số f (Hz) là số chu kỳ thực hiện được trong 1 giây.
 Vận tốc truyền của sóng âm là quãng đường mà sóng âm truyền được sau một
đơn vị thời gian.
 Bước sóng λ (μm): quãng đường mà sóng truyền được sau khoảng thời gian
bằng 1 chu kỳ (λ=v.T=v/f) [6].

2.1.4 Phân loại sóng âm:
Phân loại theo phương dao động: dựa vào cách truyền sóng, người ta chia sóng cơ ra
làm 2 loại: sóng dọc và sóng ngang.
Sóng ngang là sóng mà phương dao động của các phần tử trong mơi trường vng
góc với tia sóng. Sóng ngang xuất hiện trong các mơi trường có tính đàn hồi về hình
dạng. Tính chất này chỉ có ở vật rắn.
Sóng dọc là sóng mà phương dao động của các phần tử trong mơi trường trùng với
tia sóng. Sóng dọc xuất hiện trong các mơi trường chịu biến dạng về thể tích, do đó nó
truyền được trong các vật rắn cũng như trong mơi trưởng lỏng và khí [6].

Hình 2.3: a. sóng dọc; b. sóng ngang [9]
Phân loại theo tần số: sóng âm được chia theo dãy tần số thành 3 vùng chính>

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hải

19

HVTH: Thạch Ngọc Phú


Sóng âm tần số cực thấp, hay cịn gọi là sóng hạ âm (Infrasoun) f<16Hz. Ví dụ: sóng
địa chấn.
Sóng âm tần số nghe thấy được (Audible sound): 16Hz ≤ f ≤20kHz.
Sóng siêu âm (Ultrasound): f > 20kHz [6].
2.1.5 Tính chất vật lý của sóng âm và siêu âm
2.1.5.1 Hiện tượng phản xạ

Khi một nguồn siêu âm lan truyền qua hai mơi trường có âm trở khác nhau sẽ tạo
nên hiện tượng phản xạ siêu âm, còn một phần siêu âm xun qua mơi trường và
tn theo định luật quang hình học:

Hệ số phản xạ (R): Giữa hai môi trường khác nhau có hệ số phản xạ siêu âm khác
nhau. Hệ số phản xạ tuỳ thuộc vào âm trở của hai mơi trường [6].
𝑅=

𝑍1 − 𝑍2
𝑍1 + 𝑍2

Trong đó Z1 và Z2 là âm trở của môi trường 1 và 2.
2.1.5.2 Hiện tượng khúc xạ

Là hiện tượng chùm siêu âm khi lan truyền trong một mơi trường có âm trở khác
bị lệch hướng đột ngột ngay tại mặt phân cách.
Sự khúc xạ siêu âm làm lệch nguồn siêu âm và ảnh hưởng đến chùm siêu âm phản
xạ và kết quả chẩn đốn, vì thế phải hết sức tránh hiện tượng khúc xạ.
Trong kỹ thuật siêu âm cần làm giảm khúc xạ có nghĩa là phải để nguồn siêu âm
tới thẳng góc [6].

GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hải

20

HVTH: Thạch Ngọc Phú


2.1.5.3 Hiện tượng nhiễu xạ.

Là hiện tượng chùm siêu âm có thể vịng qua vật cản. Hiện tượng này phụ thuộc
vào khoảng cách đầu dò đến mặt phẳng thăm dò, phụ thuộc vào bước sóng l siêu âm,
đường kính của nguồn phát và góc độ của chùm siêu âm phát ra [6].
2.1.5.4 Hiện tượng hấp thụ:

Khi chùm siêu âm truyền qua một môi trường vật chất chùm siêu âm đã truyền
một phần năng lượng cho mơi trường đó hay nói cách khác nó bị mơi trường đó hấp
thụ.
Sự hấp thụ phụ thuộc vào độ dày các môi trường siêu âm truyền qua, tần số siêu
âm và hệ số hấp thụ của môi trường. Sự hấp thụ biểu hiện ở cường độ siêu âm càng
thấp dần.
Ix= I0 .e-fx

Trong đó:
Io, Ix: cường độ siêu âm lúc đầu và cường độ siêu âm đo được ở độ sâu x
f : hệ số hấp thụ của môi trường, x: chiều dày của môi trường siêu âm đi qua.
Do các hiện tượng trên nên cường độ siêu âm càng đi xa càng bị suy giảm.
Cũng như âm, siêu âm không truyền được trong chân không, nó truyền được trong
mơi trường vật chất bất kỳ với vận tốc giống vận tốc âm. Tuy nhiên do đặc tính tần
số lớn nên có một số điểm khác biệt. Siêu ấm ít bị tản mạn nên có thể tạo thành những
chùm tia có cường độ khá lớn cỡ 103W/m 2 và nếu được hội tụ có thể đạt tới cỡ
104 đến 105W/m2. Trong khơng khí ở tần số cỡ 100kHz trở lên, siêu âm bị tắt rất
nhanh vì bị hấp thụ mạnh, trái lại trong các môi trường lỏng như nước chẳng hạn,
siêu âm ít bị hấp thụ. Do đó nguồn siêu âm thường được đặt trong một chất lỏng nào
đó.
GVHD: TS. Nguyễn Thanh Hải

21

HVTH: Thạch Ngọc Phú