Hcmute nghiên cứu, thử nghiệm thiết bị phát sóng siêu âm ứng dụng trong sấy sản phẩm nông nghiệp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU, THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ PHÁT SÓNG SIÊU ÂM ỨNG DỤNG TRONG SẤY SẢN PHẨM NÔNG NGHIỆP MÃ SỐ: T2015-08TÐ S K C0 3 Tp Hồ Chí Minh, tháng 03/2016 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU, THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ PHÁT SÓNG SIÊU ÂM ỨNG DỤNG TRONG SẤY SẢN PHẨM NÔNG NGHIỆP Mã số: T2015-08TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS PHẠM HUY TUÂN TP HCM, 3/2016 Luan van TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ MÁY BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU, THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ PHÁT SĨNG SIÊU ÂM ỨNG DỤNG TRONG SẤY SẢN PHẨM NƠNG NGHIỆP Mã số: T2015-08TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS Phạm Huy Tuân Thành viên đề tài: ThS Nguyễn Văn Thái Dương TP HCM, 3/2016 Luan van MỤC LỤC Trang MỤC LỤC I  DANH MỤC CÁC BẢNG IV  DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT V  DANH MỤC CÁC HÌNH VI  THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU IX  PHẦN A TỔNG QUAN 1  Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu ngồi nước cơng bố 1  1.1 Các trình xử lý siêu âm lượng cao, phát triển gần tiến tiềm 1  1.2 Sấy siêu âm: nghiên cứu nước 4  1.3 Nhận xét chung hướng nghiên cứu đề tài 6  Mục đích đề tài 7  Nhiệm vụ giới hạn đề tài 7  3.1 Nhiệm vụ đề tài 7  3.2 Giới hạn đề tài 8  Phương pháp nghiên cứu 8  PHẦN B KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 9  CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9  1.1 Cơ sở tính tốn phương pháp phần tử hữu hạn 9  1.1.1 Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn giải toán dao động (Nad, 2010) 9  1.1.2 Phương pháp giải toán phần tử hữu hạn 10  1.2 Các lý thuyết để tính toán chi tiết horn dạng trục bậc bậc 10  Trang i Luan van 1.2.1 Sơ đồ nguyên lý cụm thiết bị phát sóng siêu âm dùng sấy 10  1.2.2 Tính tốn horn dạng trục bậc 11  1.2.2.1 Giải pháp phân tích dao động tự chi tiết khuếch đại sóng 12  1.2.2.2 Các cơng thức tính tốn tổng quát cho horn dạng bậc 14  1.2.2.3 Tính tốn cho bậc có diện tích phát sóng mở rộng 15  1.3 Giải thuật tối ưu hóa đa mục tiêu GENE 16  1.4 Nguyên lý tách ẩm sóng siêu âm 17  CHƯƠNG TÍNH TỐN, THIẾT KẾ CHI TIẾT HORN DẠNG TRỤC BẬC VÀ TẤM BẬC 18  2.1 Mục tiêu cần đạt vấn đề thiết kế chi tiết horn dạng trục bậc bậc19  2.2 Lựa chọn vật liệu phương pháp tính tốn 20  2.2.1 Chọn vật liệu 20  2.2.2 Phương pháp tính tốn 22  2.2.2.1 Đối với horn dạng trục bậc 22  2.2.2.2 Đối với bậc 22  2.3 Tính tốn thiết kế 23  2.3.1 Sơ đồ thiết kế horn dạng trục bậc bậc 23  2.3.2 Tiến hành tính tốn, mơ 24  2.3.2.1 Tính horn dạng trục bậc 24  2.3.2.2 Tính tốn cho bậc 29  2.4 Mô kiểm tra tần số, ứng suất cụm horn dạng trục bậc bậc 38  2.5 Mơ trường áp suất sóng âm lên mơi trường khơng khí 40  CHƯƠNG CHẾ TẠO MẪU VÀ ĐO TRỞ KHÁNG CƠ 43  3.1 Chế tạo mẫu 43  3.2 Đo trở kháng âm tần số cộng hưởng 44  3.3 Vấn đề kết nối trở kháng 46  3.3.1 Giới hạn công suất điện, kết nối trở kháng tinh thể áp điện 46  3.3.2 Kết nối trở kháng chi tiết khác cụm siêu âm 50  CHƯƠNG THÍ NGHIỆM SẤY, KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 51  Trang ii Luan van 4.1 Mơ hình thí nghiệm sấy 51  4.1.1 Chuẩn bị mẫu sấy 52  4.1.2 Dữ liệu sấy 53  4.2 Kết thảo luận 54  4.2.1 Kết sấy sơ 54  4.2.2 Kết sấy đến độ ẩm cân 57  4.2.3 Thảo luận kết tính horn bậc 58  CHƯƠNG KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ 60  5.1 Kết luận 60  5.1.1 Tần số dao động riêng cụm phát sóng siêu âm trở kháng đo 60  5.1.2 Kết luận hiệu q trình sấy có hỗ trợ sóng siêu âm 61  5.1.3 Tổng kết 61  5.2 Đề nghị 61  5.2.1 Các vấn đề tồn 61  5.2.2 Hướng phát triển đề tài 62  TÀI LIỆU THAM KHẢO 64  PHỤ LỤC CODE TÍNH CHO HORN 67  PHỤ LỤC CODE TÍNH CHO TẤM BẬC 68  PHỤ LỤC HƯỚNG DẪN CAO HỌC 70  PHỤ LỤC BÀI BÁO THAM DỰ HỘI NGHỊ, TẠP CHÍ TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 72  PHỤ LỤC BẢN SAO THUYẾT MINH ĐỀ TÀI ĐÃ ĐƯỢC PHÊ DUYỆT 73  Trang iii Luan van DANH MỤC CÁC BẢNG BẢNG Trang Bảng 2.1 Các thuộc tính thép SS 41(Wang 2011) 21  Bảng 2.2 Các thuộc tính hợp kim nhôm AA7075-T6 (Nguyen 2014) 22  Bảng 2.3 Kết tính tốn horn dạng trục bậc cơng thức lý thuyết 25  Bảng 2.4 Kết mô horn dạng trục bậc mức chia lưới khác nhau.28  Bảng 2.5 Các kích thước horn thiết kế 28  Bảng 2.6 Tần số dao động tương ứng với Mode khác .32  Bảng 2.7 Các kích thước bậc sau tối ưu 34  Bảng 2.8 Kết mô bậc AnsysWorkbench với mức chia lưới khác .36  Bảng 2.9 Kết mô cho cụm chi tiết với mức chia lưới khác .39  Bảng 4.1 Số liệu sấy qua hai mẻ sấy: có hỗ trợ siêu âm khơng có hỗ trợ siêu âm 54  Trang iv Luan van DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT GA : Genetic Algorithm CNC : Computer Numerical Control PLC : Programmable Logic Controller Trang v Luan van DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình Cấu trúc chuyển đổi siêu âm dạng đĩa có bậc chuyển đổi dạng có bậc (Gallego-Juárez, 2009, 2010a) 2  Hình Cấu trúc chuyển đổi siêu âm dạng trụ phần tử hữu hạn cho dao động ống trụ (Gallego-Juárez, 2009, 2010a) 2  Hình Mơ hình chống tạo bọt siêu âm (Gallego-Juárez, 2009, 2010a) 3  Hình Hệ thống sấy siêu âm (Gallego-Juárez, 2009, 2010a) 4  Hình Sơ đồ sấy đối lưu khơng khí với hỗ trợ siêu âm (Ortuno 2010b) .6  Hình Mơ hình thiết bị phát sóng siêu âm lượng cao gồm: Bộ chuyển đổi kiểu Langevin (1) – Horn khuếch đại dạng bậc (2) – Tấm bậc (3) 7  Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý cụm thiết bị phát sóng siêu âm ứng dụng sấy 11  Hình 1.2 Horn dạng trục bậc 15  Hình 2.1 Sơ đồ thiết kế chi tiết horn dạng trục bậc 23  Hình 2.2 Sơ đồ thiết kế bậc .24  Hình 2.3 Đồ thị biểu diễn biên độ dao động horn ứng với tần số 19,2 kHz .25  Hình 2.4 Xây dựng mơ hình horn Geometry AnsysWorkbench 26  Hình 2.5 Chia lưới mơ hình horn Model 26  Hình 2.6 Thiết lập điều kiện biên 27  Hình 2.7 Lấy kết toán Result .27  Hình 2.8 Xác định điểm x0 29  Hình 2.9 Lưu đồ giải thuật tối ưu để xác định tần số làm việc kích thước thiết kế 30  Hình 2.10 Một số dạng dao động thiết kế 31  Trang vi Luan van Hình 2.11 Phân bố chuyển vị phẳng có chiều dài 260 mm, dầy 29 mm dao động Mode 34  Hình 2.12 Phân bố chuyển vị bậc thiết kế tần số 19,2 kHz 35  Hình 2.13 Chia lưới cho mơ hình mức mịn 53766 phần tử; 83924 nút .37  Hình 2.14 Dạng Mode với tần số làm việc 20030 Hz 37  Hình 2.15 Bản vẽ thiết kế bậc 38  Hình 2.16 Chia lưới cho cụm horn với mối ghép ren M12 với mức mịn (147425 phần tử; 236671 nút) 39  Hình 2.17 Dạng dao động cụm horn bậc tần số 19987 Hz .40  Hình 2.18 Phân bố ứng suất Von-Mises cụm 40  Hình 2.19 Mơ hình phân tích phân bố áp suất sóng âm lên môi trường trường hợp: (a,b) phẳng, (c,d) bậc 41  Hình 3.1 Cụm chi tiết phát sóng siêu âm với horn dạng bậc bậc 44  Hình 3.2 Kết đo trở kháng cụm phát sóng siêu âm 45  Hình 3.3 Cụm phát sóng siêu âm dùng ứng dụng sấy .47  Hình 3.4 Mạch điện tương đương cho tinh sứ áp điện: (a) Mạch khí; (b) Mạch điện tương đương (Gallego-Juárez, 2006) 48  Hình 3.5 Mơ hình mạch điện phân tích trở kháng cho cụm siêu âm (Tao 2011) 50  Hình 4.1 Hệ thống sấy siêu âm gián tiếp xây dựng để thí nghiệm 51  Hình 4.2 Lát cà rốt chuẩn bị trước đem vào sấy 53  Hình 4.3 Cân điện tử METTLER TOLEDO, model: RW00-1220-301 sử dụng để cân mẫu sấy 53  Hình 4.4 Đồ thị so sánh tốc độ sấy xử dụng hai phương pháp sấy có khơng có hỗ trợ siêu âm .55  Trang vii Luan van PHỤ LỤC Bản thuyết minh đề tài phê duyệt 73 Luan van Proceedings of The 2nd International Conference on Green Technology and Sustainable Development, 2014 COMPUTATIONAL MODELING AND DESIGN OF A HIGH-INTENSITY ULTRASONIC TRANSDUCER WITH EXTENSIVE RADIATOR FOR FOOD DEHYDRATION Pham Huy Tuan1,a, Nguyen Van Thai Duong1,b, Nguyen Xuan Quang1,c Ho Chi Minh City University of Technology and Education a phtuan@hcmute.edu.vn; bthaiduong_nls88@yahoo.com.vn; cquangnx1976@yahoo.com ABSTRACT Ultrasound-assisted convective drying is a green and sustainable technology that offers an interesting way to improve dehydration rate in agriculture products processing due to a low heating effect, and increase the quality of the preserved food In comparison to other traditional drying technologies, this method has been proven to have the energy savings potential A number of high-power ultrasonic transducers with extensive radiators have been proposed and used to dry heat sensitive materials and high-quality dry products Nevertheless the design methodology for those devices is still a troublesome process and only works with basic geometries In this research, a simple design method for a rectangular plate of stepped profile and stepped amplification horn using a genetic algorithm optimization scheme and finite element analyses is developed The whole structure would be resonated at 20kHz An acoustic analysis with a coupled fluid-structure model is also undertaken to investigate the scattering pressure inside the drying medium Keywords: High-intensity ultrasonic, transducers, coupled fluid-structure analysis, acoustic analysis, genetic algorithm extensional mode Its displacement amplification is about 50% higher than that of the stepped horn INTRODUCTION There is always a huge demand for high displacement amplification and simple ultrasonic transducer for a variety of industrial applications These include the atomizers [1], welding devices [2], wire bonding [3], ultrasonic motor [4], food preparation [5] and so on The traditional structure of an ultrasonic transducer consists of three main parts, the back metal block, the piezoelectric elements and the horn The horn acts as a mechanical amplifier where stepped horn is believed to possess the highest displacement amplification among classic profiles In some industrial applications such as food dehydration, one may expect for devices with large ultrasonic field beside the high vibration amplitude Power ultrasonic transducers with extensive radiators have been developed by Gallego-Juarez and his group for many years [8] The concept of combining a stepped horn vibrated in the extensional mode and an extensive plate resonated in its flexural mode helps them successfully solve the task given by industry However the design for such structures is absolutely a cumbersome process and has not been clearly described in any previous publications This paper aims to present detailed steps with computational modeling and optimization procedure for the design of a high-intensity ultrasonic transducer with extensive radiator for food dehydration Scholars are working endlessly to find new horn profile with higher displacement amplification for their specific applications Wang et al [6] presented a Bezier-profile horn which is a compensation between high displacement magnification of stepped horn and a low stress distribution of Catenoidal horn Iula et al [7] proposed an ultrasonic horn vibrating in flexural mode instead of 234 Luan van Proceedings of The 2nd International Conference on Green Technology and Sustainable Development, 2014 TRANSDUCER AND RADIATOR DESIGN
 = Fig schematically shows a basic structure of an ultrasonic transducer with extensive radiator A Cartesian coordinate system is also shown in the figure A Langevin transducer normally constituted by several piezoelectric disks in a sandwich configuration is used to drive a solid horn This horn which is vibrated in its extensional mode functions as a mechanical amplifier This longitudinal vibration is finally converted into the flexural vibration of an extensive radiator In order to increase the ultrasonic field, it is suggested that the surface area of the radiator plate should be as large as possible A large surface also helps to increase the radiation resistance in fluidic environment This is one of a key requirement to offer for a good impedance matching between the electrical input energy and the ultrasonic output work done   = 2 (1) where  ,  are the velocity of sound propagating inside the material and the vibration frequency, respectively Fig 2(a) denotes some characteristic dimensions of the stepped horn where the ratio of the two diameters , defines the amplification magnitude and the length of each step should be a quarter of the wavelength Other dimensions ( ,  ,  ,  ) are finely adjusted to compensate for the design of the flange L0 λ/4 t2 Back end D2 t1 D t2 D1 λ/4 D t1 Flange (nodal node) Front end (a) Flexural displacement distribution Step horn Transducer Front metal block Piezoelectric disks z t Plate radiator d Flange (nodal node) L Nodal line L1 y α h1 L2 h2 L2 h1 L1 (b) Figure Scheme for the design of stepped horn (a) and stepped plate (b) Longitudinal displacement distribution One of the most difficult tasks is to design the extensive plate which vibrates flexurally in one of its axisymmetrical modes at the same natural frequency of the stepped horn The design of the extensive radiator could be either a flat plate [5] or stepped plate [11] However an extensive flat-plate radiator will show a poor directivity pattern due to counter-phase vibrating surface elements on the two sides of the nodal lines [11] Fig 2(b) shows the profile of a stepped plate which could be designed to vibrate in its flexural mode The purpose of the step (t) on the plate is to prevent the phase cancellation when it is vibrated in its Figure Schematic of a transducer with an extensive radiator The mechanical amplifier could be in any traditional shapes such as exponential, stepped, sinusoidal, conical, catenoidal [9] or new profiles which were recently developed such as Bezier profile [6] or nonrational B-Spline profile [10] Among them, stepped horn provides a simple design process and largest magnification amplitude The total length of a step horn can be calculated as following: 235 Luan van Proceedings of The 2nd International Conference on Green Technology and Sustainable Development, 2014  | −  | flexural modes The thickness of the step should be half a wavelength of the sound propagating in the drying environment Optimization parameters for the stepped plate include thickness (d) and width (w) of the plate, and width (hi), space (Li), and slope (α) of the step where  is an axisymmetrical flexural mode frequency of the stepped plate Detail for this optimization procedure could be found in our previous research [6] In order to obtain accurate frequency and displacement solutions for the ultrasonic transducer, finite element analysis are carried out A commercial finite element program ANSYS is employed to perform the computations The available commercial Langevin transducer is purchased from a local vendor Since the working frequency of the Langevin transducer is a known and fixed parameter, only the plate and the horn are considered in the simulated model In this investigation, mild steel (SS 41) and aluminum alloy (AA 7075-T6) are used for the stepped horn and the stepped plate material, respectively (Table 1) The profile of the stepped plate is found by using an optimization procedure developed and outlined in Fig The non-dominated sorting genetic algorithm is applied to the optimization of the transducer profile The algorithm is suitable for solving constrained multi-objective problems Given working frequency f, L, t, step horn design Setting number of generation N Creating initial population of stepped plates Table Material properties Input each individual into ANSYS Modal analysis Material Selecting best genes for new generation Property AA 7075-T6 Extract the 8th mode frequency of step plate (fo) Nondominated sorting genetic algorithm [12] Objective functions: Min(f-fo) SS 41 i=N (2) No [6] Young’s modulus (GPa) 71.7 Poission’s ration (µ) 0.33 Density (kg/m3) 2810 Velocity of sound (m/s) 5030 Young’s modulus (GPa) 210 Poission’s ratio (µ) 0.3 Yes Characteristic dimensions of stepped plate d, h1 ,h ,L1 ,L2 Figure Flowchart of the optimization procedure Density (kg/m ) 7800 Velocity of sound (m/s) 5188 ANALYSIS and DISCUSSION After using the above optimization algorithm, an optimum design of the transducer is found whose parameters are described in Table In the optimization process as shown in Fig 3, initially the working frequency  and the geometry parameters of the stepped horn are specified An assembly of the horn and an arbitrary profile of the plate is automatically built via Matlab codes The whole structure is then input into a finite element program to run a modal analysis to find the appropriate mode shape The objective function of the optimization problem is Table Optimum design Parameters Value (mm) Parameters Value (mm) L 260.00 h1 46.15 w 125.00 h2 52.00 d 17.82 L1 17.55 t 5.44 L2 40.30 236 Luan van Proceedings of The 2nd International Conference on Green Technology and Sustainable Development, 2014 As mention in previous section, the stepped plate will show a better directivity pattern than that of the flat-plate Besides that, this research also makes a comparison of the amplitude distribution between them (Fig 4) With the same dimensions, mode shape and external vibration input, a stepped plate also inherits larger vibration amplitude as can be seen in Fig 4(a) and Fig 4(c) Mode Mode Mode 6 Mode Displacement (µm) Mode 10 Flat plate Figure Axisymmetrical flexural mode shapes Fig illustrates the first axisymmetrical flexural mode shapes of the plate The mode shape of the stepped plate chosen in this design is mode which shows a better symmetry to the plate axis Individual natural frequencies of these modes are shown in Table Here we can see that the natural frequency of the stepped plate in mode is 19.2 kHz while the whole structure will be resonated at 20kHz −13 −10 −5 Distance from center (cm) 10 13 (a) (b) Table Natural frequencies of different mode shape for step plate Displacement (µm) Step plate Mode Natural frequency (Hz) 1,090 7,260 10,010 19,200 10 27,750 −13 −10 −5 10 13 The performance of the whole structure depends on the combination resonance involving contributions from the horn and the plate A three-dimensional finite element model is built for a modal analysis The finite element model has 147,425 eight-node elements The natural frequency found is 19,987 Hz Fig shows the displacement distribution of the transducer It can be seen that the displacement of the stepped horn along its axis is almost uniform It proves that the horn is vibrated Distance from center (cm) (c) (d) Figure Comparison of amplitude distribution between flat plate (a,b) and step plate (c,d) 237 Luan van Proceedings of The 2nd International Conference on Green Technology and Sustainable Development, 2014 in its extensional mode On the other hand, the flexural vibration of the stepped plate is obviously shown in this figure as well Figure Air pressure distribution Figure Horn and plate simulation Finally, in order to investigate the acoustic field generated by this transducer, a coupled fluid–structure analysis is undertaken The schematic mesh of the problem is shown in Fig The stepped plate is enveloped inside a fluid medium (air) which is constructed by a half circle of radius, r = 140mm, from the center of the plate The infinite acoustic elements (FLUID129) used along the circular boundary can absorb the pressure waves which simulates the outgoing effects of a domain that extends to infinity beyond the acoustic field modeled by finites elements of FLUID29 A 2D four-node structural element (Plane182) is used for the plate Under a high frequency working condition, failure due to concentrated stress is always a considerable concern Von-Mises stress is also analyzed through-out the structure where highest stress 170.28 MPa is found at the connection between the horn and the plate (Fig 7) However this value is still in the safety range for the materials used The primary goal of this analysis is to model acoustic field and hence to evaluate the uniform distribution of the air pressure above the plate It can be seen in Fig that the air pressure distribution is comparatively uniform which would be an important criteria for the dehydration of agriculture products in drying application Figure Von-Mises stress distribution CONCLUSION This research has presented an effective method for the design of an ultrasonic transducer with extensive radiator The radiator is resonated in flexural mode that is activated by an extensional vibration from a solid stepped horn An acoustic analysis has proven that the optimum design could also provide a uniform air pressure in the working environment This criterion would be a key requirement to enhance the dehydration efficiency while working with Figure Finite element mesh of scattering pressure problem 238 Luan van Proceedings of The 2nd International Conference on Green Technology and Sustainable Development, 2014 the physical prototype In the next phase of this research, a prototype of the design will be fabricated and experiment will be done to evaluate for the drying efficiency of the transducer ACKNOWLEDGEMENTS The authors are thankful for the financial support from the Research Management and International Relations Office of Ho Chi Minh City University of Technology and Education for this research REFERENCES [1] Perron R.R., The design and application of a reliable ultrasonic atomizer, IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, SU-14, pp 149–153, 1967 [2] Parrini L., Design of advanced ultrasonic transducers for welding devices, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 48, pp 1632–1639, 2001 [3] Or S.W., et al., Dynamics of an ultrasonic transducer used for wire bonding, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 45, pp 1453–1460, 1998 [4] Hu J., et al., An analysis of a noncontact ultrasonic motor with an ultrasonically levitated rotor, Ultrasonics, 35, pp 459–467, 1997 [5] Fuente-Blanco, S de la, et al., Food drying process by power ultrasound, Ultrasonics, 44, pp e523-e527, 2006 [6] Wang D.A., Chuang W.Y., Hsu K., Pham H.T., Design of a Bézier-profile horn for high displacement amplification, Ultrasonics, 51, pp 148-156, 2011 [7] Iula, A., et al., A high displacement ultrasonic actuator based on a flexural mechanical amplifier, Sensors and Actuators A, 125, pp 118–123, 2006 [8] Gallego-Juárez, J.A., High power ultrasonic transducers, Sonochemistry and Sonoluminescence, 524, pp 259–270, 1999 [9] Abramov O.V., High-intensity ultrasonics: Theory and industrial applications, Gordon and Breach Science Publishers, The Netherlands, 1998 [10] Huu-Tu Nguyen, et al., A nonrational B-spline profiled horn with high displacement amplification for ultrasonic welding, Ultrasonics, 54 , pp 2063–2071, 2014 [11] Gallego-Juarez J.A., et al., Power ultrasonic transducers with extensive radiators for industrial processing, Ultrasonics Sonochemistry, 17, pp 953-964, 2010 [12] Chee Keong Ng, et al., Experimental study of micro- and nano-scale cutting of aluminum 7075-T6, Int J of Machine Tools and Manufacture, 46, pp 929–936, 2006 239 Luan van TRUONG B~I HQC BAcH KHOA HA NQr T~p CHi KHOA HQC & CONG NGH:E: CONG oA xA HOI CHU NGHIA VI:E:TNAM Dt)c I~p - Tl}'do - Hanh phuc Ha N(Ji, 08 thang 12 nam 2015 GIAy CHUNG NHAN TONG BIEN TAP TN' CHi KHOA Joc ~A CONG NGHE Chung nhan bai bao: Thi~t k~ ch~ teo thi~t bi phat song sieu am t~1Ptrung cho (mg dt,mg s§y thirc ph~m I Priem Huy Tuen!', Nguyen Xuan Quang1,2, Nguyen Nqoc Phironq', Tnronq fJgi hoc SU' Phgm K.9 Th~~[ Tp H6 Chi Minh Truong fJgi boc Nang Lam Tp Ha Chi Minh Dff diroc phan bien va du kien x~p dang vao sf,: 110 cua Tap chi Khoa h9C va C6ng nghe, l1S Nguy~n Van Quy Luan van Journal of Science and Technology Thiết kế chế tạo thiết bị phát sóng siêu âm tập trung cho ứng dụng sấy thực phẩm Design and Fabrication of a High-Intensity Ultrasonic Transducer for Food Dehydration Phạm Huy Tuân1,*, Nguyễn Xuân Quang1,2, Nguyễn Ngọc Phương1 Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, Việt Nam Trường Đại học Nông Lâm TP.HCM, Việt Nam Tóm tắt Thiết bị phát sóng siêu âm có biên độ dao độnglớn trường phát xạ rộng nhận quan tâm nhiều ngành sản xuất công nghiệp Trong ứng dụng sấy nông sản thực phẩm, nhiều thiết bị phát sóng siêu âm mở rộng công suất cao sử dụng để sấy loại vật liệu có giá trị cao tương đối nhạy cảm với nhiệt độ Tuy nhiên phương pháp thiết kế cho loại thiết bị phức tạp chưa công bố rộng rãi Bài báo giới thiệu bước tính tốn cho thiết bị phát sóng siêu âm dạng bậc dốc sử dụng công cụ phần tử hữu hạn kết hợp giải toán tối ưu dùng giải thuật di truyền.Dựa kết tính tốn, mơ hình thật chế tạo đưa vào thí nghiệm để sấy cà rốt Kết thí nghiệm cho thấy mẻ sấy có sử dụng lượng siêu âm phát từ thiết bị chế tạo có thời gian sấy giảm so với sấy truyền thống Từ khóa: bậc dốc, sóng siêu âm tập trung, thiết bị chuyển đổi siêu âm, thiết bị phát xạ mở rộng Abstract Ultrasonic transducer with high vibration amplitude and large ultrasonic field has drawn considerable attention from various industries In the field of food dehydration, a number of high-power ultrasonic transducers with extensive radiators have been proposed and used to dry heat sensitive materials and high-quality dry products Nevertheless the design methodology for those devices is still a troublesome process and have not been widely published In this research, an effective design method of a new istepped plate ultrasonic transducer was developed by using a genetic algorithm optimization scheme and finite element analyses Based on the optimum designs, prototypes of the transducer were fabricated by a numerical control machining process The effect of the ultrasonic field generated by the proposed design was investigated via a drying experiment of carrots which showed a considerable reduction in the drying time compared to the traditional method Keywords: i-stepped plate, high-intensity ultrasonic, transducers, extensive radiator Giới thiệu1 Một số nghiên cứu gần tập trung tìm kiếm biên dạng ống sóng với mục tiêu tạo độ khuếch đại dao động ngày cao Nhóm tác giả Wang [6] vừa cơng bố thiết kế ống sóng có biên dạng đường cong Bezier vốn kết hợp khả tạo dao động lớn biên dạng ống sóng bậc khả phân tán ứng xuất tập trung biên dạng Catenoidal Iula [7] đề xuất ống sóng dao động dạng uốn thay dạng giãn dài vốn nguyên lý hoạt động biên dạng truyền thống Khả khuếch đại dao động thiết kế chứng minh lớn 50% so với ống sóng biên dạng bậc dao động giãn dài Nhu cầu sử dụng thiết bị phát sóng siêu âm hỗ trợ q trình sản xuất cơng nghiệp ngày gia tăng năm gần Những ứng dụng bao gồm thiết bị phun sương [1], thiết bị hàn [2], thiết bị nối dây [3], động siêu âm [4], ứng dụng chế biến thực phẩm [5] Kết cấu truyền thống thiết bị phát sóng siêu âm gồm ba phần chính: khối đế kim loại, phần tử áp điện (PZT)và thiết bị khuếch đại sóng gọi ống sóng Trong tất biên dạng ống sóng truyền thốngdao động dạng giãn dài, ống sóng dạng bậc xem có hiệu khuếch đại dao động lớn Trong số q trình sản xuất sấy nơng sản thực phẩm, nhà cơng nghiệp cần thiết bị có khả tạo trường sóng siêu âm lớn bên cạnh biên độ dao động cao Thiết bị tạo sóng siêu âm công suất cao với bề măt phát xạ rộng Gallego * Corresponding author: Tel.: (+84)-8-37220594 Email: phtuan@hcmute.edu.vn Luan van Journal of Science and Technology đồng nghiệp nghiên cứu từ nhiều năm [8] Ý tưởng họ kết hợp ống sóng bậc dao động dạng giãn dài với phát xạ dao động dạng uốn giúp nhóm giải toán đặt Trong thiết kế họ, biên dạng bậc sử dụng chủ yếu Tuy nhiên, vị trí tạo bậc lại nơi tập trung ứng suất lớn thường dễ bị phá hủy mỏi vị trí Giải pháp nhóm sử dụng vật liệu hợp kim có độ bền cao Dao động truyền tiếp từ ống sóng sang phát xạ Tấm phát xạ có tác dụng mở rộng diện tích phát sóng siêu âm khuếch đại thêm dao động sóng âm để đáp ứng yêu cầu sấy Tấm dao động giúp làm tăng trở kháng âm môi trường lưu chất [9] Đây yêu cầu để đảm bảo khả phối hợp trở kháng điện cụm thiết bị điện tử cơng suất với cụm thiết bị phát sóng học Tấm có dạng dao động uốn ngang Các chi tiết cụm thiết bị kết nối với thông qua mối ghép ren Bài báo đề xuất sử dụng bậc dốc để tạo trường sóng siêu âm rộng giúp phân tán ứng suất tập trung Thiết kế toàn thiết bị với mục tiêu ứng dụng vào trình sấy tính tốn mơ máy tính kết hợp với giải toán thiết kế tối ưu Một mơ hình thật chế tạo để kiểm chứng hiệu trường sóng siêu âm kết hợp với q trình sấy nóng đối lưu cho ngun liệu cà rốt Thiết bị khuếch đại sóng ống sóng chi tiết có biên dạng truyền thống biên dạng hàm mũ, dạng bậc, dạng hình sin, hình nón, biên dạng catenoidal [10] biên dạng phát triển gần biên dạng Bezier [6] hay BSpline [11] Tuy nhiên, ống sóngbiên dạng bậc dễ chế tạo có hệ số khuếch đại dao động lớn biên dạng khác có kích thước Đây u cầu việc tính tốn chi tiết khuếch đại dao động ứng dụng sấy Chiều dài ống sóng dạng bậc tính theo cơng thức: Tính tốn thiết bị phát sóng siêu âm Trong thiết kế thiết bị công nghệ siêu âm, nhiệm vụ khó khăn tạo lượng siêu âm môi trường lưu chất Đây mơi trường có trở kháng âm thấp khả hấp thụ âm cao [8] Do cần thiết kế tích hợp thêm phát xạ vào thiết bị tạo sóng siêu âm để giúp tăng hiệu trình truyền âm Hình giới thiệu sơ đồ nguyên lý cụm thiết bị phát sóng siêu âm ứng dụng sấy Các đĩa tinh thể áp điện đặt điện trường dao động dọc trục theo nguyên lý “từ gião” Dao động truyền nguyên dạng qua khối kim loại mặt trước đến chi tiết khuếch đại sóng dạng ống sóng có bậc Ống sóng chi tiết trung gian nối chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin với phát xạ có tác dụng khuếch đại dao động lên nhiều lần Các chi tiết cụm chuyển đổi siêu âm ống sóng dạng bậc có dạng dao động giãn dài dọc theo trục y với , , vận tốc truyền âm vật liệu, bước sóng tần số dao động thiết bị L0 λ/4 18 mm mm 50 mm Ống sóng dạng bậc Bích nối Bộ chuyển đổi dao động Langevin Đĩa PZT (a) L h1 L2 h2 L2 h1 L1 w Bộ chuyển đổi d Khối kim loại đỡ mm Bulong Phân bố chuyển vị dạng uốn ngang Bích nối 61 mm D1 D2 λ/4 L1 Ống sóng bậc (1) t α Đĩa tinh thể áp điện z Đường nút (b) Tấm phát xạ y Hình 2.Các thơng số thiết kế ống sóng bậc (a) phát xạ dạng bậc dốc (b) Hình 2(a) mơ tả thơng số hình học cho thiết kế ống sóng bậc với kích thước D1 , D2 đường kính bậc Tỷ số hai đường kính định hệ số khuếch đại cho biên độ dao động sóng âm truyền qua Phân bố chuyển vị dọc trục Hình Sơ đồ nguyên lý cụm thiết bị phát sóng siêu âm ứng dụng sấy Luan van Journal of Science and Technology Bảng Thông số vật liệu Một nhiệm vụ khó khăn việc thiết kế thiết bị phát sóng siêu âm hỗ trợ q trình sấy đối lưu tính tốn thiết kế cho phát xạ Việc thiết kế có dạng phẳng [5] dạng bậc [9] Tuy nhiên, theo Gallego [9] phát xạ dạng phẳng tạo sóng dao động có khuynh hướng lệch pha ngăn cách đường nút Từ làm suy giảm hiệu lượng siêu âm ứng dụng tách ẩm sản phẩm Thiết kế dạng bậc giúp cải thiện khuyết điểm phần vật liệu bổ sung thêm có chiều dày (t) khoảng phát sóng ngang cho phần sóng truyền vào lưu chất bị làm cho lệch pha nửa bước sóng truyền mơi trường Hình 2(b) biểu diễn thơng số kích thước cần tính tốn cho phát xạ dạngbậc dốc Vật liệu AA 7075-T6 SS 41 Giá trị Modun đàn hồi (GPa) Hệ số Poisson (µ) Khối lượng riêng (kg/m3) Vận tốc truyền âm (m/s) Modun đàn hồi (GPa) Hệ số Poisson (µ) Khối lượng riêng (kg/m3) Vận tốc truyền âm (m/s) 71.7 0.33 2810 5030 210 0.3 7800 5188 Ngoài vấn đề phối hợp tần số dao động trở kháng khâu để đảm bảo hoạt động đồng hệ thống, cơng suất hệ thống phát sóng siêu âm yếu tố quan trọng thiết kế hệ thống cho ứng dụng sấy với kích thước buồng sấy khối lượng vật sấy cho trước Trong đó, cường độ cơng suất phát sóng siêu âm lượng cao dùng công nghiệp thường phải lớn 10 (W/cm2) [12] xác định theo cơng thức UI  P S (2) Trong đó, UI, P, S cường độ công suất sóng siêu âm (W/cm2), cơng suất nguồn phát sóng siêu âm diện tích phát xạ (cm2) Trong phạm vi nghiên cứu chọn S=325 cm2, P=3500 W Tối ưu thiết bị phát sóng siêu âm dạng bậc dốc 3.1 Xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn Để đạt kết xác cho tần số biên độ dao động toàn hệ, việc sử dụng cơng cụ tính tốn số cần thiết Một mơ hình phần tử hữu hạn xây dựng Hình bao gồm phần tử phát dao động tinh thể áp điện, thiết bị phát sóng dọc dạng ống sóng bậc bậc dốc tạo dao động dạng uốn Hình Lưu đồ toán tối ưu dùng giải thuật di truyền Q trình tính tốn cho bậc tương đối phức tạp thường phải sử dụng cơng cụ phân tích phần tử hữu hạn kết hợp với mơ hình tính tốn tối ưu Thiết kế nghiên cứu sử dụng thuật toán giải thuật di truyền dùng trước thiết kế cho ống sóng có biên bạng Bezier [6] trình bày chi tiết Hình Các biến thiết kế thơng số Hình 2(b) hàm mục tiêu tần số dao động riêng toàn hệ phải tần số làm việc f=20kHz Trong q trình thiết kế vật liệu nhơm AA 7075-T6 thép SS41 dùng cho bậc ống sóng bậc Bảng Luan van Journal of Science and Technology Hình Mơ hình chia lưới 3D phần tử hữa hạn thể thấy rõ bậc có biên độ dao động phần tử bề mặt cao nhiều so với phẳng 3.2 Kết tối ưu Trong trình thiết kế, thiết bị ống sóng bậc thiết kế với thông số cho Bảng Thiết bị chuyển đổi siêu âm kiểu Langevin mua từ nhà cung cấp với tần số làm việc 20kHz Biên độ dao động (μm) Bảng Các thông số thiết kế tối ưu cho ống sóng bậc Thơng số L0 Giá trị (mm) 130.7 Thông số D1 Giá trị (mm) 54.1 D2 31.5 Tấm phẳng Tấm bậc Việc sử dụng phát xạ dao động nhằm làm tăng diện tích làm việc dao động dạng uốn Về nguyên tắc sử dụng dạng dao động (mode)uốn nào.Tuy nhiên, kiểm tra sơ nhóm nghiên cứu đề xuất sử dụng mode Hình có dạng dao động tương đối đối xứng −13 −10 −5 Khoảng cách từ tâm (cm) 10 13 (a) Mode (b) Mode (c) Hình Phân bố dao động phẳng bậc Mode Mode Mode 10 Hình Các dạng dao động uốn bậc dốc Q trình tính tốn tối ưu kết hợp với cơng cụ mơ số cho thiết kế sau bậc Bảng Hình Kết phân tích dao động ANSYS Bảng Các thơng số thiết kế tối ưu cho bậc dốc Thông số L w d t  Giá trị (mm) 260.00 Thông số h1 Giá trị (mm) 46.15 125.00 17.82 5.44 290 h2 L1 L2 52.00 17.55 40.30 Để kiểm chứng hoạt động đồng toàn thiết bị, kết phân tích dao động 3D Hình cho thấy rõ ống sóng bậc có dạng dao động giãn dài bậc dốc có dao động dạng uốn Chế tạo thử nghiệm Trên sở kết tính tốn tối ưu, mơ hình thật gia cơng máy CNC lắp ráp Hình Trong tất ứng dụng cơng nghiệp cho thiết bị phát sóng siêu âm, biên độ dao động sóng phát cao tốt Do để kiểm chứng thêm hiệu thiết kế bậc so với phẳng, phân tích dao động cho hai thiết bị có kích thước tương đương trình bày Hình Có Việc ứng dụng lượng siêu âm sấy thực phẩm nghiên cứu nhiều năm qua [13-15] Trong thiết bị sấy đối lưu có hỗ trợ sóng siêu âm, thường hiệu luồng khí nóng gia tăng thêm nhờ nguồn âm tập trung bước sóng tần số siêu âm Hầu hết nghiên cứu tập trung tìm hiểu chế Luan van ... 2012-2014(B) : ? ?Nghiên cứu ứng dụng sóng siêu âm sấy chất lượng cao sản phẩm nông sản quy mô công nghiệp? ?? — Điểm : 8.8 (Tám tám) 5.3 Sản phẩm ứng dụng — Sản phẩm ứng dụng mơ hình hệ thống sấy đối lưu... MÁY BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU, THỬ NGHIỆM THIẾT BỊ PHÁT SÓNG SIÊU ÂM ỨNG DỤNG TRONG SẤY SẢN PHẨM NÔNG NGHIỆP Mã số: T2015-08TĐ Chủ nhiệm đề tài: TS Phạm Huy... 27 tháng năm 2016 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu, thử nghiệm thiết bị phát sóng siêu âm ứng dụng sấy sản phẩm nông nghiệp - Mã số: T2015-08TĐ - Chủ nhiệm: