Thiết kế chế tạo thiết bị thí nghiệm do đặc tính rung động của đầu rung siêu âm

Đồng thời, trong các công bố khoa học liên quan, có đề cập tới vấn đề đo nhưng không rõ ràng, Việc đo và hiển thị được biên độ rung động thời gian thực của đầu rung siêu âm có ý nghĩa qu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

******&******

TRẦN HOÀI NAM

THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM ĐO ĐẶC TÍNH

RUNG ĐỘNG CỦA ĐẦU RUNG SIÊU ÂM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Thái Nguyên - Năm 2021

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

******&******

TRẦN HOÀI NAM

THIẾT KẾ CHẾ TẠO THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM ĐO ĐẶC TÍNH

RUNG ĐỘNG CỦA ĐẦU RUNG SIÊU ÂM

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Trần Hoài Nam

Học viên: Lớp Cao học K20

Tên luận văn: Thiết kế chế tạo thiết bị thí nghiệm đo đặc tính rung động của đầu

rung siêu âm

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí

Mã số:

Tôi xin cam đoan, các nội dung và kết quả của Luận văn này do chính tôi thực hiện

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2021

Người cam đoan

Trần Hoài Nam

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện luận văn, em đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ từ phía nhà trường, các thầy/cô giáo trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên

Em xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, phòng Đào tạo, các thầy cô giáo tham gia giảng dạy đã tạo điều kiện cho em hoàn thành chương trình học

Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo PGS.TS Ngô Như Khoa

đã định hướng và truyền đạt kiến thức để em có thể hoàn thành được luận văn này Mặc dù đã rất cố gắng những với kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên chắc chắn luận văn của em còn nhiều thiếu sót, em kính mong quý thầy cô, đồng nghiệp và những người quan tâm đóng góp để em tiếp tục bổ trợ thêm kiến thức và ứng dụng lĩnh vực rung siêu âm này vào thực tế Em xin trân trọng cảm ơn!

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

…… ………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN iii

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Hệ thống đầu rung siêu âm trong công nghệ hàn 1

1.3 Mục tiêu của nghiên cứu 4

1.4 Kết cấu luận văn 5

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ RUNG ĐỘNG SIÊU ÂM 6

2.1 Giới thiệu 6

2.2 Giới thiệu về rung siêu âm 6

2.2.1 Các phương pháp tạo rung động siêu âm 6

2.2.2 Nguyên tắc truyền rung động siêu âm 8

2.3 Cấu tạo của hệ thống rung siêu âm 10

2.3.1 Nguồn phát siêu âm 10

2.3.2 Đầu phát rung siêu âm 11

2.3.3 Bộ phận khuếch đại biên độ rung ( Booster) và công tác (Horn) 18

2.4 Ứng dụng rung động siêu âm trong gia công cơ và hàn siêu âm 22

2.4.1 Ứng dụng rung siêu âm trong gia công cơ 22

2.4.2 Hàn siêu âm (Ultrasonic welding-UW) 24

2.5 Các thông số kỹ thuật đặc trưng cho rung siêu âm 29

2.5.1 Tần số cộng hưởng và các phương pháp xác định 29

2.6 Kết luận 37

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MỘT SỐ THÔNG SỐ CỦA ĐẦU RUNG SIÊU ÂM 39

3.1 Giới thiệu 39

3.2 Đặc tính kỹ thuật của các thiết bị sử dụng 39

3.2.1 Transducer và Booster 39

3.2.2 Máy hiện sóng số 40

3.2.4 Máy khuếch đại siêu âm Piezo Amplifier EPA-102 43

3.2.5 Sensor đo dịch chuyển 43

3.2.6 Máy phát nguồn siêu âm 44

3.2.7 Thiết bị thu thập dữ liệu DAQ 45

3.3 Thiết lập các thí nghiệm đo 45

3.3.1 Cơ sở của thí nghiệm đo tần số cộng hưởng 45

3.3.2 Thiết lập thí nghiệm đo biên độ rung siêu âm 46

3.4 Kết luận 48

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các thành phần chính của hệ thống hàn nhựa hay 2

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý truyền rung động (sóng) siêu âm trong cắt kim loại siêu âm 3

Hình 1.3 Các thành phần chính của đầu rung siêu âm 4

Hình 2.1 Các ngưỡng tần số rung động Error! Bookmark not defined. Hình 2.2 Mạch từ giảo tạo rung siêu âm 7

Hình 2.3 Ảnh hưởng của từ trường biến đổi đến cấu trúc vật liệu 8

Hình 2.4 Hiệu ứng áp điện 8

Hình 2.5 Cơ cấu rung: (a) PZT dạng màng mỏng; (b) PZT dạng Sandwich 8

Hình 2.6 Mô hình liên kết phân tử 9

Hình 2.7 Hình dạng một số mode truyền sóng 9

Hình 2.8 Hệ thống rung siêu âm 10

Hình 2.9 Máy phát điện siêu âm MPI WG3000W 11

Hình 2.10 Cấu trúc đầu phát rung siêu âm kiểu Langevin 12

Hình 2.11 Các dạng kết cấu UT: (a) Dạng đủ một chiều dài bước sóng; (b) Dạng chiều dài 3 nửa bước sóng; (c) Dạng chiều dài nửa bước sóng, bu lông kẹp ngoài 13 Hình 2.12 UT kiểu Langevin kẹp bu-long với hai tấm áp điện 13

Hình 2.13.Mô hình cơ biểu diễn khối lượng tương đương (equivalent mass) 14

Hình 2.14 Đáp ứng cơ - điện của UT 15

Hình 2.15 Cộng hưởng trên mạch nối tiếp 15

Hình 2.16 Cộng hưởng trên mạch song song 16

Hình 2.17 Mạch điện đo tần số cộng hưởng 18

Hình 2.18 Đầu khuếch đại biên độ: 20

Hình 2.19 Đầu khuếch đại biên độ dạng trụ bậc 21

Hình 2.20 Một số mô hình gia công có rung động siêu âm trợ giúp 24

Hình 2.21 Sơ đồ hệ thống hàn siêu âm 25

Hình 2.22 Vùng tần số làm việc của đầu rung 30

Hình 2.23 Sơ đồ mạch vòng đo tổng trở 30

Hình 2.24 Phương pháp I – V 31

Hình 2.25 Sơ đồ mạch cầu tự cân bằng đo tổng trở 32

Hình 2.26 Thiết bị phân tích tổng trở và tần số cộng hưởng TRZ 32

Hình 2.27 Sơ đồ nguyên lý đo biên độ bằng kính hiển vi 34

Hình 2.28 Hệ thống đo Laser vibrometer 34

Hình 2.29 Sơ đồ cảm biến đo biên độ rung siêu âm 35

Hình 2.30 Hệ thống đo gia tốc kế 36

Hình 2.31 Sơ đồ đo biên độ rung của Cong (a) và Emmer(b) 36

Hình 2.32 Sơ đồ mạch đo biên độ kiểu tiếp xúc 37

Hình 3.1 Đầu rung siêu âm và bộ khuếch đại 39

Hình 3.2 Máy hiện sóng số Protek 5100 40

Hình 3.3 Máy hiện sóng Rigol DS 1104Z 41

Hình 3.4 Máy phát xung Rigol DG2041A 42

Hình 3.5 Máy khuếch đại siêu âm Piezo Amplifier EPA-102 43

Hình 3.6 Cảm biến dịch chuyển RC-19 44

Hình 3.7 Máy phát nguồn siêu âm 44

Hình 3.8 Thiết bị thu thập dữ liệu DAQ 45

Hình 3.9 Sơ đồ xác định tổng trở và tần số cộng hưởng của đầu rung 46

Hình 3.10 Đồ gá 46

Hình 3.11 Thiết lập hệ thống thí nghiệm đo biên độ của đầu rung siêu âm 47

Hình 3.12 Gá đặt đầu cảm biến dịch chuyển 48

Hình 3.13 Tín hiệu điện áp trước và sau khi sử dụng phương pháp lọc nhiễu 49

Hình 3.14 Kết quả đo trước và sau lọc nhiễu 49

Hình 3.15 Quan hệ điện áp và thời gian 49

Hình 3.16 Mối quan hệ giữa Tần số cộng hưởng và Biên độ (Đoạn 1-2) 50

Hình 3.17 Mối quan hệ giữa Tần số cộng hưởng và Biên độ (Đoạn 3-4) 50

Hình 3.18 Mối quan hệ giữa Tần số cộng hưởng và Biên độ (Đoạn 5-6) 50

Hình 3.19 Mối quan hệ giữa Tần số cộng hưởng và Biên độ (Đoạn 7-8) 51

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Bảng so sánh tần số cộng hưởng của mạch mắc nối tiếp và song song 17

Bảng 2.2 Ưu điểm, nhược điểm của một số UH thông dụng 20

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của đầu rung siêu âm 39

Bảng 3.2 Đặc tính của bộ khuếch đại 40

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật của máy phát xung Rigol DG2041A 42

Bảng 3.4 Tổng hợp tần số cộng hưởng và biên bộ rung động 51

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1.1 Giới thiệu

Rung động siêu âm là một loại rung động có tần số cao hơn mức con người có thể nghe được, tức là trên 20 kHz Các ứng dụng khai thác rung động siêu âm được chia thành hai nhóm lớn: nhóm siêu âm có biên độ nhỏ, tần số cao và nhóm siêu âm

có biên độ cao, tần số thấp Siêu âm biên độ nhỏ thường có mật độ tập trung năng lượng trong khoảng từ 0,1 đến 1 W/cm2, tần số thường cỡ vài MHz trở lên Loại siêu âm này thường được ứng dụng trong soi chụp trong y học, thăm dò kiểm tra khuyết tật không phá hủy Đã có nhiều công trình nghiên cứu trong nước về lĩnh vực này, chẳng hạn nghiên cứu [1] trong Y học, nghiên cứu dò tìm hải sản bằng siêu âm [2], đánh giá độ đồng nhất của bê tông trong xây dựng [3] Rung động siêu

âm biên độ cao thường được ứng dụng trong sản xuất công nghiệp, nhằm làm thay đổi vĩnh viễn tính chất vật lý, hóa học hoặc sinh học của đối tượng được tác dụng Cường độ công suất thường từ vài chục đến vài trăm W hoặc vài kW, tần số từ 20 đến vài trăm kHz, thậm chí đến MHz như trong tẩy rửa và xử lý hóa học Trong những năm gần đây, rung động siêu âm được sử dụng ngày càng phổ biến trong nhiều ngành sản xuất công nghiệp, chẳng hạn: Gia công cắt gọt cơ khí; tẩy rửa siêu âm; hàn siêu âm; bôi trơn, giảm ma sát; sản xuất ô tô; chế biến thực phẩm Kỹ thuật rung động siêu âm trợ giúp quá trình gia công cắt gọt đã cho thấy nhiều ưu điểm nổi trội, chẳng hạn: giảm lực cắt, nâng cao tuổi bền dụng cụ, cải thiện chất lượng bề mặt gia công, cắt được nhiều loại vật liệu khó gia công (thép sau nhiệt luyện, thép không gỉ, hợp kim độ bền cao…), giảm thiểu sử dụng dung dịch trơn nguội…[4] Mặc dù công nghệ này đã được quan tâm từ những năm 1920 [5] và hiện đang thu hút nhiều nghiên cứu hoàn thiện và phát triển, nhưng cho đến nay hầu như chưa có tài liệu tiếng Việt nào được công bố trong lĩnh vực này Đây vừa là khó khăn, đồng thời vừa là động lực thúc đẩy tác giả thực hiện nghiên cứu này

1.2 Hệ thống đầu rung siêu âm trong công nghệ hàn

Hiện nay, trên thế giới các công nghệ cắt kim loại và hàn siêu âm nói riêng, gia công cơ nói chung có sử dụng rung động cơ học ở dải tần từ 12 kHz đến khoảng 70kHz để hàn nhựa và cắt kim loại là tương đối phổ biến Các thành phần chính của

hệ thống này được minh họa trên Hình 1.1 Bộ nguồn siêu âm (Power supply) tạo ra

UT) hay còn gọi là bộ chuyển đổi điện-cơ siêu âm để tạo ra dao động siêu âm, dao

động này có thể đƣợc khuếch đại về biên độ thông qua các bộ khuyếch đại

(Booster) và đầu công tác (Horn/ Sonotrode - UH) nhƣ Hình 1.2 Rung động (sóng

cơ học) này sẽ làm chảy vật liệu và trộn các phần tử vật liệu nóng chảy của vật liệu

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý truyền rung động (sóng) siêu âm trong cắt kim loại

siêu âm [6]

Trên thực tế sản xuất đã chỉ ra rằng, đầu rung siêu âm có tuổi bền, tuổi thọ khá hạn chế do điều kiện làm việc và đặc tính rão của vật liệu trong chế độ biến dạng đàn hồi liên tục, theo chu kỳ Trong khi đó, hiểu biết sâu sắc về tính toán, thiết kế và phân tích chúng còn nhiều hạn chế do tính phức tạp về vật liệu tổ hợp, điều kiện biên liên kết và đặc biệt tải trọng cơ, nhiệt là rất phức tạp Chính vì lý do đó, đã có nhiều nhà nghiên cứu, nhiều hãng sản xuất đã tiến hành nghiên cứu về vấn đề này một cách độc lập, tuy nhiên các công bố lại khá hạn chế so với sự phát triển và mức

độ ứng dụng rộng rãi của hệ thống công nghệ này trên thế giới hiện nay Mô hình

hóa đầu rung siêu âm (Hình 1.3) trợ giúp gia công cơ là vấn đề cốt lõi phục vụ thiết

kế hệ thống và các thành phần của nó Hiện nay ở nước ta, một số đầu rung siêu âm

đã được ứng dụng trong các thiết bị hàn và rửa siêu âm Các ứng dụng rung động

siêu âm trong quá trình gia công cắt gọt kim loại, vật liệu dẻo (tiện, phay, khoan, mài…) hầu như chưa có Việc phát triển nghiên cứu, khai thác ứng dụng kỹ thuật

gia công mới này là một hướng rất cần thiết Hơn nữa, các đầu rung siêu âm hiện đang sử dụng trong nghiên cứu, thực nghiệm hoàn toàn là nhập từ nước ngoài Giá thành đắt, khó khăn trong việc đặt hàng và kém tính linh hoạt khi muốn thay đổi

thông số trong quá trình thực nghiệm Vì vậy, việc chủ động trong công nghệ thiết

kế, chế tạo và đánh giá các đầu rung siêu âm là rất cấp thiết

Hình 1.3 Các thành phần chính của đầu rung siêu âm [6]

1.3 Mục tiêu của nghiên cứu

Mục tiêu của nghiên cứu này thiết kế một quy trình thí nghiệm đo một số thông số quan trọng cho một thiết bị rung siêu âm thực, đồng thời chế tạo một số thiết bị hỗ trợ quá trình đo

1.4 Tính cấp thiết của luận văn

Mục đích chính của nghiên cứu này là đo biên độ rung động của đầu rung siêu

âm Đây là dịch chuyển cơ rất nhỏ (5-20 mm) ở tốc độ cực cao (tần số rung động của thiết bị từ 20 - 40 kHz) Theo hiểu biết của nhóm tác giả, ở Việt Nam hiện chưa tiến hành thiết lập hệ đo nào đối với các đầu rung siêu âm này Đồng thời, trong các công bố khoa học liên quan, có đề cập tới vấn đề đo nhưng không rõ ràng, Việc đo

và hiển thị được biên độ rung động thời gian thực của đầu rung siêu âm có ý nghĩa quan trọng đối với những nghiên cứu về mô hình hóa, mô phỏng, thiết kế cũng như kiểm nghiệm chế tạo đối với đầu rung siêu âm (từ khối tạo rung động chuyển đổi từ tín hiệu điện sang rung động cơ, đến khối khuếch đại biên độ rung động cơ và đầu công tác…)

Hơn nữa, các đầu rung siêu âm hiện đang sử dụng trong nghiên cứu, thực nghiệm hoàn toàn là nhập từ nước ngoài Giá thành đắt, khó khăn trong việc đặt hàng và kém tính linh hoạt khi muốn thay đổi thông số trong quá trình thực nghiệm

Trên thực tế, các phép đo thực nghiệm này không được công bố một cách rõ ràng,

và nhà sản xuất cũng không công bố phương pháp đo để xác định các thông số quan trọng mà chỉ đưa ra các giá trị của chúng Vì vậy, việc chủ động trong công nghệ thiết kế, chế tạo và đánh giá các đầu rung siêu âm là rất cấp thiết Do đó, việc đo lường các thông số này có ý nghĩa đối với việc kiểm tra thực nghiệm các thiết kế

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

1.5.1 Ý nghĩa khoa học

- Kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng tham khảo cho các nghiên cứu động lực học nói chung và các bài toán về tính toán, thiết kế các hệ thống

1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn

- Kết quả nghiên cứu có thể làm cơ sở để nghiên cứu ứng dụng vào thực tiễn

- Giúp có những hiểu biết có tính chất định lượng về các yếu tố ảnh hưởng đến rung động của đầu rung siêu âm cho gia công nói chung và gia công hàn vật liệu phi kim có trợ giúp của rung động siêu âm nói riêng

1.6 Kết cấu luận văn

Luận văn này được chia thành các phần như sau:

Chương đầu tiên giới thiệu khái quát chung về rung siêu âm, từ đó làm rõ tính cấp thiết, mục tiêu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu của

đề tài

Chương thứ hai trình bày tổng quan về rung động siêu âm, một số kết quả nghiên cứu cùng ứng dụng rung siêu âm trong gia công cơ nói chung và hàn siêu âm nói riêng Đây là kiến thức cơ sở để xây dựng quy trình đo xác định tần số và biên

độ rung động cho đầu rung siêu âm

Chương thứ ba tập trung vào xây dựng hệ thống và quy trình thí nghiệm đo tần

số cộng hưởng và biên độ dao động cho đầu rung siêu âm Kết quả nhận được được kiểm chứng bằng cách so sánh với giá trị của nhà sản xuất đưa ra

Cuối cùng, luận văn kết thúc bằng chương kết luận chung và một số hướng nghiên cứu tiếp theo

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ RUNG ĐỘNG SIÊU ÂM 2.1 Giới thiệu

Chương này trình bày một số kết quả tổng quan tài liệu về rung động siêu âm

và một số ứng dụng rung siêu âm đối với gia công Nội dung chính của chương bao gồm: phương pháp tạo rung động siêu âm; nguyên tắc truyền rung động siêu âm; ứng dụng của siêu âm trong gia công cơ và hàn siêu âm; các thông số kỹ thuật đặc trưng cho đầu rung siêu âm

2.2 Giới thiệu về rung siêu âm

Rung động siêu âm là một dạng dao động cơ học, có tần số vượt quá ngưỡng nghe của thính giác con người Để phân biệt các mức độ giới hạn của rung động, người ta thường sử dụng giá trị ngưỡng tần số rung động như minh họa trên Hình 2.1 Ngưỡng âm thanh mà con người nghe được thường có tần số từ 20 Hz đến 20 kHz Ngưỡng tần số rung động thấp hơn và cao hơn các giá trị giới hạn trên lần lượt được gọi là ngưỡng hạ âm và siêu âm Một số loài động vật như chó, mèo, cá voi hay dơi có khả năng nhận biết được tần số siêu âm (> 20 kHz)

Kỹ thuật về sóng siêu âm là một nhánh của lĩnh vực âm học, liên quan đến việc tạo và khai thác ứng dụng các sóng siêu âm Sóng siêu âm và ứng dụng của nó

thực sự được quan tâm nghiên cứu, phát triển từ sau thế chiến thứ nhất (1918), sau

khi Langevin phát minh ra bộ tạo rung siêu âm sử dụng vật liệu áp điện (tinh thể thạch anh)

2.2.1 Các phương pháp tạo rung động siêu âm

Có hai phương pháp tạo rung siêu âm thường sử dụng dựa trên hai hiện tượng

vật lí là hiện tượng từ giảo (magnetostrictive) và hiện tượng áp điện (piezoelectric)

Phương pháp từ giảo tạo rung động siêu âm bằng cách chuyển đổi năng lượng biến thiên từ trường thành động năng cơ học Một đầu rung bằng tử giảo có cấu tạo gồm một lõi phát rung đ ặt trong lòng một ống dây Lõi phát rung làm bằng vật liệu kim loại từ tính, chẳng hạn sắt từ, Cobalt, Niken Điện áp có tần số siêu âm được đặt lên ống dây Sơ đồ mạch tạo rung động siêu âm bằng phương pháp từ giảo được

mô tả như Hình 2.2

Hình 2.1 Mạch từ giảo tạo rung siêu âm [5]

Khi nằm trong vùng chịu từ trường, các vật liệu từ tính chứa các hạt mang điện tích trái dấu sẽ bị định hướng dưới tác dụng của lực từ trường theo chiều đường sức từ Việc thay đổi hướng của từ trường do điện áp ống dây thay đổi sẽ gây nên sự thay đổi biến dạng giữa hai trạng thái dãn và nén của tấm vật liệu, minh họa như Hình 2.3 Hiện tượng này được nhà khoa học Joule khám phá ra năm 1982 [5]

Các thiết bị sử dụng phương pháp từ giảo phù hợp với dải tần rộng (17-23kHz) và

cho phép việc thiết kế đầu công tác siêu âm đa dạng, trong đó đầu công tác có thể được thiết kế lại nhiều lần mà không có sai số nhiều về biên độ Tuy nhiên các đầu rung hoạt động bằng phương pháp từ giảo chịu hao tổn điện cao và hiệu suất năng lượng thấp (<55%) Hao tổn này xuất hiện dưới dạng nhiệt năng, do đó, thiết bị phải được làm mát bằng không khí hoặc nước, kéo theo kích thước thiết bị lớn

Hình 2.2 Ảnh hưởng của từ trường biến đổi đến cấu trúc vật liệu

mang từ tính tạo ra dao động cơ học [5]

Xét về phương diện năng lượng dao động, các đầu rung từ giảo không thể tạo cường độ rung lớn như đầu rung hoạt động bằng phương pháp áp điện Phương

pháp tạo rung siêu âm bằng hiệu ứng áp điện (piezoelectric) được sử dụng phổ biến

hơn so với phương pháp từ giảo do có nhiều ưu điểm: tần số làm việc không bị hạn

chế và thay đổi dễ dàng, hiệu suất chuyển đổi năng lượng điện-cơ cao (khoảng 95

%) và không gây tiếng ồn khi làm việc Trong khi đó, đầu rung từ giảo có tần số làm việc bị hạn chế (< 30 kHz) và khó thay đổi, hiệu suất chuyển đổi điện-cơ thấp (< 50 %) và gây tiếng ồn lớn khi làm việc (> 85 dB)

Hiệu ứng áp điện được mô tả như sau: khi tác dụng một lực lên một tấm vật liệu áp điện sẽ sinh ra một điện áp tại hai cực của tấm Ngược lại, nếu đặt một điện

áp thay đổi lên hai mặt của tấm sẽ gây nên sự thay đổi về biến dạng Hình 2.4 mô tả ứng xử thuận nghịch của vật liệu áp điện

Hình 2.3 Hiệu ứng áp điện [8]

Có hai dạng kết cấu phổ biến tạo rung siêu âm bằng hiệu ứng áp điện là: kết

cấu sử dụng gốm PZT dạng tấm mỏng xếp chồng (Hình 2.5a) và kết cấu sử dụng gốm PZT dạng đĩa lắp ghép theo kiểu “Sandwich” (Hình 2.5b)

Hình 2.4 Cơ cấu rung: (a) PZT dạng màng mỏng; (b) PZT dạng Sandwich

2.2.2 Nguyên tắc truyền rung động siêu âm

Rung động siêu âm được truyền trong môi trường dưới dạng sóng Dạng quỹ đạo truyền sóng được xác định dựa vào khoảng thời gian biến dạng hoặc rung động

trong các vật liệu mà nó truyền qua Trong lòng bất kỳ vật liệu nào cũng chứa các nguyên tử được liên kết với nhau Có thể mô tả liên kết giữa các nguyên tử dưới dạng liên kết mềm bởi các lò xo như minh họa trên Hình 2.6 Khi năng lượng siêu

âm truyền đến, năng lượng này làm xô lệch các nguyên tử khỏi vị trí cân bằng, kéo theo sự mất cân bằng của các nguyên tử lân cận Cứ như vậy, năng lượng rung động được truyền qua vật liệu đến các vị trí khác trong lòng vật thể

Hình 2.5 Mô hình liên kết phân tử [7]

Trong kỹ thuật, với các hệ thống động lực, rung động thường được mô tả dưới dạng sự lan truyền của sóng dọc với các mode rung động Mỗi mode rung động là một hình ảnh của trạng thái sóng dừng có dạng hình sin ở một tần số đặc trưng Mỗi

hệ thống động lực có thể được kích thích dưới nhiều mode rung động Một mode rung động được đặc trưng bởi tần số và hình dạng Số lượng mode rung động của một kết cấu phụ thuộc vào tần số rung động kích thích Hình 2.7 mô tả một số mode truyền sóng có đánh dấu các điểm nút (các điểm không dao động) và các điểm bụng sóng (điểm có dao động với biên độ lớn nhất)

Hình 2.6 Hình dạng một số mode truyền sóng [7]

2.3 Cấu tạo của hệ thống rung siêu âm

Một thiết bị siêu âm điển hình được cấu thành từ bốn bộ phận chính: nguồn

phát siêu âm (power supply/ultrasonic generator), đầu phát rung (tranducer), bộ phận khuếch đại (booster) và bộ phận công tác (horn/ sonotrode) được chỉ ra trên

Hình 2.8

Hình 2.7 Hệ thống rung siêu âm

Các bộ phận được tích hợp với nhau để tạo ra và chuyển rung động siêu âm đến vị trí mong muốn trong quá trình gia công Ngược lại, các thành phần này được tích hợp theo cách được thiết kế sẵn để đạt được hiệu quả truyền công suất siêu âm mong muốn Chuyển giao hiệu quả năng lượng siêu âm là vô cùng quan trọng và phụ thuộc vào thiết kế phức tạp của các thành phần Kiến thức chi tiết về từng thành phần của hệ thống là rất quan trọng đối với việc thiết kế và tạo ra kết quả mong muốn

2.3.1 Nguồn phát siêu âm

Nguồn phát siêu âm là máy phát nguồn điện thay đổi có tần số siêu âm, có điện áp và công suất lớn như trong Hình 2.9 Thông thường, nguồn phát siêu âm chuyển đổi năng lượng điện nhận từ đường dây thành năng lượng điện với tần số, điện áp và cường độ dòng điện thích hợp để cung cấp cho đầu rung siêu âm

Hình 2.8 Máy phát điện siêu âm MPI WG3000W

Thiết bị này có phạm vi hoạt động trong dải tần số từ 19 kHz đến 100 kHz; có khả năng tự động dò tìm tần số cộng hưởng và chọn chế độ vận hành tối ưu cho mỗi

bộ chuyển đổi

Hiện nay, các máy phát siêu âm thường có thể thu được phản hồi từ đầu rung cho pháp chúng điều chỉnh tần số và công suất đầu ra duy trì hiệu quả làm sạch bằng sóng siêu âm tối đa Thiết bị này cũng có thể cung cấp song siêu âm dưới các dạng tùy chỉnh khác nhau để tối đa hóa hiệu quả làm việc của hệ thống các dạng sóng siêu âm có thể kể đến như pulse, Sweep, Dual Sweep, Phase Locked Loop, UP Sweep, Multi-Frequency Generators…

2.3.2 Đầu phát rung siêu âm

Đầu phát rung siêu âm (còn gọi là bộ chuyển đổi điện - cơ - UT) là bộ phận

không thể thiếu trong thiết bị tạo rung động siêu âm UT có chức năng chuyển đổi dao động điện thành dao động cơ với tần số siêu âm Chức năng này thường được thực hiện nhờ hiệu ứng áp điện Dao động cơ với tần số siêu âm dùng để trợ giúp các quá trình gia công, siêu âm chuẩn đoán, thăm dò, sục rửa, Đầu rung kiểu Langevin được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật tạo rung siêu âm nhờ hiệu quả phát rung và kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ gọn, tiện lợi Các thông số quan trọng đánh giá hiệu quả của một UT bao gồm: tần số cộng hưởng cơ; biên độ rung động đầu ra và công suất rung siêu âm Biên độ rung siêu âm là một chỉ tiêu quan trọng nhất của bộ phát rung Biên độ rung thu được phụ thuộc vào hiệu quả chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ của UT Tín hiệu đầu ra của UT sẽ được truyền tới bộ phận khuếch đại và định hướng trợ giúp cho dụng cụ trong quá trình gia công

2.3.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Đầu tạo rung kiểu Langevin bằng hiệu ứng áp điện được sử dụng rộng rãi cho các thiết bị siêu âm công suất lớn Kiểu UT này có dải tần số cộng hưởng rung động siêu âm rộng, hệ số phẩm chất cơ học cao, có thể tạo công suất lớn phù hợp với các ứng dụng đối với đầu rung chịu tải Vật liệu áp điện có thể làm phát sinh rung động

có tần số bằng tần số nguồn điện, biên độ tỷ lệ thuận với điện áp Thiết kế Hình 2.10 là một dạng kết cấu cơ bản nhất của bộ tạo rung kiểu Langevin với chiều dài nửa bước sóng Một thiết kế khác sử dụng kết cấu bộ chuyển đổi có chiều dài bằng

số nguyên lần nửa bước sóng dọc, như minh họa trên Hình 2.11

Cấu tạo bộ chuyển đổi siêu âm dạng Langevin gồm hai khối kim loại có vai

trò kẹp các tấm áp điện PZT ở giữa Tấm kim loại phía sau (Tail/ back mass) có khối lượng riêng lớn (vận tốc truyền âm nhỏ) để chặn sóng âm Tấm phía trước (Head/front mass - tiếp xúc với bộ khuếch đại Booster) có khối lượng riêng nhỏ để

truyền sóng âm về phía trước Vật liệu và kích thước hai tấm này quyết định tần số làm việc của bộ chuyển đổi Hình 2.12, mô tả cấu trúc của một đầu phát rung siêu

âm

Hình 2.9 Cấu trúc đầu phát rung siêu âm kiểu Langevin [9]

Các tấm áp điện PZT có đặc tính là không có khả năng chịu kéo Việc sử dụng bu-long kẹp sẽ tạo biến dạng nén dư ban đầu Khi có điện áp thay đổi tác dụng lên các tấm PZT, hiệu ứng áp điện sẽ làm tăng hoặc giảm biến dạng nén Phương án chế tạo đầu rung siêu âm sử dụng các tấm áp điện dạng đục lỗ là thông dụng nhất, cho kết phép tạo cấu nhỏ gọn và thuận tiện cho việc khai thác nhất

Hình 2.10 Các dạng kết cấu UT: (a) Dạng đủ một chiều dài bước sóng; (b) Dạng chiều dài 3 nửa bước sóng; (c) Dạng chiều dài nửa bước sóng, bu lông kẹp ngoài [9]

Hình 2.11 UT kiểu Langevin kẹp bu-long với hai tấm áp điện [10]

2.3.2.2 Một số thông số quan trọng của đầu rung siêu âm kiểu Langevin

Khi đặt một hiệu điện thế vào các lớp áp điện, một lực tỷ lệ thuận sinh ra theo phương thẳng đứng làm dịch chuyển hai tấm kim loại Khi được gắn vào một bề mặt, hoạt động của đầu rung Langevin có thể được biểu thị bằng hệ thống tham số như Hình 2.13 Trong mô hình này, F đại diện cho lực áp điện, k là độ cứng của các lớp áp điện song song với bu lông tải trước và C là hệ số cản nhớt của hệ thống Hệ thống này có tần số cộng hưởng:

Bu-long kẹp Thân kim loại

Tấm áp điện

Điện cực kim loại

Hình 2.12.Mô hình cơ biểu diễn khối lượng tương đương (equivalent mass)

[10]

Động lực học hệ thống cơ (Mechanical Dynamics)

Trở kháng đầu cuối của bộ chuyển đổi và đáp ứng tần số cơ học được biểu diễn trong Hình 2.14 Hàm truyền cơ học được biểu diễn bằng một phương trình bậc hai:

Độ nhạy ở tần số cộng hưởng xấp xỉ bằng G ( √ ) Do đó, khi tăng độ tiêu hao năng lượng C, làm giảm hệ số chất lượng và biên độ dao động ở tần số cộng hưởng

Khi đầu rung được nối với tải cơ học, C là tổng của sự tiêu hao năng lượng của bộ truyền động bên trong và tải cơ học Cext , Cext là công suất cơ học thực được cung cấp cho tải Hầu hết các thiết bị truyền động siêu âm được thiết kế sao cho sự tiêu tán bị chi phối bởi công việc bên ngoài được giao cho tải Vì sự dịch chuyển khi cộng hưởng tỷ lệ nghịch với C, những thay đổi lớn trong biên độ dao động có thể là kết quả của sự thay đổi trong sự tiêu hao công suất tải

Khối lượng

Mặt phẳng làm việc

Hình 2.13 Đáp ứng cơ - điện của UT [10]

Mô hình cộng hưởng nối tiếp (Series Resonance Model)

Đáp ứng điện bị chi phối bởi trở kháng cực tiểu tại f s, được gọi là cộng hưởng nối tiếp, xấp xỉ bằng tần số cộng hưởng cơ hay Gần giá trị của tần số cộng hưởng, thiết bị truyền động siêu âm có thể được mô hình hóa một cách đầy đủ như

là mạch nối tiếp tương đương (hình 2.15), được gọi là mô hình Butterworth Dyke Mô hình này bao gồm một phần điện đại diện cho điện dung của bộ chuyển đổi và một mạch tương đương đại diện cho đáp ứng cơ của bộ chuyển đổi Mối quan hệ giữa đại lượng điện và cơ là:

Van-+ Điện áp V tỉ lệ thuận với lực F

+ Dòng Im tỉ lệ thuận với vận tốc ̇

+ Điện cảm L1 tỉ lệ thuận với tải trọng M

+ Trở kháng R1 tỉ lệ thuận với độ tiêu hao C

+ Điện dung C1 tỉ lệ nghịch với độ cứng k

Hình 2.14 Cộng hưởng trên mạch nối tiếp [10]

Ở tần số cộng hưởng nối tiếp, tổng điện kháng của C1 và L1 bằng không, chỉ còn lại điện trở R1 Do đó, khi cộng hưởng, tổng công suất cung cấp cho UT là:

(2.4) Cần lưu ý rằng điện trở tỷ lệ thuận với độ tiêu hao năng lượng bao gồm tản nhiệt bên trong và bên ngoài Những thay đổi lớn về biên độ và công suất có thể xảy

ra khi có thay đổi tương đối nhỏ về tiêu tán cơ học Ví dụ, xét một UT điều khiển điện áp có điện trở tải là Nếu hệ thống được điều khiển cộng hưởng và không có tải, điện trở tương đương có thể giảm xuống 2 , điều này sẽ làm tăng tiêu hao công suất lên hệ số 10; hơn nữa, sự tiêu tán công suất này sẽ xảy ra trong bộ truyền động dưới dạng nhiệt năng

Trong hoạt động cộng hưởng nối tiếp, điện áp tỷ lệ thuận với lực và cường độ dòng điện tỷ lệ với vận tốc Do đó, nếu cường độ dòng điện không đổi thì biên độ dao động cũng sẽ gần như không đổi Đối với các hệ truyền động công suất lớn, trong thực tế, người ta thường giữ giá trị điện áp là hằng số thay vì giữ cường độ dòng điện không đổi

Mô hình cộng hưởng song song (Parallel Resonance Model)

Ngoài hiện tượng cộng hưởng nối tiếp, đáp ứng điện cũng thể hiện cực đại trở kháng, được gọi là cộng hưởng song song Đối với mô hình cộng hưởng song song, mạch tương đương là mạch kép của mô hình Butterworth Van-Dyke, như được minh họa trong hình 2.16 Mối quan hệ giữa đại lượng điện và cơ là:

+ Điện áp Vm tỉ lệ thuận với vận tốc ̇

+ Dòng Im tỉ lệ thuận với lực F

+ Điện cảm L2 tỉ lệ nghịch với độ cứng k

+ Trở kháng R2 tỉ lệ nghịch với độ tiêu hao C

Hình 2.15 Cộng hưởng trên mạch song song [10]

Ở tần số cộng hưởng song song, độ tự cảm cộng hưởng với điện dung của bộ chuyển đổi, và trở kháng trở thành điện trở R2, tuy nhiên, với giá trị lớn hơn R1 Có thể chỉ ra rằng hệ số hiệu dụng Q của cộng hưởng song song thấp hơn nhiều so với

trường hợp cộng hưởng nối tiếp Tần số khi cộng hưởng song song f p cao hơn đáng

kể so với tần số cộng hưởng cơ Độ dốc của ( ) thấp hơn nhiều tại fp, do đó, sự thay đổi của tần số cộng hưởng và mức độ tiêu hao năng lượng có ảnh hưởng nhỏ đến biên độ dao động Vì vậy, cộng hưởng song song rất phù hợp với các ứng dụng

mà biên độ dao động không đổi và độ nhạy giảm khi thay đổi tần số cộng hưởng và mức độ tiêu hao năng lượng ở tải

Một nhược điểm của cộng hưởng song song là cần có trình điều khiển sóng sin thuần túy Bất kỳ sóng hài nào trong tín hiệu biến tần sẽ gặp trở kháng thấp dẫn đến cường độ dòng điện lớn Trong cộng hưởng song song, điện áp tỷ lệ với vận tốc Do

đó, điều khiển điện áp không đổi sẽ dẫn đến biên độ dao động gần như không đổi

So sánh tần số của mô hình cộng hưởng nối tiếp và song song

Các đặc tính hoạt động tần số cộng hưởng của nối tiếp và song song được so sánh trong bảng dưới đây Mặc dù cả hai cấu hình đều đạt được công suất đầu ra giống hệt nhau, cộng hưởng nối tiếp yêu cầu điện áp thấp hơn nhưng dẫn đến tiêu hao nhiệt cao hơn Cộng hưởng song song tạo ra biên độ dao động không đổi khi điện áp thay đổi và ít làm nóng thiết bị truyền động hơn nhưng yêu cầu điện áp cao hơn và trình điều khiển sóng sin

Bảng 2.1 Bảng so sánh tần số cộng hưởng của mạch mắc nối tiếp và song song [10]

Cộng hưởng nối tiếp Cộng hưởng song song

Phù hợp nhất với các ứng dụng Công suất cao Độ chính xác cao

Ví dụ về ứng dụng Làm sạch siêu âm Gia công chính xác Kết quả của việc kích thích

dòng điện không đổi Vận tốc không đổi Lực không đổi Kết quả của việc kích thích

Lực không đổi Vận tốc không đổi

Cộng hưởng nối tiếp Cộng hưởng song song

Kết quả của việc tăng tải Trở kháng tăng Trở kháng giảm

Đo tần số cộng hưởng

Một chức năng quan trọng của điều khiển siêu âm là xác định vị trí và theo dõi tần số cộng hưởng mong muốn Các phương pháp được đưa ra để đạt được đáp ứng nhanh nhằm giảm độ trễ khởi động và bù tải nhanh trong quá trình hoạt động Việc theo dõi cộng hưởng được thực hiện bằng cách sử dụng trở kháng điện Tần số cộng hưởng có thể được theo dõi bằng cách chỉ cần thay đổi tần số biến tần để tối đa hóa cường độ dòng điện Hoặc, nếu hoạt động ở cộng hưởng song song, bằng cách giảm cường độ dòng điện Một nhược điểm của phương pháp này là độ dốc trở kháng bằng không khi cộng hưởng, do đó, độ nhạy là nhỏ nhất tại điểm hoạt động mong muốn Kết quả là, cách tiếp cận này dẫn đến độ lệch tần số lớn và phản hồi chậm Hơn nữa, phương pháp này cũng bị ảnh hưởng bởi thay đổi phân bố tải làm thay đổi cường độ dòng điện một cách tự nhiên Tuy nhiên, phương pháp này thực hiện đơn giản và có thể thích hợp cho các ứng dụng có điều kiện tải ổn định Theo dõi pha là một phương pháp thay thế trong đó tần số biến tần được thay đổi để buộc pha trở kháng về 0, xảy ra ở cả cộng hưởng nối tiếp và song song Phương pháp này yêu cầu một bộ điều khiển phức tạp hơn nhưng nhanh hơn và chính xác hơn đáng kể so với các phương pháp khác vì độ dốc của đường cong pha là cực đại ở cả hai tần số cộng hưởng Hình 2.17 là ví dụ về sơ đồ mạch điện đo tần số cộng hưởng của UT

Hình 2.16 Mạch điện đo tần số cộng hưởng [10]

2.3.3 Bộ phận khuếch đại biên độ rung ( Booster) và công tác (Horn)

Chức năng chính của bộ khuếch đại siêu âm là tăng biên độ dao động siêu

âm khi được đặt giữa bộ chuyển đổi (Tranducer) và bộ phận công tác

(horn/sonotrode), tạo thành cụm rung Chúng thường được chế tạo từ hợp kim

nhôm hoặc titan Trong lĩnh vực công nghệ siêu âm, các bộ khuếch đại thường được tiêu chuẩn hóa và phụ thuộc vào ứng dụng, hình học và vật liệu gia công Bộ khuếch đại biên độ giống như các phần tử khác trong ống hàn, là một thiết bị được điều chỉnh, do đó nó phải cộng hưởng ở một tần số cụ thể để truyền năng lượng siêu

âm từ đầu rung đến bộ phận công tác Để hoạt động thành công, bộ khuyếch đại phải là một nửa bước sóng của sóng siêu âm trong vật liệu mà nó được sản xuất, hoặc bội số của chiều dài này Thông thường, nó là một nửa chiều dài sóng

Đầu công tác (Ultrasonic horn - UH) là thành phần quan trọng trong hệ thống

siêu âm UH được thiết kế để cung cấp diện tích tiếp xúc và biên độ rung động tối

ưu khi tiếp xúc với phôi [11] Trong trường hợp tổng quát, UH được thiết kế đặt giữa UT và phôi, làm nhiệm vụ khuếch đại dao động cơ học tạo ra bởi UT và truyền dao động này tới phôi Hiện tượng này tương tự như biến áp trong mạch điện Do

đó, ngoài vai trò khuếch đại dịch chuyển cơ học, UH còn là trở kháng cơ học giữa

UT và tải trọng để đạt hiệu suất truyền năng lượng cao và/hoặc như một bộ phận cách ly UT khỏi môi trường làm việc của năng lượng siêu âm có nhiệt độ cao tính

ăn mòn cao và các tình huống khắc nghiệt khác có hại cho UT [12]

Các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế UH bao gồm vật liệu, hình dạng, kích thước

và biên dạng phôi Các vật liệu sử dụng phải có đặc tính âm học tốt và độ bền mỏi cao để có thể cho biên độ dao động tối đa Các vật liệu kim loại thường được dùng

là monel, titanium, thép không gỉ, thép đã qua xử lý nhiệt và nhôm Trong đó, Titanium có đặc tính âm học tốt nhất và độ bền mỏi cao, chịu được tốc độ gia công cao ở biên độ cao Hình dạng của UH có thể được chia làm hai nhóm có tiết diện mặt cắt dọc và mặt cắt ngang Mặt cắt dọc có thể được phân loại thành dạng bậc, hàm mũ, hình nón, hình chóp [13], trong khi đó mặt cắt ngang bao gồm hình tròn và hình chữ nhật Thông thường, diện tích mặt cắt ngang ở đầu lớn hơn và đầu nhỏ hơn theo tỷ lệ 2:1 đối với thép và theo tỷ lệ 3:1 đối với titan Trong số các loại UH thường được sử dụng, UH dạng bậc có độ khuếch đại dịch chuyển lớn nhất Nói chung, sự biến đổi mặt cắt ngang được cho bởi các hàm toán học khác nhau (hàm

mũ [14], tuyến tính [15], nón (hoặc bậc) [16], Bezier [14], Gaussian [17], Fourier [18]) So với các loại UH thông thường, các loại UH có cấu hình đường cong tham

số như Bezier, Gaussian, Fourier có thể cung cấp độ khuếch đại dịch chuyển cao

hóa có liên quan đến các thông số thiết kế như tần số làm việc, biên độ tín hiệu, sự biến đổi tải trong khu vực gia công, hàm mục tiêu, tác động của các biến thiết kế khác nhau trên hàm mục tiêu, tín hiệu kết hợp truyền trong UH, Bảng 2.2 chỉ ra một số ưu điểm và nhược điểm của một số dạng UH thông dụng

Hình 2.17 Đầu khuếch đại biên độ:dạng hàm mũ (a), dạng catenoit (b), dạng cosin (c), dạng nón (d), dạng trụ bậc (e)

Bảng 2.2 Ưu điểm, nhược điểm của một số UH thông dụng

Dạng trụ thang Hệ số biên độ lớn Tập trung ứng suất, dễ bị

gãy Hàm mũ Phân bố ứng suất đồng đều Hệ số biên độ tương đối

Hệ số biên độ trung bình

Dạng Gaussian

Hệ số hình dạng tối đa, biên độ tối đa có thể có được về mặt lý thuyết

kế và xử lý tương đối phức tạp, chi phí tương đối cao

Đường cong Bezier

Phù hợp tốt với hệ số khuếch đại biên độ và phân bố ứng suất

Thiết kế và gia công tương đối phức tạp, chi phí cao

Hiệu suất của UH có thể được mô tả bằng nhiều thông số: tần số cộng hưởng,

hệ số khuếch đại, yếu tố hình dạng, trở kháng lực đầu vào và khả năng chống uốn Một khía cạnh quan trọng của thiết kế UH là tính toán độ dài cộng hưởng chính xác,

trong đó độ dài cộng hưởng thường là bội số của một nửa bước sóng của hệ thống [14] Nửa bước sóng thường được ứng dụng trong hàn kim loại siêu âm nhằm tiết kiệm vật liệu và giảm chi phí sản xuất Hệ số phóng đại là tỷ số giữa độ dịch chuyển hoặc vận tốc ở đầu ra và đầu vào; hệ số hình dạng là một giá trị quan trọng để đo vận tốc rung tối đa mà UH có thể đạt được Khả năng chống uốn thể hiện khả năng linh hoạt UH càng dài thì độ mềm dẻo càng lớn Độ cứng khi uốn cũng liên quan đến hình dạng hình học của UH [19]

Việc tính toán thiết kế UH dạng trụ bậc có độ dài bằng nửa bước sóng sẽ được trình bày tóm tắt dưới đây

Hình 2.18 Đầu khuếch đại biên độ dạng trụ bậc [20]

Trên hình 2.19, UH dạng trụ bậc có các đường kính mặt lớn D, mặt nhỏ d với các chiều dài hai bậc L1 và L2 Chiều dài tổng của UH được lấy bằng nửa bước sóng nhằm thu được biên độ lớn nhất ở mặt mút nhỏ Ký hiệu  là chiều dài bước sóng,

u1 và u2 là biên độ rung dọc trục tại mặt mút lớn và mặt mút nhỏ, các công thức tính toán cơ bản cho dạng UH này được tóm tắt như dưới đây [20]

trong đó: c là vận tốc truyền sóng dọc (m/s), E là mô dun đàn hồi (GPa), ρ là khối lượng riêng (kg/m3) và f là tần số rung của bộ chuyển đổi (Hz)

Biên độ dao động u được xác định như sau:

Với x ≤ /4 (chiều dài L2 của bộ chuyển đổi ≤ /4):

Hệ số khuếch đại K được tính theo công thức:



Thực tế cho thấy, các công thức trên chỉ có tính gần đúng do tính cho khối vật liệu đặc mà không kể đến các yếu tố kết cấu khác, nên thường chỉ được dùng để tính toán sơ bộ kích thước của UH Thông số rung của UH sau khi lắp ghép còn phụ thuộc một số yếu tố như: kết cấu lắp ghép, phẩm chất của vật liệu, độ chính xác kích thước và hình học v.v

Gần đây, phân tích số dựa trên phương pháp PTHH được ưa chuộng hơn để phân tích thiết kế UH hơn là các phương pháp phân tích và thực nghiệm vì việc giải phương trình sóng thông qua phương pháp phân tích là rất khó và phương pháp thực nghiệm là khó để thiết lập và tốn thời gian Các chương trình mô hình hóa được sử dụng là ANSYS, ABAQUS, CAD, SOLIDWORKS, Elmer FEM …Việc tính toán thiết kế trên các phần mềm phân tích và mô phỏng bằng phần tử hữu hạn có độ chính xác cao Cùng với đó việc phân tích trở kháng của UT và UH trên các thiết bị

có độ tin cậy cao cho phép xác định chính xác tần số cộng hưởng của hệ từ đó giúp điều chỉnh kích thước UT trở nên dễ hơn

2.4 Ứng dụng rung động siêu âm trong gia công cơ và hàn siêu âm

2.4.1 Ứng dụng rung siêu âm trong gia công cơ

Năng lượng rung động siêu âm được sử dụng trong gia công có thể được chia

thành hai xu hướng khác nhau Xu hướng thứ nhất, gia công siêu âm (Ultrasonic