tìm hiểu nguyên lý hệ thống siêu âm với công suất phát p= kw, tần số f= hz dùng biến tử , sử dụng trong

- Tốc độ truyền của sóng âm trong môi trường - Trở kháng âm của môi trường - Sự hấp thụ của tổ chức - Thông sốf,λ của sóng siêu âm và cấu trúc hình học của tổ chức * Tốc độ truyền của só

Nội Dung Đề Tài.

Chương 1: Tổng Quan Về Kỹ Thuật Siêu Âm

Chương 2: Cơ Sở Vật Lý Của Dao Động Siêu Âm.

Chương 3: Biến Tử.

Chương 4: Chọn Máy Phát.

Chương 5: Giới Thiệu Thiết Bị Công Nghệ.

Chương 6: Giới Thiệu Công Nghệ Rửa Sạch.

Chương 1 : Tổng Quan về Kỹ Thuật Siêu Âm

1.Khái niệm chung:

- Siêu âm là những dao động đàn hồi có tần số f >16 kHz, cao hơn tần số âm

mà con người nghe được

Dao động siêu âm nhận được từ những nguồn phát khác nhau:

-Biến đổi chuyển động của các dòng thủy khí thành dao động siêu âm

-Chuyển đổi dao động điện thành dao động siêu âm nhờ các biến tử

Hệ thống thiết bị công nghệ siêu âm bao gồm:

-Nguồn phát dao động điện tử: ở dạng máy phát điện tử, bán dẫn, Thiristor… -Biến tử: Là phần tử biến đổi dao động điện thành dao động cơ trên cơ sở sử dụng hiệu ứng từ giảo hay áp điện

-Các phẩn tử truyền dao động đàn hồi từ biến tử đến mối trường sử dụng

+ Nguồn biến dao động điện thành dao động siêu âm nhờ vật liệu từ giảo như Ni, Fe –Co , pherit…

Biến tử từ giảo+ Nguồn biến dao động điện thành dao động siêu âm nhờ vật liệu áp điện như BaTiO3

Biến tử áp điện-Hệ thống thiết bị siêu âm

Thiết bị công nghệ(máy gia công,bộBiến tử

Máy phát

Cũng như dao động âm, dao động siêu âm lan truyền dưới dạng song đàn hồi

trong các môi trường khí, lỏng, rắn Phần lớn các định luật đắc trưng cho dao động âm gần đúng với dao động siêu âm; tuy nhiên do tần số của dao động siêu

âm cao hơn tần số dao động âm nên các tính chất của dao động đàn hồi có thay đổi và tác dụng của dao động siêu âm vào vật chất cũng thay đổi

2.Ứng dụng của siêu âm

- Siêu âm biên độ nhỏ (biến áp điện): dùng để kiểm tra, thăm dò, đo lường, hay trong ngành Quốc phòng

- Siêu âm biên độ lớn ( biến từ giảo): hầu hết sử dụng trong các lĩnh vực công nghiệp như : luyện kim, chế tạo phôi (đúc, hàn, gia công áp lực), công nghệ làm sạch, khử trùng, và dùng trong cả Quốc phòng

- Tốc độ truyền của sóng âm trong môi trường

- Trở kháng âm của môi trường

- Sự hấp thụ của tổ chức

- Thông số(f,λ) của sóng siêu âm và cấu trúc hình học của tổ chức

* Tốc độ truyền của sóng âm:

Phụ thuộc vào môi trường Tốc độ trung bình của sóng siêu âm trong các tổ chức phần mềm λ≈ 1540m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và vềm/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và vềcủa sóng siêu âm ta có thể định vị trí rõ được bề mặt phản xạ

* Trở kháng âm của môi trường và các định luật truyền âm

- Trở kháng âm z: Trở kháng âm của môi trường gọi nôm na là độ vang hay độ dội của sóng âm trong môi trường

Trở kháng của môi trường có vai trò quyết định với biên độ của sóng phản xạ trên mặt phân cách giữa 2 môi trường

- Sự phản xạ và sự khúc xạ

Âm được truyền đi theo những tia gọi là âm tia.

Phản xạ và khúc xạ: Khi sóng âm truyền trong môi trường đồng nhất và đẳng hướng nó sẽ truyền theo phương thẳng; khi gặp mặt phân cách đủ lớn giữa 2 môitrường có trở kháng âm khác nhau tức là có vận tốc truyền âm khác nhau, tia âm

sẽ tuân theo định luật phản xạ và khúc xạ Một phần năng lượng của sóng âm sẽ phản xạ ngược trở lại và phần còn lại sẽ truyền tiếp vào môi trường thứ 2

Dao Động Siêu Âm là 1 dạng sóng điều hòa mang tính chất của dao động tự

do và dao động cưỡng bức

B Dao động điều hòa, dao động tự do, dao động cưỡng bức

I.Dao Động Điều Hòa.

Dao động điều hòa là các chuyển động dao động mà các đại lượng dặc trưngcho nó lặp đi lặp lại theo nhưng khoảng thời gian như nhau(chu kì T)

Gia Tốc của dao động điều hòa : a =

Nhận xét: Các đại lượng ξ, υ, a khi dao động điều hòa thay đổi 1 cách chu

kỳ theo thời gian t với cùng tần số nhưng lệch pha

II Dao động tự do

Định nghĩa: Dao động tự do là dao động điều hòa của vật thể do bản thân

thực hiện dưới tác dụng của lực đàn hồi và lực quán tính (dao động quanh vị trícân bằng)

Phương trình vi phân của dao động tự do

Được thiết lập dựa trên cơ sở lực đàn hồi và lực quán tính

=> xi ξ - m = 0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về

=> + = 0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về

Biểu thức của dịch chuyển : ξ(t)= Asin (ωt+φ)

Thế năng của dao động :

Phương trình vi phân của dao động tự do tắt dần có dạng :

m + r + xi ξ = 0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về

 +2δ + 0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về ξ = 0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về

ω0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về : là tần số riêng của hệ dao động.

δ = : tần số suy giảm

Biểu thức đối với dịch chuyển : ξ = A

Nhận xét : hệ dao động có tổn hao ma sát sẽ có sự suy giảm về biên độ, gia

tốc, còn dao động cả về tần số

IV dao động cưỡng bức.

Là dao động gây ra do tác dụng của ngoai lực điều hòa Biểu thức của ngoạilực điều hòa Fn = F0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về sinωt

Phương trình vi phân của dao động cưỡng bức :

m + r + xi ξ = F0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về sinωt

δ =

δ: hệ số suy giảm

r : hệ số cản

V Hiện tượng cộng hưởng

là hiện tượng khi tần số của ngoai lực tác dụng bằng tần số riêng của hệ daođộng

Khi f = f0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về thì biên độ dao động tăng đột ngột

δ1< δ2< δ3< δ4

Amax khi f = f0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về.

Biên độ cộng hưởng Amax= =

Trong đó: r = δ.2m; ω0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về = 2πf.f0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về

VI Hệ số phẩm chất và hệ số tổn hao.

1 Hệ số phẩm chất đặc trưng cho sự tăng biên độ dịch chuyển của hệ daođộng, tăng tốc độ, tăng lực khi hệ dao động công hưởng là tỷ số giữa côngsuất phản kháng và công suất tổn hao

Z = Fo biên độ lực.

= I0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về(R+X)

I =

Nhận xét : hệ dao động coi là cứng khí trở kháng cơ học lớn(Z rất lớn) và v

rất nhỏ

+ hệ dao động coi là mềm khi Z nhỏ và v lớn

+ ở thời điểm cộng hưởng ω = ω0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về (f = f0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về) thì Zmin = r

C Sóng âm và Siêu âm.

1.Khái niệm :

Là quá trình lan truyền song đàn hồi ở tần số âm và siêu âm, tạo nên sóng

âm và siêu âm

λ - gọi là bước song

λ = C.T =

C - Tốc độ truyền song

T - Chu Kì

F - Tần số

f < 160m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về HZ âm

f ( 160m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về – 20m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về HZ) Siêu âm

f > 10m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về8 Âm siêu cao

-sóng xoắn:

Chú ý:

-Trong môi trường chất lỏng và chất khí chỉ truyền được sóng dọc

-Trong môi trường chất rắn truyền được tất cả các loại sóng

II Phương trình truyền sóng và các biểu thức cơ bản đối với sóng âm và siêu âm.

1.phương trình truyền sóng âm trong môi trường đàn hồi.

Với sóng biến dạng : ξ =

(x,t) = = ± A.k cos (ωt ) = 0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về cos (ωt )

Với 0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về = A k biên độ của sóng biến dạng

c, biểu thức với sóng ứng suất

= E = E = ± E.A.k cos (ωt ) = 0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về cos (ωt )

d, Biểu thức sóng áp lực :

P (x,τ) =- (x,τ) = ± E.A.k cos (ωt ) = P0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về cos (ωt )

3.Biểu thức sóng phẳng trong môi trường đàn hồi có tổn hao (hệ số suy giảm).

III Tốc độ truyền sóng âm trong lỏng khí rắn.

1.Tốc độ truyền sóng âm trong chất khí.

E- Modul đàn hồi - mật độ C- tốc độ truyền sóng

IV Áp lực âm, năng lượng âm, trở kháng âm, công suất âm dương phần 1.Áp lực âm.

P = P1 - P2 (N/Cm3)

P1 = áp lực tĩnh của môi trường

P2 = áp lực thay đổi do sóng âm gây ra

P = P0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về cos(ωt )

mật đô

C tốc độ âm

ω =2πf.f tần số góc

A biên độ dich chuyển

2.Năng lượng âm

Tốc độ âm(eng/ )

-nghe được : I < 10m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về-3 ω/cm2

-bình thường 0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về,1 < I < 2 ω/cm2

-cao I > 10m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về4 ω/cm2

4.Trở kháng sóng âm trong môi trường.

Nước 20m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về 0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về.99 1,4.10m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về5 1,49.10m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về5

Biển 17 - 1,51-1,53 10m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về5

-Bảng ,E,G,μ rắn.

Vật Liệu (g/cm3) E,G G μ C.10m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về-5

NiKen 9,8 2,0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về5 0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về,7 0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về,31 4,78

Thép C 7,8 2,0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về4 0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về,28 0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về,28 5,0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về5

V Sự hấp thụ âm, phản xa âm, sóng âm đứng, dòng âm, sự xâm thực.

-đặc trưng bởi sự giảm cường độ âm và biên độ dao động.

I = I0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về

-tạo xung thủy lực bắn phá các vật chất gọi là hiện thực xâm thực.

* Hiện tượng xâm thực phụ thuộc vào tần số f , cường độ âm khi tần số vàcường độ âm tăng sự xâm thực càng tăng

Chương 3 Biến Tử

Phần tử biến đổi từ dao động điện sang dao động cơ chính là biến tử

Vật liệu: Ni, Fe,Co,Ferit

Vật liệu từ giản đặt nó trong từ trường làm thay đổi kích thước , hình dạng.Vật liệu áp điện BaTiO3

Vật liệu thiết kế hệ thống siêu âm cho máy phát sử dụng biến tử co Vật liệu

từ giảo là vật liệu đặt trong từ trường sẽ thay đổi kích thước

Đặc tính:

+ Hằng số từ giảo λ = = -35.10m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về-6

+ Từ cảm bão hòa Bmax = 0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về,64 Tesla

+ Độ từ thẩm: μ0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về = 40m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về

μma = 250m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về

+ Điện trở suất: ρ = 7.10m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về-6 Ω/m

+ Môđun đàn hồi: E = 2,1.10m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về6 kg/cm2

+ Mật độ đρ0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về = 8,9g/cm3

+ giới hạn bền: σb = 47 kg/cm2

+ Tốc độ truyền sóng âm: c = 4,78.10m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về5 cm/s

1, Chọn kết cấu : 2 lõi, 1 cửa sổ

2, Tính toán

- S1 = P1 :công suất điện đưa vào biến tử

Với P1 = 2,5kw = 250m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và vềw

 S1 = 250m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về:50m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về= 25 cm2

 Kích thước bề mặt phát (chọn b=6,q=5)

b q =5.5= 30m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và vềcm

 Chiều dài vai (da) Chọn

da ≥ a (chọn a = 2) →theo bảng về biến tử từ giảo Co trên chọn da≈2

S = b.q=6.5=30m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và vềcm2

m =2 (2 lõi)

S1tg = mS0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và vềcotgk0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và vềda →tg=

→ tg0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về.13h0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về = 5,34.10m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về-3 →h0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về = 2,356 (h0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về ≠2a)

h = h0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về + 2da = 2,356 + 2.2 = 6,356

- Công suất phát âm của biến tử

Pa =

δ = = 70m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về.10m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về-6

Bmax = 0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về,64

m =2

β = = = 0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về,667

→Pa = 3,4.10m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về-10m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và vềkw

- Công suất đưa vào biến tử

P = = = 6,8 10m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về-10m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về kw (ηđa hệ số hữu ích chuyển điện thành âm 0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về,4÷0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về,55)

- Số ampe vòng dây từ hóa (IW0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về)(chọn b0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về = 2)

ltb =1+1+1+1+2h0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về+2b0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về =4+2.2,356+2.2=12,712cm

- Số ampe vòng dây kích từ

IW~ = H~ltb

H~ = 20m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về ơstet → IW~ = 20m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về 12,712 = 254,24

Ltb chiều dài đường từ trong lõi biến tử

- Số vòng dây

n =

Có P =0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về,5 kw chọn U =220m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và vềV

f = 20m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và vềkHz

B =640m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về gaoxo

→ n ≈40m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về

0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về

I  I ~ =3,98 220m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về2 10m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về3

- Điện trở tổng

R == =96,8Ω

- Tiết diện

Sd~ = = = 0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về.59cm2

Chương 4 Chọn máy phát

Phân loại :

+ Theo dạng thiết bị chuyển đổi

*Máy phát điện tử công suất lớn,u rất lớn

*Máy phát bán dẫn: công suất nhỏ, trung bình u nhỏ , I lớn

*Máy phát điện: công suất < 250m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về kw

+ Theo sơ đồ

*Máy phát điện tử và bán dẫn có thể kích thích độc lập hoặc tự kích, tự độngđiều khiển tần số, ổn định thông số công nghệ

*Máy phát điện: đấu trực tiếp tới tải, nhân tần đến tải

+ Theo khả năng làm việc

*Máy phát vạn năng : thay đổi tần số f, P, U dùng luyện kim, gia công cơkhí, hàn

*Máy phát chuyên môn hóa

I Các đặc điểm cơ bản của máy phát siêu âm

1 Tần số làm việc

- Nhóm I : Máy phát điện tử : f= 18 ± 1,35 , 20m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về ± 1,65 , 22 ± 1,65 , 44 ± 4,4 ,

- Nhóm II : Máy bán dẫn f= 18 ± 1,35 , 66 ± 6,6 khz

- Nhóm III : Cả điện tử và bán dẫn dùng kiểm tra siêu âm f = 0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về,8 – 20m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về Mhz

2 Công suất máy phát

+ Nga: 0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về,0m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về4 ÷ 250m/s Biết được vận tốc truyền, khi đo thời gian đi và về kw