nghiên cứu chế tạo máy phát siêu âm công suất kiểu hội tụ

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Lê Quang Quý Tú LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sỹ với đề tài Nghiên cứu chế tạo máy phát siêu âm công suất kiểu hội tụ được thực hiện tại Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế. Trong suốt thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận được nhiều sự giúp đỡ quý báu, cả về vật chất lẫn tinh thần. Trước hết, tác giả gửi lời cảm ơn đến Ban Chủ nhiệm, các cán bộ, giảng viên của Khoa Vật lý, trực tiếp là Bộ môn Vật lý Chất rắn (Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế) đã tạo mọi điều kiện để luận văn này được hoàn thành. Xin bày tỏ tình cảm biết ơn sâu sắc nhất đến thầy hướng dẫn, TS. Trương Văn Chương. Thầy luôn theo dõi sát sao và hướng dẫn giải quyết triệt để những vướng mắc mà tác giả gặp phải. Thầy đã tập cho học trò của mình tư duy và niềm đam mê khoa học. Đồng cảm ơn ThS. Đặng Anh Tuấn (Đại học Khoa học Huế) về những hỗ trợ tích cực trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Xin ghi vào đây lời tri ân đến bạn trong gia đình lớp Cao học Vật lý Khóa 2010 (2010 – 2012) về những tình cảm tốt đẹp, sự giúp đỡ trong những lúc tác giả khó khăn nhất. Cuối cùng, xin dành lời cảm ơn đặc biệt đến ba mẹ và những người thân. Công cha, nghĩa mẹ, tình cảm gia đình là động lực to lớn thôi thúc tác giả hoàn thành luận văn này. Huế, 9 – 2012 MỤC LỤC Trang phụ bìa LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1 5 TỔNG QUAN VỀ SIÊU ÂM CÔNG SUẤT 5 1.1. HIỆU ỨNG SINH LỖ HỔNG 5 1.2. ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH HÌNH THÀNH VÀ NỔ TUNG BỌT KHÍ [8] 7 1.2.1. Sự nổ tung của bọt chứa hơi 7 1.2.2. Sự nổ tung đoạn nhiệt đối của bọt chứa khí - hơi đa biến 9 1.2.3. Tính chất của cavitacy âm 10 1.3. ỨNG DỤNG CỦA SIÊU ÂM CÔNG SUẤT 15 1.3.1. Dùng siêu âm công suất để tổng hợp vật liệu mới [4], [7] 15 1.3.1.1. Tổng hợp vật liệu hệ vô cơ - polime 15 1.3.1.2. Tổng hợp vật liệu hệ hữu cơ - polime: vinyl polime 16 1.3.1.3. Tổng hợp vật liệu sinh học 17 1.3.1.4. Tổng hợp vật liệu vô cơ cấu trúc nano 17 1.3.2. Siêu âm trong bảo vệ môi trường và xử lý ô nhiễm [17], [23], [24], [26] 18 1.3.2.1. Xử lý nước 18 1.3.2.2. Siêu âm nước 22 1.3.2.3. Ảnh hưởng của siêu âm 23 1.3.2.4. Ứng dụng kết hợp giữa siêu âm và Ozone 24 1.3.2.5. Ứng dụng kết hợp giữa siêu âm với chiếu xạ UV 25 CHƯƠNG 2 27 2.1. CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA GỐM 27 2.1.1. Quy trình chế tạo mẫu 28 2.1.2. Phân loại mẫu 31 2.2. CẤU TRÚC VÀ VI CẤU TRÚC CỦA GỐM 31 2.2.1. Cấu trúc 31 2.2.2. Vi cấu trúc 32 2.2.3. Các tính chất điện môi 33 2.2.4. Tính chất sắt điện của gốm PZT-MnZn-LBO 35 2.2.5. Các tính chất áp điện của gốm PZT-MnZn-LBO 37 2.3. CHẾ TẠO BIẾN TỬ CHO SIÊU ÂM HỘI TỤ [1], [8], [11] 44 2.4. LẮP RÁP CỤM BIẾN TỬ [8] 47 CHƯƠNG 3 50 CHẾ TẠO MÁY PHÁT SIÊU ÂM CÔNG SUẤT KIƒU H„I TỤ 50 3.1. THIẾT KẾ ĐẦU PHÁT KIỂU NHẢY BƯỚC (USH) [19], [20], [21] 51 3.2. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ 54 3.2.1. Phương pháp kích thích biến tử siêu âm 55 3.2.2. Thiết kế mạch phát siêu âm 56 3.2.3. Nguyên lý hoạt động mạch điều khiểu biến tử siêu âm 58 3.2.3.1. Sơ đồ mạch điện 58 3.2.3.2. Nguyên lý hoạt động 58 3.3. LẮP RÁP VÀ HOÀN THIỆN MÁY PHÁT SIÊU ÂM CÔNG SUẤT KIỂU HỘI TỤ 59 3.4. CÁC THÔNG SỐ CỦA MÁY PHÁT SIÊU ÂM KIỂU HỘI TỤ 60 3.4.1. Tần số làm việc, biên độ tín hiệu, dòng điện tiêu thụ 60 3.4.2. Công suất âm 61 3.5. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA MÁY SIÊU ÂM HỘI TỤ ĐÃ CHẾ TẠO 63 3.5.1. Chế tạo nano bạc 63 3.5.2 . Chế tạo nhũ tương hệ dầu tràm - nước 64 Tiếng Việt 68 Tiếng Anh 69 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa AOPs Quá trình oxy hóa nâng cao UV Ánh sáng tia cực tím PZT Pb PZT-MnZn PZT-MnZn-LBO USH Đầu phát dạng nhảy bước DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Khối lượng riêng của các mẫu gốm PZT-MnZn-LBO 32 Bảng 2.2. Sự phụ thuộc của điện trường kháng và phân cực dư vào nồng độ LBO Bảng 2.3. Các thông số từ phổ cộng hưởng áp điện Bảng 2.4. Các thông số áp điện dao động theo phương bán kính Bảng 2.5. Các giá trị tần số cộng hưởng bậc một, bậc ba và hệ số liên kết điện cơ của dao động theo chiều dày Bảng 2.6. Khối lượng riêng và vận tốc âm của vật liệu Bảng 2.7. Thông số hình học của các biến tử Bảng 2.8. Các đặc trưng cộng hưởng của mẫu và Bảng 2.9. Các thông số hình học của khối kim loại nhôm và thép Bảng 3.1. Các tham số của đường làm khớp Bảng 3.2. Đặc tính kỹ thuật của máy phát siêu âm hội tụ DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Quá trình tạo bọt khí Hình 1.2. Phân bố nhiệt độ trong và ngoài bọt khí Hình 1.3. Sự phụ thuộc của bán kính bọt khí vào tần số cộng hưởng 14 Hình 1.4. Tổng hợp các vật liệu cấu trúc nano bằng phương pháp hóa học dưới tác động của siêu âm Hình 2.1. Quy trình công nghệ chế tạo gốm theo phương pháp truyền thống Hình 2.2. Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu M850-2.0 31 Hình 2.3. Ảnh hiển vi điện tử quét của gốm M850-2.0 32 Hình 2.4. Sự phụ thuộc của khối lượng riêng vào nhiệt độ thiêu kết ứng với các mẫu có nồng độ LBO khác nhau Hình 2.5. Sự phụ thuộc hằng số điện môi và tổn hao điện môi vào nhiệt độ của mẫu 850-1.5 33 Hình 2.6. Sự phụ thuộc hằng số điện môi và tổn hao điện môi vào nhiệt độ của mẫu M850-2 33 Hình 2.7. Sự phụ thuộc hằng số điện môi và tổn hao điện môi vào nhiệt độ của mẫu M850-2.5 34 Hình 2.8. Sự phụ thuộc hằng số điện môi và tổn hao điện môi vào nhiệt độ của mẫu M850-3 34 Hình 2.9. Sự phụ thuộc hằng số điện môi, tổn hao điện môi vào nhiệt độ ứng với các mẫu khác nhau 34 Hình 2.10. Sự phụ thuộc nhiệt độ Curie T c vào nồng độ LBO 35 Hình 2.11. Dạng đường trễ của các mẫu M0 , M850-2, M850-2.5, M850-3 36 Hình 2.12. Dạng đường trễ của các mẫu 36 Hình 2.13. Sự phụ thuộc của phân cực dư vào nồng độ LBO 37 Hình 2.14. Sự phụ thuộc của điện trường kháng vào nồng độ LBO 37 Hình 2.15. Phổ dao động radian của mẫu M750-2 37 Hình 2.16a. Phổ dao động radian của mẫu M800-2.5 37 Hình 2.16b. Phổ dao động radian của mẫu M800-3 38 Hình 2.17. Phổ dao động radian của mẫu M850-2 38 Hình 2.18. Phổ dao động radian của mẫu MU5H 38 Hình 2.19. Phổ dao đông radian của mẫu M0 38 Hình 2.20. Sự phụ thuộc hệ số liên kết điện cơ k p vào nhiệt độ thiêu kết ứng với các mẫu có nồng độ LBO khác nhau 41 Hình 2.2. Sự phụ thuộc hệ số phẩm chất Q m vào nhiệt độ thiêu kết ứng với các mẫu có nồng độ LBO khác nhau 41 Hình 2.22. Phổ dao động cộng hưởng theo chiều dày của các mẫu 42 Hình 2.23. Sự phụ thuộc hệ số liên kết điên cơ k t vào nhiệt độ thiêu kết ứng với các mẫu có nồng độ LBO khác nhau 43 Hình 2.24. Biến tử Langevin kép 45 Hình 2.25. Biến tử áp điện sau khi được chế tạo 46 Hình 2.26. Phổ cộng hưởng áp điện của (a) mẫu , (b) mẫu 46 Hình 2.27. Mạch đo điện áp xuất hiện trên biến tử khi chịu lực ép 48 Hình 2.28. Biến tử ghép đã chế tạo 48 Hình 2.29. Mặt cắt của biến tử ghép 48 Hình 2.30. Phổ cộng hưởng áp điện của (a) hệ biến tử, (b) biến tử tự do 49 Hình 3.1. Một số dạng đầu phát trong hệ siêu âm công suất 50 Hình 3.2. Đầu phát siêu âm nhảy bước (quan hệ và biên độ) 52 Hình 3.3. Mặt cắt ngang của đầu phát siêu kiểu hội tụ 56 Hình 3.4. Đầu phát siêu âm hội tụ đã lắp ráp hoàn thiện 54 Hình 3.5. Phổ cộng hưởng của đầu phát siêu âm 54 Hình 3.6. Sơ đồ khối của máy phát siêu âm kiểu hội tụ 55 Hình 3.7. Mô hình biến tử Butterworth- Van Dyke 56 Hình 3.8. Sơ đồ nguyên lý bộ khuếch đại công suất đẩy-kéo 57 Hình 3.9. Biến áp suất âm 58 Hình 3.10. Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử của máy phát siêu âm đơn 58 Hình 3.11. Sơ đồ mạch in của mạch phát siêu âm đơn 59 Hình 3.12. Chùm hội tụ của sóng siêu âm trong môi trường nước 60 Hình 3.13. Dạng tín hiệu trên các biến tử của máy phát 60 Hình 3.14. Máy phát siêu âm hội tụ thành phẩm 61 Hình 3.15. Thí nghiệm đo công suất âm 62 Hình 3.16. Sự gia tăng nhiệt độ của nước theo thời gian dưới tác dụng của siêu âm hội tụ 62 Hình 3.17. Phổ UV-VIS của dung dịch nano bạc nồng độ 100 ppm 64 Hình 3.18. Trước khi siêu âm 65 Hình 3.19. Sau khi siêu âm 65 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Siêu âm là một trong những lĩnh vực khoa học phát triển khá nhanh trong thời gian hiện nay. Tuỳ thuộc vào tần số, công suất phát của các nguồn siêu âm mà chúng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống, khoa học và công nghệ. Trong nông nghiệp, sóng siêu âm có tác dụng rất hiệu quả đến quá trình xử lý giống, kích thích sinh trưởng. Dưới tác động của sóng siêu âm, các chất vi lượng trong đất được giải phóng và năng suất cây trồng được nâng cao, tác dụng cải tạo đất hiệu quả hơn. Sóng siêu âm đã được ứng dụng trong việc thăm dò, đánh bắt hải thuỷ sản. Trong y học, nhờ những tiến bộ vượt bậc của kỹ thuật điện tử - tin học - tự động hóa, các thiết bị chẩn đoán, thăm dò, điều trị, phẫu thuật và vi phẫu thuật hiện đại dựa trên nguyên lý sóng siêu âm đã được đưa vào sử dụng. Kỹ thuật điều trị bằng siêu âm cũng ngày càng tỏ ra hiệu quả trong việc điều trị nhiều loại bệnh khác nhau. Làm sạch bằng siêu âm được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực nghiên cứu khoa học, đời sống là một trong những ví dụ điển hình về tính hiệu quả của siêu âm. Như chúng ta đã biết, nhiệt độ cao và áp suất lớn là hai thông số vật lý quan trọng nhất trong bất kỳ một quá trình nào liên quan đến việc chế tạo vật liệu. Có thể nói, ai làm chủ được hai thông số này, người đó có thể chế tạo được bất kỳ một vật liệu nào theo mong muốn. Hiện nay, người ta đang quan tâm nghiên cứu ứng dụng siêu âm công suất cao để chế tạo các vật liệu vô cơ, hữu cơ, vật liệu điện tử có cấu trúc nano. Với một nguồn phát siêu âm công suất lớn, hiệu ứng cavitacy hình thành các bọt khí có áp suất nội đến hàng nghìn atmotphe, nhiệt độ biểu kiến khoảng 5000 K, tốc độ tăng và giảm nhiệt độ đạt tới 10 10 K/s. Các phản ứng hoá học không thể xảy ra trong điều kiện thường, sẽ dễ dàng thực hiện khi có mặt của sóng siêu âm công suất cao. Các dung dịch khác nhau không thể hoà tan sẽ dễ dàng trộn lẫn vào nhau một cách đồng nhất và dễ dàng khi có mặt siêu âm. Trong xử lý chất thải bảo vệ môi trường, siêu âm hiện đang được chú trọng như một tác nhân siêu oxy hoá tiên [...]... Langevin kiểu hội tụ Chương 3 Nghiên cứu chế tạo máy phát siêu âm công suất kiểu hội tụ - Thiết kế mạch điện tử kích thích phát sóng siêu âm - Thiết kế và lắp ráp máy phát siêu âm công suất kiểu hội tụ - Xác định các thông số của máy phát siêu âm công suất kiểu hội tụ - Thử nghiệm ứng dụng − 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SIÊU ÂM CÔNG SUẤT 1.1 HIỆU ỨNG SINH LỖ HỔNG Hóa học ứng dụng siêu âm gọi là âm hóa học... văn được triển khai trong ba chương Chương 1 Tổng quan về siêu âm công suất Trong chương này, chúng tôi trình bày một số khái niệm về siêu âm công suất và các ứng dụng của siêu âm công suất để minh chứng cho vai trò của nó trong các lĩnh vực khác nhau của đời sống, khoa học và công nghệ Chương 2 Chế tạo biến tử siêu âm công suất kiểu hội tụ - Chế tạo vật liệu trên cơ sở gốm Pb(Zr0.51Ti0.49)O3 – 0.4%wt... học Huế, là nhóm đầu tiên đã chế tạo thành công thiết bị phát siêu âm công suất với tần số 33.2 kHz và công suất siêu âm 117W [2], [3], [6] 3 Tác giả Nguyễn Văn Thông đã lắp ráp thành công máy phát siêu âm công suất đa tần sử dụng hai đầu phát ghép được điều khiển bởi hai mạch điện tử riêng lẻ hoạt động đồng thời trong khay chứa siêu âm trên nguyên lý hiệu ứng tạo phách để tạo ra một dải tần số rộng... của đề tài - Nghiên cứu chế tạo hệ vật liệu áp điện PZT(51/49) − 0.4%wt MnO 2 − 0.15%wt ZnO pha chất chảy LBO thiêu kết ở nhiệt độ thấp Chế tạo biến tử áp điện hình xuyến - Lắp ráp biến tử ghép kiểu Langevin và thiết kế đầu hội tụ - Thiết kế mạch kích phát sóng siêu âm - Lắp ráp máy phát siêu âm công suất kiểu hội tụ 5 Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thực nghiệm, sử dụng công nghệ gốm truyền thống... Siêu âm có thế làm gia tăng tốc độ, hiệu suất chiết tách các hợp chất quý mà các phương pháp thông thường không thể đạt được Ở nước ta hiện nay, việc nghiên cứu và ứng dụng của siêu âm công suất cao vẫn còn hạn chế Để thúc đẩy và góp phần vào lĩnh vực này và trên cơ sở trang thiết bị tại phòng thí nghiệm khoa lý Trường đại học Khoa học Huế, chúng tôi chọn Nghiên cứu chế tạo máy phát siêu âm công suất. .. truyền sóng và diện tích bề mặt lớn, do đó rất khó để chế tạo Vì vậy, kỹ thuật hội tụ để nâng cao công suất phát là một đòi hỏi thiết yếu đặt ra Ý nghĩa về lý luận và thực tiễn của đề tài Đề tài góp phần vào những nghiên cứu cơ bản về siêu âm công suất và ứng dụng 3 Tình hình nghiên cứu và tính mới của đề tài Tình hình nghiên cứu Năm 2009, nhóm nghiên cứu gồm Tiến sỹ Trương Văn Chương, Thạc sỹ Lê Quang... kiểu hội tụ làm đề tài cho Luận văn Thạc sỹ 2 Tính cấp thiết của đề tài Sự cần thiết nghiên cứu Ngày nay, những ứng dụng siêu âm trong các lĩnh vực khác nhau, đòi hỏi công suất phát cao chẳng hạn như : khoan, mài, cắt các vật liệu cứng, máy giặt siêu âm, hàn bằng siêu âm hay những ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp và đặc biệt là trong lĩnh vực chế tạo vật liệu Trong những năm gần đây, thiết bị phát. .. máy phát siêu âm dưới nước sử dụng biến tử dạng đĩa [9] Cũng trên nền vật liệu này, Thạc sỹ Phan Thanh Hà đã nghiên cứu và chế tạo thành công biến tử phát siêu âm dùng trong thiết bị kiểm tra không phá huỷ bê tông [5] Tính mới của đề tài Lần đầu tiên sử dụng đầu hội tụ để tập trung năng lượng siêu âm vào một vùng đã được định trước nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng 4 Mục đích của đề tài - Nghiên cứu chế. .. khí trong nước được tạo ra tăng lên cùng với tần số Nếu công suất đầu vào siêu âm là hằng số thì thiết bị phát tần số thấp sẽ tạo ra ít hơn những sự nổ tung bọt khí trong nước ứng với năng lượng cao hơn trong khi một tần số cao hơn sẽ tạo ra nhiều những sự nổ tung bọt khí trong nước ứng với năng lượng thấp hơn 15 1.3 ỨNG DỤNG CỦA SIÊU ÂM CÔNG SUẤT Như đã đề cập, sóng siêu âm công suất ngày càng được... thống siêu âm hội tụ hoạt động tại tần số 20 kHz Đây là những nguyên mẫu đầu tiên của mô hình siêu âm hội tụ thường được sử dụng để phóng thích các tế bào lơ lửng của vi sinh vật mà không phân hủy hoặc làm biến tính chúng Một số giả thuyết đã được đưa ra để mô tả cơ chế phân hủy tế bào dưới tác động của siêu âm Tất cả đều bắt nguồn từ hiệu ứng sinh lỗ hổng Các hiệu ứng cơ của sóng siêu âm công suất . Langevin kiểu hội tụ Chương 3. Nghiên cứu chế tạo máy phát siêu âm công suất kiểu hội tụ - Thiết kế mạch điện tử kích thích phát sóng siêu âm - Thiết kế và lắp ráp máy phát siêu âm công suất kiểu hội. đã chế tạo thành công thiết bị phát siêu âm công suất với tần số 33.2 kHz và công suất siêu âm 117W [2], [3], [6]. 3 Tác giả Nguyễn Văn Thông đã lắp ráp thành công máy phát siêu âm công suất. HOÀN THIỆN MÁY PHÁT SIÊU ÂM CÔNG SUẤT KIỂU HỘI TỤ 59 3.4. CÁC THÔNG SỐ CỦA MÁY PHÁT SIÊU ÂM KIỂU HỘI TỤ 60 3.4.1. Tần số làm việc, biên độ tín hiệu, dòng điện tiêu thụ 60 3.4.2. Công suất âm 61 3.5.