Siêu âm là sóng cơ học hình thành do sự lan truyền dao động của các phần tử trong không gian có tần số lớn hơn giới hạn trên ngưỡng nghe của con người (16-20 kHz), có tần số khoảng 20-100kHz. Ngoài ra, sóng siêu âm có bản chất là sóng dọc hay sóng nén, nghĩa là trong trường siêu âm các phần tử dao động theo phương cùng với phương truyền của sóng.
Các đại lượng đặc trưng của sóng:
- Chu kì T (s): là khoảng thời gian mà sóng thực hiện một lần nén và một lần dãn. - Tần số f (Hz): là số chu kì thực hiện được trong 1 giây.
- Vận tốc truyền của sóng âm là quãng đường mà sóng âm truyền được sau một khoảng đơn vị thời gian.
- Độ dài bước sóng X (^m); là quãng đường mà sóng truyền được sau một khoảng thời gian bằng 1 chu kì (X=v.T=v/f). Trên hình vẽ, ta thấy bước sóng X là khoảng cách giữa hai đỉnh hoặc hai đáy kế nhau.[33]
The Frequency Ranges of the Sound
0 1 0 1 l ò 1 1 0 1 1 0 10 1 0 H um an hearing
C o n v e n tio n a l pow er u ltrasou n d Exten ded range for s o n o c h e m is try D ia g n o s tic ultrasound
16Hz - 18kHz 20kHz - 100kHz 20kHz - 2M H z 5 M H z - 10MHz
Hình 1.14: Phân loại các sóng theo tần số • Nguyên lý tác động của sóng siêu âm
s Hiện tượng xâm khí thực
Tuy nhiên sự chiếu xạ siêu âm trong môi trường lỏng lại sản sinh ra một năng lượng lớn, do đó gây nên hiện tượng vật lý gọi là cavitation (sự tạo và vỡ bọt), quá trình này phụ thuộc vào môi trường phản ứng (môi trường đồng thể lỏng rất khác so với môi trường rắn - lỏng).
Siêu âm được chiếu xạ qua môi trường lỏng tạo ra một chu kì dãn nở, nó gây ra áp suất chân không trong môi trường lỏng. Hiện tượng cavitation xảy ra khi áp suất chân không vượt quá so với độ bền kéo của chất lỏng, độ bền này thay đổi tuỳ theo loại và độ tinh khiết của chất lỏng. Thông thường sự tạo - vỡ bọt là một quá trình tạo mầm, bắt nguồn từ những chỗ yếu trong chất lỏng như một lỗ hổng chứa khí phân tán lơ lửng trong hệ hoặc là những vi bọt tồn tại thời gian ngắn trước khi sự tạo - vỡ bọt diễn ra. Hầu hết các chất lỏng đều có đủ những yếu tố này để hình thành cavitation.
Những vi bọt này qua sự chiếu xạ của siêu âm thì sẽ hấp thụ dần năng lượng của sóng vá sẽ phát triển. Sự phát triển của bọt phụ thuộc vào cường độ của sóng. Ở cường độ sóng cao, những bọt này sẽ phát triển nhanh thông qua tương tác quán tính. Nếu chu kì dãn nở của sóng đủ nhanh, bọt khí được bọt khí được giãn ra ở nữa chu kì đầu và nữa chu kì còn lại là nén bọt, nhưng bọt chưa kịp nén thì lại được giãn tiếp, cứ thế bọt lớn dần lên và vỡ. Ở cường độ âm thấp hơn, bọt khí cũng hình thành theo quá trình ch ậm hơn.
Sự nén khí tạo ra nhiệt. Trong chất lỏng chiếu xạ siêu âm, sự nén khí cũng diễn ra khi các bọt khí bị vỡ vào trong dưới áp lực của chất lỏng bên ngoài, sự vỡ này sinh ra một lượng nhiệt tại điểm đó gọi là sự toả nhiệt tại một điểm (hot - spot). Tuy nhiên, trong môi trường xung quanh là lỏng lạnh và sự gia nhiệt nhanh chóng được dập tắt, nên nó tồn tại trong thời gian ngắn. Hot - spot là yếu tố quyết định của âm hoá học trong môi trường đồng thể.
Trong suốt chu trình kéo/nén, bọt khí kéo dãn và kết hợp lại cho đến khi đạt được cân bằng hơi nước giữa bên trong và bên ngoài bọt khí. Diện tích bề mặt bọt khí trong chu trình kéo lớn hơn trong chu trình nén vì vậy sự khuếch tán khí trong chu trình kéo lớn hơn và kích cỡ bọt khí cũng tăng lên trong m ỗi chu trình. Các bọt khí lớn dần đến một kích cỡ nhất định mà tại đó năng lượng của sóng siêu âm không đủ để duy trì pha khí khiến bọt khí nổ tung dữ dội. Khi đó các phân tử va chạm với nhau mãnh liệt tạo nên sự “ sốc sóng” trong lòng chất lỏng, kết quả là hình thành những điểm có nhiệt độ và áp suất rất cao (55000C và 50MPa).
H ình 1.15: Cơ chế cavitation của sóng siêu âm
Trong môi trường lỏng - rắn, sự tạo - vỡ bọt khí xảy ra gần bề mặt phân cách lỏng - rắn thì nó khác so với trong hệ đồng thể. Trong hệ đồng thể thì quá trình vỡ bọt, bọt vẫn ở dạng hình cầu đối xứng. Tuy nhiên ở ranh giới phân cách rắn - lỏng thì sự vỡ bọt ở dạng bất đối xứng và tạo ra một sự phun chất lỏng với tốc độ rất cao.
H ình 1.16: Hình ảnh của một bóng kh í trong môi trường lỏng chiếu
xạ siêu âm vỡ gần bề mặt rắn. S ự có m ặt của bề mặt rắn là nguyên nhân của sự vỡ bất đối xứng, hình thành một vòi chất lỏng bắn vào
bề mặt rắn với tốc độ cao.
Cơ chế tác động năng lượng siêu âm trên hệ thống các chất ở môi trường lỏng chủ yếu là do sự tạo lổ hổng và các lực này có một ảnh hưởng nguy kịch lên hệ thống sinh học. Sự tạo lổ hổng do sóng âm chủ yếu được chia làm 2 loại: loại tạm thời và loại bền vững.
- Dạng bong bóng sủi trong nước chứa đầy khí hay hơi nước, trải qua sự dao động
không đều nhau và cuối cùng nổ tung. Điều này sinh ra nhiệt và áp suất tại chỗ cao sẽ phân huỷ các tế bào sinh học và làm biến tính các enzyme hiện diện. Các bong bóng nổ tung vào trong cũng sinh ra các lực biến dạng cao và các tia lỏng trong dung môi có thể đủ năng lượng
phá huỷ màng tế bào một cách cơ học. Cơ chế tác động kiểu này cũng từng được sử dụng ở quy mô nhỏ trong việc tẩy uế nguồn nước bị nhiễm bào tử vi sinh vật.
- Dạng lổ ổn định liên quan đến những bọt sủi mà dao động theo một dạng đều cho
nhiều chu trình âm thanh. Các bọt sủi cảm ứng các vi dòng có thể gây ra stress trong các chất lỏng xung quanh lên vài loài. Tác dụng này vì vậy mà cung cấp một lượng lớn mà không có sự nổ của các bọt sủi. Dạng tạo lổ trống này quan trọng trên một loạt các ứng dụng của sóng siêu âm trong công nghệ sinh học.
Hiện tượng vi xoáy
Sóng siêu âm cường độ cao truyền vào trong lòng chất lỏng sẽ gây nên sự kích thích mãnh liệt. Tại bề mặt tiếp xúc giữa 2 pha lỏng/rắn hay khí/rắn, sóng siêu âm gây nên sự hỗn loạn cực độ do tạo thành những vi xoáy. Hiện tượng này làm giảm ranh giới giữa các pha, tăng cường sự truyền khối đối lưu và thúc đẩy xảy ra sự khuyếch tán ở một vài trường hợp mà khuấy trộn thông thường không đạt được.[31][32]
