Nguyên lý căn bản của nó là chuyển đổi dao động điện tần số siêu âm thành dao động cơ kích thích vào một bình chứa nước sử dụng một transducer.
Transducer có tác dụng chuyển đổi dao động điện thành dao động cơ học
ở cùng tần số dựa trên hiệu ứng áp điện nghịch. Đây là lý thuyết cơ bản nhất trong nguyên lý hoạt động của máy khí dung siêu âm.
Hiệu ứng áp điện thuận – nghịch (Piezo – electric effect) do hai nhà bác học Jean và Pierre Curie tìm ra vào năm 1980 trên tinh thể thạch anh Tuormaline và sau đó người ta đó quan sát thấy trên tinh thể thạch anh cũng như
nhiều loại gốm tự nhiên và nhân tạo khác. Hiệu ứng này được phát biểu như sau:
Hiệu ứng thuận: Nếu ta tác động một lực cơ học hay nói cách khác là khí nén hoặc kéo dãn một số tinh thể gốm theo những phương pháp đặc biệt trong tinh thể thô trong các mặt giới hạn của tinh thểđó xuất hiện điện tích trái dấu và do đó có một hiệu điện thế giữa hai bề mặt. Mặt khác, như ta đó biết, sóng siêu âm là sóng cơ học, do đó khi sóng siêu âm va đập vào bề mặt tinh thể gốm thô sẽ làm xuất hiện trên tinh thể một chuỗi xung điện có độ lớn tỷ lệ với cường độ
của sóng âm.
Hiệu ứng thuận:
Hiệu ứng nghịch: Nếu ta đặt lên tinh thể gốm áp điện một hiệu điện thế
tùy thuộc vào chiều của hiệu điện thế, gốm sẽ rã ra hay nén lại. Nếu đặt lên tinh thể gốm một hiệu điện thế xoay chiều thể tinh thể gốm sẽ nén giãn liên tiếp và dao động theo tần số của hiệu điện thế xoay chiều, tạo ra áp lực nén và giãn liên tục vào môi trường bao quanh tức là tạo ra sóng âm.
Hiệu ứng nghịch:
Việc tạo dao động siêu âm bằng tinh thể áp điện được dựa trên cơ sở hiệu
ứng áp điện của một số chất trong tự nhiên như thạch anh, titanate, bari…tuy nhiên chất lượng của các tinh thể loại này bị giảm trong môi trường độẩm, nhiệt
điển hình là gốm áp điện. Loại này ít bị ẩm hơn, có chất lượng cao, hình dáng đa dạng.
Quá trình biến đổi thuốc thành sương trong máy khí dung
Hình 8 : Nguyên tắc hoạt động của Transducer
Transducer trong máy khí dung siêu âm được đặt trong một mạch dao
động với tần số siêu âm, Transducer truyền sóng dao động với tần số siêu âm vào nước. Nước truyền dao động đó cho một màng dung dịch thuốc.
Dung dịch thuốc trong màng cũng được dao động và thoát lên mặt thoáng của dung dịch dưới dạng sương mù. Bình chứa nước đóng vai trò là môi trường truyền dao động và đồng thời làm nguội transducer. Tần số siêu âm sử dụng thường lớn hơn 100 kHz.
Kích thước và mật độ hạt sương được hình thành từ máy khí dung siêu âm phụ thuộc vào tần số và công suất siêu âm. Các hạt sương thoát ra khỏi gợn sóng
ở bề mặt ở tần số dưới 100 kHz. Hiện tượng này có thể xuất hiện với công suất thấp hơn khi trong chất lỏng tạo sương có ga. Các hạt sương được hình thành sau khi thoát được sức căng bề mặt nước và kích thước của các hạt sương này liên quan mật thiết đến tần số dao động theo công thức [9]:
3 / 1 2 8 34 , 0 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∏ = pf d σ Trong đó : d là đường kính hạt sương σlà sức căng bề mặt p là độđậm đặc của chất lỏng f là tần số siêu âm
Ở tần số cao, cỡ Mhz, các hạt sương thoát ra từ các cột nước được hình thành do dao động siêu âm chứ không thoát ra từ bề mặt gợn sóng của thuốc.
Hình 10 : Thuốc ở dạng sương thoát ra từ bề mặt của cột nước được hình thành do dao động siêu âm
Lúc này, công thức liên hệ giữa đường kính hạt sương và tần số siêu âm trên không còn đúng nữa. Tuy nhiên qua nhiều nghiên cứu, các nhà khoa học đã khẳng định được sự phụ thuộc của kích cỡ hạt sương và tần số siêu âm. Tương tự như đối với hạt sương tạo bởi gợn sóng, các hạt sương tạo bởi cột nước có
đường kính giảm dần khi tần số siêu âm tăng dần.
Ở các máy khí dung sử dụng phương pháp siêu âm, mật độ hạt sương có thể dễ dàng đạt được mức 107 cm-3, lớn hơn rất nhiều so với máy khí dung cơ.
Đây chính là một trong những ưu điểm chính của máy khí dung siêu âm so với máy khí dung cơ khi xét đến hiệu quảđiều trị.