Siêu âm là một rung động cơ học và được sản xuất bằng cách chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Năng lượng siêu âm trong dải tần số 20 – 100kHz với cường độ âm thanh 10-1000 W/cm2. [17]
Sóng siêu âm là sóng dọc: tức là giao động cùng chiều với chiều lan truyền sóng.
Siêu âm chỉ truyền trong môi trường giãn nở (trừ chân không) Các thông số sóng siêu âm:
Tần số (Hz): là số lần cùng một hiện tượng lặp lại trên một đơn vị thời gian.
18
Bước sóng: là khoảng cách giữa hai đỉnh sóng (điểm mà sóng đạt giá trị lớn nhất), hoặc tổng quát là giữa hai cấu trúc lặp lại của sóng, tại một thời điểm nhất định.
Cường độ siêu âm: là lượng năng lượng được sóng âm truyền qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền âm. (W/cm2).
Năng lượng siêu âm (J/cm3): là động năng dao động và thế năng đàn hồi của các phần tử trong môi trường.
1.3.2. Cơ chế tác dụng
Sóng siêu âm được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành, bao gồm hoá học, vật lý, kỹ thuật, hải dương học, địa chấn học, y học, công nghiệp thực phẩm,… Hầu hết các ứng dụng này đều dựa trên hai tính năng độc đáo của sóng siêu âm:
- Sóng siêu âm lan truyền chậm hơn sóng điện từ khoảng 100.000 lần. Điều này tạo ra khả năng ghi nhận thông tin kịp lúc, cũng như độ thay đổi độ trễ của các biến.
- Sóng siêu âm có thể dễ dàng xâm nhập vào các vật liệu chắn sáng, trong khi nhiều bức xạ ánh sáng không làm được. Nguồn sóng siêu âm không tốn kém mà lại nhạy và đáng tin cậy, tạo nên một phương pháp đáng chờ mong để có được hình ảnh của các vật liệu chắn sáng. [18]
- Sóng siêu âm có thể gây các tác dụng sau [17]
+ Tác dụng nhiệt: Nhiệt là kết quả quá trình hấp thụ năng lượng dao động của sóng siêu âm, đặc biệt là tại điểm tiếp xúc giữa các phần tử có thể xảy ra sự tăng nhiệt cục bộ. Nhiệt độ tăng cục bộ này có thể lên đến hơn 4800K với một số sóng siêu âm.
+ Tác dụng xâm thực: Xâm thực do siêu âm là sự quá trình hình thành, phát triển và vỡ của các bọt khí trong lòng chất lỏng do sự biến đổi áp suất gây nên. Tại bọt khí ở thời điểm vỡ bọt có thể đạt nhiệt độ lên đến 5000K và áp suất 2000atm trong
19
bể siêu âm ở nhiệt độ phòng. Chính áp lực và nhiệt độ này làm phá vỡ bề mặt vật liệu và tăng khuếch tán dung môi vào trong và chất trích ly được phóng thích ra bên ngoài.
Hình 1.13. Cơ chế phá vỡ tế bào vật liệu của xâm thực bằng sóng siêu âm + Tác dụng lên cấu trúc: khi chất lỏng nằm trong trường tác động của sóng siêu âm cường độ cao, dao dộng và áp lực tác động lên độ nhớt của nó.
+ Nén và dãn: khi sóng siêu âm năng lượng cao đi qua môi trường rắn, nó gây nên một loạt các chu kỳ nén và dãn liên tục tương ứng với tần số của sóng siêu âm.
Mặc dù thay đổi áp lực do nén dãn là nhỏ nhưng tác dụng của nó lại mạnh do tốc độ nhanh của dao động. Vật liệu rắn mật độ cao có thể bị phá vỡ do áp lực từ sóng siêu âm.
+ Nhiễu động: Siêu âm cường độ cao có thể làm phân tán các phần tử ở trong các khí hay chất lỏng có độ nhớt thấp. Tại bề mặt phân pha lỏng/ rắn hoặc khí/ rắn, sóng siêu âm gây ra hỗn loạn lớn gọi là “dòng chảy siêu âm” hay “dòng chảy siêu nhỏ”. Điều này làm giảm lớp biên khuếch tán, làm tăng lượng chất chuyển động đối lưu, và từ đó làm tăng tốc độ khuếch tán.
+ Tác dụng khác: Trong điều kiện nhất định, siêu âm cường độ cao có thể gây đông tụ nhiều loại phần tử và ứng dụng hiệu quả với huyền phù nồng độ thấp.
1.3.3. Thiết bị phát sóng siêu âm
Thiết bị phát sóng siêu âm cũng phải gồm có 3 phần tối cần thiết sau:
20
Bộ phận chuyển phần lớn điện năng thành dòng điện xoay chiều tần số cao để vận hành bộ phận biến đổi .
Bộ phận biến đổi chuyển dòng điện xoay chiều tần số cao thành những dao động. Phần lớn thiết bị phát sóng siêu âm ngày nay sử dụng kỹ thuật áp điện. Hình dạng và kích thước của bộ phận này phụ thuộc vào tần số làm việc, bộ phận 20kHz có chiều dài gấp đôi bộ phận 40kHz. Năng lượng qua bộ biến đổi sẽ chuyển ngược lại thành bình phương tần số dao động, vì vậy thiết bị năng lượng cao tần số thấp được chú trọng. Bộ phận biến đổi nối với hệ thống truyền sóng thông qua một thiết bị phụ.
Hệ thống truyền sóng sẽ truyền những dao động vào trong lòng chất lỏng. Trong thiết bị phát sóng siêu âm dạng bể, bộ phận biến đổi được gắn ở đáy bể và truyền trực tiếp dao động vào chất lỏng trong bồn. Tuy nhiên, đối với thiết bị năng lượng cao (thiết bị dạng thanh/que) dao động được khuyếch đại và truyền vào môi trường lỏng nhờ thiết bị trung gian gắn với bộ phận biến đổi. Theo thời gian, đầu của bộ phận trung gian này có thể bị mòn và bị giảm chiều dài cần thiết vì vậy người ta phải lắp đầu có thể tháo gỡ được. [19]
1.3.4. Ứng dụng của sóng siêu âm
Sóng siêu âm chủ yếu dùng để chế biến, bảo quản và trích ly trong công nghệ thực phẩm. Các ứng dụng cụ thể của sóng siêu âm trong ngành công nghệ thực phẩm có thể được liệt kê trong Bảng 1.2 và Bảng 1.3 [20]
- Đối với tế bào sống
+ Kích thích hoạt động: có nhiều ví dụ về việc tăng sản xuất thực phẩm bằng sóng siêu âm mà làm tăng hiệu quả hoạt động của tế bào mà không phá vỡ chúng, chẳng hạn:
+ Tăng sự sản xuất protein của tảo gấp 3 lần khi sử dụng siêu âm năng lượng thấp.
21
+ Giảm đến 40% thời gian sản xuất sữa chua, lại cải thiện được tính đồng bộ và kết cấu sản phẩm.
+ Tăng 30 số hạt hướng dương nảy mầm.
+ Giảm 10 ngày thời gian chín của cà chua.
+ Việc tăng tỉ lệ nảy mầm và giảm thời gian chín là cơ sở cho việc thay thế các phương pháp hoá học để sản xuất sản phẩm nông nghiệp hữu cơ.
Bảng 1.2. Các ứng dụng của sóng siêu âm trong công nghệ thực phẩm
Lĩnh vực Ứng dụng
Chế biến thực phẩm Lọc Khử bọt Bài khí Khử polymer Nấu
Tách khuôn Cắt
Làm lạnh và tạo tinh thể đá Làm tan giá
Làm khô Làm mềm thịt
Ướp muối, dầm giấm Tiệt trùng/ thanh trùng Nhũ hoá/ đồng hoá Bảo quản thực
phẩm
Bất hoạt tế bào vi sinh vật Bất hoạt bào tử
Bất hoạt enzyme Trích ly Hỗ trợ trích ly
Bảng 1.3. Tác dụng của năng lượng siêu âm [21]
Đối tượng tác dụng Ảnh hưởng
Tế bào sống Kích thích hoạt động
Phá huỷ tế bào
Enzyme Kích thích hoạt động
Kiểm soát sự làm biến tính Áp lực bề mặt Cải thiện quá trình thẩm thấu
Cải thiện sự quá trình trích ly
22