3.4.1. Tần số làm việc, biên độ tín hiệu, dòng điện tiêu thụ
Với mạch điện tử đượcc xây dựng như sơ đồ trên hình 4.2, chúng tôi hoàn thiện máy phát siêu âm kiểu hội tụ.
Cho máy hoạt động ổn định với điện áp lối vào là 100 V, dòng điện tiêu thụ là 0.25 A. Ghi lại tín hiệu của máy bằng dao động ký số Tektronix TDS 1000B, từ đó xác định tần số làm việc, biên độ của tín hiệu phát. Hình 4.3 là dạng tín hiệu phát của máy phát siêu âm kiểu hội tụ.
Hình 3.13. Dạng tín hiệu trên các biến tử của máy phát
Từ hình 3.13, chúng tôi xác định được tần số làm việc của máy là 30.26 kHz, biên độ tín hiệu 1500 V.
3.4.2. Công suất âm
Công suất âm được xác định thông qua phép đo nhiệt lượng. Khi sóng siêu âm truyền trong chất lỏng, hiệu ứng sinh lỗ hổng xảy ra làm phát sinh nhiệt. Đo nhiệt lượng trong khối chất lỏng, từ đó cho phép tính được công suất âm. Thí nghiệm được tiến hành như sau.
Trước hết, xác định nhiệt độ ban đầu của nước, sau đó cho máy hoạt động, dùng nhiệt kế rượu để đo nhiệt độ của chất lỏng trong một khoảng thời gian đủ lớn. Biểu diễn bằng đồ thị lượng gia tăng nhiệt độ, , theo những khoảng thời gian bằng nhau, . Từ đây, công suất âm, , được xác định theo biểu thức
(3.10) trong đó, là khối lượng của nước tính bằng gam ( ), là nhiệt dung riêng của nước. Thí nghiệm đo công suất siêu âm được tổ chức như hình 3.15.
Hình 3.15. Thí nghiệm đo công suất âm
Đầu phát (30.26 kHz) và nhiệt kế rượu (NK) được nhúng vào bình cách nhiệt (C) chứa 1000 gam nước. Nhiệt độ ban đầu của nước được xác định là 28 . Cho máy siêu âm (SAHT – 30.26 kHz) chạy trong 10 phút và ghi lại nhiệt độ của nước sau 60 giây một lần. Biểu diễn sự gia tăng nhiệt độ của nước theo thời gian bằng phần mềm OriginPro 7.5 (hình 3.16)
Hình 3.16. Sự gia tăng nhiệt độ của nước theo thời gian dưới tác dụng của siêu âm hội tụ
Đồ thị có dạng , trong đó các tham số và có giá trị như ở bảng 3.1.
Bảng 3.1. Các tham số của đường làm khớp
Tham số Giá trị
31 877
Thay 31 vào biểu thức tính công suất, nhận được giá trị công suất âm của máy là 135 . Tương ứng với cường độ âm tại vùng trường gần là 135W/0.015cm2 = 9000(W/cm2). Máy phát sau khi thiết kế và chế tạo thành công có các đặc tính kỹ thuật được cho trên bảng 3.3.
Bảng 3.2. Đặc tính kỹ thuật của máy phát siêu âm hội tụ
TT Thông số Diễn giải
1 Trọng lượng 2.5kg
3 Nguồn cung cấp 220/230V; 50/60Hz
4 Công suất điện ngõ vào 55W
5 Công suất hoạt động 135W
6 Biên độ tín hiệu 1500V 7 Dòng tiêu thụ 0.25A T hờ i g ia n (s ) T hé p
8 Tần số làm việc 30.26kHz 9 Thời gian làm việc tối đa 30 phút
3.5. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA MÁY SIÊU ÂM HỘI TỤ ĐÃ CHẾ TẠO3.5.1. Chế tạo nano bạc 3.5.1. Chế tạo nano bạc
Hòa tan 0.002g AgNO3 vào 50ml nước cất, sau đó cho 2.5 ml dung dịch được chiết xuất từ lá ổi rồi, lắc đều để tạo thành một dung dịch đồng nhất. Dung dịch này được đưa vào bình tam giác với dung tích 200 ml và sử dụng máy siêu âm chiếu xạ với thời gian 15 phút. Sau khoảng 5 phút chiếu xạ, chúng ta có thể quan sát thấy các hạt bạc xuất hiện. Theo thời gian, nồng độ bạc tăng lên rất nhanh. Sau 15 phút, các hạt bạc phân tán đồng nhất trong dùng dịch với nồng độ rất cao và đạt tới trạng thái bảo hòa. Để kiểm tra xem các ion bạc đã được khử hoàn toàn về bạc kim loại, chúng tôi đã phơi năng dung dịch này trong khoảng thời gian 10h, quan sát thấy dung dịch hoàn toàn không bị đổi màu, điều này chứng tỏ các ion bạc đã được khử hoàn toàn về Ago. Kết quả phân tích phổ UV-VIS dung dịch nano bạc của mẫu dung dịch có nồng độ 100 ppm cho thấy sự xuất hiện đỉnh hấp thụ cực đại tại bước sóng 420nm. Điều này cho thấy sự có mặt của các hạt nano bạc trong dung dịch.
H ệ số h ấp th ụ Bước sóng (nm) Sau siêu âm Trước siêu âm
Hình 3.17. Phổ UV-VIS của dung dịch nano bạc nồng độ 100 ppm.
3.5.2 . Chế tạo nhũ tương hệ dầu tràm - nước
Việc phân tán các hệ chất lỏng có khối lượng riêng khác nhau thành một hệ là rất khó. Thông thường, người ta sử dụng lực cơ rất lớn với thời gian dài, đôi khi còn phải yêu cầu về nhiệt độ. Kỹ thuật này đòi phải có các thiết bị đắt tiền, nhiệt độ làm bốc bay một số dung môi ban đầu, độ đồng nhất không cao. Bằng kỹ thuật siêu âm có thể tạo ra các hệ nhũ tương chất lượng tốt, đơn giản, tiết kiệm thời gian và năng lượng cũng như về mặt môi trường.
Để tạo hệ nhũ tương dầu tràm – nước bằng kỹ thuật sóng siêu âm sử dụng thiết bị chế tạo được, chúng tôi tiến hành như sau. Lấy 5ml dầu tràm trộn với 200ml nước cất vào trong bình dung tích 250 ml. Sau khi ngừng khuấy trộn cơ học, nước và dầu tách ra thành hai lớp khác nhau (hình 3.18). Xử lý siêu âm khoảng 10 phút, hai hệ này trộn lẫn vào nhau thành một dung dịch đồng nhất có màu trắng sữa (hình 3.19). Hệ nhũ tương dầu – nước khá ổn định, vẫn giữ nguyên trạng thái ban đầu sau thời gian hơn 2 tuần.
Hình 3.18. Trước khi siêu âm Hình 3.19. Sau khi siêu âm
Từ một số kết quả bước đầu thu được có thể thấy, siêu âm công suất cao hoàn toàn có khả năng sử dụng để tổng hợp được các vật liệu nano.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Luận văn thạc sỹ với đề tài Nghiên cứu chế tạo máy phát siêu âm công
suất kiểu hội tụđược thực hiện tại Bộ môn Vật lý Chất rắn, Trường Đại học
Khoa học, Đại học Huế. Hướng theo mục tiêu đặt ra, Luận văn đã giải quyết được những vấn đề dưới đây.
1. Về lý thuyết
Luận văn trình bày khái quát về hiện tượng sinh lổ hỏng âm trong môi trường chất lưu, hiện tượng và động lực học của quá trình nổ tung bọt khí một số ứng dụng của siêu âm công suất. Đặc biệt, luận văn đã đưa ra cơ sở lý thuyết để thiết kế biến tử langevin, đầu horn dạng nhảy bước, mạch điện tử là những bộ phận chủ chốt trong hệ siêu âm hội tụ.
2. Về thực nghiệm
Trên cơ sở công nghệ gốm cổ truyền, chúng tôi đã chọn hệ vật liệu
kỹ thuật thiêu kết pha lỏng với 2%wt làm chất chảy, đã hạ thấp được nhiệt độ thiêu kết của gốm với các thông số vật lý hoàn toàn có thể đáp ứng cho ứng dụng siêu âm công suất.
Nhiệt độ ( ) ( )
850
Theo chế độ này, tiến hành chế tạo cặp biến tử dạng xuyến và lắp ráp biến tử Langevin. Kết quả như sau:
Mẫu Đường kính ngoài ( ) 42 42 Đường kính trong (mm) 12 12 Chiều dày ( ) 6.5 6.5 43.1 43 46.6 47 15 38 94801 93799 6320 2468
Hệ biến tử sau khi được ghép có tần số cộng hưởng .
Bằng tính toán lý thuyết, đã thiết kết được đầu horn dạng nhảy bước với
các thông số: , , , ,
.
Trên cơ sở lý thuyết mạch đã đưa ra, chúng tôi đã thiết kết mạch điện cho hệ siêu âm công suất kiểu hội tụ.
Phần thực nghiệm sau cùng, cũng chính là mục đích chính của đề tài, lắp ráp máy phát siêu âm công suất kiểu hội tụ. Công suất và tần số của máy sau khi
được lắp ráp hoàn thiện tương ứng là , .
3. Về ứng dụng
Sử dụng thiết bị siêu âm công suất này để tổng hợp hạt bạc có kích nm. Kết quả cho thấy, với thời gian 15 phút xử lý siêu âm kết hợp với tác nhân khử
được chiết xuất từ lá ổi đã khử hoàn toàn về .
Tạo nhủ tương giữa dầu tràm - nước, với 5ml dầu tràm, 200ml nước, sau thời gian 10 phút xữ lý siêu âm đã tạo ra được hệ nhủ tương dầu tràm – nước khá ổn định, độ đồng nhất cao.
Trên cơ sở các kết quả đạt được, để nâng cao công suất của thiết bị siêu âm công suất kểu hội tụ, chúng tôi kiến nghị tiếp tục thực hiện một số vấn đề sau Thứ nhất, khảo sát các dạng và loại vật liệu sử dụng để thiết kết đầu horn. Thứ hai, cải tiến mạch điện tử điều khiển biến tử siêu âm sử dụng công nghệ vi xử lý hoạt động có lập trình trước, điện áp nguồn nuôi thấp. Đồng thời, sử dụng các transistor FET ở tầng công suất thì còn có thể khai thác được hiệu suất làm việc của mạch và từ đó tạo điều kiện chế tạo các máy phát siêu âm công suất lớn dễ dàng hơn.
Thứ ba, tìm kiếm hệ vật liệu mới (các hệ gốm áp điện không chì) có các thông số vật liệu có thể sử dụng để chế tạo biến tử, thay thế cho hệ PZT.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1. Đỗ Phương Anh (2010), Chế tạo và nghiên cứu các tính chất vật lý của gốm
áp điện được thiêu kết
ở nhiệt độ thấp, Luận văn Thạc sỹ Khoa học Vật lý, Trường Đại học Khoa học - Đại học Huế.
2. Trương Văn Chương, Lê Quang Tiến Dũng (2009), “Nghiên cứu chế tạo máy diệt tảo và bọ gậy muỗi bằng sóng siêu âm”, Hội nghị Vật lý Chất rắn và Khoa học vật liệu toàn quốc lần thứ 6 (Đà Nẵng).
3. Trương Văn Chương, Nguyễn Mạnh Sơn, Đặng Xuân Vinh, Lê Quang Tiến Dũng, Phan Đình Giớ, Võ Thanh Tùng (2006), Chế tạo máy rửa siêu âm công suất trên cơ sở biến tử gốm áp điện hệ PZT pha tạp, Báo cáo nghiệm thu đề tài cấp bộ trọng điểm, mã số B2003-07-19-TĐ.
4. Võ Duy Dần (2010), Vật liệu điện môi và ứng dụng, NXB Đại học Huế.
5. Phan Thanh Hà (2011), Nghiên cứu chế tạo biến tử phát siêu âm ứng dụng trong thiết bị kiểm tra bê tông, Luận văn Thạc sỹ Khoa học Vật lý, Trường Đại
học Khoa học - Đại học Huế.
6. Thân Trọng Huy (2004), Nghiên cứu chế tạo máy rửa siêu âm trên cở sở gốm áp điện cứng , Luận văn Thạc sỹ Khoa học Vật lý, Trường Đại học Khoa học - Đại học Huế,
7. Nguyễn Đăng Tạc (1978), Siêu âm và ứng dụng, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.
8. Nguyễn Văn Thông (2009), Nghiên cứu chế tạo máy phát siêu âm công suất đa tần, Luận văn Thạc sỹ Khoa học Vật lý, Trường Đại học Khoa học Huế. 9. Đặng Anh Tuấn (2011), Nghiên cứu chế tạo máy phát siêu âm dưới nước,
Luận văn Thạc sỹ Khoa học Vật lý, Trường Đại học Khoa học – Đại học Huế.
Tiếng Anh
10. An American National Standard (1987), IEEE Standard on Piezoelectricity, ANSI/IEEE Std 176-1987.
11. Irinela Chilibon, Martine Wevers, Jean-Pierre Lafaut (2005), “Ultrasound Underwater Transducer For Extracorporeal Shock Wave Lithotripsy (Eswl)”, Romanian Reports in Physics, Vol. 57, No. 4, P. 979–992.
12. F. Dauchy, R.A. Dorey (2007), “Patterned crack-free PZT thick films for micro-electromechanical system applications”, Int J Adv Manuf Technol., pp. 86-94.
13. Yaseen Iqbal, Asad Jamal, Riaz Ullah, M Naeem Khan And Rick Ubic (2011), “Effect of fluxing additive on sintering temperature, microstructure and properties of BaTiO3’’ Indian Academy of Sciences, Vol. 35, No. 3, pp. 387– 394..
14. L.B. Kong, J.Ma, H.T. Huang, W. Zhu, O.K. Tan (2001), “Lead zirconate titanate ceramics derived from oxide mixture treated by a high-energy ball milling process”, Materials Letters, pp. 129–133.
15. Kei-Lin KUO (2009), “Ultrasonic vibrating system design and tool analysis”,
Transactions of Nonferrous Metals society of china, pp. 225-231.
16. Quang Tien Dung Le, Van Chuong Truong and Phuong Anh Do (2011), “The effect of TiO2 nanotubes on the sintering behavior and properties of PZT ceramics”, Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol. 2
17. Tim J.Mason, John philip Lorimer (2002), Applied Sonochemistry: Uses of power ultrasound in chemistry and processing, Wiley-VCH verlag GmbH, Weinheim 2002.
18 R. Mazumder, A. Sen (2008), “‘Ultra’-low-temperature sintering of PZT: A synergy of nano-powder synthesis and addition of a
sintering aid”, Journal of the European Ceramic Society, pp.2731–2737
19. Nad M (2010), “Ultrasonic horn design for ultrasonic machining technologies”, Applied and Computational Mechanics 4, pp. 79–88.
20. A. Dipal M. Patel, B. Avadhoot U. Rajurkar (2011), “Analysis of Different Shaped Sonotrodes used for Plastic Welding”, Institute Of Technology, Nirma University, Ahmedabad . pp 382 – 481.
21. Eng. Alexandru Sergiu Nanu, Prof. Niculae Ion Marinescu, Assoc. Prof. Daniel Ghiculescu (2011), “Study On Ultrasonic Stepped Horn Geometry Design And Fem Simulation”, Nonconventional Technologies Review, No. 4 22. Saha A K, Kumar D, Prakash O, Sen A and Maiti H S 2003 Mater. Res. Bull.
38 1165.
23. Guangming Zhang, Panyue Zhang, Bo Wang, Hong Liu (2006), “Ultrasonic frequency effects on the removal of Microcystis aeruginosa”, Ultrasonics Sonochemistry (13), pp. 446–450.
24. Zhang G, Wang B, Hao H, Wu M (2004), “Ultrasonic removal of cyanobacteria”, International Journal of environment technology and managenment, China.
25. Haifeng Wang, Wenwu Cao, and K. Kirk Shung (2001), “High Frequency Properties of Passive Materials for Ultrasonic Transducers”, IEEE Transactions on ultrasonics, Ferroelectrics, And frequency control, Vol.48. No.1.
26. Zheng, Weixi (2004), "Mechanistic Study of Pollutant Degradation",