Lý thuyết và ứng dụng của siêu âm trong công nghệ làm sạch (Phần 1)

Giới thiệu

Công nghệ làm sạch đang trong tình trạng thay đổi. Khử dầu bằng cách sử dụng các dung môi có clo và flo, từ lâu là tiêu chuẩn cho hầu hết các ngành công nghiệp đang bị loại bỏ dần vì lợi ích của hệ sinh thái. Đồng thời, yêu cầu làm sạch liên tục tăng lên. Vệ sinh sạch sẽ đã trở thành một vấn đề quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp mà trước đây nó chưa từng có. Trong các ngành công nghiệp như điện tử, công nghệ làm sạch được đặc biệt quan tâm. Có vẻ như mỗi bước tiến trong công nghệ đều đòi hỏi sự chú ý ngày càng nhiều hơn đến sự sạch sẽ để đạt được thành công. Kết quả là, ngành công nghiệp làm sạch đã được thử thách để cung cấp độ sạch cần thiết và đã làm được điều đó thông qua sự đổi mới nhanh chóng trong vài năm qua. Nhiều tiến bộ này liên quan đến việc sử dụng công nghệ siêu âm. 

Ngành công nghiệp tẩy rửa hiện đang gặp khó khăn trong việc thay thế tẩy dầu bằng dung môi bằng các phương tiện làm sạch khác “thân thiện với môi trường”. Mặc dù có sẵn các hóa chất thay thế gốc nước, bán nước và dầu mỏ, nhưng chúng thường kém hiệu quả hơn trong vai trò chất tẩy rửa so với dung môi và có thể không hoạt động đầy đủ trong một số ứng dụng trừ khi bổ sung chất tăng cường năng lượng cơ học để đảm bảo mức độ sạch cần thiết. Năng lượng siêu âm hiện được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng làm sạch quan trọng để tăng tốc độ và nâng cao hiệu quả làm sạch của các hóa chất thay thế. Bài báo này nhằm giúp người đọc làm quen với lý thuyết cơ bản về sóng siêu âm và cách năng lượng siêu âm có thể được áp dụng hiệu quả nhất để nâng cao nhiều quy trình làm sạch.

“Siêu âm” là gì?

Siêu âm là khoa học về sóng âm thanh trên giới hạn khả năng nghe của con người. Tần số của sóng âm thanh xác định âm sắc hoặc cao độ của nó. Các tần số thấp tạo ra âm trầm hoặc âm thấp. Các tần số cao tạo ra âm cao hoặc âm bổng. Siêu âm là âm thanh có cường độ cao đến mức tai người không thể nghe thấy. Tần số trên 18 Kilohertz thường được coi là siêu âm. Các tần số được sử dụng để làm sạch bằng sóng siêu âm nằm trong khoảng từ 20.000 chu kỳ mỗi giây hoặc kilohertz (KHz) đến hơn 100.000 KHz. Các tần số được sử dụng phổ biến nhất để làm sạch công nghiệp là từ 20 KHz đến 50KHz. Các tần số trên 50KHz thường được sử dụng nhiều hơn trong các chất tẩy rửa siêu âm nhỏ để bàn như trong các cửa hàng trang sức và phòng khám nha khoa.

Lý thuyết về sóng âm

Để hiểu cơ học của sóng siêu âm, trước tiên cần phải có hiểu biết cơ bản về sóng âm, cách chúng được tạo ra và cách chúng truyền qua môi trường dẫn. Từ điển định nghĩa âm thanh là sự truyền dao động qua một môi trường đàn hồi có thể là chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí. 

Tạo sóng âm thanh – Sóng âm thanh được tạo ra khi sự dịch chuyển đơn lẻ hoặc lặp lại được tạo ra trong môi trường dẫn âm thanh, chẳng hạn như do sự kiện “chấn động” hoặc chuyển động “rung động”. Sự dịch chuyển của không khí theo hình nón của loa đài là một ví dụ điển hình về sóng âm thanh “rung động” được tạo ra bởi chuyển động cơ học. Khi hình nón loa di chuyển qua lại, không khí ở phía trước hình nón được nén luân phiên và hiếm để tạo ra sóng âm thanh, bay trong không khí cho đến khi chúng bị tiêu biến.

Ngoài ra còn có các sóng âm thanh được tạo ra bởi một sự kiện “chấn động” duy nhất. Một ví dụ là sấm sét được tạo ra khi không khí ngay lập tức thay đổi thể tích do phóng điện (sét). Một ví dụ khác về sự kiện chấn động có thể là âm thanh tạo ra khi một tấm gỗ rơi úp mặt xuống nền xi măng. Sự kiện xung kích là nguồn của một sóng nén duy nhất phát ra từ nguồn. 

Bản chất của sóng âm

Sơ đồ trên sử dụng các cuộn dây của lò xo tương tự như đồ chơi Slinky để biểu diễn các phân tử riêng lẻ của môi trường dẫn âm. Các phân tử trong môi trường chịu ảnh hưởng của các phân tử liền kề giống như cách mà các cuộn dây của lò xo tác động lên nhau. Nguồn âm thanh trong mô hình nằm ở bên trái. Lực nén do nguồn âm tạo ra khi nó chuyển động sẽ truyền xuống chiều dài của lò xo khi mỗi cuộn dây liền kề của lò xo đẩy vào người lân cận của nó. Điều quan trọng cần lưu ý là, mặc dù sóng truyền từ đầu này sang đầu kia của lò xo, các cuộn dây riêng lẻ vẫn ở vị trí tương đối của chúng, đầu tiên bị dịch chuyển theo chiều này và sau đó bị dịch chuyển theo chiều khác khi sóng âm đi qua. Kết quả là, mỗi cuộn dây đầu tiên là một phần của quá trình nén khi nó được đẩy về phía cuộn tiếp theo và sau đó là một phần của quá trình nén khi nó rút ra khỏi cuộn kế cận. Theo cách tương tự, bất kỳ điểm nào trong môi trường dẫn âm đều bị nén luân phiên và sau đó trở nên hiếm hơn. Tại một điểm trong vùng bị nén, áp suất trong môi trường là dương. Tại một điểm trong vùng hiếm gặp, áp suất trong môi trường là âm.

Sự hình thành và vỡ tung của bong bóng khí

Trong môi trường đàn hồi như không khí và hầu hết các chất rắn, có sự chuyển đổi liên tục khi truyền sóng âm. Trong môi trường không đàn hồi như nước và hầu hết các chất lỏng, có sự chuyển tiếp liên tục miễn là biên độ hoặc “độ lớn” của âm thanh tương đối thấp. Tuy nhiên, khi biên độ tăng lên, độ lớn của áp suất âm trong các khu vực hiếm hoi cuối cùng trở nên đủ để làm cho chất lỏng bị đứt gãy vì áp suất âm, gây ra hiện tượng gọi là cavitation. 

Các “bong bóng” tạo lỗ hổng được tạo ra tại các vị trí hiếm khi chất lỏng bị đứt gãy hoặc vết rách do áp suất âm của sóng âm trong chất lỏng. Khi các mặt trước sóng đi qua, các “bong bóng” lỗ hổng dao động dưới tác động của áp suất dương, cuối cùng lớn dần đến kích thước không ổn định. Cuối cùng, sự sụp đổ dữ dội của các “bong bóng” hang động dẫn đến các vụ nổ, gây ra các sóng xung kích được phát ra từ các vị trí xảy ra sự cố sụp đổ. Sự sụp đổ và nổ tung của vô số “bong bóng” lỗ hổng trong suốt chất lỏng được kích hoạt bằng sóng siêu âm dẫn đến hiệu ứng thường liên quan đến sóng siêu âm. Người ta đã tính toán rằng nhiệt độ vượt quá 10.000 ° F và áp suất vượt quá 10.000 PSI được tạo ra tại các vị trí nổ của bong bóng xâm thực.

Xem thêm:

Lý thuyết và ứng dụng của siêu âm trong công nghệ làm sạch (Phần 1)

Lý thuyết và ứng dụng của siêu âm trong công nghệ làm sạch (Phần 2)