Khởi động tutor: Siêu âm và chấn tử siêu âm.

[HTTTTH]

Bắt nguồn từ luồng này:
http://www.dientuvietnam.net/forums/...B%9Bc%29/page9

bác không nên hiểu sai về vẫn đề tôi trả lời ở đây là anh em ta có thể làm được và tôi đã làm
được rồi trên cơ sở miếng gốm nhỏ nhưng nó phát sinh ra cái khâu sửa chữa bảo dưỡng phức tạp cho người ta .
em cũng hỏi mấy ngừoi đi trung quốc đặt júp em vài con cực lớn , nói thật cái này một công ty nó cần để làm thí nghiệm , nên tôi đã gép 15 cái với nhau là được rùi nhưng mua cái lớn hơi khó và mình mà làm vài cái thì quả là nan giải và mất nhiều tiền vào khuân mãu và nếu sau này nó hỏng một miếng gốm lại phải mua một con về phá lấy miếng gốm thì không ổn
em cũng nói rất chân thành là nếu bác HHHH có thì bác bán và làm hoàn thiện bán cho em 4 cái thế thôi ,
bác không nên hiểu sai vấn đề hay nơng cao quan điểm ở đây

Tôi thấy rằng vấn đề siêu âm áp điện và chấn tử phát siêu âm đang được nhiều ACE quan tâm. Do điều kiện ít thời gian nên tôi "đành lòng" khởi động một tutor về "Siêu âm và chấn tử siêu âm", như một bài trả lời bạn viettien123 đồng thời post vào box này để ACE theo dõi. Tôi sẽ cố gắng tranh thủ thời gian đăng dần từng phần một dưới hình thức một chuyên đề. Tôi đã định post ở Elite Zone,nhưng quyết định post ở đây để nhiều ngưò được tham gia thảo luận.
Do hiểu biết có hạn, những sai sót nếu có, mong ACE lượng thứ.
1/. Bác pham rất biết chấn tử siêu âm và máy phát siêu âm áp điện như thế nào, adm F cũng biết rất rõ nguyên lý, chế tạo và hoạt động của một phần tử phát siêu âm áp điện. Tôi thì biết rất rõ một phần tử thu / phát siêu âm được chế tạo như thế nào từ nguyên liệu là các hóa chất mua từ các cửa hàng bán hóa chất ngoài thị trường. Vì thế tôi nói: "... chế tạo được tấm gốm này thì cả một vấn đề khá phức tạp." (#79). Bây giờ tôi sửa lại là "... rất phức tạp".
Sơ qua như thế này:
Năm 1940, trong chiến tranh thế giới lần thứ hai, các nước tham chiến có nhu cầu chế tạo những tụ điện kích thước nhỏ (tức là phải có hằng số điện môi lớn". Vật liệu đáp ứng được nhu cầu đó là BaTiO3 (titanat bari). Về sau người ta đi tìm nguyên nhân của hằng số điện môi lớn của BaTiO3 và thấy rằng đó là do BaTiO3 có tính sắt điện, tức là trong phân tử của nó tồn tại các vùng được phân cực gọi là các đô-men sắt điện.
Chất sắt điện có trở thành chất áp điện nếu như nó được phân cực, tức là sắp xếp các đô-men bằng điện trường ngoài.
Chất sắt điện bị đốt nóng quá nhiệt độ nào đó gọi là nhiệt độ Qui-ri (Tc) thì bị mất tính sắt điện, khi nguội đi thì lại có tính sắt điện trở lại. Tuy nhiên, tính áp điện không phục hồi được sau khi bị đốt nóng quá nhiệt độ Tc. Tc của BaTiO3 chỉ có 123 độ C. Tôi còn giữ lại được một chấn tử siêu âm dạng gương cầu lõm làm từ BaTiO3, do CHDC Đức sản xuất năm 1963.
Sau này người ta tiếp tục nghiên cứu tìm xem có còn vật liệu nào tốt hơn không và phát hiện ra PZT. Tại vùng PZT chứa khoảng 52% Zircon (Zr), tính chất sắt điện và áp điện của PZT là tốt nhất, đặc biệt khả năng phát (siêu âm) tốt hơn BaTiO3 rất nhiều lần; ở đó Tc khoảng > 360 độ C, nên khả năng hoạt động của PZT ở chế độ công suất lớn là tốt hơn nhiều so với BaTiO3.
Người ta lại có thể cải thiện được chất lượng của vật liệu này theo nhiều hướng ứng dụng khác nhau bằng phương pháp pha tạp (thêm các nguyên tố khác vào thành phần vật liệu) tương tự như đối với chất bán dẫn. Biến tử thu phát siêu âm dò tim thai có thể chế tạo từ PZT pha thêm Niobi (Nb) và Lantan (La). Biến tử phát siêu âm như loa gốm, phun hơi ẩm Picachu, máy rửa mạch (ở các tiệm sửa điện thoại di động) có thể chế tạo từ PZT pha thêm Mangan (Mn) hay Stronti (Sr), Chrom (Cr) vv...
Sự phức tạp nằm ở chỗ cần có thiết bị chuyên dụng để chế tạo vật liệu với quy trình nhiều bước, nhiệt độ tạo thành gốm PZT khoảng 1200 độ C, BaTiO3 cần nhiệt độ > 1300 độ C. Và không phải cứ muốn là được, và với hệ thống thiết bị đó không phải ai làm cũng thành công.
Một phần tử gốm áp điện có 2 tần số cộng hưởng cơ bản là cộng hưởng nối tiếp (fs) và cộng hưởng song song (fp); tại fs có trở kháng Zm nhỏ nhất, tại fp có trở kháng Zn lớn nhất và fp > fs. Những thông số này được đo bằng thiết bị chuyên dụng đắt tiền (tối thiểu 5600$, có thể đắt tới nhiều chục ngàn $).
Phần tử gốm áp điện có thể đồng thời dao động với nhiều kiểu (mode) khác nhau. Trong đó quan trọng nhất có 2 mode là theo bề mặt và theo chiều dày. Gốm trong máy rửa hoạt động ưu tiên dao động theo bề mặt với thông số đánh giá là hệ số liên kết theo bề mặt Kp (p = planar). Gốm trong máy phun sương hoạt động ưu tiên dao động theo chiều dày với thông số đánh giá là hệ số liên kết theo chiều dày Kt (t = thick). Hệ số K càng lớn thì hiệu suất chuyển đổi năng lượng giữa điện và cơ càng cao.
2/. Tần số dao động cộng hưởng của mảnh gốm phụ thuộc vào kích thước, mảnh gốm có đường kính càng nhỏ thì tần số dao động theo bề mặt càng cao. Mảnh gốm càng mỏng thì tần số dao động theo chiều dày càng cao. Thông số liên hệ giữa tần số và kích thước tương ứng được gọi là Np và Nt. Vì thế, muốn mảnh gốm dao động ở tần số nào thì ta phải biết Np, Nt và mài mảnh gốm tới kích thước tương ứng.
Tần số dao động của mảnh gốm càng cao thì hạt sương phun ra càng nhỏ. Mạch điện phải làm việc ở tần số gần với tần số cộng hưởng riêng của chấn tử siêu âm. Tần số 2,4MHz tạo ra hạt sương có kích thước khoảng 1,7um (micro mét).
Vì thế viettien123 mua mảnh gốm lớn về làm sẽ có tần số dao động thấp -> không phun được thành hạt sương nhỏ hay chính xác hơn các hạt nước bị xé ra sẽ có kích thước lớn -> không thành sương. Bạn cắt tấm gốm ra thành tấm gốm nhỏ có kích thước như yêu cầu thì bạn phải mò mẫm vì:
- Bạn phải biết chính xác thông số Nt để tính ra kích thước chiều dày của chấn tử.
- Sau khi mài được, bạn phải phủ kim loại lên bề mặt chấn tử đúng như chấn tử cũ.
- Nhưng: khi bạn mài, bạn đã làm giảm mạnh tính chất áp điện của mảnh gốm.
....
Vì những điều tôi đã trình bày trên, nếu bạn không làm việc tại những cơ sở nghiên cứu có thiết bị thì bạn sẽ không thể tự mình chế tạo được chấn tử từ những tấm gốm lớn mua từ TQ.
Tôi sẽ có dịp trình bày toàn diện hơn, chuyên sâu về gốm áp điện trong lĩnh vực siêu âm và cảm biến, theo gợi ý của Nhà Thùng ... đã gợi ý tôi từ khá lâu rồi mà tôi chưa có điều kiện về thời gian để thực hiện.

[HTTTTH]

Phần 1. Lịch sử vật liệu áp điện.
Nguồn: Gene H. Haertling, J. Am. Ceram. Soc., 82 [4] 797-818 (1999),
Loài người biết đến hiện tượng áp điện từ đầu thế kỷ 19, bắt đầu nghiên cứu từ năm 1880,
Vào giữa thế kỷ 17, tại La Rochelle, Pháp, Elie Seignette nghiên cứu muối Rochelle (NaKC4H4O6.4H2O) với mục đích y học. Gần 200 năm sau, người ta phát hiện được tính chất hỏa điện (phân cực bởi nhiệt), thêm nửa thế kỷ nữa để khám phá ra tính chất áp điện (phân cực bởi ứng suất) và cuối cùng thêm 40 năm nữa, vào năm 1921, J. Valasek đã phát hiện ra tính chất sắt điện (phân cực tự phát có thể đổi chiều nhờ điện trường) của vật liệu này. Khi đó, các tính chất này mới chỉ có tính giả thiết mà chưa được chứng minh. Đơn tinh thể muối Rochelle (còn được gọi là chất seignette điện) là vật liệu thông dụng trong các nghiên cứu ban đầu, nhưng vì nó dễ tan trong nước nên sau này người ta ít quan tâm đến.
Những năm đầu của thập niên 1940 đánh dấu sự phát triển của một hệ vật liệu mới - vật liệu gốm đa tinh thể sắt điện - bắt đầu từ việc phát hiện ra một hiện tượng thú vị: tính sắt điện là nguồn gốc của hằng số điện môi lớn bất thường trong tụ điện gốm BaTiO3. Các công trình của Thurnauer , Wainer và Solomon đã chứng minh chắc chắn rằng BaTiO3 là một vật liệu chế tạo tụ gốm mới với hằng số điện môi K >1100. Gần cuối chiến tranh thế giới thứ hai, vào giữa những năm 1940, một số công trình của Wainer và Solomon (Mỹ), Wul và Goldman (Liên Xô), Ogawa và Waku (Nhật bản) đã xác nhận BaTiO3 là một vật liệu có hằng số điện môi lớn. Không lâu sau đó, vào những năm 1945 và 1946, các công trình của Wul - Goldman và nhóm von Hippel (Mỹ) đã chứng minh rằng tính sắt điện là nguyên nhân làm cho BaTiO3 có hằng số điện môi lớn. Các công trình nghiên cứu sau đó trên đơn tinh thể BaTiO3 đã chứng tỏ những phát hiện này là đúng đắn.
Vào năm 1945, Gray phát hiện thấy rằng một điện trường ngoài có thể định hướng đô-men bên trong các hạt làm cho vật liệu gốm có cả tính chất sắt điện lẫn tính chất áp điện gần giống như của đơn tinh thể. Đó là phát hiện hết sức giá trị bởi vì trước đó người ta cho rằng chỉ trong các đơn tinh thể sắt điện, các đô-men đã được sắp xếp hoặc định hướng cố định nên mới có tính áp điện, còn vật liệu gốm thì không thể có hoạt tính áp điện do các vi tinh thể được thiêu kết và sắp xếp ngẫu nhiên, nên về tổng thể, phân cực của chúng sẽ triệt tiêu lẫn nhau. Việc dùng điện để sắp xếp như vậy được gọi là phân cực, là quá trình then chốt để biến một gốm trơ thành một vật liệu có hoạt tính điện cơ.
Theo H. Jaffe, có 3 phát hiện cơ bản quyết định nhận thức về tính sắt điện trong gốm là: (1) phát hiện ra hằng số điện môi lớn bất thường của BaTiO3, (2) phát hiện ra bản chất sắt điện của vật liệu (sự tồn tại của các mô-men lưỡng cực bên trong) là nguyên nhân của hằng số điện môi lớn bất thường, điều này đánh dấu sự khởi đầu của nhóm sắt điện mới (nhóm ABO3 - bát diện ô-xy đơn giản) và (3) phát hiện ra quá trình phân cực điện để sắp xếp các lưỡng cực bên trong tinh thể (tức là các đô-men) trong vật liệu gốm và làm cho nó trở nên rất giống với đơn tinh thể.
Vào những năm 1950, từ chỗ phát hiện ra tính sắt điện của PbTiO3 rồi nghiên cứu dung dịch rắn PbZrO3-PbTiO3 (PZT), đến nay các gốm trên cơ sở PZT đã chiếm ưu thế gần như tuyệt đối trong các ứng dụng áp điện. So với BaTiO3, các thành phần PZT có (1) hệ số liên kết điện cơ cao hơn (2) nhiệt độ TC cao hơn, (3) có thể phân cực dễ dàng hơn (4) khoảng hằng số điện môi rộng hơn, (5) thiêu kết ở nhiệt độ thấp hơn và (6) tính chất của PZT thay đổi theo thành phần, ngoài ra ta còn có thể kết hợp PZT với các thành phần khác (pha tạp) tạo nên rất nhiều hợp chất có các tính chất như mong muốn.
Vì PZT có chứa Pb nên người ta đã và đang tìm vật liệu khác thay thế, nhưng đến nay vẫn chưa có loại vật liệu nào có được tất cả các ưu điểm của PZT như đã kể trên.
Có thể ghi nhận 7 sự kiện chính đánh dấu sự phát triển vật liệu sắt điện là: (1) sự ra đời của gốm sắt điện vào thập niên 1940, (2) sự phát triển của gốm áp điện PZT vào giữa thập niên 1950, (3) việc nghiên cứu và phát triển gốm điện-quang trong suốt PLZT vào cuối thập niên 1960, (4) xây dựng các công thức hợp chất sắt điện vào cuối thập niên 1970, (5) phát triển gốm áp điện relaxor PMN và áp dụng kỹ thuật sol-gel để chế tạo màng mỏng sắt điện trong thập niên 1980, (6) các bộ biến đổi khuếch đại độ biến dạng vào đầu những năm 1990 và (7) màng mỏng sắt điện, tích hợp trên silicon.

[bqviet]

Đầu tiên, cảm ơn Mod HTTTTH đã bỏ công viết một tutorial [nhìn tương lai] thấy có vẻ hoàn chỉnh. Tuy nhiên cách viết này có vẻ giống mấy giáo trình quá, đi từ khởi động tới lịch sử ... Con đường này rất dài và có thể rất dễ bị thành viên rỗi hơi chọc ngoáy giữa chừng, Mod bực/chán.

Bqviet trân trọng đề nghị Mod HTTTTH đi ngay vào những điểm chính mà người làm thực tế quan tâm

1. Đơn vị đo siêu âm như thế nào, cách đo cường độ nếu có thể; phải đo lường thì mới đánh giá được sản phẩm làm ra
2. Cường độ, tần số siêu âm tới đâu thì ảnh hưởng tới cơ thể; làm sao để phòng tránh (món này liên quan tới y sinh nhiều nhất đấy ạ)
3. Chấn tử siêu âm có thể mua ở đâu tại HN, SG; nếu có thể ước lượng giá thì quá tốt nhưng cũng hơi khó cho Mod HTTTTH
4. Mạch để kích chấn tử phát siêu âm; trong số nhiều kiểu khác nhau, nếu có thể, Mod liệt kê / cung cấp link / phân tích theo mức độ phức tạp tăng dần (ngay từ đầu đã phang cả mạch to như cái rổ thì không ai dám đâu ạ)
5. Bắt đầu từng bước thiết kế thiết bị đơn giản - kiểu cái máy phun hơi ẩm, rồi tiến tới phức tạp dần - như máy rửa bằng siêu âm (đầu phát đặt ngập trong dầu, ví dụ như vậy)

Lần trong các bài chính, Mod HTTTTH tùy ý chèn thêm những bài về lịch sử, tán gẫu nếu cảm thấy vui vẻ. Nhưng nếu cứ bàn xung quanh vấn đề mà không đi vào vấn đề chính thì rất dễ lan man.

Vài dòng góp ý như vậy, nếu cảm thấy không thích thì Mod HTTTTH coi như bqviet không viết gì nhé.

[HTTTTH]

Nhất trí với bqv. Vừa rồi, do không có nhiều thời gian nên tôi đã tải luôn bài dịch có sẵn lên post #2. Để rồi tôi sẽ sắp xếp lại, post dần dần từng vấn đề một.
Trước mắt, có thể tóm lại:
- Các thông số vật liệu áp điện quan trọng mà một người làm ứng dụng cần biết để lựa chọn phần tử áp điện: fs, fp, Kp, Kt, Np, Nt, Zm. Ngoài ra còn có thông số "độ phẩm chất cơ học - Qm", có thể coi nó tương tự như độ phẩm chất mạch cộng hưởng điện (mặc dù không hoàn toàn giống Qe). Khi Zm càng nhỏ thì Qm càng lớn, tổn hao nhỏ nên phát sóng siêu âm mạnh.
- Phân biệt 2 loại gốm áp điện:
+ Gốm áp điện "cứng": Zm nhỏ, hiệu số fp-fs nhỏ nên độ phẩm chất cơ học Qm lớn, Kp nhỏ, Kt nhỏ. Thích hợp làm biến tử phát = hiệu ứng áp điện nghịch. Chẳng hạn chấn tử siêu âm rửa thận, máy rửa / giặt, phun, dò cá, phun xăng điện tử (FI) vv...
+ Gốm áp điện "mềm": Zm lớn, hiệu số fp-fs lớn nên độ phẩm chất cơ học Qm nhỏ, Kp lớn, Kt lớn. Thích hợp làm biến tử thu = hiệu ứng áp điện thuận. Chẳng hạn micro áp điện, biến tử máy đo tim thai và một số đầu dò siêu âm khác dùng trong y khoa. Những biến tử vừa kể vừa phát sóng siêu âm như một chấn tử lại vừa thu như một micro.
- Trong tut này chủ yếu nói về phát nên quan tâm đến gốm áp điện "cứng". Và vì PZT là gốm thông dụng nên chúng ta sẽ coi như nói về gốm PZT.
- Trước hết chúng ta nói về siêu âm.

[viettien123]

Bắt nguồn từ luồng này:
http://www.dientuvietnam.net/forums/...B%9Bc%29/page9

Tôi thấy rằng vấn đề siêu âm áp điện và chấn tử phát siêu âm đang được nhiều ACE quan tâm. Do điều kiện ít thời gian nên tôi "đành lòng" khởi động một tutor về "Siêu âm và chấn tử siêu âm", như một bài trả lời bạn viettien123 đồng thời post vào box này để ACE theo dõi. Tôi sẽ cố gắng tranh thủ thời gian đăng dần từng phần một dưới hình thức một chuyên đề. Tôi đã định post ở Elite Zone,nhưng quyết định post ở đây để nhiều ngưò được tham gia thảo luận.
Do hiểu biết có hạn, những sai sót nếu có, mong ACE lượng thứ.
1/. Bác pham rất biết chấn tử siêu âm và máy phát siêu âm áp điện như thế nào, adm F cũng biết rất rõ nguyên lý, chế tạo và hoạt động của một phần tử phát siêu âm áp điện. Tôi thì biết rất rõ một phần tử thu / phát siêu âm được chế tạo như thế nào từ nguyên liệu là các hóa chất mua từ các cửa hàng bán hóa chất ngoài thị trường. Vì thế tôi nói: "... chế tạo được tấm gốm này thì cả một vấn đề khá phức tạp." (#79). Bây giờ tôi sửa lại là "... rất phức tạp".
Sơ qua như thế này:
Năm 1940, trong chiến tranh thế giới lần thứ hai, các nước tham chiến có nhu cầu chế tạo những tụ điện kích thước nhỏ (tức là phải có hằng số điện môi lớn". Vật liệu đáp ứng được nhu cầu đó là BaTiO3 (titanat bari). Về sau người ta đi tìm nguyên nhân của hằng số điện môi lớn của BaTiO3 và thấy rằng đó là do BaTiO3 có tính sắt điện, tức là trong phân tử của nó tồn tại các vùng được phân cực gọi là các đô-men sắt điện.
Chất sắt điện có trở thành chất áp điện nếu như nó được phân cực, tức là sắp xếp các đô-men bằng điện trường ngoài.
Chất sắt điện bị đốt nóng quá nhiệt độ nào đó gọi là nhiệt độ Qui-ri (Tc) thì bị mất tính sắt điện, khi nguội đi thì lại có tính sắt điện trở lại. Tuy nhiên, tính áp điện không phục hồi được sau khi bị đốt nóng quá nhiệt độ Tc. Tc của BaTiO3 chỉ có 123 độ C. Tôi còn giữ lại được một chấn tử siêu âm dạng gương cầu lõm làm từ BaTiO3, do CHDC Đức sản xuất năm 1963.
Sau này người ta tiếp tục nghiên cứu tìm xem có còn vật liệu nào tốt hơn không và phát hiện ra PZT. Tại vùng PZT chứa khoảng 52% Zircon (Zr), tính chất sắt điện và áp điện của PZT là tốt nhất, đặc biệt khả năng phát (siêu âm) tốt hơn BaTiO3 rất nhiều lần; ở đó Tc khoảng > 360 độ C, nên khả năng hoạt động của PZT ở chế độ công suất lớn là tốt hơn nhiều so với BaTiO3.
Người ta lại có thể cải thiện được chất lượng của vật liệu này theo nhiều hướng ứng dụng khác nhau bằng phương pháp pha tạp (thêm các nguyên tố khác vào thành phần vật liệu) tương tự như đối với chất bán dẫn. Biến tử thu phát siêu âm dò tim thai có thể chế tạo từ PZT pha thêm Niobi (Nb) và Lantan (La). Biến tử phát siêu âm như loa gốm, phun hơi ẩm Picachu, máy rửa mạch (ở các tiệm sửa điện thoại di động) có thể chế tạo từ PZT pha thêm Mangan (Mn) hay Stronti (Sr), Chrom (Cr) vv...
Sự phức tạp nằm ở chỗ cần có thiết bị chuyên dụng để chế tạo vật liệu với quy trình nhiều bước, nhiệt độ tạo thành gốm PZT khoảng 1200 độ C, BaTiO3 cần nhiệt độ > 1300 độ C. Và không phải cứ muốn là được, và với hệ thống thiết bị đó không phải ai làm cũng thành công.
Một phần tử gốm áp điện có 2 tần số cộng hưởng cơ bản là cộng hưởng nối tiếp (fs) và cộng hưởng song song (fp); tại fs có trở kháng Zm nhỏ nhất, tại fp có trở kháng Zn lớn nhất và fp > fs. Những thông số này được đo bằng thiết bị chuyên dụng đắt tiền (tối thiểu 5600$, có thể đắt tới nhiều chục ngàn $).
Phần tử gốm áp điện có thể đồng thời dao động với nhiều kiểu (mode) khác nhau. Trong đó quan trọng nhất có 2 mode là theo bề mặt và theo chiều dày. Gốm trong máy rửa hoạt động ưu tiên dao động theo bề mặt với thông số đánh giá là hệ số liên kết theo bề mặt Kp (p = planar). Gốm trong máy phun sương hoạt động ưu tiên dao động theo chiều dày với thông số đánh giá là hệ số liên kết theo chiều dày Kt (t = thick). Hệ số K càng lớn thì hiệu suất chuyển đổi năng lượng giữa điện và cơ càng cao.
2/. Tần số dao động cộng hưởng của mảnh gốm phụ thuộc vào kích thước, mảnh gốm có đường kính càng nhỏ thì tần số dao động theo bề mặt càng cao. Mảnh gốm càng mỏng thì tần số dao động theo chiều dày càng cao. Thông số liên hệ giữa tần số và kích thước tương ứng được gọi là Np và Nt. Vì thế, muốn mảnh gốm dao động ở tần số nào thì ta phải biết Np, Nt và mài mảnh gốm tới kích thước tương ứng.
Tần số dao động của mảnh gốm càng cao thì hạt sương phun ra càng nhỏ. Mạch điện phải làm việc ở tần số gần với tần số cộng hưởng riêng của chấn tử siêu âm. Tần số 2,4MHz tạo ra hạt sương có kích thước khoảng 1,7um (micro mét).
Vì thế viettien123 mua mảnh gốm lớn về làm sẽ có tần số dao động thấp -> không phun được thành hạt sương nhỏ hay chính xác hơn các hạt nước bị xé ra sẽ có kích thước lớn -> không thành sương. Bạn cắt tấm gốm ra thành tấm gốm nhỏ có kích thước như yêu cầu thì bạn phải mò mẫm vì:
- Bạn phải biết chính xác thông số Nt để tính ra kích thước chiều dày của chấn tử.
- Sau khi mài được, bạn phải phủ kim loại lên bề mặt chấn tử đúng như chấn tử cũ.
- Nhưng: khi bạn mài, bạn đã làm giảm mạnh tính chất áp điện của mảnh gốm.
....
Vì những điều tôi đã trình bày trên, nếu bạn không làm việc tại những cơ sở nghiên cứu có thiết bị thì bạn sẽ không thể tự mình chế tạo được chấn tử từ những tấm gốm lớn mua từ TQ.
Tôi sẽ có dịp trình bày toàn diện hơn, chuyên sâu về gốm áp điện trong lĩnh vực siêu âm và cảm biến, theo gợi ý của Nhà Thùng ... đã gợi ý tôi từ khá lâu rồi mà tôi chưa có điều kiện về thời gian để thực hiện.

cảm ơn bác HTTTTH nhiều lắm ! đúng như vậy tôi không tham vọng làm ra nó bao jiờ và chua từng có ý định làm ra nó bao jiờ

quan điểm của tôi là luôn luôn tận dụng cái có sãn mà làm ! chảng ai chấp nhận chi phí công nghệ để mình làm sản phẩm đơn chiếc ! ví dụ như mua được miếng gốm có kích thước và thông số phù hợp thì ta làm chứ chưa bao jiờ có ý định thay đổi kích thước từ tấm lớn hay sản xuất ra nó hiiiiiiii

[vi van pham]

Bác Bqviet góp ý rất hay, diễn đàn không làm sách giáo khoa,vì vậy giải thích hiện tượng siêu âm để hiểu công thức là cách dễ nhớ, nhớ lâu và trực quan.

Hưởng ứng Tutor của HTTTTH, tôi đố các bác hiện tượng siêu âm như sau:Tại sao thay đổi khoảng cách từ mặt chấn tử siêu âm đến mặt nước (chiều cao mực nước) sẽ làm hạt nước to hay nhỏ,nhiều sương hay ít sương.

Qua thí dụ này, các bạn sẽ hiểu vấn đề tuy đơn giản nhưng khó giải thích.

[bqviet]

Có thể là do hiệu ứng sóng dừng ? thay đổi khoảng cách dẫn tới thay đổi sự giao thoa giữa sóng truyền tới và sóng phản xạ theo một cách nào đó, dẫn tới thay đổi kích thước hạt nước chăng ?

[HTTTTH]

Copy - Past một đoạn về tác dụng của siêu âm:
Siêu âm và sự phân tán
Trong hoá học, sự phân tán nghĩa là sự phá vỡ các hạt chất lỏng hay chất rắn thành các hạt nhỏ hơn về kích thước hay kết cấu và phân bố chúng vào môi trường khác.
Hoá học dùng thuật ngữ "hệ" để áp dụng cho một hỗn hợp. Mỗi một chất tham gia trong hệ được gọi là thành phần. Một hỗn hợp gồm hai chất được gọi là hệ hai thành phần. Dạng mà trong đó thành phần tồn tại được gọi là pha; ví dụ như khí, lỏng, rắn. Một dung dịch keo là hệ hai thành phần trong đó một chất bị nghiền mịn được phân bố lẫn vào chất kia. Các hệ như vậy có thể được phân loại căn cứ theo mức độ của sự phân tán chẳng hạn như sự phân tán bằng cơ học, các dung dịch keo và các dung dịch phân tử.
Sau đây là danh sách các hệ hai thành phần:
Rắn - rắn, rắn - lỏng, rắn - khí, lỏng - rắn, lỏng - lỏng, lỏng - khí, khí - rắn và khí - lỏng.
Tất cả các hệ trên đều có thể tồn tại ở dạng keo. Tuy nhiên, các hệ lỏng + rắn và lỏng + lỏng được chú ý nhiều nhất. Có thể dùng một trường âm thanh cường độ mạnh để tạo nên một trong các hệ hỗn hợp nêu trên.
Sự nhũ tương hoá nhờ siêu âm
Một dịch nhũ tương là thể huyền phù của các hạt mịn hoặc các giọt nhỏ chất lỏng trong một chất lỏng khác. Thường thường nhũ tương được tạo ra bằng cách khuấy rất mạnh. Điều đó gợi ý rằng nhờ siêu âm cũng có thể tạo ra được nhũ tương.
Nếu như hai chất lỏng không hoà tan lẫn nhau chẳng hạn như nước và dầu, được đổ chung vào một thùng và dưới một dao động âm cường độ mạnh tập trung, người ta thấy đã hình thành thể nhũ tương.
Tác động của siêu âm trong việc hình thành nhũ tương cũng có thể được áp dụng để sản xuất các hợp kim giữa sắt và chì, nhôm và chì, nhôm và cadmi v.v… dù rằng chúng không trộn lẫn được trong trạng thái lỏng. Có thể giữ cho các kim loại trộn lẫn nhau xuống dưới điểm đông đặc bằng cách dùng siêu âm. Nhiều vật liệu mới để làm vòng bi đã được chế tạo như vậy.
Siêu âm cũng được ứng dụng để tạo nhũ tương phim ảnh với ưu điểm đồng đều và có độ bền cao.
Nhờ ứng dụng của siêu âm, độ mất đồng đều của sữa (được quy định bởi kích thước của các hạt sữa) có thể cản trở sự tạo thành kem đã được giải quyết .
Siêu âm còn được dùng để nấu chảy kẽm, thiếc và nhôm. Khi đó sự đóng rắn xảy ra nhanh hơn. Thêm nữa, người ta nhận thấy cấu trúc của vật rắn được tạo bởi những hạt mịn hơn.
Tác dụng cô đặc nhờ siêu âm
Mặc dù siêu âm có tác dụng phân tán mạnh lên nhũ tương lỏng, tác dụng của nó lên các chất khí trong chất rắn và chất khí trong chất lỏng thì ngược lại - người ta gọi là sự làm đặc lại. Các hạt chất rắn và chất lỏng trong hỗn hợp, bụi, khói tích tụ lại khi các hỗn hợp này được đặt trong sóng âm cường độ cao. Các hạt nhỏ trong khói bị cô đặc lại và kết lại. Ở mức độ nào đó hiệu quả phụ thuộc vào bước sóng và cường độ.
Việc dùng siêu âm khử khí cho kim loại nóng chảy là một ví dụ khác của sự cô đặc. Đầu tiên các bọt khí nhỏ nhập lại thành bọt lớn hơn. Các bọt lớn sẽ bị nổi lên bề mặt và vỡ ra. Ứng dụng này của siêu âm sẽ làm cải thiện việc đúc kim loại mà trong đó sự có mặt của bọt khí là một trở ngại rất khó chịu.
Tác dụng hoá học của siêu âm
Rất nhiều thí nghiệm đã cho tháy tác dụng của sóng âm cường độ cao lên các phản ứng hoá học. Các kiểu phản ứng hoá học ngày nay được tăng tốc nhờ tác động của sóng âm cường độ cao. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp rất khó phân tách được đó là do tác dụng nhiệt của âm thanh hay là tác dụng của riêng sóng âm.
Một tác dụng hoá học nữa là sự phá vỡ phân tử. Ví dụ, một chuỗi phân tử có thể được phá vỡ thành 6 phân mảnh dưới tác dụng của siêu âm.
Sóng âm cường độ cao cũng có thể được dùng để làm tăng tuổi của rượu whisky. Có thể giải thích "tăng tuổi" là quá trình biến đổi từ từ cấu trúc của các phân tử phức tạp mà ta có thể rút ngắn quá trình nhờ tác dụng của sóng âm.
Tác dụng sinh học của siêu âm
Siêu âm có tác dụng huỷ diệt những cơ thể sống nhỏ. Cá nhỏ có thể bị chết bởi tác động của thiết bị tạo âm thanh và tạo tiếng vang công suất lớn.
Siêu âm được dùng để chiết xuất các kháng nguyên mã di truyền nằm bên trong các tế bào của vi khuẩn gây bệnh. Những kháng nguyên này dùng để chế huyết thanh chủng ngừa bệnh sốt thương hàn và các bệnh khác. Màng tế bào của vi khuẩn bị phá vỡ bởi sóng siêu âm và các kháng nguyên được tự do. Màng tế bào của vi khuẩn được tách ra khỏi các kháng nguyên bằng máy ly tâm.
Có thể chiếu siêu âm để tiêu diệt vi khuẩn. Lượng vi khuẩn trong sữa sẽ bị giảm đi khi dùng siêu âm. Điều đó cho thấy có thể khử trùng sữa bằng siêu âm.
Ứng dụng khác trong y học là dùng âm thanh để kích thích bên trong cơ thể. Hiệu quả y học trị liệu mang một bản chất khác song cũng giống như dùng nhiệt và dùng bức xạ tần số radio…
Cũng như trong tác dụng hoá học, tác dụng sinh học của siêu âm hầu như không ai thấy nhưng rất đáng được chú ý.
Ứng dụng y học của siêu âm
Ứng dụng của siêu âm trong ngành y có liên quan đến chẩn đoán và điều trị. Sự phát triển của y học hiện đại mở ra ngày càng nhiều hứa hẹn sáng lạn cho các ứng dụng của siêu âm.
Tác động của siêu âm lên mô tế bào đã được nghiên cứu. Các tác động của nhiệt và cơ đã bị loại trừ. Kết luận đưa ra là có một tác động nữa ngoài tác động của nhiệt. Người ta đã phát hiện sự thay đổi do tác động của âm thanh cường độ cao lên hệ thần kinh trung ương. Kết quả chỉ ra rằng tế bào thần kinh đặc biệt nhạy cảm với siêu âm trong khi mạch máu và dây thần kinh thì hầu như không phản ứng gì.
Một nghiên cứu về hiệu quả vật lý trị liệu của siêu âm chỉ ra rằng nhiệt phát ra đóng vai trò rất quan trọng. Siêu âm cũng sinh ra những tác dụng cơ học. Siêu âm đã được dùng làm nóng sâu tận bên trong để điều trị cho các vận động viên.
Người ta đã vẽ được hình não thất nhờ siêu âm. Đầu người bệnh được ngâm trong nước. Một máy phát đặt dưới nước phát siêu âm xuyên qua đầu. Một hydrophone thu lấy âm thanh phát ra. Tần số sử dụng là 2,5MHz. Một hệ scan kèm 1 máy ghi kiểu máy facsimile ghi lại giản đồ siêu âm dưới dạng một bức tranh chỉ ra hình não thất. Phương pháp này cho phép phát hiện được các khối u não giống như khi dùng tia X.
Ngày nay đã thực hiện được việc phát hiện khối u dùng sóng siêu âm và kỹ thuật echo quan sát trên màn hình; xung được phát vào cơ thể và tiếng vọng quay lại với các cường độ khác nhau phụ thuộc vào sự khác nhau của trở kháng âm học của các mô ác tính và lành tính còn sự khác nhau về thời gian thì phụ thuộc vào độ sâu của ranh giới phản xạ.
Trong ngành nha khoa, đã phát triển một kiểu khoan siêu âm nhỏ dùng để khoan răng; điều đó làm giảm đau và cải thiện độ chính xác của vùng cần khoan.
Đầu dò khuyết tật bằng siêu âm đã được cải tiến để ứng dụng vào y học. Các đầu dò này thường làm việc trong khoảng tần số từ 20 đến 60kHz, sử dụng kiểu áp điện và có xung động mạnh tại các điểm ngoại biên của nó.
Một kiểu đầu dò như vậy có hình ống với vùng mặt trước nhỏ. Vùng bề mặt này sinh ra ít hoặc không có bọt khí bọt khí khi đặt trong nước, tuy nhiên do rung động cơ khí lớn, đầu dò này có thể cắt xuyên qua mô và hút đi các hạt dạng nhũ tương mà không phá hoại các mô liên quan.
Một đầu dò hình ống được ứng dụng rộng rãi trong y học để mổ lấy thuỷ tinh thể trong bao. Mổ lấy thuỷ tinh thể trong bao được áp dụng trong ngành nhãn khoa để loại bỏ thuỷ tinh thể bị đục ra khỏi mắt. Hoạt động với cùng nguyên lý cơ học nhưng không có hoặc có sự tạo ra rất ít bọt khí ở mũi đầu dò, siêu âm khuấy nhẹ, biến dịch thuỷ tinh thể bị hỏng ở dạng gel thành thể nhũ tương bằng cách cắt nhỏ các liên kết và hút ra.
Còn một ứng dụng y học nữa của siêu âm là cắt mô bằng rìa dao. Ưu điểm của kỹ thuật này đối với người bệnh là giảm chảy máu do đông máu trong mạch và làm cho người bệnh cảm thấy thoải mái hơn khi mổ bằng lưỡi dao sắc mà vết mổ lại ngọt hơn.
Tác dụng nhiệt của siêu âm
Người ta nhận thấy nhiệt độ tăng lên trong chất lỏng đặt trong trường siêu âm. Nhiệt độ có thể tăng tới vài độ trong một phút. Sự tăng nhiệt độ là do tiêu hao năng lượng của âm thanh được chất lỏng hấp thụ. Sự phát sinh nhiệt do tác dụng của siêu âm không được cho là hiệu ứng bởi riêng âm thanh gây nên vì rằng nhiều hiện tượng sinh học và hoá học quan sát được khi áp đặt siêu âm cũng được cho là do tác dụng của nhiệt. Ý nghĩa thực tế của việc làm nóng bằng siêu âm vẫn còn đang được nghiên cứu.
Siêu âm là một chất tẩy
Siêu âm có thể được dùng để rửa và giặt nhiều đồ vật khác nhau. Các kiểm tra thực hiện trên máy giặt siêu âm trong đó quần áo được giặt trong nước với một lượng xà phòng thích hợp và được đặt trong trường sóng âm cường độ cao. Kết quả cho thấy quần áo giặt bằng cách này sạch hơn so với cách giặt thông thường.
Làm sạch và tẩy bằng siêu âm
Dùng siêu âm trong làm sạch và tẩy bề mặt được sử dụng phổ biến trong công nghiệp. Các bọt khí làm giảm sức căng bề mặt của các chất bám bẩn và do đó có tác động làm sạch mọi bề mặt và ngóc ngách. Các bọt khí làm nhũ tương hoá các vết dầu mỡ và do đó hỗ trợ việc trục xuất chúng ra.
Khoan siêu âm
Việc khoan thuỷ tinh, sứ và kim loại ngày nay có thể thực hiện được nhờ siêu âm. Hình 16-6 là hình vẽ một máy phát siêu âm dùng trong khoan siêu âm. Đầu mũi khoan tạo ra các bọt khí trong lớp hồ bột mài phủ xung quanh nó. Lực do các bọt khí sinh ra đẩy bột mài vào vật liệu cần khoan. Kết quả là thuỷ tinh, sứ, kim loại bị khoan thủng chỉ trong một vài giây. Nhờ mạch điều khiển máy khoan có thể tạo được lỗ khoan với hình dạng bất kỳ. Máy khoan có thể dùng biến tử từ giảo. Hệ làm việc ở chế độ cộng hưởng nửa sóng. Thường người ta chọn kích thước biến tử để đạt cộng hưởng tại 20kHz. Biên độ của đầu mũi khoan có thể tăng lên bằng cách sử dụng một biến áp cơ dưới dạng một bó các thanh vật liệu từ giảo.
Hàn siêu âm
Rất khó hàn được nhôm vì lớp oxyt hình thành trên bề mặt cần hàn. Khi sự tạo bọt khí xảy ra ở ngay chất hàn nóng chảy trên bề mặt, lực sinh ra phá vỡ lớp oxyt kim loại hình thành trên bề mặt của vật cần hàn Như vậy chất hàn phủ lên bề mặt kim loại sạch trong môi trường không bị oxi hoá. Năng lượng siêu âm được đặt vào chất hàn nóng chảy hoặc vào đầu mỏ hàn. Có thể hàn nhôm bằng cách dầm vật cần hàn trong bình chất hàn nóng chảy hoặc dùng mỏ hàn. Có thể hàn được nhôm mà không cần dùng đến dầu hàn.
Kiểm tra vật liệu bằng siêu âm (Siêu âm thăm dò khuyết tật)
Một số các hệ, đặc biệt là các kim loại phải được kiểm tra vật liệu để tìm các vết nứt như các lỗ hổng, các vết gãy hoặc các lỗi khác về độ đồng nhất.
Một phương pháp hay được dùng là xem xét hình ảnh bằng cát vẽ ra trên tấm thép khi nó rung động dưới ảnh hưởng của âm. Hệ thống này chỉ có thể áp dụng cho những tấm mà đã được biết bức tranh cát đối với một tấm hoàn hảo (làm mẫu so sánh).
Một hệ khác mà nó đặc biệt hữu dụng vì có thể phát hiện được các vết nứt trong các mẩu kim loại với mọi hình dáng tương tự như phương pháp các máy phản xạ hay máy đo độ sâu bằng sóng âm. Một hydrophone bằng thạch anh được đặt tiếp xúc tốt với vật kim loại cần kiểm tra nhờ một màng dầu giữa tấm thạch anh và tấm kim loại đó. Một xung ngắn hạn của âm thanh tần số rất cao (5MHz) do tinh thể thạch anh phát ra được dùng làm xung phát. Xung phản xạ được thu lại bởi chính tinh thể thạch anh lúc này được dùng làm hydrophone. Tín hiệu lối ra của hydrophone được khuếch đại và đưa lên màn hình ống tia catốt của dao động ký. Do mọi hoạt động như vậy xảy ra chỉ trong phần nhỏ của mili giây, bộ chuyển mạch điện tử là hết sức rối rắm và phức tạp; trên màn hình dao động ký vẽ ra xung lối ra và các xung phản xạ. Dựa vào các kích thước và dạng hình học của mẩu kim loại cần kiểm tra, từ tốc độ âm trong vật liệu và từ hình ảnh thu được trên màn hình dao động ký, ta có thể xác định được có vết nứt hay không.
Dây trễ và bộ lọc siêu âm (Delay line và X-tal Filter)
Người ta đã làm được những dây trễ có thể lưu giữ được các xung dài micro giây và với chu kỳ lên tới 2000 micro giây. Các dây trễ như vậy dùng để lưu các xung radar liên tiếp nhau. Cả hai loại dây trễ thuỷ ngân và tinh thể đều có thể được sử dụng. Các biến tử tinh thể thạch anh được dùng cho cả 2 bên phát và thu.
Bộ lọc dải siêu âm để dùng trong các bộ khuếch đại trung tần trong máy thu radio gồm có tấm chung và các phần tử thụ động. Các biến tử từ giảo cũng được dùng cho phát và thu siêu âm. Đặc trưng lối ra có độ suy giảm rất cao trên một khoảng tần số rất hẹp ngoài các tần số cắt phía dưới và phía trên. Ví dụ, 1 bộ lọc dải có dải thông 6kHz ở 100kHz, độ suy giảm tại tần số cắt là 45dB trên 1kHz.

[HTTTTH]

Một tác dụng khá hay của sóng siêu âm: Sóng siêu âm cường độ cao đưa vào nước có thể diệt được tảo lam (tảo độc), diệt được cung quăng (bọ gậy). Tất nhiên cần phải có tần số và cường độ thích hợp (cường độ cao quá diệt mất cả tôm, cá nhỏ thì... mất ăn). Tác động diệt tảo và cung quăng là do sự tạo bọt khí và nổ tung trong chất lỏng dưới tác động của siêu âm.

Trong môi trường đàn hồi như không khí và đa số các vật rắn có sự dẫn truyền liên tục nên sóng âm được truyền đi. Trong môi trường không đàn hồi như nước và đa số các chất lỏng, khoảng truyền dẫn liên tục càng dài thì biên độ hay độ lớn của âm thanh sẽ bé đi tương ứng. Khi biên độ tăng lên thì hiển nhiên biên độ của áp suất âm (-) trong vùng giãn trở thành nguyên nhân làm cho chất lỏng bị loãng và là cơ sở của khái niệm gọi là "sự tạo bọt khí". Các "bong bóng" bọt khí được tạo nên tại những chỗ bị giãn giống như chất lỏng bị loãng ra, bị xé rách vì áp suất âm (-) của sóng âm thanh trong chất lỏng. Khi mặt đầu sóng đi qua, các "bong bóng" bọt khí dao động dưới ảnh hưởng của áp suất dương, chúng lớn lên tới một kích thước nào đó. Cuối cùng, sự giằng xé dữ dội các "bong bóng" bọt khí dẫn đến sự nổ tung, gây nên sóng xung kích phát ra từ nơi bọt vỡ. Sự giằng xé và nổ tung của vô số các "bong bóng" bọt khí trong toàn bộ khối chất lỏng dưới tác động của siêu âm đạt được hiệu ứng gắn liền với siêu âm. Người ta đã có thể tính được rằng tại nơi xảy ra sự nổ tung các "bong bóng" bọt khí, nhiệt độ đạt tới trên 10.000 độ F (khoảng >5.500 độ C) và áp suất đạt trên 700kg/cm2 .

[vi van pham]

Có thể là do hiệu ứng sóng dừng ? thay đổi khoảng cách dẫn tới thay đổi sự giao thoa giữa sóng truyền tới và sóng phản xạ theo một cách nào đó, dẫn tới thay đổi kích thước hạt nước chăng ?

Những hạt vật chất trong môi trường sóng âm mang theo 1 năng lượng,và di chuyển theo phương truyền sóng âm,đồng thời tạo nên áp suất âm theo công thức:P="RÔ".C.V=Z.V [KG/ms].
với:
"rô" là mật độ môi trường
C là vận tốc truyền âm
Z là trở âm của môi trường

Do đó khi ta thay đổi chiều cao mực nước là ta đã thay đổi mật độ môi trường
-----> thay đổi áp suất âm------->thay đổi hạt nước lớn hay bé.


Vài thông số cơ bản:
Nước (20 độ C): c=1492m/s rô=0,9982g/cm3 Z=1,489.105 g/cm2s
không khí c=331m/s rô=0,0013g/cm3 Z=0,043.105 g/cm2s