Tần Số Của Sóng Siêu Âm Là Gì?

Khái Niệm Tần Số Sóng Siêu Âm

Tần số của sóng siêu âm là số lần dao động của sóng âm trong một giây, được đo bằng Hertz (Hz). Tần số là một trong những thông số quan trọng nhất của sóng âm, bao gồm cả sóng siêu âm, vì nó ảnh hưởng đến các đặc tính và ứng dụng của sóng.

Dải Tần Số Của Sóng Siêu Âm

Tần số của sóng siêu âm thường nằm trong khoảng từ 20 kHz đến vài GHz (1 GHz = 1.000.000 kHz). Siêu âm được định nghĩa là sóng âm có tần số cao hơn ngưỡng nghe của con người, tức là cao hơn 20 kHz.

Ứng Dụng Trong Y Tế

Trong các ứng dụng y tế, tần số của sóng siêu âm thường được sử dụng từ 1 MHz đến 15 MHz để hình ảnh hóa các cơ quan bên trong cơ thể.

Ứng Dụng Trong Chất Lỏng

Trong các ứng dụng siêu âm chất lỏng như tẩy rửa, chiết xuất, đồng hóa, thông thường sẽ sử dụng tần số từ 20 kHz đến 120 kHz tùy thuộc vào từng ứng dụng cụ thể. Ở đây, chúng ta sẽ bàn đến sóng siêu âm truyền đi trong chất lỏng ở dải tần 20 kHz – 120 kHz.

Cơ Chế Làm Việc Của Sóng Siêu Âm Trong Chất Lỏng

Hiện Tượng Xâm Thực (Cavitation)

Khi sóng siêu âm truyền vào chất lỏng, hiện tượng xâm thực (cavitation) sẽ xảy ra. Đây là một quá trình quan trọng giúp sóng siêu âm đạt được hiệu quả cao trong các ứng dụng xử lý chất lỏng.

Chu Kỳ Áp Suất Thấp

Trong chu kỳ áp suất thấp, sóng siêu âm cường độ cao tạo ra vô số bong bóng chân không nhỏ hoặc khoảng trống trong chất lỏng. Các bong bóng này di chuyển và hấp thụ năng lượng.

Nổ Bong Bóng Trong Chu Kỳ Áp Suất Cao

Khi các bong bóng khí đạt đến kích thước tối đa và không thể hấp thụ thêm năng lượng, chúng sẽ nổ tung dữ dội trong chu kỳ áp suất cao. Hiện tượng này gọi là cavitation. Quá trình nổ tạo ra nhiệt độ rất cao (khoảng 5000 K) và áp suất (khoảng 2000 atm) tại điểm nổ.

 

Tác Động Cực Mạnh Của Hiện Tượng Cavitation

Hiện tượng cavitation gây ra các tác động cưỡng bức cực mạnh tại điểm nổ, bao gồm:

• Tia phản lực chất lỏng: Lên đến 1000 km/giờ.
• Áp suất cực đại: Lên đến 2000 atm.
• Nhiệt độ cao: Lên tới 5000 Kelvin

Sơ đồ hình thành và sụp đổ bóng khí được tạo ra khi sóng âm truyền vào chất lỏng

Vậy sự khác biệt giữa các tần số của sóng siêu âm là gì?

Cơ chế  xâm thực(Cavitation) khác nhau giữa các tần số là do “Bước sóng” khác nhau

• Tần số: Là số lần dao động của sóng trong một giây, được đo bằng Hertz (Hz).
• Bước sóng: Là khoảng cách giữa hai điểm tương ứng liên tiếp của sóng (ví dụ: từ đỉnh này đến đỉnh tiếp theo), được đo bằng mét (m).

Mối quan hệ giữa tần số (f), bước sóng (λ), và vận tốc truyền sóng (v) được mô tả bởi công thức: v=f×λ

Trong chất lỏng, vận tốc truyền sóng siêu âm thường là một hằng số, do đó, khi tần số tăng, bước sóng giảm và ngược lại.

Có thể hiểu đơn giản,tần số càng nhỏ thì bước sóng càng lớn,số lượng bọt khí sinh ra ít hơn và kích thước bọt khí lớn.Tần số càng cao thì bước sóng càng nhỏ,số lượng bọt khí sinh ra nhiều và kích thước bọt khí nhỏ,mịn hơn.

Chúng ta có thể thấy sự khác biệt rõ rệt về bước sóng dẫn đến kích thước và áp lực của bóng khí ở 2 dải tần khác nhau

Phân loại và lựa chọn tần số cho các ứng dụng khác nhau:

1.Ứng dụng trong dược phẩm,mỹ phẩm,thực phầm:

Bao gồm Chiết xuất,đồng nhất, phân tán, nhũ tương hóa, khai thác, phá vỡ tế bào..vv…

Đối với các ứng dụng này thông thường tần số được sử dụng sẽ nằm trong dải 20Khz-40Khz do chúng tạo ra các bọt khí lớn hơn và mạnh mẽ hơn. Những bọt khí này có xu hướng sinh ra hiệu ứng cavitation mạnh, tạo ra các sóng áp suất mạnh mẽ phù hợp với yêu cầu.

2.Ứng dụng trong tẩy rửa,làm sạch:

• Tần số thấp (20 kHz – 40 kHz): Tạo ra các bọt khí lớn và mạnh, sinh ra hiệu ứng cavitation mạnh, có thể làm sạch mạnh mẽ các bề mặt cứng và bám dính mạnh.
• Tần số trung bình (40 kHz – 80 kHz): Tạo ra các bọt khí nhỏ hơn so với tần số thấp nhưng vẫn đủ mạnh để làm sạch hiệu quả. Các bọt khí này thích hợp cho việc làm sạch các vật liệu nhạy cảm hơn, như dụng cụ y tế và thiết bị điện tử.
• Tần số cao (80 kHz – 120 kHz): Tạo ra các bọt khí rất nhỏ và nhẹ nhàng, ít gây ra hiệu ứng cavitation mạnh. Phù hợp cho việc làm sạch các linh kiện điện tử tinh vi và các vật liệu nhạy cảm, nơi cần độ chính xác và chi tiết cao.

Kết Luận

Qua bài viết trên,chúng ta nhận ra việc lựa chọn tần số phù hợp cho các ứng dụng siêu âm trong chất lỏng là rất quan trọng để đạt được hiệu quả tối ưu. Tần số thấp phù hợp với các ứng dụng công nghiệp nặng và làm sạch mạnh mẽ, trong khi tần số trung bình và cao phù hợp với các ứng dụng yêu cầu sự nhẹ nhàng và chính xác cao hơn. Sự hiểu biết về mối quan hệ giữa tần số, bước sóng và hiệu ứng cavitation giúp tối ưu hóa các quy trình sử dụng sóng siêu âm.