Tìm hiểu siêu âm và ứng dụng của siêu âm chế tạo vật liệu tio2 nano

Sự khác nhau căn bản của hai dạng sóng này làđối với sóng điện từ, sự có mặt của sự liên kết đàn hồi của các hạt vật chất là khôngcần thiết; Trong khi đó, sự truyền sóng đàn hồi chỉ có đ

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC SINH VIÊN

TÌM HIỂU SIÊU ÂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA SIÊU ÂM CHẾ TẠO

VẬT LIỆU TiO2 NANO

Mã số:

Nhóm sinh viên thực hiện: Phạm Thị Thanh

Nguyễn Huỳnh Thanh Trúc

Giảng viên hướng dẫn: Ths Huỳnh Duy Nhân

Bình Dương, 04/2015

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC SINH VIÊN

TÌM HIỂU SIÊU ÂM VÀ ỨNG DỤNG CỦA SIÊU ÂM CHẾ TẠO

VẬT LIỆU TiO2 NANO

Mã số:

Nhóm sinh viên thực hiện: Phạm Thị Thanh

Nguyễn Huỳnh Thanh Trúc

DANH MỤC ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH 2

DANH MỤC BIỂU BẢNG……… 3

BẢNG CHÚ GIẢI CÁC KÝ HIỆU, ĐƠN VỊ ĐO, TỪ VIẾT TẮT 4

MỞ ĐẦU……… 5

1 Lý do chọn đề tài……… 5

2 Mục tiêu đề tài……… 6

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu và cách tiếp cận ……… 6

4 Phương pháp nghiên cứu……… 7

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ SIÊU ÂM ………

8 1 1 SÓNG ÂM……… 8

1.2 TÍNH CHẤT ÂM CỦA VẬT CHẤT 21

1.3 SỰ LAN TRUYỀN CỦA SÓNG ÂM……… 27

CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO BIẾN TỬ VÀ MẠCH PHÁT SIÊU ÂM

36 2.1 QUY TRÌNH CHẾ TẠO BIẾN TỬ SIÊU ÂM CÔNG SUẤT 36

2.2 MẠCH PHÁT SIÊU ÂM CÔNG SUẤT……… 42

2.3 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHÁT SIÊU ÂM CÔNG SUẤT CAO………

43 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG CỦA SIÊU ÂM TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO TiO2………

47 3.1 PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO TiO2 BẰNG VIỆC HỖ CỦA SIÊU ÂM………

47 3.2 MỘT SỐ TÍNH CHẤT VỀ CẤU TRÚC, VI CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU NANO TiO2 CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM – THỦY NHIỆT………

50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………. 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 59

DANH MỤC ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH

01 Hình 1.1: Dao động điều hồi của hệ lò xo k và vật khối lượng m 10

02 Hình 1.2: Sơ đồ minh hoạ cho việc rút ra phương trình sóng 12

03 Hình 1.3: Các dạng sóng khác nhau: a.Sóng cầu ; b Sóng trụ ; c Sóng phẳng 15

04 Hình 1 4: Các dạng sóng âm học trong vật rắn: a Sóng dọc ; b Sóng

05 Hình 1.5: Dạng lý tưởng của trường âm khi D >  29

06 Hình 1.6: Sự phụ thuộc của hệ số phản xạ và hệ số truyền qua trên biên phân cách hai môi trường phụ thuộc vào tỷ số trở kháng sóng của

hai môi trường

31

07 Hình 1.7: Sự khúc xạ của sóng âm trên mặt phân cách hai môi trường 34

09 Hình 2.1: Quy trình chế tạo gốm áp điện 36

10 Hình 2.2: Biến tử áp điện sau khi được chế tạo 38

11 Hình 2.3: Phổ cộng hưởng áp điện của biến tử hình xuyến đã chế tạo 39

12 Hình 2.4: Thiết kế chi tiết biến tử siêu âm của hãng Morgan 40

13 Hình 2.5: (a) biến tử ghép Langevin được chế tạo; (b) mặt cắt dọc của

14 Hình 2.6: Phổ cộng hưởng áp điện (a) hệ biến tử ghép Langevin được chế tạo; (b) biến tử tự do 42

15 Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử của máy phát siêu âm 43

16 Hình 2.8: Hai cụm biến tử sau khi gắn vào khay chứa 44

17 Hình 2.9: Thiết bị lúc hoạt động 44

18 Hình 2.10: Mô hình thiết bị tổng hợp TiO 2 theo phương pháp siêu âm 46

19 Hình 2.11: Thiết bị siêu âm tổng hợp vật liệu đã chế tạo 46

20 Hình 3.1 Sự phân bố nhiệt độ trong và ngoài bọt khí 48

21 Hình 3.2: Mô hình tổng hợp TiO 2 theo phương pháp siêu âm 49

22 Hình 3.3: Chu trình chế tạo TiO 2 nano bằng phương pháp siêu âm

23 Hình 3.4: Ảnh của vật liệu TiO 2 thương mại KA – 100 dạng anatase (made in

24 Hình 3.5: Ảnh FESEM của bột TiO 2 thương mại KA – 100 dạng anatase 51

25 Hình 3.6: Ảnh nhiễu xạ tia X của bột TiO 2 thương mại KA – 100 dạng

26 Hình 3.7: Giản đồ nhiễu xạ tia X của bột TiO 2 nH 2 O sau khi sấy ở 60 0 C

27 Hình 3.8: Đồ thị nhiễu xạ tia X của bột nano TiO 2 được nung tại các nhiệt

28 Hình 3.9a: Ảnh FESEM của mẫu F100 55

33 Hình 3.10: Đồ thị nhiễu xạ tia X của F710, F720, F740 56

34 Hình 3.11a: Ảnh FESEM của mẫu F710 57

35 Hình 3.11b: Ảnh FESEM của mẫu F715 57

36 Hình 3.11c: Ảnh FESEM của mẫu F730 57

DANH MỤC BIỂU BẢNG

1 Bảng 1.1: Trở kháng sóng riêng Z0 của một số chất 24

2 Bảng 1.2: Hệ số tổn hao âm đối với các chất rắn khác nhau 27

3 Bảng 1.3: Hệ số phản xạ âm trên mặt phân cách các môi trường khác nhau 30

4 Bảng 2.1: Một số thông số của vật liệu sử dụng chế tạo biến tử 38

5 Bảng 2.2: Thông số hình học của các biến tử 38

6 Bảng 2.3:Thông số hình học của các biến tử 39

7 Bảng 2.4: Đặc tính kỹ thuật của máy phát siêu âm công suất đa

8 Bảng 2.5: Đặc tính kỹ thuật của thiết bị siêu âm công suất 46

9 Bảng 3.1: Tỉ lệ anatase/rutile của bột nano TiO 2 sau khi xử lý

10 Bảng 3.2: Cỡ hạt tinh thể tính theo cường độ nhiễu xạ tia X từ phương trình Scherrer 54

11 Bảng 3.3: Cỡ hạt tính theo cường độ nhiễu xạ tia X ( Scherrer) 56

BẢNG CHÚ GIẢI CÁC KÝ HIỆU, ĐƠN VỊ ĐO, TỪ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Siêu âm là một lĩnh vực khoa học phát triển rất nhanh trong thời gian gần đây

Nó được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như : y học, xử lý môi trường, kĩ thuật đo đạt,khoa học và công nghệ vi điện tử Đặc biệt trong công nghệ chế tạo vật liệu nano.Một trong những phương pháp chế tạo vật liệu nano điển hình là (sonochemistry) gọi

là siêu âm hóa học Tùy theo tần số và công suất phát của các nguồn siêu âm màchúng được ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.

Khi có mặt của sóng siêu âm, các phản ứng không có khả năng xảy ra ở điềukiện thường sẽ dễ dàng thực hiện được Một trong những ứng dụng quan trọng nhấthiện nay là siêu âm trong hóa học, đó là việc sử dụng siêu âm để tổng hợp và biến đổicác hợp chất vô cơ, hữu cơ Hiện nay người ta đã sử dụng sóng siêu âm để chế tạo vậtliệu có cấu trúc nano Các dung dịch các chất khác nhau có thể không hòa tan vàonhau mà sẽ dễ dàng trộn lẫn nhau một cách đồng nhất nhờ sự có mặt của sóng siêu

âm Trong xử lý chất thải bảo vệ môi trường, siệu âm hiện đang được chú trọng nhưmột tác nhân siêu oxy hóa tiên tiến Siêu âm có thể làm gia tăng tốc độ, hiệu suất chiếttách các hợp chất quý mà các phương pháp thông thường không thể đạt được

Các thiết bị siêu âm là phức tạp, đa dạng, đắt tiền, song trái tim của chúngchính là các biến tử thu phát sóng siêu âm Phổ biến hiện nay, các biến tử thu phátsóng siêu âm được chế tạo chủ yếu từ vật liệu gốm áp điện có tên thương mại PZT-4,PZT-8 Tuy nhiên công thức hóa học về thành phần vật liệu là gì, các thông số chếtạo như thế nào vẫn là những bí mật riêng của hãng sản xuất

Với ý tưởng sử dụng tác động của siêu âm công suất cao vào các phản ứng hóahọc, hiệu ứng cavitacy hình thành các bọt khí ở áp suất cao, nhiệt độ cao tạo điều kiệnthuận lợi hơn trong việc tổng hợp vật liệu nano Đặc biệt trong việc chế tạo vật liệu

sáng vùng tử ngoại) mạnh hơn nhiều so với các chất oxi hóa thường dùng để xử lýnước trước đây như clo, hiđro peoxit hay ozon (gấp 1,5 lần ozôn, gấp hơn 2 lần clo)

có thể phân huỷ được các chất độc hại bền vững như điôxin, thuốc trừ sâu, benzen…cũng như một số loại tảo độc, nấm, virus, vi khuẩn gây bệnh với hiệu suất cao hơn so

xúc tác bởi vì nó không độc hại, tính chất hoá học bền, giá thành thấp và đạt hiệu quảrất cao

Chúng ta tin tưởng rằng những nghiên cứu về việc ứng dụng công nghệ siêu âm

ứng dụng rộng rãi hơn để bảo vệ môi trường và chống lại cuộc khủng hoảng nănglượng mà chúng ta đang đối mặt

Chính vì những lý do trên cho nên chúng tôi chọn đề tài“ Tìm hiểu siêu âm và ứng

dụng của siêu âm chế tạo vật liệu TiO 2 nano”

2 Mục tiêu đề tài

- Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về sóng âm và siêu âm

ZnO – Tìm hiểu cách chế tạo biến tử siêu âm

- Tìm hiểu về mạch phát siêu âm công suất

pháp siêu âm – thủy nhiệt

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu và cách tiếp cận

- Đối tượng nghiên cứu

+ Biến tử siêu âm

+ Mạch phát siêu âm

+ Thiết bị phát siêu âm công suất

- Phạm vi nghiên cứu

- Cách tiếp cận

Tìm hiểu và tổng hợp từ các tài liệu về siêu âm và ứng dụng của siêu âm chế tạo vận

4 Phương pháp nghiên cứu

+ Phương pháp lý thuyết: tiến hành tham khảo, nghiên cứu các tài liệu và công trình

của các tác giả đã công bố, trích lọc và hệ thống hóa các vấn đề có liên quan tới đề tài

+ Phương pháp điều tra, thăm dò: tham khảo ý kiến các chuyên gia, thầy cô giáo có

kinh nghiệm trong lĩnh vực liên quan đến đề tài

trường theo không gian và thời gian Sự khác nhau căn bản của hai dạng sóng này làđối với sóng điện từ, sự có mặt của sự liên kết đàn hồi của các hạt vật chất là khôngcần thiết; Trong khi đó, sự truyền sóng đàn hồi chỉ có được khi có mặt sự liên kết đànhồi của môi trường Hơn nữa, dải tần số của hai loại sóng này cũng rất khác nhau.Sóng điện từ tần số thấp (dải sóng vô tuyến) chúng ta không cảm nhận được Khi tần

số tăng, nó chuyển đến vùng nhìn thấy và sau đó là đến vùng của bức xạ tia tử ngoại,tia X Sóng đàn hồi tần số rất cao đồng nhất với chuyển động nhiệt trong vật chất

Chúng ta có thể cảm nhận được các dao động đàn hồi tần số đủ thấp nằm trongvùng từ 16 đến 16000Hz Chúng ta có thể chia sóng âm thành các miền sau:

Hạ âm < 16Hz

Những ứng dụng cơ bản của sóng siêu âm

Phương pháp siêu âm được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu khoa học đểnhận được những thông tin về tính chất và cấu trúc vật chất, các quá trình biến đổi vĩ

mô và vi mô xảy ra trong nó Phương pháp này dựa trên cơ sở phân tích những thôngtin từ sự phụ thuộc của vận tốc truyền âm, sự suy giảm cường đô sóng âm trong vậtchất Nó được áp dụng trong lĩnh vực âm học phân tử, mà cơ sở của nó là lý thuyết hồiphục Trên cơ sở những thông tin về sự tán sắc và sự hấp thụ riêng chúng ta biết đượccác quá trình ở mức độ phân tử xảy ra trong chất khí, lỏng, polyme cũng như các quátrình tương tác của sóng siêu âm với những kích thích cơ bản trong vật rắn (phonon)

Nghiên cứu quá trình truyền sóng siêu âm trong tinh thể cho ta những thông tinđặc biệt về cấu trúc mạng tinh thể Khi này ngoài việc xác định vận tốc, sự hấp thụ

âm, chúng ta còn xác định được sự phân cực của sóng âm khi truyền qua môi trường

Sự dập tắt của sóng âm trong tinh thể gây nên bởi rất nhiều nguyên nhân, ví dụ sự tán

xạ của chúng trên các vi sai hỏng, sự hấp thụ bởi lệch mạng, sự tương tác của sóngsiêu âm với các dao động nhiệt của mạng tinh thể Trong các chất sắt điện và sắt từ, sựdập tắt này có thể được gây nên bởi sự chuyển động của vách đômen Trong các kimloại và bán dẫn, sự dập tắt này có thể là do sự tương tác của sóng siêu âm với các hạt

tải dẫn Trong các chất tinh thể thuận từ có thể xuất hiện hiệu ứng cộng hưởng âm thuận từ Khi sử dụng sóng siêu âm nghiên cứu tinh thể, tần số của nó có thể nằm từ

hấp thụ cộng hưởng âm thuận từ)

Phương pháp siêu âm dựa trên cơ sở đo sự phụ thuộc của vận tốc và sự dập tắtsóng âm được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật để xác định tính chất và thành phần vậtchất, để kiểm tra các quá trình công nghệ Dựa theo vận tốc sóng âm mà chúng ta xácđịnh được sự thay đổi tính đàn hồi và độ cứng của các vật liệu kim loại, gốm, bêtông…vào thành phần tạp chất chứa trong chúng Đo vận tốc và độ hấp thụ của sóng

âm trong chất lỏng cho phép chúng ta xác định được nồng độ dung dịch và các quátrình xảy ra trong nó Khi đo vận tốc sóng âm (hay hiệu ứng Dopler) trong môi trườngchất lỏng hay chất khí chuyển động, chúng ta sẽ xác định được vận tốc chảy của nó

thuộc vào tính chất hấp thụ sóng siêu âm trong môi trường đó

Nhìn chung sóng âm sử dụng trong mục đích thu nhận thông tin thường cócường độ nhỏ; phương pháp này đòi hỏi phép đo phải tiến hành rất nhanh và dễ dàng

tự động hoá Chính vì vậy nó cho phép đo xa trong các môi trường đặc biệt phức tạp,

ô nhiễm, độc hại

Phần lớn nhóm phương pháp siêu âm, để nhận được thông tin về vật chất đềudựa trên nguyên lý về sự phản xạ và tán xạ của sóng tại biên giới giữa hai môi trường.Đây chính là cơ sở của phương pháp thuỷ định vị, kiểm tra không phá huỷ, y học chẩnđoán Chúng được chia thành hai nhóm: nhóm bị động là xác định vị trí của vật vàcác đặc tính của nó trên cơ sở phân tích đặc trưng bức xạ âm của nó Nhóm thứ haidựa trên cơ sở phân tích sự phản xạ từ vật của các tín hiệu đặc biệt được gởi đi(phương pháp xung vọng) Trong phương pháp xung vọng, tín hiệu thường sử dụng làxung siêu âm tần số cao, theo thời gian tín hiệu phản xạ ứng với mỗi khoảng cách xácđịnh của vật được ghi lại Nếu xung càng ngắn, khả năng phân giải theo khoảng cách

sẽ càng cao Trong thuỷ định vị, siêu âm là loại sóng duy nhất có thể truyền ở mộtkhoảng cách xa trong môi trường nước tự nhiên Chính vì vậy sóng siêu âm được sửdụng để định vị trong hàng hải, thăm dò và xác định luồng cá dưới biển

1.1.2 Dao động đàn hồi

+ A

O m

- A

Sự thay đổi trạng thái lặp lại một cách tuần hoàn theo thời gian được gọi là giaođộng Với giao động cơ học, các hạt hay một nhóm hạt của nó giao động tuần hoànxung quanh vị trí cân bằng Hệ giao động đàn hồi đơn giản là một hệ gồm một vật cókhối lượng m, lò xo có hệ số đàn hồi k

Nếu không có ma sát, khi hệ được kích thích dao động, chất điểm sẽ thực hiệnchuyển động tự do, dao động điều hòa không tắt dần xung quanh vị trí cân bằng O vềhai phía +A và -A

Gọi T là chu kì giao động

1.1.3 Định nghĩa và các phương trình cơ bản

Nếu bên trong một chất chịu nén được kích thích dao động thì chỉ có một phầncủa môi trường ở gần tâm kích thích sẽ dao động Dao động của nguồn kích thích tạo

ra trong môi trường xung quanh các ứng suất đàn hồi, các ứng suất này gây ra daođộng cho các hạt của môi trường ở lân cận tâm kích thích Các hạt này lại truyền daođộng cho các hạt mới tức là xảy ra quá trình lan truyền dao động trong không gian.Một quá trình như thế, tuần hoàn trong không gian và theo thời gian được gọi là sóng

Sóng âm học lan truyền trong một môi trường nào đó là một quá trình tuân theocác quy luật của thuỷ động lực học Trong trường hợp sóng phẳng với độ dịch chuyểnhữu hạn các phương trình cơ bản của thuỷ động lực học có dạng:

thấy của âm học, phương trình này được tuyến tính hoá do số hạng đối lưu này là nhỏ

và có thể bỏ qua Giả thiết về tính nhỏ của số hạng này hoàn toàn có thể được bởi vìđối với âm nghe thấy độ dịch chuyển nhỏ so với bước sóng

Từ phương trình thuỷ động lực có thể nhận được phương trình sóng là phươngtrình cơ bản mô tả các sóng âm học

Chúng ta khảo sát một thể tích tuỳ ý của môi trường nén được có dạng một

hình trụ với tiết diện ngang F (hình 1.2) Vật chất chỉ có thể chuyển động dọc theo

trục x của hình trụ và không thể đi ra ngoài hình trụ qua mặt bên của nó Giả sử trong

trạng thái ban đầu yếu tố thể tích có chiều dày dx với tiết diện ngang F cách O một

khoảng x Nếu bên trái hình trụ này xuất hiện một sự thay đổi nào đó của áp suất, dodao động gây ra chẳng hạn, thì trong môi trường lấp đầy bên trong hình trụ sẽ xuấthiện ứng suất đàn hồi mà có giá trị khác nhau ở các điểm khác nhau dọc theo trục x

Dưới tác dụng của ứng suất này, yếu tố thể tích F.dx sẽ dich chuyển sang bên phải một

đoạn , khi đó bề dày của yếu tố thể tích này sẽ thay đổi từ dx đến dx + d

O  dx+d

x F S S + dS

x dx

 +

dξ

dx dx

Hình 1.2: Sơ đồ minh hoạ cho việc rút ra phương trình sóng

Ứng suất đàn hồi bên trái yếu tố thể tích này bằng:

ở đây K là độ đàn hồi của môi trường

Ứng suất tác dụng vào bên phải của yếu tố thể tích bằng:

gia tốc của các hạt của môi trường mà sóng lan truyền trong đó Đại lượng c có thứ

nguyên của vận tốc và là đại lượng đặc trưng cho mỗi chất Nó được gọi là vận tốcsóng âm học và là vận tốc lan truyền của sóng hay vận tốc pha

Môi trường, trong đó sóng âm học lan truyền, trong âm học được coi như làmôi trường liên tục Các hạt của môi trường tham gia vào chuyển động sóng dao độngquanh vị trí cân bằng của mình Vì các chất khí và chất lỏng chỉ có tính đàn hồi thểtích mà không có tính đàn hồi hình dạng nên sóng âm học có thể lan truyền trong cácmôi trường này chỉ có thể là sóng áp suất, hơn nữa các hạt của môi trường chỉ chuyểnđộng dọc theo hướng lan truyền Do vậy ở đây chúng ta chỉ có các sóng dọc khác vớitrường hợp của sóng điện từ mà ở đó dao động xảy ra theo phương vuông góc vớiphương truyền sóng

Trạng thái dao động, mà trong đó hạt tham gia vào chuyển động sóng tại mỗithời điểm xác định được gọi là pha của dao động Pha được xác định bởi giá trị tứcthời và phương của độ dịch chuyển Nếu các hạt nào đó trong cùng một thời điểm ởcùng một vị trí so với vị trí cân bằng thì người ta nói rằng chúng dao động cùng pha

sóng âm học lan truyền với vận tốc v và chu kỳ dao động của hạt bằng T thì ta có hệ

λ T

(1.11)

1.1.4 Các dạng sóng

Nếu trong môi trường có nguồn dao động thi sóng âm học sẽ lan truyền trongmôi trường theo tất cả các phía Trong trường hợp lan truyền dọc theo một đườngthẳng, các hạt dao động cùng pha kế tiêp nhau ở cách nhau một khoảng  dọc theophương truyền sóng Trong trường hợp dao động lan truyền trong khong gian thì mỗi

một hạt được bao quanh bởi một số rất lớn các hạt dao động cùng pha Bề mặt chứacác hạt dao động cùng pha được gọi là mặt sóng Mặt sóng luôn vuông góc vớiphương truyền sóng Dạng của mặt sóng là khác nhau và được xác định khi giảiphương trình sóng (1.5) Một trong vô số các nghiệm khả dĩ của phương trùnh này códạng:

a = A 0 sin ω ( t − x

c ) (1.12a)

Ở đây a là giá trị của độ dịch chuyển tức thời của hạt cách nguồn bức xạ, mà dao

= 0 thì phương trình sóng mô tả sóng với mặt sóng là mặt phẳng, tức là các “ sóng

Đây là phương trình của quá trình tuần hoàn trong không gian

Nếu trong (1.12a) cố định khoảng cách thì ta nhận được:

Trong biểu thức trên r là bán kính của mặt trụ tương ứng Dộ dịch chuyển trong

trường hợp này tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của bán kính hình trụ

Biểu thức:

a= A0

r sin ω (t− r c)

(1.14)cũng là một nghiệm của phương trình sóng Nghiệm này mô tả các sóng cầu Mặtsóng trong trường hợp này là các mặt cầu đồng tâm Sóng cầu có thể được tạo ra bởi

các nguồn điểm hay nguồn có dạng hình cầu Độ dịch chuyển trong sóng này tỷ lệnghịch với bán kính hình cầu

Ở các khoảng cách rất lớn so với nguồn các mặt sóng cầu cũng như các mặtsóng trụ trở thành rất gần với các mặt phẳng

Trên hình 2 biểu diễn tiết diện của ba dạng sóng quan trọng nhất này Pháptuyến của mặt sóng là các tia âm học và cho phương lan truyền của sóng âm học

Vật rắn khác với chất khí và chất lỏng, có tính đàn hồi về hình dạng, tức là khảnăng bảo toàn dạng của mình dưới tác dụng của ứng suất cơ học Do tính chất này màchúng có thể cho phép lan truyền các ứng suất dịch chuyển và xoắn Từ đó có thể xuấthiện các loại sóng ngang (dịch chuyển), xoắn và các loại sóng khác Các đặc trưng củadao động kích thích, dạng của vật rắn và độ lớn của nó so với bước sóng sẽ xác địnhloại sóng xuất hiện trong vật rắn Trong những điều kiện xác định có thể tồn tại đồngthời nhiều loại sóng khác nhau Dưới đây chúng ta sẽ liệt kê các loại sóng khác nhau

và điều kiện xuất hiện của chúng:

Hình 1.3: Các dạng sóng khác nhau: a.Sóng cầu ; b Sóng trụ ; c Sóng phẳng

2 Sóng ngang thuần tuý (sóng dịch chuyển) trong không gian vô hạn, khi kíchthước của vật >> .

4 Sóng dọc trong thanh trong môi trường bị giới hạn 1 chiều (thanh với tiết diện

được biểu diễn trên hình 1.4.

Tất cả các sóng này khác với sóng dọc thông thường về phương dao động củacác hạt và vận tốc lan truyền Ngoài ra đối với một vài dạng sóng còn có thể xảy rahiện tượng tán sắc, tức là sự phụ thuộc của vận tốc sóng âm vào bước sóng và tần số

1.1.6 Các đại lượng đặc trưng cho trường âm học

Trường âm học, tức là vùng không gian chứa các sóng âm học, có thể được mô

tả bằng độ dịch chuyển và một loạt các đại lượng cơ học khác Để xác định một cáchđầy đủ trường âm học cần phải biết các đại lượng này Dưới đây chúng ta sẽ đưa racác đại lượng đặc trưng này đối với một loại trường âm học quan trọng nhất là cácsóng phẳng Như đã thấy ở trên, để mô tả sự dịch chuyển của một hạt nào đó trongsóng tại một điểm không gian xác định ta có thể sử dụng phương trình mô tả dao độngcủa chất điểm Từ sự tương tự đó ta có thể nhận được biểu thức cho vận tốc của hạttrong sóng âm:

sóng âm c có thể nhận được từ phương trình chuyển động Newton:

là áp suất gây bởi các sóng âm học, áp suất này thay đổi trong không gian theo thờigian Do đó áp suất âm p bằng:

Biên độ của áp suất âm

P = A0.c = V.c = VZ0 (1.18b)

lượng này tương tự như trở kháng sóng trong kỹ thuật điện tử, nhưng ở đây nó khôngmang ý nghĩa như điện trở bởi vì không có phần năng lượng nào biến thành nhiệt

Trong sóng phẳng áp suất và vận tốc biến thiên cùng pha và lệch pha 900 so với

độ dịch chuyển

Tất cả các hệ thức ở trên là đúng khi sóng âm học lan truyền trong môi trường

vô hạn không có sự hấp thụ và trong trường âm học không có các nhiễu loạn Nhiễuloạn trong trường âm có thể gây bởi sự có mặt trong môi trường các vật ngăn hay cácmặt giới hạn với các môi trường khác mà trên đó xảy ra sự phản xạ sóng Trong

Tổng trở phức gồm phần thực và phần ảo và tương ứng với sự lệch pha giữa áp

được xác định bởi tỷ số của áp suất âm và độ dich chuyển trong sóng âm học Từphương trình (1.18b) ta nhận được:

H = p

A =wρc

nghĩa là độ cứng âm tăng khi tần số tăng Môi trường được coi là “ mềm ” về phương diện âm ở các tần số thấp và trở thành “cứng “ ở các âm có tần số cao Độ cứng âm

đóng vai trò quan trọng khi phản xạ âm trên mặt phân cách hai môi trường có độ cứng

âm khác nhau

Tất cả các hệ thức trên được đưa ra đối với sóng phẳng Ta có thể nhận đượccác các biểu thức tương tự đối với sóng trụ và sóng cầu Các sóng trụ nói chung rấthiếm gặp nên ta sẽ không xét ở đây Từ công thức (1.9) rõ ràng rằng, trong sóng cầu,

độ dịch chuyển và tất cả các đại lượng còn lại thay đổi tỷ lệ nghịch với bán kính

1.1.7 Các hệ thức năng lượng.

Ngoài các đại lượng cơ học đã khảo sát ở trên, để đặc trưng cho trường âm cầnmột vài tham số về mặt năng lượng quan trọng khác Khi một hệ nào đó được kíchthích dao động thì nó cũng đồng thời nhận một năng lượng nào đó Một phần nănglượng này bị mất đi do tắt dần Nếu hệ dao động trong môi trường thì môi trường cũng

bị kích thích dao động và xuất hiện sóng Cùng với sóng môi trường xung quanh cũngnhận được năng lượng từ nguồn dao động Môi trường khi đó tác dụng như một nguồntắt dần bổ sung Do đó ngoài phần năng lượng mất đi do tắt dần bên trong nguồn, nócòn phải truyền cho môi trường một phần năng lượng được mang đi bởi các sóng

Năng lượng của sóng âm học chứa trong một đơn vị thể tích là tổng của độngnăng và thế năng của môi trường, mà giá trị trung bình của hai đại lượng này là bằngnhau Như đã biết động năng bằng một phần hai của tích số của khối lượng và bìnhphương vận tốc Nếu gọi  là mật độ của môi trường thì động năng trong một đơn vịthể tích bằng:

đại lượng này được gọi là mật độ năng lượng âm hay đơn giản là mật độ năng lượng

Cường độ âm là lượng năng lượng chuyển qua một đơn vị diện tích đặt vuônggóc với phương lan truyền của âm trong một đon vị thời gian Vì năng lượng của sóng

được lan truyền với vận tốc sóng âm c nên cường độ âm bằng năng lượng chứa trong một lăng trụ vuông góc có đáy bằng 1 đơn vị diện tích và chiều cao bằng c Vì năng

lượng chứa trong một đơn vị thể tích bằng E nên năng lượng chứa trong lăng trụ nóitrên bằng E.c Như vậy cường độ âm là:

Nếu áp suất âm và vận tốc sóng âm cùng pha thì:

Nếu toàn bộ năng lượng âm chuyển qua bề mặt có diện tích F đã cho nào đó, chẳnghạn chùm sóng âm học phẳng với tiết diện ngang F thì công suất bằng:

hơn nữa trong trường hợp này cường độ J phải phân bố đều trên toàn bộ bề mặt hay J

là giá trị trung bình theo tiết diện của cường độ Ngược lại khi biết công suất âm củanguồn và bề mặt ta có thể tìm được cường độ âm:

đó có thể là vật chất ở trong trạng thái bất kỳ: khí, lỏng hoặc rắn Các đặc trưng âmhọc cơ bản của môi trường bao gồm vận tốc sóng âm (được xác định bởi mật độ vàtính chất đàn hồi của môi trường), trở kháng sóng riêng (tích của mật độ môi trường

và vận tốc sóng âm) và hệ số tắt dần của âm

1.2.1 Vận tốc sóng âm

Vận tốc sóng âm c là hằng số vật chất Nhưng điều này chỉ đúng nếu giả sử

rằng độ dịch chuyển âm nhỏ so với bước sóng và nếu sóng âm học không có tán sắc

Vận tốc sóng âm trong các chất khác nhau có thể nhận được từ phương trìnhsóng với sự sử dụng các quy luật cơ bản của nhiệt động lực học

Khác với chất rắn trong chất lỏng và chất khí chỉ có một vận tốc sóng âm làvận tốc lan truyền của sóng dọc, các sóng loại khác không thể lan truyền trong chấtlỏng và chất khí

Vận tốc sóng âm c là vận tốc lan truyền của các sóng đàn hồi và còn được gọi

là vận tốc pha Ngoài vận tốc pha còn có hai vận tốc khác đặc trưng cho sự lan truyềncủa sóng là vận tốc mặt là vận tốc di chuyển của mặt sóng và vận tốc nhóm là vận tốclan truyền của bó sóng Nếu trong môi trường không có tán sắc thì ba loại vận tốc nàybằng nhau

Vận tốc lan truyền của sóng âm học trong đa số trường hợp không phụ thuộctần số Nếu ở trong những điều kiện nào đó, đặc biệt là trong miền tần số siêu âm, vậntốc sóng âm trong chất đã cho phụ thuộc vào tần số thì người ta nói có sự tán sắc của

âm Sự tán sắc của âm liên quan tới sự tắt dần dị thường của âm

Theo quan điểm nhiệt động, sóng nén trong chất khí là quá trình đoạn nhiệt, tức

là quá trình không có trao đổi nhiệt Vì ở các tần số rất cao, lớn hơn 100MHz, quátrình dao động mới có đặc tính đẳng nhiệt, bởi vì khi đó bước sóng cùng cỡ với quãngđường tự do của phân tử Thực tế bao giờ cũng có sóng âm học trong miền đoạn nhiệt,

Các quá trình phân tử trong chất khí dẫn đến sự tán sắc của sóng âm trong chất

khoảng 100 và 1000KHz, hơn nữa vận tốc sóng âm tăng cỡ 4%

Vận tốc sóng âm trong chất lỏng cũng được xác định bởi hệ thức (1.29) với K

là hệ số nén của chất lỏng Trong chất lỏng, sự tán sắc âm chỉ xảy ra ở các tần số rấtcao mà cho đến nay vẫn chưa đạt đến trong thực tế

Khác với chất khí và chất lỏng, mà trong đó chỉ có một vận tốc sóng âm là vậntốc lan truyền của các sóng dọc, trong vật rắn mỗi một loại sóng âm học khả dĩ đều cóthể lan truyền với một vận tốc tương ứng Vận tốc này có thể biểu thị qua các hằng sốđàn hồi của vật chất Chúng ta chỉ khảo sát vật rắn đẳng hướng vì trong các vật khôngđẳng hướng (các đơn tinh thể chẳng hạn) các hệ thức là khá phức tạp do sự phụ thuộccủa hệ số đàn hồi của vật và vận tốc lan truyền của sóng âm học và phương lan truyềntrong vật rắn

Thuận tiện hơn cả là các hệ số đàn hồi sau:

- Y: modul Young ( trong kỹ thuật nó thường được gọi là modul đàn hồi và

Các sóng xoắn trong thanh lan truyền với cùng vận tốc như vận tốc lan truyền củasóng ngang mà được xác định bởi (1.33)

Tất cả các hệ thức sẽ rất phức tạp nếu chúng ta xét sóng dọc xuyên tâm Trongtrường hợp này sự lan truyền không thể mô tả bằng vận tốc sóng âm mà chỉ có thểkhảo sát tần số của dao động âm khi bán kính của thanh đã cho:

ở đây x là nghiệm của phương trình:

bằng tích của vận tốc sóng âm với mật độ vật chất của môi trường

Trong tất cả các quá trình âm học, trở kháng sóng riêng đóng một vai trò rấtquan trọng bởi vì đa số các phương trình và công thức đều chứa tích của vận tốc sóng

âm và mật độ mà không chứa từng đại lượng riêng lẻ Độ lớn của trở kháng sóng riêng

đối với một số chất quan trong được cho ở bảng 1.1.

Độ hấp thụ âm trong các môi trường khác nhau là khác nhau Sự hấp thụ xuấthiện do ma sát của các hạt của môi trường với nhau tương tự như ma sát trong hệ dao

động Sự hấp thụ âm không chỉ phụ thuộc vào tính chất của vật chất mà còn phụ thuộcvào tần số của âm Lý thuyết đã thiết lập được rằng sự hấp thụ âm tỷ lệ với bìnhphương tần số Tuy nhiên trong thực nghiệm người ta cũng đã phát hiện được trongnhững điều kiện nhất định có thể có các sự phụ thuộc tần số khác như tuyến tínhchẳng hạn.

Thực nhiệm cho thấy rằng chất khí hấp thụ âm nhiều nhất, tiếp theo là chấtlỏng và cuối cùng là chất rắn Các chất đàn hồi và đồng nhất về mặt vật lý như kimloại, thuỷ tinh… dẫn âm rất tốt Nhiều chất rắn không có các tính chất trên nhiều khilại hấp thụ âm nhiều hơn chất lỏng Thuộc về các chất này là các chất có độ đàn hồikém, không đồng nhất, nói riêng như các chất xốp như cao su, nhựa và nhiều chấttổng hợp khác v.v… Trong các chất này hoặc là âm không thể lan truyền được hoặc làchỉ lan truyền được một khoảng rất nhỏ mà trên đó toàn bộ năng lượng âm bị hấp thụhoàn toàn Vì thế nguời ta sử dụng các chất nói trên để làm vật liệu cách âm hay làmyếu tác dụng của âm

Theo lý thuyết sự hấp thụ âm có thể được xác định như sau: trong chất khí sựhấp thụ âm được quy định bởi nội ma sát, tức là tính nhớt và tính dẫn nhiệt Người ta

Trong chất khí 1/3 hệ số hấp thụ được quy định bởi tính dẫn nhiệt còn 2/3 donội ma sát Sự hấp thụ âm mà được cho bởi các biểu thức trên còn được gọi là sự hấp

thụ âm “ cổ điển “ Các giá trị thực nghiệm của hệ số hấp thụ âm khác với các hệ số cổ

điển rất nhiều, chúng thường lớn hơn, nhiều khi đến một vài bậc Nguyên nhân của

điều này là do tính phức tạp của các quá trình phân tử mà dẫn đến sự tán sắc của âm.Tuy nhiên vấn đề này không thể thảo luận chi tiết ở đây được Sự hấp thụ âm trongchất lỏng cũng được xác định bởi các công thức (1.38) đến (1.40).

Trong chất lỏng, phần hấp thụ âm gây bởi dẫn nhiệt là nhỏ và có thể bỏ qua.Các giá trị đo của độ hấp thụ trong chất lỏng cũng như trong chất khí hầu như bao giờcũng lớn hơn các giá trị tính toán trên cơ sở giả thuyết sự hấp thụ gây ra do các quátrình phân tử

Thực tế cho thấy các kết quả do các tác giả khác nhau đưa ra thường khácnhau Nguyên nhân là do sự phức tạp của các thực nghiệm cũng như sự tồn tại của rấtnhiều các nhân tố mà dẫn đến sai số

Trong vật rắn cũng có tổn hao năng lượng do sự hấp thụ âm Tổn hao nănglượng này có thể được mô tả bằng hiện tượng nội ma sát của chất mà được đặc trưng

bở sự phụ thuộc tần số của hệ số ma sát  và sự không phụ thuộc tần số của thừa sốtổn hao  Các đại lượng này liên hệ với nhau bởi hệ thức:

Trong bảng 2 đưa ra giá trị của hệ số tổn hao  đối với một số các chất rắn

Bảng 1.2: Hệ số tổn hao âm đối với các chất rắn khác nhau

1.3 SỰ LAN TRUYỀN CỦA SÓNG ÂM

1.3.1 Dạng của trường âm học

Sóng âm học, mà được bức xạ bởi nguồn âm, lan truyền trong vùng không gianbao quanh nguồn Trường âm là phần của môi trường chứa sóng âm học Có một loạtcác nhân tố đặc trưng cho dạng hình học của trường âm và sự lan truyền của nó trongkhông gian Xác định chính xác trường âm là một bài toán quan trọng về mặt thựcnghiệm Lý thuyết chỉ có thể nhận được các đánh giá xấp xỉ dạng của trường âm.

Đặc trưng quan trọng nhất của trường âm là đặc trưng về tính định hướng màxác định biên hình học của trường âm và phân bố năng lượng trong trường Đặc trưng

về tính định hướng trước hết được xác định bởi tỷ số của kích thước của nguồn bức xạvới bước sóng và dạng của nguồn bức xạ âm Mặt khác, sự tắt dần của âm và sự tồntại của các chướng ngại vật khác nhau trong trường xác định khoảng cách cực đại mànăng lượng âm còn đáng kể khi lan truyền tới đó

Như đã nêu ở trên, ta có thể phân chia sóng âm học làm ba loại: sóng cầu, sóngtrụ và sóng phẳng Các loại sóng này được xác định bởi dạng của nguồn bức xạ âm:hình cầu xung động (hình cầu với thể tích thay đổi tuần hoàn), hình trụ dao động vàmặt phẳng vô hạn dao động Để có bức xạ âm trong dải siêu âm người ta thường sửdụng các dao động của vật rắn mà bức xạ âm trên bề mặt của mình ở một hoặc haimặt Nếu kích thước của bề mặt bức xạ nhỏ so với bước sóng thì nguồn bức xạ tương

hợp này là các bán cầu Khi tăng tiết diện ngang của nguồn cho đến khi lớn hơn bướcsóng, góc khối chiếm bởi trường âm giảm và mặt sóng trở nên giống như mặt phẳng,trong trường hợp này trường âm có dạng hình nón hoặc nếu tính đến sự kéo dài của nó

do hấp thụ thì nó có dạng như cái lá và trong trường hợp lý tưởng trục của lá, tức làphương bức xạ sẽ vuông góc với bề mặt bức xạ Nếu kích thước của nguồn âm lớnhơn nhiều so với bước sóng thì thiết diện của trường trở thành gần như hình trụ cònmặt sóng là mặt phẳng

Những nghiên cứu chi tiết dạng của trường âm đã chứng tỏ rằng nếu phươngcủa sóng âm học (chùm) được tạo bởi bề mặt bức xạ mà có kích thước lớn hơn bướcsóng thì phần loe ra của trường không bắt đầu từ bề mặt bức xạ mà từ một khoảngcách nào đó Ở gần nguồn bức xạ trường có dạng gần như hình trụ Bắt đầu từ khoảngcách Z Phần có dạng hình trụ của trường âm được gọi là miền gần hay miền Fresnelcòn phần còn lại được gọi là miền xa hay miền Fraunhofer Các tên gọi này được chọn

Hình 1.5: Dạng lý tưởng của trường âm khi D >

Z0d

α

xy

z

theo sự tương tự với trường của các anten bức xạ sóng điện từ Trên hình 1.5 chỉ ra

dạng lý tưởng của tiết diện của trường âm Thực ra biên của trường âm không thay đổiđột ngột như trên hình mà biên của trường giảm dần về không

cơ sở hiện tượng nhiễu xạ mà sẽ được xét đến ở tiếp sau Đối với bề mặt bức xạ hìnhtròn, một cách gần đúng ta nhận được:

ở đây a là cạnh của bề mặt bức xạ hình vuông và tiếp theo trường có dạng hình nón

có tiết diện ngang tăng dần