Đầu phát siêu âm là gì? Cấu tạo, nguyên lý và cách lựa chọn

Đầu phát siêu âm là một trong những bộ phận quan trọng nhất của bể rửa siêu âm. Linh kiện này có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng điện thành dao động cơ học ở tần số siêu âm, sau đó truyền năng lượng vào dung dịch để tạo ra các biến đổi áp suất và hiện tượng cavitation. Nhờ đó, máy có thể tạo ra tác động làm sạch trên bề mặt vật thể được ngâm trong dung dịch.

Trong một hệ thống rửa siêu âm, đầu phát siêu âm không hoạt động độc lập mà cần phối hợp với máy phát điện siêu âm, bể chứa, dung dịch và cấu hình công suất phù hợp. Vì vậy, khi cần thay thế hoặc thiết kế hệ thống mới, việc lựa chọn đầu phát không nên chỉ dựa vào kích thước hoặc giá thành.

Các đầu phát siêu âm được gắn và đấu nối thực tế

Đầu phát siêu âm là gì?

Đầu phát siêu âm, tiếng Anh là Ultrasonic Transducer, là linh kiện có khả năng chuyển đổi năng lượng điện thành dao động cơ học ở tần số siêu âm.

Theo thông tin sản phẩm của Rama, đầu phát siêu âm là chi tiết quan trọng trong bể rửa siêu âm, máy súc rửa dụng cụ, bộ phận động cơ và các hệ thống làm sạch công nghiệp. Các model được cung cấp có nhiều mức tần số và công suất khác nhau, chẳng hạn 25 kHz/60 W, 40 kHz/60 W, 40 kHz/100 W, 80 kHz/50 W hoặc 120 kHz/50 W.

Đầu phát siêu âm có vai trò gì trong hệ thống rửa siêu âm?

Có thể xem đầu phát siêu âm là bộ phận trực tiếp đưa năng lượng siêu âm vào môi trường chất lỏng.

Quá trình cơ bản có thể hình dung:

Điện năng → đầu phát → dao động cơ học → sóng siêu âm trong dung dịch → cavitation → tác động làm sạch.

Nếu đầu phát hoạt động không ổn định hoặc không tương thích với hệ thống, năng lượng siêu âm truyền vào dung dịch có thể không đạt yêu cầu, từ đó ảnh hưởng đến hiệu quả làm sạch.

Đầu phát siêu âm khác gì máy phát siêu âm?

Hai bộ phận này thường bị nhầm lẫn.

Máy phát siêu âm (ultrasonic generator) là bộ phận cung cấp và điều khiển tín hiệu điện ở tần số phù hợp.

Trong khi đó, đầu phát siêu âm (transducer) nhận năng lượng điện từ máy phát và chuyển đổi thành dao động cơ học.

Một hệ thống hoàn chỉnh thường cần sự tương thích giữa generator và transducer về tần số, công suất và đặc tính điện.

Do đó, nếu cần thay một đầu phát bị hỏng, không nên chỉ nhìn vào hình dáng bên ngoài mà cần đối chiếu các thông số kỹ thuật của hệ thống.

Cấu tạo của đầu phát siêu âm

Một đầu phát siêu âm dạng áp điện thường bao gồm phần tử áp điện, tấm đệm, tấm bức xạ và các bộ phận kết cấu liên quan.

Trang sản phẩm Rama mô tả cấu tạo cơ bản gồm phần tử hoạt tính, tấm đệm và tấm bức xạ; trong đó tinh thể áp điện đóng vai trò chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng siêu âm.

Tinh thể áp điện

Tinh thể áp điện là thành phần quan trọng trong đầu phát.

Khi được cấp tín hiệu điện phù hợp, vật liệu áp điện thay đổi kích thước và hình dạng theo tín hiệu kích thích. Sự biến dạng lặp lại tạo ra dao động cơ học ở tần số tương ứng.

Đây là cơ sở để đầu phát siêu âm biến năng lượng điện thành dao động cơ học.

Tấm đệm và tấm bức xạ

Tấm đệm nằm phía sau phần tử áp điện, có nhiệm vụ hỗ trợ kiểm soát năng lượng và đặc tính dao động của cụm đầu phát.

Trong khi đó, tấm bức xạ là phần truyền dao động ra môi trường. Khi đầu phát được gắn vào thành hoặc đáy bể, dao động này được truyền qua vật liệu bể và vào dung dịch.

Sự phối hợp giữa các thành phần này ảnh hưởng đến khả năng truyền năng lượng siêu âm của hệ thống.

Vỏ và bộ phận kết nối

Bên ngoài cụm đầu phát thường có lớp vỏ bảo vệ và bộ phận kết nối với hệ thống điện.

Vật liệu và thiết kế của phần tiếp xúc với môi trường cần phù hợp với điều kiện vận hành. Đặc biệt với bể rửa công nghiệp, đầu phát phải làm việc trong môi trường có nước, dung dịch tẩy rửa và nhiệt độ thay đổi.

Nguyên lý hoạt động của đầu phát siêu âm

Nguyên lý của đầu phát siêu âm bắt đầu từ tín hiệu điện do máy phát cung cấp.

Cấu tạo bên ngoài của đầu phát siêu âm

Tín hiệu này kích thích phần tử áp điện dao động. Dao động được truyền qua kết cấu của đầu phát và thành bể vào dung dịch.

Khi sóng siêu âm truyền trong chất lỏng, áp suất tại các điểm trong môi trường dao động theo chu kỳ. Trong điều kiện phù hợp, quá trình này có thể tạo ra các bọt cavitation.

Chuyển đổi năng lượng điện thành dao động cơ học

Có thể mô tả quá trình theo ba bước:

1. Máy phát cung cấp tín hiệu điện ở tần số phù hợp.
2. Phần tử áp điện trong đầu phát biến đổi tín hiệu thành dao động cơ học.
3. Dao động được truyền vào chất lỏng dưới dạng sóng siêu âm.

Đây là lý do đầu phát siêu âm quyết định một phần quan trọng đến việc đưa năng lượng siêu âm vào bể.

Từ dao động siêu âm đến hiện tượng cavitation

Khi sóng siêu âm tạo ra các chu kỳ áp suất trong dung dịch, tại những điều kiện phù hợp có thể xuất hiện các bọt khí nhỏ.

Các bọt này hình thành, phát triển và sụp đổ liên tục. Quá trình đó được gọi là cavitation.

Trong ứng dụng làm sạch, cavitation tạo ra tác động cơ học ở quy mô rất nhỏ, hỗ trợ phá vỡ và tách chất bẩn khỏi bề mặt vật thể.

Cavitation hỗ trợ làm sạch như thế nào?

Khi các bọt cavitation sụp đổ trong dung dịch, dòng chất lỏng cục bộ được tạo ra quanh vùng bọt. Nếu xảy ra gần bề mặt vật thể, tác động này có thể hỗ trợ bóc tách dầu mỡ, bụi bẩn và các chất bám.

Đây là cơ chế nền tảng khiến công nghệ rửa siêu âm có thể tác động tới các vị trí khó tiếp cận bằng phương pháp chà rửa thông thường.

Các thông số quan trọng của đầu phát siêu âm

Không phải đầu phát siêu âm nào cũng có thể lắp thay thế cho nhau. Một số thông số cần được kiểm tra trước khi lựa chọn gồm:

Trang sản phẩm Rama hiện có nhiều loại đầu phát siêu âm từ 20 kHz đến 120 kHz, với công suất 50–100 W tùy model.

Tần số đầu phát siêu âm

Tần số là một trong những thông số được quan tâm nhiều nhất.

Các mức như 28 kHz và 40 kHz thường xuất hiện trong hệ thống làm sạch siêu âm. Tần số khác nhau sẽ tạo ra đặc tính cavitation khác nhau và vì vậy có thể phù hợp với những nhu cầu làm sạch khác nhau.

Không nên hiểu rằng tần số càng thấp hoặc càng cao thì luôn tốt hơn. Việc lựa chọn cần dựa trên vật liệu, loại chất bẩn, yêu cầu làm sạch và thiết kế tổng thể của bể.

Công suất đầu phát siêu âm

Công suất được tính theo W cho từng đầu phát.

Ví dụ, Rama hiện cung cấp các model 40 kHz với mức 60 W và 100 W.

Nếu một bể sử dụng nhiều đầu phát, tổng công suất siêu âm của hệ thống sẽ phụ thuộc vào số lượng và công suất từng đầu phát.

Tuy nhiên, không nên chỉ cộng công suất rồi kết luận hiệu quả làm sạch. Cách bố trí đầu phát, hình dạng bể và khả năng truyền năng lượng cũng rất quan trọng.

Số lượng đầu phát trong bể

Một bể lớn thường cần nhiều đầu phát để đưa năng lượng siêu âm đến vùng cần xử lý.

Ví dụ, một ứng dụng của Rama với máy RB1000 sử dụng 25 đầu phát công suất cao, tổng công suất siêu âm 1.500 W và tần số 28 kHz cho bể 144 L.

Điều này cho thấy thiết kế hệ thống không đơn giản là chọn một đầu phát thật mạnh, mà còn phải tính toán số lượng và vị trí bố trí.

Kích thước và khả năng tương thích

Hai đầu phát có cùng tần số chưa chắc đã có thể thay thế trực tiếp cho nhau.

Cần kiểm tra:

• Kích thước.
• Công suất.
• Điện dung.
• Kiểu kết nối.
• Bộ phát điện tương thích.
• Cách lắp đặt.
• Điều kiện nhiệt độ và dung dịch.

Đặc biệt, khi thay thế linh kiện cho một bể đang hoạt động, nên đối chiếu thông số đầu phát cũ với thông số của linh kiện mới trước khi lắp.

Đầu phát siêu âm 28 kHz và 40 kHz khác nhau thế nào?

Đầu phát siêu âm 28 kHz và 40 kHz đều được sử dụng trong làm sạch nhưng có đặc tính cavitation khác nhau.

Kích thước đầu phát siêu âm theo từng tần số

Trong một ứng dụng của Rama, tần số 28 kHz được sử dụng cho quá trình làm sạch muỗng inox sau gia công, với mục tiêu xử lý lớp lơ đánh bóng và mỡ bò. Hệ thống RB1000 sử dụng 25 đầu dò, công suất siêu âm 1.500 W và bể 144 L.

Trong khi đó, Rama RB1200 sử dụng tần số 40 kHz, công suất siêu âm 2.400 W và bể 180 L cho ứng dụng rửa bát, dụng cụ nhà bếp.

Có thể hiểu đơn giản:

• 28 kHz: thường được cân nhắc khi cần tác động cavitation mạnh cho chất bẩn khó xử lý.
• 40 kHz: thường được sử dụng cho nhu cầu làm sạch đa dụng hơn.

Tuy nhiên, đây chỉ là định hướng tham khảo. Việc lựa chọn cuối cùng cần dựa trên vật liệu và loại chất bẩn thực tế.

Khi nào cần thay đầu phát siêu âm?

Một hệ thống có thể cần kiểm tra đầu phát siêu âm khi hiệu quả làm sạch suy giảm bất thường hoặc một số vùng trong bể hoạt động yếu hơn những vùng khác.

Đầu phát siêu âm dạng piezo dùng trong bể rửa siêu âm

Hiệu quả làm sạch giảm

Nếu thời gian rửa tăng lên nhưng kết quả không còn như trước, cần kiểm tra nhiều yếu tố như dung dịch, nhiệt độ, máy phát và đầu phát.

Không nên kết luận ngay rằng đầu phát bị hỏng.

Một số đầu phát không còn hoạt động

Với hệ thống có nhiều đầu phát, một hoặc một số linh kiện hỏng có thể tạo ra sự khác biệt về năng lượng giữa các khu vực trong bể.

Khi đó, cần kiểm tra từng đầu phát và hệ thống điều khiển trước khi thay thế.

Bề mặt hoặc vị trí gắn đầu phát có vấn đề

Đầu phát gắn dưới đáy bể cần truyền dao động hiệu quả qua thành bể.

Nếu vị trí lắp đặt, lớp kết nối hoặc bề mặt tiếp xúc có vấn đề, năng lượng truyền vào dung dịch có thể bị ảnh hưởng.

Cách chọn đầu phát siêu âm phù hợp

Khi mua hoặc thay đầu phát siêu âm, nên kiểm tra theo trình tự:

Xác định tần số

Trước tiên cần biết hệ thống đang sử dụng 20 kHz, 25 kHz, 28 kHz, 40 kHz hay một tần số khác.

Không nên tự ý thay 28 kHz bằng 40 kHz chỉ vì hai loại đều có cùng kích thước.

Kiểm tra công suất

Tiếp theo kiểm tra công suất của từng đầu phát và tổng công suất mà bộ phát điện có thể đáp ứng.

Ví dụ, đầu phát 60 W và 100 W có cùng tần số nhưng không đồng nghĩa có thể thay thế trực tiếp cho nhau.

Kiểm tra khả năng tương thích với máy phát

Generator và transducer cần làm việc đồng bộ về các đặc tính điện.

Đây là một trong những lý do quan trọng khiến việc thay thế linh kiện nên dựa trên thông số kỹ thuật của cả hệ thống thay vì chỉ nhìn vào đầu phát.

Kiểm tra số lượng và cách bố trí đầu phát

Nếu thay đầu phát trong bể nhiều transducer, cần xem xét tổng số lượng và vị trí bố trí để tránh làm thay đổi đáng kể sự phân bố năng lượng.

Đầu phát siêu âm trong thiết bị InoxRama

InoxRama hiện phát triển các nhóm thiết bị liên quan đến bể rửa siêu âm công nghiệp, bể rửa siêu âm theo yêu cầu Rama, máy rửa bát siêu âm Rama và máy tạo sóng siêu âm công nghiệp.

Vị trí lắp đầu phát siêu âm dưới đáy bể rửa

Bể rửa siêu âm và hệ thống đầu phát

Trong một bể rửa siêu âm hoàn chỉnh, các đầu phát được bố trí tại những vị trí phù hợp để đưa năng lượng vào dung dịch.

Với máy Rama RT, website mô tả các đầu phát được gắn dưới đáy bể và hệ thống sử dụng tần số 40 kHz.

Điều này cho thấy hiệu quả của đầu phát siêu âm phải được đánh giá trong mối quan hệ với toàn bộ bể, thay vì xem nó như một linh kiện độc lập.

Rama RB1200 ứng dụng siêu âm 40 kHz

Rama RB1200 có bể 180 L, công suất siêu âm 2.400 W và tần số 40 kHz. Hệ thống sử dụng sóng siêu âm trong dung dịch để tạo các bọt khí nhỏ, hỗ trợ làm sạch dầu mỡ, vết cháy và các chất bẩn trên bát đĩa, dụng cụ nhà bếp.

Đây là ví dụ thực tế cho thấy từ đầu phát siêu âm đến hiệu quả làm sạch cần một hệ thống đồng bộ gồm nguồn phát, transducer, bể và dung dịch.

Bể rửa siêu âm công nghiệp theo yêu cầu

Với những nhu cầu không phù hợp với kích thước bể tiêu chuẩn, InoxRama hiện có nhóm bể rửa siêu âm theo yêu cầu Rama. Danh mục sản phẩm của InoxRama cũng bao gồm bể rửa siêu âm công nghiệp GM và máy tạo sóng siêu âm công nghiệp.

Đây là hướng phù hợp khi doanh nghiệp cần lựa chọn số lượng đầu phát, công suất, kích thước bể và cấu hình siêu âm theo vật liệu hoặc quy trình làm sạch thực tế.

Lưu ý khi sử dụng và bảo dưỡng đầu phát siêu âm

Để hệ thống hoạt động ổn định, cần lưu ý một số vấn đề:

• Không vận hành bể khi không có dung dịch nếu thiết bị không được thiết kế cho trạng thái này.
• Không để vật thể va đập mạnh trực tiếp vào vị trí đầu phát.
• Duy trì mức dung dịch phù hợp.
• Kiểm soát nhiệt độ theo giới hạn của thiết bị.
• Kiểm tra dây dẫn và kết nối điện định kỳ.
• Không tự ý thay đổi tần số hoặc công suất khi chưa xác định khả năng tương thích.
• Khi một đầu phát có dấu hiệu bất thường, cần kiểm tra cả generator và hệ thống trước khi kết luận linh kiện bị hỏng.

Đặc biệt với hệ thống nhiều đầu phát, việc bảo dưỡng không chỉ nhằm giữ từng linh kiện hoạt động mà còn giúp duy trì sự phân bố năng lượng tương đối đồng đều trong bể.

Kết luận

Đầu phát siêu âm là bộ phận chuyển đổi năng lượng điện thành dao động cơ học và truyền năng lượng siêu âm vào dung dịch. Trong bể rửa siêu âm, quá trình này tạo điều kiện hình thành cavitation, từ đó hỗ trợ tách dầu mỡ, bụi bẩn và các chất bám trên bề mặt vật thể.

Khi lựa chọn đầu phát siêu âm, cần quan tâm đồng thời đến tần số, công suất, điện dung, kích thước, khả năng tương thích với máy phát và số lượng đầu phát trong toàn bộ hệ thống. Không nên chỉ dựa vào một thông số như 28 kHz hoặc 40 kHz để quyết định.

Các thiết bị như Rama RB1200 sử dụng siêu âm 40 kHz với công suất siêu âm 2.400 W và bể 180 L, trong khi những hệ thống khác có thể sử dụng tần số, số lượng đầu phát và công suất khác tùy mục đích làm sạch.

Vì vậy, khi cần thay thế linh kiện hoặc thiết kế hệ thống mới, việc lựa chọn đầu phát siêu âm nên được thực hiện trên cơ sở thông số kỹ thuật của toàn bộ hệ thống, giúp đảm bảo khả năng tương thích và duy trì hiệu quả làm sạch.