Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêm âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -1- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT SIÊU ÂM
1.1. Khái niệm cơ bản về siêu âm [1, 2, 11]
Âm thanh là kết quả của sự lan truyền năng lượng âm trong vật chất dưới dạng
một sóng tạo nên hiện tượng nén giãn lập đi lập lại. Chuyển động vật lý hạn chế của
các phần tử trong vật chất tạo nên những sóng có áp lực giúp âm thanh được truyền đi.
Những biến đổi áp lực đó được biểu thò dưới dạng sóng hình sin (hình 1.1) trong đó trục
Y chỉ áp lực tại một thời điểm nào đó và trục X chỉ thời gian. Hình 1.1
: Sóng âm thanh. Âm thanh truyền đi như một chuỗi các sóng áp lực
lập đi lập lại với hiện tượng nén giãn của môi trường. [2]
Trong tự nhiên, tần số âm thanh trải rộng từ 1 Hz đến 100.000 Hz (100 kHz), và
dãy âm sử dụng được chia ra thành các vùng sau (hình 1.2):
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -2- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
Hình 1.2
: Dãy tần số âm [11]
Như vậy, tùy theo số dao động của phân tử có chu kỳ mà ta có thể phân biệt được
âm, hoặc siêu âm:
Âm có tần số dao động dưới 18 000 chu kỳ/ giây (hay gọi là tần số 18
000 Hz)
Siêu âm có tần số dao động trên 18 000 Hz
Vậy: siêu âm là những sóng dao động cơ học có tần số cao trên 18 000 Hz, tai
người không thể nghe được. Siêu âm thường được ứng dụng trong thực phẩm là vùng
trường (hình 1.4)
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -4- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
Nguyên tắc hoạt động: năng lượng điện xoay chiều được phát từ máy phát điện
siêu âm sẽ đi vào máy biến năng điện từ. Đầu tiên năng lượng điện này sẽ được
chuyển thành trường điện từ do các cuộn dây quấn. Sau đó trường điện từ sẽ được sử
dụng để tạo ra các dao động rung cơ học tại tần số siêu âm. Vì có dòng điện chạy qua
các cuộn dây thì nó sẽ sinh ra trường điện từ, trường điện từ này sẽ làm các vật liệu từ
tính nén giãn, từ các dao động cơ học đó nó sẽ truyền sóng âm vào môi trường. Do các
vật liệu từ tính đều biến đổi giống hệt nhau trong trường điện từ, nên tần số của năng
lượng điện đầu vào của máy biến năng điện từ sẽ bằng ½ của tần số đầu ra
Nhược điểm của phương pháp này
: máy biến năng điện từ năng lượng cao ít khi
hoạt động ở tần số trên 100 kHz và hệ thống này chỉ dụng hiệu quả 60% năng lượng
điện, còn lại chúng thất thoát ra ngoài dưới dạng nhiệt do đó chúng cần có hệ thống
làm mát bên ngoài (do nó phải chuyển năng lượng điện thành năng lượng từ rồi chuyển
năng lượng từ thành năng lượng cơ học, mỗi quá trình chuyển đều gây thất thoát năng
lượng lớn), ngoài ra hiện tượng trễ cũng làm giảm hiệu quả sử dụng máy biến năng
điện từ
Ưu điểm chính
của hệ thống là chúng có cấu trúc cứng chắc và chòu được áp lực
hoạt động lớn
`
Hình 1.4: Máy biến năng điện từ
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -5- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
1.2.3. Máy biến năng áp điện (Piezoelectric transducer) [1, 11]
Đây là thiết bò được sử dụng rộng rãi nhất. Nó biến đổi trực tiếp năng lượng điện
thành năng lượng rung cơ học thông qua việc sử dụng các vật liệu áp điện.
điện làm cho co dãn. Không phát sinh hiệu ứng áp điện
B: Khi đóng nguồn điện tấm thạch anh T co giãn, rung động tạo ra siêu âm, hay
ngược lại nếu tác động năng lượng làm co giãn tấm thạch anh sẽ tạo ra nguồn điện
1.2.3.2. Các vật liệu mang tính áp điện
Các vật liệu này thường ở dạng tinh thể tự nhiên như: thạch anh,loại kết tinh đa
diện ceramic như bariumtitanate, chì titanate zirconate, chì metaniobate. Các chất này
có thể tán thành bột và ép lại thành khuôn đã đònh để thực hiện trong kỹ nghệ đầu dò
phát siêu âm
1.2.3.3. Nguyên lý cấu tạo đầu dò siêu âm áp điện
Đầu dò siêu âm bao gồm một đơn vò tinh thể có tính áp điện để trong một buồng
làm bằng chất nhựa. Đơn vò tinh thể là một tấm mỏng thạch anh hoặc barium titanate
(tuỳ theo từng loại) được nối 2 cực dòng điện của máy. Trong buồng nhựa còn chứa
một môi trường hỗ trợ nhằm đònh hướng nguồn siêu âm phát ra (môi trường này sẽ hấp
thụ nguồn siêu âm phát ngược lại). Tuỳ theo chiều dày của thạch anh và hiệu thế dòng
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -7- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
điện sẽ tạo ra độ rung động khác nhau, tạo ra nguồn siêu âm có tần số khác nhau, nếu
chiều dày 1mm tương ứng với tần số 2 MHz.
Hình 1.6
: Sơ đồ đầu dò phát siêu âm (một đơn vò áp điện) [1]
1. Dây cáp dẫn dòng điện
2. Vỏ bọc bằng nhựa
3. Dây nối đất, nối vào điện cựuc
4. Dây điện cao thế nối vào điện cực
5. Dây nối vào điện cực đầu dò
6. Chất bổ trợ hấp thụ siêu âm phát trở lại phía sau
7. Điện cực áp hai bên bản thạch anh
8. Bản thạch anh
Hình 1.9
: Máy phát điện siêu âm
1.3.2. Máy biến năng siêu âm
Là một thiết bò chuyển năng lượng điện cao tần thành năng lượng siêu âm. Có 3
loại máy biến năng siêu âm được sử dụng phổ biến nhất là: máy biến năng chất lỏng,
máy biến năng điện từ, máy biến năng áp điện, như đã trình bày ở phần 2 (các phương
pháp tạo siêu âm)
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -10- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
1.3.3. Hệ thống truyền siêu âm [11]
Hệ thống này giúp truyền năng lượng siêu âm đến môi trường cần xử lý, đây cũng
là một bộ phận rất quan trọng. Trong trường hợp bồn siêu âm thì máy biến năng sẽ
được đặt dưới đáy của bồn và nó sẽ truyền siêu âm trực tiếp vào trong môi trường lỏng
chứa trong bồn. Tuy nhiên trong hệ thống siêu âm năng lượng cao thì năng lượng âm
phải được khuếch đại và được dẫn tới dung dòch cần xử lý bằng một hệ thống gắn vào
máy biến năng có hình dạng sừng kim loại như hình 1.8. Sau một thời gian sử dụng thì
phía đầu của sừng này sẽ bò mòn và sẽ làm giảm hiệu quả làm việc của nó. Vì vậy
trong thực tế người ta sẽ thiết kế phần đầu của thiết bò sừng này có thể thay thế được
hình 1.8
1.4. Tính chất sóng siêu âm [1, 2]
Cũng như âm, siêu âm cũng được biểu thò qua các chỉ số: tần số, bước sóng, chu
kỳ, cường độ, tốc độ lan truyền,…
1.4.1. Tần số dao động
Là số chu kỳ dao động/1 giây
1.4.2. Bước sóng
Là độ dài của một chu kỳ dao động, nếu tần số càng cao thì bước sóng càng ngắn
1.4.3. Tốc độ lan truyền của siên âm
Là độ dài mà siêu âm lan truyền trong một đơn vò thời gian (giây)
Khi một nguồn siêu âm lan truyền qua 2 môi trường có trở kháng âm khác nhau
sẽ tạo nên phản xạ siêu âm gọi là siêu âm vang còn một phần siêu âm xuyên qua môi
trường và tuân theo đònh luật quang hình học.
Hình 1.10
: Sơ đồ về phản xạ siêu âm [1]
1. Góc siêu âm chiếu tới α
1
(i)
2. Góc âm vang phản xạ r
3. Siêu âm truyền qua môi trường B
4. mặt phẳng giữa 2 môi trường A và B
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -12- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
5. Góc tới α
1
= góc phản xạ r
Hệ số phản xạ
:giữa 2 môi trường khác nhau có hệ số phản xạ siêu âm riêng biệt.
Hệ số phản xạ tuỳ thuộc vào mật độ, tốc độ lan truyền của siêu âm qua 2 môi trường
khác nhau.
2211
2211
VPVP
VPVP
R
+
−
=
2
1
sin
sin
V
V
=
α
α1
α
:góc tới
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -13- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
2
α
: góc khúc xạ
V
1
, V
2
: tốc độ siêu âm trong môi trường 1 và 2
Ta cần làm giảm khúc xạ, có nghóa là phải để nguồn siêu âm tới thẳng góc để
1
α
=0
1.4.7. Nhiễu xạ siêu âm
r: đường kính nguồn siêu âm phát
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -14- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
Do các hiện tượng trên nguồn siêu âm càng đi xa càng suy giảm và cường độ càng kém
đi
1.4.8. Cường độ siêu âm
Biểu thò bằng năng lượng siêu âm tạo ra trong một đơn vò diện tích tính bằng
w/cm
2
. Cường độ siêu âm phụ thuộc vào hướng lan truyền của siêu âm, tần số siêu âm
và trở kháng âm của môi trường
pV
fUF
I
22
=
(w/cm
2
)
F: Tần số rung động của bản tinh thể thạch anh
U: Hiệu thế sử dụng để tạo rung động
f: Tần số nguồn siêu âm phát
p: Trở kháng âm của môi trường
V: Tốc độ siêu âm
1.4.9. Sự suy giảm siêu âm
Qua các lớp môi trường nguồn siêu âm bò suy giảm do các hiện tượng:
- Biến đổi năng lượng siêu âm thành năng lượng nhiệt
- Hiện tượng khuếch tán, tán sắc
: Cường độ siêu âm đo được ở độ sâu x
I
0
: Cường độ siêu âm lúc ban đầu
f: Hệ số hấp thụ của môi trường
x: Chiều dày của môi trường siêu âm đi qua
Độ giảm siêu âm được tính theo công thức:
N
dB
=log
x
I
I
0
I
X
: Cường độ siêu âm ở điểm x cần đo
I
0
: Cường độ siêu âm lúc ban đầu
Nếu độ suy giảm cao, cường độ siêu âm giảm sẽ làm giảm âm vang phản xạ. Vì
vậy muốn âm vang phản xạ rõ thì ngoài kỹ thuật hướng nguồn siêu âm thẳng góc với
mặt thăm dò mà còn phải chọn tần số siêu âm phù hợp với tính chất và vò trí (độ sâu)
của môi trường cần thăm dò. Cùng một môi trường nguồn siêu có tần số càng cao thì
khả năng bò hấp thụ càng nhiều, độ lan truyền xuyên sâu càng giảm
1.5. Cơ chế tác động của sóng siêu âm: [10, 11]
Âm, siêu âm lan truyền trong môi trường đặc, khí, lỏng sẽ gây ra những biến
0
F , và áp suất tăng quá 10 000 PSI.
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -17- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
Hình 1.13
: Một chu kỳ phát triển bọt
Các vi dòng
cũng là một hiện tượng âm quan trọng khác liên quan đến sự
tạo bọt. Nó xảy ra khi các bọt khí dao động một cách mãnh liệt và tạo ra các dòng xoáy
mãnh liệt trong chất lỏng xung quanh chúng (Scheba et al.,1991). Sự khuếch tán vào
và ra của các khí cũng làm tăng các vi dòng xung quanh chúng và kéo dài hơn nữa
trong chất lỏng (Hughes&Nyborg,1962). Sự dao động mãnh liệt của hiện tượng vi dòng
được ứng dụng làm tăng khả năng truyền nhiệt và truyền khối trong nhiều quá trình
(Ensminger,1998; McClement,1995; Simal, benekito, Sanchez,& Rossello,1998).
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -18- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
CHƯƠNG 2:
ỨNG DỤNG KỸ THUẬT SIÊU ÂM
TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
Siêu âm là một lónh vực đang được nghiên cứu và phát triển nhanh trong công
nghệ thực phẩm. Nó có thể được phân loại thành 2 lónh vực được ứng dụng chính trong
công nghiệp thực phẩm:[10]
Tần số cao và năng lượng thấp, siêu âm chuẩn đoán, trong khoảng tần số
MHz. Phần này được sử dụng như một kỹ thuật phân tích đảm bảo chất lượng, qui trình
điều khiển và kiểm tra không làm phá huỷ cấu trúc, điều này được ứng dụng trong xác
đònh tính chất thực phẩm, đo tốc độ dòng chảy, kiểm tra bao gói thực phẩm…( Floros &
sữa, kem, kem đá, bơ, phômai, magarine, nước sốt rau quả, nùc sốt, mayonnaise, súp
… Tính chất lưu biến, hình dạng, sự ổn đònh, các hoạt tính hoá học của các sản phẩm
này được xác đònh thông qua kích thước các giọt nhũ tương trong thực phẩm đó. Vì vậy
một kó thuật phân tích nhằm xác đònh kích thước của các giọt phân tán trong hệ nhũ
tương là rất quan trọng.
Trong nhiều năm nay, các kó thuật xác đònh kích thước của các giọt phân tán
trong hệ nhũ tương dựa trên kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử, tán xạ ánh
sáng, dẫn điện đều đã được sử dụng (Dickinson và Stainby, 1982). Mỗi kỹ thuật đều có
những ưu điểm và những giới hạn của nó, và hầu hết chúng đều có lónh vực sử dụng
khác nhau.
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -20- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
»
Phương pháp kính hiển vi quang học – điện tử: cung cấp trực tiếp kích
thướt siêu vi của hệ nhũ tương thực phẩm ví dụ như kích thước, tương tác lẫn nhau, sự
phân bố trong không gian của các giọt phân tán. Tuy nhiên việc chuẩn bò mẫu thì rất
phức tạp và mất nhiều thời gian và có thể làm thay đổi cấu trúc của mẫu cần quang sát.
»
Phương pháp tán xạ ánh sáng và dẫn điện: là phương pháp vận hành
đơn giản, cho biết thông tin về sự phân bố các kích thướt hạt và có thể tiến hành phân
tích hoàn chỉnh trong vài phút hoặc ngắn hơn. Bất lợi chính của phương pháp này là các
mẫu đặc phải được pha loãng trước khi phân tích, điều này có thể làm biến đổi cấu trúc
ban đầu của các giọt pha phân tán, điều này có nghóa là rất nhiều mẫu không thể được
phân tích bằng phương pháp này.
Vì vậy người ta tìm những kỹ thuật mới mà không phá huỷ cấu trúc , sự phân bố
của các giọt phân tán trong quá trình xác đònh đối với những hệ nhũ tương nồng độ cao
hay hệ nhũ tương mờ đục. Những kỹ thuật này cần phải được nghiên cứu cơ bản trong
phòng thí nghiệm và sau đó áp dụng thích hợp vào quy trình thực phẩm.
Phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân cũng được phát triển gần đây nhằm xác
đònh kích thước, phân bố của các giọt trong hệ nhũ tương mờ đục nồng độ cao (Van de
hợp (thông thường từ 0.1 đến 100 MHz).
»
Tốc độ siêu âm là quãng đường sóng siêu âm đi được trong một đơn vò
thời gian
Thờigian
ng
Quãngđườ
=c
»
Độ tắt dần được đo bằng độ giảm dần biên độ siêu âm trên một đơn vò
quãng đường đi được.
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -22- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
Các kỹ thuật thực nghiệm để đo lường tần số thì phụ thuộc vào tính chất sóng siêu
âm của chất lỏng, và có thể chia làm 3 loại: kỹ thuật xung (pulse echo), kỹ thuật
truyền qua (through transmission) và kỹ thuật giao thoa (interferometric).
Sự khác nhau chính giữa các kỹ thuật này là các tín hiệu siêu âm tự nhiên được
áp dụng vào mẫu (hình 2.1), và cơ cấu thực nghiệm dùng để tiến hành các phương
pháp này (hình 2.2 và 2.3 ).
Hình 2.1
: Các loại tín hiệu đầu vào khác nhau sử dụng trong kỹ thuật siêu
âm [11]
Hình 2.2
: Mô hình thực nghiệm đo lường siêu âm [11]
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -23- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
Các hệ thống siêu âm đều có chung những bộ phận điện tử như nhau, ví dụ như
+ ln (A
R
/A
S
)/d
Trong đó: A
R
: biên độ siêu âm khi truyền qua dung dòch chuẩn
A
S
: biên độ siêu âm khi truyền qua dung dòch mẫu
Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm
SV: Trần Thò Ngọc Lành -24- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt
α
1,
α
2
: hệ số tắt dần của dung dòch chuẩn và mẫu
d: chiều dài của mẫu
Hình 2.3
: Ba kỹ thuật đo tính chất siêu âm trong chất lỏng thường dùng ,
G & R lần lượt là máy biến năng phát và thu [11]
Về nguyên tắc phương pháp siêu âm rất dễ thực hiện, nhưng trên thực tế thì cần
phải chú ý đến nhiều nhân tố để hệ thống có độ tin cậy và độ chính xác cao. Bình chứa
phải được thiết kế đặc biệt để giảm tối thiểu sự thay đổi nhiệt độ, sự dội lại của xung
siêu âm trên thành bình và máy biến năng, và giảm tối thiểu ảnh hưởng của tán xạ và
sự biến đổi pha do thành bình không song song .
Có hai phương pháp khác nhau để xác đònh tần số phụ thuộc vào tính chất siêu
âm của hệ nhũ tương. Cách đầu tiên đó là sử dụng xung siêu âm dải rộng (broad –
của tín hiệu nhận được bởi máy biến năng có thể thay đổi trong khoảng từ nhỏ nhất tới
lớn nhất do sự phá hoại
Khoảng cách lớn nhất x
max
bằng một nửa bước sóng siêu âm của mẫu, do đó tốc
độ có thể tính bằng: c=fλ=2fx
max
. Biên độ sóng giảm dần khi khoảng cách giữa máy
Copyright: Tài liệu đại học ©