Toồng quan
Cơ sở lý thuyết phương pháp siêu âm
SÓNG SIÊU ÂM
Siêu âm là sóng âm có tần số cao hơn 20 kHz, không thể nghe thấy bằng tai người Thông thường, sóng siêu âm trong dải tần từ 0.5 MHz đến 20 MHz được ứng dụng rộng rãi trong kiểm tra vật liệu.
Sóng siêu âm, được phát hiện bởi GALTON vào năm 1883, đã nhanh chóng phát triển trong Chiến tranh Thế giới II nhờ vào các phương pháp xung từ kỹ thuật radar, mở rộng đáng kể phạm vi ứng dụng Siêu âm trở nên phổ biến trong kiểm tra không phá hủy vật liệu và còn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác như chẩn đoán y khoa, điều khiển tự động, làm sạch và gia công vật liệu.
Bản chất của sóng siêu âm
Sóng siêu âm là dao động cơ học, và để hiểu rõ sự di chuyển của sóng này trong một môi trường, ta cần nắm bắt cơ chế truyền năng lượng giữa hai điểm trong môi trường Một cách hiệu quả để bắt đầu nghiên cứu là xem xét dao động của một vật nặng treo ở đầu một lò xo.
Hình 2.1 – a) Trọng vật treo bởi một lò xo; b) Hình vẽ dịch chuyển của m theo thời gian
Có hai lực tác dụng lên m, khi nó ở trạng thái cân bằng A, là trọng lực G và
Biên độ leân xuoáng Độ dị ch c huyể n
Khi thời gian trôi qua, lực căng T sẽ tăng lên Khi vật m rời khỏi vị trí B, nó sẽ được gia tốc về vị trí A nhờ vào sự gia tăng của lực căng Khi đến A, trọng lực G và lực căng T sẽ cân bằng, nhưng do quán tính, vật m sẽ tiếp tục vượt qua A và di chuyển đến vị trí C Tại thời điểm này, lực căng T sẽ giảm dần trong khi trọng lực G tăng lên, có xu hướng làm giảm tốc độ của m cho đến khi nó không còn động năng và dừng lại.
C Tại C, G lớn hơn T lại kéo m quay lại chuyển động về phía A Tại A nó lại có động năng và lại một lần nữa vượt qua A Khi m chuyển động từ A đến B, T lại tăng dần và hãm dần m cho đến khi nó đến B Tại B, T lớn hơn G và toàn bộ quá trình lại bắt đầu lặp lại Trình tự dịch chuyển của m từ vị trí A đến B, từ B về A, từ A đến C và từ C về A được gọi là một chu trình Số chu trình diễn ra trong một giây được định nghĩa là tần số của dao động Thời gian cần thiết để thực hiện hoàn tất một chu trình được gọi là chu kỳ T của dao động trong đó : f
T = 1 Độ dịch chuyển cực đại của m từ A đến B hoặc từ A đến C được gọi là biên độ của dao động Các khái niệm trên được minh hoạ ở hình 2.1b
Tất cả các vật liệu đều được cấu tạo từ các nguyên tử hoặc phân tử liên kết với nhau thông qua lực liên kết nguyên tử Những lực này có tính chất đàn hồi, tương tự như các nguyên tử được nối với nhau bằng các lò xo Do đó, mô hình đơn giản của vật liệu có thể được hình dung như hình 2.2.
Hình 2.2 – Mô hình của một vật thể đàn hồi
Khi một nguyên tử trong vật liệu bị dịch chuyển khỏi vị trí ban đầu do tác động của lực căng, nguyên tử đó sẽ bắt đầu dao động, tương tự như trọng vật được minh họa trong hình 2.1a Lực liên kết giữa các nguyên tử sẽ ảnh hưởng đến sự dao động này, tạo ra sự tương tác giữa các nguyên tử lân cận.
Lực liên kết giữa các nguyên tử
Các nguyên tử trong vật liệu dao động và truyền động cho các nguyên tử lân cận Khi các nguyên tử liên kết chặt chẽ, sự truyền động diễn ra đồng thời, duy trì cùng một pha dao động Tuy nhiên, do liên kết giữa các nguyên tử là lực đàn hồi, quá trình truyền dao động sẽ mất một khoảng thời gian nhất định, dẫn đến việc các nguyên tử đạt được pha dao động trễ hơn so với nguyên tử đầu tiên bị kích thích.
Khi sóng cơ học di chuyển qua một môi trường, chuyển động của một phần tử trong môi trường đó tại thời điểm bất kỳ t được mô tả bởi công thức a = a0 sin(2πft).
Trong đó : a = Độ dịch chuyển của phần tử ở thời điểm t a 0 = Biên độ dao động của phần tử f = Tần số dao động của phần tử
Biểu diễn đồ thị trong phương trình 2.1 được trình bày ở hình 2.3
Hình 2.3 – Đồ thị minh họa cho phương trình 2.1 mô tả sự dao động của những phần tử dao động theo thời gian
Phương trình (2.2) mô tả chuyển động của sóng cơ học trong môi trường, thể hiện trạng thái của các phần tử (pha) ở các khoảng cách khác nhau so với phần tử bị kích thích đầu tiên tại một thời điểm t xác định.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các khái niệm cơ bản liên quan đến sóng Độ dịch chuyển a tại thời điểm t và khoảng cách x từ phần tử đầu tiên bị kích thích cho biết sự di chuyển của một phần tử môi trường khi có sóng truyền qua Biên độ sóng a0 tương ứng với biên độ dao động của các phần tử trong môi trường Ngoài ra, vận tốc lan truyền của sóng được ký hiệu là v, và tần số của sóng được ký hiệu là f.
Hình 2.4 cho ta đồ thị biểu diễn của phương trình 2.2 Đ ộ dị ch chuyển của phần tử Thời gian
Vì trong thời gian một chu kỳ T, một sóng cơ học có vận tốc v truyền đi được quãng đường λ trong môi trường, do vậy ta có : λ = vT hay v = T λ (2.3)
Hình 2.4 –Đồ thị minh họa cho phương trình 2.2
Chu kỳ T liên hệ với tần số f bởi :
Kết hợp phương trình (2.3) và (2.4) chúng ta thu được phương trình cơ bản của mọi chuyển động sóng là : v = λf (2.5)
Trong phương trình 2.5, nếu tần số f được đo bằng Hz và bước sóng λ bằng mm, thì vận tốc v sẽ có đơn vị là mm/s Ngược lại, khi tần số f được tính bằng MHz và bước sóng λ vẫn là mm, vận tốc v sẽ có đơn vị là km/s.
CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG
Tần số sóng, ký hiệu là f, đại diện cho số chu kỳ trong một giây và phản ánh tần số dao động của các nguyên tử trong môi trường mà sóng truyền qua Đơn vị đo tần số này được đặt theo tên nhà vật lý H Hertz, được viết tắt là Hz.
1Hz = 1 chu kyứ trong 1 giaõy
1KHz = 1000Hz = 1000 chu kyứ trong 1 giaõy
Các thiết bị hiện đại có khả năng phát tần số lên đến vài GHz, nhưng trong kiểm tra vật liệu, tần số sóng siêu âm thường được sử dụng trong khoảng 0,5MHz đến 20MHz Đối với việc kiểm tra kim loại, dải tần số phổ biến nhất là từ 2MHz đến 20MHz Tần số đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện và đánh giá khuyết tật, góp phần nâng cao độ chính xác trong quá trình kiểm tra.
Trong chu kỳ T của dao động, sóng di chuyển một quãng đường nhất định được gọi là bước sóng, ký hiệu là λ Các nguyên tử trong môi trường sẽ ở cùng một trạng thái dao động, tức là cùng một pha, khi sóng truyền qua.
Mối liên hệ giữa bước sóng (λ), tần số (f) và vận tốc (v) cho thấy rằng trong một môi trường xác định, bước sóng và tần số có mối quan hệ nghịch đảo Khi tần số tăng, bước sóng sẽ giảm và ngược lại Trong thực tế, các khuyết tật có kích thước khoảng λ/2 hoặc λ/3 thường có thể được phát hiện Điều này có nghĩa là bước sóng càng nhỏ thì khả năng phát hiện các khuyết tật cũng càng tốt hơn Do đó, sóng siêu âm với bước sóng ngắn hoặc tần số cao sẽ mang lại độ nhạy phát hiện khuyết tật tốt hơn.
Ví dụ : So sánh độ nhạy phát hiện khuyết tật của đầu dò có tần số 1MHz với đầu dò taàn soá 6MHz trong theùp
Giải : Độ nhạy phát hiện khuyết tật đã được giả thiết ở mức độ λ/3 nên đối với đầu dò tần số 1MHz
Ta có : λ = v/f= 5940 (cho thép) × 1000/1 × 1000000mm 5,94mm Độ nhạy phát hiện khuyết tật = λ /3= 1,98mm Với đầu dò có tần số 6MHz
Độ nhạy phát hiện khuyết tật được tính bằng công thức λ/3, với λ = 5940 × 1000/6 × 1000000mm, cho ra giá trị 0,33mm Vận tốc, ký hiệu là “v”, là đại lượng thể hiện tốc độ năng lượng truyền giữa hai điểm trong môi trường do chuyển động của sóng.
Các loại sóng và vận tốc truyền các loại sóng sẽ được trình bày chi tiết ở phần 2.3 d> Âm trở :
Âm trở của một vật liệu, ký hiệu là Z, là sức cản của vật liệu đối với sự truyền sóng siêu âm Nó được tính bằng tích số của mật độ vật liệu (ρ) và vận tốc (v) của sóng siêu âm khi truyền qua vật liệu đó.
Giá trị âm trở của một vật liệu chủ yếu phụ thuộc vào các tính chất vật lý của nó, không bị ảnh hưởng bởi đặc tính và tần số của sóng Bảng 2.1 trình bày các giá trị âm trở của một số vật liệu phổ biến.
Bảng 2.1 : Mật độ, vận tốc sóng âm và âm trở của các vật liệu thông dụng
Âm áp là thuật ngữ chỉ biên độ ứng suất biến đổi tuần hoàn trong vật liệu do sự truyền sóng siêu âm Mối quan hệ giữa âm áp P, âm trở Z và biên độ dao động của phần tử sóng 'a' rất quan trọng trong lĩnh vực này.
Z – Âm trở a – Biên độ dao động của phần tử sóng f> Cường độ âm :
Cường độ sóng siêu âm, ký hiệu là I, được định nghĩa là sự truyền năng lượng cơ học qua một đơn vị tiết diện vuông góc với phương truyền của sóng Cường độ này liên quan đến âm áp P, âm trở Z và biên độ dao động của phần tử sóng theo một biểu thức cụ thể.
Z – Âm trở a – Biên độ dao động của hạt g> Thang ủo theo decibel (dB) :
Trong nghiên cứu siêu âm, cường độ và âm áp thường thay đổi theo thang logarit, với việc đo đạc dựa trên các tiêu chuẩn cố định Đơn vị decibel, bằng 1/10 bel, được sử dụng để đo lường dựa trên logarit thập phân Khi so sánh hai tín hiệu siêu âm có cường độ I0 và I1, các tín hiệu này tạo ra công suất điện P0 và P1 tương ứng Do đó, tỷ số cường độ siêu âm tương ứng với tỷ số công suất tín hiệu điện được hình thành.
_ Giáo viên hướng dẫn : TS Thái Thị Thu Hà Thực hiện : Nguyễn Nhật Quang 16
Trong thực tế, đồng hồ đo điện thế AC và máy hiện sóng dao động kế (cathode ray oscilloscope) thường được sử dụng để ghi nhận điện thế Các thiết bị này đo điện thế có mối quan hệ tỷ lệ với căn bậc hai của âm áp, tức là P tỷ lệ với V² Khi áp dụng vào phương trình (2.14), ta có được kết quả cần thiết.
Tỷ số này tương đối lớn nên ta lấy logarit thập phân của hai vế phương trình (2.15) được:
Vì 1decibel bằng 1/10bel nên Cường độ tính theo Decibel :
CÁC LOẠI SÓNG SIÊU ÂM VÀ ỨNG DỤNG
Sóng siêu âm được phân loại dựa vào dạng dao động của các phần tử sóng trong môi trường truyền sóng, bao gồm các loại như sóng dọc, sóng ngang, sóng mặt (sóng Rayleigh) và sóng Lamb Trong đó, sóng dọc hay còn gọi là sóng nén (Longitudinal or compressional waves) là một trong những loại sóng quan trọng trong nghiên cứu siêu âm.
Trong sóng siêu âm dọc, các phần tử sóng dao động song song với phương truyền sóng, tạo ra các vùng nén và giãn cách liên tiếp Hình 2.5 minh họa mô phỏng của loại sóng này.
Hình 2.5 – Sóng dọc gồm các vùng nén và dãn xen kẽ nhau dọc theo phương truyền sóng
Hình 2.6 minh họa sự dịch chuyển của sóng dọc theo quãng đường truyền, thể hiện rõ các đỉnh sóng bị nén và chân sóng bị dãn ra, đồng thời mô tả hiện tượng ồn c của hạt Biờn độ.
Hình 2.6 – Sự dịch chuyển của hạt theo quãng đường truyền sóng
Sóng siêu âm là loại sóng dễ dàng phát và thu nhận, được sử dụng rộng rãi trong kiểm tra siêu âm Hầu hết năng lượng siêu âm dùng để kiểm tra vật liệu xuất phát từ dạng sóng này, sau đó được chuyển đổi sang các dạng sóng khác cho các ứng dụng kiểm tra đặc biệt Loại sóng này có khả năng truyền trong môi trường rắn, lỏng và khí, và là dạng sóng duy nhất tồn tại trong nước của bể nhúng, sẽ được đề cập trong kỹ thuật kiểm tra nhúng.
Sóng siêu âm này được gọi là sóng ngang hay sóng trượt, trong đó phương dịch chuyển của các phần tử sóng vuông góc với phương truyền của sóng Hình 2.7 minh họa rõ ràng điều này.
Để một sóng ngang có thể truyền qua vật liệu, các hạt vật liệu cần phải liên kết chặt chẽ với nhau Khi một hạt dao động, nó sẽ kéo theo hạt kế cận di chuyển, từ đó tạo ra sự truyền năng lượng siêu âm trong vật liệu với vận tốc khoảng 50% so với vận tốc của sóng dọc.
Sóng ngang chỉ có thể truyền trong các chất rắn vì trong chất lỏng và khí, khoảng cách giữa các phân tử quá lớn, dẫn đến lực hút không đủ mạnh để tạo ra sự di chuyển giữa các phần tử Do đó, sóng sẽ tắt dần nhanh chóng Một loại sóng đặc biệt là sóng mặt hay sóng Rayleigh, có những đặc điểm riêng biệt trong việc truyền năng lượng.
Lord Rayleigh là người đầu tiên mô tả các loại sóng mặt, chúng chịu ảnh hưởng mạnh từ các lực đàn hồi của vật rắn ở một phía, trong khi phía ngược lại lại bị tác động bởi các lực đàn hồi gần như không có giữa các phân tử khí Do đó, sóng mặt hầu như không xuất hiện ở các vật rắn chìm trong chất lỏng, trừ khi chất lỏng chỉ bao phủ một lớp rất mỏng trên bề mặt của vật rắn.
Loại sóng này có vận tốc khoảng 90% so với sóng ngang trong cùng vật liệu và chỉ truyền được trong vùng không dày hơn một bước sóng từ bề mặt Ở độ sâu này, năng lượng sóng chỉ đạt 4% so với năng lượng tại bề mặt, và biên độ dao động giảm mạnh, trở nên không đáng kể ở các độ sâu lớn hơn.
Trong sóng mặt, hạt dao động theo quỹ đạo elip, như được mô phỏng trong hình 2.8 Các mũi tên nhỏ trong hình minh họa hướng dao động của các hạt.
Hình 2.8 – Giản đồ lan truyền sóng mặt ở bề mặt một kim loại tiếp xúc với không khí
Trục chính của ellip thẳng góc với bề mặt mà trong đó sóng truyền đi Trục phụ song song với phương truyền sóng
Sóng mặt là công cụ hiệu quả trong việc kiểm tra các chi tiết có bề mặt phức tạp, vì chúng suy giảm ít hơn so với sóng ngang hoặc sóng dọc và có khả năng đi vòng qua các góc cạnh Chúng đặc biệt hữu ích cho việc phát hiện các vết nứt bề mặt hoặc gần bề mặt của vật liệu Sóng Lamb, hay còn gọi là sóng bản mỏng, cũng thuộc loại sóng dẫn và được ứng dụng trong lĩnh vực này.
Khi sóng mặt được truyền vào một vật liệu có độ dày bằng hoặc nhỏ hơn ba lần bước sóng, sẽ xuất hiện sóng bản mỏng, hay còn gọi là sóng Lamb Vật liệu bắt đầu dao động như một bản mỏng, với sóng lan tỏa toàn bộ bề dày của nó Sóng Lamb được đặt theo tên của nhà nghiên cứu Horace Lamb, người đã mô tả lý thuyết này vào năm 1916 Đặc biệt, vận tốc của sóng Lamb không chỉ phụ thuộc vào loại vật liệu mà còn vào độ dày, tần số và dạng sóng.
Phương truyền sóng KHOÂNG KHÍ
Tại bề mặt cân bằng
Sóng Lamb, hay còn gọi là sóng bản mỏng, là dạng sóng tồn tại dưới nhiều hình thức phức tạp của dao động phần tử Hai dạng cơ bản của sóng Lamb bao gồm sóng nén và sóng cắt, mỗi loại đều có những đặc điểm riêng biệt và ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau như kiểm tra vật liệu và kỹ thuật siêu âm.
(a) dạng đối xứng hay là dạng dãn nở và
(b) dạng phản đối xứng hay là dạng uốn cong
Dạng sóng được xác định bởi sự đối xứng hoặc phản đối xứng của dao động phần tử so với trục trung tâm của vật kiểm tra Trong sóng Lamb đối xứng (sóng dãn nở), phần tử di chuyển dọc theo trục trung tâm của bản, trong khi trên mỗi bề mặt, phần tử sóng thực hiện dịch chuyển hình elip.
Dạng này bao gồm các chỗ "dày" và "mỏng" liên tiếp trong bản, giống như hình ảnh của một ống cao su mềm chứa các quả cầu thép có đường kính lớn hơn ống.
BIỂU HIỆN CỦA SÓNG SIÊU ÂM
2.4.1 Sự phản xạ và truyền qua khi sóng tới thẳng góc : a> Cường độ phản xạ và truyền qua :
Khi sóng siêu âm gặp biên giới giữa hai môi trường có âm trở khác nhau (Z1≠Z2) theo góc vuông, một phần sóng sẽ bị phản xạ trong khi phần còn lại sẽ truyền qua mặt phân cách Mức độ năng lượng sóng âm bị phản xạ hoặc truyền qua phụ thuộc vào sự khác biệt giữa âm trở của hai môi trường Nếu sự khác biệt này lớn, phần lớn năng lượng sẽ bị phản xạ và chỉ một ít truyền qua Ngược lại, nếu sự khác biệt âm trở nhỏ, phần lớn năng lượng siêu âm sẽ truyền qua và chỉ một phần nhỏ bị phản xạ.
Hình 2.10 – Sự phản xạ và truyền qua khi sóng tới thẳng góc
Khi sóng siêu âm tới mặt phân cách giữa hai môi trường có âm trở khác nhau theo phương thẳng góc, phần năng lượng siêu âm bị phản xạ có thể được tính toán một cách định lượng.
Trong đó : R – Hệ số phản xạ
Z1 – Âm trở của môi trường 1
Z2 – Âm trở của môi trường 2
I r – Cường độ sóng siêu âm phản xạ
Ii – Cường độ sóng siêu âm tới
Hệ số phản xạ Cường độ của sóng siêu âm bị phản xạ tại biên giới Cường độ của sóng siêu âm tới biên giới
Trong đó : T – Hệ số truyền qua
Z1 – Âm trở của môi trường 1
Z2 – Âm trở của môi trường 2
It – Cường độ sóng siêu âm truyền qua
Ii – Cường độ sóng siêu âm tới
Như vậy hệ số truyền qua có thể xác định theo biểu thức :
T = 1 – R (2.19) Trong đó : T – Hệ số truyền qua
Khi sử dụng các giá trị âm trở trong bảng 2.1, có thể tính toán các hệ số phản xạ và truyền qua cho các cặp vật liệu khác nhau Kết quả cho thấy hệ số truyền qua đồng nhất và hệ số phản xạ giảm xuống gần 0 khi Z1 và Z2 có giá trị tương tự, cho thấy tính tương hợp cao giữa các vật liệu Ngược lại, khi hai vật liệu có đặc trưng âm trở khác biệt, chẳng hạn như chất rắn hoặc lỏng tiếp xúc với khí, hệ số truyền qua sẽ đạt giá trị cao hơn.
0 và sự phản xạ sẽ là 100% Các vật liệu này được gọi là có tính tương hợp kém
Thay thế các giá trị âm trong bảng 2.1 vào phương trình 2.18 cho thấy hệ số truyền đạt được 75% khi tinh thể thạch anh tiếp xúc hoàn hảo với khối thép Tuy nhiên, thực tế cho thấy có một khe hở khoảng 1μm do bề mặt khối thép gia công thông thường Ở tần số 1MHz, hệ số truyền chỉ giảm 1-2% khi khe hở được lấp đầy bằng chất lỏng Ngược lại, nếu khe hở chứa khí, hệ số truyền giảm xuống khoảng 4 × 10^-9, tương đương hơn 80dB Điều này minh họa tầm quan trọng của các chất tiếp âm trong việc truyền và ghi nhận sóng âm trong vật rắn.
Các quan hệ xác định phần phản xạ và truyền qua của âm áp tại mặt phân giới trong trường hợp sóng tới thẳng góc là :
= + (2.21) Trong đó : Pr – Phần âm áp phản xạ
Pt – Phần âm áp truyền qua
Z1 – Âm trở của vật liệu của môi trường sóng tới
Heọ soỏ truyeàn qua Cường độ của sóng siêu âm truyền qua biên giớiCường độ của sóng siêu âm tới biên giới
Z 2 – Âm trở của vật liệu của môi trường sóng truyền qua
Từ các phương trình (2.20) và (2.21), có thể thấy rằng P r có thể có giá trị dương hoặc âm, trong khi P t có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn 1, tùy thuộc vào việc Z 2 lớn hơn hay nhỏ hơn Z 1.
Khi Z2 > Z1, tức là trong trường hợp biên giới giữa nước và thép, áp suất phản xạ Pr sẽ dương và áp suất truyền Pt lớn hơn 1 Điều này cho thấy áp suất phản xạ có cùng pha với áp suất tới, trong khi áp suất truyền qua lớn hơn áp suất tới.
Hình 2.11 – Âm áp trong trường hợp phản xạ trên bề mặt tiếp giáp thép – nước, sóng tới trong thép (a) hoặc trong nước (b)
Sự kiện âm áp truyền qua lớn hơn âm áp tới không mâu thuẫn với định luật bảo toàn năng lượng, vì cường độ chứ không phải âm áp bị phân chia tại biên giới Theo các phương trình (2.20) và (2.21), cường độ tới luôn bằng tổng của cường độ phản xạ và cường độ truyền qua, bất kể Z1 > Z2 hay Z2 > Z1.
Âm áp truyền qua trong thép cao hơn do âm áp tỷ lệ với tích số của cường độ và âm trở Mặc dù cường độ truyền qua trong thép thấp, âm áp truyền qua lại cao nhờ vào âm trở cao của thép Khi Z1 > Z2, trong trường hợp phân giới thép – nước, P r < 0, điều này có nghĩa là âm áp phản xạ bị đảo ngược.
Sóng phản xạ Sóng truyền qua
Ví dụ 1 : Hãy xác định tỷ lệ phần trăm năng lượng phản xạ và truyền qua của sóng âm tại mặt phân giới giữa nước và thép ?
Giải đáp : Từ bảng 2.1 ta có các số liệu sau :
Hình 2.12 – Các bố trí đầu dò và mẫu nhôm
Khi sóng âm truyền từ nước vào nhôm, một phần trăm năng lượng sẽ bị phản xạ tại mặt phân giới, trong khi phần còn lại sẽ tiếp tục truyền qua Để xác định tỷ lệ phần trăm năng lượng sóng âm phản xạ và truyền qua, cũng như lượng năng lượng trở về đầu phát sau khi đến đáy mẫu nhôm, cần tham khảo biểu đồ (hình 2.12).
Giải đáp 2 : Từ bảng 2.1 ta có các số liệu sau :
Z nước = Z 1 = 1480×10 3 kg.m -2 s -1 Đầu dò Nước
Chỉ có 29% năng lượng được truyền vào mẫu nhôm, trong đó 71% của 29% (tương đương 20,6%) bị phản xạ ngược tại mặt phân giới giữa nhôm và nước Khi năng lượng này gặp lại mặt phân giới, 71% của 20,6% (tương đương 14,6%) tiếp tục bị phản xạ trở lại vào mẫu kiểm tra Cuối cùng, chỉ còn 6% năng lượng (20,6% - 14,6%) được truyền vào nước tới đầu dò.
Để kiểm tra khuyết tật mất liên kết của hai vật liệu, một vật liệu có bề dày 7,5mm và âm trở 5,0×10^3 kg.m^-2.s^-1, trong khi vật liệu còn lại có bề dày 100mm và âm trở 4,5×10^3 kg.m^-2.s^-1 Nếu liên kết giữa chúng là hoàn hảo, cần tính toán tỷ lệ phần trăm phản xạ sóng âm tại bề mặt phân cách giữa hai vật liệu.
Nếu có liên kết tốt, sự phản xạ chỉ xảy ra do sự khác biệt về âm trở giữa các vật liệu Cần lưu ý rằng ảnh hưởng của vùng trường gần sẽ bị bỏ qua khi mẫu được kiểm tra từ phía bề dày lớn.
Thay các số liệu ta có :
2.4.2 Sự phản xạ và truyền qua khi sóng tới xiên góc : a> Sự khúc xạ và sự chuyển đổi dạng sóng :
Khi sóng siêu âm gặp mặt phân giới với góc tới xiên, quá trình phản xạ và truyền sóng trở nên phức tạp hơn so với góc tới vuông góc Hiện tượng chuyển đổi dạng sóng và khúc xạ xảy ra, dẫn đến sự thay đổi về bản chất dao động và phương truyền của sóng Hình 2.12 minh họa sự phân chia của sóng dọc thành hai thành phần: sóng dọc (L1) và sóng ngang (S1) trong môi trường 1, cùng với sóng dọc (L2) và sóng ngang (S2) trong môi trường 2.
Hình 2.13 minh họa tất cả các sóng phản xạ và truyền qua khi sóng siêu âm đi vào góc xiên với mặt biên giới giữa hai môi trường Nếu môi trường 2 không phải là rắn, thành phần sóng ngang khúc xạ sẽ không tồn tại.
Hình 2.13 minh họa sự khúc xạ và chuyển đổi dạng sóng khi sóng dọc tiếp cận với bề mặt ở góc tới α l Góc phản xạ của sóng ngang được ký hiệu là α t, trong khi góc khúc xạ của sóng ngang là β t và góc khúc xạ của sóng dọc là β l Định luật Snell mô tả mối quan hệ giữa các góc này trong quá trình khúc xạ sóng.
Hiệu ứng áp điện và từ giảo trên các tinh thể
Biến tử là thiết bị chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác, trong đó biến tử siêu âm chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng siêu âm và ngược lại thông qua hiệu ứng áp điện Các vật liệu có khả năng này được gọi là vật liệu áp điện.
Hiệu ứng áp điện, lần đầu tiên được anh em nhà Curie phát hiện vào năm 1880, cho thấy rằng khi vật liệu áp điện bị nén, sẽ xuất hiện một hiệu điện thế Ngược lại, hiệu ứng áp điện ngược, được Lippman tiên đoán vào năm 1881 và xác nhận bởi anh em nhà Curie trong cùng năm, cho phép tạo ra biến dạng cơ học khi áp điện áp lên vật liệu Hiệu ứng áp điện thuận thường được sử dụng để thu sóng siêu âm, trong khi hiệu ứng áp điện ngược được ứng dụng để phát sóng siêu âm.
Hình 2.18a – Hiệu ứng áp điện thuận
Hình 2.18b – Hiệu ứng áp điện ngược.
2.6.2 Các loại biến tử áp điện
Biến tử áp điện có thể được phân loại thành hai nhóm chính dựa trên loại vật liệu được sử dụng trong quá trình chế tạo Nếu biến tử được làm từ vật liệu đơn tinh thể, hiện tượng áp điện sẽ xảy ra một cách tự nhiên, tạo ra hiệu suất cao trong ứng dụng.
Sự giãn nở và co lại của vật liệu đa tinh thể tạo ra hiện tượng áp điện thông qua quá trình phân cực bên ngoài, dẫn đến việc chúng được phân loại là biến tử gốm phân cực.
2.6.3 Biến tử tinh thể áp điện :
Một số vật liệu đơn tinh thể có hiện tượng áp điện tự nhiên bao gồm thạch anh, tourmaline, sunfat lithium, sunfit cadmi và oxit kẽm Trong số này, thạch anh và sunfat lithium là hai loại vật liệu phổ biến được sử dụng để chế tạo biến tử siêu âm.
Các tinh thể thạch anh, dù là tự nhiên hay nhân tạo, đều có cấu trúc định hình với ba trục tinh thể chính: X, Y và Z.
Hiện tượng áp điện trong thạch anh chỉ xảy ra khi cắt một tấm mỏng vuông góc với trục X hoặc Y từ tinh thể thạch anh, được gọi là các tấm cắt X và Y Tấm cắt X được sử dụng để phát và thu sóng dọc, trong khi tấm cắt Y được dùng cho sóng ngang Sóng ngang và sóng mặt có thể được tạo ra từ tấm cắt X thông qua hiện tượng chuyển đổi dạng sóng của sóng siêu âm Khi áp điện thế xoay chiều vào các điện cực, biến tử áp điện dao động với tần số nhất định và biên độ khoảng 10 lần bề dày của nó Tuy nhiên, nếu bị kích thích ở tần số cộng hưởng, biên độ sẽ tăng lên đáng kể, đạt khoảng 10 lần bề dày tại tần số cơ bản.
Hình 2.19 – Hệ thống trục toạ độ trong tinh thể thạch anh (đơn giản hoá) và các vị trí của các lát cắt X và Y
Trục vốn có của Thạch anh
Mặt cắt X của thạch anh cho sóng dọc Mặt cắt Y của thạch anh cho sóng ngang
Một vài ưu điểm và hạn chế khi dùng thạch anh làm biến tử siêu âm: ệu ủieồm :
(ii) Không tan trong nước
(iii) Có độ ổn định cơ và điện cao
(iv) Có thể làm việc ở nhiệt độ cao
Hình 2.20 – Hiệu ứng áp điện của thạch anh (đối với lát cắt X)
Hình 2.21 – Hiệu ứng áp điện của thạch anh (đối với lát cắt Y)
Hiệu ứng áp điện thuận
Hiệu ứng áp điện ngược
Tinh theồ bũ Nén lại
Tinh theồ bũ giãn nở ẹieọn theỏ dửụng Trên các bề mặt ẹieọn theỏ aõm trên các bề mặt
Kết quả ẹieọn theỏ dửụng trên các bề mặt ẹieọn theỏ aõm trên các bề mặt Sự giãn nở của tinh theồ Sự nén lại của tinh theồ
Hiệu ứng áp điện thuận
Hiệu ứng áp điện ngược
Sự kéo giãn làm biến dạng tinh thể từ bên trái
Sự kéo giãn làm biến dạng tinh thể từ bên phải ẹieọn theỏ dửụng Trên các bề mặt ẹieọn theỏ aõm trên các bề mặt
Kết quả ẹieọn theỏ dửụng Trên các bề mặt ẹieọn theỏ aõm trên các bề mặt
Sự kéo giãn làm biến dạng tinh thể từ bên phải Sự kéo giãn làm biến dạng tinh thể từ bên trái
(ii) Hiệu suất phát năng lượng siêu âm thấp nhất
Khi sử dụng tấm cắt X, hiện tượng chuyển đổi dạng sóng xảy ra, không chỉ phát ra sóng dọc mà còn cả sóng ngang Sóng ngang được sinh ra do tấm tinh thể cắt X bị nén và kéo dài theo phương Y, dẫn đến việc tạo ra các tín hiệu giả ở phía sau tín hiệu chính.
(iv) Cần điện áp cao khi làm việc
Sunfat lithi là một loại tinh thể áp điện phổ biến trong việc chế tạo biến tử siêu âm Nó có nhiều ưu điểm như khả năng tạo ra tín hiệu ổn định và độ nhạy cao Tuy nhiên, cũng tồn tại một số hạn chế như độ bền thấp và chi phí sản xuất tương đối cao.
(i) Là phần tử thu năng lượng siêu âm có hiệu suất cao nhất
(ii) Có thể dễ được giảm chấn do âm trở của nó nhỏ
(iii) Không bị lão hoá
(iv) Ít chịu ảnh hưởng của hiện tượng chuyển đổi dạng sóng
(ii) Bị hoà tan trong nước
(iii) Bị giới hạn ở những nhiệt độ làm việc dưới 75 0 C
2.6.4 Biến tử gốm phân cực :
Gần đây, các biến tử gốm phân cực đã hoàn toàn thay thế thạch anh và đang dần thay thế các biến tử loại đơn tinh thể nuôi nhân tạo Vật liệu làm biến tử gốm phân cực có bản chất sắt từ, với nhiều "domain" chứa nhiều phân tử và điện tích Trong điều kiện không có gradient điện thế, các domain này định hướng một cách ngẫu nhiên Tuy nhiên, khi có điện áp tác dụng, các domain sẽ định hướng theo phương của trường điện.
Các domain trong vật liệu giãn nở theo phương của trường, khiến cho toàn bộ vật liệu mở rộng Khi trường thay đổi hướng, các domain cũng thay đổi theo, dẫn đến sự giãn nở của vật liệu Điều này trái ngược với hành vi của vật liệu tinh thể áp điện, nơi mà vật liệu co lại khi trường hướng theo một chiều và nở ra khi trường đổi chiều.
Sắt từ có thể chuyển đổi thành dạng áp điện bằng cách nung nóng đến nhiệt độ Curie, nơi mà nó mất hết đặc tính sắt từ Sau đó, cần làm nguội trong điện trường phân cực khoảng 1000V cho mỗi 1mm bề dày.
Các domain sắt từ được làm đông đặc hiệu quả theo phương của trường phân cực, giúp vật liệu đã được phân cực hoạt động như một áp điện.
Các biến tử gốm phân cực được chế tạo dưới dạng đĩa gốm từ bột trộn lẫn và thiêu kết thành rắn Đặc tính của mỗi biến tử được điều chỉnh thông qua việc thêm hợp chất hóa học với tỷ lệ khác nhau Trước khi phân cực, các biến tử này là đẳng hướng, nên không cần cắt theo trục riêng biệt, cho phép chúng được sản xuất ở nhiều hình dạng khác nhau, như biến tử bề mặt lõm để hội tụ chùm tia siêu âm.
Không áp điện Được áp điện
Hình 2.22 – Những domain trong vật liệu sắt từ
Một vài ưu điểm và hạn chế của biến tử gốm là : ệu ủieồm :
(i) Chúng là các nguồn phát năng lượng siêu âm có hiệu quả
(ii) Làm việc ở các điện áp thấp
(iii) Một số loại có thể làm việc ở nhiệt độ cao, thí dụ như metaniobat chì có điểm Curie 550 0 C
(i) Đặc tính áp điện có thể giảm theo tuổi thọ (già hoá)
(ii) Chúng có độ bền thấp khi sử dụng
2.6.5 So sánh các biến tử áp điện :
Các biến tử áp điện được so sánh từ các số liệu cho ở bảng 2.2
Môđun áp điện “d” là chỉ số quan trọng để đánh giá chất lượng phát sóng siêu âm của biến tử áp điện, với giá trị “d” lớn cho thấy hiệu quả phát sóng cao Theo Bảng 2.2, titanate zirconate chì sở hữu đặc tính phát sóng siêu âm tốt nhất.
NHỮNG ĐẶC TÍNH CỦA CHÙM TIA SIÊU ÂM
Chùm tia siêu âm là vùng mà sóng siêu âm lan truyền từ một biến tử siêu âm, thường được sử dụng để kiểm tra vật liệu Trong đó, biến tử hình đĩa tròn được tối giản hóa, như mô tả ở hình 2.24 Chùm tia siêu âm được chia thành hai vùng chính: vùng trường gần và vùng trường xa.
Thanh phát từ giảo Nuựt keùp
Cuộn dây phát năng lượng Cuộn dây phân cực
Hình 2.24 – Một dạng của chùm tia siêu âm điển hình từ một biến tử hình đĩa tròn
Cường độ biến thiên dọc theo khoảng cách trục của một biến tử thực tế được thể hiện trong hình 2.25, cho thấy sự thay đổi cường độ qua các cực đại và cực tiểu Cực tiểu cuối cùng xuất hiện tại N/2 và cực đại cuối cùng tại N, với N là chiều dài của trường gần Sau chiều dài trường gần N, cường độ giảm liên tục Khi khoảng cách đạt ba lần chiều dài trường gần, âm áp tại tâm trục của chùm tia siêu âm giảm theo tỷ lệ nghịch với khoảng cách, trong khi chùm tia siêu âm phân kỳ với một góc không đổi Vùng này được gọi là vùng trường xa hoặc trường Fraunhofer Vùng từ 1N đến khoảng 3N được xem là vùng chuyển tiếp, nơi góc phân kỳ vẫn còn thay đổi và âm áp chưa giảm theo tỷ lệ nghịch với khoảng cách.
Hình 2.25 – Sự phân bố của cường độ dọc theo trục khoảng cách
Biểu đồ trong Hình 2.26 thể hiện phân bố cường độ âm phát ra từ một biến tử dạng đĩa tròn, có thể được tạo ra thông qua việc phản xạ từ một quả cầu nhỏ trong nước hoặc từ một lỗ khoan ở đáy bằng Khi thực hiện thí nghiệm, quả cầu hoặc lỗ khoan sẽ được kiểm tra ở một khoảng cách nhất định Xung phản hồi cực đại cho biết vị trí trục trung tâm của chùm tia siêu âm, sau đó phần tử phản xạ sẽ được di chuyển vuông góc với trục và đánh dấu các vị trí khi biên độ xung phản hồi giảm xuống còn 50% và 10% so với biên độ cực đại Các điểm này sẽ xuất hiện ở cả hai bên của trục chùm tia trung tâm, như được minh họa trong Hình 2.26 (xem phần 2.7.1.3).
Hình 2.26 – Biểu đồ biểu diễn phân bố cường độ chùm tia siêu âm
Độ dài vùng trường gần N và góc phân kỳ γ là hai đại lượng quan trọng mô tả hình dạng của trường âm trong thực tế Hai giá trị này phụ thuộc vào đường kính tinh thể “D”, tần số “f” và vận tốc sóng âm “v” trong môi trường phát ra chùm siêu âm Các công thức tính toán cho các đại lượng này sẽ được trình bày trong các phần tiếp theo.
Tóm tắt các kết quả liên quan đến trường sóng âm như sau :
Trường âm được đặc trưng bởi tỷ số giữa kích thước của tinh thể và bước sóng Tỷ số lớn cho thấy chùm tia siêu âm có khả năng tập trung tốt, di chuyển xa và có chiều dài trường gần lớn.
(ii) Cường độ của âm áp tại một khoảng cách cho trước được xác định bằng tỷ số giữa diện tích bề mặt và bước sóng
(iii) Ở khoảng cách thích hợp, trường âm tuân theo luật âm áp giảm tỉ lệ nghịch với khoảng cách b> Trường gần :
Biến tử áp điện hoạt động như một tập hợp các nguồn âm điểm, phát sóng siêu âm cầu vào môi trường xung quanh Các sóng cầu này giao thoa, tạo ra chuỗi cực đại và cực tiểu cường độ trong vùng gần biến tử, được gọi là vùng trường gần hay vùng Freznel Trường gần của chùm tia siêu âm có độ rộng tương đương với đường kính của tinh thể biến tử, nhưng sẽ giảm dần đến điểm hội tụ ở cuối trường gần.
Hình 2.27 – Hình dạng của mặt sóng trong trường gần
Các khuyết tật nằm trong vùng trường gần cần được giải đoán cẩn thận vì chúng có thể gây ra nhiều chỉ thị xung và biên độ phản xạ biến đổi đáng kể khi khoảng cách đến đầu dò thay đổi, đặc biệt là với các khuyết tật nhỏ hơn kích thước tinh thể Để giảm thiểu hoặc khắc phục các vấn đề phức tạp trong trường gần, việc sử dụng các nêm thủy tinh hữu cơ phía trước tinh thể phát sóng siêu âm là một giải pháp hiệu quả.
Chiều dài N của trường gần phụ thuộc vào đường kính của biến tử và bước sóng của sóng siêu âm trong môi trường Trường gần của đầu dò sẽ tăng khi đường kính và tần số siêu âm tăng Công thức tính chiều dài trường gần có thể được áp dụng để ước lượng giá trị này một cách chính xác.
Trong đó : N – Chiều dài của trường gần
D – Đường kính của biến tử
V – Vận tốc sóng âm trong vật liệu f – Taàn soá d> Trường xa :
Vùng ngoài trường gần được gọi là trường xa, nơi mặt sóng siêu âm có dạng cầu khi cách biến tử ba lần chiều dài trường gần Giữa một lần và ba lần chiều dài trường gần là vùng chuyển tiếp, nơi mặt sóng chuyển từ hình phẳng sang hình cầu.
Cường độ trong vùng trường xa giảm theo quy luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách, với khoảng cách tính từ biến tử vượt quá ba lần chiều dài trường gần Trong vùng chuyển tiếp của trường xa, cường độ biến thiên theo hàm mũ với số mũ nằm giữa 1 và 2.
Cường độ phản xạ sóng siêu âm từ khuyết tật trong vùng trường xa phụ thuộc vào kích thước khuyết tật so với kích thước chùm tia Khi khuyết tật lớn hơn chùm tia, cường độ phản xạ sẽ tuân theo quy luật tỷ lệ nghịch.
Nếu kích thước của khuyết tật nhỏ hơn kích thước chùm tia, cường độ phản xạ sẽ giảm theo tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách.
1 e> Độ phân kỳ của trường hoặc độ mở rộng của chùm tia :
Khi sóng siêu âm được phát ra từ biến tử, chùm tia sẽ có độ mở rộng nhất định, giúp lựa chọn tần số và kích thước phù hợp Bước sóng siêu âm và đường kính của biến tử đóng vai trò quan trọng trong việc xác định kích thước và vị trí của khuyết tật Cường độ chùm tia đạt cực đại tại trục chùm và giảm dần theo khoảng cách từ biến tử Góc mở hay góc phân kỳ của chùm tia, ký hiệu là θ/2, có thể được tính toán từ phương trình cụ thể.
Trong đó λ là bước sóng của sóng siêu âm D là đường kính biến tử tròn và Kn là một hằng số phụ thuộc vào :
Biên dạng của chùm tia được xác định thông qua các giá trị Kn tương ứng với sự giảm cường độ chùm tia, cụ thể là 50% (6dB), 10% (20dB) và 0% (biên ngoài cùng) so với biên độ cực đại Chỉ số “n” trong θn và Kn thể hiện mối liên hệ giữa góc phân kỳ và mức giảm cường độ, ví dụ như θ6 đại diện cho góc phân kỳ tại 6dB và θ20 cho góc phân kỳ tại 20dB.
Phương pháp xác định độ mở chùm tia có thể thực hiện bằng kỹ thuật truyền qua, trong đó sử dụng đầu dò nhỏ di chuyển trên bề mặt của các mẫu phẳng với bề dày khác nhau Các biên độ xung được ghi lại trên màn hình ống tia điện tử CRT, từ đó độ mở chùm tia được xác định bằng cách nối liền các điểm có cùng biên độ.
Khoảng cách Cường độ phản xạ α
(Khoảng cách) 2 Cường độ phản xạ α biên độ hiển thị Hình vẽ chùm tia siêu âm thu được như trên được gọi là
SỰ SUY GIẢM CỦA CHÙM TIA SIÊU ÂM
a> Nguyên nhân và kết quả :
Cường độ chùm tia siêu âm thu nhận bởi biến tử thu thường nhỏ hơn nhiều so với cường độ phát ra ban đầu, và độ suy giảm mô tả tình trạng mất mát năng lượng này Biên độ của các xung phản hồi từ phản xạ suy giảm tỷ lệ với khoảng cách của chúng, và hệ số suy giảm âm được xác định trên một đơn vị khoảng cách Nếu không có những bất liên tục lớn gây ra phản xạ đồng đều, các nguyên nhân gây suy giảm bao gồm quá trình tán xạ, hấp thụ, sự thô nhám của bề mặt và nhiễu xạ Phương trình mô tả sự suy giảm là: P = P0 exp(-αd), trong đó P0 là âm áp ban đầu tại khoảng cách d = 0.
P – Âm áp cuối cùng tại khoảng cách “d” trong môi trường α – Hệ số suy giảm được đo bằng neper hoặc dB mm -1 phụ thuộc vào ủụn vũ cuỷa “d” (1 neper = 8,686dB)
Bảng 2.5 : khả năng phát hiện khuyết tật trong những vùng khác nhau của biểu đồ âm
Vùng/Màu Khuyết tật có thể phát hiện
Màu đỏ tươi biểu thị khu vực không thể kiểm tra do thuộc vùng chết Trong khi đó, màu đỏ thẫm cho thấy có thể phát hiện các bất liên tục nếu chúng tương ứng với phần tử phản hồi dạng đĩa có đường kính nhỏ hơn 8mm.
Màu đỏ nhạt Những khuyết tật tương ứng với phần tử phản hồi dạng đĩa đường kính 4mm có thể được phát hiện
Màu cam Có thể phát hiện được những khuyết tật tương ứng với phần tử phản hồi dạng đĩa có đường kính 2mm
Màu cam nhạt có khả năng phát hiện các khuyết tật tương ứng với phần tử phản hồi dạng đĩa có đường kính 1mm, trong khi màu vàng là vùng phát hiện tốt nhất cho những khuyết tật này.
Màu vàng lục có khả năng phát hiện khuyết tật tương ứng với phần tử phản hồi dạng đĩa có đường kính 1mm Tuy nhiên, khả năng phát hiện các khuyết tật giảm do sự phân kỳ và suy giảm chùm tia siêu âm.
Màu xanh nhạt cho phép phát hiện khuyết tật tương ứng với phần tử phản hồi dạng đĩa có đường kính 2mm, trong khi màu xanh đậm có khả năng phát hiện khuyết tật ở vùng gần đầu dò với phần tử phản hồi có đường kính 4mm, và ngoài vùng này, có thể phát hiện khuyết tật với phần tử phản hồi đường kính 8mm Sự tán xạ của sóng siêu âm cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát hiện khuyết tật.
Sự tán xạ của sóng siêu âm trong vật liệu xảy ra do sự không đồng nhất, với các chỗ không đồng nhất như tạp chất và lỗ rỗng tạo thành biên giới giữa các vật liệu có âm trở khác nhau Một số vật liệu, như gang, vốn đã không đồng nhất với cấu trúc graphit có mật độ và độ đàn hồi khác nhau, dẫn đến quá trình tán xạ mạnh Nếu các tinh thể trong vật liệu biểu thị các giá trị vận tốc khác nhau, quá trình tán xạ sẽ xảy ra, đặc biệt là ở những vật liệu bất đẳng hướng Khi hạt có hướng hỗn loạn hoặc khi vật liệu chứa nhiều loại tinh thể khác nhau, tán xạ sẽ diễn ra, làm giảm tín hiệu siêu âm và tạo ra các xung phản hồi nhỏ có thể che khuất các chỉ thị cần phân tích Để tránh tán xạ, kích thước hạt phải nhỏ hơn 0,1 lần bước sóng, và hệ số suy giảm liên hệ với đường kính trung bình của hạt “φ” và tần số “f” theo công thức: α = Kf^4 φ^-3.
K là hằng số đặc trưng cho loại vật liệu cụ thể Quá trình tán xạ diễn ra nhanh chóng khi kích thước hạt tăng lên hoặc khi bước sóng giảm, đặc biệt khi kích thước hạt nằm trong khoảng từ 0,1 đến 1 lần bước sóng Sự hấp thụ sóng âm cũng là một yếu tố quan trọng trong quá trình này.
Hấp thụ sóng âm xảy ra khi một phần năng lượng âm được chuyển đổi thành nhiệt, do sự chuyển động hỗn loạn của các hạt trong vật liệu không ở nhiệt độ không tuyệt đối Khi nhiệt độ tăng, chuyển động của các hạt cũng tăng, và khi sóng siêu âm lan truyền qua vật liệu, nó kích thích các hạt này Sự va chạm giữa các hạt bị kích thích và không bị kích thích làm tăng năng lượng, khiến chúng dao động nhanh hơn và di chuyển xa hơn Sau khi sóng âm đi qua, năng lượng này tiếp tục duy trì và chuyển thành nhiệt trong vật liệu Hiệu ứng hấp thụ được xem như một dạng hãm dao động, với dao động mạnh mất năng lượng nhiều hơn so với dao động chậm Thêm vào đó, sự hấp thụ thường tăng theo tần số, đặc biệt ở mức thấp hơn nhiều so với tán xạ, và sự suy giảm năng lượng cũng liên quan đến quá trình tiếp xúc và độ thô nhám của bề mặt.
Một nguyên nhân khác gây suy giảm tín hiệu là môi trường tiếp xúc và sự thô nhám bề mặt Khi áp dụng một biến tử lên bề mặt trơn nhẵn của mẫu với chất tiếp âm, biên độ tín hiệu từ mặt đáy sẽ thay đổi theo độ dày của chất liệu liên kết.
Thực nghiệm cho thấy độ thô nhám bề mặt cần phải nhỏ hơn 25μm
Sự suy giảm truyền âm do độ thô nhám bề mặt gây ra được thể hiện rõ qua mẫu chuẩn, được chế tạo từ vật liệu có tính chất âm tương đương với mẫu kiểm tra Tuy nhiên, mẫu kiểm tra thường không đạt được độ nhẵn như mẫu chuẩn, dẫn đến sự khác biệt trong hiệu suất truyền âm do sự suy giảm ở bề mặt tiếp xúc.
Sóng siêu âm có khả năng "bao quanh" và vượt qua vật cản có kích thước tương đương bước sóng, cho phép chúng giao thoa và khúc xạ khi gặp tạp chất hoặc rỗ khí trong kim loại Một phần năng lượng sẽ uốn quanh các khuyết tật với sự phản xạ rất nhỏ Ngoài ra, sóng siêu âm cũng có thể uốn quanh các biên, mép của mẫu vật, dẫn đến việc sóng có thể bị lệch hướng và không đến được vị trí mong muốn.
Chuứm tia sieõu aõmChuứm tia sieõu aõm
_ Giáo viên hướng dẫn : TS Thái Thị Thu Hà Thực hiện : Nguyễn Nhật Quang 48
Hình 2.29 : Sự khúc xạ của tia siêu âm
(a) Đi vòng quanh khuyết tật; (b) Gần cạnh có hình dạng bất thường f> Ảnh hưởng toàn bộ của sự suy giảm :
Sự suy giảm năng lượng sóng âm không chỉ do các nguyên nhân đã đề cập, mà còn do tán xạ tại bề mặt thô nhám của vật phản xạ và sự mở rộng của chùm tia Tổng hợp lại, sự suy giảm này là kết quả của tất cả các yếu tố trên, ảnh hưởng đến sóng âm khi truyền đến và phản xạ trở về từ các vùng quan tâm trong vật kiểm tra.
Sự suy giảm trong quá trình lan truyền âm trong vật liệu được trình bày ở hình 2.30
Hình 2.30 : Sự suy giảm trong quá trình lan truyền
Biến thiên của âm áp theo khoảng cách gây ra do phân kỳ và độ suy giảm và mở rộng chùm tia được mô tả trong hình 2.31
Suy giảm do tán xạ
Toồn hao do truyeàn qua Tổn hao do phản xạ
Tổn hao do phản xạ Tổn hao do sự mở rộng chùm tia
Sự suy giảm Sự phân kỳ của chùm tia
Sự biến thiên của biên độ tín hiệu theo khoảng cách do phân kỳ và suy giảm tắt dần được thể hiện trong hình 2.31 Âm áp suy giảm là kết quả của quá trình tán xạ và hấp thụ, có thể được mô tả bằng hàm mũ.
P = P0e -α.d (2.27) Trong đó : P0 : Âm áp ban đầu tại d = 0
P : âm áp tại khoảng cách d d : Quãng đừong tổng cộng của tia trong vật liệu
Lấy Logarit tự nhiên hai vế của phương trình này ta có :
Độ suy giảm riêng, được tính theo logarit neper, có giá trị là 0 α (2.28) Trong thực tế đo lường điện, đơn vị Decibel thường được sử dụng, được tính bằng cách lấy logarit cơ số 10 và nhân với giá trị tương ứng.
(phụ thuộc vào đơn vị của “d”)
α được đo bằng đơn vị nepers trên mm hoặc dB trên mm, trong đó decibel (dB) là đơn vị tiện lợi hơn Ví dụ, độ suy giảm 20dB tương đương với giảm xuống còn 1/10, 40dB là 1/100, và 60dB là 1/1000 Tăng 20dB có nghĩa là tăng gấp 10 lần, trong khi 1dB tương ứng với thay đổi khoảng 10% và 0,1dB là 1% Nếu hệ số suy giảm của vật liệu là 1dB/mm, sóng sẽ bị suy giảm khoảng 10% qua lớp dày 1mm và 90% qua lớp 20mm Ở độ dày 100mm, độ suy giảm là 10^5 và âm áp là 10^-5, cho thấy sự gia tăng Sự hấp thụ giảm khi tần số giảm, và khi hấp thụ và tán xạ xảy ra đồng thời, cần chọn tần số kiểm tra tối ưu Kích thước tối thiểu của phần tử phản hồi phải lớn hơn đáng kể kích thước trung bình của hạt; giảm tần số có thể cải thiện khả năng phát hiện khuyết tật Quy tắc chung là khuyết tật chỉ được phát hiện nếu kích thước của nó lớn hơn hoặc bằng 1/5 bước sóng trong vật liệu có kích thước hạt mịn.
