TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II CHƯƠNG THUẬT NGỮ, CÁC NGUYÊN LÝ VẬT LÝ VÀ CƠ SỞ CỦA SIÊU ÂM 2.1 BẢN CHẤT CỦA SÓNG SIÊU ÂM : 2.1.1 Định nghĩa siêu âm : Siêu âm tên gọi sử dụng cho sóng âm có tần số vượt khỏi dải tần số mà tai người nghe được, tức vượt 20 kHz Nói chung sóng siêu âm có dải tần số từ 0.5 MHz đến 20 MHz sử dụng kiểm tra vật liệu Hình 2.0 biểu diễn phổ âm với dải tần số siêu âm sử dụng phổ biến cho kiểm tra số sản phẩm công nghiệp Sóng siêu âm GALTON phát vào năm 1883 Nhưng phát triển nhanh chóng chiến tranh giới II Nhờ phương pháp xung có nguồn gốc từ kỹ thuật radar mở rộng đáng kể phạm vi ứng dụng siêu âm Phương pháp siêu âm trở nên phổ biến rộng rãi áp dụng kiểm tra không phá hủy vật liệu Ngoài ra, siêu âm ứng dụng nhiều lĩnh vực khác như: sử dụng chuẩn đoán y khoa, điều khiển tự động hóa, làm sạch, khoan, nhũ tương hóa trình xử lý vật liệu SIÊU ÂM ÂM 20 Hz 20 kHz 0.5 MHz 1.0 MHz 2.0 MHz 5.0 MHz 10.0 MHz Kiểm tra sản phẩm đúc, rèn Dải tần số số tai người nghe thấy Kiểm tra mối hàn Kiểm tra độ dày Hình 2.0 : Phổ âm với dải tần số siêu âm sử dụng phổ biến cho kiểm tra số sản phẩm công nghiệp 2.1.2 Ưu điểm việc lựa chọn dải tần số siêu âm so với âm (nghe được): Siêu âm lựa chọn sử dụng thích hợp so với âm nhiều ứng dụng thực tế nhiều lý sau:  Khi siêu âm lựa chọn tăng tính chất định hướng kiểm tra - tần số cao tính định hướng lớn Đây xem xét để tăng khả phát khuyết tật tạo thuận lợi phân tích tín hiệu nước  Khi lựa chọn tần số cao bước sóng ngắn đến mức nhỏ nhiều kích thước mẫu vật liệu Điều có ý nghĩa quan trọng đo kiểm bề dày mỏng phát khuyết tật có độ phân dải cao  Sử dụng siêu âm không gây ồn âm trình kiểm tra 2.1.3 Bản chất sóng âm: Sóng siêu âm biết dạng dao động học Để hiểu chuyển động sóng siêu âm môi trường, cần phải hiểu chế truyền lượng hai điểm môi CHƯƠNG 57 TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II T C W Độ dịch chuyển trường cách bắt đầu nghiên cứu dao động trọng vật treo đầu lò xo (hình 2.1a) lên Một chu kỳ A Biên độ G Thời gian B xuống Hình 2.1 – a) Trọng vật treo lò xo; b) Hình vẽ dịch chuyển W theo thời gian Có hai lực tác dụng lên W, trạng thái cân A, trọng lực G lực căng T lò xo Bây W chuyển động từ vị trí cân A đến vị trí B, sức căng T tăng Khi rời chuyển khỏi vị trí B W gia tốc vị trí A ảnh hưởng tăng lực căng Khi đến A trọng lực G lực căng T lại cân trọng vật W chuyển động có vận tốc nên theo quán tính vượt qua A chuyển động đến vị trí C, lực căng T giảm dần trọng lực G tăng tương đối có xu hướng hãm W W không động dừng C Tại C, G lớn T lại kéo W quay lại chuyển động phía A Tại A lại có động lại lần vượt qua A Khi W chuyển động từ A đến B, T lại tăng dần hãm dần W đến B Tại B, T lớn G toàn trình lại bắt đầu lặp lại Trình tự dịch chuyển W từ vị trí A đến B, từ B A, từ A đến C từ C A gọi chu trình Số chu trình diễn giây định nghĩa tần số dao động Thời gian cần thiết để thực hoàn tất chu trình gọi chu kỳ T dao động : T= f Độ dịch chuyển cực đại W từ A đến B từ A đến C gọi biên độ dao động Các khái niệm minh hoạ hình 2.1b Mọi vật liệu cấu tạo từ nguyên tử (hoặc phân tử) liên kết với nhờ lực liên kết nguyên tử Các lực nguyên tử lực đàn hồi tức nguyên tử coi nối với lò xo Theo ý nghĩa này, mô hình đơn giản vật liệu biểu diễn hình 2.2 CHƯƠNG 58 TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II Đàn hồi Lực liên kết nguyên tử Các nguyên tử Hình 2.2 – Mô hình vật thể đàn hồi Độ dịch chuyển hạt Bây nguyên tử vật liệu bị dịch khỏi vị trí ban đầu lực căng tác dụng lên vật liệu, nguyên tử dao động trọng vật W mô tả hình 2.1a Do lực liên kết nguyên tử làm cho nguyên tử kề cận dao động Và tiếp tục nguyên tử kế cận dao động chuyển động dao động truyền cho nguyên tử bên cạnh tiếp tục v.v… Nếu tất nguyên tử liên kết với cách vững (liên kết cứng) truyền dao động đồng thời trì trạng thái dao động, tức pha Nhưng thực tế, liên kết nguyên tử vật liệu lực đàn hồi, nên việc truyền dao động cần thời gian xác định nguyên tử đạt trạng thái pha dao động trễ nguyên tử bị kích thích Khi sóng học truyền qua môi trường dịch chuyển hạt môi trường khỏi vị trí cân thời điểm t cho : a =a 0sin2πft (2.1) Trong : a = Độ dịch chuyển hạt thời điểm t a0 = Biên độ dao động hạt f = Tần số dao động hạt Biểu diễn đồ thị phương trình 2.1 trình bày hình 2.3 a0 Hình 2.3 – Đồ thị minh họa cho phương trình 2.1 mô tả dao động phần Thời gian tử dao động theo thời gian (a) Phương trình (2.2) phương trình chuyển động sóng học môi trường Nó cho trạng thái hạt (pha) khoảng cách khác tính từ hạt bị kích thích thời điểm t xác định Chu kỳ T= f CHƯƠNG 59 TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II x  a = a sin 2πf  t −  v  (2.2) Trong : a = Độ dịch chuyển (tại thời điểm t khoảng cách x tính từ hạt bị kích thích) hạt môi trường có sóng truyền qua a0 = Biên độ sóng biên độ dao động hạt môi trường v = Vận tốc lan truyền sóng f = Tần số sóng Độ dịch chuyển hạt Hình 2.4 cho ta đồ thị biểu diễn phương trình 2.2 v a0 Biên độ Hình 2.4 –Đồ thị minh họa cho phương trìnhKhoảng 2.2 cách Vì thời gian chu kỳ T, sóng học có vận tốc v truyền quãng đường λ môi trường, ta có : λ = vT Bước sóng λ hay v= λ T (2.3) Chu kỳ T liên hệ với tần số f : f = T (2.4) Kết hợp phương trình (2.3) (2.4) thu phương trình chuyển động sóng : v = λf (2.5) Trong phương trình 2.5 f có đơn vị Hz, λ mm đơn vị v mm/s Còn đơn vị f MHz, λ mm đơn vị v Km/s 2.2 ĐẶC TRƯNG CỦA QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG : 2.2.1 Tần số : Tần số sóng tần số dao động nguyên tử môi trường mà sóng truyền – thường ký hiệu chữ f biểu thị số chu kỳ giây đặt tên theo tên nhà vật lý H Hertz viết tắt Hz 1Hz =1 chu kỳ giây 1KHz = 1000Hz = 1000 chu kỳ giây 1MHz = 1000.000Hz = 1000.000 chu kỳ giây Trong thiết bị đại, phát tần số đến dải GHz Tuy nhiên, kiểm tra vật liệu tần số sóng siêu âm thường sử dụng nằm dải 0,5MHz đến 20MHz Cho kiểm tra kim loại dải tần số phổ biến từ 2MHz đến 20MHz Tần số đóng vai trò quan trọng phát đánh giá khuyết tật CHƯƠNG 60 TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II 2.2.2 Biên độ : Độ dịch chuyển trọng vật (hình 2.1) hạt môi trường (hình 2.3 2.4) so với vị trí cân gọi biên độ Trong phương trình sóng 2.2 “a” biên độ thời điểm “t” a0 biên độ dao động cực đại (xem thêm phần 4.3.1) 2.2.3 Bước sóng : Trong khoảng thời gian chu kỳ T dao động, sóng truyền quãng đường xác định Quãng đường định nghĩa bước sóng ký hiệu chữ Hy Lạp λ Các nguyên tử môi trường cách quãng đường trạng thái dao động (tức pha nhau) sóng truyền qua môi trường Mối liên hệ “λ”, “f” “v” đưa phương trình 2.5 chứng tỏ môi trường xác định, bước sóng tần số nghịch đảo với Do tần số cao bước sóng ngắn ngược lại Trong kiểm tra thực tế thường khuyết tật cỡ λ/2 λ/3 phát Do bước sóng nhỏ khả phát khuyết tật nhỏ Như sóng siêu âm có bước sóng ngắn tần số cao cho độ nhạy khuyết tật tốt Ví dụ : So sánh độ nhạy phát khuyết tật đầu dò có tần số 1MHz với đầu dò tần số 6MHz thép Giải : Độ nhạy khuyết tật giả thiết mức độ λ/3 nên đầu dò tần số 1MHz Ta có : λ = v/f = 5940 (cho thép) × 1000/1 × 1000000mm = 5,94mm Độ nhạy khuyết tật = λ /3 = 1,98mm Với đầu dò có tần số 6MHz Ta có : λ = 5940 × 1000/6 × 1000000mm = 0,99mm Độ nhạy khuyết tật = λ/3 = 0,33mm 2.2.4 Vận tốc : Đại lượng biểu thị cho tốc độ lượng truyền hai điểm môi trường chuyển động sóng vận tốc sóng Thường ký hiệu “v” Các loại sóng vận tốc truyền loại sóng trình bày chi tiết phần 2.3 2.2.5 Âm trở : Sức cản vật liệu truyền sóng siêu âm gọi âm trở Ký hiệu Z xác định tích số mật độ vật liệu ρ vận tốc v sóng siêu âm truyền vật liệu : Z = ρ.v (2.6) Như vậy, giá trị âm trở vật liệu xem phụ thuộc vào tính chất vật lý chúng không phụ thuộc vào đặc tính tần số sóng Bảng 2.1 cho giá trị âm trở số vật liệu thường dùng CHƯƠNG 61 TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II 2.2.6 Âm áp : Âm áp thuật ngữ dùng phổ biến để biên độ sức căng biến đổi tuần hoàn vật liệu truyền sóng siêu âm Âm áp P liên hệ với âm trở Z biên độ dao động a hạt sau : P = Z.a (2.7) Trong : P – Âm áp Z – Âm trở a – Biên độ dao động hạt Như vậy, dù có giá trị nhỏ cần thời gian xác định để lượng siêu âm truyền từ lớp qua lớp kế tiếp, nên pha dao động lớp khác dù nhỏ lượng xác định Do vậy, lượng âm cần phải có thời gian để truyền từ nguồn phát đến nơi ghi nhận (phương trình 2.2) 2.2.7 Âm : Ta tưởng tượng có đĩa tròn dao động phát sóng âm đồng thời vật liệu truyền âm chia thành vô số lớp mỏng Khi đĩa nguồn dao động, đẩy lớp gần theo hướng truyền Dần dần lớp bị dịch chuyển cách dịch chuyển tiếp tục lớp cuối - nơi đặt thiết bị ghi nhận Đây lượng dao động sóng hạt vật liệu dịch chuyển từ nguồn phát đến nơi ghi nhận Bản thân hạt dao động xung quanh vị trí trung bình chúng với biên độ nhỏ, thực tế cỡ phần nhỏ mm Bảng 2.1 : Khối lượng riêng, vận tốc sóng âm âm trở vật liệu thông dụng Vật liệu Không khí Nhôm Oxide Nhôm Titanate Barium Đồng thau Gang Bê tông Đồng Thủy tinh Glycerine Sắt xám Chì Magnesium Dầu nhớt Nickel Nylon Dầu olive Teflon Thủy tinh hữu Polyamide (Nylon) Polyethylene Mật độ (Kg/m3) 1,3 2700 3600 5400 8100 6900 2000 8900 3600 1300 7200 11400 1700 870 8800 1140 900 2200 1180 1100 940 vt (m/s) 3130 5500 2120 2200 -2260 2560 -2650 700 3050 2960 550 1430 1080 925 CHƯƠNG vl (m/s) 330 6320 9000 5000 4430 5300 4600 4700 4260 1920 4600 2660 5770 1740 5630 2700 1400 1350 2730 2620 2340 Z × 103 kg.m-2s-1 430 17064 32400 27000 35883 24150 9200 41830 15336 2496 33120 24624 9809 1514 49544 3000 1300 3000 3221 2882 2200 62 TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II Polystyrol Polyvinyl Chroride (PVC hard) Thạch anh Thủy tinh làm thạch anh Cao su lưu hóa 1060 1400 2650 2600 1200 1150 1060 3515 - 2380 2395 5760 5570 2300 2523 3353 15264 14482 2800 Bạc Thép (hợp kim thấp) Thép (dạng khối chuẩn định) Thép (nguyên chất) Titanium Tungsten Tungsten avaldite Uranium Nước Zinconium 10500 7850 7850 7800 4500 19300 10500 18700 1000 6400 1590 3250 3250 3130 3120 2880 2020 2300 3600 5940 5920 5740 5990 5170 2060 3370 1480 4650 37800 46620 46472 44800 27000 100000 21650 63000 1480 29800 2.2.8 Cường độ âm : Sự truyền lượng học sóng siêu âm qua đơn vị tiết diện vuông góc với phương truyền sóng gọi cường độ sóng siêu âm, thường ký hiệu chữ I liên hệ với âm áp P, âm trở Z biên độ dao động hạt theo biểu thức sau : I= P2 2Z (2.8) I= Pa (2.9) Trong : I – Cường độ P – Âm áp Z – Âm trở a – Biên độ dao động hạt 2.2.8.1 Thang đo theo decibel (dB) : Trong nghiên cứu siêu âm, thay đổi cường độ âm áp thường theo thang logarit việc đo đạc tiến hành nhằm so sánh với số tiêu chuẩn đặt Đơn vị decibel 1/10 bel đơn vị dựa sở logarit thập phân Nếu cần so sánh hai tín hiệu siêu âm có cường độ I I1 tín hiệu làm dao động biến tử tạo tín hiệu điện có công suất P0 P1 tương ứng Do tỷ số cường độ siêu âm với tỷ số công suất tín hiệu điện hình thành, nghĩa : I0 P = I1 P1 (2.10) Trong thực tế, thường sử dụng đồng hồ đo điện AC máy sóng dao động kế CRT (cathode ray oscilloscope) để ghi nhận Các thiết bị đo điện có quan hệ tỷ lệ với bình phương âm áp nghĩa P tỉ lệ với V2 Khi thay vào phương trình (2.10) ta : CHƯƠNG 63 TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II  V0  I0 P = = V   I1 P1  1 (2.11) Tỷ số tương đối lớn nên ta lấy logarit thập phân hai vế phương trình (2.11) được:  V0 I log =log V I1    V0   = log V      Bels  Vì 1decibel 1/10bel nên Cường độ tính theo Decibel I = 10 log  I1  P  = 10 log   P1  V bels = 20 log10    V1  decibel  (2.12) Khái niệm trình bày thêm phần 4.3.1 xây dựng thang đo Decibel kiểm tra siêu âm thực tế 2.3 CÁC LOẠI SÓNG SIÊU ÂM VÀ ỨNG DỤNG : Các sóng siêu âm phân loại theo sở dạng dao động hạt môi trường phương truyền sóng, cụ thể sóng dọc, sóng ngang, sóng mặt sóng lamb Các khác biệt bốn loại sóng đề cập sau 2.3.1 Sóng dọc hay sóng nén (Longitudinal or compressional waves) : Trong dạng sóng siêu âm này, vùng nén dãn xen kẽ tạo dao động hạt theo phương song song với phương truyền sóng Hình 2.5 trình bày mô sóng siêu âm dọc Vùng nén Vùng dãn Phương truyền sóng Hình 2.5 – Sóng dọc gồm vùng nén dãn xen kẽ dọc theo phương truyền sóng Đối với sóng dọc, biểu đồ 2.6 mô tả dịch chuyển hạt theo quãng đường sóng truyền qua mà dọc theo có đỉnh nén hố dãn CHƯƠNG 64 Độ dịch chuyển hạt TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II v a0 Biên độ Khoảng cách Hình 2.6 – Hình vẽ dịch chuyển hạt theo quãng đường truyền sóng Do loại sóng siêu âm phát thu nhận dễ dàng nên dùng rộng rãi kiểm tra siêu âm Phần lớn lượng siêu âm sử dụng kiểm tra vật liệu xuất Bước sóng λ đổi sang dạng sóng khác kiểm tra xứ từ dạng sóng chuyển chuyên dụng Dạng sóng truyền chất rắn, lỏng khí 2.3.2 Sóng ngang hay sóng trượt (Transverse or shear waves) : Dạng sóng siêu âm gọi sóng ngang hay sóng trượt phương dịch chuyển hạt vuông góc hay cắt ngang phương truyền sóng Nó biểu diễn mô hình 2.7 λ Hình 2.7 – Biểu diễn mô sóng ngang Để cho sóng truyền vật liệu cần thiết hạt vật liệu phải liên kết cách vững với hạt lân cận cho hạt dao động phải kéo theo hạt kế cận chuyển động với gây truyền lượng siêu âm vật liệu với vận tốc khoảng 50% vận tốc sóng dọc Trong tất ứng dụng thực tiễn, sóng ngang truyền chất rắn Nguyên chất lỏng chất khí, khoảng cách phân tử hay nguyên tử quãng đường tự trung bình lớn nên lực hút chúng không đủ phép hạt làm chuyển động hạt khác nhiều phần chuyển động sóng tắt dần nhanh chóng Sự truyền dạng sóng vật liệu minh họa dễ dàng chuyển động sợi dây thừng bị tay đung đưa Mỗi hạt dây chuyển động lên xuống sóng chuyển động dọc theo dây từ điểm bị kích thích CHƯƠNG 65 TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II 2.3.3 Sóng mặt hay sóng Rayleigh (Surface or Rayleigh waves) : Các loại sóng mặt Lord Rayleigh mô tả chúng gọi sóng Rayleigh Dạng sóng truyền dọc theo bề mặt liên kết phía lực đàn hồi mạnh vật rắn phía ngược lại lực đàn hồi gần không tồn phân tử khí Do loại sóng mặt không tồn vật rắn nhúng chìm chất lỏng ngoại trừ chất lỏng bao phủ bề mặt chất rắn lớp mỏng Loại sóng có vận tốc khoảng 90% vận tốc sóng ngang tương đương vật liệu chúng truyền vùng không dày bước sóng tính từ bề mặt Ở độ sâu này, lượng sóng 4% lượng bề mặt biên độ dao động giảm rõ rệt đến mức bỏ qua độ sâu lớn Trong sóng mặt, dao động hạt nói chung theo quỹ đạo ellip, trình bày mô hình 2.8 Các mũi tên nhỏ phương dao động hạt Phương truyền sóng KHÔNG KHÍ KIM LOẠI Phần tử dao động Tại bề mặt cân Hình 2.8 – Giản đồ lan truyền sóng mặt bề mặt kim loại tiếp xúc với không khí Trục ellip thẳng góc với bề mặt mà sóng truyền Trục phụ song song với phương truyền Phương pháp tạo sóng mặt trình bày phần 2.4.2.3 Các sóng mặt sử dụng hữu hiệu cho mục đích kiểm tra vật liệu chúng bị suy giảm so với sóng ngang sóng dọc tương ứng chúng vòng qua góc cạnh dùng để kiểm tra chi tiết có hình dạng phức tạp Tất nhiên, phát vết nứt bề mặt gần bề mặt 2.3.4 Sóng lamb hay sóng mỏng (Lamb or plate waves) : Nếu sóng mặt truyền vào vật liệu có độ dày nhỏ ba lần bước sóng xuất dạng sóng khác gọi sóng mỏng Vật liệu bắt đầu dao động mỏng tức sóng tràn ngập toàn bề dày vật liệu Các sóng gọi sóng lamb lý thuyết mô tả chúng Horace Lamb nghiên cứu vào năm 1916 Không giống sóng dọc, ngang sóng mặt vận tốc sóng lamb vật liệu phụ thuộc vào vật liệu mà phụ thuộc vào bề dày vật liệu, tần số dạng sóng Sóng mỏng hay sóng lamb tồn nhiều dạng phức hợp dao động hạt Hai dạng sóng lamb : (a) dạng đối xứng dạng dãn nở CHƯƠNG 66 TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II Curie (nhiệt độ mà chất sắt từ hết đặc tính sắt từ mình) sau làm nguội điện trường phân cực khoảng 1000V cho 1mm bề dày Bằng cách domain sắt từ làm đông đặc cách hữu hiệu theo phương trường phân cực vật liệu phân cực xem áp điện Các biến tử gốm phân cực, rõ từ tên gọi chúng, chế tạo dạng đĩa gốm.v.v…Chúng tạo từ dạng bột trộn lẫn vào sau nung nóng thành rắn Những đặc tính riêng biệt cần thiết cho biến tử ứng dụng cụ thể điều khiển cách thêm vào hợp chất hoá học khác theo tỷ lệ Vì rằng, trước phân cực, biến tử gốm đẳng hướng, chúng không cần cắt theo trục riêng biệt Vì tạo hình dạng phù hợp thí dụ biến tử bề mặt lõm có khả hội tụ chùm tia siêu âm chế tạo dể dàng Không áp điện Được áp điện Hình 2.22 – Những domain vật liệu sắt từ Một vài ưu điểm hạn chế biến tử gốm : Ưu điểm : (i) Chúng nguồn phát lượng siêu âm có hiệu (ii) Làm việc điện áp thấp (iii) Một số loại làm việc nhiệt độ cao, thí dụ metaniobat chì có điểm Curie 5500C Hạn chế : (i) Đặc tính áp điện giảm theo tuổi thọ (già hoá) (ii) Chúng có độ bền thấp sử dụng (iii) Chịu ảnh hưởng nhiều tượng chuyển đổi dạng sóng 2.6.2.3 So sánh biến tử áp điện : Các biến tử áp điện so sánh từ số liệu cho bảng 2.2 CHƯƠNG 82 TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II Môđun áp điện “d” thước đo (tiêu chuẩn) chất lượng biến tử áp điện làm nhiệm vụ phát sóng siêu âm Giá trị lớn “d” phản ảnh biến tử phát có hiệu Bảng 2.2 rõ titanate zirconate chì có đặc tính phát tốt Hằng số biến dạng áp điện “H” thước đo khả biến tử làm nhiệm vụ thu siêu âm Các giá trị H lớn cho khả thu sóng siêu âm lớn Từ bảng 2.2 ta thấy rõ ràng sulphate lithium vật liệu thu lượng siêu âm tốt Thừa số liên kết điện “K” hiệu suất biến tử biến đổi lượng điện thành dao động học ngược lại Giá trị lớn K có nghĩa hiệu suất làm việc biến tử vừa phát thu tốt Các giá trị metaniobate chì, titanate zirconat chì titanate barium cấp Giá trị quan trọng cho chế độ công tác phản hồi xung (Pulse echo) biến tử phải làm việc vừa phát vừa thu Khả phân giải thoả mãn yêu cầu đòi hỏi hệ số liên kết dao động xuyên tâm Kp nhỏ tốt Kp thước đo xuất dao động xuyên tâm làm nhiễu loạn tín hiệu Các dao động xuyên tâm xuất chuyển đổi dạng sóng nhiễu loạn biến tử Từ quan điểm sulphate lithium metaniobate chì vật liệu làm biến tử tốt Do kiểm tra phương pháp tiếp xúc phương pháp nhúng đòi hỏi chất lỏng liên kết có âm trở z nhỏ nên vật liệu biến tử cần phải có âm trở cấp để truyền lượng siêu âm tốt vào vật kiểm tra Trên phương diện lựa chọn tốt sulphate lithium metaniobate chì thạch anh chúng có âm trở thấp Bảng 2.2 – Một vài đặc trưng biến tử áp điện phổ biến Vận tốc âm c (m/s) Âm trở z 106 (Kg/s) Hệ số liên kết điện K Môđun áp điện d Hằng số biến dạng áp điện H Hệ số liên kết dao động xuyên tâm Kp Titanate Zirconate chì 4000 Titanate Barium 5100 Metaniobate chì 3300 Sulphate lithium 5460 Thạch anh 5740 Niobate lithium 7320 30 27 20,5 11,2 15,2 34 0,6 – 0,7 0,45 0,4 0,38 0,1 0,2 150 – 591 125 – 190 85 15 2,3 1,8 – 4.6 1,1 – 1.6 1,9 8,2 4,9 6,7 0,5 – 0,6 0,8 0,07 0,1 2.6.3 Hiệu ứng từ giảo biến tử : Các biến tử từ giảo thường chế tạo từ vật liệu sắt từ thường kim loại nickel, cobalt, sắt có khả dễ bị từ hóa biểu diễn tượng từ giảo hiệu ứng Joule Khi làm từ vật liệu đặt từ trường, bị thay đổi độ dài tăng lên giảm xuống, phụ thuộc vào chất vật liệu cường CHƯƠNG 83 TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II độ từ trường Dù độ dãn nở theo hướng dương hay âm không phụ thuộc vào hướng trường Vì thay đổi hướng từ trường độ dãn nở không thay đổi nghĩa tăng chiều dài tăng Hiệu ứng từ giảo quan sát thấy vật liệu phi kim loại ferrit Chúng có ưu điểm dẫn điện kém, không bị làm nóng nhiệt dòng điện xoáy hình thành cảm ứng dòng điện xoay chiều kích thích từ trường tuần hoàn Tuy nhiên, chúng có tính chất học kém, nên chúng thường không dùng để chế tạo biến tử siêu âm Các biến tử từ giảo thường chế tạo theo dạng tròn bao bọc cuộn dây (hình 2.23) Một dòng điện xoay chiều qua cuộn dây tạo từ trường xoay chiều tần số ; trình tạo dao động dọc Nút kẹp Thanh phát từ giảo Cuộn dây phát lượng Cuộn dây phân cực Hình 2.23 – Biểu đồ mô tả phương pháp kích thích biến tử từ giảo có dạng hình Vì độ dãn nở phụ thuộc vào cường độ từ trường đặt vào không phụ thuộc vào hướng chúng nên dao động xảy tần số gấp đôi từ trường dạng dòng điện xoay chiều chỉnh lưu không trơn phẳng, dao động có biên độ thấp chứa nhiều tần số không mong muốn Với trường hợp biến tử gốm phân cực, khuyết điểm khắc phục phân cực từ Tương tự với biến tử áp điện, hiệu suất cực đại dao động nhận tần số cộng hưởng Các hiệu ứng điều hòa giảm đến mức thấp cách tăng điểm nút Các biến tử từ giảo sử dụng kiểm tra không phá hủy ngoại trừ trường hợp sử dụng sóng Lamb kiểm tra mẫu dạng dây kim loại Tuy nhiên, ứng dụng siêu âm cho công việc khoan, làm phải dựa vào tượng từ giảo 2.7 NHỮNG ĐẶC TÍNH CỦA CHÙM TIA SIÊU ÂM : 2.7.1 Chùm tia siêu âm : Vùng mà sóng siêu âm truyền từ biến tử siêu âm gọi chùm tia siêu âm Cho mục đích kiểm tra vật liệu siêu âm, dạng đơn giản chùm tia siêu âm biến tử hình đĩa tròn mô tả hình 2.24 Chùm tia có hai vùng khác biệt phân thành vùng trường gần vùng trường xa Giới hạn 10% Trục âm Điểm hội tụ Trường gần Vùng chuyển tiếp Trường xa Hình 2.24 – Một dạng chùm tia siêu âm điển hình từ biến tử hình đĩa tròn CHƯƠNG 84 TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II Cường độ biến thiên dọc theo khoảng cách trục biến tử thực tế biểu diễn hình 2.25 cho thấy cường độ thay đổi qua số cực đại cực tiểu Cực tiểu sau xuất N/2 cực đại cuối xuất N, N ký hiệu chiều dài trường gần Sau độ dài trường gần N, cường độ giảm liên tục Từ sau khoảng cách gần ba lần độ dài trường gần âm áp tâm trục chùm tia siêu âm giảm theo tỷ lệ nghịch với khoảng cách chùm tia siêu âm phân kỳ theo góc không đổi Vùng gọi vùng trường xa trường Fraunhofer Vùng từ 1N đến khoảng 3N xem vùng chuyển tiếp vùng mà góc phân kỳ thay đổi không số âm áp giảm chưa tỷ lệ ngịch với khoảng cách P0 = ≈ N/2 N Hình 2.25 – Sự phân bố cường độ dọc theo trục khoảng cách Hình 2.26 biểu diễn phân bố cường độ âm phát từ biến tử dạng đĩa tròn thực tế Biểu đồ vẽ thực hành sử dụng phản xạ từ cầu nhỏ nước từ lỗ khoan phía đáy Quả cầu lỗ rọi quét kiểm tra khoảng cách Xung phản hồi cực đại biểu diễn vị trí trục trung tâm chùm tia siêu âm Sau phần tử phản xạ dịch chuyển vuông góc với trục đánh dấu vị trí biên độ xung phản hồi giảm 50% 10% so với biên độ cực đại Các điểm chắn diện hai phía trục chùm tia trung tâm Biểu đồ minh họa hình 2.26 (xem phần 2.7.1.3) 10% 50% Biến tử 100% 50% 10% Hình 2.26 – Biểu đồ biểu diễn phân bố cường độ chùm tia siêu âm Các đại lượng mô tả hình dạng trường âm cách gần tiện dụng thực tế độ dài vùng trường gần N góc phân kỳ γ (gamma) Hai giá trị hàm số đường kính tinh thể “D”, tần số “f” vận tốc sóng âm “v” môi trường mà chùm siêu âm phát Một số công thức thường áp dụng cho tính toán đại lượng trình bày phần sau Tóm tắt kết liên quan đến trường sóng âm nói : CHƯƠNG 85 TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II (i) Đặc trưng trường âm xác định tỷ số kích thước tinh thể bước sóng Một giá trị lớn cung cấp chùm tia siêu âm tập trung, xa có chiều dài trường gần lớn (ii) Cường độ âm áp khoảng cách cho trước xác định tỷ số diện tích bề mặt bước sóng (iii) Ở khoảng cách thích hợp, trường âm tuân theo luật âm áp giảm tỉ lệ nghịch với khoảng cách 2.7.1.1 Trường gần : Một biến tử áp điện xem tập hợp nguồn điểm, mà điểm phát sóng siêu âm cầu vào môi trường xung quanh (hình 2.27) Các sóng cầu giao thoa với tạo thành chuỗi cực đại cực tiểu cường độ vùng gần biến tử Vùng gọi vùng trường gần vùng Freznel Trường gần chùm tia siêu âm có độ rộng gần đường kính tinh thể biến tử Tuy nhiên, bị giảm dần đến cuối trường gần gọi điểm hội tụ Hình 2.27 – Hình dạng mặt sóng trường gần Những khuyết tật nằm vùng trường gần cần phải giải đoán cách cẩn thận khuyết tật xuất vùng gây nhiều thị xung biên độ xung phản xạ từ khuyết tật biến thiên đáng kể khoảng cách hiệu dụng đến đầu dò thay đổi Điều đặc biệt trường hợp khuyết tật nhỏ kích thước tinh thể Các vấn đề phức tạp trường gần giảm bớt khắc phục hoàn toàn cách sử dụng nêm nhựa phía trước tinh thể phát sóng siêu âm 2.7.1.2 Tính toán chiều dài trường gần : Chiều dài N trường gần phụ thuộc vào đuờng kính biến tử bước sóng sóng siêu âm môi trường Trường gần đầu dò tăng với tăng đường kính tần số siêu âm tính gần từ công thức sau: D2 D2f N= = 4λ 4V (2.24) Trong : N – Chiều dài trường gần D – Đường kính biến tử CHƯƠNG 86 TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II V – Vận tốc sóng âm vật liệu f – Tần số 2.7.1.3 Trường xa : Vùng trường gần gọi trường xa Mặt sóng sóng siêu âm trường xa khoảng cách ba lần chiều dài trường gần tính từ biến tử mặt cầu so với mặt sóng trường gần mặt phẳng Vùng trường xa nằm lần ba lần chiều dài trường gần gọi vùng chuyển tiếp có chuyển tiếp, hình dạng mặt sóng chuyển từ phẳng sang cầu vùng Cường độ vùng trường xa, dọc theo trục khoảng cách tính từ biến tử, ba lần chiều dài trường gần, giảm theo quy luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách (hình 2.24) Cường độ vùng chuyển tiếp trường xa biến thiên theo hàm mũ (lũy thừa) theo khoảng cách với số mũ có giá trị Cường độ phản xạ sóng siêu âm từ khuyết tật nằm vùng trường xa phụ thuộc vào kích thước khuyết tật tương quan với kích thước chùm tia Nếu khuyết tật rộng chùm tia cường độ phản xạ tuân theo quy luật tỷ lệ nghịch, tức : Cường độ phản xạ α Khoảng cách Ngược lại kích thước khuyết tật nhỏ kích thước chùm tia cường độ phản xạ biến thiên tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách nghĩa : Cường độ phản xạ α (Khoảng cách)2 2.7.2 Độ phân kỳ trường độ mở rộng chùm tia : Như đề cập đến phần 2.7.1, sóng truyền từ biến tử, vùng trường xa có độ mở chùm tia siêu âm Độ mở rộng chùm tia quan trọng giúp cho ta có lựa chọn thích hợp tần số kích thước biến tử Độ dài sóng siêu âm đường kính biến tử thường có ý nghĩa quan trọng xác định kích thước vị trí khuyết tật Cường độ chùm tia cực đại trục chùm giảm theo khoảng cách từ biến tử Góc mở chùm tia hay góc phân kỳ θ/2 (hình 2.22) tính từ phương trình sau :  K λ K v θn / = Sin −1  n  = Sin −1  n  (2.25)  D   Df  Trong λ bước sóng sóng siêu âm D đường kính trường hợp biến tử tròn Kn số phụ thuộc vào : (i) Biên chùm tia xem xét Thông thường giá trị K n xác định ứng với giảm cường độ chùm tia 50% (6dB), 10% (20dB) 0% (biên cùng) biên độ cực đại Chỉ số “n” θn Kn biên tương ứng chẳng hạn θ6 góc phân kỳ ứng với biên 6dB θ20 góc phân kỳ ứng với biên 20dB (ii) Phương pháp dùng để xác định độ mở chùm tia Trong phương pháp người ta sử dụng kỹ thuật truyền qua Trong trường hợp đầu dò có đường kính nhỏ dịch chuyển mặt đáy vài mẫu phẳng – song song có bề dày khác ghi lại biên độ xung thị hình ống tia điện tử CRT Độ mở CHƯƠNG 87 TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II chùm tia sau vẽ cách nối liền điểm có biên độ thị Chùm tia siêu âm thu gọi “Trường tự do” Trong phương pháp thứ hai độ mở chùm tia đo cách sử dụng kỹ thuật xung phản hồi Trong phương pháp chỗ phản xạ nhỏ có kích thước độ sâu khác dùng để vẽ chùm tia Biểu đồ chùm tia thu cách gọi “Trường phản hồi” (iii) Hình dạng biến tử dạng tròn hay dạng chữ nhật Các giá trị K n biến tử tròn chữ nhật thu phương pháp đầu trình bày bảng 2.3 bảng 2.4 cho giá trị khác K n xác định phương pháp thứ hai cho biến tử tròn chữ nhật Bảng 2.3 : Các giá trị k biến tử tròn chữ nhật xác định kỹ thuật truyền qua Biên % (dB) 0% 10% (20dB) 50% (6dB) Kn (Biến tử hình tròn) 1,22 1,08 0,54 Kn (Biến tử hình chữ nhật) 1,00 0,60 0,91 Bảng 2.4 : Các giá trị k biến tử tròn chữ nhật xác định kỹ thuật xung phản hồi Biên % (dB) 0% 10% (20dB) 50% (6dB) Kn (Biến tử hình tròn) 1,22 0,87 0,51 Kn (Biến tử hình chữ nhật) 1,00 0,74 0,44 2.7.3 Ảnh hưởng vận tốc âm kích thước biến tử : Theo phần 2.7.1.2, chiều dài vùng trường gần trường siêu âm cho D 2/4λ D2f/4v Giá trị lớn hệ số cho loại vật liệu tần số cung cấp chùm tia siêu âm tập trung xa có độ dài trường gần dài Đường kính biến tử lớn cho công suất phát lượng âm lớn Kết cho chiều dài trường gần lớn độ sâu kiểm tra vật kiểm tra liệu lớn Ví dụ : Nếu kiểm tra thép với đầu dò 4MHz, với đường kính đầu dò 1cm chiều dài trường gần khoảng 17mm đường kính đầu dò 5cm chiều dài trường gần 421mm Tương tự kiểm tra thép với đầu dò 4MHz có đường kính tinh thể biến tử 1cm giống chiều dài trường gần 17mm Nhưng sử dụng đầu dò để kiểm tra thủy tinh hữu chiều dài trường gần khoảng 36mm Sự khác thép thủy tinh hữu có vận tốc âm khác Tiếp theo xem ảnh hưởng vận tốc âm kích thước biến tử lên độ phân kỳ chùm tia siêu âm Phương trình 2.25 đưa góc phân kỳ chùm tia siêu âm θ/2 = Sin-1(Kλ/D) Sin-1(Kv/Df) chứng tỏ kích thước biến tử có ảnh hưởng rõ ràng tới chùm tia siêu âm tần số cho trước Biến tử có kích nhỏ cho góc mở chùm tia siêu âm lớn so với biến tử có kích thước lớn mô tả hình 2.28 CHƯƠNG 88 TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN Biến tử có đường kính nhỏ TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II Biến tử có đường kính lớn Môi trường Chùm tia phân kỳ Môi trường Chùm tia không đổi Hình 2.28 – Hình dạng mặt sóng trường gần Thay đổi tần số dao động biến tử làm thay đổi độ mở chùm tia siêu âm Độ mở chùm tia tỷ lệ nghịch với tần số Như vậy, biến tử có tần số cao độ mở chùm tia nhỏ (không thay đổi nhiều) so với biến tử có tần số thấp Ví dụ : Khi kiểm tra thép với biến tử 5MHz có đường kính 25mm độ mở chùm tia (góc phần kỳ) ? Giải : với nên γ = Sin-1(Kλ/D) = Sin-1(1,22λ/D) λ = v/f = 5940×1000 / 5×1000000 = 1,18mm γ = Sin-1(1,22×1,18/25) = Sin-1(0,0575) = 30 Ví dụ : Khi kiểm tra mẫu nhôm với biến tử 2,25MHz có đường kính 25,4mm độ mở rộng chùm tia (góc phần kỳ) ? Giải : Có λ = v/f = 6320×1000/2,25×1000000 = 2,8mm Nên γ = Sin-1(1,22λ/D) = Sin-1(1,22×2,8/25,4) = Sin-1(0,1344) = 80 2.8 SỰ SUY GIẢM CỦA CHÙM TIA SIÊU ÂM : 2.8.1 Nguyên nhân kết : Cường độ chùm tia siêu âm thu nhận biến tử thu nhỏ nhiều so với cường độ chùm tia phát ban đầu Độ suy giảm đại lượng sử dụng để mô tả tình trạng mát lượng Với suy giảm sóng âm biên độ xung phản hồi từ phản xạ suy giảm tỷ lệ với khoảng cách chúng Độ suy giảm đơn vị khoảng cách gọi hệ số suy giảm âm Giả sử bất liên tục lớn sinh phản xạ đồng đều, nguyên nhân gây suy giảm : trình tán xạ, hấp thụ, thô nhám bề mặt nhiễu xạ… Những nguyên nhân trình bày phần sau Phương trình chung mô tả suy giảm : P = P0 exp(-αd) Trong : P0 – Âm áp ban đầu khoảng cách “d” = P – Âm áp cuối khoảng cách “d” môi trường α – Hệ số suy giảm đo neper dB mm -1 phụ thuộc vào đơn vị “d” (1 neper = 8,686dB) Bảng 2.5 : khuyết tật phát vùng khác biểu đồ âm Vùng/Màu Khuyết tật phát CHƯƠNG 89 TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II Màu đỏ tươi Màu đỏ thẫm Đây vùng vùng chết thực kiểm tra Trong vùng bất liên tục phát tương ứng với phần tử phản hồi dạng đĩa có đường kính nhỏ 8mm Màu đỏ nhạt Những khuyết tật tương ứng với phần tử phản hồi dạng đĩa đường kính 4mm phát Màu cam Có thể phát khuyết tật tương ứng với phần tử phản hồi dạng đĩa có đường kính 2mm Màu cam nhạt Có thể phát khuyết tật tương ứng với phần tử phản hồi dạng đĩa có đường kính 1mm Màu vàng Đây vùng phát tốt khuyết tật tương ứng với phần tử phản hồi dạng đĩa có đường kính 0,5mm Màu vàng lục Có thể phát khuyết tật tương ứng với phần tử phản hồi dạng đĩa có đường kính 1mm Giảm khả phát khuyết tật xảy phân kỳ suy giảm chùm tia siêu âm Màu xanh nhạt Có thể phát khuyết tật tương ứng với phần tử phản hồi dạng đĩa có đường kính 2mm Màu xanh đậm Trong phần vùng nằm sát với đầu dò phát khuyết tật tương ứng với với phần tử phản hồi dạng đĩa có đường kính 4mm nằm phần phát khuyết tật tương ứng với phần tử phản hồi dạng đĩa có đường kính 8mm 2.8.1.1 Sự tán xạ sóng siêu âm : Sự tán xạ sóng siêu âm thực tế vật liệu sóng siêu âm truyền không đồng hoàn toàn Các chỗ không đồng vật hình thành nên ranh giới phân chia hai vật liệu có âm trở khác chẳng hạn tạp chất (inclsion pores) Một vài vật liệu thân không đồng nhất, chẳng hạn gang hợp chất hạt cấu trúc hạt graphit khác mật độ độ đàn hồi Mỗi hạt tích tụ tạo trình tán xạ mạnh so sánh với trình tán xạ vật liệu có loại tinh thể tinh thể biểu thị giá trị vận tốc khác đo dọc theo trục theo hướng khác Vật liệu loại gọi bất đẳng hướng Nếu hạt riêng lẻ có hướng hỗn loạn trình tán xạ xảy vật liệu gồm nhiều loại tinh thể khác khác pha Đặc tính vật liệu không làm giảm tín hiệu siêu âm trở tán xạ mà thường sinh số xung phản hồi nhỏ che khuất thị cần phân tích đánh giá Điều kiện để tán xạ không xảy kích thước hạt phải nhỏ so với bước sóng, thường kích thước hạt phải nhỏ 0,1 lần bước sóng Hệ số suy giảm liên hệ với đường kính trung bình hạt “φ” tần số “f” theo biểu thức : α = Kf4φ-3 (2.26) Trong : K số đặc trưng cho loại vật liệu cụ thể Quá trình tán xạ tăng nhanh kích thước hạt tăng lên giảm bước sóng kích thước hạt khoảng 0,1 đến lần bước sóng 2.8.1.2 Sự hấp thụ sóng âm : Hấp thụ sóng âm hệ việc chuyển đổi phần lượng âm thành nhiệt Trong vật liệu không nhiệt độ không tuyệt đối, hạt chuyển động hỗn loạn vật liệu có nhiệt lượng định Khi nhiệt độ tăng làm cho chuyển động hạt tăng lên Khi sóng siêu âm lan truyền vật liệu kích thích hạt Các hạt bị kích thích va chạm với hạt không bị kích thích lượng truyền sang làm cho CHƯƠNG 90 TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II chúng dao động nhanh vượt qua quãng đường dài Chuyển động tiếp tục trì sau sóng âm qua, lượng sóng truyền qua chuyển thành nhiệt vật liệu Sự hấp thụ lớn xem loại hiệu ứng hãm dao động hạt, để hiểu dao động mạnh lượng nhiều dao động chậm Sự hấp thụ thường tăng tỷ lệ với tần số mức thấp nhiều so với tán xạ 2.8.1.3 Sự suy giảm trình tiếp xúc thô nhám bề mặt : Một nguyên nhân thứ ba gây suy giảm môi trường tiếp xúc (liên kết) (chất tiếp âm) thô nhám bề mặt Khi biến tử áp vào bề mặt trơn nhẵn mẫu sử dụng chất tiếp âm (chất liên kết) biên độ tín hiệu từ mặt đáy thay đổi theo bề dày chất tiếp âm (chất liệu liên kết) Thực nghiệm cho thấy độ thô nhám bề mặt cần phải nhỏ 25µm Sự suy giảm truyền âm độ thô nhám bề mặt gây thấy rõ sử dụng mẫu chuẩn Một mẫu chuẩn chế tạo từ vật liệu tương đương phương diện âm với mẫu kiểm tra Thế nhưng, mẫu kiểm tra lúc có bề mặt nhẵn mẫu chuẩn Sự khác biệt suy giảm bề mặt tiếp xúc 2.8.1.4 Sự khúc xạ : Một đặc tính quan trọng sóng siêu âm chúng có khả xu hướng “bao quanh” vượt qua vật cản có kích thước cỡ bước sóng sóng Sự giao thoa hay khúc xạ xảy sóng gặp tạp chất hay rỗ khí nhỏ kim loại Một phần lượng chạy uốn quanh khuyết tật phản xạ nhỏ (hình 2.29a) Một khả khác tượng uốn quanh sóng siêu âm gần biên, mép mẫu vật (hình 2.29b) Sự uốn quanh làm lệch hướng sóng siêu âm khỏi nơi cần truyền đến đến nới khác Chùm tia siêu âm Chùm tia siêu âm (a) (b) Hình 2.29 : Sự khúc xạ tia siêu âm (a) Đi vòng quanh khuyết tật; (b) Gần bờ có hình dạng bất thường 2.8.1.5 Ảnh hưởng tổng cộng suy giảm : Thêm vào suy giảm lượng sóng âm nguyên nhân có nguyên nhân khác suy giảm tán xạ bề mặt thô nhám vật phản xạ mở rộng chùm tia Khi suy giảm tổng tất nguyên nhân chúng tác động đến sóng âm truyền đến phản xạ trở từ vùng quan tâm vật kiểm tra Sự suy giảm trình lan truyền âm vật liệu trình bày hình 2.30 CHƯƠNG 91 TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II Tổn hao truyền qua Tổn hao phản xạ Suy giảm tán xạ Tổn hao mở rộng chùm tia Tổn hao phản xạ Hình 2.30 : Sự suy giảm trình lan truyền Biên độ tương đối P/P0 Biến thiên âm áp theo khoảng cách gây phân kỳ độ suy giảm mở rộng chùm tia mô tả hình 2.31 1,5 1,0 Sự phân kỳ chùm tia 0,5 Sự suy giảm Hình 2.31 : Sự biến thiên biên độ tín hiệu theo khoảng cách gây phân kỳ suy diễn200 giảm tắt dần (biểu tuyến 400 tính) 600 800 1000 Khoảng cách (mm) Âm áp suy giảm kết suy giảm trình tán xạ hấp thụ biểu diễn dạng hàm mũ : P = P 0e-α.d (2.27) Trong : P0 : Âm áp ban đầu d = P : âm áp khoảng cách d d : Quãng đừong tổng cộng tia vật liệu Lấy Logarit tự nhiên hai vế phương trình ta có : P0 (2.28) P Đây độ suy giảm riêng, tính theo logarit neper Nhưng thực tế đo lường điện, đơn vị Decibel dùng phổ biến cách lấy logarit số 10 nhân với 20 Do α.d = ln P  α.d = 20 log  (dB) P  20 P  α= log  (dB/mm dB/m) d P  (2.29) (phụ thuộc vào đơn vị “d”) CHƯƠNG 92 TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II Như nhấn mạnh phần 2.8.1, α đo hai đơn vị nepers mm dB mm Đơn vị decibel tiện lợi sử dụng Thí dụ độ suy giảm 20dB tương đương với giảm xuống 1/10, 40dB tương đương với giảm 1/100 60dB tương đương với giảm 1/1000 Ngược lại tăng lên 20dB có nghĩa tăng gấp 10 lần Ngoài với 1dB nghĩa thay đổi xấp xỉ 10% 0,1dB thay đổi 1% Nếu hệ số suy giảm vật liệu 1dB/mm, có nghĩa qua lớp bề dày 1mm sóng bị suy giảm xấp xỉ 10% với lớp bề dày 20mm giảm xấp xỉ 90% Tại 100mm độ suy giảm 10 âm áp 10 -5 Điều cho thấy có suy giảm lớn Quá trình tán xạ tăng nhanh kích thước hạt vật liệu tăng Sự hấp thụ giảm giảm tần số Khi hấp thụ tán xạ xảy đồng thời cần phải lựa chọn tối ưu tần số kiểm tra Với điều kiện kích thước nhỏ tương đương phần tử phản hồi cần ghi nhận phải lớn đáng kể kích thước trung bình hạt, giảm tần số đưa đến khả phát khuyết tật cải thiện Như quy tắc chung, khuyết tật phát kích thước lớn 1/5 bước sóng vật liệu có kích thước hạt mịn Hầu hết sóng dọc có tần số đến 5MHz (đầu dò phát chùm tia thẳng đầu dò phát chùm tia góc dọc) suy giảm âm hợp kim thấp, thép rèn, vật đúc hợp kim thấp nhôm magnesium, thép nickel…thường bỏ qua Những vật liệu gọi vật liệu có độ suy giảm thấp Hệ số suy giảm vật liệu 10dB/m Những vật liệu có độ suy giảm trung bình bao gồm hợp kim cao thép đúc, đồng biến tính, kẽm, đồng thau, đồng thiếc, chì, kim loại cứng kim loại thiêu kết Trong vật liệu này, hệ số suy giảm đến 100dB/m Những vật liệu có hệ số suy giảm lớn 100dB/m vật liệu có suy giảm cao Thuộc loại vật liệu tất loại nhựa tổng hợp, cao su, bêtông, gốm, gỗ, thép đúc hợp kim cao, vật đúc hợp kim cao nhôm magnesium, đồng đúc, kẽm, đồng thau, đồng thiếc, gốm xốp đá… Kiểm tra siêu âm vật liệu khó khăn thực tế có số ứng dụng giải thành công Nếu việc kiểm tra thực có suy giảm lớn lượng sóng âm nên áp dụng mẫu mỏng Nếu kỹ thuật xung phản hồi không thực trường hợp áp dụng kỹ thuật truyền qua Trên thảo luận suy giảm đặt cho khả áp dụng sóng dọc Với sóng ngang suy giảm thường lớn nhiều, đặc biệt nhựa tổng hợp Tương tự độ suy giảm tăng nhiệt độ mẫu kiểm tra tăng Đối với thép, độ suy giảm cực đại xảy điểm chuyển pha từ lập phương tâm khối sang lập phương tâm mặt (nhiệt độ khoảng 721 0C) 2.8.2 Những nguyên lý đo độ suy giảm : Đánh giá kích thước khuyết tật kiểm tra siêu âm thực sở sóng âm phản xạ từ khuyết tật phản hồi sóng âm phản xạ biểu diễn ảnh CRT máy sóng Do âm áp tỷ lệ với chiều cao H xung phản hồi ảnh sóng CRT nên ta có: H  α.d = 20 log  (dB/m) (nếu “d” đo m)  H  (2.30) Nhưng từ kiến thức suy giảm, biết chiều cao xung phản hồi ảnh sóng không hoàn toàn từ khuyết tật mà gồm yếu tố suy giảm tổn thất Bù lại tổn thất suy giảm cho đánh giá biên độ xung phản hồi biết biết hệ số suy giảm mẫu kiểm tra mẫu chuẩn đánh giá Để đo giá trị tuyệt đối độ suy giảm khó khăn biên độ xung phản hồi phụ thuộc vào độ suy CHƯƠNG 93 TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II Chiều cao tín hiệu xung phản hồi (dB) giảm mà chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố khác Tuy nhiên, phép đo tương đối lại thực dễ dàng vật thể kiểm tra Đối với mục đích hình dạng vật thể kiểm tra, đầu dò sử dụng chất tiếp xúc âm cần giữ không đổi so sánh biên độ xung phản hồi đáy Khi vật liệu khảo sát khác biên độ ∆H xung phản hồi đáy lần HB1 xung phản hồi đáy lần thứ hai HB2 suy giảm mở rộng chùm tia tán xạ với giả thiết suy giảm bề mặt tiếp xúc, phân tích biểu diễn hình 2.32 Đường cong A mở rộng chùm tia B trình tán xạ T bề dày mẫu Độ mở rộng chùm tia Độ mở rộng chùm tia ∆HBS Tán xạ (A) Hình 2.32 : Sự suy giảm mở rộng tán xạ chùm tia siêu âm ∆H (B) ∆H = HB1 – HB2 Như Tán xạ (2.31) ∆H = ∆HBS – ∆HS (2.32) ∆H S Hiệu biên độ ∆H xung phản hồi đáy nhiều lần đọc từ núm khuếch đại thiết bị Sự khác suy giảm mở rộng chùm tia ∆HBS xác định từ giản đồ DGS Như vậy, khác suy giảm tán xạ hấp thụ biểu diển sau : Chiều dài quãng đường truyền chùm tia siêu âm ∆HS = ∆H – ∆HBS (2.33) Nếu ∆HS chia cho quãng đường lan truyền tổng cộng kết hệ số suy giảm Như : α= ∆H S ∆H − ∆H BS = (dB/m) 2T 2T (2.34) Khi khoảng cách T tối thiểu 3N - ba lần độ dài trường gần, định luật mở rộng chùm tia vật phản xạ lớn áp dụng Biên độ tỷ lệ nghịch với khoảng cách, khoảng cách gấp đôi biên độ phải nửa, tức giảm 6dB Định luật cách đơn giản để đo hệ số suy giảm ∆HBS = 6dB hệ số suy giảm α tính sau : CHƯƠNG 94 TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN α= TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II ∆H −6 (dB/m) 2T (2.35) Với T ≥ 3N Một ví dụ minh họa: Chiều dày vật liệu Tần số đầu dò Đường kính đầu dò Chiều dài trường gần : 30mm : 4MHz : 10mm : 17mm Xung phản hồi thứ hai ứng với quảng đường 60mm lớn 3N (51mm) xung phản hồi thứ hai thứ tư ứng với thay đổi biên độ 6dB Giả sử thay đổi biên độ đo xung phản hồi thứ hai thứ tư 10dB Quãng đường tổng cộng tia xung thứ hai thứ tư 120mm Do đó, hệ số suy giảm vật liệu tần số 4MHz : 10 −6 = 120 30 (dB/mm) hay 33dB/m Bảng 2.6 : Giá trị hàm lượng giác góc Góc Sin Cos Tan Góc Sin Cos Tan 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 0,0175 0,0349 0,0523 0,0698 0,0872 0,1045 0,1219 0,1392 0,1564 0,1736 0,1908 0,2079 0,2250 0,2419 0,2588 0,2756 0,2924 0,3090 0,3256 0,3420 0,3584 0,3746 0,3907 0,4067 0,4226 0,4384 0,4540 0,4695 0,4848 0,5000 0,9998 0,9994 0,9986 0,9976 0,9962 0,9945 0,9925 0,9903 0,9877 0,9848 0,9816 0,9781 0,9744 0,9703 0,9659 0,9613 0,9563 0,9511 0,9455 0,9397 0,9336 0,9273 0,9205 0,9135 0,9063 0,8988 0,8910 0,8829 0,8746 0,8660 0,0175 0,0349 0,0524 0,0699 0,0875 0,1051 0,1228 0,1405 0,1584 0,1763 0,1944 0,2126 0,2309 0,2493 0,2679 0,2867 0,3057 0,3249 0,3443 0,3640 0,3839 0,4040 0,4245 0,4452 0,4663 0,4877 0,5095 0,5317 0,5543 0,5774 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700 710 720 730 740 750 0,7193 0,7314 0,7431 0,7547 0,7660 0,7771 0,7880 0,7986 0,8090 0,8192 0,8290 0,8387 0,8480 0,8572 0,8660 0,8746 0,8829 0,8910 0,8988 0,9063 0,9135 0,9205 0,9272 0,9336 0,9397 0,9455 0,9511 0,9563 0,9613 0,9659 0,6947 0,6820 0,6691 0,6561 0,6428 0,6293 0,6157 0,6018 0,5878 0,5736 0,5592 0,5446 0,5299 0,5150 0,5000 0,4848 0,4695 0,4540 0,4384 0,4226 0,4067 0,3907 0,3746 0,3584 0,3420 0,3256 0,3090 0,2924 0,2757 0,2588 1,0355 1,0724 1,1108 1,1504 1,1918 1,2349 1,2799 1,3270 1,3764 1,4281 1,4826 1,5399 1,6013 1,6643 1,7321 1,8040 1,8807 1,9626 2,0503 2,1445 2,2460 2,3559 2,4751 2,6051 2,7475 2,9042 3,0777 3,2709 3,4874 3,7321 CHƯƠNG 95 TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 0,5150 0,5299 0,5446 0,5592 0,5736 0,5878 0,6018 0,6157 0,6293 0,6428 0,6561 0,6691 0,6820 0,6947 0,7071 0,8572 0,8480 0,8387 0,8290 0,8192 0,8090 0,7986 0,7880 0,7771 0,7660 0,7547 0,7431 0,7314 0,7193 0,7071 TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II 0,6009 0,6249 0,6494 0,6745 0,7002 0,7265 0,7536 0,7813 0,8098 0,8391 0,8693 0,9004 0,9325 0,9657 1,0000 760 770 780 790 800 810 820 830 840 850 860 870 880 890 900 CHƯƠNG 0,9703 0,9744 0,9781 0,9816 0,9848 0,9877 0,9903 0,9925 0,9945 0,9962 0,9976 0,9986 0,9994 0,9998 1,0000 0,2419 0,2250 0,2079 0,1908 0,1736 0,1564 0,1392 0,1219 0,1045 0,0872 0,0698 0,0523 0,0349 0,0175 0,0000 4,0108 4,3315 4,7046 5,1446 5,6713 6,3138 7,1154 8,1443 9,5144 11,4301 14,3007 19,0811 28,6363 57,2900 96