Đề tài phương pháp đo và kiểm tra không phá hủy sử dụng sonar

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỆN ĐIỆN BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐO VÀ TIN HỌC CÔNG NGHIỆP BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN ĐO VÀ KIỂM TRA KHÔNG PHÁ HỦY Đề tài: PHƯƠNG PHÁP ĐO VÀ KIỂM TRA KHÔNG PHÁ HỦY SỬ DỤNG SONAR Giảng viên hướng dẫn: TS CUNG THÀNH LONG Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Minh Đức 2018140 Vũ Minh Tuấn 2018181 Vũ Quang Huy 2018154 Nguyễ̃n Quốc Cường 2018137 Phạm Tài Lân 2018157 Vũ Quang Tú 2017431 Chu Văn Tình 2018178 Hà Nội, 8-2022 LỜI NĨI ĐẦU Xuất phát từ nhu cầu thực tiễ̃n đời sống, lĩnh vực đo kiểm tra không phá hủy (Non-Destructive Test, hay NDT) đời phát triển phương pháp hiệu để bảo tồn tính tồn vẹn đối tượng kiểm tra đánh giá xác tình trạng mứ́c độ sai hỏng vật liệu, cấu kiện hệ thống Đo kiểm tra không phá hủy áp dụng trước, chí sau q trình sử dụng sản phẩm Trong tất giai đoạn kể trên, phương pháp đo kiểm tra khơng phá hủy đóng vai trò phát đánh giá khuyết tật sản phẩm, kết cấu cơng trình để loại bỏ vật liệu sản phẩm không đạt yêu cầu, tránh lãng phí chi phí cơng đoạn cho sản phẩm chất lượng, đồng thời cảnh báo sớm độ hư hại chi tiết, cấu kiện để có biện pháp bảo dưỡng thay kịp thời trước xảy cố Trong phương pháp đo kiểm tra không phá hủy, sonar thuộc nhóm phương pháp phát khuyết tật nằm sâu bên bề mặt đối tượng Một ưu điểm khác sonar so với phương pháp khác nhóm khả hoạt động tốt môi trường nước số dung dịch mà đối tượng kiểm tra bị ngâm bên Các đặc điểm khiến phương pháp sonar có ứ́ng dụng nhiều lĩnh vực Trong báo cáo này, nhóm thực đề tài đề cập đến phương pháp sonar lĩnh vực đo kiểm tra không phá hủy Trong trình tìm hiểu, chắn chúng em khơng tránh khỏi sai sót, chúng em xin cảm ơn thầy bảo cho chúng em nhận xét quý báu để chúng em hoàn thiện báo cáo Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy! PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ Sinh viên Nguyễn Minh Đức Nhiệm vụ phân công Nội dung báo cáo phần hydrophone projector Tởng hơp slide có sưa chữa bổ̉ sung theo gop y cua giảng viên Vũ Minh Tuấn Nội dung báo cáo, trình bày slide phần vật liệu áp điện hydrophone Vũ Quang Huy Nội dung báo cáo, trình bày slide phần xử lý tín hiệu Nguyễ̃n Quốc Cường Nội dung báo cáo, trình bày slide active sonar lịch trình báo cáo Phạm Tài Lân Nội dung báo cáo, trình bày slide phần passive, active sonar Vũ Quang Tú Nội dung báo cáo, trình bày slide phần đánh giá sai hỏng Chu Văn Tình Nội dung báo cáo, trình bày slide phần tổ̉ng quan MỤC LỤC Chương TỔNG QUAN VỀ SONAR 1.1 Khái niệm 1.1.1 Lịch sử phát triển 1.2 Giới thiệu SONAR 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Hệ thống SONAR 1.2.3 Khái niệm sóng âm 1.2.4 Nguồn sóng âm 1.3 Phân loại 1.3.1 SONAR chủ động 1.3.2 SONAR thụ động Chương HYDROPHONE 2.1 Định nghĩa Hydrophone 2.2 Vật liệu làm Hydrophone đặc điểm đầu thu 2.2.1 Vật liệu làm Hydrophone 2.2.2 Hiện tượng áp điện 2.2.3 Gốm áp điện 2.2.4 Tính chất áp điện 14 2.2.5 Độ nhạy Hydrophone 22 2.2.6 Công suất 24 2.3 Hình dạng đầu thu 25 2.4 Cấu tạo Hydrophone 28 Chương Active Sonar 30 3.1 Khái niệm active sonar 30 3.2 Khái niệm projector 30 3.2.1 Cấu tạo projector 30 3.2.2 Phân loại biến đổ̉i 30 3.3 Phân loại 32 3.3.1 Phân loại theo cấu trúc lắp đặt projector - hydrophone 32 3.3.2 Phân loại theo cách hoạt động 33 Chương SONAR THỤ ĐỘNG 39 4.1 Hệ thống SONAR thụ động 39 4.1.1 Mảng hydrophone 39 4.1.2 Bộ xử lí Beamforming 40 4.1.3 Broadband display 41 4.1.4 Bộ phân tích tần số 41 4.2 Phương trình SONAR bị động 42 4.3 Những yếu tố khác 44 4.3.1 Nhiễ̃u bứ́c xạ 44 4.3.2 Mứ́c nguồn 44 4.3.3 Bản chất nhiễ̃u bứ́c xạ 44 4.3.4 Đánh giá thực tế 45 4.3.5 Băng thông rộng băng thông hẹp 45 Chương XỬ LÝ TÍN HIỆU 48 5.1 Hệ thống SONAR 48 5.2 Q trình xử lý tín hiệu nhận Sonar 51 5.2.1 Signal Conditional 52 5.2.2 Beamforming 52 5.2.3 Matched Filter 56 Chương ĐÁNH GIÁ SAI HỎNG 58 6.1 Các tham số tín hiệu thu 58 6.1.1 Sự suy giảm 60 6.1.2 Chế độ sóng vận tốc 60 6.1.3 Thiết bị phát xạ âm 61 6.1.4 Đánh vào hệ thống AE điều khiển đo lường tính tín hiệu 62 6.1.5 Tính tín hiệu phát xạ âm 63 6.1.6 Hiển thị liệu phát xạ âm 65 6.2 Các kỹ thuật xác định vị trí sai hỏng 67 6.2.1 Kỹ thuật quét bên 67 6.2.2 Đánh giá sai hỏng phong pháp Multibeam sonar 70 6.2.3 Kỹ thuật định vị nguồn đa kênh 71 6.2.4 Kỹ thuật vị trí tuyến tính 72 6.2.5 Kỹ thuật Vị trí Khu vực 72 6.2.6 Vị trí điểm 73 Chương Tổ̉ng kết phương pháp 75 DANH MỤC MINH HỌA Hình 2.1 Hydrophone thu sóng âm từ nhiều nguồn khác Hình 2.2 Hình dạng đầu thu Hydrophone Hình 2.3 Hiệu ứ́ng áp điện thuận Hình 2.4 Hiệu ứ́ng áp điện nghịch Hình 2.5 Các bước trình chế tạo gốm áp điện 10 Hình 2.6 So sánh mứ́c độ phân cực gốm áp điện trước sau trình phan cực cho vật liệu 11 Hình 2.7 Thạch anh 11 Hình 2.8 Bari Titianat (sau tạo hình) 12 Hình 2.9 PZT (sau tạo hình) 13 Hình 2.10 Sự thay đổ̉i tính phân cực theo biến dạng vật liệu áp điện 14 Hình 2.11 Bộ rung dọc chế độ 33 18 Hình 2.12 Bộ rung dọc chế độ 31 20 Hình 2.13 Đầu dị hydrophone hình kim 21 Hình 2.14 Đầu dị hydrophone màng mỏng 21 Hình 2.15 Minh họa gốm áp điện 23 Hình 2.16 Ảnh hướng từ mơi trường tới hệ thống sonar 24 Hình 2.17 Hình dạng đầu thu sonar 25 Hình 2.18 Gốm áp điện dạng hình trụ 26 Hình 2.19 Cấu tạo phần tử áp điện hình trụ 27 Hình 2.20 Minh họa cấu tạo Hydrophone 28 Hình 3.1 Sơ đồ khối chứ́c active sonar 30 Hình 3.2 Phần tử áp điện kiểu vòng (ring) 31 Hình 3.3 Phần tử áp điện có khả uốn dẻo 31 Hình 3.4 Đầu dò kiểu Tonpilz 32 Hình 3.5 Cách làm việc máy đo tiếng vang (sonar đơn tia) 34 Hình 3.6 Cách làm việc sonar đa chùm 35 Hình 3.7 Cách làm việc sonar đa chùm thời gian thực 36 Hình 4.1 Sơ đồ khối chứ́c passive sonar 39 Hình 4.2 Mảng cầu thể nhiều chùm tia thẳng đứ́ng 39 Hình 4.3 Mảng Hydrophone thụ động 40 Hình 4.4 Chùm tia thụ động 40 Hình 4.5 Màn hình hiển thị 41 Hình 4.6 Phân tích tần số 41 Hình 4.7 Phổ̉ nhiễ̃u bứ́c xạ mục tiêu 45 Hình 4.8 Hệ thống hồn chỉnh sonar thụ động 46 Hình 5.1 Các khối chứ́c đầy đủ hệ thống sonar 48 Hình 5.2 Sơ đồ khối Transmiter cơng suất cao 49 Hình 5.3 Mơ hình mạch tương đương đầu dị 50 Hình 5.4 Phối hợp trở kháng chuyển đổ̉i áp điện 50 Hình 5.5 Mạch phối hợp trở kháng 51 Hình 5.6 Quá trình chung xử lý tín hiệu sonar 51 Hình 5.7 Sơ đồ khối mạch xử lý tín hiệu 52 Hình 5.8 Mảng tín hiệu nhận tín hiệu 52 Hình 5.9 Beamforming miền thời gian 54 Hình 5.10 Hệ thống Beamforming đa tia 55 Hình 5.11 Minh họa hệ thống lưu trữ 55 Hình 5.12 Tín hiệu Match Filter 57 Hình 6.1 Hình dạng sóng sonar 58 Hình 6.2 Sự phụ thuộc góc âm phản xạ từ nguồn phát Phần lớn lượng hướng 90 270°; vuông góc với bề mặt vết nứ́t 59 Hình 6.3 Hình ảnh minh họa thiết bị, cấu tạo phát xạ âm 61 Hình 6.4 Sơ đồ hệ thống kiểm tra phát xạ âm bốn kênh 62 Hình 6.5 Phần mềm giả lập âm thị nhiều dạng khác 63 Hình 6.6 Biểu đồ điện áp so với thời gian tín hiệu AE 64 Hình 6.7 Hiện thị vị trí xác định nguồn sóng AE 65 Hình 6.8 Màn hình hoạt động hiển thị hoạt động AE 66 Hình 6.9 Loại hiển thị AE thứ́ tư, biểu đồ chéo, sử dụng để đánh giá chất lượng liệu thu thập 67 Hình 6.10 Tạo tiếng vang cho sonar quét bên 68 Hình 6.11 Trụ tuabin gió đặt biển, thân trụ gắn cảm biến sonar theo dõi phần trụ 68 Hình 6.12 Sau thời gian phần trụ bị trôi làm suy yếu 69 Hình 6.13 Hình ảnh 2D vẽ lại phương pháp Side Scan Sonar 69 Hình 6.14 Giám sát lắng đọng trầm tích cơng trình thủy điện 69 Hình 6.15 Hình ảnh thu side scan sonar 70 Hình 6.16 Ảnh quét 3D đáy đập 70 Hình 6.17 Ảnh quét 3D thân đập 70 Hình 6.18 Hình ảnh quét 3D cầu cảng 71 Hình 6.19 Hình ảnh quét 3D đường ống ngầm nước 71 Hình 6.20 Kỹ thuật vị trí tuyến tính 72 Hình 6.21 Kỹ thuật vị trí khu vực 73 Hình 6.22 Kỹ thuật vị trí điểm 74 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 So sánh hại loại vật liệu áp điện thường gặp Bảng 2.2 So sánh ba loại vật liệu gốm áp điện chủ yếu 13 Chương TỔNG QUAN VỀ SONAR 1.1 Khái niệm 1.1.1 Lịch sử phát triển Mặc dù số loài động vật ( cá heo, dơi, số chuột chù loài khác) sử dụng âm để liên lạc phát vật thể hàng triệu năm, việc sử dụng người nước Leonardo da Vinci ghi lại lần đầu vào năm 1490: ống đưa vào nước cho sử dụng để phát mạch cách đặt tai vào ống Vào cuối kỷ 19, chuông nước sử dụng thiết bị phụ trợ cho hải đăng tàu đèn để cảnh báo mối nguy hiểm Việc sử dụng âm để "định vị tiếng vang" nước giống cách dơi sử dụng âm để điều hướng không dường thúc đẩy thảm họa Titanic năm 1912 Bằng sáng chế giới thiết bị đo tiếng vang nước đệ trình Văn phịng Sáng chế Anh nhà khí tượng học người Anh Lewis Fry Richardson tháng sau vụ đắm tàu Titanic, nhà vật lý người Đứ́c Alexander Behm nhận sáng chế cho máy đo tiếng vang vào năm 1913 Kỹ sư người Canada Reginald Fessenden, làm việc cho Cơng ty Tín hiệu Tàu ngầm Boston, Massachusetts, xây dựng hệ thống thử nghiệm năm 1912, hệ thống sau thử nghiệm Cảng Boston, cuối vào năm 1914 từ US Revenue Cutter Miami Grand Banks khơi Newfoundland Trong thử nghiệm đó, Fessenden chứ́ng minh khả đo độ sâu, thông tin liên lạc nước ( mã Morse ) phạm vi tiếng vọng (phát tảng băng trôi phạm vi dặm (3,2 km)) Bộ dao động "Fessenden", hoạt động tần số khoảng 500 Hz, xác định vùng mang tảng băng bước sóng mét kích thước nhỏ mặt bứ́c xạ đầu dị (đường kính nhỏ ⁄ bước sóng) 10 Montreal -built Các tàu ngầm lớp H Anh hạ thủy vào năm 1915 trang bị dao động Fessenden Trong Thế chiến thứ́ nhất, nhu cầu phát tàu ngầm thúc đẩy nhiều nghiên cứ́u việc sử dụng âm Người Anh sớm sử dụng thiết bị nghe nước gọi hydrophone, nhà vật lý người Pháp Paul Langevin, làm việc với kỹ sư điện nhập cư người Nga Constantin Chilowsky, nghiên cứ́u phát triển thiết bị âm chủ động để phát tàu ngầm vào năm 1915 Mặc dù đầu dò áp điện từ trở sau thay đầu dị tĩnh điện mà họ sử dụng, công việc ảnh hưởng đến thiết kế tương lai Màng nhựa nhạy cảm với âm ... cấu kiện hệ thống Đo kiểm tra không phá hủy áp dụng trước, chí sau q trình sử dụng sản phẩm Trong tất giai đo? ??n kể trên, phương pháp đo kiểm tra không phá hủy đóng vai trị phát đánh giá khuyết... ngâm bên Các đặc điểm khiến phương pháp sonar có ứ́ng dụng nhiều lĩnh vực Trong báo cáo này, nhóm thực đề tài đề cập đến phương pháp sonar lĩnh vực đo kiểm tra khơng phá hủy Trong q trình tìm hiểu,... liệu SONAR dùng chủ yếu quân đặc biệt hải quân, nhiên với ưu việt nó, SONAR ứ́ng dụng rộng rãi ngành công nghiệp khác đặc biệt kỹ thuật đo kiểm tra không phá hủy Sonar sử dụng đo kiểm tra không phá