Bài 1 cơ sở nguyên lý của phương pháp siêu âm

Cơ sở nguyên lí• Lịch sử-Nguyên lí • Bản chất siêu âm • Đặc trưng lan truyền sóng âm • Các loại sóng siêu âm • Biểu hiện của sóng siêu âm • Tạo và phát hiện siêu âm • Đặc trưng chùm tia

Phương pháp kiểm tra siêu âm

Bài 1 Cơ sở nguyên lí

• Lịch sử-Nguyên lí

• Bản chất siêu âm

• Đặc trưng lan truyền

sóng âm

• Các loại sóng siêu âm

• Biểu hiện của sóng siêu âm

• Tạo và phát hiện siêu âm

• Đặc trưng chùm tia siêu âm

• Đơn vị dB

Lịch sử

 Khoa học về âm thanh có lịch sử lâu đời, nhưng giống như nhiều lý thuyết kỹ thuật cùng với các ứng dụng trong công nghiệp, ngành siêu âm

học có sự phát triển mạnh và nhanh nhất vào những năm cuối thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20, gắn liền với tên tuổi các nhà khoa học lớn, như

Rayleigh, Lamb, Curie, Lippman, …       

Lịch sử

Xét theo một góc độ, có thể nói rằng, giống như chính bản thân sự sống, ứng dụng ngành siêu

âm học đã đến từ biển cả, đại dương.

 Thảm hoạ tàu Titanic va núi băng 1912

 Nỗ lực phát hiện tàu ngầm trong Chiến tranh

thế giới lần I

• Sự phát triển kỹ thuật vô tuyến điện tử và

radar những năm 30-40 thế kỷ trước: phát

minh CRT

• Đến Thế chiến lần II, các công nhân ở cả hai phía,

đã đưa ra áp dụng kỹ thuật xung dội

Lịch sử

• Những hệ thống dò khuyết tật siêu âm xung dội hiện đại

hoàn chỉnh đầu tiên đầu tiên đã cùng được độc lập thiết kế bởi các nhà khoa học Anh, Đức và Hoa Kỳ vào các năm 42 (tia thẳng) -47 (tia xiên): Sproul,Trost và Gotz, Firestone.

Lịch sử

• Từ đây, các nguyên lí chủ yếu phát hiện khuyết tật bằng kỹ

thuật xung dội là giống như ngày nay Sự phát triển mạnh xảy ra chủ yếu trong lĩnh vực máy móc, điện tử và xử lí số liệu….

- Những năm 1980-1990: microchip được đưa vào cho phép

xử lý, lưu trữ các thông số chuẩn và kiểm tra

- Từ những năm 1990 trở đi, các công nghệ màn hình tiên

tiến, LCD, EL, TFI,… dần thay màn hình CRT, giúp cho

hệ thống trở nên gọn nhẹ và cải thiện nhiều điều kiện quan sát.

Nguyên lý

• Sóng siêu âm, sóng âm có tần số cao , được truyền vào vật liệu kiểm tra, phản xạ

lại từ các bề mặt hoặc

khuyết tật

• Năng lượng âm phản xạ

được hiển thị tương ứng với thời gian lan truyền và

kích thước bề mặt tạo phản

xạ cho biết sự tồn tại, vị trí

và kích thước khuyết tật

Chỉ thị đáy

Màn hình máy kiểm tra siêu âm

Bản chất siêu âm

• Sóng siêu âm là các sóng âm có tần số lớn,

nằm ngoài khả năng nghe của tai người.

0 - 20 Infrasound Động đất

20 - 20.000 Âm thanh nghe được Lời nói, âm nhạc

> 20.000 Siêu âm Dơi, Quartz crystal

chuyển của phần tử môi trường

xung quanh một vị trí cân bằng

nào đó

Để có các khái niệm liên quan đến dao động và sóng, cần nghiên cứu chuyển động của một trọng vật được treo bằng một

sợi dây đàn hồi:

Kéo

Bản chất siêu âm

Dao động

Dao động

Bản chất siêu âm

• Điều kiện để dao động cơ học lan truyền đi được là phải có

môt trường vật chất , trong đó các phần tử liên kết với nhau bởi các lực đàn hồi , dao động của bất kỳ một phần tử nào

sẽ kéo theo dao động của các phần tử khác, do đó mà dao động được truyền đi : đó là sóng âm !!!

Tần số :

- Là số dao động của các phần tử môi trường

trong một đơn vị thời gian (1giây)

(Tần số thường được kí hiệu là f)

Tần số ứng dụng

Các đại lượng đặc trưng sóng âm

Bước sóng:

- Độ dài sóng lan truyền được sau khoảng thời gian một chu kỳ T

- Kí hiệu λ

thì có thể phát hiện được bằng UT

Vận tốc:

Độ dài sóng lan truyền được sau một đơn vị thời gian

- Là tốc độ truyền năng lượng giữa hai điểm trong môi trường do sự lan truyền sóng gây ra

- Kí hiệu là v

Các đại lượng đặc trưng sóng âm

Các đại lượng đặc trưng sóng âm

Mối quan hệ cơ bản:

λ = v.T f = 1 / T

Vật liệu kiểm tra: thép C/S

Sóng: dọc

Vận tốc: 5920 m/s

Tần số: 2 Mhz

Khuyết tật, kích thước : 1 mm max

Khả năng phát hiện: Y/N ?

Các đại lượng đặc trưng sóng âm

Các đại lượng đặc trưng sóng âm

Âm áp:

Là một khái niệm mô tả các ứng suất (lực) tuần hoàn tác dụng trong vật liệu khi có sự lan truyền sóng âm, được xác định,

P = Z a

Z - âm trở

a - biên độ dao động của hạt

Các đại lượng đặc trưng sóng âm

Cường độ âm:

Là sự truyền năng lượng cơ học gây bởi sóng

âm qua một đơn vị diện tích vuông góc với hướng truyền sóng

P2 P.a

I = - I = -

2 Z 2

I - là cường độ ; P - là âm áp

Z - âm trở ; a - biên độ dao động của hạt

Các phương trình sóng cơ bản:

a = a o Sin 2πft

a - độ dịch chuyển của hạt ở thời điểm t

a o - biên độ dao động của hạt

Các phương trình sóng cơ bản:

a = ao Sin 2 π f(t-x/v)

a - độ dịch chuyển của hạt (ở thời điểm t và

khoảng cách x tính từ hạt đầu tiên bị kích thích

a o - biên độ của sóng ( biên độ dao động của hạt)

f - Tần số dao động ; v - vận tốc lan truyền sóng

Các đại lượng đặc trưng sóng âm

Các loại sóng siêu âm

Đư ợc phân loại trên cơ

sở phương dao động của

các hạt môi trưường so

với phương truyền sóng.

Các loại sóng siêu âm - Sóng dọc (sóng nén)

• Phương dao động phần tử môi trường song song

với phương lan truyền sóng

Các loại sóng siêu âm- Sóng ngang (sóng trượt)

• Phương dao động của các hạt vuông góc với phương

truyền sóng.

Hướng lan truyền

Sóng ngang

Hướng dao động

Các loại sóng siêu âm- Transverse wave (Shear wave)

Sóng bề mặt (sóng Rayleigh):

Loại sóng này chØ lan truyền dọc trên một bề mặt của chất rắn tiếp xúc với chất khí.

- Vận tốc của sóng bề mặt ~90% vận tốc của sóng ngang

- Chiều sâu hiệu ứng (tính từ bề mặt) ≤ λ

Các loại sóng siêu âm

Sóng bản mỏng (sóng Lamb):

Khi sóng bề mặt lan truyền trong một vật

liệu có chiều dày ≤ 3λ thì sẽ xuất hiện

(Khi đó vật liệu dao động như một bản mỏng và

sóng tràn ngập toàn bộ vật liệu)

Các loại sóng siêu âm

Vận tốc sóng âm

Mối trường 1 Môi trường 2

Z 1 , Z 2 = âm trở của môi trường 1và 2

I r , I i = cường độ sóng phản xạ và sóng tới

Đặc trưng âm trở của vật liệu

Nguyên lý kiểm tra siêu âm (xung dội):

sóng âm phản xạ lại từ bất liên tục – bề mặt phân cách

CHẤT TIẾP ÂM

Chất lỏng áp dụng giữa đầu dò và bề mặt kiểm tra nhằm hỗ trợ truyền sóng âm vào vật liệu tốt hơn, bằng cách loại bỏ lớp không

khí có sự khác biệt âm trở lớn gây phản xạ âm mạnh

CHẤT TIẾP ÂM

• Nhiều loại chất liệu phù hợp để làm chất tiếp âm,

với tiêu chí “trung gian” âm trở tốt giữa kim loại và biến tử đồng thời không gây hư hại bề mặt kiểm tra

• Các chất tiếp âm phổ biến là:

- Nước (12% truyền qua)

- Kerosene

- Oil

- Mỡ

- Bột giấy

- Glycerin (tốt nhất – 15% truyền qua)

- Bột nhão chuyên dụng

Khi sóng tới thẳng góc

Âm áp phản xạ và truyền qua

P r , P t = âm áp phản xạ và truyền qua

Z 1 , Z 2 = âm trở của môi trường 1(sóng tới)và 2 (sóng truyền qua)

Biểu hiệncủa sóng siêu âm tại bề mặt phân cách vật liệu

Âm áp phản xạ-truyền qua

Phản xạ + Truyền qua: Thép - Perspex

Âm áp phản xạ-truyền qua

Reflection + Transmission: Perspex - Steel

Khi sóng tới xiên góc

Chuyển đổi dạng sóng, Phản xạ, Sự khúc xạ

Biểu hiện của sóng siêu âm tại bề mặt phân cách vật liệu

Hiện tượng khúc xạ

Biểu hiện của sóng siêu âm tại bề mặt phân cách vật liệu

Khi sóng tới xiên góc

Góc khúc xạ

Các góc tới hạn

Tạo và phát hiện sóng siêu âm

• là một dạng năng lượng cơ

học, việc tạo ra sóng siêu âm sẽ

thực hiện bằng cách chuyển

một dạng năng lượng nào đó

thành dạng năng lượng cơ

học-sóng siêu âm, ví dụ:

 Điện-Cơ Từ-Cơ

 Nhiệt-Cơ Cơ-Cơ

Hiệu ứng áp điện: là một cách phổ biến nhất hiện nay để tạo

ra sóng siêu âm

Hiệu ứng áp điện thuận: (P.Curies, 1890)

Dùng để phát hiện sóng siêu âm

Hiệu ứng áp điện nghịch: (Lippman, 1890, P.Curies, 1891)

Dùng để tạo sóng siêu âm

Tạo và phát hiện sóng siêu âm

Piezoelectric Effect

(Inverse)

+

Tinh thể mỏng hơn

Piezoelectric Effect

(Direct)

Năng lượng điện Piezoelectrical crystal Ultrasonic wave

Vật liệu áp điện

 Một số vật liệu có thể hiện hiệu ứng áp điện - vật liệu áp điện

• Vật liệu áp điện tự nhiên (đơn tinh thể)

• Gốm phân cực(đa tinh thể)

Các vật liệu đơn tinh thể:

Thạch anh: Dạng tinh thể được XĐ bởi các trục X,Y,Z

- Thạch anh cắt X dùng để phát và thu sóng dọc

- Thạch anh cắt Y dùng để phát và thu sóng ngang

Vật liệu áp điện

Các vật liệu đơn tinh thể :

Ưu điểm: - Có hiệu suất thu năng lượng cao nhất

- Âm trở nhỏ

- Không bị lão hoá

- Không bị ảnh hưởng bởi sự chuyển đổi dạng sóng

Nhược điểm: - DÔ vì

- Bị hoà tan trong nước

- Làm việc ở nhiệt độ < 75 độ C

Vật liệu áp điện

Gốm phân cực:

Ưu điểm: - Có hiệu suất phát siêu âm cao

- Làm việc ở điện áp thấp

- Độ nhạy cao

Nhược điểm: - Đặc tính áp điện giảm theo tuổi

- Điểm Curie không cao (120 0 )

Vật liệu áp điện

Vật liệu áp điện - Gốm phân cực- PZT

- Điểm Curie cao, 3500 C

- Độ phân giải tốt

- Không tan trong nước

Thiết bị chuyển dạng năng lượng này thành dạng năng lượng khác, và ngược lại, được gọi là biến tử Biến tử áp điện được làm từ vật liệu áp điện

Các chí tiêu đánh giá chất lượng của các biến tử áp điện:

(quan trọng đối với biến tử vừa thu vừa phát)

động xuyên tâm gây nhiễu tín hiêụ)

Biến tử áp điện

Các đặc trưng của chùm tia siêu âm

Chia làm hai vùng: GẦN - XA

Vùng gần:

Là vùng tại đó cường độ chùm âm có những giá trị

cường độ cực đại và cực tiểu , xen kẽ kế tiếp nhau, do

các sóng cầu phát ra từ các tâm phát trên biến tử giao

thoa với nhau.

GIAO THOA

DỊCH PHA

ĐỒNG PHA

NGHỊCH PHA

ở đây: N = chiều dài trường gần

D = đường kính của biến tử

v = vận tốc của sóng âm trong vật liệu

sóng âm

Các đặc trưng của chùm tia siêu âm

Vùng xa: chùm tia nở rộng và suy giảm theo

khoảng cách và góc nở rộng

Các đặc trưng của chùm tia siêu âm

Độ mở rộng của chùm âm:

λ = bước sóng của sóng âm

D = đường kính của biến tử

Góc nở rộng, độ

Độ nở rộng, in./ft

5 1 6 0.62

2 5 1 14 1.50 1.0 1 30 3.00 0.5 2 30 3.00

Sự suy giảm của chùm tia siêu âm

(tỷ lệ với lũy thừa tần số, thường dược xác định

bằng thực nghiệm)

- Sự tán xạ của sóng âm ( gây bởi sự

không đồng

nhất trong vật liệu)

- Sự hấp thụ sóng âm (một phần năng

lượng của sóng âm huyển thành nhiệt)

- Sự liên kết (tiếp âm) và độ thô ráp

của bề mặt vật liệu

Các đặc trưng của chùm tia siêu âm

= -d/exp (Qλ)

d là độ dài đường truyền âm Q-hệ số chất lượng

Sự suy giảm của chùm tia siêu âm

(tỷ lệ với lũy thừa tần số, thường dược xác

định bằng thực nghiệm) liên quan đến kích thước hạt của vật liệu

Sự tán xạ của sóng âm ( gây bởi sự không đồng nhất, không đẳng hướng

trong vật liệu)

Sự liên kết (tiếp âm) và độ thô ráp

của bề mặt vật liệu

ĐƠN VỊ DECIBEL

• Trong kiểm tra siêu âm luôn có nhu cầu so sánh hai

hoặc nhiều tín hiệu (chỉ thị)/sóng siêu âm với nhau:

- - tăng giảm mức độ khuếch đại

- chỉ thị do sóng siêu âm phản xạ từ bất liên tục và

chỉ thị do sóng phản xạ từ một chi tiết nhân tạo biết trước.

Để tiện dụng, đưa vào đơn vị đặc biệt, dB

Độ nhạy và Signal-to-Noise Ratio

• Khả năng phát hiện bất

liên tục phụ thuộc vào

nhiều yếu tố:

- Kích thước bất liên tục

- Hướng bất liên tục

- Khác biệt âm trở giữa bất

liên tục và xung quanh

- Tỷ số R/N

• Tỷ số R/N, sự khác biệt

giữa tín hiệu từ bất liên tục

và các tín hiệu phản xạ nền, phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

- Kích thước đầu dò và đặc

tính hội tụ

- Hiệu suất, tần số, độ rộng

dải tần đầu dò

- Độ dài đường truyền

- Điều kiện bề mặt tiếp xúc

- Các phản xạ do cấu trúc

nội tại (hạt) của vật liệu

Signal-to-Noise Ratio

Signal-to-Noise Ratio

• TĂNG

- Kích thước bất liên tục

tăng

- Độ hội tụ chùm tia tăng

- Giảm độ rộng xung (tăng

mức độ dập)

• GIẢM

- Mật độ vật liệu tăng

- Vận tốc truyền âm tăng

- Tần số tăng (nói chung, ngoại trừ một số vật liệu, hợp kim titan)

Any question?