Áp dụng kỹ thuật siêu âm xây dựng hình ảnh trường vận tốc và trường hệ số suy giảm nghiên cứu sự phá hủy vật liệu bê tông trên máy nén đơn trục

Báo viết này trình bày một ứng dụng của kỹ thuật siêu âm để nghiên cứu quá trình phá hủy vật liệu thông qua việc xây dựng hình ảnh trường vận tốc và trường hệ số suy giảm sóng siêu âm cho cả ba loại sóng (1 sóng dọc và 2 sóng ngang).

Nghiên cứu khoa học công nghệ ÁP DỤNG KỸ THUẬT SIÊU ÂM XÂY DỰNG HÌNH ẢNH TRƯỜNG VẬN TỐC VÀ TRƯỜNG HỆ SỐ SUY GIẢM NGHIÊN CỨU SỰ PHÁ HỦY VẬT LIỆU BÊ TÔNG TRÊN MÁY NÉN ĐƠN TRỤC Bùi Trường Sơn Tóm tắt: Báo cáo trình bày ứng dụng kỹ thuật siêu âm để nghiên cứu q trình phá hủy vật liệu thơng qua việc xây dựng hình ảnh trường vận tốc trường hệ số suy giảm sóng siêu âm cho ba loại sóng (1 sóng dọc sóng ngang) Thuật tốn SART (Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique) sử dụng để xây dựng hình ảnh, kết cho thấy hướng phát triển vùng phá hủy hình ảnh theo tăng tải trọng đơn trục Hình ảnh trường vận tốc trường hệ số suy giảm sóng siêu âm trùng với mặt phá hủy mẫu vật liệu quan sát sau thí nghiệm Từ khóa: Siêu âm; Hình ảnh; Vận tốc; Hệ số suy giảm ĐẶT VẤN ĐỀ Phương pháp chụp cắt lớp hình ảnh thường dùng để nghiên cứu thành phần, cấu trúc biến đổi bên đối tượng Tên phương pháp xuất phát từ tiếng Hy Lạp "tomos" "graphein", người ta lập đồ 2D 3D nhiều tham số vật lý thông qua phép đo thơng số sóng siêu âm, tia truyền qua bị phản xạ đối tượng nghiên cứu Một số phương pháp chụp cắt lớp hay sử dụng chụp cắt lớp siêu âm, điện từ, điện, nhiệt, tia X gamma [11] Ưu điểm phương pháp chụp cắt lớp sóng siêu âm xây dựng hình ảnh trình phá hủy đối tượng nghiên cứu [3-5, 8-9, 12] Các tác giả Chow.T.M., Meglis I.L Young R.P [4] nghiên cứu phá hủy đá granite máy nén đơn trục hình ảnh chụp cắt lớp siêu âm, từ hình ảnh trường vận tốc sóng siêu âm ban đầu cho thấy mẫu đá có tính bất đẳng hướng xuất các vi khe nứt có sẵn Sau đó, ảnh hưởng tăng tải trọng, hình ảnh chụp cắt lớp thấy phát triển khe nứt theo hướng song song với tải trọng tác dụng Nghiên cứu Scott Younane A[12] trình phá hủy mẫu đá vôi thiết bị nén ba trục cách lập đồ vận tốc sóng siêu âm Kết cho thấy hình ảnh trường vận tốc sóng siêu âm mẫu đá vơi giảm tải trọng tác dụng tăng Khi tải trọng đạt gần đến tải trọng phá hủy (σmax), quan sát thấy vùng, nơi mà vận tốc sóng siêu âm giảm mạnh Hướng phát triển vùng trùng với mặt phá hủy mẫu nghiên cứu sau thử nghiệm Tuy nhiên, hạn chế công nghệ, nghiên cứu tác giả trước hướng tới việc xây dựng hình ảnh trình phá hủy vật liệu trường vận tốc sóng dọc mà chưa đề cập tới việc sử dụng sóng ngang đặc biệt hệ số suy giảm cho loại sóng (1 sóng dọc sóng ngang) nghiên cứu đặc tính phá hủy vật liệu Trong báo này, chúng tơi trình bày kết nghiên cứu xây dựng hình ảnh chụp cắt lớp sóng siêu âm trường vận tốc hệ số suy giảm cho sóng dọc sóng ngang mẫu bê tơng thí nghiệm tổ hợp thiết bị máy nén đơn trục hệ thống siêu âm NỘI DUNG 2.1 Thiết bị nghiên cứu mẫu thí nghiệm Thiết bị nghiên cứu phòng thí nghiệm đa ngành thuộc Trường Bách khoa Orleans bao gồm hai hệ thống bản: hệ thống máy nén đơn trục hệ thống siêu âm Hai hệ thống kết nối đầu đo siêu âm gắn mẫu nghiên cứu (hình 1) Hệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san CBES2, 04 - 2018 237 Toán học, Cơ học & Ứng dụng thống máy nén đơn trục kiểm soát việc gia tải với tốc độ 0.05MPa/phút Quá trình gia tải tiến hành liên tục đến mẫu thí nghiệm bị phá hủy hồn tồn Hình Sơ đồ kết hợp hệ thống siêu âm máy nén đơn trục Hệ thống siêu âm đại hãng Diagnostic Sonar xây dựng để lúc sử dụng tối đa 32 đầu đo đo sóng dọc hai sóng ngang đầu đo siêu âm Trong đó, sóng dọc có phương dao động trùng với phương truyền sóng (ký hiệu P), hai sóng ngang có phương dao động nằm mặt phẳng vng góc với vng góc với phương truyền sóng (ký hiệu SH SV) [2] Trong nghiên cứu này, sử dụng phương pháp đo trực tiếp với đầu đo siêu âm loại P143-01, có kích thước (10x10x7,5) mm hãng Physics Instruments Đầu đo có tần số hoạt động 150 KHz, cấu tạo gồm lớp (X,Y,Z), lúc đo sóng dọc sóng ngang (ký hiệu P SSH, SSV) (hình 2) Hình Sơ đồ cấu tạo đầu đo siêu âm P143-01 Các tín hiệu siêu âm đo liên tục từ bắt đầu thí nghiệm mẫu bị phá hủy Xử lý tín hiệu siêu âm bao gồm tính vận tốc, hệ số suy giảm sóng sau [2]: - Vận tốc sóng siêu âm: V  L / T (m/s) (1) Trong đó: V vận tốc sóng siêu âm truyền từ đầu phát đến đầu thu siêu âm, m/s; L khoảng cách giữ đầu đo siêu âm, m; T thời gian tín hiệu siêu âm truyền từ đầu phát đến đầu thu siêu âm, s - Hệ số suy giảm sóng siêu âm: ( f )  Ar ln( ) (dB/m) L A (2) Trong đó: α(f) hệ số suy giảm sóng siêu âm truyền qua vật liệu có chiều dài L, dB/m; A’ A biên độ phổ tín hiệu truyền qua vật liệu cần đo vật liệu dùng để đo đối chứng [1-2] 238 Bùi Trường Sơn, “Áp dụng kỹ thuật siêu âm … vật liệu bê tông máy nén đơn trục.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Tồn q trình tính tốn vận tốc hệ số suy giảm sóng cho sóng dọc sóng ngang q trình thí nghiệm tự động hóa phần mềm viết Matlab sở sử dụng phương pháp AIC (Akaike Information Criterion) [2, 5] Mẫu bê tông dùng thử nghiệm chế tạo theo tiêu chuẩn NF EN 196-1, thành phần bao gồm: cốt liệu thơ có kích thước từ 2-5mm; cốt liệu nhỏ theo tiêu chuẩn CEN196-1-ISO679 có kích thước từ 0.08-2mm; xi măng Porland CEM II/B-LL 32,5R nước Tỷ lệ trộn thành phần xác định sau: cốt liệu thô/cốt liệu mịn/xi măng 2/1/1 tỷ lệ nước/xi măng 0.40 Hình Hệ thống xây dựng hình ảnh chụp cắt lớp phương pháp siêu âm Các mẫu bê tơng chế tạo có kích thước (10x10x10) cm sau bảo dưỡng nước thời gian 28 ngày nhiệt độ (20±1)0C, sau 28 ngày mẫu đưa vào máy khoan để tạo mẫu hình trụ có đường kính 5cm, chiều cao 10cm Trước thí nghiệm tất mẫu làm nhẵn bề mặt để đảm bảo tiếp xúc tốt đầu đo bề mặt mẫu trình đo vận tốc hệ số suy giảm Trên mặt cắt cần đo, đặt 12 đầu đo siêu âm, có 10 đầu đo siêu âm đặt cách đều, đối diện cạnh bên mẫu, phía mẫu có đầu đo đặt đệm piton máy nén bề mặt mẫu (hình 3, 4) Hình Sơ đồ lắp đặt đầu đo siêu âm thí nghiệm 2.2 Thuật tốn xây dựng hình ảnh Hiện có nhiều phương pháp khác dùng để xây dựng hình ảnh chụp cắt lớp phương pháp giải tích, phương pháp đại số [1, 6, 7, 10, 11], sở phương pháp dựa vào việc dựng lại hình ảnh theo cơng thức (3) hình N p j   R ji fi ; (1  j  M ) (3) i 1 Trong công thức (3): P véc tơ chiếu ( p j ;1  j  M ); f đại lượng chiếu ( f i ;1  i  N ) ; R ma trận chiếu; M số tia chiếu; N số pixel Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san CBES2, 04 - 2018 239 Tốn học, Cơ học & Ứng dụng Hình Sơ đồ mô tả nguyên tắc thuật tốn xây dựng hình ảnh Trong báo cáo sử dụng phương pháp SART (Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique) để xây dựng hình ảnh trường vận tốc trường hệ số suy giảm sóng cho ba loại sóng siêu âm [1, 10] Thuật toán phương pháp SART viết cho xây dựng hình ảnh trường vận tốc trường hệ số suy giảm trình bày công thức (4, 5, 6, 7) - Trường hợp xây dựng hình ảnh trường vận tốc sóng siêu âm: fi  si  si  si 0 ,(i  1, 2, , N ) (4) N N N N Pj  T j  T j  T j 0   Rji si   Rji 0 si 0   R ji ( si  si 0 )   R ji si i 1 i 1 i 1 (5) i 1 Trong công thức (4) (5): Véc tơ đại lượng chiếu f vận tốc sóng dọc sóng ngang (hoặc giá trị nghịch đảo vận tốc ) pixel Véc tơ chiếu P thời gian truyền tín hiệu từ điểm phát đến điểm thu - Trường hợp xây dựng hình ảnh trường hệ số suy giảm sóng siêu âm: fi  i  i  iini (6) p j   ln( Aj / Aref )  ln( Aj / Aref )  ln( Aj 0 / Aref ),( j  1, 2, , M ) (7) Trong công thức (6) (7): Véc tơ đại lượng chiếu f trị số hệ số suy giảm pixel sóng dọc sóng ngang Véc tơ chiếu P tỷ lệ biên độ tín hiệu thu tín hiệu đo thời điểm ban đầu [2] (a) (b) (c) (d) Hình Hình ảnh kiểm tra thuật tốn xây dựng hình ảnh phương pháp xếp chồng trường vận tốc hệ số suy giảm cho sóng (1 sóng dọc sóng ngang) mẫu có khe nứt chế tạo trước Để kiểm tra thuật toán lập, thử nghiệm mẫu bê tơng có kích thước 7x14cm, mẫu tạo sẵn khe nứt (hình 6a) Trên mẫu lắp đặt 24 đầu đo siêu âm để chia 96 pixel 256 tia chiếu Kết xây dựng hình ảnh thuật tốn lập phương pháp SART cho trường vận tốc hệ số suy giảm cho sóng (1 sóng dọc sóng ngang) cho thấy vị trí khe nứt xác định phương pháp chụp cắt lớp trùng với vị trí khe nứt tạo trước mẫu thí nghiệm (hình 6b,c,d) 2.3 Kết nghiên cứu Trong hình từ (7) đến (13) trình bày kết hình ảnh chụp cắt lớp trường vận tốc 240 Bùi Trường Sơn, “Áp dụng kỹ thuật siêu âm … vật liệu bê tông máy nén đơn trục.” Nghiên cứu khoa học công nghệ trường hệ số suy giảm cho loại sóng mẫu bê tơng dùng để thí ngiệm Mỗi hình ảnh xây dựng sở 55 tia chiếu 96 pixel trình gia tải từ thời điểm ban đầu (σ=0) đến mẫu bị phá hủy hoàn toàn (σ=σmax) (a) (b) (c) (e) (f) (d) Hình Hình ảnh chụp cắt lớp vận tốc (m/s) hệ số suy giảm (dB/m) trạng thái ban đầu sóng dọc VP (a) (d), sóng ngang SSH (b) (e), sóng ngang SSV (c) (f) (σ/σmax=20%) (σ/σmax=60%) (σ/σmax=80%) (σ/σmax=100%) Hình Hình ảnh chụp cắt lớp trường vận tốc sóng dọc theo giá trị tải trọng (σ/σmax=80%) (σ/σmax=100%) (σ/σmax=20%) (σ/σmax=60%) Hình Hình ảnh chụp cắt lớp trường vận tốc sóng ngang SSH theo giá trị tải trọng (σ/σmax=20%) (σ/σmax=60%) (σ/σmax=80%) (σ/σmax=100%) Hình 10 Hình ảnh chụp cắt lớp trường vận tốc sóng ngang SSV theo giá trị tải trọng Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san CBES2, 04 - 2018 241 Toán học, Cơ học & Ứng dụng (σ/σmax=20%) (σ/σmax=60%) (σ/σmax=80%) (σ/σmax=100%) Hình 11 Hình ảnh chụp cắt lớp biến đổi hệ số suy giảm (dB/m) sóng dọc P theo giá trị tải trọng (σ/σmax=20%) (σ/σmax=60%) (σ/σmax=80%) (σ/σmax=100%) Hình 12 Hình ảnh chụp cắt lớp biến đổi hệ số suy giảm (dB/m) sóng ngang SSH theo giá trị tải trọng (σ/σmax=60%) (σ/σmax=20%) (σ/σmax=80%) (σ/σmax=100%) Hình 13 Hình ảnh chụp cắt lớp biến đổi hệ số suy giảm (dB/m) sóng ngang SSV theo giá trị tải trọng Hình 14 Hình ảnh phá hủy mẫu điển hình sau thí nghiệm Từ kết xây dựng hình ảnh chụp cắt lớp trường vận tốc hệ số suy giảm sóng siêu âm, nhận xét sau: - Ở trạng thái ban đầu, quan sát phần mẫu thí nghiệm nhận thấy đồng vận tốc hệ số suy giảm, nhiên, phần biên dọc mẫu xuất nhiều 242 Bùi Trường Sơn, “Áp dụng kỹ thuật siêu âm … vật liệu bê tông máy nén đơn trục.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ “bóng” (artefact) Ngun nhân tượng số lượng đầu đo siêu âm ít, dẫn tới giảm số lượng phép đo vùng biên mẫu - Trong trình tăng tải trọng trục, hình từ (7) đến (13) thể biến đổi tương đối thông số vận tốc (hoặc nghịch đảo vận tốc) so với giá trị ban đầu Trên hình (8) thấy vùng phá hủy phía trên, bên phải xuất từ ứng suất σ/σmax=20% Bắt đầu từ σ/σmax=20%, vùng phá hủy ngày thấy rõ mở rộng theo hướng xuống phía dưới, bên phải Giá trị tuyệt đối vận tốc (hoặc nghịch đảo vận tốc) giảm mạnh khoảng từ σ/σmax=20% đến σ/σmax=80% Sự suy giảm trở nên mạnh mẽ thời điểm mẫu bị phá hủy - Trên hình (9), (10) nhận thấy nhạy cảm sóng ngang so với sóng dọc, vùng phá hủy nhận thấy σ/σmax=60% Mặt khác, mở rộng vùng phá hủy khó nhận biết so với sóng dọc - Kết hình (11), (12), (13) cho thấy vùng phá hủy gia tăng tải trọng dễ dàng nhận biết từ σ/σmax= 20%, mức độ biến đổi hệ số suy giảm đồng cho loại sóng siêu âm KẾT LUẬN Trong báo cáo trình bày ứng dụng phương pháp siêu âm để nghiên cứu phá hủy bê tơng thơng qua việc xây dựng hình ảnh trường vận tốc trường hệ số suy giảm sóng siêu âm Kết nghiên cứu cho thấy tính hiệu phương pháp siêu âm việc nghiên cứu phá hủy vật liệu thực máy nén đơn trục Thuật toán SART (Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique) sử dụng để xây dựng hình ảnh trường vận tốc trường hệ số suy giảm, hướng phát triển vùng phá hủy hình ảnh trùng với hướng mặt phá hủy mẫu sau thí nghiệm Sử dụng sóng dọc để xây dựng hình ảnh trường vận tốc hợp lý so với hai sóng ngang, điều giải thích khó khăn mặt kỹ thuật thu nhận xử lý tín hiệu sóng ngang Tuy nhiên, hình ảnh chụp cắt lớp hệ số suy giảm cho ba loại sóng dường ổn định bị ảnh hưởng chất lượng tín hiệu Lời cảm ơn: Cơng trình thực với hỗ trợ kinh phí từ Đề tài cấp sở T16-09 Trường Đại học Mỏ - Địa chất Trường Bách khoa Orleans, Cộng hòa Pháp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] Atkinson C.H., and Soria J., “Algebraic Reconstruction Techniques for Tomographic Particle Image Velocimetry”, Department of Mechanical Engineering, Monash University, Victoria, 3800 Australia (2007) BUI Truong Son., “Caractérisation et modélisation de l’endommagement des géomatériaux par méthode ultrasonore”, Thèse de doctorat, Université d’Orleans (2014) Charalampidou E.M., Hall S.A., Stanchits S., Lewis H., Viggiani G., “Characterization of shear and compaction bands in a porous sandstone deformed under triaxial compression”, Tectonophysics Vol 503 (2011), pp 8-17 Chow T.M., Meglis I.L, Young R.P., “Progressive microcrack development in tests on Lac du Bonnet granite II Ultrasonic tomographic imaging”, Int J Rock Mech Min.Sci & Geomech Abstr Vol 32(8) (1995), pp 751-761 Chow T.M., Meglis I.L., Martin C.D., Young R.P., “Assessing in situ microcrack damage using ultrasonic velocity tomography”, International Journal of Rock Mechanics&Mining Sciences Vol 42 (2005), pp 25-34 Franỗoise P., Line G., Isabelle M., Introduction to 2D and 3D Tomographic Methods Based on Straight Line Propagation: X-ray, Emission and Ultrasonic Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san CBES2, 04 - 2018 243 Toán học, Cơ học & Ứng dụng Tomography”, Traitement du Signal Vol 13(4) (1996) - Supplément Gordon R., Bender R., Herman G.T., “Algebraic Reconstruction Technique for Three-dimensional Electron Microscopy and X-ray photography”, Journal of Theoretical Biology Vol 29 (1970), pp 471-476 [8] Hannachi M.T., “Étude du Comportement Mécanique des Joints Soudés lors du Soudage des Tubes par Induction Haute Fréquence (HF)”, Thèse de doctorat, Université Hadj Lakhdar de Batna (2011) [9] Lei X., Ziqiu X., “Ultrasonic velocity and attenuation during CO2 injection into water-saturated porous sandstone: Measurements using difference seismic tomography”, Physics of the Earth and Planetary Interiors Vol 176 (2009), pp 224234 [10] Lu W and Yin F., “Adaptive algebraic reconstruction technique”, Med Phys Vol 31 (2004), pp 3222-3230 [11] Nguyen D.T., “Développement d’algorithme de reconstruction tomographique pour l’analyse pixel d’échantillon biologique”, Thèse de doctorat, Université Bordeaux I (2008) [12] Scott and Younane A., “Acoustical Imaging and Mechanical Properties of Soft Rock and Marine Sediments”, Report Issued: PoroMechanics Institute The University of Oklahoma (2004) [7] ABSTRACT APPLICATION OF METHOD ULTRASONIC TOMOGRAPHY FOR STUDY DESTRUCTION OF BETON UNDER UNIAXIAL COMPRESSION In this paper, an application of the ultrasonic system to study the process of destruction materials through tomography images velocity and attenuation coefficient of ultrasound for both three waves (1 wave longitudinal and waves transverse) is presented An algorithm of reconstruction image SART (Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique) has used; The results showed images of the development with increased in the load This image coincides with the destruction of the geo-material has observed after experiment Keywords: Ultrasound; Image; Velocity; Coefficient of attenuation Nhận ngày 25 tháng 02 năm 2018 Hoàn thiện ngày 10 tháng năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 20 tháng năm 2018 Địa chỉ: 244 Khoa Khoa học Kỹ thuật Địa chất, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Email: buitruongson@humg.edu.vn Bùi Trường Sơn, “Áp dụng kỹ thuật siêu âm … vật liệu bê tông máy nén đơn trục.” ... Technique) để xây dựng hình ảnh trường vận tốc trường hệ số suy giảm sóng cho ba loại sóng siêu âm [1, 10] Thuật toán phương pháp SART viết cho xây dựng hình ảnh trường vận tốc trường hệ số suy giảm trình... đổi hệ số suy giảm đồng cho loại sóng siêu âm KẾT LUẬN Trong báo cáo trình bày ứng dụng phương pháp siêu âm để nghiên cứu phá hủy bê tông thông qua việc xây dựng hình ảnh trường vận tốc trường hệ. .. sử dụng để xây dựng hình ảnh trường vận tốc trường hệ số suy giảm, hướng phát triển vùng phá hủy hình ảnh trùng với hướng mặt phá hủy mẫu sau thí nghiệm Sử dụng sóng dọc để xây dựng hình ảnh trường