Xây dựng bài thí nghiệm vật lý khảo sát tốc độ truyền âm trong chất rắn sử dụng phương pháp siêu âm xung dội

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC HỒNG HỒNG LINH XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM VẬT LÝ KHẢO SÁT TỐC ĐỘ TRUYỀN ÂM TRONG CHẤT RẮN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM XUNG DỘI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ HÀ NỘI - 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM VẬT LÝ KHẢO SÁT TỐC ĐỘ TRUYỀN ÂM TRONG CHẤT RẮN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM XUNG DỘI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học: ThS Lương Thị Minh Thúy Sinh viên thực hiện: Hoàng Hồng Linh HÀ NỘI – 2020 LỜI CẢM ƠN Khóa luận thực Bộ môn Vật lý Vô tuyến, Khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, hướng dẫn trực tiếp ThS Lương Thị Minh Thúy Sau thời gian dài tìm hiểu, học tập làm việc cách nghiêm túc, em hoàn thành khóa luận tốt nghiệp Em xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến cô giáo ThS Lương Thị Minh Thúy người tận tình hướng dẫn cho em lời khun bổ ích việc hồn thành khóa luận Tiếp theo em xin cảm ơn thầy cô Bộ môn Vật lý Vô tuyến, Khoa Vật lý, Đại học Khoa học Tự nhiên thầy cô trường Đại học Giáo Dục tạo điều kiện tốt giúp em hồn thành khóa luận Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè giúp đỡ em suốt trình học tập nghiên cứu Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 05 tháng 05 năm 2020 Sinh viên Hoàng Hồng Linh DANH MỤC BẢNG Tên bảng Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật thiết bị AND3213EX Bảng 3.1 Kết đo truyền thẳng mẫu vật rắn với tần số trung tâm khác Bảng 3.2 Kết đo truyền chéo mẫu vật rắn với tần số trung tâm khác Trang 17-18-19 34 - 35 37 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình ảnh Trang Hình 1.1 Dải tần số tương ứng sóng siêu âm Hình 1.2 Sóng dọc Hình 1.3 Sóng ngang Hình 1.4 Đồ thị biểu diễn phương trình truyền sóng Hình 1.5 Đồ thị sóng phụ thuộc vào thời gian Hình 2.1 Biến tử siêu âm 11 Hình 2.2 Phương pháp xung dội 14 Hình 2.3 Thiết bị đo siêu âm AND 3213EX 17 Hình 2.4 Các biến tử siêu âm dùng đo truyền thẳng với tần 20 số trung tâm 1MHz, 2MHz, 5MHz, 10MHz Hình 2.5 Các biến tử siêu âm dùng đo truyền chéo có tần 20 số trung tâm 5MHz với góc đo 70o biến tử có tần số trung tâm 2MHz với góc đo 45o Hình 2.6 Mẫu vật rắn thép đồng 21 Hình 2.7 Dầu nhớt Shell ADVANCE 22 Hình 2.8 Thước kẹp 23 Hình 3.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 24 Hình 3.2 Lắp đặt thí nghiệm đo truyền thẳng 25 Hình 3.3 Lắp đặt thí nghiệm đo truyền chéo 25 Hình 3.4 Cách dùng thước kẹp đo độ dày vật mẫu 26 Hình 3.5 Cách dùng thước kẹp đo bán kính vật mẫu 26 Hình 3.6 Mục Calieratinon mode hình thiết bị AND3213EX 27 Hình 3.7 Mục point hình thiết bị AND3213EX 27 Hình 3.8 Cài đặt vận tốc hình thiết bị AND3213EX 28 Hình 3.9 Cài đặt góc đo hình thiết bị AND3213EX 29 Hình 3.10 Cài đặt độ dày hình thiết bị AND3213EX 30 Hình 3.11 Mục Gate mode hình thiết bị AND3213EX 30 Hình 3.12 Cài đặt gate hình thiết bị AND3213EX 31 Hình 3.13 Mục Gate value hình thiết bị AND3213EX 31 Hình 3.14 Mục Gate peak hình thiết bị AND3213EX 32 Hình 3.15 Đồ thị thị hình thiết bị AND3213EX 32 Hình 3.16 Giá trị vận tốc thu 33 Hình 3.17 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc tốc độ truyền âm 35 mẫu thép vào tần số đo truyền thẳng Hình 3.18 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc tốc độ truyền âm 36 mẫu đồng vào tần số đo truyền thẳng Hình 3.19 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc tốc độ truyền âm mẫu thép vào tần số đo truyền chéo 38 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Cấu trúc khóa luận CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT SÓNG SIÊU ÂM 1.1 Phương pháp kiểm tra không phá hủy 1.2 Sóng siêu âm gì? 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Phân loại sóng siêu âm 1.2.3 Phương trình truyền sóng 1.2.4 Các đặc trưng sóng siêu âm 1.2.5 Ứng dụng CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 11 2.1 Biến tử siêu âm 11 2.2 Phương pháp xung dội 14 2.3 Vai trò chất tiếp âm 16 2.4 Thiết bị siêu âm kiểm tra không phá hủy AND3213EX hệ biến tử siêu âm 17 2.5 Các dụng cụ sử dụng thí nghiệm 19 CHƯƠNG III: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 24 3.1 Bố trí thí nghiệm 24 3.2 Các bước thực 24 3.2 Kết thực nghiệm 34 3.2.1 Đo truyền thẳng 34 3.2.2 Đo truyền chéo 36 3.3 Kết luận 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hiện giới nước, phương pháp kiểm tra không phá hủy (NDT) đóng vai trị quan trọng việc kiểm tra chất lượng sản phẩm Nó ứng dụng rộng rãi ngành như: cơng nghiệp, khí, xây dựng, tàu thủy,…Phương pháp dùng để phát vị trí khuyết tật nằm bên bên ngồi vật mẫu Có nhiều phương pháp kiểm tra khơng phá hủy kể đến như: kiểm tra thị giác quang học (visual test), kiểm tra chất lỏng thẩm thấu hay màu (penetrant), kiểm tra bột từ (magnetic particle test), phương pháp siêu âm (Ultrasonic test – UT)… Ngồi có nhóm phương pháp đặc biệt phương pháp chụp nơ tron, kỹ thuật vi sóng, xạ âm… Trong phương pháp siêu âm (UT) có nhiều ưu việt phổ biến Phương pháp có ưu điểm phát khuyết tật nhỏ, cho phép kiểm tra chi tiết dày, đồng thời có độ xác cao việc xác định vị trí kích thước khuyết tật, chiều dày vật liệu cần tiếp xúc từ phía vật liệu Trong chương trình vật lý bậc Trung học Phổ thông, em học sinh làm quen với phần kiến thức sóng sóng âm Chương II, sách giáo khoa Vật lý lớp 12 Nhưng dừng lại việc tìm hiểu lý thuyết làm số tập đơn giản, chưa tìm hiểu sâu ứng dụng sóng học nói chung sóng âm nói riêng đời sống Do phương pháp siêu âm (UT) có liên quan mật thiết với kiến thức sóng học mà bạn học sinh làm quen bậc THPT Vì thế, tơi chọn đề Bước 2: Dùng thước kẹp để đo độ dày l mẫu vật rắn Hình 3.4 Cách dùng thước kẹp đo độ dày vật mẫu Hình 3.5 Cách dùng thước kẹp đo bán kính vật mẫu Bước 3: Cài đặt thiết bị AND3213EX: - Nhấn nút Menu, vào mục Calieratinon mode (Hình 3.3): 26 Hình 3.6 Mục Calieratinon mode hình thiết bị AND3213EX + Chọn mục Point: Hình 3.7 Mục point hình thiết bị AND3213EX Sau cài đặt: 27 + Vận tốc (Velocity): Hình 3.8 Cài đặt vận tốc hình thiết bị AND3213EX Đối với mẫu thép, đo truyền thẳng ta cài đặt vận tốc từ khoảng 5800 – 5900 (m/s) đo truyền chéo ta cài đặt vận tốc từ khoảng 3100 – 3200 (m/s) Đối với mẫu đồng đo truyền thẳng ta cài đặt vận tốc khoảng từ 4200 – 4300 (m/s) 28 + Góc (Angle): Đối với đo truyền thẳng ta để góc đo o, đo truyền chéo ta cài đặt góc đo phù hợp với góc đo biến tử Hình 3.9 Cài đặt góc đo hình thiết bị AND3213EX + Độ dày (Thickeness): Nhập giá trị độ dày phù hợp với độ dạy mẫu vật ta đo 29 Hình 3.10 Cài đặt độ dày hình thiết bị AND3213EX - Nhấn nút Menu, vào mục Gate mode Hình 3.11 Mục Gate mode hình thiết bị AND3213EX 30 + Chọn mode Gate chọn End để kết thúc Hình 3.12 Cài đặt gate hình thiết bị AND3213EX - Nhấn nút Menu, vào mục Gate value: Hình 3.13 Mục Gate value hình thiết bị AND3213EX 31 + Chọn Gate peak Hình 3.14 Mục Gate peak hình thiết bị AND3213EX - Quay trở lại chọn Menu, hình hiển thị đồ thị Hình 3.15 Đồ thị thị hình thiết bị AND3213EX 32 Bước 4: Điều chỉnh tín hiệu: - Điều chỉnh độ khuếch đại dB cho peak tín hiệu thu khơng vượt phạm vi quan sát hình (Hình 3.13) - Di chuyển Gate vào vị trí peak phản hồi thứ thứ hai (Hình 3.13) Bước 5: Nhấn nút số liên tiếp hai lần thấy xuất giá trị Velocity, giá trị vận tốc truyền âm mẫu chất rắn Để có kết xác, ta điều chỉnh nút tăng giảm cho độ dày thị thiết bị độ dày mẫu vật rắn ta đo ban đầu Hình 3.16 Giá trị vận tốc thu - Thực đo tương tự với biến tử siêu âm có tần số trung tâm khác 33 3.2 Kết thực nghiệm 3.2.1 Đo truyền thẳng Áp dụng đo truyền thẳng với 04 mẫu thép: ϕ 70 SCM 420 , ϕ 75 X40H, ϕ 90 SCR 420, ϕ 100 S45 01 mẫu đồng: ϕ 50 đồng thau với biến tử có tần số trung tâm khác Thực đo 05 lần với mẫu vật rắn kết xác Ta thu kết sau: Tần số (MHz) Mẫu vật rắn ϕ 70 SCM 420 Vận tốc (m/s) MHz 2MHz 5MHz 10MHz 5916 ± 5916 ± 5917 ± 5916 ± 5918 ± 5919 ± 5919 ± 5920 ± 5917 ± 5918 ± 5920 ± 5921 ± 5920 ± 5921 ± 5921 ± 5922 ± l = 49,3 mm ϕ 75 X40H l = 41,2 mm ϕ 90 SCR 420 l = 50,7 mm ϕ 100 S45 l = 54,7 mm 34 Φ 50 đồng thau 4297 ± 4298 ± _ _ l = 98,1 mm Bảng 3.1 Kết đo truyền thẳng mẫu vật rắn với tần số khác Từ bảng 3.1 ta có đồ thị: Hình 3.17 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc tốc độ truyền âm mẫu thép vào tần số đo truyền thẳng Đối với mẫu thép: ϕ 70 SCM 420 , ϕ 75 X40H, ϕ 90 SCR 420, ϕ 100 S45, thực lần đo với biến tử có tần số trung tâm 1MHz, 2MHz, 5MHz, 35 10MHz Kết cho thấy giá trị vận tốc thu xấp xỉ phạm vi từ 5916 m/s ÷ 5922 m/s Hình 3.18 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc tốc độ truyền âm mẫu đồng vào tần số đo truyền thẳng Đối với mẫu ϕ 50 đồng thau, thực lần đo với biến tử có tần số trung tâm 2MHz, 1MHz Kết cho thấy giá trị vận tốc thu xấp xỉ phạm vi từ 4297 m/s ÷ 4298 m/s 3.2.2 Đo truyền chéo Áp dụng đo truyền chéo với 04 mẫu thép: ϕ 70 SCM 420 , ϕ 75 X40H, ϕ 90 SCR 420, ϕ 100 S45 với biến tử có tần số trung tâm góc đo khác nhau: 36 Thực đo 05 lần với mẫu vật rắn kết xác Ta thu kết sau: Tần số (MHz) Mẫu vật rắn Vận tốc (m/s) 2MHz (góc đo 45o) 5MHz (góc đo 70o) 3218 ± 3217 ± 3220 ± 3219 ± 3221 ± 3220 ± 3222 ± 3223 ± ϕ 70 SCM 420 l = 49,3 mm ϕ 75 X40H l = 41,2 mm ϕ 90 SCR 420 l = 50,7 mm ϕ 100 S45 l = 54,7 mm Bảng 3.2 Kết đo truyền chéo mẫu vật rắn với tần số trung tâm khác Từ bảng 3.2 ta có đồ thị: 37 Hình 3.19 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc tốc độ truyền âm mẫu thép vào tần số đo truyền chéo Đối với mẫu thép: ϕ 70 SCM 420 , ϕ 75 X40H, ϕ 90 SCR 420, ϕ 100 S45; thực lần đo với biến tử có tần số trung tâm 5MHz với góc đo 70o biến tử có tần số trung tâm 2MHz với góc đo 45o Kết cho thấy giá trị vận tốc thu xấp xỉ phạm vi từ 3218 m/s ÷ 3223 m/s, xấp xỉ 2/3 giá trị vận tốc đo trường hợp đo truyền thẳng 38 3.3 Kết luận Đối với mẫu thép: ϕ 70 SCM 420 , ϕ 75 X40H, ϕ 90 SCR 420, ϕ 100 S45, thực lần đo truyền thẳng đo truyền chéo với biến tử có tần số trung tâm 1MHz, 2MHz, 5MHz, 10MHz Kết cho thấy giá trị vận tốc thu xấp xỉ Đối với mẫu ϕ 50 đồng thau, thực lần đo với biến tử có tần số trung tâm 2MHz, 1MHz Kết cho thấy giá trị vận tốc thu xấp xỉ Các kết phù hợp với kết số nghiên cứu trước đây, đồng thời cho thấy vận tốc sóng siêu âm không phụ thuộc vào tần số Đồng thời kết phù hợp với lý thuyết sóng học lớp 12 Các thao tác thực thí nghiệm đơn giản, dễ dàng, phù hợp áp dụng cho bạn học sinh bậc THPT 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO Siêu âm nguyên lý ứng dụng, Nguyễn Viết Kính – Nguyễn Đăng Lâm, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà nội Freitas, V.L.d.A, et al., Nondestructive characterization of microstructures and determination of elastic properties in plain carbon steel using ultrasonic measurements Materials Science and Engineering: A, 2010 527(16-17): p 44314437 Yan, C., et al., Utrasonic shear wave testing of pressurized comperments at high temperature Journal of Pressure Equipment and Systems, 2005 3: p 54-57 http://cityzoo.vn/song-sieu-am.html https://vi.wikipedia.org/wiki/Si%C3%AAu_%C3%A2m Vật lý 12 nâng cao, Bộ Giáo dục Đào tạo, Nhà xuất Giáo dục Việt Nam, 2010 40 ... TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIÁO DỤC XÂY DỰNG BÀI THÍ NGHIỆM VẬT LÝ KHẢO SÁT TỐC ĐỘ TRUYỀN ÂM TRONG CHẤT RẮN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM XUNG DỘI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH SƯ PHẠM VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa... ? ?Xây dựng thí nghiệm Vật lý khảo sát tốc độ truyền âm chất rắn sử dụng phương pháp siêu âm xung dội? ?? thực số mẫu chất rắn Cấu trúc khóa luận Khóa luận gồm 03 chương: - Chương I: Tổng quan lý thuyết... khác như: phương pháp xung dội, phương pháp truyền qua, phương pháp sử dụng hai biến tử thu phát siêu âm, phương pháp cộng hưởng Phương pháp sử dụng rộng rãi để đánh giá độ toàn vẹn sản phẩm,