2. Nội dung và ý nghĩa đề tài
2.8 SỰ SUY GIẢM CỦA CHÙM TIA SIÊU ÂM
a> Nguyên nhân và kết quả :
Cường độ của chùm tia siêu âm được thu nhận bởi một biến tử thu sẽ nhỏ hơn rất nhiều so với cường độ của chùm tia phát ra ban đầu. Độ suy giảm là đại lượng được sử dụng để mơ tả tình trạng mất mát năng lượng này. Với sự suy giảm sĩng âm thì biên độ của các xung phản hồi từ bất kỳ phản xạ nào đều suy giảm tỷ lệ với khoảng cách của chúng. Độ suy giảm trên một đơn vị khoảng cách được gọi là hệ số suy giảm âm. Giả sử rằng khơng cĩ những bất liên tục lớn sinh ra những phản xạ đồng đều, thì các nguyên nhân gây ra sự suy giảm là do : quá trình tán xạ, hấp thụ, sự thơ nhám của bề mặt và nhiễu xạ….Những nguyên nhân này sẽ được trình bày
trong những phần sau. Phương trình chung mơ tả sự suy giảm là : P = P0 exp(-αd)
Trong đĩ : P0 – Âm áp ban đầu tại khoảng cách “d” = 0.
P – Âm áp cuối cùng tại khoảng cách “d” trong mơi trường.
α – Hệ số suy giảm được đo bằng neper hoặc dB mm-1 phụ thuộc vào
đơn vị của “d” (1 neper = 8,686dB).
Bảng 2.5 : khả năng phát hiện khuyết tật trong những vùng khác nhau của biểu đồ âm.
Vùng/Màu Khuyết tật cĩ thể phát hiện
Màu đỏ tươi Đây là vùng của vùng chết và khơng thể thực hiện kiểm tra
được
Màu đỏ thẫm Trong vùng này các bất liên tục cĩ thể được phát hiện nếu nĩ
tương ứng với phần tử phản hồi dạng đĩa cĩ đường kính nhỏ hơn 8mm
Màu đỏ nhạt Những khuyết tật tương ứng với phần tử phản hồi dạng đĩa
đường kính 4mm cĩ thể được phát hiện.
Màu cam Cĩ thể phát hiện được những khuyết tật tương ứng với phần tử
phản hồi dạng đĩa cĩ đường kính 2mm.
Màu cam nhạt Cĩ thể phát hiện được những khuyết tật tương ứng với phần tử phản hồi dạng đĩa cĩ đường kính 1mm
Màu vàng lục Cĩ thể phát hiện được khuyết tật tương ứng với phần tử phản hồi dạng đĩa cĩ đường kính 1mm. Giảm khả năng phát hiện các khuyết tật xảy ra là do sự phân kỳ và suy giảm chùm tia siêu âm.
Màu xanh nhạt Cĩ thể phát hiện được những khuyết tật tương ứng với phần tử phản hồi dạng đĩa cĩ đường kính 2mm
Màu xanh đậm Trong phần vùng nằm sát với đầu dị cĩ thể phát hiện được các khuyết tật tương ứng với với phần tử phản hồi dạng đĩa cĩ đường kính 4mm cịn nằm ngồi phần trên thì phát hiện được những khuyết tật tương ứng với phần tử phản hồi dạng đĩa cĩ đường kính 8mm .
b> Sự tán xạ của sĩng siêu âm :
Sự tán xạ của sĩng siêu âm trong vật liệu là do sựù khơng đồng nhất hồn tồn. Các chỗ khơng đồng nhất cĩ thể là bất cứ vật gì tạo thành các biên giới phân chia hai vật liệu cĩ âm trở khác nhau, chẳng hạn như các tạp chất, lỗ rỗng. Một vài vật liệu bản thân nĩ đã khơng đồng nhất, chẳng hạn như gang là một hợp kim sắt – cacbon cĩ cấu trúc graphit rất khác nhau về mật độ và độ đàn hồi. Mỗi hạt sau kết
tinh sẽ tạo ra quá trình tán xạ mạnh, cĩ thể so sánh với quá trình tán xạ trong vật
liệu chỉ cĩ một loại tinh thể nếu những tinh thể biểu thị các giá trị vận tốc khác nhau được đo dọc theo trục theo những hướng khác nhau. Vật liệu loại này gọi là bất
đẳng hướng. Nếu những hạt riêng lẻ cĩ hướng hỗn loạn thì quá trình tán xạ sẽ xảy
ra nếu vật liệu gồm nhiều loại tinh thể khác nhau hoặc khác nhau về pha. Đặc tính của những vật liệu này khơng chỉ làm giảm tín hiệu siêu âm trở về do tán xạ mà cịn thường sinh ra một số xung phản hồi nhỏ cĩ thể che khuất những chỉ thị cần phân tích đánh giá. Điều kiện để tán xạ khơng xảy ra thì kích thước của hạt phải nhỏ so với bước sĩng, thường kích thước của hạt phải nhỏ hơn 0,1 lần bước sĩng. Hệ số suy
giảm liên hệ với đường kính trung bình của hạt “φ” và tần số “f” theo biểu thức:
α = Kf4φ-3 (2.26)
Trong đĩ : K là hằng số đặc trưng cho loại vật liệu cụ thể. Quá trình tán xạ tăng nhanh khi kích thước hạt tăng lên hoặc giảm bước sĩng khi kích thước hạt khoảng 0,1 đến 1 lần bước sĩng.
c>Sự hấp thụ sĩng âm :
Hấp thụ sĩng âm là hệ quả của việc chuyển đổi một phần năng lượng âm thành nhiệt. Trong bất kỳ vật liệu nào khơng ở nhiệt độ khơng tuyệt đối, thì các hạt đều chuyển động hỗn loạn do vật liệu cĩ nhiệt lượng nhất định. Khi nhiệt độ tăng sẽ
làm cho chuyển động của các hạt tăng lên. Khi một sĩng siêu âm lan truyền trong vật liệu nĩ sẽ kích thích các hạt. Các hạt bị kích thích va chạm với các hạt khơng bị kích thích thì năng lượng được truyền sang làm cho chúng dao động nhanh hơn và vượt qua những quãng đường dài hơn. Chuyển động này vẫn tiếp tục duy trì sau khi sĩng âm đã đi qua, do vậy năng lượng của sĩng truyền qua đã chuyển thành nhiệt trong vật liệu. Sự hấp thụ lớn được xem như là một loại hiệu ứng hãm dao động của các hạt, để hiểu vì sao dao động mạnh mất năng lượng nhiều hơn dao động chậm. Sự hấp thụ thường tăng tỷ lệ với tần số ở mức thấp hơn nhiều so với tán xạ.
d> Sự suy giảm do quá trình tiếp xúc và sự thơ nhám của bề mặt :
Một nguyên nhân thứ ba gây suy giảm là mơi trường tiếp xúc (liên kết) (chất tiếp âm) và sự thơ nhám bề mặt. Khi một biến tử được áp vào một bề mặt rất trơn nhẵn của mẫu khi sử dụng chất tiếp âm (chất liên kết) thì biên độ tín hiệu từ mặt đáy thay đổi theo bề dày của chất tiếp âm (chất liệu liên kết).
Thực nghiệm cho thấy độ thơ nhám bề mặt cần phải nhỏ hơn 25μm.
Sự suy giảm truyền âm do độ thơ nhám bề mặt gây ra được thấy rõ khi sử dụng mẫu chuẩn. Một mẫu chuẩn được chế tạo từ một vật liệu tương đương về phương diện âm với mẫu kiểm tra. Thế nhưng, mẫu kiểm tra khơng thể lúc nào cũng cĩ bề mặt nhẵn như mẫu chuẩn. Sự khác biệt đĩ do sự suy giảm ở bề mặt tiếp xúc.
e> Sự khúc xạ :
Một đặc tính quan trọng của sĩng siêu âm là chúng cĩ khả năng hoặc xu hướng đi “bao quanh” và vượt qua vật cản cĩ kích thước cỡ bước sĩng của sĩng. Sự giao thoa hay khúc xạ này xảy ra nếu sĩng gặp những tạp chất hay rỗ khí nhỏ trong kim loại. Một phần năng lượng chạy uốn quanh khuyết tật và sự phản xạ rất nhỏ (hình 2.29a). Một khả năng khác của hiện tượng này là sự uốn quanh của sĩng siêu âm gần biên, mép của mẫu vật (hình 2.29b). Sự uốn quanh này cĩ thể làm lệch hướng đi của sĩng siêu âm khỏi nơi cần truyền đến và đến nới khác
Chùm tia siêu âm Chùm tia siêu âm
_____________________________________________________________________________________
Giáo viên hướng dẫn : TS. Thái Thị Thu Hà Thực hiện : Nguyễn Nhật Quang 48
Hình 2.29 : Sự khúc xạ của tia siêu âm.
(a) Đi vịng quanh khuyết tật; (b) Gần cạnh cĩ hình dạng bất thường.
f> Ảnh hưởng tồn bộ của sự suy giảm :
Thêm vào sự suy giảm năng lượng sĩng âm do các nguyên nhân trên cịn cĩ các nguyên nhân khác như suy giảm do tán xạ ở bề mặt thơ nhám của vật phản xạ và sự mở rộng của chùm tia. Khi đĩ sự suy giảm sẽ là tổng của tất cả các nguyên nhân trên vì chúng đều tác động đến sĩng âm truyền đến và phản xạ trở về từ các vùng quan tâm trong vật kiểm tra.
Sự suy giảm trong quá trình lan truyền âm trong vật liệu được trình bày ở hình 2.30.
Hình 2.30 : Sự suy giảm trong quá trình lan truyền
Biến thiên của âm áp theo khoảng cách gây ra do phân kỳ và độ suy giảm và mở rộng chùm tia được mơ tả trong hình 2.31.
Suy giảm do tán xạ
Tổn hao do truyền qua Tổn hao do phản xạ
Tổn hao do phản xạ
Tổn hao do sự mở rộng chùm tia
Sự suy giảm
Sự phân kỳ của chùm tia
Biên độ tương
đối
P/P
Hình 2.31 : Sự biến thiên của biên độ tín hiệu theo khoảng cách gây ra do phân kỳ và sự suy giảm tắt dần (biểu diễn tuyến tính).
Âm áp suy giảm do kết quả của sự suy giảm trong quá trình tán xạ và hấp thụ cĩ thể biểu diễn dưới dạng hàm mũ :
P = P0e-α.d (2.27)
Trong đĩ : P0 : Âm áp ban đầu tại d = 0.
P : âm áp tại khoảng cách d.
d : Quãng đừong tổng cộng của tia trong vật liệu. Lấy Logarit tự nhiên hai vế của phương trình này ta cĩ : P P ln d . = 0 α (2.28)
Đây là độ suy giảm riêng, tính theo logarit neper. Nhưng trong thực tế đo lường về điện, đơn vị Decibel được dùng phổ biến bằng cách lấy logarit cơ số 10 và nhân với 20. Do đĩ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = α P P log 20 d . 0 (dB) ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = α P P log d 20 0 (dB/mm hoặc dB/m) (2.29)
(phụ thuộc vào đơn vị của “d”)
Như đã nhấn mạnh trong phần trước, α được đo trong cả hai đơn vị nepers
trên mm hoặc dB trên mm. Đơn vị decibel tiện lợi hơn trong sử dụng. Thí dụ như độ suy giảm 20dB tương đương với giảm xuống cịn 1/10, 40dB tương đương với giảm cịn 1/100 và 60dB tương đương với giảm cịn 1/1000. Ngược lại tăng lên 20dB cĩ nghĩa là tăng gấp 10 lần. Ngồi ra với 1dB nghĩa là thay đổi xấp xỉ 10% và 0,1dB là thay đổi 1%. Nếu hệ số suy giảm của một vật liệu là 1dB/mm, cĩ nghĩa là qua lớp bề dày 1mm sĩng bị suy giảm xấp xỉ 10% và với lớp bề dày 20mm giảm xấp xỉ
tăng. Sự hấp thụ giảm khi giảm tần số. Khi hấp thụ và tán xạ xảy ra đồng thời thì cần phải lựa chọn tối ưu tần số kiểm tra. Với điều kiện kích thước nhỏ nhất tương đương của phần tử phản hồi cần ghi nhận phải lớn hơn đáng kể kích thước trung bình của hạt, một sự giảm tần số cĩ thể đưa đến khả năng phát hiện khuyết tật được cải thiện. Như một quy tắc chung, một khuyết tật chỉ cĩ thể được phát hiện nếu kích thước của nĩ lớn hơn hoặc bằng 1/5 bước sĩng trong vật liệu cĩ kích thước hạt mịn.
Hầu hết các sĩng dọc cĩ tần số đến 5MHz (đầu dị phát chùm tia thẳng và đầu dị phát chùm tia gĩc dọc) thì sự suy giảm âm trong hợp kim thấp, thép rèn, vật đúc hợp kim thấp của nhơm và magnesium, thép nickel…thường cĩ thể bỏ qua. Những vật liệu này được gọi là những vật liệu cĩ độ suy giảm thấp. Hệ số suy giảm của những vật liệu này dưới 10dB/m. Những vật liệu cĩ độ suy giảm trung bình bao gồm hợp kim cao và thép đúc, đồng biến tính, kẽm, đồng thau, đồng thiếc, chì, những kim loại cứng và những kim loại thiêu kết. Trong những vật liệu này, hệ số suy giảm cĩ thể đến 100dB/m. Những vật liệu cĩ hệ số suy giảm lớn hơn 100dB/m là những vật liệu cĩ sự suy giảm cao. Thuộc về loại này là những vật liệu như tất cả các loại nhựa tổng hợp, cao su, bêtơng, gốm, gỗ, cũng như thép đúc hợp kim cao, vật đúc hợp kim cao của nhơm và magnesium, đồng đúc, kẽm, đồng thau, đồng thiếc, gốm xốp và đá… Kiểm tra siêu âm những vật liệu này là rất khĩ khăn mặc dù trong thực tế đã cĩ một số ứng dụng được giải quyết thành cơng. Nếu việc kiểm tra cĩ thể thực hiện thì khi ấy cĩ sự suy giảm lớn năng lượng sĩng âm nên chỉ cĩ thể áp dụng trên các mẫu mỏng. Nếu kỹ thuật xung phản hồi khơng thực hiện được trong trường hợp này thì cĩ thể áp dụng kỹ thuật truyền qua.
Trên đây các thảo luận về sự suy giảm được đặt cho khả năng áp dụng sĩng dọc. Với sĩng ngang suy giảm thường lớn hơn rất nhiều, đặc biệt trong nhựa tổng hợp. Tương tự độ suy giảm tăng khi nhiệt độ trong mẫu kiểm tra tăng. Đối với thép, độ suy giảm cực đại xảy ra ở điểm chuyển pha từ lập phương tâm khối sang lập
phương tâm mặt (nhiệt độ khoảng 7210C)
g> Những nguyên lý đo độ suy giảm :
Đánh giá các kích thước khuyết tật trong kiểm tra siêu âm được thực hiện trên cơ sở sĩng âm phản xạ từ những khuyết tật này và các phản hồi của sĩng âm phản xạ này được biểu diễn màn ảnh CRT của máy hiện sĩng.
Do âm áp tỷ lệ với chiều cao H của xung phản hồi trên màn ảnh hiện sĩng CRT nên ta cĩ:
⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = α H H log 20 d
. 0 (dB/m) (nếu “d” được đo bằng m) (2.30)
Nhưng từ kiến thức về sự suy giảm, chúng ta biết rằng chiều cao xung phản hồi trên màn ảnh hiện sĩng khơng do hồn tồn từ khuyết tật mà gồm cả yếu tố suy giảm tổn thất trong nĩ. Bù lại sự tổn thất suy giảm cho đánh giá biên độ xung phản hồi chỉ cĩ thể biết được nếu biết được hệ số suy giảm của mẫu kiểm tra và mẫu chuẩn đánh giá. Để đo giá trị tuyệt đối của độ suy giảm là rất khĩ khăn bởi vì biên độ xung phản hồi khơng những phụ thuộc vào độ suy giảm mà chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nữa. Tuy nhiên, phép đo tương đối lại cĩ thể thực hiện dễ dàng trên mỗi vật thể kiểm tra. Đối với mục đích này thì hình dạng của vật thể kiểm tra, đầu dị sử dụng và chất tiếp xúc âm cần được giữ khơng đổi chỉ so sánh những biên độ của các xung phản hồi đáy. Khi một vật liệu tấm được khảo sát thì sự khác nhau
biên độ ΔH giữa xung phản hồi đáy lần một HB1 và xung phản hồi đáy lần thứ hai
HB2 là do sự suy giảm do sự mở rộng chùm tia và tán xạ với giả thiết là khơng cĩ sự
suy giảm ở bề mặt tiếp xúc, sự phân tích này được biểu diễn trên hình 2.32. Đường cong A do sự mở rộng chùm tia cịn B là do quá trình tán xạ và T là bề dày của mẫu.
Hình 2.32 : Sự suy giảm do sự mở rộng và sự tán xạ của chùm tia siêu âm.
Như vậy ΔH = HB1 – HB2 (2.31)
và ΔH = ΔHBS – ΔHS (2.32)
Hiệu biên độ ΔH giữa các xung phản hồi đáy nhiều lần cĩ thể đọc được từ
núm khuếch đại của thiết bị. Sự khác nhau về sự suy giảm do mở rộng chùm tia
ΔHBS cĩ thể xác định được từ giản đồ DGS. Như vậy, sự khác nhau về sự suy giảm
do tán xạ và hấp thụ được biểu diển như sau :
Độ mở rộng của chùm tia Độ mở rộng của chùm tia ΔHBS Tán xạ Tán xạ ΔHS ΔH (A) (B) Chi ều cao tín hiệu xung phả n hồi (d B )
ΔHS = ΔH – ΔHBS (2.33)
Nếu ΔHS được chia cho quãng đường lan truyền tổng cộng thì kết quả là hệ số suy
giảm. Như vậy :
T 2 H H T 2 HS = Δ −Δ BS Δ = α (dB/m) (2.34)
Khi khoảng cách T tối thiểu 3N - ba lần độ dài trường gần, thì định luật mở rộng chùm tia đối với vật phản xạ lớn cĩ thể được áp dụng. Biên độ tỷ lệ nghịch với khoảng cách, do đĩ nếu khoảng cách là gấp đơi thì biên độ phải cịn một nửa, tức là
giảm 6dB. Định luật này chỉ ra một cách đơn giản để đo hệ số suy giảm vì ΔHBS =
6dB và hệ số suy giảm α được tính như sau :
T 2 6 H − Δ = α (dB/m) (2.35) Với T ≥ 3N. Một ví dụ minh họa:
Chiều dày của tấm vật liệu : 30mm
Tần số đầu dị : 4MHz