2. Nội dung và ý nghĩa đề tài
2.7 NHỮNG ĐẶC TÍNH CỦA CHÙM TIA SIÊU ÂM
a> Chùm tia siêu âm
Vùng mà sĩng siêu âm lan truyền từ một biến tử siêu âm được gọi là chùm tia siêu âm. Nhằm mục đích kiểm tra vật liệu bằng siêu âm, dạng chùm tia siêu âm của một biến tử hình đĩa trịn được đơn giản hĩa tối đa giống như mơ tả ở hình 2.24. Chùm tia cĩ hai vùng khác biệt và được phân thành vùng trường gần và vùng trường xa.
Trục âm Giới hạn 10%
Thanh phát từ giảo Nút kẹp
Hình 2.24 – Một dạng của chùm tia siêu âm điển hình từ một biến tử hình đĩa trịn.
Cường độ biến thiên dọc theo khoảng cách trục đối với một biến tử thực tế được biểu diễn trong hình 2.25 cho thấy cường độ thay đổi qua một số cực đại và cực tiểu. Cực tiểu sau cùng xuất hiện ở N/2 cịn cực đại cuối cùng xuất hiện tại N, trong đĩ N được ký hiệu là chiều dài của trường gần. Sau độ dài một trường gần N, cường độ giảm liên tục. Từ sau khoảng cách gần bằng ba lần độ dài trường gần thì âm áp tại tâm trục của chùm tia siêu âm giảm theo tỷ lệ nghịch với khoảng cách và chùm tia siêu âm sẽ phân kỳ theo một gĩc khơng đổi. Vùng này được gọi là vùng trường xa hoặc trường Fraunhofer. Vùng từ 1N đến khoảng 3N được xem là vùng chuyển tiếp là vùng mà gĩc phân kỳ vẫn cịn thay đổi khơng là hằng số và âm áp giảm chưa tỷ lệ ngịch với khoảng cách.
Hình 2.25 – Sự phân bố của cường độ dọc theo trục khoảng cách.
Hình 2.26 biểu diễn phân bố cường độ âm phát ra từ một biến tử dạng đĩa trịn. Biểu đồ này cĩ thể vẽ trong thực hành khi sử dụng các phản xạ từ một quả cầu nhỏ trong nước hoặc từ một lỗ khoan một phía đáy bằng. Quả cầu hoặc các lỗ được rọi quét kiểm tra ở một khoảng cách. Xung phản hồi cực đại biểu diễn vị trí trục trung tâm của chùm tia siêu âm. Sau đĩ phần tử phản xạ được dịch chuyển vuơng gĩc với trục và đánh dấu các vị trí khi biên độ xung phản hồi giảm cịn 50% và 10% so với biên độ cực đại. Các điểm này chắc chắn sẽ hiện diện ở cả hai phía của trục chùm tia trung tâm. Biểu đồ này được minh họa trong hình 2.26 (xem phần 2.7.1.3).
Hình 2.26 – Biểu đồ biểu diễn phân bố cường độ chùm tia siêu âm .
Các đại lượng mơ tả hình dạng của trường âm một cách gần đúng tiện dụng trong
thực tế là độ dài vùng trường gần N và gĩc phân kỳ γ (gamma). Hai giá trị này là
một hàm số của đường kính tinh thể “D”, tần số “f” và vận tốc sĩng âm “v” trong mơi trường mà chùm siêu âm phát ra. Một số cơng thức thường áp dụng cho tính tốn các đại lượng này sẽ được trình bày ở các phần sau.
Tĩm tắt các kết quả liên quan đến trường sĩng âm như sau :
(i) Đặc trưng của trường âm được xác định bởi tỷ số các kích thước của tinh thể và bước sĩng. Giá trị tỉ số lớn chứng tỏ chùm tia siêu âm tập trung, đi được xa và cĩ chiều dài trường gần lớn.
(ii) Cường độ của âm áp tại một khoảng cách cho trước được xác định bằng tỷ số giữa diện tích bề mặt và bước sĩng.
(iii) Ở khoảng cách thích hợp, trường âm tuân theo luật âm áp giảm tỉ lệ nghịch với khoảng cách.
b> Trường gần :
Một biến tử áp điện được xem như tập hợp của các nguồn âm dạng điểm, mỗi điểm đĩ sẽ phát sĩng siêu âm cầu vào mơi trường xung quanh (hình 2.27). Các sĩng cầu này giao thoa với nhau và tạo thành một chuỗi các cực đại và cực tiểu về cường độ trong vùng gần biến tử. Vùng này gọi là vùng trường gần hoặc vùng Freznel. Trường gần của một chùm tia siêu âm cĩ độ rộng gần bằng đường kính của tinh thể biến tử. Tuy nhiên, nĩ bị giảm dần đến cuối trường gần, nơi đĩ được gọi là điểm hội tụ.
Hình 2.27 – Hình dạng của mặt sĩng trong trường gần.
Những khuyết tật nằm ở vùng trường gần cần phải được giải đốn một cách cẩn thận vì rằng một khuyết tật xuất hiện ở vùng này cĩ thể gây ra nhiều chỉ thị xung và biên độ của xung phản xạ từ khuyết tật biến thiên rất đáng kể nếu khoảng cách hiệu dụng đến đầu dị thay đổi. Điều này đặc biệt đúng trong trường hợp các khuyết tật nhỏ hơn kích thước tinh thể. Các vấn đề phức tạp của trường gần cĩ thể giảm bớt hoặc khắc phục hồn tồn bằng cách sử dụng các nêm thủy tinh hữu cơ ở phía trước tinh thể phát sĩng siêu âm.
c> Tính tốn chiều dài của trường gần :
Chiều dài N của trường gần phụ thuộc vào đuờng kính của biến tử và bước sĩng của sĩng siêu âm trong mơi trường. Trường gần của một đầu dị tăng cùng với sự tăng đường kính của nĩ và tần số siêu âm, được tính gần đúng từ cơng thức sau: V 4 f D 4 D N 2 2 = λ = (2.24)
Trong đĩ : N – Chiều dài của trường gần. D – Đường kính của biến tử.
V – Vận tốc sĩng âm trong vật liệu. f – Tần số.
d> Trường xa :
Vùng ở ngồi trường gần gọi là trường xa. Mặt sĩng của sĩng siêu âm trong vùng trường xa ở khoảng cách bằng ba lần chiều dài trường gần tính từ biến tử là mặt cầu so với mặt sĩng trong trường gần là mặt phẳng. Vùng ở trường xa nằm giữa một lần và ba lần chiều dài trường gần gọi là vùng chuyển tiếp vì rằng cĩ sự chuyển tiếp, về hình dạng mặt sĩng chuyển từ phẳng sang cầu ở trong vùng này.
Cường độ trong vùng trường xa, dọc theo trục khoảng cách tính từ biến tử, ngồi ba lần chiều dài trường gần, giảm theo quy luật tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách (hình 2.24). Cường độ trong vùng chuyển tiếp của trường xa biến thiên theo hàm mũ (lũy thừa) theo khoảng cách với số mũ cĩ giá trị giữa 1 và 2.
Cường độ phản xạ của sĩng siêu âm từ khuyết tật nằm trong vùng trường xa phụ thuộc vào kích thước của khuyết tật so với kích thước chùm tia. Nếu khuyết tật lớn hơn chùm tia thì cường độ phản xạ tuân theo quy luật tỷ lệ nghịch, tức là :
1
Ngược lại nếu kích thước của khuyết tật nhỏ hơn kích thước chùm tia thì cường độ phản xạ biến thiên tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách nghĩa là : 1
e> Độ phân kỳ của trường hoặc độ mở rộng của chùm tia :
Khi sĩng truyền đi từ biến tử, trong vùng trường xa bao giờ cũng cĩ một độ mở rộng nào đĩ (độ loe ra) của chùm tia siêu âm. Độ mở rộng của chùm tia giúp cho ta cĩ lựa chọn thích hợp tần số và kích thước của biến tử. Bước sĩng siêu âm và đường kính của biến tử thường cĩ ý nghĩa quan trọng trong việc xác định kích thước và vị trí khuyết tật. Cường độ của chùm tia là cực đại ở trục chùm và giảm dần theo
khoảng cách từ biến tử. Gĩc mở của chùm tia hay gĩc phân kỳ là : θ/2 (hình 2.22) cĩ
thể được tính từ phương trình sau :
⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ λ = θ − − Df v K Sin D K Sin 2 / 1 n 1 n n (2.25)
Trong đĩ λ là bước sĩng của sĩng siêu âm. D là đường kính biến tử trịn và Kn
là một hằng số phụ thuộc vào :
(i) Biên dạng của chùm tia đang xem xét. Thơng thường giá trị của Kn được xác
định ứng với sự giảm của cường độ chùm tia cịn 50% (6dB), 10% (20dB) và
0% (biên ngồi cùng) của biên độ cực đại. Chỉ số “n” ở θn và Kn chỉ biên tương
ứng: thí dụ θ6 là gĩc phân kỳ ứng với biên 6dB và θ20 là gĩc phân kỳ ứng với
biên 20dB.
(ii) Phương pháp dùng để xác định độ mở chùm tia. Trong phương pháp thứ nhất
người ta sử dụng kỹ thuật truyền qua. Sử dụng một đầu dị cĩ đường kính rất nhỏ dịch chuyển ở mặt đáy của một số mẫu mặt phẳng – song song cĩ bề dày khác nhau và ghi lại các biên độ xung hiển thị trên màn hình ống tia điện tử CRT. Độ mở của chùm tia sau đĩ được vẽ bằng cách nối liền các điểm cĩ cùng
Khoảng cách Cường độ phản xạ α
(Khoảng cách)2
biên độ hiển thị. Hình vẽ chùm tia siêu âm thu được như trên được gọi là “Trường tự do”.
Trong phương pháp thứ hai độ mở của chùm tia được đo bằng cách sử dụng kỹ thuật xung phản hồi. Trong phương pháp này các vị trí phản xạ nhỏ cĩ kích thước như nhau ở các độ sâu khác nhau được dùng để vẽ chùm tia. Biểu đồ của chùm tia thu được bằng cách này được gọi là “Trường phản hồi”.
(iii) Hình dạng của biến tử là trịn hay chữ nhật.
Các giá trị của Kn đối với biến tử trịn và chữ nhật thu được bằng phương pháp thứ nhất được trình bày trong bảng 2.3 cịn bảng 2.4 cho các giá trị khác của Kn xác định bằng phương pháp thứ hai cho cả biến tử trịn và chữ nhật.
Bảng 2.3 : Các giá trị của K đối với biến tử trịn và chữ nhật xác định bằng kỹ thuật truyền qua.
Biên Kn Kn
% (dB) (Biến tử hình trịn) (Biến tử hình chữ nhật)
0% 1,22 1,00
10% (20dB) 1,08 0,60
50% (6dB) 0,54 0,91
Bảng 2.4 : Các giá trị của K đối với biến tử trịn và chữ nhật xác định bằng kỹ thuật xung phản hồi.
Biên Kn Kn
% (dB) (Biến tử hình trịn) (Biến tử hình chữ nhật)
0% 1,22 1,00
10% (20dB) 0,87 0,74
50% (6dB) 0,51 0,44
f> Ảnh hưởng của vận tốc âm và kích thước biến tử:
Chiều dài của vùng trường gần của một trường siêu âm cho bởi D2/4λ hoặc
D2f/4v. Giá trị lớn hơn của hệ số này cho cùng loại vật liệu và tần số sẽ tạo ra chùm
tia siêu âm tập trung, đi được xa và cĩ độ dài trường gần lớn hơn. Đường kính biến tử lớn cho cơng suất phát năng lượng âm lớn. Điều này cho chiều dài trường gần càng lớn nên độ sâu kiểm tra vật kiểm tra liệu càng lớn. Ví dụ: Nếu chúng ta kiểm tra thép bằng đầu dị 4MHz, đường kính đầu dị 1cm thì chiều dài trường gần khoảng 17mm cịn nếu đường kính đầu dị 5cm thì chiều dài trường gần sẽ là
tử là 1cm thì giống như trên chiều dài trường gần sẽ là 17mm. Nhưng nếu sử dụng đầu dị này để kiểm tra thủy tinh hữu cơ thì chiều dài trường gần là khoảng 36mm. Sự khác nhau này là vì thép và thủy tinh hữu cơ cĩ vận tốc âm khác nhau.
Tiếp theo chúng ta hãy xét ảnh hưởng của vận tốc âm và kích thước của biến tử lên độ phân kỳ của chùm tia siêu âm. Phương trình 2.25 đưa ra gĩc phân kỳ của
chùm tia siêu âm θ/2 = Sin-1(Kλ/D) hoặc Sin-1(Kv/Df) chứng tỏ rằng kích thước biến
tử cĩ ảnh hưởng rõ ràng tới chùm tia siêu âm ở một tần số cho trước. Biến tử cĩ kích nhỏ sẽ cho gĩc mở của chùm tia siêu âm lớn hơn so với biến tử cĩ kích thước lớn, như mơ tả trong hình 2.28.
Hình 2.28 – Hình dạng của mặt sĩng trong trường gần.
Thay đổi tần số dao động của biến tử cũng sẽ làm thay đổi độ mở của chùm tia siêu âm. Độ mở của chùm tia tỷ lệ nghịch với tần số. Như vậy, biến tử cĩ tần số cao thì độ mở chùm tia sẽ nhỏ hơn (khơng thay đổi nhiều) so với biến tử cĩ tần số thấp.
Ví dụ : Khi kiểm tra thép với biến tử 5MHz cĩ đường kính 25mm thì độ mở của chùm tia (gĩc phân kỳ) sẽ như thế nào ?
Giải :
γ = Sin-1(Kλ/D) = Sin-1(1,22λ/D)
với λ = v/f = 5940×1000 / 5×1000000 = 1,18mm
nên γ = Sin-1(1,22×1,18/25) = Sin-1(0,0575) = 30
Ví dụ : Khi kiểm tra mẫu nhơm với biến tử 2,25MHz cĩ đường kính 25,4mm thì độ mở rộng của chùm tia (gĩc phần kỳ) sẽ như thế nào ?
Biến tử cĩ đường
kính nhỏ Mơi trường
Biến tử cĩ
đường kính lớn Mơi trường
Giải :
Cĩ λ = v/f = 6320×1000/2,25×1000000 = 2,8mm
Nên γ = Sin-1(1,22λ/D) = Sin-1(1,22×2,8/25,4)
= Sin-1(0,1344) = 80.