2. Nội dung và ý nghĩa đề tài
2.6.3 Biến tử tinh thể áp điện
Một vài loại vật liệu đơn tinh thể mà hiện tượng áp điện xuất hiện một cách tự nhiên là thạch anh, tourmaline, sunfate lithium, sunfit cadmi, và oxit kẽm. Trong số đĩ thạch anh và sunfat lithium được dùng phổ biến để chế tạo biến tử siêu âm.
(a) Thạch anh :
Các tinh thể thạch anh tự nhiên hay loại nuơi nhân tạo đều cĩ một dạng định hình được biểu diễn bởi các trục tinh thể bao gồm một trục X, Y và Z.
Hiện tượng áp điện trong thạch anh chỉ cĩ thể xảy ra khi một tấm mỏng vuơng gĩc với trục X hoặc Y được cắt ra từ tinh thể thạch anh. Các tấm này được gọi là các tấm cắt X và cắt Y của tinh thể thạch anh hay cịn gọi là biến tử. Thạch anh cắt X được dùng để phát và thu sĩng dọc (hình 2.20) cịn các tấm cắt Y được dùng để phát và thu sĩng ngang (hình 2.20). Sĩng ngang và sĩng mặt cĩ thể được tạo ra từ tấm cắt X bằng cách sử dụng hiện tượng chuyển đổi dạng sĩng của sĩng siêu âm dọc tới xiên gĩc xuất hiện ở mặt phân giới hai mơi trường cĩ âm trở khác nhau. Khi áp một điện thế xoay chiều vào các điện cực, thì biến tử áp điện dao động tại một tần số được đặt vào với một biên độ bằng khoảng 10 lần bề dày của nĩ. Tuy nhiên, nếu biến tử bị kích thích ở tần số cộng hưởng thì biên độ của nĩ sẽ tăng lên đáng kể khoảng 10 lần bề dày tại tần số cơ bản.
Hình 2.19 – Hệ thống trục toạ độ trong tinh thể thạch anh (đơn giản hố) và các vị trí của các lát cắt X và Y. Trục vốn cĩ của Thạch anh Mặt cắt X của thạch anh cho sĩng dọc Mặt cắt Y của thạch anh cho sĩng ngang
Một vài ưu điểm và hạn chế khi dùng thạch anh làm biến tử siêu âm: Ưu điểm :
(i) Cĩ độ bền cao.
(ii) Khơng tan trong nước.
(iii) Cĩ độ ổn định cơ và điện cao.
(iv) Cĩ thể làm việc ở nhiệt độ cao.
Hình 2.20 – Hiệu ứng áp điện của thạch anh (đối với lát cắt X)
Hình 2.21 – Hiệu ứng áp điện của thạch anh (đối với lát cắt Y)
Sơ đồâ Hiệu ứng áp điện thuận Hiệu ứng áp điện ngược Nguyên nhân Tinh thể bị Nén lại Tinh thể bị giãn nở Điện thế dương Trên các bềmặt Điện thế âm trên các bề mặt Kết quả Điện thế dương trên các bề mặt Điện thế âm trên các bề mặt Sự giãn nở của tinh thể Sự nén lại của tinh thể Hiệu ứng áp điện thuận Hiệu ứng áp điện ngược Nguyên nhân Sự kéo giãn làm biến dạng tinh thể từ bên trái Sơ đồ Sự kéo giãn làm biến dạng tinh thể từ bên phải Điện thế dương Trên các bềmặt Điện thế âm trên các bề mặt Kết quả Điện thế dương Trên các bềmặt Điện thế âm trên các bề mặt Sự kéo giãn làm biến dạng tinh thể từ bên phải Sự kéo giãn làm biến dạng tinh thể từ bên trái
Nhược điểm :
(i) Tương đối đắt tiền.
(ii) Hiệu suất phát năng lượng siêu âm thấp nhất.
(iii) Nĩ chịu hiện tượng chuyển đổi dạng sĩng : Khi một tấm cắt X được dùng thì
ngồi việc phát ra sĩng dọc nĩ cịn phát ra cả sĩng ngang. Sĩng ngang được phát ra vì một tấm tinh thể cắt X khi bị nén thì cũng dài ra theo phương Y. Sự tạo ra sĩng ngang gây ra những tín hiệu giả ở phía sau tín hiệu chính.
(iv) Cần điện áp cao khi làm việc.
(b) Sulphate lithium :
Sunfat lithi là một loại tinh thể áp điện khác cũng thường được dùng để chế tạo biến tử siêu âm. Một vài ưu điểm và hạn chế của sunfat lithi như sau :
Ưu điểm :
(i) Là phần tử thu năng lượng siêu âm cĩ hiệu suất cao nhất.
(ii) Cĩ thể dễ được giảm chấn do âm trở của nĩ nhỏ.
(iii) Khơng bị lão hố.
(iv) Ít chịu ảnh hưởng của hiện tượng chuyển đổi dạng sĩng.
Nhược điểm : (i) Rất dịn, dễ vỡ
(ii) Bị hồ tan trong nước.
(iii) Bị giới hạn ở những nhiệt độ làm việc dưới 750C.
2.6.4 Biến tử gốm phân cực :
Gần đây, các biến tử gốm phân cực đã hồn tồn thay thế thạch anh và đang dần thay thế các biến tử loại đơn tinh thể nuơi nhân tạo. Vật liệu làm biến tử gốm phân cực cĩ bản chất sắt từ. Các vật liệu sắt từ cĩ nhiều “domain” mà mỗi domain chứa một số lớn các phân tử và cĩ một điện tích. Nếu khơng cĩ gradient điện thế tồn tại trong vật liệu thì các domain này định hướng một cách tùy tiện (hình 2.22). Nếu cĩ điện áp tác dụng, các domain cĩ xu hướng định hướng theo phương của trường. Do domain cĩ hình dạng dài hơn theo phương của trường so với bề dày của nĩ nên tồn bộ vật liệu giãn nở ra. Nếu trường đổi hướng thì domain cũng đổi hướng và vật liệu lại giãn nở. Điều này ngược so với trường hợp của vật liệu tinh thể áp điện là co lại nếu trường hướng theo một chiều và nở ra khi trường đổi chiều ngược lại.
Dạng biểu hiện của sắt từ (tức là nở ra đối với cả hai trường hợp trường dương và trường âm) cĩ thể dể dàng chuyển thành dạng áp điện bằng cách nung nĩng vật liệu sắt từ đến nhiệt độ Curie của nĩ (nhiệt độ mà trên nĩ chất sắt từ sẽ mất hết đặc tính sắt từ của mình) và sau đĩ làm nguội trong điện trường phân cực khoảng 1000V cho 1mm bề dày.
Bằng cách đĩ các domain sắt từ được làm đơng đặc một cách hữu hiệu theo phương của trường phân cực và vật liệu đã được phân cực cĩ thể xem như là áp điện.
Các biến tử gốm phân cực, như chỉ rõ từ tên gọi của chúng, được chế tạo dưới dạng đĩa gốm.v.v…Chúng được tạo ra từ dạng bột trộn lẫn vào nhau và sau đĩ được thiêu kết thành rắn. Những đặc tính riêng biệt của một biến tử trong những ứng dụng cụ thể được khống chế bằng cách thêm vào các hợp chất hố học theo những tỷ lệ khác nhau. Bởi vì, trước khi phân cực các biến tử gốm này là đẳng hướng, chúng khơng cần cắt theo một trục riêng biệt nào đĩ. Vì vậy nĩ cĩ thể được tạo ra ở bất kỳ hình dạng thích hợp nào, thí dụ cĩ thể chế tạo dễ dàng các biến tử bề mặt lõm để hội tụ chùm tia siêu âm.
Khơng áp điện
Được áp điện
Hình 2.22 – Những domain trong vật liệu sắt từ.
Một vài ưu điểm và hạn chế của biến tử gốm là : Ưu điểm :
(i) Chúng là các nguồn phát năng lượng siêu âm cĩ hiệu quả.
(ii) Làm việc ở các điện áp thấp.
(iii) Một số loại cĩ thể làm việc ở nhiệt độ cao, thí dụ như metaniobat chì
cĩ điểm Curie 5500C.
Hạn chế :
(i) Đặc tính áp điện cĩ thể giảm theo tuổi thọ (già hố).
2.6.5 So sánh các biến tử áp điện :
Các biến tử áp điện được so sánh từ các số liệu cho ở bảng 2.2
Mơđun áp điện “d” là một giá trị để đánh giá về chất lượng phát sĩng siêu âm của một biến tử áp điện. Giá trị “d” lớn, chứng tỏ một biến tử phát cĩ hiệu quả cao. Bảng 2.2 chỉ rõ rằng titanate zirconate chì cĩ đặc tính phát sĩng siêu âm tốt nhất. Hằng số biến dạng áp điện “H” là giá trị đánh giá khả năng thu của một biến tử siêu âm. Các giá trị H lớn cho khả năng thu sĩng siêu âm lớn. Từ bảng 2.2 ta thấy rõ ràng sulphate lithium là vật liệu thu năng lượng siêu âm tốt nhất.
Thừa số liên kết điện cơ “K” biểu diễn hiệu suất của một biến tử trong việc biến đổi năng lượng điện thành dao động cơ học và ngược lại. Giá trị lớn của K cĩ nghĩa là hiệu suất làm việc của biến tử vừa phát và thu tốt hơn. Các giá trị K của metaniobate chì, titanate zirconat chì và titanate barium ở cùng cấp. Giá trị này là quan trọng ở chế độ xung phản hồi, khi biến tử phải vừa phát vừa thu.
Khả năng phân giải thoả mãn địi hỏi hệ số liên kết đối với dao động xuyên tâm Kp
càng nhỏ càng tốt. Kp là hệ số để đánh giá sự xuất hiện những dao động xuyên tâm
làm nhiễu loạn tín hiệu siêu âm. Các dao động xuyên tâm này xuất hiện là do sự chuyển đổi dạng sĩng nhiễu loạn của biến tử. Từ quan điểm này sulphate lithium và metaniobate chì là những vật liệu làm biến tử tốt nhất.
Trong kiểm tra siêu âm phương pháp tiếp xúc cũng như phương pháp nhúng cần cĩ một chất lỏng liên kết (chất tiếp âm) cĩ âm trở Z nhỏ, nên vật liệu làm biến tử cần phải cĩ âm trở cùng cấp để cĩ thể truyền một năng lượng siêu âm tốt hơn vào vật kiểm tra. Trên phương diện này những sự lựa chọn tốt nhất là sulphate lithium hoặc metaniobate chì hoặc thạch anh vì chúng đều cĩ âm trở thấp.
Bảng 2.2 – Một vài đặc trưng của các biến tử áp điện phổ biến. Titanate Zirconate chì Titanate Barium Metaniob ate chì Sulphate lithium Thạch anh Niobate lithium Vận tốc âm c (m/s) 4000 5100 3300 5460 5740 7320 Âm trở z 106 (Kg/s) 30 27 20,5 11,2 15,2 34 Hệ số liên kết điện cơ K 0,6 – 0,7 0,45 0,4 0,38 0,1 0,2 Mơđun áp điện d 150 – 591 125 – 190 85 15 2,3 6 Hằng số biến dạng áp điện H 1,8 – 4.6 1,1 – 1.6 1,9 8,2 4,9 6,7 Hệ số liên kết dao động xuyên tâm Kp 0,5 – 0,6 0,8 0,07 0 0,1
2.6.6 Hiệu ứng từ giảo và các biến tử :
Các biến tử từ giảo thường được chế tạo từ các vật liệu sắt từ, thường là kim loại như là nickel, cobalt, và sắt cĩ khả năng dễ bị từ hĩa và cĩ biểu hiện hiện tượng từ giảo hoặc hiệu ứng Joule. Khi một thanh làm từ một trong những vật liệu này được đặt trong một từ trường, nĩ sẽ bị thay đổi độ dài tăng lên hoặc giảm xuống, phụ thuộc vào bản chất của vật liệu và cường độ của từ trường. Dù sức căng là dương hay âm thì nĩ cũng khơng phụ thuộc vào hướng của từ trường. Vì vậy khi thay đổi hướng của từ trường thì hướng của sức căng cũng khơng thay đổi nghĩa là một sự tăng chiều dài vẫn là tăng.
Hiệu ứng từ giảo cũng cĩ thể được quan sát thấy trong các vật liệu phi kim loại như ferrit. Chúng cĩ ưu điểm là dẫn điện kém, khơng bị làm nĩng quá nhiệt do dịng điện xốy được hình thành do cảm ứng bởi dịng điện xoay chiều kích thích từ trường tuần hồn.
Tuy nhiên, do cĩ tính chất cơ học kém, nên chúng thường khơng được dùng để chế tạo biến tử siêu âm.
Các biến tử từ giảo thường được chế tạo theo dạng thanh trịn và được bao bọc bởi một cuộn dây (hình 2.23). Một dịng điện xoay chiều đi qua cuộn dây tạo ra
_____________________________________________________________________________________
Giáo viên hướng dẫn : TS. Thái Thị Thu Hà Thực hiện : Nguyễn Nhật Quang 38 một từ trường xoay chiều cĩ cùng tần số ; quá trình này tạo ra những dao động dọc của thanh.
Hình 2.23 – Biểu đồ mơ tả phương pháp kích thích một biến tử từ giảo cĩ dạng hình thanh.
Vì độ dãn nở của thanh chỉ phụ thuộc vào cường độ của từ trường đặt vào và khơng phụ thuộc vào hướng của chúng nên các dao động này xảy ra ở tần số gấp đơi tần số của từ trường và cĩ dạng một dịng điện xoay chiều được chỉnh lưu khơng trơn phẳng, hoặc đĩ là những dao động cĩ biên độ thấp và chứa nhiều tần số khơng mong muốn. Với trường hợp biến tử gốm phân cực, khuyết điểm này khắc phục được bằng sự phân cực từ. Tương tự với các biến tử áp điện, hiệu suất cực đại của dao động nhận được ở tần số cộng hưởng cơ bản. Các hiệu ứng điều hịa được giảm đến mức thấp nhất bằng cách tăng các điểm nút.
Các biến tử từ giảo rất ít được sử dụng trong kiểm tra khơng phá hủy ngoại trừ trường hợp sử dụng sĩng Lamb trong kiểm tra mẫu dạng dây kim loại. Tuy nhiên, các ứng dụng siêu âm cho cơng việc khoan, làm sạch thì phải dựa vào hiện tượng từ giảo.
2.7 NHỮNG ĐẶC TÍNH CỦA CHÙM TIA SIÊU ÂM: a> 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