CHệễNG 3 CÁC KỸ THUẬT KIỂM TRA SIÊU ÂM VÀ NHỮNG GIỚI HẠN
3.1. CƠ SỞ CỦA PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA SIÊU ÂM
3.1.2. Phương pháp xung phản hồi
Đây là phương pháp được dùng phổ biến nhất trong kiểm tra vật liệu bằng siêu âm. Đầu dò phát và thu được đặt cùng một phía của mẫu và hiện diện của một khuyết tật được chỉ thị bằng sự nhận được xung phản hồi trước xung phản hồi đáy. Hầu hết các đầu dò đều có thể hoạt động ở chế độ thu cũng như phát. Màn hình CRT được chuẩn để biểu diễn được tách biệt về khoảng cách giữa thời gian đến của xung phản hồi khuyết tật và xung phản hồi đáy, do đó tọa độ của khuyết tật có thể xác định một cách chính xác.
Nguyên lý của phương pháp xung phản hồi được minh họa ở hình 3.3 (a), (b) và (c).
Hình 3.3 : Nguyên lý của phương pháp xung phản hồi kiểm tra siêu âm.
(a) Mẫu không có khuyết tật.
(b) Mẫu có khuyết tật nhỏ.
(c) Mẫu có khuyết tật lớn.
(a)
(b)
(c)
T R
T R
T R
(a)
(c) (b)
TR
TR
TR Khuyết tật lớn Khuyết tật
Xung truyeàn
Xung phản hồi đáy
Xung phản hồi khuyết tật
Xung phản hồi đáy
Khụng cú xung phản hồi ứ đỏy
(a) Maãu khoâng cóù khuyeát tật.
(b) Mẫu có khuyeát tật nhỏ.
(c) Mẫu có khuyeát tật lớn.
Xung phản hồi khuyết tật
CHệễNG 3 103
Một vật kiểm có các bề mặt song song với nhau (hình 3.3a) không những cho ta một xung phản hồi đáy mà còn cho nhiều xung phản hồi liên tiếp cách đều nhau, tạo ra một dải đo đủ lớn trên màn hình để quan sát (hình 3.4). Sở dĩ chúng ta nhận được một chuỗi xung phản hồi từ đáy, bởi vì xung đầu tiên phản xạ từ đáy trở về đầu dò đặt tại mặt trước, chỉ truyền một phần nhỏ năng lượng của chùm sóng âm đi đến đầu dò, phần còn lại tiếp tục bị phản xạ ngược xuống đáy với phần năng lượng còn lại thấp hơn, và cứ tiếp tục quá trình như vậy thì tạo ra một chuỗi xung phản hồi từ đáy. Độ cao của những xung phản hồi này giảm xuống, một phần do năng lượng tổn hao trong đầu dò, phần khác của sóng âm bị suy giảm trong vật liệu do sự truyền của chùm sóng siêu âm theo luật phân tán chùm tia, nhiễu xạ.v.v…
Hình 3.4 – Chuỗi xung phản hồi trong phương pháp xung phản hồi.
Trong phương pháp xung phản hồi, có hai cách để truyền sóng siêu âm vào vật thể kiểm tra là: kỹ thuật chùm tia thẳng và kỹ thuật chùm tia xiên góc. Tương tự, kỹ thuật hai đầu dò liên tiếp nhau (tandem) cũng như kỹ thuật kiểm tra nhúng đều là những dạng khác của kỹ thuật xung phản hồi.
Giống như tên gọi của nó, phương pháp xung phản hồi dùng những xung siêu âm ngắn thay vì những sóng liên tục. Một chuỗi sóng được tập hợp thành nhóm sóng ngắn, trước hoặc sau nó không có sóng và nói chung thường được coi như là một xung. Xung có thể có nhiều dạng : Nó có thể bắt đầu và giảm xuống nhanh chóng; Nó cũng có thể hình thành và suy giảm dần. Nó có thể hình thành nhanh chóng và suy giảm theo hàm số mũ.
Hình 3.5 Các xung siêu âm có những độ dài và những hình dạng khác nha u.
Xung truyeàn qua
Xung phản hồi thứ 1
Xung phản hồi thứ 2
Xung phản hồi thứ 3
Xung phản hồi thứ 4
Các loại sóng siêu âm được minh họa trong hình 3.5 là các loại hay thường dùng nhất.
Hầu hết các loại đầu dò đều gắn vào tinh thể một thiết bị giảm chấn có dạng miếng đệm. Miếng đệm giảm chấn này phải có âm trở lớn hơn âm trở của tinh thể. Lý tưởng là dao động của tinh thể phải chấm dứt đột ngột tách ra khỏi dao động trước đó của nó, sao cho năng lượng phản xạ chỉ còn kích thích một tinh thể “trơ’ mà thôi, và không một tinh thể nào còn đang dao động nữa (Hình 3.6 a và b).
Độ rộng xung phụ thuộc vào tần số của đầu dò và cũng là một hàm theo năng lượng xung. Nói cách khác là phải cấp một xung điện đủ lớn vào tinh thể để dao động của biến tử đạt cực đại tại cùng một thời gian, nhưng phải lưu ý là khi bề rộng xung tăng thì độ phân giải sẽ giảm.
Hình 3.6 – Sự tác động của giảm chấn trong đầu dò xung phản hồi.
Ảnh hưởng của độ rộng xung đối với khả năng phân giải sẽ được đề cập dưới đây. Trước hết cần phải nhấn mạnh rằng một xung siêu âm được tạo thành từ một số sóng do dao động của tinh thể trong vài micro giây tạo ra (hình 3.7).
Hình 3.7 – Trường hợp độ rộng xung lớn hơn.
Hình 3.8 – Trường hợp độ rộng xung nhỏ hơn.
Độ rộng xung
Số sóng
Độ rộng xung
Khuyết tật cách nhau 3mm
Không có giảm chấn Có giảm chấn
(a) (b)
CHệễNG 3 105
Bây giờ chúng ta sẽ xem xét độ rọâng xung trong thép của một tinh thể phát ra một xung năng lượng trong một chu kỳ là 2 micro giây. Độ rộng của xung này gầ n bằng 12mm.
Hình 3.8 cho thấy hai khuyết tật cách nhau 3mm. Độ rộng của xung 12mm này không thể phân giải được hai khuyết tật này bởi vì xung phản hồi của chúng bị chồng lên nhau.
Do đó độ rộng của xung này sẽ không thể phân giải tốt những khuyết tật nằm gần với nhau trong khoảng 6mm. Những khuyết tật nằm cách nhau trong vòng 6mm sẽ cho một chỉ thị trên sườn sau của xung phản hồi chính trên màn hình CRT. Những khuyết tật nằm cách nhau dưới giá trị này sẽ bị biến mất trong biên dạng xung phản hồi chính. Hình 3.9 (a và b) biểu diễn xung từ các khuyết tật cách nhau cách nhau 3mm và 6mm.
Để xác định độ rộng của xung : nhân số sóng có trong một xung với bước sóng Hoặc : Chiều dài xung = (vận tốc/tần số) x số sóng trong một xung
Hình 3.9 – Ảnh hưởng của độ rộng xung lên độ phân giải khuyết tật.
a) Độ phân giải thấp hơn bởi vì độ rộng xung lớn hơn.
b) Độ phân giải tốt hơn vì độ rộng xung nhỏ hơn.
Tóm lại, để có độ phân giải tốt đòi hỏi xung phải rất ngắn để phản xạ từ một khuyết tật nằm gần với một khuyết tật khác không bị mất đi trong tín hiệu đầu tiên được ghi nhận.
Độ phân giải tốt và kém được biểu diễn trong hình 3.10. Cần lưu ý rằng tần số sóng siêu âm càng cao thì độ rộng xung càng ngắn. Đồng thời tần số cao thì bước sóng sẽ ngắn nên cho độ nhạy cao hơn đối với khuyết tật nhỏ. Kết hợp hai điều này sẽ cho khả năng phát hiện khuyết tật và độ phân giải tốt hơn.
Hình 3.10 – Thí dụ điển hình cho quá trình phân giải tốt và kém.
Mẫu chuẩn I.I.W Phân giải tốt Phân giải kém
Màn Hình CRT
Khuyết tật cách
nhau 3mm Khuyết tật cách
nhau 6mm