2.8. SỰ SUY GIẢM CỦA CHÙM TIA SIÊU ÂM
2.8.1. 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 mô tả tình trạng mất mát năng lượng này. Với sự suy giảm sóng 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 không có 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 thô nhám của bề mặt và nhiễu xạ…. Những nguyên nhân này sẽ được trình bày trong những phần sau. Phương trình chung mô tả sự suy giảm là :
P = P0 exp(-d)
Trong đó : P0 – Âm áp ban đầu tại khoảng cách “d” = 0.
P – Âm áp cuối cùng tại khoảng cách “d” trong môi trường.
– Hệ số suy giảm được đo bằng neper hoặc dB mm-1 phụ thuộc vào đơn vò cuûa “d” (1 neper = 8,686dB).
Bảng 2.5 : khuyết tật có thể phát hiện trong những vùng khác nhau của biểu đồ âm.
Vùng/Màu Khuyết tật có thể phát hiện
Màu đỏ tươi Đây là vùng của vùng chết và không thể thực hiện kiểm tra được Màu đỏ thẫm Trong vùng này các bất liên tục có thể được phát hiện nếu nó
tương ứng với phần tử phản hồi dạng đĩa có đường kính nhỏ hơn 8mm
Màu đỏ nhạt Những khuyết tật tương ứng với phần tử phản hồi dạng đĩa đường kính 4mm có thể được phát hiện.
Màu cam Có thể phát hiện được những khuyết tật tương ứng với phần tử phản hồi dạng đĩa có đường kính 2mm.
Màu cam nhạt Có thể phát hiện được những khuyết tật tương ứng với phần tử phản hồi dạng đĩa có đường kính 1mm
Màu vàng Đây là vùng có thể phát hiện tốt nhất những khuyết tật tương ứng với phần tử phản hồi dạng đĩa có đường kính 0,5mm.
Màu vàng lục Có thể phát hiện được khuyết tật tương ứng với phần tử phản hồi
CHệễNG 2 95 dạng đĩa có 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 Có thể phát hiện được những khuyết tật tương ứng với phần tử phản hồi dạng đĩa có đường kính 2mm
Màu xanh đậm Trong phần vùng nằm sát với đầu dò có thể phát hiện được các khuyết tật tương ứng với với phần tử phản hồi dạng đĩa có đường kính 4mm còn nằm ngoài phần trên thì phát hiện được những khuyết tật tương ứng với phần tử phản hồi dạng đĩa có đường kính 8mm .
2.8.1.1 Sự tán xạ của sóng siêu âm :
Sự tán xạ của sóng siêu âm là do thực tế trong vật liệu sóng siêu âm truyền là không đồng nhất hoàn toàn. Các chỗ không đồng nhất có thể là bất cứ vật gì hình thà nh nên các ranh giới phân chia hai vật liệu có âm trở khác nhau chẳng hạn như các tạp chất (inclusion hoặc pores). Một vài vật liệu bản thân nó đã là không đồng nhất, chẳng hạn như gang là một hợp chất của hạt cấu trỳc vàứ cỏc hạt graphit rất khỏc nhau về mật độ và độ đàn hồi. Mỗi hạt tích tụ tạo ra quá trình tán xạ mạnh có thể so sánh với quá trình tán xạ trong vật liệu chỉ có 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 có 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 không chỉ làm giảm tín hiệu siêu âm trở về do tán xạ mà còn thường sinh ra một số xung phản hồi nhỏ có thể che khuất những chỉ thị cần phân tích đánh g iá.
Điều kiện để tán xạ không xảy ra thì kích thước của hạt phải nhỏ so với bước sóng, thường kích thước của hạt phải nhỏ hơn 0,1 lần bước sóng. Hệ số suy giảm liên hệ với đường kính trung bình của hạt “” và tần số “f” theo biểu thức :
= Kf4-3 (2.26) Trong đó : K là hằng số đặc trưng cho loại vật liệu cụ thể. Quá trình tán xạ tăn g nhanh khi kích thước hạt tăng lên hoặc giảm bước sóng khi kích thước hạt khoảng 0,1 đến 1 lần bước sóng.
2.8.1.2 Sự hấp thụ sóng âm :
Hấp thụ sóng âm là hệ quả của việc chuyển đổi một phần năng lượng âm thành nhiệ t.
Trong bất kỳ vật liệu nào không ở nhiệt độ không tuyệt đối, thì các hạt đều chuyển động hỗn loạn do vật liệu có nhiệt lượng nhất định. Khi nhiệt độ tăng sẽ làm cho chuyển động của các hạt tăng lên. Khi một sóng siêu âm lan truyền trong vật liệu nó sẽ kích thích các hạt. Các hạt bị kích thích va chạm với các hạt không 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 sóng âm đã đi qua, do vậy năng lượng của sóng 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.
2.8.1.3 Sự suy giảm do quá trình tiếp xúc và sự thô nhám của bề mặt :
Một nguyên nhân thứ ba gây suy giảm là môi trường tiếp xúc (liên kết) (chất tiếp âm) và sự thô 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 cuỷa chaỏt tieỏp aõm (chaỏt lieọu lieõn keỏt).
Thực nghiệm cho thấy độ thô nhám bề mặt cần phải nhỏ hơn 25m.
Sự suy giảm truyền âm do độ thô 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 không thể lúc nào cũng có bề mặt nhẵn như mẫu chuẩn. Sự khác biệt đó do sự suy giảm ở bề mặt tiếp xúc.
2.8.1.4 Sự khúc xạ :
Một đặc tính quan trọng của sóng siêu âm là chúng có khả năng hoặc xu hướng đi “bao quanh” và vượt qua vật cản có kích thước cỡ bước sóng của sóng. Sự giao thoa hay khúc xạ này xảy ra nếu sóng 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 sóng siêu âm gần biên, mép của mẫu vật (hình 2.29b). Sự uốn quanh này có thể làm lệch hướng đi của sóng siêu âm khỏi nơi cần truyền đến và đến nơi khác
Hình 2.29 : Sự khúc xạ của tia siêu âm.
(a) Đi vòng quanh khuyết tật; (b) Gần bờ có hình dạng bất thường.
2.8.1.5. Ảnh hưởng tổng cộng của sự suy giảm :
Thêm vào sự suy giảm năng lượng sóng âm do các nguyên nhân trên còn có các nguyên nhân khác như suy giảm do tán xạ ở bề mặt thô nhám của vật phản xạ và sự mở rộng của chùm tia. Khi đó sự suy giảm sẽ là tổng của tất cả các nguyên nhân trên vì chúng đều tác động đến sóng 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.
Chuứm tia sieõu aõm Chuứm tia sieõu aõm
(a) (b)
CHệễNG 2 97 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 mô tả trong hình 2.31.
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 có thể biểu diễn dưới dạng hàm mũ :
P = P0e-.d (2.27) Trong đó : 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 có :
P ln P d
. 0
(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 đó
Suy giảm do tán xạ
Toồn hao do truyeàn qua Tổn hao do phản xạ
Tổn hao do phản xạ
Tổn hao do sự mở rộng chùm tia
0 200 400 600 800 1000 0
0,5 1,0 1,5
Bieõn ủoọ tửụng ủoỏi P/P0
Khoảng cách (mm)
Sự phân kỳ của chùm tia Sự suy giảm
P
log P 20 d
. 0 (dB)
P
log P d
20 0 (dB/mm hoặc dB/m) (2.29)
(phụ thuộc vào đơn vị của “d”)
Như đã nhấn mạnh trong phần 2.8.1, 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 còn 1/10, 40dB tương đương với giảm còn 1/100 và 60dB tương đương với giảm còn 1/1000. Ngược lại tăng lên 20dB có nghĩa là tăng gấp 10 lần.
Ngoài 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, có nghĩa là qua lớp bề dày 1mm sóng bị suy giảm xấp xỉ 10% và với lớp bề dày 20mm giảm xấp xỉ 90%. Tại 100mm thì độ suy giảm là 105 và âm áp là 10-5. Điều này cho thấy đã có sự suy giảm rất lớn. Quá trình tán xạ tăng nhanh khi kích thước hạt của vật liệu 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 thướ c 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 có thể đưa đến khả năng phát hiện khuyết tật được cải thiện. Như một quy tắc chung, một khuyết tật chỉ có thể được phát hiện nếu kích thước của nó lớn hơn hoặc bằng 1/5 bước sóng trong vật liệu có kích thước hạt mịn.
Hầu hết các sóng dọc có tần số đến 5MHz (đầu dò phát chùm tia thẳng và đầu dò phát chùm tia góc dọc) thì sự suy giảm âm trong hợp kim thấp, thép rèn, vật đúc hợp kim thấp của nhôm và magnesium, thép nickel…thường có thể bỏ qua. Những vật liệu này được gọi là những vật liệu có độ suy giảm thấp. Hệ số suy giảm của những vật liệu này dưới 10dB/m. Những vật liệu có 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 có thể đến 100dB/m. Những vật liệu có hệ số suy giảm lớn hơn 100dB/m là những vật liệu có sự suy giảm cao. Thuộc về loại này là những vật liệu như tất cả các loại nhựa tổng hợp, cao su, bêtông, gốm, gỗ, cũng như thép đúc hợp kim cao, vật đúc hợp kim cao của nhôm và magnesium, đồng đúc, kẽm, đồng thau, đồng thiếc, gốm xốp và đá… Kiểm tra siêu âm những vật liệu này là rất khó khăn mặc dù trong thực tế đã có một số ứng dụng được giải quyết thành công. Nếu việc kiểm tra có thể thực hiện thì khi ấy có sự suy giảm lớn năng lượng sóng âm nên chỉ có thể ỏp dụng trờn cỏc mẫu mỏng. Nếu kỹ thuật xung phản hồi khụng thực hie ọn được trong trường hợp này thì có thể áp dụng kỹ thuật truyền qua.
Trên đây các thảo luận về sự suy giảm được đặt cho khả năng áp dụng sóng dọc. Với sóng 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)