Chuứm tia sieõu aõm

2.7. NHỮNG ĐẶC TÍNH CỦA CHÙM TIA SIÊU ÂM

2.7.1. Chuứm tia sieõu aõm

Vùng mà sóng siêu âm truyền từ một biến tử siêu âm được gọi là chùm tia siêu âm. Cho mục đích kiểm tra vật liệu bằng siêu âm, dạng đơn giản nhất của chùm tia siêu âm của một biến tử hình đĩa tròn như mô tả ở hình 2.24. Chùm tia có hai vùng khác biệt và được phân thành vùng trường gần và vùng trường xa.

Hình 2.24 – Một dạng của chùm tia siêu âm điển hình từ một biến tử hình đĩa tròn.

Trường gần

Trục âm Giới hạn 10%

Điểm hội tụ

Vùng chuyển tiếp Trường xa

Thanh phát từ giảo Nuựt keùp

Cuộn dây phát năng lượng Cuộn dây phân cực

CHệễNG 2 89 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 còn cực đại cuối cùng xuất hiện tại N, trong đó 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 góc không 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 góc phân kỳ vẫn còn thay đổi không 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 tròn thực tế.

Biểu đồ này có 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 đó phần tử phản xạ được dịch chuyển vuông góc với trục và đánh dấu các vị trí khi biên độ xung phản hồi giảm còn 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 mi nh 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 mô tả hình dạng của trường âm một cách gần đúng tiện dụng trong thực tế là độ dài vùng trường gần N và góc phân kỳ  (gamma). Hai giá trị này là một hàm số của đường kính tinh thể “D”, tần số “f” và vận tốc sóng âm “v” trong môi trường mà

0 P0 = 1 2

 N/2 N

Biến tử

10%

50%

100%

50%

10%

chùm siêu âm phát ra. Một số công thức thường áp dụng cho tính toán các đại lượng này sẽ được trình bày ở các phần sau.

Tóm tắt các kết quả liên quan đến trường sóng âm có thể nói rằng :

(i) Đặc trưng của trường âm được xác định bởi tỷ số các kích thước của tinh thể và bước sóng. Một giá trị lớn của nó sẽ cung cấp chùm tia siêu âm tập trung, đi được xa và có 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 sóng.

(iii) Ở khoảng cách thích hợp, trường âm tuân theo luật là âm áp giảm tỉ lệ nghịch với khoảng cách.

2.7.1.1. Trường gần :

Một biến tử áp điện được xem như tập hợp của các nguồn điểm, mà mỗi điểm phát sóng siêu âm cầu vào môi trường xung quanh (hình 2.27). Các sóng cầu này giao thoa với nhau và tạo thành một chuỗi các cực đại và cực tiểu của 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 có độ rộng gần bằng đường kính của tinh thể biến tử. Tuy nhiên, nó bị giảm dần đến cuối trường gần được gọi là điểm hội tụ.

Hình 2.27 – Hình dạng của mặt sóng trong trường gần.

Những khuyết tật nằm ở vùng trường gần cần phải được giải đoán một cách cẩn thận vì rằng một khuyết tật xuất hiện ở vùng này có 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 dò 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 có thể giảm bớt hoặc khắc phục hoàn toàn bằng cách sử dụng các nêm nhựa ở phía trước tinh thể phát sóng siêu âm.

2.7.1.2. Tính toán chiều dài của trường gần :

CHệễNG 2 91 Chiều dài N của trường gần phụ thuộc vào đuờng kính của biến tử và bước sóng của sóng siêu âm trong môi trường. Trường gần của một đầu dò tăng cùng với sự tăng đường kính của nó và tần số siêu âm và có thể được tính gần đúng từ công thức sau:

V 4

f D 4 N D

2 2 

  (2.24)

Trong đó : N – Chiều dài của trường gần.

D – Đường kính của biến tử.

V – Vận tốc sóng âm trong vật liệu.

f – Taàn soá.

2.7.1.3. Trường xa :

Vùng ở ngoài trường gần gọi là trường xa. Mặt sóng của sóng siêu âm trong trường xa ở khoảng cách bằng ba lần chiều dài trường gần tính từ biến tử là mặt cầu so với mặt són g 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 có sự chuyển tiếp, về hình dạng mặt sóng chuyển từ phẳng sang cầu ở trong vùng này.

Cường độ trong vùng trường xa, dọc theo trục khoảng cách tính từ biến tử, ngoài 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 có giá trị giữa 1 và 2.

Cường độ phản xạ của sóng siêu âm từ khuyết tật nằm trong vùng trường xa phụ thuộc vào kích thước của khuyết tật trong tương quan với kích thước chùm tia. Nếu khuyết tật rộng 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