Các sóng siêu âm được phân loại theo cơ sở dạng dao động của các hạt môi trường đối với phương truyền sóng, cụ thể là sóng dọc, sóng ngang, sóng mặt và sóng lamb.
Các sự khác biệt chính của bốn loại sóng này sẽ được đề cập sau đây.
2.3.1. Sóng dọc hay sóng nén (Longitudinal or compressional waves) :
Trong dạng sóng siêu âm này, các vùng nén và dãn kế tiếp xen kẽ nhau được tạo ra do dao động của các hạt theo phương song song với phương truyền sóng. Hình 2.5 trình bày mô phỏng của một sóng siêu âm dọc.
Hình 2.5 – Sóng dọc gồm các vùng nén và dãn xen kẽ nhau dọc theo phương truyền sóng.
Đối với sóng dọc, biểu đồ 2.6. mô tả dịch chuyển của hạt theo quãng đường sóng truyền qua mà dọc theo đó có đỉnh nén và hố dãn.
Hình 2.6 – Hình vẽ dịch chuyển của hạt theo quãng đường truyền sóng.
Do loại sóng siêu âm này có thể phát và thu nhận dễ dàng nên nó được dùng rộng rãi nhất trong kiểm tra siêu âm. Phần lớn năng lượng siêu âm sử dụng trong kiểm tra vật liệu
Vuứng neựn
Vùng dãn
Phương truyền sóng
Khoảng cách
Bước sóng v
Độ dịch chuyeồn cuỷa haùt
Biên độ a0
0
đều xuất xứ từ dạng sóng này và rồi được chuyển đổi sang các dạng sóng khác trong các kiểm tra chuyên dụng. Dạng sóng này có thể truyền trong các chất rắn, lỏng và khí.
2.3.2. Sóng ngang hay sóng trượt (Transverse or shear waves) :
Dạng sóng siêu âm này được gọi là sóng ngang hay sóng trượt vì phương dịch chuyển của hạt vuông góc hay cắt ngang phương truyền của sóng. Nó được biểu diễn mô phỏng ở hình 2.7.
Hình 2.7 – Biểu diễn mô phỏng của một sóng ngang.
Để cho một sóng như vậy có thể truyền được trong vật liệu thì cần thiết rằng mỗi hạt vật liệu phải liên kết một cách vững chắc với các hạt lân cận sao cho khi một hạt dao động nó phải kéo theo hạt kế cận chuyển động cùng với nó và gây ra sự truyền năng lượng siêu âm trong vật liệu với một vận tốc bằng khoảng 50% vận tốc của sóng dọc.
Trong tất cả các ứng dụng thực tiễn, sóng ngang chỉ có thể truyền trong các chất rắn.
Nguyên do là trong các chất lỏng và chất khí, khoảng cách giữa các phân tử hay nguyên tử cũng như quãng đường tự do trung bình là quá lớn nên lực hút giữa chúng không đủ để cho phép một hạt làm chuyển động một hạt khác nhiều hơn một phần của chuyển động của chính nó và do vậy sóng sẽ tắt dần nhanh chóng.
Sự truyền của dạng sóng này trong một vật liệu được minh họa dễ dàng bằng chuyển động của một sợi dây thừng bị tay đung đưa. Mỗi hạt của dây chỉ chuyển động lên xuống trong khi sóng chuyển động dọc theo dây từ điểm bị kích thích.
2.3.3. Sóng mặt hay sóng Rayleigh (Surface or Rayleigh waves) :
Các loại sóng mặt được Lord Rayleigh mô tả đầu tiên và vì vậy chúng được gọi là sóng Rayleigh. Dạng sóng này chỉ có thể truyền dọc theo một bề mặt liên kết về một phía bởi các lực đàn hồi mạnh của vật rắn và về phía ngược lại do các lực đàn hồi gần như không tồn tại giữa các phân tử khí. Do vậy các loại sóng mặt hầu như không tồn tại ở vật rắn nhúng chìm trong chất lỏng ngoại trừ chất lỏng chỉ bao phủ bề mặt của chất rắn một lớp rất mỏng.
CHệễNG 2 67 Loại sóng này có vận tốc bằng khoảng 90% vận tốc của sóng ngang tương đương trong cùng vật liệu và chúng chỉ có thể truyền trong vùng không dày hơn một bước sóng tính từ bề mặt. Ở độ sâu này, năng lượng của sóng chỉ bằng 4% năng lượng tại bề mặt và biên độ của dao động giảm rõ rệt đến mức có thể bỏ qua ở các độ sâu lớn hơn.
Trong sóng mặt, dao động của hạt nói chung theo quỹ đạo ellip, như trình bày mô phỏng ở hình 2.8 . Các mũi tên nhỏ chỉ phương dao động của các hạt.
Hình 2.8 – Giản đồ lan truyền sóng mặt ở bề mặt một kim loại tiếp xúc với không khí.
Trục chính của ellip thẳng góc với bề mặt mà trong đó sóng truyền. Trục phụ song song với phương truyền. Phương pháp tạo sóng mặt trình bày trong phần 2.4.2.3.
Các sóng mặt được sử dụng rất hữu hiệu cho mục đích kiểm tra vì rằng ở cùng một vật liệu chúng bị suy giảm ít hơn so với các sóng ngang hoặc sóng dọc tương ứng và vì chúng có thể đi vòng qua các góc cạnh và do đó được dùng để kiểm tra các chi tiết có hình dạng phức tạp. Tất nhiên, chỉ có thể phát hiện được các vết nứt bề mặt hoặc ở gần bề mặt.
2.3.4. Sóng lamb hay sóng bản mỏng (Lamb or plate waves) :
Nếu sóng mặt được truyền vào một vật liệu có độ dày bằng hoặc nhỏ hơn ba lần bước sóng của nó thì sẽ xuất hiện một dạng sóng khác được gọi là sóng bản mỏng. Vật liệu bắt đầu dao động như một bản mỏng tức là sóng tràn ngập toàn bộ bề dày của vật liệu. Các sóng này còn được gọi là sóng lamb vì lý thuyết mô tả chúng được Horace Lamb nghiên cứu vào năm 1916. Không giống như các sóng dọc, ngang hoặc sóng mặt vận tốc củ a sóng lamb trong vật liệu không những phụ thuộc vào vật liệu mà còn phụ thuộc vào bề dày của vật liệu, tần số và dạng của sóng.
Sóng bản mỏng hay sóng lamb tồn tại dưới nhiều dạng phức hợp của dao động hạt. Hai dạng cơ bản của sóng lamb là :
(a) dạng đối xứng hay là dạng dãn nở và
Phương truyền sóng KHOÂNG KHÍ
KIM LOẠI
Phần tử dao động Tại bề mặt cân baèng
(b) dạng phản đối xứng hay là dạng uốn cong.
Dạng của sóng được xác định theo sự đối xứng hay phản đối xứng của dao động của hạt đối với trục trung tâm của vật kiểm tra. Trong sóng lamb đối xứng (sóng dãn nở) có sự dịch chuyển của hạt dọc theo trục trung tâm của bản và dịch chuyển ellip của hạt trên mỗi bề mặt (hình 2.9a).
Dạng này bao gồm các chỗ “dày” và “mỏng” kế tiếp nhau trong bản giống như hình ảnh của một ống cao su mềm được nhét các quả cầu thép lớn hơn đường kính của ống.
Trong sóng lamb phản đối xứng có một dịch chuyển trượt (ngang) của hạt dọc theo trục chính của bản và dịch chuyển ellip trên mỗi bề mặt (hình 2.9b).
Hình 2.9 - Giản đồ các mô hình cơ bản của sóng lamb đối xứng (a) và của sóng Lamb phản đối xứng (b).
Tỷ số giữa trục chính và trục phụ của ellip là một hàm phụ thuộc vào vật liệu có sóng truyền trong đó. Dạng phản đối xứng của sóng lamb có thể minh họa bằng hình ảnh của một tấm chắn được nâng lên hạ xuống sao cho một gợn sóng truyền trong đó.
2.3.5. Vận tốc của các loại sóng âm:
Vận tốc truyền các loại sóng dọc, sóng ngang và sóng mặt (phần 2.3) phụ thuộc vào modul đàn hồi, mật độ của vật liệu. Với vật liệu xác định, nó không phụ thuộc vào tần số của sóng và kích thước của vật liệu.
Vận tốc sóng dọc, sóng ngang và sóng mặt được đưa ra trong các phương trình sau :
E
VL (2.13)
Phương truyền sóng Tại bề mặt cân bằng
Tại bề mặt cân bằng Truùc chớnh
Hạt dao động
Tại bề mặt cân bằng
Phương truyền sóng
Hạt dao động
Tại bề mặt cân bằng Truùc chớnh
(a)
(b)
CHệễNG 2 69
G
VT (2.14)
VS = 0,9VT (2.15)
Trong đó : VL – Vận tốc của sóng dọc.
VT – Vận tốc của sóng ngang.
VS – Vận tốc của sóng mặt.
E – Mô đun đàn hồi Young.
G – Mô đun cứng.
– Mật độ của môi trường.
Đối với thép : 0,55 V
V
L
T (2.16) Ở đây cũng cần nhắc lại là vận tốc truyền của sóng lamb, như đã nói ở trên, phụ thuộc không những vào mật độ của vật liệu mà còn phụ thuộc vào dạng sóng, tần số của sóng.
Phương trình (2.13) cũng cắt nghĩa tại sao vận tốc sóng trong nước nhỏ hơn trong thép mặc dù mật độ của thép lớn hơn mật độ của nước đó là vì độ đàn hồi của thép lớn hơn rất nhiều độ đàn hồi của nước đến mức vượt hơn ảnh hưởng của mật độ. Bảng 2.1 cho các giá trị vận tốc của sóng dọc và sóng ngang trong một số vật liệu thường dùng.