Khoảng cách
Bước sóng v
Độ dịch chuyeồn cuỷa haùt
Biên độ a0
0
CHệễNG 2 61 Tần số của một sóng cũng là tần số dao động của các nguyên tử của môi trường mà trong đó sóng truyền – thường được ký hiệu bằng chữ f và biểu thị số chu kỳ trong một giây được đặt tên theo tên của nhà vật lý H. Hertz và viết tắt Hz.
1Hz = 1 chu kyứ trong 1 giaõy.
1KHz = 1000Hz = 1000 chu kyứ trong 1 giaõy.
1MHz = 1000.000Hz = 1000.000 chu kyứ trong 1 giaõy.
Trong các thiết bị hiện đại, có thể phát được tần số đến dải GHz. Tuy nhiên, trong kiểm tra vật liệu tần số sóng siêu âm thường sử dụng nằm trong dải 0,5MHz đến 20MHz. Cho kiểm tra kim loại dải tần số phổ biến nhất là từ 2MHz đến 20MHz. Tần số đóng vai trò quan trọng trong phát hiện và đánh giá khuyết tật.
2.2.2. Biên độ :
Độ dịch chuyển của trọng vật (hình 2.1) hoặc các hạt môi trường (hình 2.3 và 2.4) so với vị trí cân bằng của nó được gọi là biên độ. Trong phương trình sóng 2.2 “a” là biên độ tại thời điểm “t” còn a0 là biên độ dao động cực đại (xem thêm phần 4.3.1).
2.2.3. Bước sóng :
Trong khoảng thời gian chu kỳ T của dao động, sóng truyền được một quãng đường xác định. Quãng đường đó được định nghĩa là bước sóng và ký hiệu bằng một chữ cái Hy Lạp
. Các nguyên tử của môi trường ở cách nhau một quãng đường trên sẽ ở cùng một trạng thái dao động (tức là ở cùng một pha như nhau) khi sóng truyền qua môi trường.
Mối liên hệ giữa “”, “f” và “v” đưa ra trong phương trình 2.5 chứng tỏ rằng một môi trường xác định, bước sóng và tần số nghịch đảo với nhau. Do đó tần số cao thì bước sóng càng ngắn và ngược lại. Trong kiểm tra thực tế thường các khuyết tật cỡ /2 hoặc /3 có thể phát hiện được. Do đó bước sóng càng nhỏ thì khả năng phát hiện được các khuyết tật càng nhỏ hơn. Như vậy sóng siêu âm có bước sóng ngắn hoặc tần số cao cho độ nhạy khuyết tật tốt hơn.
Ví dụ : So sánh độ nhạy phát hiện khuyết tật của đầu dò có tần số 1MHz với đầu dò tần số 6MHz trong theùp.
Giải : Độ nhạy khuyết tật đã được giả thiết ở mức độ /3 nên đối với đầu dò tần số 1MHz Ta có : = v/f
= 5940 (cho theùp) 1000/1 1000000mm.
= 5,94mm Độ nhạy khuyết tật = /3 = 1,98mm Với đầu dò có tần số 6MHz.
Ta có : = 5940 1000/6 1000000mm.
= 0,99mm.
Độ nhạy khuyết tật = /3
= 0,33mm.
2.2.4. Vận tốc :
Đại lượng biểu thị cho tốc độ năng lượng được truyền giữa hai điểm trong môi trường do chuyển động của sóng là vận tốc của sóng. Thường ký hiệu là “v”. Các loại sóng và vận tốc truyền các loại sóng sẽ được trình bày chi tiết ở phần 2.3
2.2.5. Âm trở :
Sức cản của một vật liệu đối với sự truyền sóng siêu âm được gọi là âm trở. Ký hiệu là Z và được xác định là tích số của mật độ vật liệu và vận tốc v của sóng siêu âm truyền trong vật liệu :
Z = .v (2.6) Như vậy, giá trị âm trở của một vật liệu có thể xem như chỉ phụ thuộc vào các tính chất vật lý của chúng và không phụ thuộc vào các đặc tính và tần số của sóng.
Bảng 2.1 cho các giá trị âm trở của một số vật liệu thường dùng.
2.2.6. Âm áp :
Âm áp là thuật ngữ được dùng phổ biến để chỉ biên độ các sức căng biến đổi tuần hoàn trong một vật liệu do truyền sóng siêu âm.
Âm áp P liên hệ với âm trở Z và biên độ dao động a của hạt như sau :
P = Z.a (2.7) Trong đó : P – Âm áp.
Z – Âm trở.
a – Biên độ dao động của hạt.
Như vậy, dù nó có giá trị nhỏ nhất nhưng vẫn cần một thời gian xác định để năng lượng siêu âm truyền từ một lớp này qua lớp kế tiếp, nên pha dao động của mỗi lớp là khác nhau dù nhỏ nhưng vẫn là một lượng xác định. Do vậy, năng lượng âm cần phải có thời gian để có thể truyền từ nguồn phát đến nơi ghi nhận (phương trình 2.2).
2.2.7. AÂm naêng :
Ta hãy tưởng tượng có một đĩa tròn dao động và phát ra sóng âm đồng thời vật liệu được truyền âm chia thành vô số lớp mỏng. Khi đĩa nguồn dao động, đầu tiên sẽ đẩy các lớp gần nó nhất theo hướng truyền. Dần dần các lớp kế tiếp bị dịch chuyển một cách tuần tự và dịch chuyển này cứ tiếp tục cho đến lớp cuối cùng - nơi đặt thiết bị ghi nhận.
Đây chính là năng lượng của các dao động hoặc các sóng chứ không phải hạt trong vật liệu dịch chuyển từ nguồn phát đến nơi ghi nhận. Bản thân các hạt chỉ dao động xung quanh vị trí trung bình của chúng với biên độ rất nhỏ, thực tế chỉ cỡ bằng một phần nhỏ cuûa mm.
CHệễNG 2 63 Bảng 2.1 : Khối lượng riêng, vận tốc sóng âm và âm trở của các vật liệu thông dụng.
Vật liệu Mật độ
(Kg/m3) vt
(m/s) vl
(m/s) Z
103 kg.m-2s-1 Khoâng khí
Nhoâm Oxide Nhoâm Titanate Barium Đồng thau
1,3 2700 3600 5400 8100
--- 3130 5500 --- 2120
330 6320 9000 5000 4430
430 17064 32400 27000 35883 Gang
Beâ toâng Đồng Thuûy tinh Glycerine
6900 2000 8900 3600 1300
2200 --- 2260 2560 ---
5300 4600 4700 4260 1920
24150 9200 41830 15336 2496 Sắt xám
Chì
Magnesium Dầu nhớt Nickel
7200 11400 1700 870 8800
2650 700 3050 --- 2960
4600 2660 5770 1740 5630
33120 24624 9809 1514 49544 Nylon
Daàu olive Teflon
Thủy tinh hữu cơ Polyamide (Nylon) Polyethylene
1140 900 2200 1180 1100 940
--- --- 550 1430 1080 925
2700 1400 1350 2730 2620 2340
3000 1300 3000 3221 2882 2200 Polystyrol
Polyvinyl Chroride (PVC hard) Thạch anh
Thủy tinh làm bằng thạch anh Cao su lưu hóa
1060 1400 2650 2600 1200
1150 1060 --- 3515 ---
2380 2395 5760 5570 2300
2523 3353 15264 14482 2800 Bạc
Thép (hợp kim thấp)
Thép (dạng khối chuẩn định) Theùp (nguyeân chaát)
Titanium
10500 7850 7850 7800 4500
1590 3250 3250 3130 3120
3600 5940 5920 5740 5990
37800 46620 46472 44800 27000 Tungsten
Tungsten avaldite Uranium
Nước Zinconium
19300 10500 18700 1000 6400
2880 --- 2020 --- 2300
5170 2060 3370 1480 4650
100000 21650 63000 1480 29800 2.2.8. Cường độ âm :
Sự truyền của năng lượng cơ học do các sóng siêu âm qua một đơn vị tiết diện vuông góc với phương truyền của sóng được gọi là cường độ sóng siêu âm, thường ký hiệu là chữ I và liên hệ với âm áp P, âm trở Z và biên độ dao động của hạt theo biểu thức sau :
Z 2 I P
2 (2.8)
và
2
I Pa (2.9) Trong đó : I – Cường độ.
P – Âm áp.
Z – Âm trở.
a – Biên độ dao động của hạt.
2.2.8.1. Thang ủo theo decibel (dB) :
Trong nghiên cứu siêu âm, các thay đổi cường độ và âm áp thường theo thang logarit và việc đo đạc tiến hành nhằm so sánh với một số tiêu chuẩn đặt ra.
Đơn vị decibel bằng 1/10 bel là đơn vị dựa trên cơ sở logarit thập phân. Nếu cần so sánh hai tín hiệu siêu âm có cường độ I0 và I1 và các tín hiệu này làm dao động các biến tử tạo ra những tín hiệu điện có công suất là P0 và P1 tương ứng. Do đó tỷ số cường độ siêu âm sẽ bằng với tỷ số công suất tín hiệu điện hình thành, nghĩa là :
1 0 1
0
P P I
I (2.10)
Trong thực tế, thường sử dụng đồng hồ đo điện thế AC hoặc máy hiện sóng dao động kế CRT (cathode ray oscilloscope) để ghi nhận. Các thiết bị này đo điện thế có quan hệ tỷ lệ với bình phương âm áp nghĩa là P tỉ lệ với V2 . Khi thay vào phương trình (2.10) ta được :
2
1 0 1
0 1
0
V V P
P I
I
(2.11)
Tỷ số này tương đối lớn nên ta lấy logarit thập phân của hai vế phương trình (2.11) được:
1 0 2
1 0 1
0
V log V V 2
log V I
log I Bels
Vì 1decibel baèng 1/10bel neân Cường độ tính theo Decibel
= decibel
V log V 20 P bels
log P I 10
log I 10
1 0 10 1
0 1
0
(2.12)
CHệễNG 2 65 Khái niệm này cũng sẽ được trình bày thêm trong phần 4.3.1. khi xây dựng thang đo Decibel trong kiểm tra siêu âm thực tế.