Siêu âm là tên gọi được sử dụng cho các sóng âm có tần số vượt khỏi dải tần số mà tai người có thể nghe được, tức là vượt quá 20 kHz. Nói chung các sóng siêu âm có dải tần số từ 0.5 MHz đến 20 MHz được sử dụng trong kiểm tra vật liệu. Hình 2.0 biểu diễn phổ âm với các dải tần số siêu âm được sử dụng phổ biến cho kiểm tra một số sản phẩm công nghieọp.
Sóng siêu âm được GALTON phát hiện vào năm 1883. Nhưng chỉ phát triển nhanh chóng trong chiến tranh thế giới II. Nhờ các phương pháp xung có nguồn gốc từ kỹ thuật radar đã mở rộng đáng kể phạm vi ứng dụng của siêu âm. Phương pháp siêu âm trở nên phổ biến rộng rãi khi được áp dụng trong kiểm tra không phá hủy vật liệu. Ngoài ra, siêu âm còn ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như: sử dụng trong chuẩn đoán y khoa, điều khiển tự động hóa, làm sạch, khoan, nhũ tương hóa và các quá trình xử lý vật liệu.
Hình 2.0 : Phổ âm với các dải tần số siêu âm được sử dụng phổ biến cho kiểm tra một số sản phẩm công nghiệp.
2.1.2. Ưu điểm của việc lựa chọn dải tần số siêu âm so với âm thanh (nghe được):
Siêu âm được lựa chọn sử dụng thích hợp hơn so với âm thanh trong nhiều ứng dụng thực tế là do một hoặc nhiều lý do sau:
Khi siêu âm được lựa chọn sẽ tăng tính chất định hướng của kiểm tra - tần số càng cao tính định hướng càng lớn. Đây là xem xét chính để tăng khả năng phát hiện khuyết tật và tạo thuận lợi trong phân tích tín hiệu dưới nước.
Khi lựa chọn tần số càng cao thì bước sóng càng ngắn và đến mức có thể bằng hoặc nhỏ hơn nhiều kích thước các mẫu vật liệu. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong đo kiểm bề dày mỏng và phát hiện khuyết tật có độ phân dải cao.
Sử dụng siêu âm sẽ không gây ồn âm thanh trong quá trình kiểm tra.
Kiểm tra độ dày Kiểm tra mốihàn Kiểm tra sản phẩm đúc,rèn Dải tần số số tai
người có thể nghe thấy
AÂM SIEÂU AÂM
10.0 MHz 5.0 MHz
2.0 MHz 1.0 MHz
0.5 MHz 20kHz
20 Hz
2.1.3 Bản chất của các sóng âm:
Sóng siêu âm được biết là một dạng dao động cơ học. Để hiểu chuyển động của sóng siêu âm trong một môi trường, cần phải hiểu cơ chế truyền năng lượng giữa hai điểm trong môi trường bằng cách hãy bắt đầu nghiên cứu dao động của một trọng vật treo ở đầu một lò xo (hình 2.1a).
Hình 2.1 – a) Trọng vật treo bởi một lò xo; b) Hình vẽ dịch chuyển của W theo thời gian.
Có hai lực tác dụng lên W, khi nó ở trạng thái cân bằng A, là trọng lực G và lực căng T của lò xo. Bây giờ nếu W chuyển động từ vị trí cân bằng A đến vị trí B, thì sức căng T sẽ tăng. Khi rời chuyển khỏi vị trí B thì W sẽ được gia tốc về vị trí A dưới ảnh hưởng của sự tăng lực căng nó. Khi về đến A trọng lực G và lực căng T lại cân bằng nhưng do trọng vật W chuyển động có vận tốc nên theo quán tính nó sẽ vượt qua A và chuyển động đến vị trí C, khi ấy lực căng T giảm dần và trọng lực G tăng tương đối có xu hướng hãm W cho đến khi W không còn động năng và dừng ở C. Tại C, G lớn hơn T lại kéo W quay lại ch uyển động về phía A. Tại A nó lại có động năng và lại một lần nữa vượt qua A. Khi W chuyển động từ A đến B, T lại tăng dần và hãm dần W cho đến khi nó đến B. Tại B, T lớn hơn G và toàn bộ quá trình lại bắt đầu lặp lại. Trình tự dịch chuyển của W từ vị trí A đến B, từ B về A, từ A đến C và từ C về A được gọi là một chu trình. Số chu trình diễn ra trong một giây được định nghĩa là tần số của dao động. Thời gian cần thiết để thực hiện hoàn tất một chu trình được gọi là chu kỳ T của dao động trong đó :
f T 1 .
Độ dịch chuyển cực đại của W từ A đến B hoặc từ A đến C được gọi là biên độ của dao động. Các khái niệm trên được minh hoạ ở hình 2.1b.
Mọi vật liệu đều cấu tạo từ các nguyên tử (hoặc phân tử) liên kết với nhau nhờ lực liên kết nguyên tử. Các lực nguyên tử này là các lực đàn hồi tức là các nguyên tử được coi như được nối với nhau bằng các lò xo. Theo ý nghĩa này, mô hình đơn giản của vật liệu có thể được biểu diễn như ở hình 2.2.
Độ dịch chuyeồn
leân
xuoáng
Một chu kỳ
Thời gian Biên độ
T
G
W A
B C
CHệễNG 2 59 Hình 2.2 – Mô hình của một vật thể đàn hồi
Bây giờ nếu một nguyên tử của vật liệu bị dịch khỏi vị trí ban đầu của nó do một lực căng tác dụng lên vật liệu, thì nguyên tử này sẽ dao động như trọng vật W được mô tả ở hình 2.1a. Do lực liên kết giữa các nguyên tử sẽ làm cho các nguyên tử kề cận nó dao động.
Và tiếp tục khi các nguyên tử kế cận dao động thì chuyển động dao động được truyền cho các nguyên tử bên cạnh và cứ thế tiếp tục .v.v…. Nếu tất cả nguyên tử liên kết với nhau một cách vững chắc (liên kết cứng) thì sự truyền dao động là đồng thời và duy trì cùng một trạng thái dao động, tức là cùng pha. Nhưng thực tế, liên kết giữa các nguyên tử của vật liệu là lực đàn hồi, nên việc truyền dao động cần một thời gian xác định và cá c nguyên tử đạt được trạng thái pha dao động trễ hơn nguyên tử bị kích thích đầu tiên.
Khi một sóng cơ học truyền qua một môi trường thì dịch chuyển của một hạt môi trường khỏi vị trí cân bằng ở thời điểm bất kỳ t được cho bởi :
a=a0sin2ft (2.1) Trong đó : a = Độ dịch chuyển của hạt ở thời điểm t.
a0 = Biên độ dao động của hạt.
f = Tần số dao động của hạt.
Biểu diễn đồ thị trong phương trình 2.1 được trình bày ở hình 2.3.
Hình 2.3 – Đồ thị minh họa cho phương trình 2.1 mô tả sự dao động của những phần tử dao động theo thời gian.
Lực liên kết giữa các nguyên tử
Các nguyên tử Đàn hồi
Thời gian
f T 1 Chu kyứ Độ dịch chuyeồn cuỷa haùt (a)
a0
0
Phương trình (2.2) là phương trình chuyển động của sóng cơ học trong môi trường. Nó cho trạng thái của các hạt (pha) ở các khoảng cách khác nhau tính từ hạt bị kích thích đầu tiên ở thời điểm t xác định.
v
t x f 2 sin a
a 0 (2.2) Trong đó : a = Độ dịch chuyển (tại thời điểm t và khoảng cách x tính từ hạt đầu tiên bị kích thích) của một hạt môi trường có sóng truyền qua.
a0 = Biên độ của sóng cũng chính bằng biên độ dao động của các hạt môi trường.
v = Vận tốc lan truyền của sóng.
f = Tần số của sóng.
Hình 2.4 cho ta đồ thị biểu diễn của phương trình 2.2.
Hình 2.4 –Đồ thị minh họa cho phương trình 2.2.
Vì trong thời gian một chu kỳ T, một sóng cơ học có vận tốc v truyền đi được quãng đường trong môi trường, do vậy ta có :
= vT hay
v T (2.3) Chu kỳ T liên hệ với tần số f bởi :
T
f 1 (2.4) Kết hợp phương trình (2.3) và (2.4) chúng ta thu được phương trình cơ bản của mọi chuyển động sóng là :
v = f (2.5) Trong phương trình 2.5 nếu f có đơn vị là Hz, là mm thì đơn vị của v là mm/s. Còn nếu đơn vị của f là MHz, là mm thì đơn vị của v là Km/s.