Bài giảng Kỹ thuật siêu âm - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

Chia sẻ: Mucnang222 Mucnang222 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:138

Thêm vào BST

Báo xấu

33
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Kỹ thuật siêu âm do trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định biên soạn cung cấp cho người học các kiến thức: Khái niệm chung về siêu âm, Cơ sở thiết bị siêu âm, Một số thiết bị ứng dụng siêu âm. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kỹ thuật siêu âm - ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Nam Định

LêI Më §ÇU Kü thuËt siªu ©m ®· ®îc biÕt ®Õn tõ l©u vµ ®îc øng dông rÊt réng r·i trong nhiÒu lÜnh vùc nh: y häc, c«ng nghiÖp vµ d©n dông. Ngêi ta ®· sö dông siªu ©m ®Ó th¨m dß khuyÕt tËt trong c¸c mèi hµn kim lo¹i, ®¸nh s¹ch bÒ mÆt vËt liÖu, t×m c¸c luång c¸ trong biÓn…®Æc biÖt lÜnh vùc øng dông siªu ©m réng r·i vµ quan träng nhÊt lµ trong y häc chuÈn ®o¸n vµ ®iÒu trÞ. Víi mét u viÖt ®Æc biÖt lµ kh«ng g©y nh÷ng t¸c ®éng xÊu vÒ sinh häc ®èi víi c¬ thÓ ngêi nh tia X – quang hay trong y häc chÈn ®o¸n h×nh ¶nh. Tuy nhiªn, ®Ó hiÓu biÕt ®îc nh÷ng øng dông cña siªu ©m ®ßi hái ph¶i ®îc häc nh÷ng kiÕn thøc c¬ b¶n vÒ b¶n chÊt vËt lý cña sãng siªu ©m, c¬ së thiÕt bÞ, nguyªn lý lµm viÖc thiÕt bÞ siªu ©m, ph¬ng ph¸p vµ kü thuËt kiÓm tra b»ng siªu ©m. Nhng hiÖn nay ë níc ta tµi liÖu nghiªn cøu còng nh c¸n bé kü thuËt biÕt vÒ lÜnh vùc nµy cßn h¹n chÕ. §Ó gãp phÇn vµo c«ng t¸c nghiªn cøu, c«ng t¸c ®µo t¹o ch¬ng tr×nh ®µo t¹o kü s ngµnh c«ng nghÖ kü thuËt ®iÖn, ®iÖn tö cña trêng §¹i häc SPKT Nam §Þnh ®· ®a m«n häc Kü thuËt siªu ©m tÇn vµo gi¶ng d¹y víi hy väng cung cÊp mét phÇn kiÕn thøc c¬ b¶n vÒ kü thuËt siªu ©m vµ øng dông cña siªu ©m. Do ®ã bµi gi¶ng Kü thuËt siªu ©m ®îc biªn so¹n phôc vô cho c«ng t¸c gi¶ng d¹y, lµm tµi liÖu häc tËp cho sinh viªn vµ tµi liÖu nghiªn cøu cho c¸c b¹n ham mª nghiªn cøu khoa häc. TËp bµi gi¶ng kü thuËt siªu ©m tÇn gåm 3 ch¬ng: Ch¬ng 1: Kh¸i niÖm chung vÒ siªu ©m Ch¬ng 2: C¬ së thiÕt bÞ siªu ©m Ch¬ng 3: Mét sè thiÕt bÞ øng dông siªu ©m ®· ®îc ®Ò cËp ®Õn vÊn ®Ò chÝnh sau: tÝnh chÊt cña sãng siªu ©m, c¸c t¬ng t¸c cña siªu ©m, c¬ së nguyªn lý vµ cÊu tróc thiÕt bÞ siªu ©m, c¸c øng dông cña siªu ©m. Trong qu¸ tr×nh biªn so¹n, chóng t«i ®· nhËn ®îc sù gióp ®ì hÕt søc quÝ b¸u, sù ®ãng gãp ý kiÕn x©y dùng cña c¸c gi¶ng viªn trong bé m«n Kü thuËt ®iÖn tö, trong Khoa ®iÖn, ®iÖn tö trêng ®¹i häc SPKT Nam §Þnh. MÆc dï ®· cã nhiÒu cè g¾ng xong bµi gi¶ng kh«ng thÓ tr¸nh khái c¸c sai sãt. Chóng t«i rÊt mong nhËn ®îc ý kiÕn ®ãng gãp cña b¹n ®äc ®Ó bµi gi¶ng sÏ ®îc hoµn thiÖn h¬n. Nam §Þnh, ngµy ..... th¸ng 11 n¨m 2011 Chñ biªn Ths. Nghiªm ThÞ Thóy Nga Ths. NguyÔn ThÞ Hßa 1
MỤC LỤC Lêi më ®Çu ..................................................................................................................... 1 Cu¬ng 1: Kh¸i niÖm chung vÒ siªu ©m ..................................................................... 5 1.1. Sãng ©m thanh ...................................................................................................... 5 1.1.1. §Þnh nghÜa sãng ©m ...................................................................................... 5 1.1.2. Ph©n lo¹i sãng ©m ......................................................................................... 5 1.2. Sãng siªu ©m ........................................................................................................ 6 1.2.1. §Þnh nghÜa siªu ©m ....................................................................................... 6 1.2.2. §Æc ®iÓm cña sãng siªu ©m .......................................................................... 6 1.2.3. B¶n chÊt cña sãng siªu ©m ............................................................................ 7 1.2.4. Ph¬ng tr×nh c¬ b¶n cña sãng siªu ©m ......................................................... 9 1.3. C¸c ®¹i lîng ®Æc trng qu¸ tr×nh truyÒn sãng siªu ©m ..................................... 10 1.3.1. TÇn sè .......................................................................................................... 10 1.3.2. Biªn ®é ........................................................................................................ 11 1.3.3. Bíc sãng.................................................................................................... 12 1.3.4. VËn tèc ........................................................................................................ 13 1.3.5. Trë kh¸ng ©m .............................................................................................. 13 1.3.6. ¢m ¸p (¸p suÊt ©m) ..................................................................................... 13 1.3.7. ¢m n¨ng (n¨ng lîng sãng siªu ©m) .......................................................... 14 1.3.8. Cêng ®é sãng siªu ©m ............................................................................... 14 1.4. C¸c d¹ng sãng siªu ©m vµ øng dông .................................................................. 15 1.4.1. Sãng däc hay sãng nÐn (Longitudinal or compressional waves) ................ 16 1.4.2. Sãng ngang hay sãng trît (Transverse or shear waves) ............................ 17 1.4.3. Sãng mÆt hay sãng Rayleigh (surface or Rayleigh Wares) ........................ 18 1.4.4. Sãng lamb hoÆc sãng b¶n máng (lamb or plate waves) .............................. 18 1.4.5. VËn tèc cña sãng siªu ©m ........................................................................... 20 1.5. Sù truyÒn lan sãng siªu ©m................................................................................. 21 1.5.1. Ph¶n x¹........................................................................................................ 21 1.5.2. T¸n x¹ ......................................................................................................... 26 1.5.3. Khóc x¹ ....................................................................................................... 27 1.5.4. Giao thoa ..................................................................................................... 32 1.5.5. Sù hÊp thô ................................................................................................... 35 2
1.6. Sù suy gi¶m cña chïm tia siªu ©m ....................................................................35 1.6.1. Kh¸i niÖm ....................................................................................................35 1.6.2. Thang ®o theo decibel .................................................................................37 1.6.3. Líp nöa gi¸ trÞ (HVL- HaLf Value Layer) .................................................38 1.6.4. Decibel vµ HVL ..........................................................................................38 1.6.5. TÝnh to¸n suy gi¶m ......................................................................................39 1.6.6. TÝnh to¸n cêng ®é .....................................................................................40 1.7. §Æc tÝnh cña chïm tia siªu ©m ...........................................................................41 1.7.1. Chïm tia siªu ©m.........................................................................................41 1.7.2. Trêng gÇn .................................................................................................43 1.7.3. Trêng xa ...................................................................................................45 C©u hái «n tËp ch¬ng 1..............................................................................................48 Cu¬ng 2: C¬ së thiÕt bÞ siªu ©m ................................................................................49 2.1. C¸c ph¬ng ph¸p kiÓm tra b»ng siªu ©m ............................................................49 2.1.1 Ph¬ng ph¸p truyÒn qua (ph¬ng ph¸p bãng ©m) .......................................49 2.1.2. Ph¬ng ph¸p xung ph¶n håi ........................................................................51 2.1.3. Ph¬ng ph¸p céng hëng ............................................................................59 2.1.4. Ph¬ng ph¸p tù ®éng vµ b¸n tù ®éng ..........................................................60 2.2. §Çu dß siªu ©m ...................................................................................................62 2.2.1. HiÖu øng ¸p ®iÖn .........................................................................................62 2.2.2. VËt liÖu ¸p ®iÖn ...........................................................................................64 2.3. C¸c lo¹i ®Çu dß vµ øng dông ..............................................................................77 2.3.1. §Çu dß th¼ng ...............................................................................................77 2.3.2. §Çu dß gãc (®Çu dß xiªn). ...........................................................................83 2.3.3. §Çu dß ®Æc biÖt ...........................................................................................85 C©u hái «n tËp ch¬ng 2..............................................................................................86 Ch¬ng 3: Mét sè thiÕt bÞ øng dông siªu ©m ............................................................87 3.1. Siªu ©m dß khuyÕt tËt kim lo¹i ...........................................................................87 3.1.1. Kü thuËt kiÓm tra khuyÕt tËt kim lo¹i b»ng siªu ©m ...................................87 3.1.2. S¬ ®å khèi m¸y dß khuyÕt tËt kim lo¹i .......................................................94 3.1.3. Nguyªn lý lµm viÖc .....................................................................................95 3.2. Siªu ©m chuÈn ®o¸n trong y tÕ .........................................................................102 3
3.2.1 Ph¬ng ph¸p t¹o ¶nh b»ng siªu ©m............................................................ 102 3.2.2. CÊu tróc c¬ b¶n cña thiÕt bÞ siªu ©m y tÕ. ................................................. 110 3.2.3. Chøc n¨ng vµ nguyªn lý lµm viÖc ............................................................. 110 3.3. Mét sè thiÕt bÞ siªu ©m kh¸c ............................................................................ 115 3.3.1. øng dông sãng siªu ©m trong hÖ thèng ph¸t hiÖn ®ét nhËp vµ di ®éng .... 115 3.3.2. ThiÕt bÞ tÈy röa dïng sãng siªu ©m ........................................................... 121 3.3.3 ThiÕt bÞ ®o kho¶ng c¸ch sö dông sãng siªu ©m ......................................... 126 3.4. C¸c m¹ch ®iÖn øng dông .................................................................................. 132 3.4.1. M¹ch ®o kho¶ng c¸ch sö dông sãng siªu ©m .......................................... 132 C©u hái «n tËp ch¬ng 3 ........................................................................................... 135 Tµi liÖu häc tËp .......................................................................................................... 136 Phô lôc ........................................................................................................................ 137 4
CH¬ng 1: Kh¸i niÖm chung vÒ siªu ©m 1.1. Sãng ©m thanh 1.1.1. §Þnh nghÜa sãng ©m ¢m thanh lµ n¨ng lîng c¬ häc ®îc truyÒn qua m«i trêng. C¸c thay ®æi tuÇn hoµn díi ¸p lùc cña m«i trêng (kh«ng khÝ, níc hoÆc s¾t) ®îc t¹o ra bëi c¸c lùc t¸c dông t¸c ®éng lªn c¸c phÇn tö khiÕn chóng dao ®éng quanh vÞ trÝ c©n b»ng cña chóng. Sãng ©m lµ nh÷ng dao ®éng c¬ häc hay sãng ®µn håi, lan truyÒn trong m«i trêng ®µn håi gäi lµ sãng ®µn håi hay sãng c¬. Sãng ©m thanh lan truyÒn ®îc trong c¸c m«i trêng vËt chÊt ®µn håi nh trong chÊt r¾n (thÐp, ®¸…) trong c¸c tinh thÓ, trong c¸c chÊt láng nh (níc, c¸c dung m«i h÷u c¬) vµ trong c¸c chÊt thÓ khÝ. VËy ta cã thÓ t¹o ra sãng ©m b»ng c¸ch t¸c ®éng mét lùc c¬ häc vµo m«i trêng truyÒn ©m. VÝ dô: §¸nh vµo mÆt trèng Dßng ®iÖn lµm rung mµng loa §¹n bay trong kh«ng khÝ. 1.1.2. Ph©n lo¹i sãng ©m 1. Ph©n lo¹i theo ph¬ng dao ®éng Dùa vµo c¸c c¸ch truyÒn sãng ngêi ta chia sãng ©m thanh thµnh 2 lo¹i lµ sãng däc vµ sãng ngang. Sãng ngang: lµ sãng mµ ph¬ng dao ®éng cña c¸c ph©n tö m«i trêng vu«ng gãc víi ph¬ng truyÒn sãng. Sãng ngang xuÊt hiÖn trong c¸c m«i trêng cã tÝnh ®µn håi vÒ h×nh d¹ng, tÝnh chÊt nµy chØ cã ë c¸c chÊt r¾n. Sãng däc: lµ sãng mµ ph¬ng dao ®éng cña c¸c ph©n tö m«i trêng trïng víi ph¬ng truyÒn sãng. Sãng däc xuÊt hiÖn trong c¸c m«i trêng cã thÓ biÕn d¹ng vÒ thÓ chÊt, tÝnh chÊt nµy cã c¶ chÊt r¾n, láng vµ khÝ. Sãng siªu ©m øng dông trong siªu ©m chuÈn ®o¸n thuéc lo¹i sãng däc. 2. Ph©n lo¹i theo tÇn sè Còng nh sãng ®iÖn tö sãng ©m thanh chiÕm mét d¶i b¨ng tÇn kh¸ réng, tïy theo tÇn sè cña sãng mµ ngêi ta chia ra c¸c vïng: Sãng ©m tÇn sè cùc thÊp gäi lµ vïng h¹ ©m f
Sãng siªu ©m f > 20KHz 1.2. Sãng siªu ©m 1.2.1. §Þnh nghÜa siªu ©m Sãng siªu ©m ®îc Galton ph¸t hiÖn vµo n¨m 1883 vµ ph¸t triÓn nhanh chãng trong chiÕn tranh thÕ giíi thø 2. Siªu ©m lµ sãng c¬ häc tÇn sè cao mµ con ngêi kh«ng thÓ nghe thÊy cã tÇn sè f > 20KHz. Siªu ©m lµ mét lo¹i dao ®éng c¬ häc ®îc truyÒn ®i trong mét m«i trêng vËt chÊt nhÊt ®Þnh. N¨ng lîng c¬ häc nµy t¸c ®éng vµo c¸c ph©n tö vËt chÊt cña m«i trêng lµm cho chóng dao ®éng khái vÞ trÝ c©n b»ng, mÆt kh¸c do t¬ng t¸c mµ c¸c ph©n tö bªn c¹nh nã còng chÞu ¶nh hëng vµ dao ®éng theo, t¹o thµnh sãng lan truyÒn cho tíi khi hÕt n¨ng lîng, chÝnh v× vËy siªu ©m kh«ng thÓ truyÒn ë m«i trêng ch©n kh«ng nh c¸c sãng ®iÖn tõ. D¶i tÇn sãng siªu ©m: D¶i tÇn tõ 0,5MHz ®Õn 20MHz ®îc sö dông trong kiÓm tra vËt liÖu. D¶i tÇn tõ 1,5MHz ®Õn 10MHz sö dông trong siªu ©m chuÈn ®o¸n. D¶i tÇn tõ 20MHz ®Õn 50MHz sö dông m¸y siªu ©m da liÔu. Trong điều trị ta dùng siêu âm có tần số 1MHz và 3MHz ©m Siªu ©m 20Hz 20Khz 0,5MHz 1,0MHz 2,0MHz 5MHz 10MHz KiÓm tra s¶n phÈm ®øc rÌn D¶i tÇn sè tai ngêi KiÓm tra mèi hµn KiÓm tra ®é dµy H×nh 1.1: Phæ ©m víi c¸c d¶i tÇn siªu ©m ®îc sö dông phæ biÕn cho kiÓm tra mét sè s¶n phÈm c«ng nghiÖp. 1.2.2. §Æc ®iÓm cña sãng siªu ©m Khi siªu ©m ®îc lùa chän sÏ t¨ng tÝnh chÊt ®Þnh híng kiÓm tra, n¨ng lîng sãng truyÒn ®i theo mét ph¬ng nhÊt ®Þnh, tÇn sè cµng cao tÝnh ®Þnh híng cµng lín. §©y lµ xem xÐt chÝnh ®Ó t¨ng kh¶ n¨ng ph¸t hiÖn khuyÕt tËt vµ t¹o thuËn lîi trong ph©n tÝch tÝn hiÖu díi níc vµ chÕ t¹o c¸c hÖ héi tô ®Ó tËp trung n¨ng lîng lín trªn mét diÖn tÝch hÑp. 6
Khi lùa chän tÇn sè cµng cao th× bíc sãng cµng ng¾n vµ ®Õn møc cã thÓ b»ng hoÆc nhá h¬n nhiÒu kÝch thíc c¸c mÉu vËt liÖu. §iÒu nµy cã ý nghÜa quan träng trong ®o kiÓm tra bÒ dµy máng vµ ph¸t hiÖn khuyÕt tËt cã ®é ph©n d¶i cao. Sãng siªu ©m mang n¨ng lîng lín h¬n sãng ©m. Trong d¶i sãng siªu ©m víi mét ®iÒu kiÖn nhÊt ®Þnh xuÊt hiÖn hiÖn tîng x©m thùc sãng x¶y ra trong chÊt láng. Sö dông siªu ©m sÏ kh«ng g©y ån ©m thanh trong qu¸ tr×nh kiÓm tra. 1.2.3. B¶n chÊt cña sãng siªu ©m Sãng siªu ©m lµ mét d¹ng dao ®éng c¬ häc. §Ó hiÓu sù chuyÓn ®éng cña sãng siªu ©m trong m«i trêng cÇn ph¶i hiÓu c¬ chÕ truyÒn n¨ng lîng gi÷a hai ®iÓm trong m«i trêng b»ng c¸ch nghiªn cøu dao ®éng cña mét träng vËt treo ë ®Çu mét lß xo. H×nh 1. 2: S¬ ®å dao ®éng cña sãng siªu ©m Cã 2 lùc t¸c dông lªn M khi ë tr¹ng th¸i c©n b»ng A, träng lùc G vµ lùc c¨ng T cña lß xo. - Khi M chuyÓn ®éng tõ A ®Õn B th× søc c¨ng T sÏ t¨ng. - Khi chuyÓn ®éng tõ B th× M sÏ ®îc gia tèc vÒ vÞ trÝ A díi t¸c dông cña lùc c¨ng T ®ã khi ®Õn A th× T = G (tr¹ng th¸i c©n b»ng). Nhng do M chuyÓn ®éng cã vËn tèc nªn theo qu¸n tÝnh nã sÏ vît khái A vµ chuyÓn ®éng ®Õn C, khi ®ã T gi¶m vµ G t¨ng t¬ng ®èi cã xu híng h·m M cho ®Õn khi M kh«ng cßn 7
®éng n¨ng vµ dõng ë C. T¹i C, G>T l¹i kÐo M quay l¹i chuyÓn ®éng vÒ phÝa A. T¹i A nã l¹i cã ®éng n¨ng vµ l¹i vît qua A chuyÓn ®éng ®Õn B. T t¨ng dÇn vµ h·m M khi nã ®Õn B. T¹i B, T l¹i lín h¬n G vµ toµn bé qu¸ tr×nh l¹i b¾t ®Çu lÆp l¹i. Tr×nh tù dÞch chuyÓn cña M tõ A -> B -> A -> C -> A, ®îc gäi lµ mét chu tr×nh. Thêi gian cÇn thiÕt ®Ó thùc hiÖn mét chu tr×nh gäi lµ chu kú: 1 T f Trong ®ã: T lµ chu kú cña dao ®éng (thêi gian cÇn thiÕt ®Ó thùc hiÖn 1 chu tr×nh) f lµ tÇn sè cña dao ®éng (sè dao ®éng toµn phÇn trong 1 gi©y) §é dÞch chuyÓn cùc ®¹i cña M tõ A-> B; A-> C ®îc gäi lµ biªn ®é cña dao ®éng ®îc minh häa nh h×nh vÏ. Mäi vËt liÖu ®Òu cã cÊu t¹o tõ nguyªn tö (ph©n tö) chóng ®îc liªn kÕt víi nhau nhê lùc liªn kÕt nguyªn tö. C¸c lùc nguyªn tö nµy lµ c¸c lùc ®µn håi tøc lµ c¸c nguyªn tö ®îc coi lµ nèi víi nhau b»ng c¸c lß xo. H×nh 1. 3: M¹ng liªn kÕt nguyªn tö cña c¸c ph©n tö B©y giê nÕu mét nguyªn tö cña vËt liÖu bÞ dÞch khái vÞ trÝ ban ®Çu cña nã do mét lùc nµo ®ã th× nguyªn tö nµy sÏ dao ®éng nh vËt M ®îc m« t¶ ë h×nh 1.2. Do lùc liªn kÕt gi÷a c¸c nguyªn tö sÏ lµm cho c¸c nguyªn tö kÕ cËn nã dao ®éng vµ tiÕp tôc khi c¸c nguyªn tö kÕ cËn dao ®éng th× chuyÓn ®éng dao ®éng ®îc truyÒn cho c¸c nguyªn tö bªn c¹nh vµ cø thÕ tiÕp tôc vv… NÕu tÊt c¶ c¸c nguyªn tö liªn kÕt víi nhau mét c¸ch v÷ng ch¾c (liªn kÕt cøng) th× sù truyÒn chuyÓn ®éng lµ ®ång thêi vµ duy tr× cïng mét tr¹ng th¸i dao ®éng, tøc cïng pha. 8
Nhng thùc tÕ liªn kÕt gi÷a c¸c nguyªn tö cña vËt liÖu lµ lùc ®µn håi nªn viÖc truyÒn dao ®éng cÇn mét thêi gian x¸c ®Þnh vµ c¸c nguyªn tö ®¹t ®îc tr¹ng th¸i pha dao ®éng trÔ h¬n nguyªn tö bÞ kÝch thÝch ®Çu tiªn. NÕu coi mäi vËt liÖu ®Òu ®îc cÊu t¹o bëi c¸c ph©n tö, nguyªn tö vµ chóng ®îc liªn kÕt chÆt chÏ víi nhau. Ta coi gi÷a chóng ®îc nèi víi nhau bëi c¸c lß so ®Ó t¹o ra lùc ®µn håi nh h×nh 1.3. ë tr¹ng th¸i b×nh thêng: mçi ph©n tö cã mét vÞ trÝ c©n b»ng bÒn nÕu t¸c dông lùc lªn phÇn tö A vÒ vÞ trÝ c©n b»ng nµo ®ã cña m«i trêng th× phÇn tö nµy rêi khái vÞ trÝ c©n b»ng bÒn vµ dao ®éng. Do lùc liªn kÕt gi÷a chóng c¸c ph©n tö nªn khi ph©n tö A dao ®éng sÏ kÐo theo c¸c ph©n tö bªn c¹nh dao ®éng theo. HiÖn tîng tiÕp tôc x¶y ra ®èi víi c¸c ph©n tö kh¸c cña m«i trêng. Cø nh vËy t¹o thµnh sãng ®µn håi hay sãng c¬. VËy b¶n chÊt cña sãng ©m lµ sù h×nh thµnh sãng c¬ trong m«i trêng chÊt ®µn håi (khÝ, láng, r¾n) vµ cã thÓ coi nh nh÷ng m«i trêng liªn tôc gåm nh÷ng ph©n tö liªn kÕt chÆt chÏ víi nhau. B¶n chÊt cña sãng ©m lµ sãng c¬ häc do ®ã tu©n theo mäi quy luËt ®èi víi sãng c¬. 1.2.4. Ph¬ng tr×nh c¬ b¶n cña sãng siªu ©m Khi mét sãng c¬ häc truyÒn trong mét m«i trêng sù dÞch chuyÓn cña ph©n tö trong m«i trêng khái vÞ trÝ c©n b»ng cña nã t¹i mét thêi ®iÓm t bÊt kú ®îc x¸c ®Þnh: a(t) = a0 sin2ft (1.1) Trong ®ã: a(t) lµ biªn ®é t¹i thêi ®iÓm hay ®é dÞch chuyÓn cña h¹t (ph©n tö) ë thêi ®iÓm t. a0 lµ biªn ®é dao ®éng cùc ®¹i cña h¹t hay lµ kho¶ng c¸ch dÞch chuyÓn tÝnh ë vÞ trÝ xa nhÊt. f lµ tÇn sè dao ®éng cña h¹t H×nh 1.4: §å thÞ miªu t¶ sù dao ®éng cña nh÷ng phÇn tö dao ®éng theo thêi gian 9
Ph¬ng tr×nh chuyÓn ®éng cña sãng c¬ häc trong mét m«i trêng cho ta biÕt tr¹ng th¸i cña ph©n tö ë vÞ trÝ kh¸c nhau tÝnh tõ h¹t bÞ kÝch thÝch ®Çu tiªn t¹i thêi ®iÓm t: a(x, t) = a0 sin2f(t – x/c) (1.2) Trong ®ã: x lµ kho¶ng c¸ch tõ h¹t ®Çu tiªn bÞ kÝch thÝch tíi thêi gian t. 2f =  lµ vËn tèc gãc cña dao ®éng a0 lµ biªn ®é dao ®éng cùc ®¹i c lµ vËn tèc truyÒn ©m trong m«i trêng a(x,t) lµ biªn ®é dao ®éng cña phÇn tö vËt chÊt trong m«i trêng truyÒn ©m. §é dÞch chuyÓn cña h¹t a0 Khoảng cách Bíc sãng H×nh 1.5: §å thÞ miªu t¶ sù dao ®éng cña nh÷ng phÇn tö dao ®éng theo kho¶ng c¸ch Trong thêi gian 1 chu kú (T) mét sãng c¬ häc cã vËn tèc (c) truyÒn ®i mét qu·ng ®êng  trong m«i trêng ®îc x¸c ®Þnh: c  1   c.T   c  vµ f  f T T Tõ ®ã ta t×m ®îc ph¬ng tr×nh c¬ b¶n cña mét chuyÓn ®éng sãng lµ: c  . f (1.3) Trong ®ã ®¬n vÞ thêng dïng: f(Hz); (mm) th× c (mm/s). f(MHz); (km) th× c (km/s). 1.3. C¸c ®¹i lîng ®Æc trng qu¸ tr×nh truyÒn sãng siªu ©m 1.3.1. TÇn sè TÇn sè cña mét sãng còng lµ tÇn sè dao ®éng cña c¸c nguyªn tö cña m«i trêng mµ trong ®ã sãng truyÒn, thêng ®îc ký hiÖu bëi ch÷ f vµ biÓu thÞ lµ sè chu kú trong 1 gi©y ®îc ®Æt tªn theo tªn cña nhµ vËt lý H.Hentz vµ viÕt t¾t lµ Hz. 10
1Hz =1 chu kú trong mét gi©y 1KHz =1000 Hz = 1000 chu kú trong mét gi©y 1 MHz=1.000.000Hz= 1.000.000 chu kú trong mét gi©y. Trong c¸c thiÕt bÞ hiÖn ®¹i cã thÓ ph¸t ®îc tÇn sè ®Õn d¶i GHz. Tuy nhiªn trong kiÓm tra vËt liÖu tÇn sè sãng siªu ©m thêng sö dông n»m trong d¶i 0,5 MHz ®Õn 20 MHz. VËy: TÇn sè cña sãng ©m (f) lµ sè dao ®éng cña sãng ©m thùc hiÖn trong mét ®¬n vÞ thêi gian (hoÆc tÇn sè sãng ©m lµ sè dao ®éng toµn phÇn cña c¸c nguyªn tö ph©n tö cña m«i trêng mµ trong ®ã cã sù truyÒn sãng diÔn ra). f  1 (1.4) T Trong ®ã: T (s) chu kú lµ kho¶ng thêi gian mµ ph©n tö thùc hiÖn mét dao ®éng f (Hz) = 1 (xung/s) TÇn sè cã vai trß quan träng trong ph¸t hiÖn vµ ®¸nh gi¸ khuyÕt tËt: d¶i tÇn phæ biÕn lµ 2MHz 20MHz TÇn sè cña Robot: 30KHz 80KHz TÇn sè cña con c«n trïng (d¬i, chuét chòi, ch©u chÊu... ): 100KHz 1.3.2. Biªn ®é Biªn ®é lµ sù thay ®æi ®é lín cña mét thùc thÓ vËt lý. §é dÞch chuyÓn cña träng vËt M h×nh (1.2) hoÆc c¸c h¹t m«i trêng (h×nh 1.4 vµ 1.5) so víi vÞ trÝ c©n b»ng cña nã ®îc gäi lµ biªn ®é. Trong ph¬ng tr×nh sãng (1.2) “a(t)” lµ biªn ®é t¹i thêi ®iÓm t cßn “a0” lµ biªn ®é dao ®éng cùc ®¹i. Biªn ®é ¸p dông cho: + ¸p suÊt cña m«i trêng + MËt ®é h¹t + VÞ trÝ h¹t hoÆc tèc ®é h¹t trong m«i trêng Ngoµi ra biªn ®é cã øng dông m« t¶ ®é lín xung ®iÖn ¸p ph¸t ra hoÆc t¹o ra trong tinh thÓ cña ®Çu dß NÕu khi biªn ®é lµ hµm thêi gian, chu kú sãng (T) ®îc ®Þnh nghÜa lµ thêi gian cÇn thiÕt ®Ó thùc hiÖn hoµn toµn mét vßng tuÇn hoµn hoÆc thêi gian thùc hiÖn gi÷a hai vïng khÝ nÐn hoÆc khÝ gi·n liªn tiÕp (h×nh 1.4). §¬n vÞ cña chu kú lµ gi©y (s). 11
1.3.3. Bíc sãng Trong kho¶ng thêi gian chu kú T cña dao ®éng, sãng truyÒn ®îc mét qu·ng ®êng x¸c ®Þnh. Qu·ng ®êng ®ã ®îc ®Þnh nghÜa lµ bíc sãng ký hiÖu lµ  . C¸c nguyªn tö cña m«i trêng ë c¸ch nhau mét qu·ng ®êng trªn sÏ ë cïng mét tr¹ng th¸i dao ®éng (tøc ë cïng pha) khi sãng truyÒn qua m«i truêng.  Quan hÖ g÷a  ,T vµ c theo ph¬ng tr×nh c  chøng tá mét m«i trêng T x¸c ®Þnh bíc sãng vµ tÇn sè nghÞch ®¶o víi nhau do ®ã tÇn sè cao th× bíc sãng cµng ng¾n vµ ngîc l¹i. VËy: Bíc sãng lµ kho¶ng c¸ch mµ sãng ©m lan truyÒn trong mét chu kú dao ®éng. λ = c.T = c/f (®¬n vÞ m, cm, mm) Trong ®ã: c lµ vËn tèc (m/s) T lµ chu kú (s) + ¶nh hëng cña bíc sãng ®Õn kh¶ n¨ng ph¸t hiÖn khuyÕt tËt: Trong kiÓm tra thùc tÕ thêng c¸c khuyÕt tËt cì  /2;  /3 cã thÓ ph¸t hiÖn ®îc. Bíc sãng cµng nhá cµng cã kh¶ n¨ng ph¸t hiÖn khuyÕt tËt nhá tøc lµ sãng cã bíc sãng ng¾n hoÆc tÇn sè cao cho ®é nh¹y khuyÕt tËt tèt h¬n. Trong y häc bíc sãng siªu ©m ¶nh hëng tíi ®é ph©n gi¶i däc cña mét hÖ thèng siªu ©m. VÝ dô: So s¸nh ®é nh¹y khuyÕt tËt cña ®Çu dß cã tÇn sè 1MHz víi ®Çu dß tÇn sè 6MHz trong thÐp (x¸c ®Þnh kÝch thíc cña khuyÕt tËt mµ ®Çu dß cã tÇn sè 1MHz víi ®Çu dß tÇn sè 6MHz cã kh¶ n¨ng ph¸t hiÖn ®îc). BiÕt cthÐp = 5940m/s. Gi¶i: §é nh¹y khuyÕt tËt ®· ®îc gi¶ thiÕt ë (kÝch thíc khuyÕt tËt) møc ®é  /3 + §Çu dß cã d¶i tÇn sè 1MHz th× cã bíc sãng: c 5940   = 5,94. 10-3(m) = 5,94 (mm) f 1.10 6  5,94 §é nh¹y khuyÕt tËt = =  1,98(mm) 3 3 (§Çu dß cã kh¶ n¨ng ph¸t hiÖn ®îc khuyÕt tËt cã kÝch thíc lµ 1,98mm) + §Çu dß cã tÇn sè 6MHz ta cã bíc sãng: c 5940    9,9.10-4(m) = 0,99 (mm) f 6.10 6   0,33mm  0,99 §é nh¹y khuyÕt tËt =  3 3 12
(§Çu dß cã kh¶ n¨ng ph¸t hiÖn ®îc khuyÕt tËt cã kÝch thíc lµ 0,33mm). KÕt luËn: Bíc sãng cµng ng¾n kh¶ n¨ng ph¸t hiÖn khuyÕt tËt cã ®é ph©n d¶i cao. 1.3.4. VËn tèc §¹i lîng biÓu thÞ cho tèc ®é n¨ng lîng ®îc chuyÓn gi÷a hai ®iÓm trong m«i trêng do chuyÓn ®éng cña sãng ®îc gäi lµ vËn tèc sãng vµ vËn tèc cña sãng thêng ®îc kÝ hiÖu lµ c. VËt tèc truyÒn ©m cña sãng ©m lµ qu·ng ®êng mµ sãng truyÒn ®îc sau mét ®¬n vÞ thêi gian. Tèc ®é lan truyÒn cña siªu ©m phô thuéc vµo b¶n chÊt vµ nhiÖt ®é m«i trêng truyÒn ©m, kh«ng phô thuéc vµo tÇn sè. Tèc ®é truyÒn ©m trong kh«ng khÝ lµ rÊt thÊp kho¶ng 342m/s, trong c¬ thÓ kho¶ng 1540m/s. 1.3.5. Trë kh¸ng ©m Søc c¶n cña mét vËt liÖu ®èi víi sù truyÒn sãng siªu ©m ®îc gäi lµ trë kh¸ng ©m, kÝ hiÖu lµ Z vµ ®îc x¸c ®Þnh lµ tÝch sè cña mËt ®é vËt liÖu vµ vËn tèc cña sãng siªu ©m truyÒn trong vËt liÖu. Trë kh¸ng ©m lµ ®¹i lîng ®o sù h¹n chÕ cña ©m thanh truyÒn qua m«i trêng. Hay nãi c¸ch kh¸c: trë kh¸ng ©m lµ ®é vang hay ®é déi cña sãng ©m trong m«i trêng. Z = .c (®¬n vÞ Rayls = kg/m2.s = g/cm2.s) (1.5) Trong ®ã: c lµ vËt tèc lan truyÒn cña siªu ©m trong m«i trêng (m/s)  lµ tû khèi c¸c h¹t cña m«i trêng - mËt ®é cña m«i trêng (kg/m3) Nh vËy gi¸ trÞ trë kh¸ng ©m cña vËt liÖu cã thÓ xem nh chØ phô thuéc vµo c¸c tÝnh chÊt vËt lý cña chóng vµ kh«ng phô thuéc vµo c¸c ®Æc tÝnh vµ tÇn sè cña sãng. Trë kh¸ng ©m cña m«i trêng cã vai trß quyÕt ®Þnh ®èi víi biªn ®é cña sãng ph¶n x¹ trªn mÆt ph©n c¸ch gi÷a hai m«i trêng. 1.3.6. ¢m ¸p (¸p suÊt ©m) Lµ chØ biªn ®é c¸c søc c¨ng biÕn ®æi tuÇn hoµn trong mét vËt liÖu do truyÒn sãng siªu ©m. ¢m ¸p P liªn hÖ víi ©m trë Z vµ biªn ®é dao ®éng a cña h¹t: P = Z.a (1.6) Trong ®ã: P là ©m ¸p (¸p suÊt ©m) – Pascal (Pa) trong hÖ MKS. ¸p suÊt lµ lùc ®îc t¸c dông lªn mét vïng nhá do ®ã 1Pa = 1W/m2 13
Z là ©m trë. a là biªn ®é dao ®éng cña h¹t. 1.3.7. ¢m n¨ng (n¨ng lîng sãng siªu ©m) Ta h·y tëng tîng cã mét ®Üa trßn dao ®éng vµ ph¸t ra sãng ©m ®ång thêi vËt liÖu ®îc truyÒn ©m chia thµnh v« sè líp máng. Khi ®Üa nguån dao ®éng ®Çu tiªn sÏ ®Èy c¸c líp gÇn nã nhÊt theo híng truyÒn. DÇn dÇn c¸c líp kÕ tiÕp bÞ dÞch chuyÓn mét c¸ch tuÇn tù vµ dÞch chuyÓn nµy cø tiÕp tôc cho ®Õn líp cuèi cïng lµ n¬i ®Æt thiÕt bÞ ghi nhËn. §©y chÝnh lµ n¨ng lîng cña c¸c dao ®éng hoÆc c¸c sãng chø kh«ng ph¶i h¹t trong vËt liÖu dÞch chuyÓn tõ nguån ph¸t ®Õn n¬i ghi nhËn. B¶n th©n c¸c h¹t chØ dao ®éng xung quanh vÞ trÝ trung b×nh cña chóng víi biªn ®é rÊt nhá thùc tÕ chØ b»ng phÇn nhá cña mm. VËy n¨ng lîng sãng siªu ©m lµ ®éng n¨ng dao ®éng vµ thÕ n¨ng ®µn håi cña c¸c phÇn tö trong m«i trêng. 1.3.8. Cêng ®é sãng siªu ©m Sù truyÒn cña n¨ng lîng c¬ häc do c¸c sãng siªu ©m qua mét ®¬n vÞ tiÕt diÖn vu«ng gãc víi ph¬ng truyÒn cña sãng ®îc gäi lµ cêng ®é sãng siªu ©m. Khi nhËn d¹ng c¸c ©m nghe ®îc chóng ta sö dông thuËt ng÷ cêng ®é ®Ó m« t¶ ®é to cña ©m. Víi sãng siªu ©m khi t¨ng cêng ®é tøc lµ sù ph©n bè c¸c ph©n tö trong c¸c vïng nÐn dÇy ®Æc h¬n, ¸p suÊt ©m cao h¬n chiÒu dµi cña c¸c dao ®éng ph©n tö t¨ng vµ vËn tèc ph©n tö tèi ®a lín h¬n. Cêng ®é cña chïm siªu ©m gi¶m khi chïm truyÒn qua m«. Cêng ®é ®îc truyÒn vµ tèc ®é suy gi¶m cêng ®é ¶nh hëng tíi kh¶ n¨ng cña m¸y quÐt ®Ó quan s¸t nh÷ng cÊu tróc ph¶n x¹ yÕu. TÇn sè, bíc sãng vµ vËn tèc cña mét chïm siªu ©m kh«ng bÞ ¶nh hëng bëi sù thay ®æi cêng ®é. Th«ng thêng cêng ®é ©m thanh ®îc miªu t¶ díi ®¬n vÞ W/cm2 hoÆc mW/cm2 (sù kÕt hîp cña hÖ thèng ®¬n vÞ met kg gi©y (MKS) vµ cm gam gi©y (CGS). ë lÜnh vùc kh¸c cña vËt lý ®¬n vÞ nµy kh«ng ®îc dïng. 1. C«ng thøc cêng ®é Cêng ®é cña mét chïm siªu ©m tû lÖ víi b×nh ph¬ng ®é lín ¸p suÊt, ®é lín sù dÞch chuyÓn cña h¹t hoÆc ®é lín vËn tèc h¹t. Cêng ®é tøc thêi: 14
(1.7) p i= i 2 2 c Trong ®ã: pi lµ ¸p suÊt ©m tøc thêi c là vËn tèc ©m.  là tû khèi. Th«ng thêng quan t©m tíi cêng ®é trung b×nh. T¹i mçi thêi ®iÓm chïm sãng siªu ©m ®i qua ¸p suÊt dao ®éng gi÷a c¸c gi¸ trÞ cao vµ thÊp. §é lÖch lín nhÊt tõ ¸p suÊt trung b×nh trong mét chu kú lµ ¸p suÊt cùc ®¹i hoÆc biªn ®é ¸p suÊt ®Ønh (p). Do ¸p suÊt dao ®éng lªn xuèng theo thêi gian, cêng ®é tøc thêi còng dao ®éng gi÷a gi¸ trÞ cao vµ thÊp. B»ng viÖc tÝnh trung b×nh cña cêng ®é tøc thêi trong mét chu kú cho ta cêng ®é trung b×nh theo thêi gian: P2 P2 Pa (1.8) I  vµ I  2 c 2Z 2 Trong ®ã: I là cêng ®é siªu ©m (W/cm2) P là ©m ¸p (Pa) Z là trë kh¸ng ©m (kg/m2.s) a là biªn ®é dao ®éng cña h¹t 2. C«ng suÊt C«ng suÊt (W) lµ ®¹i lîng ®o b»ng tæng n¨ng lîng ®îc truyÒn trong mét ®¬n vÞ thêi gian trªn toµn bé vïng mÆt c¾t ngang chïm tia. (c«ng suÊt siªu ©m lµ tÝch cña cêng ®é víi diÖn tÝch vïng bøc x¹ cã hiÖu lùc ®iÒu trÞ). W = cêng ®é  diÖn tÝch = I x S (1.9) C«ng suÊt ph¸t tõ ®Çu dß kh«ng cè ®Þnh nhng lªn xuèng trªn chu kú sãng. C«ng suÊt siªu ©m trung b×nh trong mét kho¶ng thêi gian ®îc coi lµ c«ng suÊt trung b×nh. §¬n vÞ c«ng suÊt (Watt) VÝ dô: ®Çu ph¸t cã diÖn tÝch 5cm2, cêng ®é ph¸t lµ 1W/cm2. Tæng n¨ng lîng ®îc truyÒn lµ 5W. 1.4. C¸c d¹ng sãng siªu ©m vµ øng dông C¸c sãng siªu ©m ®îc ph©n lo¹i theo c¬ së d¹ng dao ®éng cña c¸c h¹t m«i trêng ®èi víi ph¬ng truyÒn sãng. Sãng siªu ©m ®îc ph©n lo¹i thµnh: sãng däc, sãng ngang, sãng mÆt vµ sãng lamb. 15
1.4.1. Sãng däc hay sãng nÐn (Longitudinal or compressional waves) Trong d¹ng sãng siªu ©m nµy c¸c vïng nÐn vµ gi·n kÕ tiÕp xen kÏ nhau ®îc t¹o ra do dao ®éng cña c¸c h¹t theo ph¬ng song song víi ph¬ng truyÒn sãng. Vïng d·n Vïng nÐn Ph¬ng truyÒn sãng H×nh 1.6: sãng däc gåm c¸c vïng nÐn vµ d·n xen kÏ nhau däc theo ph¬ng truyÒn sãng Sãng däc lµ sãng mµ sù chuyÓn ®éng c¸c h¹t däc theo híng truyÒn n¨ng lîng sãng nghÜa lµ c¸c h¹t dao ®éng vÒ phÝa tríc vµ vÒ phÝa sau theo cïng híng víi sãng ®ang dÞch chuyÓn. Vïng nÐn §é dÞch chuyÓn cña h¹t sù dÞch chuyÓn h¹t Hướng truyền sóng Vïng gi·n H×nh 1.7: Sù dÞch chuyÓn cña h¹t theo qu·ng ®êng truyÒn sãng D¹ng sãng däc cña sãng siªu ©m gåm c¸c vïng nÐn vµ gi·n kÕ tiÕp xen kÏ nhau ®îc t¹o ra do sù dao ®éng cña c¸c h¹t theo ph¬ng song song víi ph¬ng truyÒn sãng. §èi víi sãng däc sù dÞch chuyÓn cña c¸c h¹t theo qu·ng ®êng mµ sãng vît qua vµ däc theo ®ã gåm c¸c ®Ønh nÐn vµ hè gi·n xen kÏ nhau. Sãng däc xuÊt hiÖn trong c¸c m«i trêng chÞu biÕn d¹ng vÒ thÓ tÝch do ®ã nã truyÒn ®îc trong vËt r¾n còng nh m«i trêng láng, khÝ víi vËn tèc lín tÝnh ®Þnh híng cao, mang n¨ng lîng lín. Sãng däc ®îc sö dông dÔ dµng trong viÖc thu vµ ph¸t sãng siªu ©m nªn ®îc dïng réng r·i trong viÖc kiÓm tra siªu ©m. PhÇn n¨ng lîng sãng ©m ®îc dïng trong kiÓm tra vËt liÖu ®Òu xuÊt ph¸t tõ d¹ng 16
sãng nµy vµ sau ®ã ®îc chuyÓn ®æi sang c¸c d¹ng kh¸c trong c¸c phÐp kiÓm tra chuyªn dông. 1.4.2. Sãng ngang hay sãng trît (Transverse or shear waves) Sãng ngang lµ sãng mµ sù dÞch chuyÓn cña c¸c h¹t vu«ng gãc víi híng truyÒn n¨ng lîng sãng. Híng truyÒn sãng to¶ ra ngoµi tõ nguån sãng (nh×n tõ trªn xuèng) Sù dÞch chuyÓn h¹t H×nh 1.8: BiÓu diÔn m« pháng cña mét sãng ngang VÝ dô: Khi ta nÐm viªn ®¸ xuèng mÆt hå – t¹o ra c¸c ph©n tö níc dao ®éng lªn xuèng t¬ng tù nh c¸i phao bËp bÒnh trªn mÆt níc gièng nh sãng chuyÓn ®éng ®i xa tõ ®iÓm nguån däc theo bÒ mÆt cña mÆt níc. Sãng ngang chØ cã thÓ truyÒn ®îc trong m«i trêng mµ c¸c ph©n tö, nguyªn tö ph¶i liªn kÕt v÷ng ch¾c víi nhau sao cho khi mét ph©n tö dao ®éng th× nã kÐo theo c¸c ph©n tö bªn c¹ch dao ®éng theo ®óng víi d¹ng sãng dao ®éng cña nã vµ g©y ra sù truyÒn n¨ng lîng sãng siªu ©m. Sãng ngang xuÊt hiÖn trong c¸c m«i trêng cã tÝnh ®µn håi vÒ h×nh d¹ng ®ã lµ m«i trêng r¾n. Do m«i trêng chÊt láng vµ chÊt khÝ cã kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c ph©n tö vµ nguyªn tö lín lªn lùc ®µn håi nhá (lùc hót gi÷a c¸c ph©n tö nhá) khi sãng truyÒn trong m«i trêng nµy sÏ bÞ t¾t dÇn rÊt nhanh. VËn tèc sãng ngang b»ng 50% vËn tèc sãng däc trong cïng m«i trêng. 17
1.4.3. Sãng mÆt hay sãng Rayleigh (surface or Rayleigh Wares) C¸c sãng mÆt ®îc Lord Rayliegh m« t¶ ®Çu tiªn v× vËy chóng ®îc gäi lµ sãng Rayliegh. D¹ng sãng nµy chØ cã thÓ truyÒn däc theo mét bÒ mÆt liªn kÕt vÒ mét phÝa bëi c¸c lùc ®µn håi m¹nh cña vËt r¾n vµ vÒ phÝa ngîc l¹i do lùc ®µn håi gÇn nh kh«ng tån t¹i gi÷a c¸c phÇn tö khÝ. Do vËy c¸c lo¹i sãng mÆt hÇu nh kh«ng tån t¹i ë vËt r¾n nhóng ch×m trong chÊt láng ngo¹i trõ chÊt láng chØ bao phñ bÒ mÆt cña chÊt r¾n mét líp rÊt máng. Sãng mÆt cã vËn tèc b»ng kho¶ng 90% vËn tèc cña sãng ngang t¬ng ®¬ng trong cïng vËt liÖu vµ chóng chØ cã thÓ truyÒn trong vïng kh«ng dµy h¬n mét bíc sãng tÝnh tõ bÒ mÆt. ë ®é s©u nµy n¨ng lîng cña sãng chØ b»ng 4% n¨ng lîng t¹i bÒ mÆt vµ biÓu ®å cña dao ®éng gi¶m râ rÖt ®Õn møc cã thÓ bá qua ë c¸c ®é s©u lín h¬n. Dao ®éng cña c¸c h¹t nãi chung theo quü ®¹o elip nh h×nh vÏ. C¸c mòi tªn nhá chØ ph¬ng dao ®éng cña c¸c h¹t. H×nh 1.9: Gi¶n ®å lan truyÒn sãng mÆt ë bÒ mÆt kim lo¹i tiÕp xóc víi kh«ng khÝ Trôc chÝnh cña elip th¼ng gãc víi bÒ mÆt mµ trong ®ã sãng truyÒn. Trôc phô song song víi ph¬ng truyÒn. C¸c sãng mÆt ®îc sö dông rÊt h÷u hiÖu cho môc ®Ých kiÓm tra v× ë cïng vËt liÖu chóng bÞ suy gi¶m Ýt h¬n so víi c¸c sãng ngang hoÆc sãng däc t¬ng øng vµ v× chóng cã thÓ ®i vßng qua c¸c c¹nh vµ do ®ã ®îc dïng ®Ó kiÓm tra c¸c chi tiÕt cã h×nh d¹ng phøc t¹p vµ chØ ph¸t hiÖn ®îc nh÷ng vÕt nøt bÒ mÆt hoÆc ë gÇn bÒ mÆt. 1.4.4. Sãng lamb hoÆc sãng b¶n máng (lamb or plate waves) NÕu sãng mÆt ®îc truyÒn vµo mét vËt liÖu cã ®é dµy b»ng hoÆc nhá h¬n ba lÇn bíc sãng cña nã th× sÏ xuÊt hiÖn mét sãng kh¸c ®îc gäi lµ sãng b¶n máng. VËt liÖu b¾t ®Çu dao ®éng nh mét b¶n máng tøc lµ sãng trµn ngËp toµn bé bÒ dµy cña vËt liÖu. C¸c sãng nµy ®îc gäi lµ sãng lamb v× lý thuyÕt m« t¶ nã 18
®îc Horace lamb nghiªn cøu vµo n¨m 1916. Kh«ng gièng nh c¸c sãng däc, ngang hoÆc sãng mÆt vËn tèc cña sãng lamb trong vËt liÖu kh«ng chØ phô thuéc vµo vËt liÖu mµ cßn phô thuéc vµo bÒ dµy cña vËt liÖu, tÇn sè vµ d¹ng cña sãng. Sãng b¶n máng hay sãng lamb tån t¹i díi nhiÒu d¹ng phøc hîp cña dao ®éng h¹t. Hai d¹ng c¬ b¶n cña sãng lamb lµ d¹ng ®èi xøng hay d¹ng gi·n në, d¹ng ph©n ®èi xøng hay lµ d¹ng uèn cong. D¹ng cña sãng x¸c ®Þnh theo sù ®èi xøng hay ph¶n ®èi xøng cña dao ®éng cña h¹t ®èi víi trôc trung t©m cña vËt kiÓm tra. Trong sãng lamb ®èi xøng (sãng gi·n në) cã sù chuyÓn dÞch cña h¹t däc theo trôc trung t©m cña b¶n vµ dÞch chuyÓn elip cña h¹t trªn mçi bÒ mÆt (1-10). H×nh 1.10: DÞch chuyÓn elip cña h¹t trªn mçi bÒ mÆt cña sãng Lamb ®èi xøng D¹ng nµy bao gåm c¸c chç dµy vµ máng kÕ tiÕp nhau trong b¶n gièng nh h×nh ¶nh cña mét èng cao su mÒm ®îc nhÐt c¸c qu¶ cÇu thÐp lín h¬n ®êng kÝnh èng. Trong sãng lamb ph¶n ®èi xøng cã mét dÞch chuyÓn trît ngang cña h¹t däc theo trôc chÝnh cña b¶n vµ dÞch chuyÓn elip trªn mçi bÒ mÆt (1.11). H×nh 1.11: DÞch chuyÓn elip trªn mçi bÒ mÆt cña sãng Lamb ph¶n ®èi xøng 19
TØ sè gi÷a trôc chÝnh vµ trôc phô cña elip lµ mét hµm phô thuéc vµo vËt liÖu cã sãng truyÒn trong ®ã. D¹ng ph¶n ®èi xøng cña sãng lamb cã thÓ minh ho¹ b»ng c¸c h×nh ¶nh cña c¸c tÊm ch¾n ®îc n©ng lªn h¹ xuèng cho mÆt gîn sãng truyÒn qua nã. 1.4.5. VËn tèc cña sãng siªu ©m VËt tèc cña sãng ngang, sãng däc vµ sãng mÆt ®îc x¸c ®Þnh: E G (1.10) cL  cT  c s  0,9cT   Trong ®ã: cL là vËn tèc cña sãng däc cT là vËn tèc cña sãng ngang cS là vËn tèc cña sãng trît E lµ m«dul ®µn håi G lµ modul cøng  mËt ®é cña m«i trêng. Nh vËy vËn tèc cña sãng däc, ngang, sãng mÆt chØ phô thuéc vµo kÕt cÊu cña vËt liÖu ®Æc trng bëi ®é nÐn vµ mËt ®é cña vËt liÖu. ë trong cïng mét vËt liÖu nã kh«ng phô thuéc vµo tÇn sè cña sãng vµ kÝch thíc cña vËt liÖu. §é nÐn: vËn tèc sãng siªu ©m tØ lÖ thuËn víi ®é nÐn cña vËt liÖu, vËt liÖu cµng khã nÐn vËn tèc sãng lan truyÒn cµng nhanh. Trong m«i trêng chÊt khÝ c¸c ph©n tö c¸ch xa nhau nªn sù liªn kÕt gi÷a chóng yÕu, mçi h¹t ph¶i di chuyÓn mét kho¶ng c¸ch t¬ng ®èi lín tríc khi cã thÓ t¸c ®éng vµo phÇn tö bªn c¹nh nªn vËn tèc sãng lan truyÒn thÊp. Trong m«i trêng láng vµ ®Æc biÖt lµ chÊt r¾n c¸c ph©n tö ë gÇn h¬n nªn sù liªn kÕt gi÷a chóng m¹nh, mçi h¹t chØ cÇn di chuyÓn mét kho¶ng c¸ch ng¾n ®Ó cã thÓ t¸c ®éng vµo phÇn tö bªn c¹nh nªn vËn tèc sãng lan truyÒn cao. MËt ®é: C¸c vËt liÖu cã mËt ®é dµy ®Æc thêng t¹o bëi nh÷ng phÇn tö lín c¸c phÇn tö nµy do cã qu¸n tÝnh lín nªn khã dÞch chuyÓn vµ còng khã dõng l¹i. Do vËy nÕu xÐt riªng mËt ®é th× vËt liÖu cã mËt ®é cµng lín th× vËn tèc sãng cµng gi¶m. Trong m«i trêng láng mËt ®é vµ ®é nÐn thêng tØ lÖ nghÞch nªn vËn tèc truyÒn sãng ®a sè gièng nhau. Trong chÊt r¾n ®é nÐn thêng lín h¬n mËt ®é nªn vËn tèc truyÒn sãng cao. 20