Đo khuyết tật vật liệu bằng
siêu âm
Trong tất cảcác ứng dụng của kiểm tra siêu âm trong công nghiệp thì
kỹthuật kiểm tra khuyết tật là lâu đời và thông dụng nhất. Từnhững năm
1940 các định luật vật lý vềsựtruyền sóng âm thanh trong vật liệu rắnđã
được sửdụng để phát hiện các khuyết tật nằmẩn bên trong nhưcác vết nứt,
lỗrỗng, rỗkhí, và các bất liên tục nằm trong kim loại, chất dẻo, và gốm sứ.
Sóng âm tần sốcao phản xạtừkhuyết tật theo hướng có thểdự đoán được,
tạo ra các xung phân biệtđược hiển thịvà ghi lại trên các thiết bịsiêu âm sách tay.
Kiểm tra bằng siêu âm hoàn toàn là kiểm tra không phá huỷvà an toàn, và là
phương pháp kiểm tra hữu hiệuđược thiết lập trong các ngành công nghiệp chế
tạo, gia công, và dịch vụ,đặc biệt trong những ứng dụng liên quan đến hàn và các
kim loại kết cấu. Bài viết này giới thiệu một cách tóm tắt vềlý thuyết và thực tiễn
vềkỹthuật phát hiện khuyết tật bằng siêu âm. Trong khuôn khổbài viết này tác
giảcũng chỉmong muốn cung cấp một cái nhìn khái quát. Những thông tin cụthể
hơn có thểtìm thấyởcác tài liệu tham khảođược liệt kê ởphần cuối.
1. Lý thuyết cơbản: Sóng âm thực chất là những dao động cơhọc truyền
qua môi trường, có thể ở thểrắn, thểlỏng hoặc thểkhí. Những sóng này truyền
trong mỗi môi trường cho trước với vận tốc r iêng, theo hướng có thểdự đoán
được, và khi tới mặt phân cách với môi trường khác chúng sẽphản xạhoặc truyền
qua theo các nguyên tắcđơn giản. Đó là nguyên lý vật lý mà kỹthuật phát hiện
khuyết tật bằng siêu âm lấy làm cơsở.
Tần số:Tất cảcác sóng âm dao động với tần sốriêng biệt, hoặc là sốcác dao động
hay chu kỳtrong một giây. Con người có thểnghe được các âm thanh có tần sốcao
nhất khoảng 20,000 chu kỳtrên giây (20 KHz), trong khi phần lớn các ứng dụng về
phát hiện khuyết tậtđược thực hiện với tần sốnằm trong dải từ500,000 đến
10,000,000 chu kỳtr ên giây (500 KHz to 10 MHz). Ởcác tần sốtrong dải
megaher tz, năng lượng âm không truyềnđược tốt qua không khí hoặc các khí ga
khác, nhưng nó truyền hiệu quảqua phần lớn các chất lỏng và các vật liệu kỹthuật
thông thường.
Vận tốc: Vận tốc của sóng âm thay đổi phụthuộc vào môi trường mà nó truyền
qua, ảnh hưởng bởi mậtđộ và tính chấtđàn hồi của môi trường. Các dạng sóng
khác nhau (xem các dạng truyền sóng, phía dưới) sẽtruyền với tốcđộ khác nhau.
Bước sóng: Bất cứsóng nào cũng đều có bước sóng, được hiểu là khoảng cách
giữa hai điểm tương ứng bất kỳtrong chu kỳsóng khi nó truyền qua môi trường.
Bước sóng liên quan đến tần sốvà vận tốc bằng biểu thứcđơn giản sau:
λ= c/ f
Tr ong đó:
λ= bước sóng
c = vận tốc âm
f = tần số
Bước sóng là hệsốgiới hạn kiểm soát lượng thông tin thu nhậnđược từsóng.
Tr ong kỹthuật dùng siêu âm để phát hiện khuyết tật, thông thường giới hạn dưới
của khuyết tật nhỏ được chấp nhận là một nửa bước sóng. Nhỏhơn nữa sẽkhông
phát hiệnđược. Tr ong kỹthuậtđo chiều dày bằng siêu âm, vềlý thuyết chiều dày
nhỏnhất có thể đođược là một bước sóng.
Các dạng truyền sóng: Các sóng truyền trong chất r ắn có thểtồn tạiởcác dạng
sóng khác nhau đượcđịnh nghĩa bằng dạng chuyểnđộng liên quan. Sóng dọc và
sóng ngang là những dạng được sửdụng nhiều nhất trong kỹthuật phát hiện
khuyết tật bằng siêu âm. Sóng bềmặt và sóng dạng tấm cũng được sửdụng.
- Sóng dọc hay còn gọi là sóng nén đượcđặc trưng bởi sựdao động của các hạt
cùng hướng với phương tr uyền sóng. Sóng âm nghe được tồn tại nhưsóng dọc.
- Sóng ngang đượcđặc trưng bởi sựdao động của các hạt có hướng vuông góc với
phương truyền sóng.
- Sóng bềmặt hay còn gọi là sóng Rayleigh: các hạt có quỹ đạo chuyểnđộng hình ê
líp và truyền qua bềmặt của vật liệu, chiều sâu chỉkhoảng một bước sóng.
- Sóng dạng tấm hay còn gọi là sóng Lamb là một dạng dao động phức tạp trong các
tấm mỏng có chiều dày vật liệu nhỏhơn bước sóng và dạng sóng này truyền trong
toàn bộtiết diện của môi trường.
Sóng âm có thể được chuyển từdạng này sang dạng khác. Thông thường
sóng ngang được tạo ra trong vật liệu kiểm tra bằng cách truyền sóng dọc vào vật
liệu dưới một góc đã chọn trước. Vấnđề này sẽ đượcđề cập trong mụcKiểm tra
bằng chùm tia góc ởphần 4
Các giới hạn truyền có thểthay đổi của sóng âm:
Khoảng cách mà sóng âm với tần sốvà mức năng lượng được xác định trước
truyềnđược trong phụthuộc vào vật liệu mà nó truyền qua. Theo nguyên lý chung,
vật liệu cứng và đồng nhất sẽtruyền âm tốt hơn vật liệu mềm và không đồng nhất
hoặc hạt thô. Ba yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách truyền âm trong môi tr ường
xác định trước: sựmởrộng chùm tia, độ suy giảm, và sựtán xạâm. Khi truyền,
chùm tia trởnên r ộng hơn, năng lượng sóng âm lan toảtrên diện tích lớn hơn, và
do đó mà năng lượng âm suy giảmđi. Sựsuy giảm là sựmất mát năng lượng khi
sóng âm truyền qua môi trường, cơbản là mứcđộ năng lượng bịhấp thụkhi sóng
âm dịch chuyển. Sựtán xạâm là sựphản xạngẫu nhiên của năng lượng âm ởcác
đường biên giữa các hạt của vật liệu và các cấu trúc tếvi. Khi tần sốtăng lên, độ
mởcủa chùm tia tăng lên nhưng ảnh hưởng củađộ suy giảm và sựtán xạâm lại
giảmđi. Cho từng ứng dụng r iêng biệt, tần sốcủađầu dò nên lựa chọnđể tốiưu các
thông sốcó thểthay đổi.
Phản xạ ở mặt phân cách: Khi năng lượng âm truyền qua vật liệu và tới mặt phân
cách với vật liệu khác, một phần năng lượng sẽphản xạtrởlại và một phần sẽ
truyền qua. Phần năng lượng phản xạtrởlại hoặc hệsốphản xạ, liên quan đến âm
trởtương đối của hai vật liệu. Mặt khác âm trởlại là tính chất của vật liệuđược xác
định bằng tích của mậtđộ với vận tốc âm trong vật liệu. Đối với hai vật liệu, hệsố
phản xạ được biểu diễn bằng phần tr ăm của năng lượng áp suất truyền tới có thể
tính bằng công thức:
Z2- Z1
---------
Z2+ Z1
Tr ong đó:
R = hệsốphản xạ(phần trăm của năng lượng phản xạ)
Z1 = âm trởcủa vật liệu thứnhất
Z2 = âm trởcủa vật liệu thứhai
Đối với mặt phân cách giữa kim loại và không khí thường gặp trong các ứng
dụng phát hiện khuyết tật bằng siêu âm, hệsốphản xạ đạt tới 100%. Hầu nhưtất
cảnăng lượng âm phản xạtừvết nứt hoặc bất liên tục khác trên đường truyền
sóng âm. Đó là nguyên lý cơbản của kỹthuật phát hiện khuyết tật bằng siêu âm.
Góc phản xạvà khúc xạ:
Năng lượng âm trong tần sốsiêu âm có tính định hướng cao và chùm tia sử
dụng để phát hiện khuyết tậtđược xác định r õ ràng. Trong các trường hợp sóng
âm phản xạ ở mặt phân cách, góc tới bằng góc phản xạ. Chùm tia tới vuông góc với
bềmặt sẽphản xạthẳng góc trởlại. Còn chùm tia tới bềmặt dưới một góc thì sẽ
phản xạcũng bằng góc đó.
Năng lượng âm truyền từvật liệu này sang vật liệu khác sẽ đổi hướng theo định
luật khúc xạcủa Snell. Tóm lại, tia truyền thẳng sẽtiếp tục truyền thẳng, nhưng khi
tới mặt phân cách dưới một góc thì sẽlệch hướng theo công thức
Sin
Ø1
V
1
------
-- "
--
---
Sin
Ø2
V
2
Tr ong đó:
Ø1= góc tới trong vật liệu thứnhất
Ø2= góc khúc xạtrong vật liệu thứhai
V1= vận tốc âm trong vật liệu thứnhất
V2= vận tốc âm trong vật liệu thứhai
Công thức này r ất quan trọng trong kiểm tra bằng đầu dò góc, sẽ được nêu chi tiết
trong mục 4.