Nghiên cứu xây dựng quy trình kiểm tra phát hiện khuyết tật trong các sản phẩm đúc kim loại bằng kỹ thuật siêu âm nhúng, trên cơ sở sử dụng các thiết bị siêu âm quét a (a scan) thông thường

Kỹ thuật siêu âm nhúng là một trong các tiến bộ của phương pháp siêu âm thông thường, nhằm khắc phục nhược điểm của kỹ thuật siêu âm tiếp xúc là tốc độ kiểm tra và vấn đề tiếp xúc bề mặt

-O O -

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH KIỂM TRA PHÁT HIỆN KHUYẾT TẬT TRONG CÁC SẢN PHẨM ĐÚC KIM LOẠI BẰNG KỸ THUẬT SIÊU ÂM NHÚNG, TRÊN

CƠ SỞ SỬ DỤNG CÁC THIẾT BỊ SIÊU ÂM QUÉT A (A-SCAN) THÔNG THƯỜNG

CHUYÊN NGÀNH : CHẾ TẠO MÁY MÃ SỐ NGÀNH : 02.01.00

NGUYỄN NHẬT QUANG

TP.HCM, tháng 01 năm 2003

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH

o 0 o

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS THÁI THỊ THU HÀ

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS PHẠM NGỌC TUẤN

Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS TS TRẦN DOÃN SƠN

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại : HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ – TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA , TP.HCM, ngày …… Tháng … Năm 2003

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : NGUYỄN NHẬT QUANG Phái : NAM

Ngày ,tháng , năm sinh : 13/11/1965 Nơi sinh : Bắc Ninh

Chuyên ngành : CHẾ TẠO MÁY Mã số : 2.01.00

I-TÊN ĐỀ TÀI :

NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG KỸ THUẬT SIÊU ÂM NHÚNG VÀO VIỆC KIỂM

TRA VÀ BẢO TRÌ CHI TIẾT MÁY TRONG NGÀNH CƠ KHÍ

II-NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :

• Giới thiệu tổng quan về các nghiên cứu ứng dụng phương pháp siêu âm nhúng

• Cơ sở lý thuyết phương pháp siêu âm nói chung

• Cơ sở của phương pháp siêu âm nhúng, các tham số ảnh hưởng tới kết quả đo

• Xây dựng mô hình thực nghiệm , đánh giá kết quả thu được

VI-HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1 : TS PHẠM NGỌC TUẤN

VII-HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2 : PGS TS TRẦN DOÃN SƠN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CÁN BỘ NHẬN XÉT 1 CÁN BỘ NHẬN XÉT 2

( Ký tên và ghi rõ họ tên , học hàm , học vị ) Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua

Ngày … Tháng … Năm 2003 TRƯỞNG PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CHỦ NHIỆM NGÀNH

Lời Cảm Ơn

Bản luận văn này được thực hiện tại Bộ môn Chế tạo máy , Khoa Cơ Khí trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh và tại Phòng Ứng dụng Các Kỹ thuật Hạt Nhân trong Công Nghiệp thuộc Trung Tâm Kỹ thuật hạt nhân thành phố Hồ Chí Minh

Qua bản luận văn này tôi xin chân thành cảm ơn Cô TS Thái Thị Thu Hà với tư cách là Giáo viên hướng dẫn luận văn đã dành cho tôi những hướng dẫn quan trọng và bổ ích Đồng thời tôi cũng xin cảm ơn Phòng Ứng dụng Các Kỹ thuật Hạt Nhân và các đồng nghiệp, cũng như Trung Tâm Hạt nhân đã có những sự giúp đỡ cần thiết trong quá trình theo học và thực hiện bản luận văn này

Tôi xin gửi lời Cám ơn đến các Thầy Cô của Trường Đại Học Bách Khoa, đặc biệt là các Thầy Cô trong Khoa Cơ khí đã dạy và hướng dẫn tôi trong suốt quá trình học tập

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã giúp đỡ động viên tôi hoàn thành quá trình học tập này

Nguyễn Nhật Quang

Trong những năm gần đây kỹ thuật siêu âm kiểm tra vật liệu phát triển rất mạnh mẽ tại Việt nam do các nhu cầu chính sau : - sự phát triển và yêu cầu cao của việc quản lý và bảo đảm chất lượng sản phẩm – Sự phát triển của các công trình đòi hỏi chất lượng cao như dầu khí, khí hóa lỏng; - Các chi tiết máy hoạt động trong các hệ thống quan trọng như sản xuất điện năng, công nghiệp ô tô, đóng tàu , hàng không…vv Nắm bắt nhu cầu đó, mọi nghiên cứu & ứng dụng của các kỹ thuật kiểm tra không phá hủy (NDT) đều nhắm vào các loại đối tượng này Kỹ thuật siêu âm là một phương pháp chiếm tỉ lệ nghiên cứu và ứng dụng cao nhất trong các phương pháp NDT Tại các hội nghị NDT hàng năm trên thế giới, số báo cáo và công trình nghiên cứu về phương pháp này chiếm một số lượng đáng kể Nhằm đáp ứng nhu cầu ứng dụng thực tế tại Phòng Công nghiệp Trung tâm hạt nhân, đề tài nghiên cứu về phương pháp siêu âm nhúng này được hình thành nhằm đáp ứng những nhiệm vụ cụ thể Với mục đích đưa các kỹ thuật NDT vào giảng dạy tại các trường Đại học kỹ thuật, đề tài này cũng là một mô hình phù hợp cho việc học và thực hành trong nhà trường

Nội dung của bản luận văn bao gồm các phần chính sau :

1 Các nghiên cứu và ứng dụng thực tế trong và ngoài nước của phương pháp siêu âm nhúng

2 Giới thiệu cơ sở lý thuyết siêu âm tổng quát

3 Giới thiệu về phương pháp siêu âm nhúng, một số loại thiết bị bồn nhúng điển hình Các tham số ảnh hưởng tới kết quả đo Cách đánh giá và giải đoán các tín hiệu siêu âm

4 Xây dựng mô hình thực nghiệm để kiểm tra lại độ nhậy phát hiện khuyết tật và độ phân giải khuyết tật của hệ thống đo, đưa ra kết luận

Nhiệm vụ chính của luận văn nhằm xây dựng được một cơ sở lý thuyết cơ bản của kỹ thuật siêu âm nhúng, đồng thời xây dựng một mô hình thực nghiệm để kiểm chứng khả năng hoạt động của thiết bị có đáp ứng được các yêu cầu tối thiểu của kỹ thuật nhúng hay không Với các thiết bị sẵn có tại phòng Công nghiệp ( một máy siêu âm quét A thông thường PANAMETRICS EPOCH IIIB , một đầu dò nhúng tần số thấp 2,25 MHz, một đầu dò tần số trung bình 10 MHz), tác giả của đề tài đã chế tạo thêm một thiết bị bể nhúng dạng đơn giản, để có được một hệ thống kiểm tra nhúng loại đơn giản nhất

Tuy nhiên với khả năng còn hạn chế, cũng như thiết bị không có nhiều chọn lựa (đầu dò rất đắt tiền), cho nên bản luận văn này có thể còn nhiều thiếu sót chưa khắc phục được ngay Rất mong được sự chỉ bảo góp ý của các Thầy Cô để kết quả của nó hoàn thiện hơn trong tương lai

Chương 1 : Tổng quan 1

2 Nội dung và ý nghĩa đề tài 7

2.1 Mục tiêu đề tài 7

2.2 Nội dung nghiên cứu 8

2.3 Phương pháp nghiên cứu 8

2.4 Ý nghĩa khoa học của đề tài 8

Chương 2 : Cơ sở lý thuyết phương pháp siêu âm 9

2.1 SÓNG SIÊU ÂM 9

Bản chất sóng siêu âm 9

2.2 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG 12

a> Tần số 12

b>Bước sóng 13

c>Vận tốc 13

d> Âm trở 14

e>Âm áp 15

f> Cường độ âm 15

g> Thang đo decibel 15

2.3 CÁC LOẠI SÓNG SIÊU ÂM VÀ ỨNG DỤNG 16

a> Sóng dọc 16

b>Sóng ngang 17

c> Sóng mặt 18

d> Sóng bản mỏng 18

e> Vận tốc của các loại sóng siêu âm 20

2.4 BIỂU HIỆN CỦA SÓNG SIÊU ÂM 21

2.4.1 Sự phản xạ và truyền qua khi sóng tới thẳng góc 21

a> Cường độ phản xạ và truyền qua 21

b> Âm áp phản xạ và truyền qua 22

2.4.2 Sự phản xạ và truyền qua khi sóng tới xiên góc 26

a> Sự khúc xạ và sự chuyển đổi dạng sóng 26

b> Định luật Snell 26

c> Các góc tới hạn thứ nhất và thứ hai 27

d> Âm áp phản xạ khi góc tới xiên góc 28

2.6 Hiệu ứng áp điện và từ giảo trên các tinh thể 31

2.6.1 Hiệu ứng áp điện 31

2.6.2 Các loại biến tử áp điện 31

2.6.3 Biến tử tinh thể áp điện 32

a> Thạch anh 32

b> Sulphate lithium 34

2.6.4 Biến tử gốm phân cực 34

2.6.5 So sánh các biến tử áp điện 36

2.6.6 Hiệu ứng từ giảo và các biến tử 37

2.7 NHỮNG ĐẶC TÍNH CỦA CHÙM TIA SIÊU ÂM 38

a> Chùm tia siêu âm 38

b> Trường gần 40

c> Tính toán chiều dài của trường gần 41

d> Trường xa 41

e> Độ phân kỳ của trường hoặc độ mở rộng của chùm tia 42

f> Ảnh hưởng của vận tốc âm và kích thước biến tử 43

2.8 SỰ SUY GIẢM CỦA CHÙM TIA SIÊU ÂM 45

a> Nguyên nhân và kết quả 45

b> Sự tán xạ của sóng âm 46

c> Sự hấp thụ sóng âm 47

d> Sự suy giảm do quá trình tiếp xúc và sự thô nhám của bề mặt 47

e> Sự khúc xạ 47

f> Ảnh hưởng toàn bộ của sự suy giảm 48

g> Những nguyên lý đo độ suy giảm 51

Chương 3 : Kỹ thuật siêu âm nhúng 53

3.1 NGUYÊN LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP 53

3.2 NHỮNG HẠN CHẾ CỦA KỸ THUẬT SIÊU ÂM DẠNG NHÚNG 54

3.3 ƯU ĐIỂM CỦA KỸ THUẬT SIÊU ÂM DẠNG NHÚNG 55

3.4 THIẾT BỊ DÙNG TRONG KỸ THUẬT TIẾP XÚC ÂM DẠNG NHÚNG 56

3.4.1 Bồn nhúng 56

3.4.2 Thiết bị tạo cột nước 58

3.4.3 Thiết bị phun nước 59

3.5.1 Sự suy giảm tần số 62

3.5.2 Vận tốc sóng siêu âm trong môi trường nước 63

3.5.3 Sự suy giảm sóng siêu âm trong nước 64

3.6 CÁC THAM SỐ SỬ DỤNG TRONG QUÁ TRÌNH KIỂM TRA SIÊU ÂM NHÚNG XUNG PHẢN HỒI 65

3.6.1 Phân tích tham số 65

3.6.2 Biên độ xung phản hồi đáy 66

3.6.3 Biên độ của các xung phản hồi dị thường 67

3.6.4 Các khuyết tật nhỏ 67

3.6.5 Các khuyết tật lớn 68

3.6.6 Thời gian truyền đo được 68

3.7 GIẢI ĐOÁN KẾT QUẢ KIỂM TRA TRONG PHƯƠNG PHÁP NHÚNG 70

3.7.1 Tổng quát 70

3.7.2 Chọn tần số 70

3.7.3 Chọn đầu dò 70

3.7.4 Các tín hiệu kiểm tra của phương pháp nhúng 71

a> Tín hiệu từ các khuyết tật nhỏ 71

b> Tín hiệu từ các bất liên tục lớn 72

c> Sự mất tín hiệu phản xạ đáy 74

d> Ảnh hưởng của mẫu kiểm tra tới đặc tính chùm tia siêu âm 74

3.8 MỘT SỐ CÁC QUY TRÌNH KIỂM TRA TIÊU BIỂU TRONG CÔNG NGHIỆP 81

3.8.1 Các đặc điểm kỹ thuật điển hình 81

a> Điều chỉnh độ nhạy 81

b> Quy trình quét trên các bề mặt phẳng 81

c> Kiểm tra các tín hiệu của khuyết tật 82

d> Định danh các nguồn gốc tín hiệu trong phương pháp siêu âm nhúng 82 e> Xác định vị trí khuyết tật 82

3.9 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỤ THỂ TRONG CÔNG NGHIỆP 84

a> Kiểm tra các vật rèn dạng trụ 84

b> Kiểm tra các phôi đúc dạng tròn đặc hoặc dạng ống trụ 84

c> Kiểm tra các phôi đúc dạng phẳng hoặc vuông góc 85

d> Kiểm tra các chi tiết đúc lớn dạng trụ tròn 85

3.10 KIỂM TRA CÁC SẢN PHẨM DẠNG ỐNG VÀ TRỤ TRÒN 86

c> Phạm vi ứng dụng 87

d> Các hạn chế trong việc phát hiện khuyết tật 87

3.10.2 Thiết bị gá và thiết bị quét 88

a> Tốc độ quét 89

b> Môi trường chất tiếp âm 89

3.10.3 Quy trình và kỹ thuật kiểm tra 89

a> Vị trí của đầu dò 90

b> Góc tới 90

c> Kiểm soát độ nhạy phát hiện khuyết tật 90

3.10.4 Giải đoán các tín hiệu kiểm tra 90

a> Các tín hiệu nhiễu 90

b> Nguồn gốc các tín hiệu nhiễu 91

3.10.5 Một số ứng dụng đặc biệt 91

3.10.6 Các yêu cầu kỹ thuật điển hình cho một phép thử 91

Chương 4 : Xây dựng mô hình thực nghiệm 94

4.1 MÔ TẢ MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 94

4.2 CẤU TẠO MẪU CHUẨN BIÊN ĐỘ – KHOẢNG CÁCH 96

4.3 CẤU TẠO MẪU CHUẨN V1 THEO TIÊU CHUẨN ISO 96

4.4 XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ ĐƯỜNG CONG BIÊN ĐỘ – KHOẢNG CÁCH (DAC) 96

4.5 XÁC ĐỊNH ĐỘ PHÂN GIẢI CỦA HỆ THỐNG KIỂM TRA 102

4.6 XÁC ĐỊNH ĐỘ NHẠY CỦA HỆ THỐNG KIỂM TRA 103

4.7 THÍ NGHIỆM MẪU THỰC TẾ 107

4.7.1 Mẫu thép tấm có vết nứt 107

a> Phương pháp đối chứng số 1 – Kiểm tra bằng bột từ ướt (MPI) 107

b> Phương pháp đối chứng số 2 – Kỹ thuật siêu âm tiếp xúc 107

c> Phương pháp của đề tài – Kỹ thuật siêu âm nhúng 108

4.7.2 Mẫu ống đường kính nhỏ 109

4.7.3 Các khuyết tật dạng phân lớp thép tấm 111

4.8 NHẬN XÉT 111

Chương 5 : Kết luận 112

Tài liệu tham khảo 114

CHƯƠNG 1

1 TỔNG QUAN

Ngày nay, vấn đề bảo đảm chất lượng và quản lý chất lượng được đặt lên hàng đầu Bởi vì đó chính là nền tảng của một nền công nghiệp hiện đại: sự đảm bảo chất lượng

của sản phẩm là một vấn đề quan trọng Kỹ thuật kiểm tra Không phá hủy mẫu

(NDT-Non Destructive Testing) là một trong các kỹ thuật tiên tiến hiện nay đang được áp dụng rộng rãi vào việc kiểm tra và quản lý chất lượng sản phẩm công nghiệp Kỹ thuật NDT sử dụng các phương pháp như : siêu âm, X quang, thấm màu, dòng điện xoáy, phương pháp kiểm tra bằng từ….vv

Kỹ thuật siêu âm dùng trong kiểm tra không phá hủy vật liệu (NDT) được phát triển từ cuối những năm 1920 của thế kỷ này, và thực sự phát triển mạnh mẽ từ đầu những năm 1930 tại Đức bởi O Mulhauser, A Trost, R Pohman và tại Nga bởi S Sokoloff, các tác giả đã nghiên cứu kỹ thuật sóng âm liên tục (chứ không phải dạng xung như hiện nay) Tại thời điểm này thiết bị siêu âm cũng đã được phát triển, dựa trên nguyên lý năng lượng siêu âm bị chặn lại bởi bất liên tục lớn trên quãng đường truyền của tia siêu âm Kỹ thuật này về sau có tên gọi riêng là phương pháp truyền qua mà mọi người đều biết

Trong giai đoạn sơ khai, mọi cố gắng đều nhằm vào việc sử dụng sóng siêu âm phản xạ và sóng siêu âm truyền qua Các phép thử nhằm khắc phục các nhược điểm của các kỹ thuật trước đấy là phải tiếp xúc cả hai mặt của vật kiểm tra (vì dùng phương pháp truyền qua) Cho tới lúc này vẫn chưa có một ứng dụng thực tế nào, đến khi Floyd Firestone phát minh ra một thiết bị sử dụng sóng siêu âm dạng xung để thu được các phản xạ từ các bất liên tục rất nhỏ Các thiết bị siêu âm ngày càng có cơ hội phát triển mạnh mẽ hơn trong chiến tranh thế giới thứ hai và cũng nhờ vào sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị và linh kiện điện tử cùng công nghệ chế tạo ra chúng Trong những năm

1940, Firestone cố gắng phát triển các thiết bị dò tìm khuyết tật này tại Mỹ và nước ngoài Cùng thời gian này tại Anh người ta cũng đã triển khai các thiết bị siêu âm một cách độc lập Cùng lúc với thiết bị X-quang trong công nghiệp ra đời, thì thiết bị siêu âm đầu tiên được lắp đặt trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu về luyện kim Các ứng dụng sớm nhất của siêu âm trong ngành công nghiệp chính là kiểm tra trục bánh xe lửa và các rotor động cơ bằng thép rèn để phát hiện các khuyết tật bên trong

Kỹ thuật siêu âm nhúng là một trong các tiến bộ của phương pháp siêu âm thông thường, nhằm khắc phục nhược điểm của kỹ thuật siêu âm tiếp xúc là tốc độ kiểm tra và vấn đề tiếp xúc bề mặt, bởi vì phương pháp siêu âm nhúng sử dụng một môi trường

_ 2

liên tục làm chất tiếp âm (thường sử dụng nước ) Kỹ thuật siêu âm nhúng xung phản hồi được phát triển bởi Donald Erdman vào năm 1948 và được đưa ra ứng dụng thực tế vào năm 1951 Từ đó đến nay, kỹ thuật này phát triển rất mạnh mẽ bởi vì nó dễ tự động hóa, và đặc biệt có lợi trong các ngành công nghiệp nặng như luyện kim, để kiểm tra các phôi đúc, vật đúc, rèn kích thước lớn

Tại các hãng chế tạo máy siêu âm nổi tiếng đã phát triển các hệ thống kiểm tra siêu âm nhúng rất hiện đại dùng để kiểm tra các sản phẩm dạng ống trụ nhằm : phát hiện các khuyết tật bên trong mối hàn ống, phát hiện các khuyết tật mất liên kết của các lớp phủ inconel trong lòng các ống của lò phản ứng hạt nhân, kiểm soát bề dày liên tục ống

…vv, ngoài ra hệ thống siêu âm nhúng còn kiểm tra các sản phẩm dạng tấm, để phát hiện sự phân lớp tấm trong quá trình cán Đặc biệt hệ thống siêu âm nhúng có thể ứng dụng để kiểm tra các sản phẩm có bề mặt cong phức tạp, hẹp mà phương pháp siêu âm tiếp xúc không thể thực hiện được (trong trường hợp này đầu dò được gắn trên đồ gá có khả năng điều chỉnh vô cấp góc nghiêng đầu dò- có 5 bậc tự do, hoặc sử dụng thủ công)

Hãng Panametrics từ những năm 1970 đã cho ra đời một hệ thống kiểm tra siêu âm nhúng tần số cao tới 50 MHz Hiện nay hãng đã phát triển thành công thiết bị siêu âm nhúng chuyên dùng, tốc độ cao Model 9100 nối với máy tính để xử lý số liệu với tốc độ cao, hệ thống này có thể sử dụng trên các dây truyền tự động hóa (kết hợp máy tính) , hoặc cũng có thể sử dụng trên các hệ kiểm tra đơn chiếc không tự động

Hãng Krautkramer của Đức cũng phát triển một hệ thống tương tự, nhằm mục đích kiểm tra các thanh kim loại đặc, cũng như các ống kim loại Các thiết bị náy được lắp đặt trong các nhà máy sản xuất và cán thép Các thiết bị này được thiết kế để kiểm tra các thanh thép tròn có đường kính từ 1” tới 5”, chiều dài khỏang 3 feet (khoảng 1 m)

Hình 1-1 : Thiết bị siêu âm nhúng Panametrics 9100, và hệ thống

kiểm tra sử dụng trong phòng thí nghiệm

Trên bàn gá có motor và bộ giải mã hành trình dừng/ chạy có thể nâng hạ chi tiết vào trong bể nhúng, bàn gá này có thể đặt được chi tiết nặng khỏang 225 pounds (khoảng

100 Kg)

Hệ thống này sử dụng thiết bị siêu âm chuyên dùng Krautkramer USIP 20HR có độ phân giải cao, phần mềm điều khiển thu nhận/lưu trữ số liệu Ultramap chạy trên nền Windows bằng máy tính các nhân , phần mềm này có chức năng lập bản đồ hiện trạng của vật liệu kiểm tra , đánh dấu các vị trí bị ăn mòn cục bộ … vv Hình vẽ dưới trình bày hệ thống kiểm tra với bàn gá đang ở vị trí nạp/dỡ liệu Ngoài ra hệ thống này còn có thể được lắp đặt thêm băng tải phụ (tùy chọn) để đặt các thanh thép nặng vào trong bể nhúng , sau đó lăn trượt lên các con lăn để xoay tròn trong quá trình kiểm tra

Bàn điều khiển của hệ thống có thể là bàn phím + chuột máy tính, hoặc có thể điều khiển trực tiếp từ các phím chức năng của máy siêu âm Hệ thống này có thể gắn thêm thiết bị quét B (mặt cắt vật thể) hoặc quét C (hình chiếu vật thể)

Hình 1-3 trình bày một hệ thống siêu âm nhúng để kiểm tra các vật có hình dáng đối xứng trục, có thể quay tròn được, và có khối lượng lớn lên đến 25.000 pounds ( khoảng 1 tấn) Hệ thống bể nhúng có kích thước 214” dài x 56” rộng x 38” cao (dàixrộngxcao : 5435 x 1422 x 965 mm) Trên bàn gá là hệ thống các con lăn hoặc bu-lông dùng để lăn hoặc kẹp chặt chi tiết kiểm tra

Hình 1-2 : Hệ thống siêu âm nhúng sử dụng thiết bị USIP 20HR cua Hãng Krautkramer (Germany)

_ 4

Hai hình dưới trình bày cơ cấu xoay đầu dò ra khỏi vị trí làm việc khi tháo dỡ chi tiết

ra khỏi bể nhúng, trong ống gá đầu dò có gắn một công tắc tự động khi đầu dò quay sang vị trí không làm việc (nghiêng) , công tắc sẽ ngắt làm dừng quá trình quét tránh hư hại đầu dò

Hình dưới minh họa các con lăn với chi tiết treo ở phía trên Các con lăn này được gắn chặt trên bàn gá cho phép chi tiết xoay tròn trong quá trình kiểm tra, đồng thời tiến tới lui trên hai đường ray bằng các bánh xe lăn

Hình 1-3 : Hệ thống bể nhúng cho các chi tiết loại lớn đến 1 tấn

Hình 1-4 : Cơ cấu xoay đầu dò trong quá trình kiểm tra và sau khi kết thúc

Các chi tiết có tiếp xúc với nước đều được chế tạo bằng thép không gỉ, hoặc hợp kim nhôm chống ăn mòn rỉ sét Các vong bi được chế tạo sao cho có thể hoạt động dưới nước mà không cần phải bôi trơn

Hình 1-5 : Cơ cấu giá đỡ con lăn để lăn chi tiết lớn trong bể nhúng

_ 6

Hãng Meccasonics (Anh) cũng đã chế tạo các hệ thống siêu âm nhúng nhiều chức năng kết hợp giữa phương pháp siêu âm nhúng thông thường (nhúng cả chi tiết và đầu dò trong nước) – sử dụng phương pháp siêu âm xung phản hồi : pulse echo techniques và phương pháp siêu âm nhúng dạng đầu dò phun nước (squirter ) – sử dụng phương pháp siêu âm truyền qua : through transmission inspection Các hệ thống như vậy sử dụng để kiểm tra các sản phẩm dạng tấm : thép, kiếng … hoặc kiểm tra các loại sản phẩm có đường bao phức tạp

Hình 1-6 : Thép tấm kích thước 11 x 5 m kiểm tra sự phân lớp

Khi cần sử dụng hệ thống đầu dò phun nước , hệ thống siêu âm điều khiển thông thường sẽ được dẹp qua một bên nhường khoảng trống cho hệ thống đầu dò phun nước xung truyền qua hoạt động Ở các hệ thống kiểm tra như vậy, thì bồn nhúng sẽ được chế tạo theo yêu cầu của khách hàng tùy theo kích thước của chi tiết, bộ phận cần kiểm tra Ưu điểm chính của kỹ thuật này là tiết kiệm được thời gian kiểm tra do chúng có thiết bị phân tích đa kênh (3 kênh) cùng lúc hiển thị kết quả ở những tham số đo khác nhau (tần số)

đầu dò điều khiển bằng tay đầu dò phun nước

xung truyền qua

Hình 1-6 : Hệ thống kiểm tra kết hợp

Ngoài ra các hãng chế tạo máy siêu âm còn đưa ra các thiết bị đồ gá đầu dò 5 bậc tự

do dùng để điều khiển đầu dò linh hoạt hơn, thiết bị này có thể được điều khiển bằng tay hoặc bằng máy tính

Tại Việt nam, kỹ thuật siêu âm được sử dụng tương đối rộng rãi do yêu cầu của các ngành công nghiệp, cũng như đặc tính của phương pháp này là hiệu quả (cho kết quả ngay ) và tương đối kinh tế (chi phí tương đối thấp so với các phương pháp tương tự) Các đối tượng kiểm tra của kỹ thuật siêu âm như : mối hàn các thiết bị chịu áp lực, bể chứa dầu, đường ống dẫn dầu trong ngành công nghiệp dầu khí, các mối hàn cấu kiện chịu lực trong công nghiệp xây dựng cầu, các chi tiết máy bay (niềng bánh xe) …vv Kỹ thuật kiểm tra siêu âm nhúng là một kỹ thuật đặc biệt, do đó nó còn tương đối mới mẻ, thậm chí ngay cả với các kỹ thuật viên siêu âm làm việc lâu năm Hiện nay tại Petro Việt nam có một số Xí Nghiệp sử dụng kỹ thuật này để kiểm tra các ống khoan dưới hình thức bán tự động Ngoài ra chưa có một Cty hay Xí nghiệp nào sử dụng kỹ thuật này

Phát triển và phổ biến kỹ thuật này vào việc kiểm tra chất lượng các sản phẩm, chi tiết máy, trong ngành Cơ khí chế tạo máy tại Việt nam là một công việc hết sức cần thiết và mang lại lợi ích thiết thực, góp phần vào việc kiểm tra chất lượng thêm hiệu quả, cũng như nâng cao độ tin cậy khi kiểm tra và phát huy các khả năng kỹ thuật vốn có của kỹ thuật này trong việc kiểm tra và bảo trì thiết bị máy móc ….vv

Đề tài “ Nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhúng vào việc kiểm tra và bảo

trì chi tiết máy trong ngành Cơ khí” hình thành nhằm góp phần hoàn thiện và phát

triển kỹ thuật này tại Việt nam

2 NỘI DUNG VÀ Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI

2.1 Mục tiêu đề tài :

Nghiên cứu các lý thuyết cơ bản của phương pháp siêu âm nhúng đồng thời đánh giá các yếu tố ảnh hưởng lên kết quả kiểm tra Xây dựng các thí nghiệm thực tế theo

Hình 1-7 : đầu dò điều chỉnh được, kiểm tra các chi

tiết bằng vật liệu composite, dạng bản mỏng

_ 8

tiêu chuẩn BS 4331 (Anh Quốc) để đánh giá một số đặc trưng họat động của hệ thống thiết bị siêu âm dò khuyết tật sử dụng kỹ thuật xung phản hồi , nhúng trong bể nước (ultrasonic immersion testing, pulse-echo technique)

2.2 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu của đề tài, các nội dung sau nên được thực hiện :

• Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố, tham số đo đến kết quả và độ chính xác đo

• Chế tạo một hệ đo đơn giản bao gồm : bể chứa vật mẫu, các giá đỡ chi tiết, đồ kẹp và dịch chuyển đầu dò

• Tiến hành thí nghiệm trên các mẫu chuẩn V1, và trên các mẫu chuẩn được nêu ra trong tiêu chuẩn BS 4331 nhằm đánh giá các đặc trưng hoạt động của thiết bị (chuẩn máy) và kiểm chứng lại một số cơ sở lý thuyết đã trình bày

2.3 Phương pháp nghiên cứu

• Sử dụng các tài liệu sẵn có tại phòng Công nghiệp, Trung tâm hạt nhân để nghiên cứu lý thuyết các kỹ thuật siêu âm Trong đó đặc biệt chú ý tới kỹ thuật siêu âm nhúng sử dụng xung phản hồi (ultrasonic immersion testing, pulse-echo technique), ngoài ra còn tham khảo trên mạng Internet các tài liệu khác nhau về kỹ thuật này Qua đó xây dựng được một cơ sở lý thuyết Xây dựng một quy trình (sơ bộ) kiểm tra vật đúc (rèn) tiêu biểu, có cấu tạo đơn giản

• Tiến hành thực nghiệm trên các mẫu thực hành có sẵn tại phòng Công nghiệp Trung tâm Hạt nhân, sử dụng hệ đo đơn giản dạng mô hình và các thiết bị siêu âm hiện có của Phòng Công nghiệp Qua đó đánh giá các yếu tố ảnh hưởng lên kết quả và độ chính xác đo

2.4 Ý nghĩa khoa học của đề tài :

• Đề tài này mang tính thực tiễn cao vì đã giải quyết được một vấn đề kỹ thuật cụ thể là kiểm tra được các dạng chi tiết máy (thường có hình dạng phức tạp), và các loại vật liệu khác nhau với tốc độ và độ tin cậy cao Nếu đề tài này thành công thì nó sẽ góp phần vào sự phát triển kỹ thuật này tại Phòng Công nghiệp-Trung tâm hạt nhân, trong công việc kiểm tra các vật liệu, chi tiết máy nói chung

• Góp phần phát triển và phổ biến một kỹ thuật mới tại Việt nam trong việc kiểm tra và bảo trì các chi tiết máy chế tạo mới hoặc đang sử dụng

• Nội dung của đề tài này cũng có thể sử dụng để giảng dạy trong các khóa huấn luyện về các phương pháp NDT, làm thí nghiệm cho học viên ….vv

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM

2.1 SÓNG SIÊU ÂM

Siêu âm là tên gọi được sử dụng cho các sóng âm có tần số vượt khỏi dải tần mà tai người có thể nghe được, tức là vượt quá 20 kHz Nói chung các sóng siêu âm có dải tần từ 0.5 MHz đến 20 MHz được sử dụng trong kiểm tra vật liệu

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, làm sạch, gia công vật liệu … vv

Bản chất của sóng siêu âm

Sóng siêu âm 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 m theo

thời gian

Có hai lực tác dụng lên m, khi nó ở trạng thái cân bằng A, là trọng lực G và

Một chu kỳ

Biên độ lên

thì sức căng T sẽ tăng Khi rời chuyển khỏi vị trí B thì m 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 m 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 m cho đến khi m không còn động năng và dừng ở

C Tại C, G lớn hơn T lại kéo m quay lại chuyển động về phía A Tại A nó lại có động năng và lại một lần nữa vượt qua A Khi m chuyển động từ A đến B, T lại tăng dần và hãm dần m 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 m 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 :

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 m được mô tả ở hình 2.1a Do lực liên kết giữa các nguyên tử sẽ làm cho nguyên tử kề

Lực liên kết giữa các nguyên tử

Các nguyên tử Đàn hồi

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 các 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 phần tử môi trường khỏi vị trí cân bằng ở thời điểm bất kỳ t được cho bởi :

a =a0sin2πft (2.1)

Trong đó : a = Độ dịch chuyển của phần tử ở thời điểm t

a0 = Biên độ dao động của phần tử

f = Tần số dao động của phần tử

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

Phương trình (2.2) là phương trình chuyển động của sóng cơ học trong môi trường Nó cho trạng thái của các phần tử (pha ) ở các khoảng cách khác nhau tính từ phần tử bị kích thích đầu tiên ở thời điểm t xác định

=

v

xtf2sina

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

Vì trong thời gian một chu kỳ T, một sóng cơ học có vận tốc v truyền đi được quãng đường λ trong môi trường, do vậy ta có :

λ = vT

hay

T

v = λ (2.3)

Hình 2.4 –Đồ thị minh họa cho phương trình 2.2

Chu kỳ T liên hệ với tần số f bởi :

T

1

f = (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 = λf (2.5)

Trong phương trình 2.5 nếu f có đơn vị là Hz, λ là mm thì đơn vị của v là mm/s Còn nếu đơn vị của f là MHz, λ là mm thì đơn vị của v là Km/s

2.2 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG :

a> Tần số :

Tần số sóng cũng là tần số dao động của các nguyên tử môi trường mà sóng

truyền qua– thường được ký hiệu bằng chữ f, nó biểu thị số chu kỳ trong một giây,

được đặt tên theo tên của nhà vật lý H Hertz và viết tắt là Hz

1Hz = 1 chu kỳ trong 1 giây

1KHz = 1000Hz = 1000 chu kỳ trong 1 giây

Các thiết bị hiện đại có thể phát được tần số đến dải tần số vài GHz Tuy nhiên, trong kiểm tra vật liệu tần số sóng siêu âm thường sử dụng nằm trong dải 0,5MHz đến 20MHz Để kiểm tra kim loại dải tần số phổ biến nhất từ 2MHz - 20MHz Tần số đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện và đánh giá khuyết tật

b> 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 λ 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 “λ”, “f” và “v” đưa ra trong phương trình 2.5 chứng tỏ rằng

trong 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 λ/2 hoặc λ/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 phát hiện 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 thép

Giải : Độ nhạy phát hiện khuyết tật đã được giả thiết ở mức độ λ/3

nên đối với đầu dò tần số 1MHz

Ta có : λ = v/f= 5940 (cho thép) × 1000/1 × 1000000mm =

5,94mm Độ nhạy phát hiện khuyết tật = λ /3= 1,98mm Với đầu dò có tần số 6MHz

Ta có : λ = 5940 × 1000/6 × 1000000mm= 0,99mm

Độ nhạy phát hiện khuyết tật = λ/3= 0,33mm

c> 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

d> Âm trở :

Sức cản của một vật liệu đối với sự truyền sóng siêu âm được gọi là âm trở Ký hiệu là Z chính là tích số của mật độ vật liệu ρ và vận tốc v của sóng siêu âm truyền trong vật liệu đó :

Z = ρ.v (2.10) 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

Bảng 2.1 : Mật độ, vận tốc sóng âm và âm trở của các vật liệu thông dụng

Vật liệu Mật độ

2560 -

Thủy tinh hữu cơ

Thép (hợp kim thấp)

Thép (làm mẫu chuẩn)

Nước

19300

1000

2880 -

Âm áp là thuật ngữ được dùng phổ biến để chỉ biên độ ứng suất biến đổi tuần

hoàn trong vật liệu do sự truyền sóng siêu âm

Âm áp P liên hệ với âm trở Z và biên độ dao động của phần tử sóng ‘a’ như sau :

P = Z.a (2.11)

Trong đó : P – Âm áp

Z – Âm trở

a – Biên độ dao động của phần tử sóng

f> 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

phần tử sóng theo biểu thức sau :

Z2

PI

P – Âm áp

Z – Âm trở

a – Biên độ dao động của hạt

g> Thang đo theo decibel (dB) :

Trong nghiên cứu siêu âm, các thay đổi về cường độ và âm áp thường xảy ra

theo thang logarit và việc đo đạc được tiến hành bằng cách so sánh với một số tiêu

chuẩn cố định

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 ; các tín hiệu này làm dao động

các biến tử để 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

:

0 0

P

PI

I = (2.14)

_ Giáo viên hướng dẫn : TS Thái Thị Thu Hà Thực hiện : Nguyễn Nhật Quang 16

Trong thực tế, thường sử dụng đồng hồ đo điện thế AC hoặc máy hiện sóng dao động kế (cathode ray oscilloscope) để ghi nhận Các thiết bị này đo điện thế có quan hệ tỷ lệ với căn bậc hai của âm áp nghĩa là P tỉ lệ với V2 Khi thay vào phương trình (2.14) ta được :

2

1 0 1

0 1

0

V

V P

P I

1 0 1

0

V

V log 2 V

V log I

Plog10I

Ilog

10

1

0 10 1

0 1

2.3 CÁC LOẠI SÓNG SIÊU ÂM VÀ ỨNG DỤNG :

Sóng siêu âm được phân loại dựa cơ sở dạng dao động của các phần tử sóng trong môi trường tương ứng đối với phương truyền sóng; Cụ thể là các loại: sóng dọc, sóng ngang, sóng mặt (sóng Rayleigh) và sóng Lamb

a> Sóng dọc hay sóng nén (Longitudinal or compressional waves) :

Trong dạng sóng siêu âm này, sự dao động của các phần tử sóng song song với phương truyền sóng sẽ tạo ra các vùng nén lại và dãn ra xen kẽ liên tiếp nhau Hình 2.5 trình bày mô phỏng của sóng siêu âm dọc

Hình 2.5 – Sóng dọc gồm các vùng nén và dãn xen kẽ nhau dọc theo

phương truyền sóng

Hình 2.6 mô tả sự dịch chuyển của phần tử sóng dọc theo quãng đường truyền với các đỉnh sóng (bị nén) và chân sóng (dãn ra)

Hình 2.6 – Sự dịch chuyển của hạt theo quãng đường truyền sóng

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 Hầu hết năng lượng siêu âm sử dụng để kiểm tra vật liệu đều có nguồn gốc từ dạng sóng này và sau đó được chuyển đổi sang các dạng sóng khác cho các ứng dụng kiểm tra đặc biệt Dạng sóng này có thể truyền trong môi trường rắn, lỏng và khí Đây cũng là dạng sóng duy nhất tồn tại trong nước của bể nhúng ở kỹ thuật kiểm tra nhúng sẽ đề cập sau

b> 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 phần tử sóng vuông góc với phương truyền của sóng Nó được mô phỏng như 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 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, hay quãng đường tự do trung bình, là quá lớn; nên lực hút giữa chúng không đủ để một phần tử này làm chuyển động một phần tử khác, và do vậy sóng sẽ tắt dần nhanh chóng

c> 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

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

Loại sóng này có vận tốc bằng khoảng 90% vận tốc của sóng ngang 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 không đáng kể 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 đi Trục phụ song song với phương truyền sóng

Các sóng mặt được sử dụng rất hữu hiệu cho việc kiểm tra các chi tiết có bề mặt phức tạp do ở cùng một vật liệu chúng bị suy giảm ít hơn so với các sóng ngang hoặc sóng dọc tương ứng và chúng cũng có thể đi vòng qua các góc cạnh cho nên nó 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 mà thôi

d> Sóng Lamb hoặc sóng bản mỏng (Lamb or plate waves, guided wave) :

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 của 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

Phương truyền sóng KHÔNG KHÍ

KIM LOẠI

Phần tử dao động

Tại bề mặt cân bằng

Sóng bản mỏng hay sóng Lamb (người Mỹ còn gọi là guided wave), tồn tại dưới nhiều dạng phức hợp của dao động phần tử sóng Hai dạng cơ bản của sóng Lamb là :

(a) dạng đối xứng hay là dạng dãn nở và

(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 phần tử đối với trục trung tâm của vật kiểm tra Trong sóng Lamb đối xứng (sóng dãn nở) có sự dịch chuyển của phần tử dọc theo trục trung tâm của bản và dịch chuyển ellip của phần tử sóng 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 phần tử dọc theo trục chính của bản và dịch chuyển ellip trên mỗi bề mặt (hình 2.9b)

Hình 2.9 - Mô hình cơ bản của sóng Lamb đối xứng (a)

và sóng Lamb phản đối xứng (b)

Tỷ số giữa trục chính và trục phụ của ellip là một hàm phụ thuộc vào vật liệu mà sóng truyền qua

e> Vận tốc của các loại sóng siêu âm

Phương truyền sóng Tại bề mặt cân bằng

Tại bề mặt cân bằng Trục trung hòa

Hạt dao động

Tại bề mặt cân bằng Phương truyền sóng Hạt dao động

Tại bề mặt cân bằng Trục trung hòa

λ

λ

(a)

(b)

Vận tốc truyền các loại sóng dọc, sóng ngang và sóng mặt (phần 2.3) phụ thuộc vào modul đàn hồi, và 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 nêu ra trong các phương trình sau :

VT – Vận tốc của sóng ngang

VS – Vận tốc của sóng mặt

E – Mô đun đàn hồi Young

G – Mô đun cứng

ρ – Mật độ của môi trường

Đối với thép : 0,55

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

2.4 BIỂU HIỆN CỦA SÓNG SIÊU ÂM :

2.4.1 Sự phản xạ và truyền qua khi sóng tới thẳng góc :

a> Cường độ phản xạ và truyền qua :

Khi sóng siêu âm tới thẳng góc với biên giới giữa hai môi trường có âm trở khác nhau (Z1≠Z2), thì một phần sóng sẽ bị phản xạ và một phần sóng sẽ truyền qua được biên giới này Bề mặt tại đó xảy ra sự phản xạ được gọi là mặt phân cách Phần năng lượng của sóng âm bị phản xạ hoặc truyền qua phụ thuộc vào sự khác biệt giữa âm trở (Z1 & Z2) của hai môi trường Nếu sự khác biệt này lớn thì phần lớn năng lượng sẽ bị phản xạ trở lại và chỉ một phần nhỏ năng lượng truyền qua được mặt phân cách Ngược lại nếu sự khác biệt âm trở là nhỏ thì phần lớn năng lượng siêu âm sẽ truyền qua và chỉ một phần nhỏ bị phản xạ ngược trở lại

Hình 2.10 – Sự phản xạ và truyền qua khi sóng tới thẳng góc

Về mặt định lượng, phần năng lượng siêu âm bị phản xạ khi sóng siêu âm tới thẳng góc với mặt phân cách hai môi trường có âm trở khác nhau (hình 2.10) được tính như sau:

2

2 1

1 2 i

r

ZZ

ZZI

I

R = = ⎜⎜⎝⎛ +− ⎟⎟⎠⎞ (2.17) Trong đó : R – Hệ số phản xạ

Z1 – Âm trở của môi trường 1

Z2 – Âm trở của môi trường 2

Ir – Cường độ sóng siêu âm phản xạ

Ii – Cường độ sóng siêu âm tới

Hệ số phản xạ = Cường độ của sóng siêu âm bị phản xạ tại biên giới

Cường độ của sóng siêu âm tới biên giới

Mặt phân cách

Sóng tới vuông góc

Sóng phản xạ

Sóng truyền qua

Môi trường 1

Z 1

Môi trường 2

Z 2

1 R

)ZZ(

ZZ4I

T

2 1

2 1 i

+

=

= (2.18) Trong đó : T – Hệ số truyền qua

Z1 – Âm trở của môi trường 1

Z2 – Âm trở của môi trường 2

It – Cường độ sóng siêu âm truyền qua

Ii – Cường độ sóng siêu âm tới

Như vậy hệ số truyền qua có thể xác định theo biểu thức :

T = 1 – R (2.19) Trong đó : T – Hệ số truyền qua

R – Hệ số phản xạ

Khi sử dụng các giá trị âm trở cho trong bảng 2.1 có thể tính toán được các hệ số phản xạ và truyền qua cho những cặp vật liệu khác nhau Các tính toán này cho thấy hệ số truyền qua có tính thống nhất là hệ số phản xạ tiến đến 0 khi Z1 và Z2 có các giá trị gần như giống nhau Các vật liệu này khi đó được coi là có tính tương hợp cao Ngược lại khi hai vật liệu có đặc trưng cơ bản về âm trở hoàn toàn khác biệt nhau như chất rắn hay lỏng tiếp xúc với các chất khí, thì hệ số truyền qua sẽ đạt tới

0 và sự phản xạ sẽ là 100% Các vật liệu này được gọi là có tính tương hợp kém Thay thế các giá trị âm trở trong bảng 2.1 vào phương trình 2.18 cho thấy hệ số truyền là 75% khi tinh thể thạch anh được đặt tiếp xúc hòan hảo với một khối thép Tuy nhiên, trong thực tế có một khe hở khoảng 1μ m nếu bề mặt của khối thép được gia công thông thường Ở tần số 1MHz, hệ số truyền qua chỉ giảm 1 hoặc 2% khi khe hở được lấp đầy chất lỏng Ngược lại nếu khe hở chứa khí, thì hệ số truyền qua sẽ giảm đến khoảng 4 × 10-9, hay hơn 80dB Đây là những minh họa về tầm quan trọng của các chất tiếp âm khi cần truyền đi hoặc ghi nhận sóng âm trong vật rắn

b> Âm áp phản xạ và truyền qua :

Các quan hệ xác định phần phản xạ và truyền qua của âm áp tại mặt phân giới trong trường hợp sóng tới thẳng góc là :

2 1

1 2 r

ZZ

ZZP

2 t

ZZ

Z2P

+

= (2.21) Trong đó : Pr – Phần âm áp phản xạ

Pt – Phần âm áp truyền qua

Z1 – Âm trở của vật liệu của môi trường sóng tới

Hệ số truyền qua = Cường độ của sóng siêu âm truyền qua biên giới

Cường độ của sóng siêu âm tới biên giới

Z2 – Âm trở của vật liệu của môi trường sóng truyền qua

Rõ ràng từ các phương trình (2.20) và (2.21), cho thấy Pr có thể dương hoặc âm và Pt có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn 1, phụ thuộc vào Z2 lớn hơn hoặc nhỏ hơn Z1 Khi

Z2 > Z1 tức là trường hợp biên giới nước – thép, thì Pr là dương và Pt > 1 Điều này có nghĩa là âm áp phản xạ cùng pha với âm áp tới và âm áp truyền qua lớn hơn âm áp tới (hình 2.11b)

Hình 2.11 – Âm áp trong trường hợp phản xạ trên bề mặt tiếp giáp thép –

nước, sóng tới trong thép (a) hoặc trong nước (b)

Sự kiện âm áp truyền qua lớn hơn âm áp tới không mâu thuẩn với định luật bảo toàn năng lượng vì chính là cường độ chứ không phải âm áp bị phân chia tại biên giới và theo các phương trình (2.20) và (2.21) thì cường độ tới bao giờ cũng bằng tổng của cường độ phản xạ vàcường độ truyền qua bất kể Z1 > Z2 hay Z2 > Z1

Lý do âm áp truyền qua trong thép cao hơn là do âm áp tỷ lệ với tích số của cường độ và âm trở, mặc dù cường độ truyền qua trong thép là thấp nhưng âm áp truyền qua lại cao do âm trở cao của thép Khi Z1 > Z2 tức là trường hợp phân giới thép – nước thì Pr < 0, có nghĩa là âm áp phản xạ bị đảo ngược như trình bày ở hình (2.11a)

Âm áp Nước

Sóng truyền qua

Sóng phản xạ

Thép

Sóng tới

Sóng tới Âm áp

Sóng phản xạ Sóng truyền qua

Nước Thép

Ví dụ 1 : Hãy xác định tỷ lệ phần trăm năng lượng phản xạ và truyền qua của sóng

âm tại mặt phân giới giữa nước và thép ?

Giải đáp : Từ bảng 2.1 ta có các số liệu sau :

Hình 2.12 – Các bố trí đầu dò và mẫu nhôm

Ví du 2: Bao nhiêu phần trăm năng lượng sóng âm phát ra sẽ bị phản xạ và truyền

qua được tại mặt phân giới từ nước vào nhôm và còn lại bao nhiêu% trở về đầu phát sau khi đã đi đến mặt đáy của mẫu nhôm như mô tả trong biểu đồ (hình 2.12) ?

Giải đáp 2 : Từ bảng 2.1 ta có các số liệu sau :

Z nước = Z1 = 1480×103 kg.m-2.s-1

Đầu dò Nước

Mẫu nhôm

Ví dụ 3: Một vật liệu cần được kiểm tra khuyết tật mất liên kết Hai vật liệu liên kết

phần trăm phản xạ sóng âm là bao nhiêu tại phân cách?

Giải đáp 3 : Nếu có liên kết tốt thì sự phản xạ sẽ chỉ xảy ra do sự khác nhau về âm trở của các vật liệu Cần nhấn mạnh là bỏ qua ảnh hưởng của vùng trường gần do mẫu được kiểm tra từ phía bề dày lớn

Thay các số liệu ta có :

Hệ số phản xạ (R) = (Z2 – Z1)2/ (Z1 + Z2)2

2.4.2 Sự phản xạ và truyền qua khi sóng tới xiên góc :

a> Sự khúc xạ và sự chuyển đổi dạng sóng :

Nếu sóng siêu âm tới mặt phân giới xiên góc thì sự phản xạ và truyền qua của sóng trở nên phức tạp hơn trường hợp góc tới thẳng góc Khi góc tới xiên sẽ xảy ra hiện tượng chuyển đổi dạng sóng (tức là một sự thay đổi về bản chất của dao động sóng) và khúc xạ (một sự thay đổi về phương truyền của sóng) Hình 2.12 biểu diễn điều xảy ra khi một sóng dọc tới xiên góc đối với biên giới hai môi trường Sóng dọc tới khi ấy được chia thành hai thành phần : một phần là sóng dọc và một phần là sóng ngang và điều gì sẽ xuất hiện đối với từng thành phần này Ký hiệu L1 và S1 là thành phần sóng dọc và sóng trượt trong môi trường 1 và L2 và S2 là thành phần sóng dọc và sóng trượt trong môi trường 2ø

Hình 2.13 biểu diễn tất cả các sóng phản xạ và truyền qua khi một sóng siêu âm dọc đến xiên góc với mặt biên giới giữa hai môi trường Thành phần sóng ngang khúc xạ trong môi trường 2 sẽ biến mất nếu môi trường 2 không phải là rắn

Hình 2.13 – Sự khúc xạ và sự chuyển đổi dạng sóng khi sóng dọc tới xiên góc

αl - Góc tới của sóng dọc

αt – Góc phản xạ của sóng ngang

βt – Góc khúc xạ của sóng ngang

βl – Góc khúc xạ của sóng dọc

vSin

β

α

(2.22) trong đó : α - Góc tới

β – Góc phản xạ hay góc khúc xạ

v1 – Vận tốc của sóng tới

v2 – Vận tốc của sóng phản xạ hay khúc xạ

(Các góc được đo so với đường pháp tuyến mặt phân giới)

c> Các góc tới hạn thứ nhất và thứ hai :

Khi áp dụng định luật Snell cho hình 2.13 ta có thể viết :

Sinαl / Sinβt = vl1 / vt2

Sinβl / Sinβt = vl2 / vt2

Sinαt / Sinβl = vt1 / vl2

Sinβt / Sinβl = vt2 / vl2

Tổ hợp các phương trình này sẽ cho :

Sinα1 / vl1 = Sinβl / vl2 = Sinβt / vt2 = Sinαt / vt1 (2.23)

Trong đó : αl, αt, βl và βt đã được định nghĩa ở trên và

vl1 = Vận tốc của sóng dọc trong môi trường 1

vl2 = Vận tốc của sóng dọc trong môi trường 2

vt1 = Vận tốc của sóng ngang trong môi trường 1

vt2 = Vận tốc của sóng ngang trong môi trường 2

Xem xét mối liên hệ : Sinαl / Sinβl = vl1 / v l2.

Nếu góc tới αl (hình 2.13) là nhỏ, sóng siêu âm truyền qua môi trường sẽ tuân theo hiện tượng chuyển đổi dạng sóng và hiện tượng khúc xạ ở biên giới chung với một môi trường khác Điều này dẫn đến sự truyền đồng thời của các sóng dọc và ngang với các góc khúc xạ khác nhau trong môi trường 2 Trong chất rắn do vận tốc sóng ngang thường nhỏ hơn vận tốc sóng dọc, nên góc khúc xạ βL của sóng dọc thường lớn hơn góc khúc xạ βt của sóng ngang Khi góc tới tăng thì góc khúc xạ cũng tăng Cho một giá trị nào đó của góc tới αL khi đó góc khúc xạ βL đạt đến 900 thì sóng ló ra khỏi môi trường 2 và truyền song song với mặt phân giới (hình 2.14a) Sóng dọc khúc xạ khi ấy nổi lên ra khỏi môi trường 2 Góc tới ứng với góc khúc xạ

truyền song song với mặt phân giới hai môi trường (được gọi là góc tới hạn thứ

nhất được xác định bởi :

αL = Sin-1(vL1 / vL2) (hình 2.14a) Bây giờ hãy xem mối liên hệ SinαL / Sinβt = vL1 / vt2

Nếu góc tới αL tiếp tục tăng thì góc khúc xạ của sóng ngang cũng sẽ đạt tới 900 Giá trị của α ứng với góc khúc xạ của sóng ngang đạt tới 900 được gọi là góc tới

trường 2 và truyền song song với mặt phân giới Sóng ngang trở thành sóng mặt hay sóng Rayleigh

Giá trị của góc tới hạn thứ hai được được xác định bởi αL = Sin-1(vL1 / vt2)

Hình 2.14b biểu diễn các góc tới hạn thứ nhất và thứ hai ở dạng biểu đồ Khi sóng truyền từ nuớc vào thép, thì các giá trị của góc tới hạn thứ nhất và thứ hai tương ứng là 140 và 300 Còn sóng truyền từ nhựa vào thép thì các góc tới hạn này có giá trị là 280 và 580

αL = Góc tới của sóng dọc

αt = Góc phản xạ của sóng ngangï

βL = Góc khúc xạ của sóng dọc

βt = Góc khúc xạ của sóng ngang

d> Âm áp phản xạ khi sóng tới xiên góc :

Hình 2.15 đưa ra hệ số phản xạ của âm áp đối với sóng ngang và dọc phản xạ tại biên giới thép – không khí

Góc tới của sóng dọc được vẽ ở thang nằm ngang bên dưới và góc tới của sóng ngang theo thang nằm ngang ở bên trên Thang thẳng đứng biểu diễn hệ số phản xạ tính theo phần trăm

Hình 2.14 – (a) Góc tới hạn thứ nhất, (b) Góc tới hạn thứ hai.

Hình 2.15 – Âm áp của các sóng phản xạ theo góc tới

Cần nhấn mạnh từ hình 2.15 rằng :

(a) Âm áp phản xạ của sóng dọc có một cực tiểu 13% ở góc tới 680 Điều đó có nghĩa là phần còn lại của sóng được chuyển đổi thành sóng ngang

(b) Khi sóng ngang có góc tới khoảng 300, thì chỉ có 13% của âm áp là ở dạng sóng ngang Phần còn lại sẽ chuyển đổi thành sóng dọc

(c) Khi sóng ngang có góc tới lớn hơn 33,20 thì các sóng ngang hòan toàn phản xạ và không xảy ra sự chuyển đổi dạng sóng

2.5 SỰ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG SÓNG ÂM GIỮA CÁC MÔI TRƯỜNG : 2.5.1 Một số quá trình phát sóng siêu âm :

Sự phát ra âm thanh là một hiện tượng trong đó các dạng năng lượng khác nhau được chuyển đổi từ năng lượng âm thanh thành dao động cơ học và ngược lại

Ví dụ trong các biến tử áp điện thì năng lượng điện được chuyển đổi thành năng lượng âm (phần 2.6.1) Trong các biến tử từ giảo thì hiệu ứng từ trường được dùng để tạo ra những dao động cơ học trong một vài vật liệu đặc biệt Trong các biến tử

cơ học thì chính sự va chạm hoặc ma sát sẽ tạo ra sóng siêu âm Sự phát ra âm thanh bằng từ trường dựa trên nguyên lý : nếu có một từ trường xoay chiều tác dụng lên một vật dẫn điện thì sẽ cảm ứng ra một dòng điện xoáy trong nó, do sự tương tác giữa dòng điện xoáy và và từ trường bên ngoài, sẽ phát sinh một lực từ Lorentz trong mẫu kiểm tra để phát ra âm thanh Còn trong phương pháp tĩnh điện, khi có một lực tác động vào giữa các bản điện cực tụ điện, và nếu một bản tụ điện được di chuyển thì âm thanh có thể được phát ra do sự hình thành một điện thế xoay chiều Cũng có thể lợi dụng quá trình biến đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng âm Khi

Thép Không khí

bề mặt của một vật rắn bị làm nóng đột ngột sẽ gây ra sự giãn nở nội tại đột ngột trong vật liệu Sức căng cơ học sinh ra do quá trình này sẽ kích thích tạo ra sóng âm có phổ tần số rộng Aùnh sáng laser và chùm electron thường được sử dụng trong trường hợp này, để nhiệt hoá rất mạnh và nhanh

2.5.2 Sự mất mát năng lượng sóng âm trong các môi trường khác nhau :

Như đã biết vận tốc sóng âm là khác nhau trong các môi trường khác nhau và như vậy môi trường khác nhau sẽ có âm trở khác nhau; có nghĩa là chúng có mức độ cản trở khác nhau khi năng lượng chùm siêu âm truyền qua chúng Điều này chứng tỏ rằng có một phần năng lượng chùm siêu âm bị mất đi trong quá trình truyền qua vật liệu như : không khí, nước, dầu, thép, thủy tinh hữu cơ.v.v…

Trong trường hợp sóng tới thẳng góc, một phần năng lượng của chùm tia siêu âm sẽ bị phản xạ ngược trở lại vào môi trường thứ nhất và phần năng lượng còn lại được truyền vào môi trường thứ hai Tỷ lệ phần trăm của các phần năng lượng này phụ thuộc vào sự khác nhau hay tương hợp giữa các âm trở của hai môi trường Trong trường hợp sóng tới xiên góc, ngoài các thành phần phản xạ và truyền qua, còn có hiện tượng chuyển đổi dạng sóng do một phần sóng dọc biến đổi thành sóng ngang Dạng sóng sau (sóng ngang) có vận tốc thấp hơn rất nhiều khi truyền trong môi trường thứ hai

Chùm siêu âm phát từ đầu dò luôn bị phân kỳ Khi khoảng cách từ biến tử tăng thì cường độ của chùm tia phân bố theo các tiết diện ngang của chùm tăng dần, dẫn đến cường độ chùm giảm liên tục trong không gian

Năng lượng chùm siêu âm tương tác với môi trường mà nó truyền qua, vì vậy chúng có thể bị suy giảm theo hai cách :

(i) Bị hấp thụ thực sự xảy ra trong mọi môi trường, năng lượng sóng âm biến đổi thành các dạng năng lượng khác, chủ yếu dưới dạng nhiệt

(ii) Sự tán xạ năng lượng chùm siêu âm, xảy ra chủ yếu ở các môi trường đa tinh thể không đồng nhất (đặc biệt là trong kim loại) Quá trình này gồm sự lệch hướng một phần năng lượng khỏi hướng chùm ban đầu do bị nhiễu xạ, phản xạ và khúc xạ tại các tinh thể đơn bất đẳng hướng

2.6 HIỆU ỨNG ÁP ĐIỆN VÀ TỪ GIẢO TRÊN CÁC TINH THỂ :

2.6.1 Hiệu ứng áp điện :

Một biến tử là một thiết bị nhằm chuyển đổi một dạng năng lượng này sang một dạng năng lượng khác Biến tử siêu âm chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng siêu âm và ngược lại bằng cách ứng dụng một hiện tượng gọi là hiệu ứng áp điện Các vật liệu có đặc tính trên được gọi là vật liệu áp điện

Trong hiệu ứng áp điện thuận, lần đầu tiên do anh em nhà Curie khám phá năm 1880, theo hiệu ứng này thì khi một vật liệu áp điện chịu một lực nén cơ học sẽ làm xuất hiện một hiệu điện thế trong nó (hình 2.18a) Trong hiệu ứng áp điện ngược, lần đầu tiên được Lippman tiên đoán năm 1881 và sau đó trong cùng năm đã được anh em nhà Curie xác nhận bằng thực nghiệm, theo hiệu ứng này thì biến dạng cơ học hay dao động trong vật liệu áp điện được tạo ra khi đặt một điện áp lên chúng (hình 2.18b) Hiệu ứng áp điện thuận được dùng để thu sóng siêu âm và hiệu ứng áp điện ngược để phát sóng siêu âm

Hình 2.18a – Hiệu ứng áp điện thuận

Hình 2.18b – Hiệu ứng áp điện ngược

2.6.2 Các loại biến tử áp điện

Các biến tử áp điện có thể phân loại theo hai nhóm Sự phân loại dựa vào loại vật liệu áp điện được dùng trong khi chế tạo biến tử Nếu biến tử được chế tạo từ vật liệu đơn tinh thể trong đó hiện tượng áp điện xảy ra một cách tự nhiên thì

Điện thế

Điện thế Sự giãn ra Sự co lại