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

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!

LờI Mở ĐầU

Kỹ thuật siêu âm đã được biết đến từ lâu và được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: y học, công nghiệp và dân dụng Người ta đã sử dụng siêu âm để thăm dò khuyết tật trong các mối hàn kim loại, đánh sạch bề mặt vật liệu, tìm các luồng cá trong biển…đặc biệt lĩnh vực ứng dụng siêu âm rộng rãi

và quan trọng nhất là trong y học chuẩn đoán và điều trị Với một ưu việt đặc biệt là không gây những tác động xấu về sinh học đối với cơ thể người như tia X – quang hay trong y học chẩn đoán hình ảnh Tuy nhiên, để hiểu biết được những ứng dụng của siêu âm đòi hỏi phải được học những kiến thức cơ bản về bản chất vật lý của sóng siêu âm, cơ sở thiết bị, nguyên lý làm việc thiết bị siêu

âm, phương pháp và kỹ thuật kiểm tra bằng siêu âm Nhưng hiện nay ở nước ta tài liệu nghiên cứu cũng như cán bộ kỹ thuật biết về lĩnh vực này còn hạn chế

Để góp phần vào công tác nghiên cứu, công tác đào tạo chương trình đào tạo kỹ sư ngành công nghệ kỹ thuật điện, điện tử của trường Đại học SPKT Nam Định

đã đưa môn học Kỹ thuật siêu âm tần vào giảng dạy với hy vọng cung cấp một phần kiến thức cơ bản về kỹ thuật siêu âm và ứng dụng của siêu âm Do đó bài giảng Kỹ thuật siêu âm được biên soạn phục vụ cho công tác giảng dạy, làm tài liệu học tập cho sinh viên và tài liệu nghiên cứu cho các bạn ham mê nghiên cứu khoa học

Tập bài giảng kỹ thuật siêu âm tần gồm 3 chương:

Chương 1: Khái niệm chung về siêu âm Chương 2: Cơ sở thiết bị siêu âm

Chương 3: Một số thiết bị ứng dụng siêu âm

đã được đề cập đến vấn đề chính sau: tính chất của sóng siêu âm, các tương tác của siêu âm, cơ sở nguyên lý và cấu trúc thiết bị siêu âm, các ứng dụng của siêu âm Trong quá trình biên soạn, chúng tôi đã nhận được sự giúp đỡ hết sức quí báu,

sự đóng góp ý kiến xây dựng của các giảng viên trong bộ môn Kỹ thuật điện tử, trong Khoa điện, điện tử trường đại học SPKT Nam Định Mặc dù đã có nhiều cố gắng xong bài giảng không thể tránh khỏi các sai sót Chúng tôi rất mong nhận

được ý kiến đóng góp của bạn đọc để bài giảng sẽ được hoàn thiện hơn

Nam Định, ngày tháng 11 năm 2011

Chủ biên Ths Nghiêm Thị Thúy Nga Ths Nguyễn Thị Hòa

MỤC LỤC

Lời mở đầu 1

Cuương 1: Khái niệm chung về siêu âm 5

1.1 Sóng âm thanh 5

1.1.1 Định nghĩa sóng âm 5

1.1.2 Phân loại sóng âm 5

1.2 Sóng siêu âm 6

1.2.1 Định nghĩa siêu âm 6

1.2.2 Đặc điểm của sóng siêu âm 6

1.2.3 Bản chất của sóng siêu âm 7

1.2.4 Phương trình cơ bản của sóng siêu âm 9

1.3 Các đại lượng đặc trưng quá trình truyền sóng siêu âm 10

1.3.1 Tần số 10

1.3.2 Biên độ 11

1.3.3 Bước sóng 12

1.3.4 Vận tốc 13

1.3.5 Trở kháng âm 13

1.3.6 Âm áp (áp suất âm) 13

1.3.7 Âm năng (năng lượng sóng siêu âm) 14

1.3.8 Cường độ sóng siêu âm 14

1.4 Các dạng sóng siêu âm và ứng dụng 15

1.4.1 Sóng dọc hay sóng nén (Longitudinal or compressional waves) 16

1.4.2 Sóng ngang hay sóng trượt (Transverse or shear waves) 17

1.4.3 Sóng mặt hay sóng Rayleigh (surface or Rayleigh Wares) 18

1.4.4 Sóng lamb hoặc sóng bản mỏng (lamb or plate waves) 18

1.4.5 Vận tốc của sóng siêu âm 20

1.5 Sự truyền lan sóng siêu âm 21

1.5.1 Phản xạ 21

1.5.2 Tán xạ 26

1.5.3 Khúc xạ 27

1.5.4 Giao thoa 32

1.5.5 Sự hấp thụ 35

1.6 Sự suy giảm của chùm tia siêu âm 35

1.6.1 Khái niệm 35

1.6.2 Thang đo theo decibel 37

1.6.3 Lớp nửa giá trị (HVL- HaLf Value Layer) 38

1.6.4 Decibel và HVL 38

1.6.5 Tính toán suy giảm 39

1.6.6 Tính toán cường độ 40

1.7 Đặc tính của chùm tia siêu âm 41

1.7.1 Chùm tia siêu âm 41

1.7.2 Trường gần 43

1.7.3 Trường xa 45

Câu hỏi ôn tập chương 1 48

Cuương 2: Cơ sở thiết bị siêu âm 49

2.1 Các phương pháp kiểm tra bằng siêu âm 49

2.1.1 Phương pháp truyền qua (phương pháp bóng âm) 49

2.1.2 Phương pháp xung phản hồi 51

2.1.3 Phương pháp cộng hưởng 59

2.1.4 Phương pháp tự động và bán tự động 60

2.2 Đầu dò siêu âm 62

2.2.1 Hiệu ứng áp điện 62

2.2.2 Vật liệu áp điện 64

2.3 Các loại đầu dò và ứng dụng 77

2.3.1 Đầu dò thẳng 77

2.3.2 Đầu dò góc (đầu dò xiên) 83

2.3.3 Đầu dò đặc biệt 85

Câu hỏi ôn tập chương 2 86

Chương 3: Một số thiết bị ứng dụng siêu âm 87

3.1 Siêu âm dò khuyết tật kim loại 87

3.1.1 Kỹ thuật kiểm tra khuyết tật kim loại bằng siêu âm 87

3.1.2 Sơ đồ khối máy dò khuyết tật kim loại 94

3.1.3 Nguyên lý làm việc 95

3.2 Siêu âm chuẩn đoán trong y tế 102

3.2.1 Phương pháp tạo ảnh bằng siêu âm 102

3.2.2 Cấu trúc cơ bản của thiết bị siêu âm y tế 110

3.2.3 Chức năng và nguyên lý làm việc 110

3.3 Một số thiết bị siêu âm khác 115

3.3.1 ứng dụng sóng siêu âm trong hệ thống phát hiện đột nhập và di động 115

3.3.2 Thiết bị tẩy rửa dùng sóng siêu âm 121

3.3.3 Thiết bị đo khoảng cách sử dụng sóng siêu âm 126

3.4 Các mạch điện ứng dụng 132

3.4.1 Mạch đo khoảng cách sử dụng sóng siêu âm 132

Câu hỏi ôn tập chương 3 135

Tài liệu học tập 136

Phụ lục 137

CHương 1: Khái niệm chung về siêu âm 1.1 Sóng âm thanh

1.1.1 Định nghĩa sóng âm

Âm thanh là năng lượng cơ học được truyền qua môi trường Các thay đổi tuần hoàn dưới áp lực của môi trường (không khí, nước hoặc sắt) được tạo ra bởi các lực tác dụng tác động lên các phần tử khiến chúng dao động quanh vị trí cân bằng của chúng

Sóng âm là những dao động cơ học hay sóng đàn hồi, lan truyền trong môi trường đàn hồi gọi là sóng đàn hồi hay sóng cơ

Sóng âm thanh lan truyền được trong các môi trường vật chất đàn hồi như trong chất rắn (thép, đá…) trong các tinh thể, trong các chất lỏng như (nước, các dung môi hữu cơ) và trong các chất thể khí

Vậy ta có thể tạo ra sóng âm bằng cách tác động một lực cơ học vào môi trường truyền âm

Ví dụ: Đánh vào mặt trống Dòng điện làm rung màng loa Đạn bay trong không khí

1.1.2 Phân loại sóng âm

1 Phân loại theo phương dao động

Dựa vào các cách truyền sóng người ta chia sóng âm thanh thành 2 loại là sóng dọc và sóng ngang

Sóng ngang: là sóng mà phương dao động của các phân tử môi trường vuông góc với phương truyền sóng Sóng ngang xuất hiện trong các môi trường

có tính đàn hồi về hình dạng, tính chất này chỉ có ở các chất rắn

Sóng dọc: là sóng mà phương dao động của các phân tử môi trường trùng với phương truyền sóng Sóng dọc xuất hiện trong các môi trường có thể biến dạng về thể chất, tính chất này có cả chất rắn, lỏng và khí

Sóng siêu âm ứng dụng trong siêu âm chuẩn đoán thuộc loại sóng dọc

Siêu âm là một loại dao động cơ học được truyền đi trong một môi trường vật chất nhất định Năng lượng cơ học này tác động vào các phân tử vật chất của môi trường làm cho chúng dao động khỏi vị trí cân bằng, mặt khác do tương tác

mà các phân tử bên cạnh nó cũng chịu ảnh hưởng và dao động theo, tạo thành sóng lan truyền cho tới khi hết năng lượng, chính vì vậy siêu âm không thể truyền ở môi trường chân không như các sóng điện từ

Dải tần sóng siêu âm:

Dải tần từ 0,5MHz đến 20MHz được sử dụng trong kiểm tra vật liệu Dải tần từ 1,5MHz đến 10MHz sử dụng trong siêu âm chuẩn đoán

Dải tần từ 20MHz đến 50MHz sử dụng máy siêu âm da liễu

Trong điều trị ta dựng siờu õm cú tần số 1MHz và 3MHz

Hình 1.1: Phổ âm với các dải tần siêu âm được sử dụng phổ biến cho kiểm tra

một số sản phẩm công nghiệp

1.2.2 Đặc điểm của sóng siêu âm

Khi siêu âm được lựa chọn sẽ tăng tính chất định hướng kiểm tra, năng lượng sóng truyền đi theo một phương nhất định, tần số càng cao tính định hướng càng lớn Đây là xem xét chính để tăng khả năng phát hiện khuyết tật và tạo thuận lợi trong phân tích tín hiệu dưới nước và chế tạo các hệ hội tụ để tập trung năng lượng lớn trên một diện tích hẹp

20Khz 20Hz

Dải tần số tai người

2,0MHz

Kiểm tra sản phẩm đức rèn

Kiểm tra mối hàn Kiểm tra độ dày

Khi lựa chọn tần số càng cao thì bước sóng càng ngắn và đến mức có thể bằng hoặc nhỏ hơn nhiều kích thước các mẫu vật liệu Điều này có ý nghĩa quan trọng trong đo kiểm tra bề dày mỏng và phát hiện khuyết tật có độ phân dải cao

Sóng siêu âm mang năng lượng lớn hơn sóng âm

Trong dải sóng siêu âm với một điều kiện nhất định xuất hiện hiện tượng xâm thực sóng xảy ra trong chất lỏng

Sử dụng siêu âm sẽ không gây ồn âm thanh trong quá trình kiểm tra

1.2.3 Bản chất của sóng siêu âm

Sóng siêu âm là một dạng dao động cơ học Để hiểu sự chuyển động của sóng siêu âm trong môi trường cần phải hiểu cơ chế truyền năng lượng giữa hai

điểm trong môi trường bằng cách nghiên cứu dao động của một trọng vật treo ở

đầu một lò xo

Hình 1 2: Sơ đồ dao động của sóng siêu âm

Có 2 lực tác dụng lên M khi ở trạng thái cân bằng A, trọng lực G và lực căng T của lò xo

- Khi M chuyển động từ A đến B thì sức căng T sẽ tăng

- Khi chuyển động từ B thì M sẽ được gia tốc về vị trí A dưới tác dụng của lực căng T đó khi đến A thì T = G (trạng thái cân bằng) Nhưng do M chuyển

động có vận tốc nên theo quán tính nó sẽ vượt khỏi A và chuyển động đến C, khi

đó T giảm và G tăng tương đối có xu hướng hãm M cho đến khi M không còn

động năng và dừng ở C Tại C, G>T lại kéo M quay lại chuyển động về phía A Tại A nó lại có động năng và lại vượt qua A chuyển động đến B T tăng dần và hãm M khi nó đến B Tại B, T lại lớn hơn G và toàn bộ quá trình lại bắt đầu lặp lại Trình tự dịch chuyển của M từ A -> B -> A -> C -> A, được gọi là một chu trình Thời gian cần thiết để thực hiện một chu trình gọi là chu kỳ:

f

T 1 

Trong đó: T là chu kỳ của dao động (thời gian cần thiết để thực hiện 1 chu trình)

f là tần số của dao động (số dao động toàn phần trong 1 giây)

Độ dịch chuyển cực đại của M từ A-> B; A-> C được gọi là biên độ của dao động được minh họa như hình vẽ

Mọi vật liệu đều có cấu tạo từ nguyên tử (phân tử) chúng được liên kết với nhau nhờ lực liên kết nguyên tử Các lực nguyên tử này là các lực đàn hồi tức là các nguyên tử được coi là nối với nhau bằng các lò xo

Hình 1 3: Mạng liên kết nguyên tử của các phân tử Bây giờ nếu một nguyên tử của vật liệu bị dịch khỏi vị trí ban đầu của nó

do một lực nào đó thì nguyên tử này sẽ dao động như vật M được mô tả ở hình 1.2 Do lực liên kết giữa các nguyên tử sẽ làm cho các nguyên tử kế 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 vv… Nếu tất cả các nguyên tử liên kết với nhau một cách vững chắc (liên kết cứng) thì sự truyền chuyển động là đồng thời và duy trì cùng một trạng thái dao động, tức 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

Nếu coi mọi vật liệu đều được cấu tạo bởi các phân tử, nguyên tử và chúng

được liên kết chặt chẽ với nhau Ta coi giữa chúng được nối với nhau bởi các lò

so để tạo ra lực đàn hồi như hình 1.3

ở trạng thái bình thường: mỗi phân tử có một vị trí cân bằng bền nếu tác dụng lực lên phần tử A về vị trí cân bằng nào đó của môi trường thì phần tử này rời khỏi vị trí cân bằng bền và dao động

Do lực liên kết giữa chúng các phân tử nên khi phân tử A dao động sẽ kéo theo các phân tử bên cạnh dao động theo Hiện tượng tiếp tục xảy ra đối với các phân tử khác của môi trường Cứ như vậy tạo thành sóng đàn hồi hay sóng cơ Vậy bản chất của sóng âm là sự hình thành sóng cơ trong môi trường chất đàn hồi (khí, lỏng, rắn) và có thể coi như những môi trường liên tục gồm những phân

tử liên kết chặt chẽ với nhau

Bản chất của sóng âm là sóng cơ học do đó tuân theo mọi quy luật đối với sóng cơ

Hình 1.4: Đồ thị miêu tả sự dao động của những phần tử dao động theo thời gian

a(t) là biên độ tại thời

điểm hay độ dịch chuyển của

Phương trình chuyển động của sóng cơ học trong một môi trường cho ta biết trạng thái của phân tử ở vị trí khác nhau tính từ hạt bị kích thích đầu tiên tại thời điểm t:

a(x, t) = a0 sin2f(t – x/c) (1.2) Trong đó:

x là khoảng cách từ hạt đầu tiên bị kích thích tới thời gian t

2f =  là vận tốc góc của dao động

a0 là biên độ dao động cực đại

c là vận tốc truyền âm trong môi trường

a(x,t) là biên độ dao động của phần tử vật chất trong môi trường truyền âm

Hình 1.5: Đồ thị miêu tả sự dao động của những phần tử dao động theo khoảng cách

Trong thời gian 1 chu kỳ (T) một sóng cơ học có vận tốc (c) truyền đi một quãng đường  trong môi trường được xác định:

f

c T

1Hz =1 chu kỳ trong một giây

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

1 MHz=1.000.000Hz= 1.000.000 chu kỳ trong một giây

Trong các thiết bị hiện đại có thể phát được tần số đến dải GHz Tuy nhiên trong kiểm tra vật liệu tần số sóng siêu âm thường sử dụng nằm trong dải 0,5 MHz đến 20 MHz

Vậy: Tần số của sóng âm (f) là số dao động của sóng âm thực hiện trong một đơn vị thời gian (hoặc tần số sóng âm là số dao động toàn phần của các nguyên tử phân

tử của môi trường mà trong đó có sự truyền sóng diễn ra)

Biên độ là sự thay đổi độ lớn của một thực thể vật lý

Độ dịch chuyển của trọng vật M hình (1.2) hoặc các hạt môi trường (hình 1.4 và 1.5) so với vị trí cân bằng của nó được gọi là biên độ Trong phương trình sóng (1.2) “a(t)” là biên độ tại thời điểm t còn “a0” là biên độ dao động cực đại

Biên độ áp dụng cho:

+ áp suất của môi trường + Mật độ hạt

+ Vị trí hạt hoặc tốc độ hạt trong môi trường Ngoài ra biên độ có ứng dụng mô tả độ lớn xung điện áp phát ra hoặc tạo

ra trong tinh thể của đầu dò

Nếu khi biên độ là hàm thời gian, chu kỳ sóng (T) được định nghĩa là thời gian cần thiết để thực hiện hoàn toàn một vòng tuần hoàn hoặc thời gian thực hiện giữa hai vùng khí nén hoặc khí giãn liên tiếp (hình 1.4) Đơn vị của chu kỳ

là giây (s)

Vậy: Bước sóng là khoảng cách mà sóng âm lan truyền trong một chu kỳ dao

động λ = c.T = c/f (đơn vị m, cm, mm)

Trong đó: c là vận tốc (m/s)

T là chu kỳ (s) + ảnh hưởng của bước sóng đến khả năng phát hiện khuyết tật:

Trong kiểm tra thực tế thường các khuyết tật cỡ /2; /3 có thể phát hiện

Giải: Độ nhạy khuyết tật đã được giả thiết ở (kích thước khuyết tật) mức độ /3 + Đầu dò có dải tần số 1MHz thì có bước sóng:



 f

c

10

65940f

(Đầu dò có khả năng phát hiện được khuyết tật có kích thước là 0,33mm)

Kết luận: Bước sóng càng ngắn khả năng phát hiện khuyết tật có độ phân dải cao

1.3.4 Vận tốc

Đại lượng biểu thị cho tốc độ năng lượng được chuyển giữa hai điểm trong môi trường do chuyển động của sóng được gọi là vận tốc sóng và vận tốc của sóng thường được kí hiệu là c

Vật tốc truyền âm của sóng âm là quãng đường mà sóng truyền được sau một đơn vị thời gian

Tốc độ lan truyền của siêu âm phụ thuộc vào bản chất và nhiệt độ môi trường truyền âm, không phụ thuộc vào tần số Tốc độ truyền âm trong không khí là rất thấp khoảng 342m/s, trong cơ thể khoảng 1540m/s

1.3.5 Trở kháng âm

Sức cản của một vật liệu đối với sự truyền sóng siêu âm được gọi là trở kháng âm, kí hiệu là Z và được xác định là tích số của mật độ vật liệu và vận tốc của sóng siêu âm truyền trong vật liệu

Trở kháng âm là đại lượng đo sự hạn chế của âm thanh truyền qua môi trường Hay nói cách khác: trở kháng âm là độ vang hay độ dội của sóng âm trong môi trường

Z = .c (đơn vị Rayls = kg/m2.s = g/cm2.s) (1.5) Trong đó: c là vật tốc lan truyền của siêu âm trong môi trường (m/s)

 là tỷ khối các hạt của môi trường - mật độ của môi trường (kg/m3) Như vậy giá trị trở kháng âm của 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

Trở kháng âm của môi trường có vai trò quyết định đối với biên độ của sóng phản xạ trên mặt phân cách giữa hai môi trường

đầu tiên sẽ đẩy các lớp gần nó nhất theo hướng truyền Dần dần các lớp kế tiếp

bị dịch chuyển một cách tuần tự và dịch chuyển này cứ tiếp tục cho đến lớp cuối cùng là nơi đặt thiết bị ghi nhận

Đây chính là năng lượng của các dao động hoặc các sóng chứ không phải hạt trong vật liệu dịch chuyển từ nguồn phát đến nơi ghi nhận Bản thân các hạt chỉ dao động xung quanh vị trí trung bình của chúng với biên độ rất nhỏ thực tế chỉ bằng phần nhỏ của mm

Vậy năng lượng sóng siêu âm là động năng dao động và thế năng đàn hồi của các phần tử trong môi trường

Thông thường cường độ âm thanh được miêu tả dưới đơn vị W/cm2 hoặc mW/cm2 (sự kết hợp của hệ thống đơn vị met kg giây (MKS) và cm gam giây (CGS) ở lĩnh vực khác của vật lý đơn vị này không được dùng

1 Công thức cường độ

Cường độ của một chùm siêu âm tỷ lệ với bình phương độ lớn áp suất, độ lớn sự dịch chuyển của hạt hoặc độ lớn vận tốc hạt

Cường độ tức thời:

P c

P I

2 2

2 2

Ví dụ: đầu phát có diện tích 5cm2, cường độ phát là 1W/cm2 Tổng năng lượng được truyền là 5W

1.4 Các dạng sóng siêu âm và ứng dụng

Các sóng siêu âm được phân loại theo cơ sở dạng dao động của các hạt môi trường đối với phương truyền sóng Sóng siêu âm được phân loại thành: sóng dọc, sóng ngang, sóng mặt và sóng lamb

1.4.1 Sóng dọc hay sóng nén (Longitudinal or compressional waves)

Trong dạng sóng siêu âm này các vùng nén và giãn kế tiếp xen kẽ nhau được tạo ra do dao động của các hạt theo phương song song với phương truyền sóng

Hình 1.6: sóng dọc gồm các vùng nén và dãn xen kẽ nhau dọc theo phương

truyền sóng Sóng dọc là sóng mà sự chuyển động các hạt dọc theo hướng truyền năng lượng sóng nghĩa là các hạt dao động về phía trước và về phía sau theo cùng hướng với sóng đang dịch chuyển

Hình 1.7: Sự dịch chuyển của hạt theo quãng đường truyền sóng

Dạng sóng dọc của sóng siêu âm gồm các vùng nén và giãn kế tiếp xen kẽ nhau được tạo ra do sự dao động của các hạt theo phương song song với phương truyền sóng Đối với sóng dọc sự dịch chuyển của các hạt theo quãng đường mà sóng vượt qua và dọc theo đó gồm các đỉnh nén và hố giãn xen kẽ nhau Sóng dọc xuất hiện trong các môi trường chịu biến dạng về thể tích do đó nó truyền

được trong vật rắn cũng như môi trường lỏng, khí với vận tốc lớn tính định hướng cao, mang năng lượng lớn Sóng dọc được sử dụng dễ dàng trong việc thu

và phát sóng siêu âm nên được dùng rộng rãi trong việc kiểm tra siêu âm Phần năng lượng sóng âm được dùng trong kiểm tra vật liệu đều xuất phát từ dạng

sóng này và sau đó được chuyển đổi sang các dạng khác trong các phép kiểm tra chuyên dụng

1.4.2 Sóng ngang hay sóng trượt (Transverse or shear waves)

Sóng ngang là sóng mà sự dịch chuyển của các hạt vuông góc với hướng truyền năng lượng sóng

Hình 1.8: Biểu diễn mô phỏng của một sóng ngang

Ví dụ: Khi ta ném viên đá xuống mặt hồ – tạo ra các phân tử nước dao động lên xuống tương tự như cái phao bập bềnh trên mặt nước giống như sóng chuyển

động đi xa từ điểm nguồn dọc theo bề mặt của mặt nước

Sóng ngang chỉ có thể truyền được trong môi trường mà các phân tử, nguyên tử phải liên kết vững chắc với nhau sao cho khi một phân tử dao động thì

nó kéo theo các phân tử bên cạch dao động theo đúng với dạng sóng dao động của nó và gây ra sự truyền năng lượng sóng siêu âm Sóng ngang xuất hiện trong các môi trường có tính đàn hồi về hình dạng đó là môi trường rắn Do môi trường chất lỏng và chất khí có khoảng cách giữa các phân tử và nguyên tử lớn lên lực

đàn hồi nhỏ (lực hút giữa các phân tử nhỏ) khi sóng truyền trong môi trường này

sẽ bị tắt dần rất nhanh Vận tốc sóng ngang bằng 50% vận tốc sóng dọc trong cùng môi trường

Hướng truyền sóng toả ra ngoài từ nguồn sóng (nhìn từ trên xuống)

Sự dịch chuyển hạt

1.4.3 Sóng mặt hay sóng Rayleigh (surface or Rayleigh Wares)

Các sóng mặt được Lord Rayliegh mô tả đầu tiên vì vậy chúng được gọi là sóng Rayliegh Dạng sóng này chỉ có thể truyền dọc theo một bề mặt liên kết về một phía bởi các lực đàn hồi mạnh của vật rắn và về phía ngược lại do lực đàn hồi gần như không tồn tại giữa các phần 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

Sóng mặt có vận tốc bằng khoảng 90% vận tốc của sóng ngang tương

đương 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 biểu đồ của dao động giảm rõ rệt đến mức có thể bỏ qua ở các độ sâu lớn hơn

Dao động của các hạt nói chung theo quỹ đạo elip như hình vẽ Các mũi tên nhỏ chỉ phương dao động của các hạt

Hình 1.9: Giản đồ lan truyền sóng mặt ở bề mặt kim loại tiếp xúc với không khí Trục chính của elip thẳng góc với bề mặt mà trong đó sóng truyền Trục phụ song song với phương truyền

Các sóng mặt được sử dụng rất hữu hiệu cho mục đích kiểm tra vì ở cùng vật liệu chúng bị suy giảm ít hơn so với các sóng ngang hoặc sóng dọc tương ứng và vì chúng có thể đi vòng qua các cạnh và do đó được dùng để kiểm tra các chi tiết có hình dạng phức tạp và chỉ phát hiện được những vết nứt bề mặt hoặc ở gần bề mặt

1.4.4 Sóng lamb hoặc sóng bản mỏng (lamb or plate waves)

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 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 được gọi là sóng lamb vì lý thuyết mô tả nó

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 chỉ phụ thuộc vào vật liệu mà còn phụ thuộc vào bề dày của vật liệu, tần số và dạng của sóng

Sóng bản mỏng hay sóng lamb tồn tại dưới nhiều dạng phức hợp của dao

động hạt Hai dạng cơ bản của sóng lamb là dạng đối xứng hay dạng giãn nở, dạng phân đối xứng hay là dạng uốn cong

Dạng của sóng xác định theo sự đối xứng hay phản đối xứng của dao động của hạt đối với trục trung tâm của vật kiểm tra Trong sóng lamb đối xứng (sóng giãn nở) có sự chuyển dịch của hạt dọc theo trục trung tâm của bản và dịch chuyển elip của hạt trên mỗi bề mặt (1-10)

Hình 1.10: Dịch chuyển elip của hạt trên mỗi bề mặt của sóng Lamb đối xứng

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 ống

Trong sóng lamb phản đối xứng có một dịch chuyển trượt ngang của hạt dọc theo trục chính của bản và dịch chuyển elip trên mỗi bề mặt (1.11)

Hình 1.11: Dịch chuyển elip trên mỗi bề mặt của sóng Lamb phản đối xứng

Tỉ số giữa trục chính và trục phụ của elip là một hàm phụ thuộc vào vật liệu có sóng truyền trong đó Dạng phản đối xứng của sóng lamb có thể minh hoạ bằng các hình ảnh của các tấm chắn được nâng lên hạ xuống cho mặt gợn sóng truyền qua nó

 mật độ của môi trường

Như vậy vận tốc của sóng dọc, ngang, sóng mặt chỉ phụ thuộc vào kết cấu của vật liệu đặc trưng bởi độ nén và mật độ của vật liệu ở trong cùng một vật liệu nó không phụ thuộc vào tần số của sóng và kích thước của vật liệu

Độ nén: vận tốc sóng siêu âm tỉ lệ thuận với độ nén của vật liệu, vật liệu càng khó nén vận tốc sóng lan truyền càng nhanh Trong môi trường chất khí các phân tử cách xa nhau nên sự liên kết giữa chúng yếu, mỗi hạt phải di chuyển một khoảng cách tương đối lớn trước khi có thể tác động vào phần tử bên cạnh nên vận tốc sóng lan truyền thấp

Trong môi trường lỏng và đặc biệt là chất rắn các phân tử ở gần hơn nên

sự liên kết giữa chúng mạnh, mỗi hạt chỉ cần di chuyển một khoảng cách ngắn

để có thể tác động vào phần tử bên cạnh nên vận tốc sóng lan truyền cao

Mật độ: Các vật liệu có mật độ dày đặc thường tạo bởi những phần tử lớn các phần tử này do có quán tính lớn nên khó dịch chuyển và cũng khó dừng lại

Do vậy nếu xét riêng mật độ thì vật liệu có mật độ càng lớn thì vận tốc sóng càng giảm Trong môi trường lỏng mật độ và độ nén thường tỉ lệ nghịch nên vận tốc truyền sóng đa số giống nhau Trong chất rắn độ nén thường lớn hơn mật độ nên vận tốc truyền sóng cao

Vận tốc của sóng bản mỏng không những phụ thuộc vào mật độ mà còn phụ thuộc vào dạng sóng và tần số của sóng do vậy vận tốc của sóng bản mỏng phức tạp khó xác định

1.5 Sự truyền lan sóng siêu âm

1.5.1 Phản xạ

1 Khái niệm

Hình 1.12 : Sự phản xạ và truyền qua khi sóng tới thẳng góc

Khi sóng siêu âm tới thẳng góc với mặt phân cách giữa hai môi trường có âm trở khác nhau thì một phần sóng sẽ bị phản xạ và một phần sóng sẽ truyền qua mặt phân cách Bề mặt xảy ra sự phản xạ gọi là mặt phân cách

Các mặt phân cách gọi là mặt phản xạ hay mặt phẳng âm là mặt phẳng có bề mặt nhận sóng có độ nhấp nhô nhỏ thua 10 lần bước sóng

Khi ném bóng vào tường ta thấy năng lượng truyền vào tường không nhiều do các nguyên nhân: Theo sự bảo toàn năng lượng cho phép quả bóng truyền toàn

bộ năng lượng vào tường và dừng lại trước bề mặt của tường Nhưng theo sự bảo toàn mô men không cho điều này xảy ra bởi sự khác nhau về khối lượng của quả bóng và bức tường Nên khi đó chỉ có một phần nhỏ năng lượng được truyền vào tường, phần lớn vẫn ở lại quả bóng khiến quả bóng sẽ quay trở lại gần như cùng tốc độ khi nó đập vào tường

Một xe tải đâm vào một xe con ta thấy có rất ít năng lượng được truyền sang

xe con do các nguyên nhân: Xe tải lại vẫn tiếp tục đi với vận tốc khi nó có ban

đầu và phần lớn năng lượng của xe tải được giữ lại mặc dù có sự thiệt hại rất lớn xảy ra với xe con Năng lượng không dễ dàng truyền từ vật lớn sang vật bé hoặc vật bé sang vật lớn

Để làm chậm một quả bóng, một lượng lớn năng lượng được truyền nếu nó va chạm với quả bóng khác Để truyền năng lượng từ một xe tải với một năng lượng lớn nó cần va chạm với một chiếc xe tải khác

Các phần tử dao động cũng tương tự như vậy Nếu chúng truyền năng lượng tới các phần tử giống hệt như vậy thì sự truyền tối đa sẽ xảy ra Nếu khác nhau giữa các phần tử rất ít năng lượng được truyền và năng lượng không được truyền

Nếu trở kháng âm Z1 khác Z2 với giá trị nhỏ thì lượng sóng được phản xạ ít Nếu trở kháng âm Z1 khác Z2 với giá trị lớn thì lượng sóng được phản xạ phần lớn quay trở lại, phần nhỏ được truyền qua

2 Cường độ phản xạ và truyền qua

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 1.12) được xác định:

Hệ số phản xạ (R)

Hệ số phản xạ = Cường độ của sóng siêu âm bị phản xạ tại bề mặt phân cách Cường độ của sóng siêu âm tới mặt phân cách

2

1 2

1 2 2 1 2

2 1 2

Z I

I

i

r R

Trong đó: R là hệ số phản xạ

Z1 trở kháng âm của môi trường 1

Z2 trở kháng âm của môi trường 2

1 2

) ( Z4Z ZZI

Trong đó: T là hệ số truyền qua

Z1 là trở kháng âm của môi trường 1

Z2 là trở kháng âm của môi trường 2

It là cường độ sóng siêu âm truyền qua

Ii là cường độ sóng siêu âm tới

Nếu biết hệ số phản xạ có thể xác định hệ số truyền qua như sau: T = 1 - R

Phần trăm truyền (%T)

100 ) ( 4

1 2

Ví dụ 1: Xác định tỷ lệ phần trăm năng lượng phản xạ, phần trăm năng lượng truyền qua của sóng âm tại mặt phân cách từ mô mềm vào mỡ

Biết: Zmô mềm = 1630x103 kg/m2.s1

Zmỡ = 1380x103 kg/m2.s1

) 10 1630 10

1380 (1380.10 1630.10 )

2 1

3 3

) 10 1630 10

1380 ( 1630.10 1380.10

4

 

Ví dụ 2: Xác định tỷ lệ phần trăm năng lượng phản xạ, phần trăm năng lượng truyền qua tại mặt phân cách thạch anh - thép



 = 0,526 %R = R.100 = 52,6%

T =   2 

1 2

2 1

3 3

) 10 14482 10

46629 ( 124482.10 46629.10

Chất truyền âm là gì? chất truyền âm thường ở dạng lỏng hay dạng nhão dùng đề loại bỏ không khí lọt vào giữa biến tử và bề mặt mẫu kiểm tra

Chất truyền âm: glycerin, nước, dầu nhờn, mỡ bôi trơn, silicon, dạng bột nhão…

Để chọn chất truyền âm thích hợp cho phương pháp kiểm tra siêu âm cần chú ý các đặc điểm:

- Bề mặt tiếp xúc của mẫu kiểm tra

- Nhiệt độ của mẫu kiểm tra

- Khả năng xảy ra phản ứng hóa học giữa mẫu kiểm tra và chất truyền âm

- yêu cầu làm sạch mặt mẫu sau khi kiểm tra và chất tiếp âm

3 Âm áp phản xạ và truyền qua:

Âm áp phản xạ:

2 1

2 1

Z Z

Z Z

2 Z Z Z

Trong đó: Pr âm áp phản xạ Pt âm áp truyền qua

Z1 trở kháng âm của môi trường trong đó sóng là sóng tới

Z2 trở kháng âm của môi trường trong đó sóng là sóng truyền qua

Từ phương trình 1.14; 1.15 cho thấy Pr có thể dương hoặc âm, Pt có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn 1 phụ thuộc vào Z2 lớn hơn hoặc nhỏ hơn Z1 Khi Z2 > Z1 thì

Pr là dương và Pt lớn hơn 1 Tức là âm áp phản xạ cùng pha với âm áp tới và âm

áp truyền qua lớn hơn âm áp tới Khi Z1 > Z2 thì Pr < 0 và Pt lớn hơn 1 Tức là âm

áp phản xạ ngược pha với âm áp tới và âm áp truyền qua nhỏ hơn âm áp tới

Âm áp truyền qua lớn hơn âm áp tới không mâu thuẫn với định luật bảo toàn năng lượng vì chính là cường độ chứ không phải âm áp bị phân chia tại bề mặt phân cách theo phương trình (1.14) cường độ tới bao giờ cũng bằng tổng của cường độ phản xạ và truyền qua bất kể Z1 >Z2 hay Z2 > Z1

Ví dụ: Xét âm áp phản xạ và âm áp truyền qua giữa bề mặt tiếp giáp thép - nước

và bề mặt nước - thép

(a) (b)

Hình 1 13: Âm áp trong trường hợp phản xạ trên bề mặt tiếp giáp thép- nước

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

Từ đồ thị ta thấy ở hình a khi Z1 > Z2 thì Pr < 0 và Pt lớn hơn 1 Tức là âm áp phản xạ ngược pha với âm áp tới và âm áp truyền qua nhỏ hơn âm áp tới

ở hình b khi Z2>Z1 thì Pr >0; Pt >1 như vậy âm áp phản xạ cùng pha với âm áp tới

và âm áp truyền qua lớn hơn âm áp tới

Hình 1.14: Sự phản khuếch tán

Khi 1 chùm âm được chiếu tới một bề mặt phân cách không phẳng

Do mặt phân cách không bằng phẳng chùm âm tới mặt phân cách với các góc tới khác nhau tạo góc phản xạ khác nhau gọi là phản xạ khuếch tán Mất sự kết hợp các chùm tia phản xạ làm tín hiệu dội trở về đầu dò yếu đi

Ví dụ: sự đọng nước trên bề mặt gương tạo ra cho gương có 1 hoạt động như bộ phản xạ khuếch tán và ảnh của vật thể không rõ ràng Vì các phân tử nước làm gồ gề bề mặt làm giảm sự kết hợp của ánh sáng phản xạ

1.5.2 Tán xạ

Một hiện tượng quan trọng trong tạo hình bằng siêu âm đó là hiện tượng tán xạ của siêu âm khi gặp các cấu trúc vật chất có kích thước nhỏ hơn rất nhiều lần bước sóng của sóng siêu âm hoặc với bề mặt không đồng đều Khi đó tia siêu

âm sẽ bị tán xạ đi khắp các hướng và chỉ có một phần tới được đầu dò Sự tán xạ xảy ra do các mặt phân cách nhỏ, nhỏ hơn vài bước sóng

Hình 1.15: Sự tán xạ

Sóng tán xạ được phát ra tất cả các hướng

Việc ghi nhận các tia tán xạ là rất khó khăn song chúng có lợi thế không phụ thuộc vào góc tới của tia siêu âm và rất quan trọng trong việc đánh giá các cấu trúc vật chất nhỏ Ví dụ độ đồng đều của nhu mô gan, tụy hay vách liên thất và các máy siêu âm chẩn đoán ngày nay chủ yếu làm việc trên các tia tán xạ

Nguồn âm

Nguồn âm

Sóng tán xạ

Sóng tuyền qua

1.5.3 Khúc xạ

1 Sự khúc xạ và chuyển đổi dạng sóng:

Nếu chùm siêu âm tới mặt phân cách ở một góc khác 900 (i 0) phần

được truyền qua sẽ bị khúc xạ hoặc bị bẻ cong khỏi hướng truyền (t  i , t  0) hiện tượng này gọi là hiện tượng khúc xạ Khúc xạ là sự thay đổi về phương truyền sóng

Hình 1.16: Sự khúc xạ Vật tốc chùm âm ở môi trường tới lớn hơn môi trường

Đường vuông góc với

mặt phân cách

góc Sóng dọc tới khi đó được chia thành 2 thành phần: 1 phần là sóng dọc và một phần là sóng ngang và điều gì xẽ suất hiện với thành phần này

Ký hiệu : L1 và S1 là thành phần dọc và sóng ngang trong môi trường 1

L2 và S2 là thành phần dọc và sóng ngang trong môi trường 2 Tất nhiên sẽ không có các thành phần ngang phản xạ và khúc xạ nếu môi trường 1 và môi trường 2 không phải là rắn

i

 : góc tới của sóng dọc r

 : góc phản xạ của sóng ngang rS

 : góc khúc xạ của sóng ngang tL

 : góc khúc xạ của sóng dọc

2 Định luật Snell:

Khi một sóng siêu âm tới mặt phân giới thì định luật chung xét phương của các sóng phản xạ và khúc xạ dùng định luật Snell Theo định luật này thì tỉ số giữa Sin của góc phản xạ hay khúc xạ bằng tỉ số giữa các vận tốc tương ứng của sóng tới, sóng phản xạ hay sóng khúc xạ

Về diện toán học định luật Snell được phát biểu bởi:

c

c

t

i t

ci vận tốc âm trong môi trường tới (c1)

ct vận tốc âm trong môi trường truyền qua (mt khúc xạ) (c2) Góc khúc xạ phụ thuộc vào vận tốc truyền âm trong hai môi trường và

Vận tốc âm môi trường tới (ci) nhỏ hơn môi trường truyền qua (ct) thì góc

Hình 1.18: Góc khúc xạ + Trường hợp 3: ci < ct

nếu i vượt quá mức tới hạn c thì sẽ không có năng lượng truyền vào môi trường truyền qua (mt2) – hiện tượng này gọi là hiện tượng phản xạ toàn phần góc tới hạn c được xác định theo định luật snell khi sint = 1 tức t = 900

Kết luận: Không xảy ra khúc xạ khi:

+ Vận tốc âm trong 2 môi trường như nhau mặc dù trở kháng âm khác nhau + Góc tới i = 900 mặc dù vận tốc âm khác nhau

3 Góc tới hạn thứ nhất và góc tới hạn thứ hai

Khi áp dụng định luật Snell cho hình 1.17 ta có thể viết:

i,r, tS, tL được định nghĩa ở trên

ci1: vận tốc của sóng dọc trong môi trường 1

ci2: vận tốc của sóng dọc trong môi trường 2

ct1: vận tốc của sóng ngang trong môi trường 1

ct2: vận tốc của sóng ngang trong môi trường 2

+ Góc tới hạn thứ nhất:

Xem xét mối quan hệ :

2

1 i

i tL

i

c c Sin Sin   

Nếu góc tới  i (hình 1.17) là nhỏ, sóng siêu âm truyền qua môi trường sẽ tuân theo hiện tượng truyển đổi dạng sóng và hiện tượng khúc xạ ở biên giới với một môi trường khác Điều này dẫn đến sự truyền đồng thời của các sóng dọc và sóng ngang với các góc khúc xạ khác nhau trong môi trường 2 Trong chất rắn

do vận tốc sóng ngang thường nhỏ hơn sóng dọc nên góc khúc xạ ( tL)của sóng dọc thường lớn hơn góc khúc xạ ( ts)của sóng ngang Khi góc tới tăng thì góc khúc xạ cũng tăng tới 1 giá trị nào đó của góc tới hạn( 1) để khi đó góc khúc xạ ( tL)đạt đến 900 Khi đó sóng ló ra khỏi môi trường 2 và truyền song song với mặt phân giới (hình 1.19) 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 2 môi trường

được gọi là góc tới hạn thứ nhất Được xét bởi:

2

1 1

i

i i

i tS

i

c c Sin Sin   

Nếu góc tới  itiếp tục tăng thì góc khúc xạ của sóng ngang ( ts) cũng sẽ

đạt tới 900 giá trị của  ứng với góc khúc xạ của sóng ngang đạt tới 900 được gọi

là góc tới hạn thứ hai ( 2) ở giá trị góc tới hạn thứ hai thì sóng ngang khúc xạ

ló ra khỏi môi trường hai 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 xác định :

2

1 2

t

i i

Hình 1.20: Góc tới hạn thứ 2 Hình (1.19 ; 1.20) biểu diễn các góc tới hạn thứ nhất và thứ hai ở dạng biểu đồ

Ví dụ : Khi sóng truyền từ nước 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 góc tới hạn này có giá trị lần lượt là 280 và 580

Hình 1 21: Hệ số phản xạ của âm áp đối với sóng ngang

4 Âm áp phản xạ khi sóng tới xiên góc

Hình (1.21) 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 thanh 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 %

Cần nhấn mạnh từ hình 1.21 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 hoàn toàn phản xạ và không xảy ra sự chuyển đổi dạng sóng

Ví dụ: Tính góc truyền qua (góc khúc xạ) nếu chùm siêu âm hướng tới mặt phân cách mô mềm và mỡ với góc tới 100

c Sin    = 0,183   i  10 0 33 '

1.5.4 Giao thoa

Hiện tượng giao thoa hoặc sự chồng chất sóng

Nếu các sóng (hình a và hình b) cùng tần số và cùng pha chúng sẽ giao thoa cộng hưởng Sự giao thoa này gây ra sự tăng biên độ (hình c)

Nếu các sóng (hình a và hình d) cùng tần số, khác pha, cùng biên độ chúng giao thoa triệt tiêu hoàn toàn (hình e)

Nếu các sóng (hình c và hình d) cùng tần số, khác pha nhau, khác biên độ chúng sẽ giao thoa triệt tiêu (hình f)

Hình 1.22: Giao thoa cộng hưởng hoặc chồng chất sóng (tổng đại số các sóng)

Hình 1.23: Giao thoa triệt tiêu hoàn toàn

Hình 1.24: Giao thoa triệt tiêu

Hình 1.25: Giao thoa sóng Mọi sự kết hợp từ giao thoa triệt tiêu hoàn toàn tới giao thoa cộng hưởng hoàn toàn đều có thể xảy ra kết quả sẽ tạo ra sóng tổng hợp phức tạp các sóng có tần

số khác nhau Sự giao thoa này rất quan trọng khi thiết kế đầu dò SA bởi nó ảnh hưởng đến tính đồng nhất của cường độ chùm tia qua trường siêu âm Sự hội tụ của chùm sóng SA ở ảnh thời gian thực dựa trên nguyên tắc của giao thoa sóng 1.5.5 Sự hấp thụ

Sự hấp thụ là quá trình mà năng lượng âm bị tiêu tán trong môi trường Sự hấp thụ là quá trình mà năng lượng sóng siêu âm được chuyển sang dạng năng lượng khác chủ yếu là nhiệt: Khi nhiệt độ tăng chuyển động của các phân tử tăng, khi

đó sóng siêu âm truyền trong vật liệu kích thích các hạt và các hạt này va chạm với các hạt không bị kích thích thì khi đó năng lượng được truyền sang làm cho chúng dao động nhanh hơn qua những quãng đường dài hơn và chuyển động này vẫn tiếp tục được duy trì khi sóng âm đã đi qua do vậy năng lượng của sóng truyền qua đổi thành nhiệt trong vật liệu

Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hấp thụ: Trong quá trình lan truyền sóng trong môi trường cường độ sóng bị suy giảm dần do sự hấp thụ của môi trường và do

sự tán xạ của sóng Sự suy giảm năng lượng phụ thuộc các yếu tố: tần số chùm tia, liên quan tới tính nhớt và thời gian hồi phục (tính dẫn nhiệt, hệ số ma sát, tính không đồng nhất của môi trường)

Thời gian hồi phục miêu tả tốc độ mà các phân tử quay trở lại vị trí ban đầu sau khi thôi tác dụng lực: Nếu một vật liệu có thời gian phục hồi ngắn thì các phân tử quay trở về các vị trí ban đầu trước khi đợt sóng tiếp theo đến Nếu có thời gian phục hồi dài các phân tử có thể trở về vị trí ban đầu thì mặt sóng (nén) lại tác động vào chúng Cần nhiều năng lượng lớn để dừng và chuyển hướng các phân tử và nó tạo ra nhiều nhiệt hơn Khả năng của các phân tử chuyển động qua

1 phân tử khác xác định độ nhớt của môi trường Nếu độ nhớt cao tạo ra hạn chế lớn cho dòng phân tử (ít lực ma sát) Tần số cũng ảnh hưởng tới sự hấp thụ trong mối quan hệ cả độ nhớt và thời gian hồi phục Nếu tần số tăng các phân tử càng dao động nhiều do đó tạo ra nhiều nhiệt hơn do ảnh hưởng kéo theo của ma sát tần số tăng làm cho tốc độ hấp thụ tăng

1.6 Sự suy giảm của chùm tia siêu âm

1.6.1 Khái niệm

Cường độ của chùm tia siêu âm được thu nhận bởi một biến tử thu sẽ nhỏ hơn rất nhiều so với cường độ của chùm tia phát ra ban đầu Độ suy giảm là đại lượng

được sử dụng để mô tả tình trạng mất mát năng lượng này Với sự suy giảm của sóng

âm thì biên độ của các xung phản hồi từ bất kỳ sự phản xạ nào đều suy giảm theo tỷ lệ khoảng cách của chúng

Nguyên nhân gây ra sự suy giảm:

Trong đó: A là biên độ đỉnh của chùm tia (biên độ cuối cùng tại khoảng cách z)

A0 biên độ đỉnh ban đầu của chùm tia (biên độ ban đầu tại khoảng cách z = 0)

z là khoảng cách của chùm tia đi qua

a là hệ số suy giảm biên độ: a = aS + 

aS là hệ số tán xạ

 là hệ số hấp thụ

Các hệ số khác nhau xác định phần suy giảm tương ứng theo biên độ trên một

đơn vị độ dài trong quá trình hấp thụ, tán xạ và cả hai quá trình

Đơn vị của các hệ số được tính là Neper/cm (Np/cm)

Hệ số suy giảm ảnh hưởng tới tần số của chùm tia (tăng tuyến tính với tần số)

* Suy giảm cường độ:

P âm áp cuối cùng tại khoảng cách z trong môi trường  là hệ số hấp thụ phụ thuộc vào đơn vị của z

Với sự suy giảm sóng âm thì biên độ của các xung phản hồi từ bất kỳ phản xạ nào đều suy giảm tỉ lệ với khoảng cách của chúng Độ suy giảm trên 1 đơn vị khoảng cách được gọi là hệ suy giảm âm

1.6.2 Thang đo theo decibel

Rất khó đo các giá trị tuyệt đối của công suất và cường độ chùm siêu âm

Có một phương pháp hữu hiệu cho việc phát hiện cường độ bị suy giảm của chùm tia là tạo ra các phương pháp đo liên quan so giá trị tại một điểm với cường độ tham khảo tại 1 điểm khác Phương pháp đo liên quan được tạo ra dưới

đơn vị decibel (dB) Đơn vị decibel =1/10 bel là đơn vị dựa trên cơ sở logarit thập phân

Mức hoặc độ biến đổi cường độ đo ở dB là:

Mức

0

log 10 ) (

II

dB  (1.23) Trong đó: I là cường độ tại điểm quan tâm

I0 là cường độ gốc

* Lợi ích của việc đánh giá cường độ suy giảm theo dB:

+ Mức dB có khả năng làm cho các mức công suất và cường độ ở phạm vi rộng được biểu diễn thu gọn

+ Mức dB không bị hạn chế với các thông số của công suất và cường độ + Mức dB được sử dụng để miêu tả các đại lượng liên quan với biên độ, mức nhiễu, phần % phản xạ và các đại lượng khác

Ví dụ: Giả thiết rằng cường độ tại một điểm quan tâm giảm một nửa so với ban

đầu và tại điểm thứ hai là 1/100000 so với điểm ban đầu Chuyển các đại lượng tương ứng này sang dB Cho I1 = 1/2I0; I2 = 1/100000I0

+ với điểm thứ nhất: mức

0

0

10 1 / 2 log 10 ) (

I I

dB  = 10log10(0,5) = -3,01dB

+ với điểm thứ hai: mức

0

0

10 1 / 100000 log

10 ) (

dB  = 10log10(0,0001) = - 40dB

 dấu (-) chỉ ra rằng cường độ của chùm tia giảm từ điểm chuẩn tới điểm quan tâm

+ Ký hiệu dB là sự thay đổi dB dọc theo đường truyền âm có tính cộng Tổng thay đổi tính theo dB giữa các điểm theo đường truyền bằng thay đổi

dB trên toàn bộ đường truyền

* Độ suy giảm được biểu diễn bằng neper = hệ số suy giảm x khoảng cách truyền qua

+ chuyển từ dB sang neper: suy giảm (NP) =0,115x (dB)

+ chuyển từ NP sang dB: suy giảm(dB) = 8,686 x (NP)

Hệ số suy giảm biểu diễn dưới dạng dB/cm hoặc Np/cm có thể được chuyển từ đơn vị này sang đơn vị khác theo cách tương tự

0

2 0

0

10 20 log log

10 ) (

AA

AA

1.6.3 Lớp nửa giá trị (HVL- HaLf Value Layer)

Lớp nửa giá trị của vật liệu là bề dày của vật liệu làm giảm cường độ xuống một nửa giá trị ban đầu

Từ ví dụ trên ta thấy giảm cường độ 2 lần gây ra mất 3 dB Giảm cường độ 3dB cho thấy lớp một nửa giá trị được xác lập

I I

2 /

5

I  n  =0,035mW/cm2

1.6.5 Tính toán suy giảm

Suy giảm cường độ theo dB gây ra bởi sự suy giảm khi chùm siêu âm qua một môi trường:

trong đó: : là hệ số suy giảm cường độ tính theo dB/cm/…

f : tần số sóng siêu âm (….)

z : là khoảng cách được truyền ở môi trường (cm)

* Suy giảm và suy hao phản xạ:

Sự suy giảm làm giảm cường độ chùm tia siêu âm là do tất cả các quá trình: tán xạ, hấp thụ, sự thô nhám của bề mặt và nhiễu xạ … chỉ trừ quá trình phản xạ Vậy ta cũng có sự suy giảm và suy hao phản xạ được tính theo dB:

suy hao (dB) = 10log10 (%100R) (1.27) Kết luận: Tổng suy hao từ suy giảm và phản xạ = suy hao đi + suy hao về + Suy hao phản xạ:

Ví dụ 1: Tính toán cường độ theo dB cho một tín hiệu dội được phát ra tại mặt phân cách mô - xương sâu 6cm dưới mô Đầu dò hoạt động dưới tần số 2,5MHz Tính đến phản xạ ở mặt phân cách

Tổng suy hao từ suy giảm và phản xạ:

1.6.6 Tính toán cường độ

Khi tổng cỏc suy giảm của cỏc nguồn (như hấp thụ, phản xạ,khỳc xạ và tỏn xạ) ở dB được tỡm, tỷ lệ cường độ cú thể được tớnh với suy hao 30dB Từ cụng thức (1.22) mụ tả cường độ gốc bị giảm đi 1000 lần

Vớ dụ 1: Tớnh cường độ dưới dạng W/cm2 cho tớn hiệu dội có tổng suy hao từ suy giảm và phản xạ là 27,7dB, cường độ truyền 5W/cm2 và có tính đến phản xạ

ở mặt phân cách

Mức (db) = -27,7

Io = 5 W/cm2 Mức (dB) = 10log10 (

0

II )

log 10 7 ,

  I =0,0085W/cm2 hoặc 8,55mW/cm2