Giới thiệu về phương pháp phát hiện khuyết tật bằng siêu âm

Giới thiệu về phương pháp phát hiện khuyết tật bằng siêu âm



Bài viết của Tom Nelligan Trong tất cả các ứng dụng của kiểm tra siêu âm trong công nghiệp thì kỹ thuật kiểm tra khuyết tật là lâu đời và thông dụng nhất. Từ những năm 1940 các định luật vật lý về sự truyền sóng âm thanh trong vật liệu rắn đã được sử dụng để phát hiện các khuyết tật nằm ẩn bên trong như các vết nứt, lỗ rỗng, rỗ khí, và các bất liên tục nằm trong kim loại, chất dẻo, và gốm sứ. Sóng âm tần số cao phản xạ từ khuyết tật theo hướng có thể dự đoán được, tạo ra các xung phân biệt được hiển thị và ghi lại trên các thiết bị siêu âm sách tay. Kiểm tra bằng siêu âm hoàn toàn là kiểm tra không phá huỷ và an toàn, và là phương pháp kiểm tra hữu hiệu được thiết lập trong các ngành công nghiệp chế tạo, gia công, và dịch vụ, đặc biệt trong những ứng dụng liên quan đến hàn và các kim loại kết cấu. Bài viết này giới thiệu một cách tóm tắt về lý thuyết và thực tiễn về kỹ thuật phát hiện khuyết tật bằng siêu âm. Trong khuôn khổ bài viết này tác giả cũng chỉ mong muốn cung cấp một cái nhìn khái quát. Những thông tin cụ thể hơn có thể tìm thấy ở các tài liệu tham khảo được liệt kê ở phần cuối.

1. Lý thuyết cơ bản: Sóng âm thực chất là những dao động cơ học truyền qua môi trường, có thể ở thể rắn, thể lỏng hoặc thể khí. Những sóng này truyền trong mỗi môi trường cho trước với vận tốc riêng, theo hướng có thể dự đoán được, và khi tới mặt phân cách với môi trường khác chúng sẽ phản xạ hoặc truyền qua theo các nguyên tắc đơn giản. Đó là nguyên lý vật lý mà kỹ thuật phát hiện khuyết tật bằng siêu âm lấy làm cơ sở.

Tần số: Tất cả các sóng âm dao động với tần số riêng biệt, hoặc là số các dao động hay chu kỳ trong một giây. Con người có thể nghe được các âm thanh có tần số cao nhất khoảng 20,000 chu kỳ trên giây (20 KHz), trong khi phần lớn các ứng dụng về phát hiện khuyết tật được thực hiện với tần số nằm trong dải từ 500,000 đến 10,000,000 chu kỳ trên giây (500 KHz to 10 MHz). Ở các tần số trong dải megahertz, năng lượng âm không truyền được tốt qua không khí hoặc các khí ga khác, nhưng nó truyền hiệu quả qua phần lớn các chất lỏng và các vật liệu kỹ thuật thông thường.

Vận tốc: Vận tốc của sóng âm thay đổi phụ thuộc vào môi trường mà nó truyền qua, ảnh hưởng bởi mật độ và tính chất đàn hồi của môi trường. Các dạng sóng khác nhau (xem các dạng truyền sóng, phía dưới) sẽ truyền với tốc độ khác nhau.

Bước sóng: Bất cứ sóng nào cũng đều có bước sóng, được hiểu là khoảng cách giữa hai điểm tương ứng bất kỳ trong chu kỳ sóng khi nó truyền qua môi trường. Bước sóng liên quan đến tần số và vận tốc bằng biểu thức đơn giản sau:

λ = c/f
Trong đó:
λ = bước sóng
c = vận tốc âm
f = tần số

Bước sóng là hệ số giới hạn kiểm soát lượng thông tin thu nhận được từ sóng. Trong kỹ thuật dùng siêu âm để phát hiện khuyết tật, thông thường giới hạn dưới của khuyết tật nhỏ được chấp nhận là một nửa bước sóng. Nhỏ hơn nữa sẽ không phát hiện được. Trong kỹ thuật đo chiều dày bằng siêu âm, về lý thuyết chiều dày nhỏ nhất có thể đo được là một bước sóng.

Các dạng truyền sóng: Các sóng truyền trong chất rắn có thể tồn tại ở các dạng sóng khác nhau được định nghĩa bằng dạng chuyển động liên quan. Sóng dọc và sóng ngang là những dạng được sử dụng nhiều nhất trong kỹ thuật phát hiện khuyết tật bằng siêu âm. Sóng bề mặt và sóng dạng tấm cũng được sử dụng.
- Sóng dọc hay còn gọi là sóng nén được đặc trưng bởi sự dao động của các hạt cùng hướng với phương truyền sóng. Sóng âm nghe được tồn tại như sóng dọc.
- Sóng ngang được đặc trưng bởi sự dao động của các hạt có hướng vuông góc với phương truyền sóng.
- Sóng bề mặt hay còn gọi là sóng Rayleigh: các hạt có quỹ đạo chuyển động hình ê líp và truyền qua bề mặt của vật liệu, chiều sâu chỉ khoảng một bước sóng.
- Sóng dạng tấm hay còn gọi là sóng Lamb là một dạng dao động phức tạp trong các tấm mỏng có chiều dày vật liệu nhỏ hơn bước sóng và dạng sóng này truyền trong toàn bộ tiết diện của môi trường.
Sóng âm có thể được chuyển từ dạng này sang dạng khác. Thông thường sóng ngang được tạo ra trong vật liệu kiểm tra bằng cách truyền sóng dọc vào vật liệu dưới một góc đã chọn trước. Vấn đề này sẽ được đề cập trong mục Kiểm tra bằng chùm tia góc ở phần 4

Các giới hạn truyền có thể thay đổi của sóng âm:
Khoảng cách mà sóng âm với tần số và mức năng lượng được xác định trước truyền được trong phụ thuộc vào vật liệu mà nó truyền qua. Theo nguyên lý chung, vật liệu cứng và đồng nhất sẽ truyền âm tốt hơn vật liệu mềm và không đồng nhất hoặc hạt thô. Ba yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách truyền âm trong môi trường xác định trước: sự mở rộng chùm tia, độ suy giảm, và sự tán xạ âm. Khi truyền, chùm tia trở nên rộng hơn, năng lượng sóng âm lan toả trên diện tích lớn hơn, và do đó mà năng lượng âm suy giảm đi. Sự suy giảm là sự mất mát năng lượng khi sóng âm truyền qua môi trường, cơ bản là mức độ năng lượng bị hấp thụ khi sóng âm dịch chuyển. Sự tán xạ âm là sự phản xạ ngẫu nhiên của năng lượng âm ở các đường biên giữa các hạt của vật liệu và các cấu trúc tế vi. Khi tần số tăng lên, độ mở của chùm tia tăng lên nhưng ảnh hưởng của độ suy giảm và sự tán xạ âm lại giảm đi. Cho từng ứng dụng riêng biệt, tần số của đầu dò nên lựa chọn để tối ưu các thông số có thể thay đổi.

Phản xạ ở mặt phân cách: Khi năng lượng âm truyền qua vật liệu và tới mặt phân cách với vật liệu khác, một phần năng lượng sẽ phản xạ trở lại và một phần sẽ truyền qua. Phần năng lượng phản xạ trở lại hoặc hệ số phản xạ, liên quan đến âm trở tương đối của hai vật liệu. Mặt khác âm trở lại là tính chất của vật liệu được xác định bằng tích của mật độ với vận tốc âm trong vật liệu. Đối với hai vật liệu, hệ số phản xạ được biểu diễn bằng phần trăm của năng lượng áp suất truyền tới có thể tính bằng công thức:

Z2 - Z1
R = ---------
Z2 + Z1
Trong đó:
R = hệ số phản xạ(phần trăm của năng lượng phản xạ)
Z1 = âm trở của vật liệu thứ nhất
Z2 = âm trở của vật liệu thứ hai
Đối với mặt phân cách giữa kim loại và không khí thường gặp trong các ứng dụng phát hiện khuyết tật bằng siêu âm, hệ số phản xạ đạt tới 100%. Hầu như tất cả năng lượng âm phản xạ từ vết nứt hoặc bất liên tục khác trên đường truyền sóng âm. Đó là nguyên lý cơ bản của kỹ thuật phát hiện khuyết tật bằng siêu âm.

Góc phản xạ và khúc xạ:
Năng lượng âm trong tần số siêu âm có tính định hướng cao và chùm tia sử dụng để phát hiện khuyết tật được xác định rõ ràng. Trong các trường hợp sóng âm phản xạ ở mặt phân cách, góc tới bằng góc phản xạ. Chùm tia tới vuông góc với bề mặt sẽ phản xạ thẳng góc trở lại. Còn chùm tia tới bề mặt dưới một góc thì sẽ phản xạ cũng bằng góc đó.
Năng lượng âm truyền từ vật liệu này sang vật liệu khác sẽ đổi hướng theo định luật khúc xạ của Snell. Tóm lại, tia truyền thẳng sẽ tiếp tục truyền thẳng, nhưng khi tới mặt phân cách dưới một góc thì sẽ lệch hướng theo công thức


Sin Ø1 V1
-------- =" -----
Sin Ø2 V2



Trong đó:
Ø1 = góc tới trong vật liệu thứ nhất
Ø2= góc khúc xạ trong vật liệu thứ hai
V1 = vận tốc âm trong vật liệu thứ nhất
V2 = vận tốc âm trong vật liệu thứ hai
Công thức này rất quan trọng trong kiểm tra bằng đầu dò góc, sẽ được nêu chi tiết trong mục 4.

Nếu các bạn quan tâm đến kiểm tra NDT, mời các bạn đến với Công ty này, họ sẽ cung cấp cho các bạn rất nhiều thông tin và tài liệu: www.visco-ndt.com

Hoặc reply lại cho mình trên diễn đàn mình sẽ giúp các bạn!

Tôi có download được một tài liệu Giáo trình kiểm tra không phá hủy. Chia sẽ cho mọi người tại đây:
https://sites.google.com/site/attbu2/home/tin-tuc-su-kien

Website này cũng cung cấp các giải pháp về thí nghiệm vật liệu: như phân tích thành phần hóa học kim loại, nhận diện mác hợp kim, thí nhiệm sức bền vật liệu; các phương pháp và thiết bị kiểm tra không phá hủy như siêu âm, siêu âm tổ hợp pha, chụp x-ray dùng phim và chụp x-ray kỹ thuật số.

Chúc mọi người có thêm nhiều thông tin thú vị

https://sites.google.com/site/attbu2/thiet-bi-kiem-tra-khong-pha-huy