Đo khuyết tật vật liệu bằng siêu âm

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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Đo khuyết tật vật liệu bằng siêu âm Đo khuyết tật vật liệu bằng siêu âm Trong tất cả các ứng dụng của kiểm tra siêu âm trong công nghiệp thìkỹ thuật kiểm tra khuyết tật là lâu đời và thông dụng nhất. Từ những năm1940 các định luật vật lý về sự truyền sóng âm thanh trong vật liệu rắn đãđược 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 làphương pháp kiểm tra hữu hiệu được thiết lập trong các ngành công nghiệp chếtạo, gia công, và dịch vụ, đặc biệt trong những ứng dụng liên quan đến hàn và cáckim loại kết cấu. Bài viết này giới thiệu một cách tóm tắt về lý thuyết và thực tiễnvề kỹ thuật phát hiện khuyết tật bằng siêu âm. Trong khuôn khổ bài viết này tácgiả cũng chỉ mong muốn cung cấp một cái nhìn khái quát. Những thông tin cụ thểhơn 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 truyềnqua môi trường, có thể ở thể rắn, thể lỏng hoặc thể khí. Những sóng này truyềntrong mỗi môi trường cho trước với vận tốc riêng, theo hướng có thể dự đoánđược, và khi tới mặt phân cách với môi trường khác chúng sẽ phản xạ hoặc truyềnqua theo các nguyên tắc đơn giản. Đó là nguyên lý vật lý mà kỹ thuật phát hiệnkhuyết 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 độnghay chu kỳ trong một giây. Con người có thể nghe được các âm thanh có tần số caonhất khoảng 20,000 chu kỳ trên giây (20 KHz), trong khi phần lớn các ứng dụng vềphát hiện khuyết tật được thực hiện với tần số nằm trong dải từ 500,000 đến10,000,000 chu kỳ trên giây (500 KHz to 10 MHz). Ở các tần số trong dảimegahertz, năng lượng âm không truyền được tốt qua không khí hoặc các khí gakhác, nhưng nó truyền hiệu quả qua phần lớn các chất lỏng và các vật liệu kỹ thuậtthông thường.Vận tốc: Vận tốc của sóng âm thay đổi phụ thuộc vào môi trường mà nó truyềnqua, ảnh hưởng bởi mật độ và tính chất đàn hồi của môi trường. Các dạng sóngkhác 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 cáchgiữa 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/fTrong đó:λ = bước sóngc = vận tốc âmf = tần sốBước 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 dướicủa khuyết tật nhỏ được chấp nhận là một nửa bước sóng. Nhỏ hơn nữa sẽ khôngphát hiện được. Trong kỹ thuật đo chiều dày bằng siêu âm, về lý thuyết chiều dàynhỏ 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 dạngsóng khác nhau được định nghĩa bằng dạng chuyển động liên quan. Sóng dọc vàsóng ngang là những dạng được sử dụng nhiều nhất trong kỹ thuật phát hiệnkhuyết 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 hạtcùng 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 vớiphương truyền sóng.- Sóng bề mặt hay còn gọi là sóng Rayleigh: các hạt có quỹ đạo chuyển động hình êlíp 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 cáctấm mỏng có chiều dày vật liệu nhỏ hơn bước sóng và dạng sóng này truyền trongtoàn bộ tiết diện của môi trường. Sóng âm có thể được chuyển từ dạng này sang dạng khác. Thông thườngsóng ngang được tạo ra trong vật liệu kiểm tra bằng cách truyền sóng dọc vào vậtliệu dưới một góc đã chọn trước. Vấn đề này sẽ được đề cập trong mục Kiểm trabằng chùm tia góc ở phần 4Các 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 trướctruyền 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 nhấthoặc hạt thô. Ba yếu tố ảnh hưởng đến khoảng cách truyền âm trong môi trườngxác 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, vàdo đó mà năng lượng âm suy giảm đi. Sự suy giảm là sự mất mát năng lượng khisóng âm truyền qua môi trường, cơ bản là mức độ năng lượng bị hấp thụ khi sóngâm dịch chuyển. Sự tán xạ âm là sự phản xạ ngẫu nhiên của năng lượng âm ở cácđường biên giữa các hạt của vật liệu và các cấu trúc tế vi. Khi tần số tăng lên, độmở của chùm tia tăng lên nhưng ảnh hưởng của độ suy giảm và sự tán xạ âm lạigiảm đi. Cho từng ứng dụng riêng biệt, tần số của đầu dò nên lựa chọn để tối ưu cácthông số có thể thay đổi.Phản xạ ở mặt phân cách: Khi năng lượng âm truyền qua vật liệu và tới mặt phâncách với vật liệu khác, một phần năng lượng sẽ phản xạ trở lại và một phần sẽtruyền qua. Phần năng lượng phản xạ trở lại hoặc hệ số phản xạ, liên quan đến âmtrở tương đối của hai vật liệu. Mặt khác âm trở lại là tính chất của vật liệu được xácđịnh bằng tích của mật độ với vận tốc âm trong vật liệu. Đối với hai vật liệu, hệ sốphản xạ được biểu diễn bằng phần trăm của năng lượng áp suất truyền tới có thểtính bằng công thức: Z2 - Z1 --------- Z2 + Z1Trong đó:R = hệ số phản xạ(phần trăm của năng lượng phản ...