Tín hiệu acoustic emission và các lĩnh vực ứng dụng

KHOA HỌC CƠNG NGHỆ
Só 07/2022

hiệu Acoustic Emission và các lĩnh vực ứng dụng
■ PGS.TS. ĐÀO MINH QUÂN; TS. ĐỔNG XUÂN THÌN

Trường Cao đẳng VMU - Trường Đại học Hàng hải Việt Nam

TĨM TẮT: Bài báo giới thiệu về tín hiệu Acoustic
Emission (AE). Tín hiệu AE được phát ra do nguồn
năng lượng bên trong các vật liệu và được truyền đi
thec tất cả các hướng tới bề mặt của vật liệu. Khi
tải C ạt khoảng 75% giá tri tối đa thì các vết nứt bên
trong vật liệu bắt đầu xuất hiện và tín hiệu AE cũng
đượr: phát ra. Dải tần số của tín hiệu AE có thể lên
tới 1I MHz và chứa nhiều thông tin về trạng thái của
đối lượng. Do đó, nó được sử dụng trong nhiều ứng
dụng chẩn đốn trạng thái của vật liệu ở các lĩnh vực
như chẩn đoán trạng thái của các ổ bi, hộp số, các
cây cầu, hệ thống đường ống, hệ thống két chứa...
Đặc biệt, nó được ứng dụng để chẩn đốn trang thái
của động cơ diesel thông qua việc giám sát hoạt
động của các phần tử của động cơ.

TỪ KHĨA: Tín hiệu AE, dải tần số, chẩn đoán, động
cơ d esel.
ABSTRACT: This paper introduced about Acoustic
Emission signal. Itwas generated by the energy source
in mI aterials and propagated to material surfaces in
all d rections. The crack inside materials appeared
and *XE signal was emitted when the level of load

on m:laterial went up to around 75% of failure load,
Freq ộency of AE signal was from 0 up to 1 MHz or
higher. It was used to diagnose the state of materials
as well as structures such as gears, bridge, pipeline

system, tank system... Especially, it was employed to
invesigate the failure of diesel engine based on the
evalulation of the engine's components.
KEYWORDS: Acoustic Emission signal, frequency
band diagnose, diesel engine.

1.ĐẶTVẤNĐÉ

Tín hiệu Acoustic Emission (AE) cùng cơng nghệ chẩn
đốn trạng thái của đối tượng ứng dụng tín hiệu AE đã và
đang là hướng nghiên cứu được nhiều nhà nghiên cứu trên
thế giới ộuan tâm. Nó được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực
kỹ thuật có liên quan tới việc xác định các vết nứt vỡ, biến
dạng, rị rỉ hoặc tính ngun vẹn của các cấu trúc, thiết bị.
Cơng ng|hệ chẩn đốn sử dụng tín hiệu AE được ứng dụng

rộng rãi trong rất nhiều các lĩnh vực từ các phòng nghiên
cứu tới các thực nghiệm đo lường, gồm: động đất, đánh
giá sự toàn vẹn của cấu trúc (thiết bị), chẩn đoán trạng thái
của động cơ diesel, các ổ bi đỡ, các hộp số, kiểm tra các
két chứa, kiểm tra đường ống, kiểm tra sự ăn mòn, kiểm
tra đường sắt, kiểm tra máy bay, tàu thủy... Tuy nhiên, các
nghiên cứu trong nước vể tín hiệu AE cũng nhưcác lĩnh vực
ứng dụng của nó hiện vần cịn chưa được quan tâm đúng
mức. Do đó, việc nghiên cứu vể tín hiệu AE cùng các đặc

tính và các lĩnh vực ứng dụng của nó là rất cần thiết.
2. TÍN HIỆU ACOUSTIC EMISSION

Tín hiệu Acoustic Emission (AE) được định nghĩa là sự
tự giải phóng năng lượng cục bộ ở bên trong các vật liệu,
năng lượng này được sản sinh do vật liệu chịu áp lực từ bên
ngoài [1]. Nguồn năng lượng được phát ra do rất nhiều các
lý do khác nhau như sự hình thành và phát triển của các vết
nứt bên trong các vật liệu hoặc sự phân rã bên trong các vật
liệu ở thể khối đặc do thời gian, nhiệt độ hoặc cũng có thể
do ngoại lực tác động.
Nhiểu nghiên cứu chứng minh rằng tín hiệu AE được
tạo ra trong quá trình gia tăng tải trọng đè nén lên các khối
vật liệu ở thể đặc dẫn tới sự thay đổi trong cấu trúc của vật
liệu. Nguồn năng lượng được tạo ra sẽ giải phóng dưới dạng
các sóng năng lượng và lan truyền ở bên trong các cấu trúc.
Nó sẽ phát ra từ trung tâm của khối năng lượng được hình
thành và lan truyền tới bể mặt của vật liệu theo tất cả các
hướng. Các sóng năng lượng này sẽ được cảm nhận (đo
lường) bởi các cảm biến gắn trên bề mặt của vật liệu hoặc
cấu trúc nếu biên độ của các sóng năng lượng này đủ lớn để
đo được. Hình 2.1 mơ tả sự hình thành của sóng năng lượng
bởi các nguồn năng lượng cục bộ bên trong các vật liệu.
2.1. Lịch sử phát hiện tín hiệu Acoustic Emission
Theo các nghiên cứu về lịch sử của tín hiệu AE thì tín
hiệu AE và cơng nghệ ứng dụng tín hiệu AE được để cập
vào giữa thế kỷ 20 [1], Có hai bài báo được xuất bản để
cập tới AE đó là bài báo của nhà khoa học Drouillard vào
năm 1979 và vào năm 1987.Tuy nhiên, có minh chứng cho
thấy tín hiệu AE đã được F. Kishinoue để cập tại Hội thảo về

động đất tổ chức vào ngày 21/11/1933 tại Đại học Tokyo.
Bài báo tại hội thảo đã được công bố vào năm 1934. Tác giả
đã làm thí nghiệm với một mẩu gỗ chịu ứng suất uốn. Khi
quá trình uốn diễn ra, các âm thanh nứt gãy đã được nghe
thấy trong khi biểu đó ghi dao động ghi lại được nhiều dao
động không nghe được.

107


KHOA HỌC CƠNG NGHỆ
Só 07/2022

đổi của ứng suất cùng với sự dịch chuyển cục bộ này chính
là nguyên nhân tạo ra nguổn năng lượng của tín hiệu AE.
Nếu sự thay đổi này diễn ra nhanh và với cường độ cao
thì biên độ của tín hiệu phát ra cũng lớn. Tín hiệu phát ra
thường tỉ lệ với cường độ của nguồn năng lượng được tạo
ra bên trong các vật thể.

Ghi và phân tích
dữ liệu
À

À

Cảm biển đo sự rung
động của bề mặt
ỉ

<

A

*
◄

►

r"

►

Năng lượng
phát ra dưới
dạng sóng
►

▼

Nguồn năng lượng
Hình 2.1: Sự hình thành của tín hiệu AE

Ngồi ra, cịn có sự phát hiện của các nhà nghiên cứu
F. Forster vào năm 1936, L. Obert vào năm 1938. Tuy nhiên,
các nghiên cứu ở trên chỉ dừng lại ở mức nhận biết có tín
hiệu AE mà chưa đưa ra khái niệm cụ thể hoặc có những
phát biểu và nghiên cứu sâu về tín hiệu này. Nhiều nhà
nghiên cứu về lịch sử của tín hiệu AE sau này cho rằng, tín
hiệu AE lẩn đẩu tiên chính thức được nghiên cứu bởi Joseh

Kaiser trong luận án của ông vào đầu những năm 1950 với
tên gọi "Hiệu ứng Kaiser" [1], ơng đã thực hiện thí nghiệm
với các mẫu kim loại bị kéo giãn để ghi lại tín hiệu AE.
Khi biết nghiên cứu của J. Kaiser, nhà khoa học Ruesch
đã nghiên cứu tín hiệu phát ra bên trong khối bê tơng trong
q trình nén tải lên khối bê tơng vào năm 1959. Nghiên
cứu này được biết đến như là một trong những nghiên cứu
đầu tiên vể hiệu ứng Kaiser trong lĩnh vực vật liệu kỹ thuật.
Ông đã xác định được rằng hiệu ứng Kaiser xảy ra ở khoảng
từ 75% mức tải tối đa của vật liệu. Ong đã khâng định rằng,
việc tạo ra tín hiệu AE có liên quan mật thiết với cường độ
thay đổi của tải và khả năng hấp thụ sóng siêu âm của vật
liệu. Năm 1960, L'Hermite đã thực hiện nghiên cứu tiếp
theo vể lực tác dụng của tải nén lên khối bê tông và nhận
được kết quả là tín hiệu AE được tạo ra khi tải nén đạt từ
75% tải tối đa.
Tên Acoustic Emission chính thức được công bố bởi
B.H. Schofield vào năm 1961. Sau khi biết đến "hiệu ứng
Kaiser"và bài báo của J. Kaiser, ơng đã làm lại thí nghiệm đó
để khẳng định kết quả. Sau đó, ơng đã cơng bố nghiên cứu
của mình một cách chi tiết và đây cũng là lần đẩu tiên thuật
ngữ Acoustic Emission được sử dụng chính thức.
2.2. Biên độ và tần số của tín hiệu Acoustic Emission
Vào năm 1987, Christopher B Scruby đã chỉ ra rằng,
trong trường hợp tín hiệu AE được tạo ra do sự hình thành
và phát triển của các vết nứt bên trong của các vật thể thì sự
hình thành của các vết nứt mới bên trong vật liệu phải dựa
trên sự thay đổi đột ngột của ứng suất và sự dịch chuyển
cục bộ của vật liệu tại vùng lân cận của vết nứt đó. Sự thay

108

Về biên độ của tín hiệu AE: Nhiều nhà nghiên cứu đã
thực hiện nhiều thí nghiệm để xác định dải tần số của tín
hiệu AE bằng cách tăng tải một cách thật chậm từ 0 đến
khi vật mẫu bị phá hủy hồn tồn. Kết quả cho thấy rằng,
tín hiệu AE xuất hiện ngay khi những vết nứt đầu tiên bên
trong vật liệu xuất hiện dưới tác động của tải và khi tải tăng
dần sẽ làm cho các vết nứt lớn hon và làm tăng biên độ của
tín hiệu AE phát ra. Thông qua rất nhiều các thử nghiệm,
các nhà nghiên cứu cũng đã kết luận rằng, đối với cùng
một loại vật liệu hoặc cấu trúc, biên độ của tín hiệu AE phụ
thuộc vào tốc độ thay đổi của tải và tốc độ phát triển của
vết nứt, vết nứt phát triển càng nhanh thì biên độ của tín
hiệu càng lớn.
vể tần số của tín hiệu AE: Các nhà nghiên cứu đã xác
định được dải tần số của tín hiệu AE nàm ở một dải tấn số
rất rộng, từ 0 đến trên 1 MHz. Tuy nhiên, khơng phải q
trình nào cũng tạo ra tín hiệu AE có dải tấn rộng như vậy,
tín hiệu AE với biên độ lớn (lớn hơn ngưỡng) chỉ tập trung
ở một dải tần nhất định. Điều này cũng một phần do dải
thông của các bộ tiền khuếch đại của các cảm biến.
2.3. Sự lan truyền tín hiệu
Sự lan truyền của tín hiệu AE cũng là một chủ đề được
nhiểu nhà nghiên cứ tập trung tìm hiểu. Các nhà nghiên
cứu đã thực hiện rất nhiều thực nghiệm trên rất nhiều vật
liệu và cấu trúc khác nhau để mô tả một cách chi tiết về các
đặc tính của tín hiệu AE, trong đó có các thơng tin vể sự lan
truyền tín hiệu. Các nhà nghiên cứu đã lắp các cảm biến
trên bể mặt của các vật mẫu (các cấu trúc, thiết bị) theo các

hướng và các vị trí khác nhau để xác định mối quan hệ giữa
các đặc tính của tín hiệu AE với nguồn năng lượng sinh ra
bên trong theo các hướng khác nhau. Kết quả cho thấy, khi
nguồn năng lượng xuất hiện bên trong vật thí nghiệm sẽ
phát ra tín hiệu AE theo tất cả các hướng. Tín hiệu AEsẽ lan
truyền tới bề mặt của vật mẫu và sau đó bị hấp thụ hoặc
phản xạ ngược lại bên trong tùy theo bản chất của từng
loại vật liệu và hình dáng bề mặt của vật mẫu. Trong một
số thực nghiệm, các nhà nghiên cứu chỉ nhận được tín hiệu
truyền trực tiếp từ nguồn tới bể mặt mà không có sự phản
xạ tín hiệu.
Các nhà khoa học cũng đã chỉ ra rằng, sự lan truyền tín
hiệu AE với các dải tẩn số khác nhau và các biên độ khác
nhau xuyên qua vật thí nghiệm từ nguồn tới bề mặt ngoài
của một mặt cầu sẽ bị suy giảm một cách nhanh chóng,
việc suy giảm sẽ ít hơn khi tín hiệu lan truyền tới mặt
phẳng. Ngoài ra, khoảng cách từ nguồn năng lượng tới bề
mặt càng lớn thì biên độ của tín hiệu AE nhận được tại bề
mặt càng nhỏ. Biên độ của tín hiệu AE thu được nhỏ do sự
tổn hao năng lượng khi truyền từ nguồn tới bề mặt của vật
thí nghiệm. Thêm vào đó, tín hiệu AE có tần số lớn hơn sẽ
mang nhiểu thông tin quan trọng hơn tín hiệu AE có tần
số nhỏ.


KHOA HỌC CƠNG NGHỆ
Só 07/2022

Sự lan truyền tín hiệu AE trong các môi trường vật chất
khác nhau cũng sê khác nhau, như mơi trường chất rắn,

chat lỏng, chất khí. Sự suy giảm tín hiệu do dự phản xạ tín
hiệu sẽ xảy ra khi tín hiệu AE truyền từ mơi trường vật chất
này sang môi trường vật chất khác. Khi hai vật mẫu tương
đồng về chất liệu và bể mặt tiếp xúc tốt thì tỉ lệ tín hiệu
truyền qua nhiều hơn, tỉ lệ tín hiệu bị phản xạ lại sẽ ít hơn.
Nếu chất khí, chất rắn và chất lỏng được phối hợp với nhau
trorìg cùng một thí nghiệm thì lượng tín hiệu bị suy giảm
sẽ la rất lớn.
Nhiều nhà nghiên cứu đã thực hiện các thực nghiệm
để xốc định sự lan truyền của tín hiệu AE trong lĩnh vực
cơng trình xây dựng. Họ đã chứng minh được rằng, mỗi
vật liêu sẽ có một đặc điểm truyền tín hiệu AE khác nhau.
Những phần tửnhưthanh thép xoắn hoặc những cáp xoắn
sẽ có thể dẫn tới sự thay đổi vể hướng truyền của tín hiệu
và cịn làm tán xạ tín hiệu. Tín hiệu AE khi truyền tới các bể
mặt t ếp xúc giữa các vật liệu hoặc giữa các mõi nối sẽ bị
phản xạ.

3. CÁC LĨNH Vực ỨNG DỤNG TÍN HIỆU ACOUSTIC
EMISSION
Như đã đề cập ở phần trước, cơng nghệ chẩn đốn
ứng dụng tín hiệu AE đã được nhiều nhà nghiên cứu ứng
dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật như két chứa, đường
ống, cộng trình, động cơ diesel, hệ thống bạc đỡ, ổ bi,
hộp số.
Các đường ống được sử dụng rất nhiểu trong thực tế
để dẫn các loại chất lỏng và chất khí, thường ở áp lực cao
[2-4], G IC két chứa xăng dầu và khí hóa lỏng cũng thường
xun dược quan tâm về vấn đề ăn mòn ở đáy két chứa [5-

7], Việc rò rỉ của các đường ống và két chứa sẽ làm cho các
chất khí hoặc chất lỏng thốt ra mơi trường bên ngồi. Khi
chất lỏng hoặc chất khí bị thốt ra môi trường sẽ làm thiệt
hại về mặt kinh tế cho các nhà cung cấp chúng và đa số sẽ
gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Chi phí cho việc xử
lý ô nhiễm môi trường sẽ tiêu tốn một số tiền khổng lồ. Do
đó, các van đế liên quan tới trạng thái đường ống dẫn và
két chứa luôn được các nhà nghiên cứu và các nhà quản lý
đặc biệt quan tâm.
Lĩnh vực cơng trình gồm bê tơng và các kết cấu xây
dựng (cá<^ cây cầu) cũng được rất nhiều nhà nghiên cứu
quan tâm và đánh giá [8, 9]. Bê tông là một bộ phận rất
quan trọng của các cơng trình xây dựng, nó là yếu tố
quyết định tới việc tổn tại của một cịng trình xây dựng.
Các cây cầu sau khi xây dựng xong, dưới tác động kết hợp
của tải và điểu kiện làm việc, cây cầu sẽ chịu ảnh hưởng
rất nặng nể của sự rạn nứt và sự ăn mòn làm mỏng các
thanh kim loại.
Những; năm gẩn đây, nhiều nhà nghiên cứu đang tập
trung nghiạn cứu và công bố các kết quả trong lĩnh vực vật
liệu tổng hợp (composite) [10, 11], Các hướng nghiên cứu
góm tổng hợp các loại vật liệu tổng hợp mới và khảo sát
các đặc tínn của các loại vật liệu mới này. AET được ứng
dụng để xác định các hư hại của vật liệu tổng hợp dưới tác
dụng của tải và các điểu kiện làm việc.
Đối với (động cơ diesel, các hướng nghiên cứu ứng

dụng tín hiệu AE trong chẩn đốn trạng thái của động
cơ diesel khá đa dạng. Trong đó, các nghiên cứu chủ yếu
tập trung vào các động cơ diesel 4 kỳ, số các nghiên cứu

về động cơ diesel 2 kỳ khá ít và chỉ có một vài nghiên
cứu đối với động cơ diesel tàu thủy. Các thành phẩn
của diesel được tập trung nghiên cứu gơm: hành trình
piston, áp lực khí trong xi-lanh, hoạt động của vòi phun
nhiên liệu. Một số nghiên cứu thuộc lĩnh vực này có thể
kể tới như: Năm 2010, Fathi Elamin, Yibo Fan, Fengshou
Gu và Andrew Ball đã ứng dụng tín hiệu AE để thực hiện
nghiên cứu vể hoạt động của xu-páp xả trong động cơ
diesel 4 kỳ 4 xi-lanh [12], Nghiên cứu ứng dụng tín hiệu
AE để đánh giá trạng thái hoạt động của vòi phun nhiên
liệu được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu J.D. Gill, R.L.
Reuben, J.A. Steel, M.w. Scaife và J. Asquith tại Đại học
Heriot-Watt [13], ứng dụng tín hiệu AE để đo áp suất bên
trong xi-lanh của động cơ diesel được thực hiện bởi M.
El-Ghamry, J.A. Steel, R.L. Reuben, T.L. Fog [14], Nghiên
cứu về hành trình của piston và ma sát giữa xi-lanh và
xéc-măng cũng như tổng hợp các yếu tố tác động bởi
R.M. Douglas, J.A. Steel, R.L. Reuben [15].
4. KẾT LUẬN
Bài báo đã khái quát các cơ bản vể tín hiệu AE, từ lịch
sử của tín hiệu tới các sự hình thành và lan truyền của tín
hiệu cùng các đặc tính của tín hiệu AE. Tín hiệu AE được
phát ra do nguồn năng lượng sinh ra bên trong các vật liệu,
cấu trúc và lan truyền tới bề mặt của vật liệu theo tất cả các
hướng.Tần số của tín hiệu AE có dải rất rộng, từ 0 tới 1MHz
hoặc cao hơn. Bài báo cũng đã chỉ ra một số lĩnh vực ứng
dụng tín hiệu AE trong chẩn đoán trạng thái của đối tượng.
Các lĩnh vực đặc biệt được quan tâm gồm có cơng trình,
động cơ diesel và các kết cấu cơ khí có chuyển động.

Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường
Đại học Hàng hải Việt Nam trong Để tài mã số DT21 -22.112.

Tài liệu tham khảo
[1], Christian u. Grosse, Masayasu Ohtsu (Editors),
Acoustic Emission Testing.
[2], Thomas M. Juliano, Acoustic Emission Leak Detection
on a Metal Pipeline Buried in Sandy Soil, Journal of Pipeline
Systems Engineering and Practice.
[3], Ireneusz Baran, Acoustic Emission Testing of
Underground Pipelines of Crude Oil of Fuel Storage Depots,
Czech Society for Nondestructive Testing - 32nd European
Conference on Acoustic Emission Testing.
[4]. Andreas J. Brunner, Acoustic Emission Leak Testing
of Pipes for Pressurized Gas Using Active Fiber Composite
Elements as Sensors, Journal Acoustic Emission.
[5]. G. Lackner, Acoustic Emission Testing on FlatBottomed Storage Tanks: How to Condense Acquired Data
to a Reliable Statement Regarding Floor Condition, Journal
Acoustic Emission.
[6]. K. L. Komarov, Acoustic Emission Method for Testing
Oil and Gas Tanks, Russian Journal of Nondestructive
Testing.

109


KHOA HỌC CƠNG NGHỆ
Só 07/2022

[7]. Gary Martin, Acoustic Emission for Tank Bottom

Monitoring, Key Engineering Materials Conference.
[8], Masayasu Ohtsu, The History and Development of
Acoustic Emission in Concrete Engineering, Concrete Library
ofJSCE.
[9]. Jianguo Yu, Prediction of fatigue crack growth in
steel bridge components using acoustic emission, Journal of
Constructional Steel Research.
[10], Marvin A. Hamstad, A Review: Acoustic Emission,
a Tool for Composite Materials Studies, Experimental
Mechanics.
[11], Miinshiou Huang, Using Acoustic Emission in
Fatigue and Fracture Materials Research, JOM - The Member
Journal of The Minerals, Metals & Materials Society.
[12], Fathi, E., Diesel Engine Valve Clearance Detection
Using Acoustic Emission, Advances in Mechanical
Engineering.
[13]. J.D. Gill, R.L. Reuben, J.A. Steel, M.w. Scaife and J.
Asquith, A Study of Small HSDI Diesel Engine Fuel Injection
Equipment Faults using Acoustic Emission.
[14], Ghamry, M.E., Indirect measurement of cylinder
pressure from diesel engines using acoustic emission,
Mechanical Systems and Signal Processing.
[15], Douglas, R.M., A study of the tribological behavior
of piston ring/cylinder liner interaction in diesel engines using
acoustic emission, Tribology International.
Ngày nhận bài: 11 /5/2022
Ngày chấp nhận đăng: 02/6/2022
Người phản biện: TS.ĐỖ Khắc Tiệp
PGS. TS. Đinh Anh Tuấn

110