CHƯƠNG 2. THUẬT NGỮ, CÁC NGUYÊN LÝ VẬT LÝ VÀ CƠ SỞ CỦA SIÊU ÂM

TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

CHƯƠNG 2
THUẬT NGỮ, CÁC NGUYÊN LÝ VẬT LÝ VÀ CƠ SỞ CỦA SIÊU ÂM
2.1. BẢN CHẤT CỦA SÓNG SIÊU ÂM :

2.1.1 Định nghĩa siêu âm :
Siêu âm là tên gọi được sử dụng cho các sóng âm có tần số vượt khỏi dải tần số mà tai người
có thể nghe được, tức là vượt quá 20 kHz. Nói chung các sóng siêu âm có dải tần số từ 0.5
MHz đến 20 MHz được sử dụng trong kiểm tra vật liệu. Hình 2.0 biểu diễn phổ âm với các
dải tần số siêu âm được sử dụng phổ biến cho kiểm tra một số sản phẩm công nghiệp.
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 hóa,
làm sạch, khoan, nhũ tương hóa và các quá trình xử lý vật liệu.
SIÊU ÂM

ÂM

20 Hz

20 kHz

0.5 MHz

1.0 MHz

2.0 MHz

5.0 MHz 10.0 MHz

Kiểm tra sản phẩm đúc, rèn
Dải tần số số tai
người
có thể nghe thấy

Kiểm tra mối hàn
Kiểm tra độ dày

Hình 2.0 : Phổ âm với các dải tần số siêu âm được sử dụng phổ biến cho kiểm tra một số
sản phẩm công nghiệp.
2.1.2. Ưu điểm của việc lựa chọn dải tần số siêu âm so với âm thanh (nghe được):
Siêu âm được lựa chọn sử dụng thích hợp hơn so với âm thanh trong nhiều ứng dụng thực tế
là do một hoặc nhiều lý do sau:


Khi siêu âm được lựa chọn sẽ tăng tính chất định hướng của kiểm tra - 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.



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 bề dày mỏng và phát hiện khuyết tật có độ phân dải cao.



Sử dụng siêu âm sẽ không gây ồn âm thanh trong quá trình kiểm tra.
2.1.3 Bản chất của các sóng âm:
Sóng siêu âm được biết 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

CHƯƠNG 2

57


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

T
C

W

Độ dịch chuyển

trường bằng cách hãy bắt đầu nghiên cứu dao động của một trọng vật treo ở đầu một lò xo
(hình 2.1a).

lên
Một chu kỳ

A
Biên độ

G

Thời gian

B
xuống

Hình 2.1 – a) Trọng vật treo bởi một lò xo; b) Hình vẽ dịch chuyển của W theo thời gian.
Có hai lực tác dụng lên W, khi nó ở trạng thái cân bằng A, là trọng lực G và lực căng T của
lò xo. Bây giờ nếu W chuyển động từ vị trí cân bằng A đến vị trí B, thì sức căng T sẽ tăng.
Khi rời chuyển khỏi vị trí B thì W 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 W 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 W cho đến khi W không
còn động năng và dừng ở C. Tại C, G lớn hơn T lại kéo W quay lại chuyển động về phía A.
Tại A nó lại có động năng và lại một lần nữa vượt qua A. Khi W chuyển động từ A đến B, T
lại tăng dần và hãm dần W 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 W 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 :
T=

1
.
f

Độ dịch chuyển cực đại của W từ A đến B hoặc từ A đến C được gọi là biên độ của dao
động. Các khái niệm trên được minh hoạ ở hình 2.1b.
Mọi vật liệu đều cấu tạo từ các nguyên tử (hoặc phân tử) 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 như được
nối với nhau bằng các lò xo. Theo ý nghĩa này, mô hình đơn giản của vật liệu có thể được
biểu diễn như ở hình 2.2.

CHƯƠNG 2

58


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

Đàn hồi Lực liên kết giữa các nguyên tử
Các nguyên tử

Hình 2.2 – Mô hình của một vật thể đàn hồi

Độ dịch chuyển của hạt

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 W được mô tả ở hình 2.1a. Do
lực liên kết giữa các nguyên tử sẽ làm cho các nguyên tử kề 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 hạt môi trường

khỏi vị trí cân bằng ở thời điểm bất kỳ t được cho bởi :
a =a 0sin2πft
(2.1)
Trong đó : a = Độ dịch chuyển của hạt ở thời điểm t.
a0 = Biên độ dao động của hạt.
f = Tần số dao động của hạt.
Biểu diễn đồ thị trong phương trình 2.1 được trình bày ở hình 2.3.

a0

Hình 2.3 – Đồ thị minh họa cho phương trình 2.1 mô tả sự dao động của những phần
0
Thời gian
tử dao động theo thời gian.
(a)

Phương trình (2.2) là phương trình chuyển động của sóng cơ học trong môi trường. Nó cho
trạng thái của các hạt (pha) ở các khoảng cách khác nhau tính từ hạt bị kích thích đầu tiên ở
thời điểm t xác định.
1
Chu kỳ
T=

f

CHƯƠNG 2

59

TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

x

a = a 0 sin 2πf  t − 
v


(2.2)

Trong đó : a = Độ dịch chuyển (tại thời điểm t và khoảng cách x tính từ hạt đầu tiên bị
kích thích) của một hạt môi trường có sóng truyền qua.
a0 = Biên độ của sóng cũng chính bằng biên độ dao động của các hạt môi trường.
v = Vận tốc lan truyền của sóng.
f = Tần số của sóng.
Độ dịch chuyển của hạt

Hình 2.4 cho ta đồ thị biểu diễn của phương trình 2.2.

v

a0
Biên độ
0

Hình 2.4 –Đồ thị minh họa cho phương trìnhKhoảng
2.2. cách
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
Bước
sóng λ
hay

v=

λ
T

(2.3)

Chu kỳ T liên hệ với tần số f bởi :
f =

1
T

(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. ĐẶC TRƯNG CỦA QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG :

2.2.1. Tần số :

Tần số của một sóng cũng là tần số dao động của các nguyên tử của môi trường mà trong đó
sóng truyền – thường được ký hiệu bằng chữ f và biểu thị số chu kỳ trong một giây được đặt
tên theo tên của nhà vật lý H. Hertz và viết tắt Hz.
1Hz
=1
chu kỳ trong 1 giây.
1KHz = 1000Hz
= 1000
chu kỳ trong 1 giây.
1MHz = 1000.000Hz = 1000.000 chu kỳ trong 1 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 0,5MHz đến 20MHz. Cho kiểm
tra kim loại dải tần số phổ biến nhất là từ 2MHz đến 20MHz. Tần số đóng vai trò quan trọng
trong phát hiện và đánh giá khuyết tật.
CHƯƠNG 2

60


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

2.2.2. Biên độ :
Độ dịch chuyển của trọng vật (hình 2.1) hoặc các hạt môi trường (hình 2.3 và 2.4) so với vị
trí cân bằng của nó được gọi là biên độ. Trong phương trình sóng 2.2 “a” là biên độ tại thời
điểm “t” còn a0 là biên độ dao động cực đại (xem thêm phần 4.3.1).
2.2.3. 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 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 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 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 khuyết tật = λ /3
= 1,98mm

Với đầu dò có tần số 6MHz.
Ta có :

λ = 5940 × 1000/6 × 1000000mm.
= 0,99mm.
Độ nhạy khuyết tật = λ/3
= 0,33mm.

2.2.4. 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
2.2.5. Âm trở :
Sức cản của một vật liệu đối với sự truyền sóng siêu âm được gọi là âm trở. Ký hiệu là Z và
được xác định là tích số của mật độ vật liệu ρ và vận tốc v của sóng siêu âm truyền trong vật
liệu :
Z = ρ.v

(2.6)

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.
CHƯƠNG 2

61


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

2.2.6. Âm áp :
Âm áp là thuật ngữ được dùng phổ biến để chỉ biên độ các sức căng biến đổi tuần hoàn trong
một vật liệu do truyền sóng siêu âm.
Âm áp P liên hệ với âm trở Z và biên độ dao động a của hạt như sau :
P = Z.a

(2.7)

Trong đó : P – Âm áp.

Z – Âm trở.
a – Biên độ dao động của hạt.
Như vậy, dù nó có giá trị nhỏ nhất nhưng vẫn cần một thời gian xác định để năng lượng siêu
âm truyền từ một lớp này qua lớp kế tiếp, nên pha dao động của mỗi lớp là khác nhau dù nhỏ
nhưng vẫn là một lượng xác định. Do vậy, năng lượng âm cần phải có thời gian để có thể
truyền từ nguồn phát đến nơi ghi nhận (phương trình 2.2).
2.2.7. Âm năng :
Ta hãy tưởng tượng có một đĩa tròn dao động và phát ra sóng âm đồng thời vật liệu được
truyền âm chia thành vô số lớp mỏng. Khi đĩa nguồn dao động, 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 - 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 cỡ bằng một phần nhỏ của mm.
Bảng 2.1 : Khối lượng riêng, vận tốc sóng âm và âm trở của các vật liệu thông dụng.
Vật liệu
Không khí
Nhôm
Oxide Nhôm
Titanate Barium
Đồng thau
Gang
Bê tông
Đồng
Thủy tinh
Glycerine
Sắt xám
Chì
Magnesium
Dầu nhớt

Nickel
Nylon
Dầu olive
Teflon
Thủy tinh hữu cơ
Polyamide (Nylon)
Polyethylene

Mật độ
(Kg/m3)
1,3
2700
3600
5400
8100
6900
2000
8900
3600
1300
7200
11400
1700
870
8800
1140
900
2200
1180
1100

940

vt
(m/s)
----3130
5500
----2120
2200
-----2260
2560
-----2650
700
3050
----2960
--------550
1430
1080
925

CHƯƠNG 2

vl
(m/s)
330
6320
9000
5000
4430
5300
4600

4700
4260
1920
4600
2660
5770
1740
5630
2700
1400
1350
2730
2620
2340

Z
× 103 kg.m-2s-1
430
17064
32400
27000
35883
24150
9200
41830
15336
2496
33120
24624
9809

1514
49544
3000
1300
3000
3221
2882
2200

62


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

Polystyrol
Polyvinyl Chroride (PVC hard)
Thạch anh
Thủy tinh làm bằng thạch anh
Cao su lưu hóa

1060
1400
2650
2600
1200

1150
1060

----3515
-----

2380
2395
5760
5570
2300

2523
3353
15264
14482
2800

Bạc
Thép (hợp kim thấp)
Thép (dạng khối chuẩn định)
Thép (nguyên chất)
Titanium
Tungsten
Tungsten avaldite
Uranium
Nước
Zinconium

10500
7850
7850
7800

4500
19300
10500
18700
1000
6400

1590
3250
3250
3130
3120
2880
----2020
----2300

3600
5940
5920
5740
5990
5170
2060
3370
1480
4650

37800
46620
46472

44800
27000
100000
21650
63000
1480
29800

2.2.8. 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 hạt theo biểu thức sau :
I=

P2
2Z

(2.8)

và
I=

Pa
2

(2.9)

Trong đó : I – Cường độ.
P – Âm áp.
Z – Âm trở.

a – Biên độ dao động của hạt.
2.2.8.1. Thang đo theo decibel (dB) :
Trong nghiên cứu siêu âm, các thay đổi cường độ và âm áp thường theo thang logarit và việc
đo đạc tiến hành nhằm so sánh với một số tiêu chuẩn đặt ra.
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 I 0 và I1 và các tín hiệu này làm dao động các biến tử 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 :

I0
P
= 0
I1
P1
(2.10)
Trong thực tế, thường sử dụng đồng hồ đo điện thế AC hoặc máy hiện sóng dao động kế
CRT (cathode ray oscilloscope) để ghi nhận. Các thiết bị này đo điện thế có quan hệ tỷ lệ với
bình phương âm áp nghĩa là P tỉ lệ với V2 . Khi thay vào phương trình (2.10) ta được :

CHƯƠNG 2

63


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II
2

 V0 

I0
P
= 0 =
V 

I1
P1
 1

(2.11)
Tỷ số này tương đối lớn nên ta lấy logarit thập phân của hai vế phương trình (2.11) được:
 V0
I
log 0 =log
V
I1
 1

2


 V0

 = 2 log
V

 1




 Bels


Vì 1decibel bằng 1/10bel nên
Cường độ tính theo Decibel
I
= 10 log 0
 I1


P
 = 10 log 0

 P1


V
bels = 20 log10  0

 V1


decibel


(2.12)

Khái niệm này cũng sẽ được trình bày thêm trong phần 4.3.1. khi xây dựng thang đo Decibel
trong kiểm tra siêu âm thực tế.
2.3. CÁC LOẠI 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, cụ thể là sóng dọc, sóng ngang, sóng mặt và sóng lamb.
Các sự khác biệt chính của bốn loại sóng này sẽ được đề cập sau đây.
2.3.1. Sóng dọc hay sóng nén (Longitudinal or compressional waves) :
Trong dạng sóng siêu âm này, các vùng nén và dãn kế tiếp xen kẽ nhau được tạo ra do dao
động của các hạt theo phương song song với phương truyền sóng. Hình 2.5 trình bày mô
phỏng của một sóng siêu âm dọc.
Vùng nén
Vùng dãn

Phương truyền sóng

Hình 2.5 – Sóng dọc gồm các vùng nén và dãn xen kẽ nhau dọc theo phương truyền sóng.
Đối với sóng dọc, biểu đồ 2.6. mô tả dịch chuyển của hạt theo quãng đường sóng truyền qua
mà dọc theo đó có đỉnh nén và hố dãn.

CHƯƠNG 2

64


Độ dịch chuyển của hạt

TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

v

a0
Biên độ
0

Khoảng cách

Hình 2.6 – Hình vẽ dịch chuyển của hạt theo quãng đường truyền sóng.
Do 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. Phần lớn năng lượng siêu âm sử dụng trong kiểm tra vật liệu đều xuất
Bước sóng
λ đổi sang các dạng sóng khác trong các kiểm tra
xứ từ dạng sóng này và rồi được
chuyển
chuyên dụng. Dạng sóng này có thể truyền trong các chất rắn, lỏng và khí.
2.3.2. 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
hạt vuông góc hay cắt ngang phương truyền của sóng. Nó được biểu diễn mô phỏng ở hình
2.7.
λ

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 cần thiết rằng 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 cũng như
quãng đường tự do trung bình là quá lớn nên lực hút giữa chúng không đủ để cho phép một
hạt làm chuyển động một hạt khác nhiều hơn một phần của chuyển động của chính nó và do
vậy sóng sẽ tắt dần nhanh chóng.

Sự truyền của dạng sóng này trong một vật liệu được minh họa dễ dàng bằng chuyển động
của một sợi dây thừng bị tay đung đưa. Mỗi hạt của dây chỉ chuyển động lên xuống trong khi
sóng chuyển động dọc theo dây từ điểm bị kích thích.
CHƯƠNG 2

65


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

2.3.3. 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 là sóng
Rayleigh. 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 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 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 biên độ của dao
động giảm rõ rệt đến mức có thể bỏ qua 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.
Phương truyền sóng
KHÔNG KHÍ

KIM LOẠI

Phần tử dao động

Tại bề mặt cân bằng

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. Trục phụ song song với
phương truyền. Phương pháp tạo sóng mặt trình bày trong phần 2.4.2.3.
Các sóng mặt được sử dụng rất hữu hiệu cho mục đích kiểm tra vì rằng ở cùng một 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 góc cạnh và do đó 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.
2.3.4. Sóng lamb hay 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 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.
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 :
(a)

dạng đối xứng hay là dạng dãn nở và
CHƯƠNG 2

66


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

(b)

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

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 hạt đối
với trục trung tâm của vật kiểm tra. Trong sóng lamb đối xứng (sóng dãn nở) có sự dịch
chuyển của hạt dọc theo trục trung tâm của bản và dịch chuyển ellip của hạt 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 hạt dọc theo trục
chính của bản và dịch chuyển ellip trên mỗi bề mặt (hình 2.9b).
Phương truyền sóng
Tại bề mặt cân bằng

Hạt dao động

Trục chính
Tại bề mặt cân bằng

λ
(a)
Phương truyền sóng
Tại bề mặt cân bằng

Hạt dao động

Trục chính

Tại bề mặt cân bằng

λ

(b)

Hình 2.9 - Giản đồ các mô hình cơ bản của sóng lamb đối xứng (a) và của sóng Lamb phản
đối xứng (b).
Tỷ số giữa trục chính và trục phụ của ellip là một hàm phụ thuộc vào vật liệu có sóng truyền
trong đó. Dạng phản đối xứng của sóng lamb có thể minh họa bằng hình ảnh của một tấm
chắn được nâng lên hạ xuống sao cho một gợn sóng truyền trong đó.
2.3.5. Vận tốc của các loại sóng âm:
Vận tốc truyền các loại sóng dọc, sóng ngang và sóng mặt (phần 2.3) phụ thuộc vào modul
đàn hồi, 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 đưa ra trong các phương trình sau :
VL =

E
ρ

(2.13)

VT =

G
ρ

(2.14)

VS = 0,9VT
CHƯƠNG 2

(2.15)
67


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

Trong đó : VL – Vận tốc của sóng dọc.
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.
VT
= 0,55
Đối với thép :
VL

(2.16)

Ở đây cũng cần nhắc lại là vận tốc truyền của sóng lamb, như đã nói ở trên, phụ thuộc không
những vào mật độ của vật liệu mà còn phụ thuộc vào dạng sóng, tần số của sóng.
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. Quá trình phản xạ và truyền qua khi sóng tới thẳng góc :
2.4.1.1. Cường độ phản xạ và truyền qua :
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 được ranh giới này. Bề mặt
tại đó xảy ra sự phản xạ gọi là mặt phân cách. Phần năng lượng của sóng âm bị phản xạ hoặc
truyền qua được phụ thuộc vào sự khác biệt giữa âm trở của hai môi trường. Nếu sự khác biệt
này lớn thì phần lớn năng lượng sẽ phản xạ trở lại và chỉ một phần nhỏ năng lượng truyền
qua ranh giới. 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.

Môi Trường 1
Sóng phản xạ

Sóng tới

Z1

Mặt phân cách giữa hai môi trường

Sóng truyền qua

Môi Trường 2
Z2

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 giữa hai môi trường có âm trở khác nhau (hình 2.10) cho được đưa như sau:

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

=

Cường độ của sóng siêu âm tới ranh giới
CHƯƠNG 2

68


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

 Z − Z1 
I

R = r =  2
I i  Z1 + Z 2 

Trong đó :

R
Z1
Z2
Ir
Ii

–

–
–
–
–

2

(2.17)

Hệ số phản xạ.
Âm trở của môi trường 1.
Âm trở của môi trường 2.
Cường độ sóng siêu âm phản xạ.
Cường độ sóng siêu âm tới.

Phần năng luợng truyền qua được ranh giới phân cách giữa hai môi trường được cho bởi
quan hệ :
Cường độ của sóng siêu âm được truyền qua ranh giới
Hệ số truyền qua =

Cường độ của sóng siêu âm tới ranh giới

Tt
4 Z1Z 2
=
=1 − R
Ii
( Z1 + Z 2 ) 2
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.
T=

Trong đó :

Như vậy hệ số truyền qua có thể xác định theo biểu thức :
T=1–R
Trong đó :

(2.18)

(2.19)

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 Z 1 và Z2 có các giá trị gần như giống nhau.
Các vật liệu này khi đó được nói rằng 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.
Một khó khăn có thể xuất hiện khi truyền qua hai vật liệu đều là rắn. Ngoại trừ trường hợp
các bề mặt của chúng là phẳng tuyệt đối theo quan điểm quang học, còn sự tiếp xúc chỉ xảy
ra ở một vài nơi và thực tế là có một lớp chất mỏng phân cách giữa chúng. Nếu lớp chất đó là
các chất lỏng có đặc tính âm trở không quá xa được loại bỏ từ những vật rắn này và bề dày
của nó nhỏ hơn nhiều so với bước sóng, thì giá trị của hệ số truyền là giống như hai chất rắn

được tiếp xúc tốt hoàn hảo. Ngược lại, nếu lớp chất giữa hai chất rắn là khí, thì hệ số truyền
hầu như giảm đến 0.
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 tốt hoàn hảo với một khối thép. Tuy nhiên,
trong thực tế có một khe hở khoảng 1µ m khi bề mặt của thép được gia công thông thường.
Ở tần số 1MHz, hệ số truyền giảm chỉ 1 hoặc 2% khi khe hở được lấp đầy chất lỏng. Ngược
CHƯƠNG 2

69


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

lại nếu khe hở chứa khí, thì hệ số truyền sẽ giảm đến khoảng 4 × 10-9, hay giảm hơn 80dB.
Đây là những minh hoạ về tầm quan trọng cần thiết sử dụng các chất tiếp xúc âm khi cần
truyền hoặc ghi nhận sóng âm trong vật rắn.
2.4.1.2. Âm áp phản xạ và truyền qua :
Các quan hệ xác định phần phản xạ và truyền qua của âm áp tại mặt phân cách giữa hai môi
trường trong trường hợp sóng tới thẳng góc là :
Pr =

Z 2 − Z1
Z1 + Z 2

(2.20)
2Z 2
Z1 + Z 2
Phần âm áp phản xạ.

Phần âm áp truyền qua.
Âm trở của vật liệu trong đó sóng là sóng tới.
Âm trở của vật liệu trong đó sóng là sóng truyền qua.
Pt =

Và
Trong đó :

Pr
Pt
Z1
Z2

–
–
–
–

(2.21)

Rõ ràng từ các phương trình (2.20) và (2.21), cho thấy P r có thể dương hoặc âm và Pt có thể
lớn hơn hoặc nhỏ hơn 1, phụ thuộc vào Z 2 lớn hơn hoặc nhỏ hơn Z 1. Khi Z2 > Z1 tức là
trường hợp ranh giới giữa nước – thép, thì P r 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).
Âm áp
Thép

Nước

Nước

Âm áp
2

Sóng tới

1

Thép

1
Sóng truyền qua

Sóng phản xạ

Pt

Sóng
tới

Sóng truyền qua
Pt

Pr

Sóng
phản xạ

-1

-1

(b)

(a)

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 ranh 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
và truyền qua bất kể Z1 > Z2 hay Z2 > Z1.

CHƯƠNG 2

70


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

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 cách giữa thép – nước thì P r < 0, có nghĩa là
âm áp phản xạ bị đảo ngược như trình bày ở hình (2.11a).
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 :
Z nước = Z1 = 1480×103 kg.m-2.s-1

Z thép = Z2 = 46629×103kg.m-2.s-1
Hệ số phản xạ (R) = (Z2 – Z1)2/ (Z1 + Z2)2
= (46629 – 1480)2 / (1480 + 46629)2
= (45149)2 / (48109)2
= 2,0384322 / 2,3144759
= 0,88
% phản xạ
= 0,88×100
= 88%
Hệ số truyền (T) = (4Z1.Z2) / (Z1 + Z2)2
= (4×1480×46629) / (48109)2
= 2,7604368×108 / 23,144759×108
= 0,119 = 0,12
% truyền qua

= 0,12×100
= 12%
Đầu dò

Nước

Mẫu nhôm

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 cách 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
Z nhôm = Z2 = 17064×103 kg.m-2.s-1

Hệ số phản xạ (R) = (1,48 – 17,06)2 / (1,48 + 17,06)2
= 242,73 / 343,73
= 0,71
CHƯƠNG 2

71


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

% phản xạ

= 71%

Hệ số truyền (T)

= (4Z1.Z2) / (Z1 + Z2)2
= (4×1,48×17,06) / (1,48 + 17,06)2
= (100,99) / (343,73)
= 0,29

% truyền qua

= 29%

Như vậy chỉ có 29% năng lượng được truyền vào trong mẫu nhôm. Ở đáy mẫu, mặt phân
cách giữa nhôm và nước lại có 71% của 29% (=20.6%) này bị phản xạ ngược từ đáy quay
trở lại gặp mặt phân cách trên giữa nhôm và nước một lần nữa và tại đây 71% của 20,6%

( = 14.6%) lại bị phản xạ trở lại vào mẫu kiểm tra. Cuối cùng chỉ phần còn lại (20,6 – 14,6) =
6% truyền được vào nước tới đầu dò.
Ví dụ 3: Một vật liệu cần được kiểm tra khuyết tật liên kết. Hai vật liệu liên kết gồm một có
bề dày 7,5mm và âm trở là 5,0 ×103kg.m-2.s-1 và một có bề dày 100mm và âm trở là
4,5×103kg.m-2.s-1. Nếu có liên kết là hoàn hảo thì tỷ lệ phần trăm phản xạ sóng âm
mong đợi là bao nhiêu có thể chấp nhận tại mặt 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 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
= (5 – 4,5)2 / (5 + 4,5)2
= (0,25) / (90,25)
= 0,0027
% phản xạ

= 0,0027×100
= 0,27%

2.4.2. Quá trình phản xạ và truyền qua khi sóng tới xiên góc :
2.4.2.1. Sự khúc xạ và sự chuyển đổi dạng sóng :
Nếu sóng siêu âm tới mặt phân cách 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 ranh giới giữa 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 (trượt) và điều gì sẽ xuất hiện đối với
từng thành phần này. Ký hiệu L1 và S1 là thành phần dọc và sóng ngang (trượt) trong môi
trường 1 và L2 và S2 là thành phần dọc và sóng ngang (trượt) trong môi trường 2. Tất nhiên
sẽ không có các thành phần ngang phản xạ và khúc xạ nếu môi trường 1 hoặc môi trường 2

không phải là môi trường rắn.
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 phân cách giữa hai môi trường. Thành phần sóng ngang (trượt) khúc xạ trong
môi trường 2 sẽ biến mất nếu môi trường 2 không phải là rắn.

CHƯƠNG 2

72


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

S1

L1

L1

αT
αL

βT

βL

L2
S2

Hình 2.13 – Sự khúc xạ và sự chuyển đổi dạng sóng đối với sóng dọc tới.
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.
2.4.2.2. Định luật Snell :
Khi một sóng siêu âm tới mặt phân cách thì định luật chung xác định phương của các sóng
phản xạ và khúc xạ được biết dưới tên định luật Snell. Theo định luật này thì tỷ số giữa sin
của góc tới và sin của góc phản xạ hay khúc xạ bằng tỷ số của các vận tốc tương ứng của
sóng tới, sóng phản xạ hay sóng khúc xạ.
Về phương diện toán học, định luật Snell được biểu diễn bởi :
Sinα v1
=
Sinβ v 2

(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 cách).
2.4.2.3. 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 :
SinαL / vL1 = SinβL / vL2 = SinβT / vT2 = SinαT / vT1

Trong đó :

(2.23)

αL, αT, βL và βT đã được định nghĩa ở trên và
CHƯƠNG 2

73


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

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 / vL2.

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 ranh 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 (trượt) 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 cách (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 cách giữa 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 90 0. Giá trị của
αL ứng với góc khúc xạ của sóng ngang đạt tới 90 0 được gọi là góc tới hạn thứ hai. Ở giá trị
góc tới hạn thứ hai thì sóng ngang khúc xạ ló ra khỏi môi trường 2 và truyền song song với
mặt phân cách. 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 14 0 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 ngang.
βL = Góc khúc xạ của sóng dọc.
βT = Góc khúc xạ của sóng ngang.
αL

αL

βT

β T = 900

β L = 900
(a)

(b)

Hình 2.14 – (a) Góc tới hạn thứ nhất, (b) Góc tới hạn thứ hai.
2.4.2.4. Âm áp phản xạ khi sóng tới xiên góc :

CHƯƠNG 2

74


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

Hình 2.15 đưa ra hệ số phản xạ của âm áp đối với sóng ngang và dọc phản xạ tại ranh giới
giữa thép – không khí.
00

100

200

300310 320 330 3302’

100

θ

90

Thép
Không khí

80
70
60
50
40
30
20
10
00

100

200

300 400 500 600

700

800

900

Hình 2.15 – Âm áp của các sóng phản xạ theo góc tới.
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.
Cần nhấn mạnh từ hình 2.15 rằng :
(a) Âm áp phản xạ của sóng dọc có một cực tiểu 13% ở góc tới 68 0. Điều đó có nghĩa là phần

còn lại của sóng được chuyển đổi thành sóng ngang.
(b) Khi sóng ngang có góc tới khoảng 30 0, 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 33,2 0 thì các sóng ngang hòan toàn phản xạ và không
xảy ra sự chuyển đổi dạng sóng.
Ví dụ : Nếu muốn sóng ngang truyền vào thép với một góc 60 0, thì góc tới ở trong nêm thủy
tinh hữu cơ sẽ phải là bao nhiêu ?
Cần phải tìm góc αL (hình 2.16) khi góc βt được cho 600.
Giải : Từ bảng 2.1, các vận tốc của sóng dọc trong thủy tinh hữu cơ là v L1 = 2730 ms-1 và vận
tốc của sóng ngang trong thép là vt2 = 3250 ms-1. Áp dụng định luật Snell : SinαL1 / Sinβt2 =
vL1 / vt2, với góc βt2 = 600 và từ bảng 2.2 có Sin600 =0,8660. Đưa giá trị này vào ta được :
SinαL1 = 0,8660×2730/3250 = 0,7274. Tính được αL1 = Sin-1(0,7274) = 470.
αL

600
βT

CHƯƠNG 2

S

75


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

Hình 2.16.
Ví dụ : Nếu góc tới đi từ mặt phân cách của nước đến thép là 12 0 thì sóng dọc bị khúc xạ như

thế nào ?
Cần phải tìm góc βL2 (hình 2.17) khi góc tới αL1 được cho 120.

α L1

β L2

L
S

Hình 2.17.
Giải : Sử dụng bảng 2.1 và áp dụng định luật Snell ta có :
SinαL1 / SinβL2 = vL1 / vL2
hoặc SinβL2 = SinαL1× vL2 / vL1
= 0,2079×5940/1480
= 0,8344.
Hoặc βL2
= Sin-1(0,8344)
= 570.
Ví dụ : Nếu góc tới trong thủy tinh hữu cơ là 36 0 thì sóng dọc có bị khúc xạ không ? Nếu có,
thì nó như thế nào ? Nếu không, thì tại sao không ?
Cần phải tìm giá trị của góc βL2 trong hình 2.17 khi giá trị của αL1 được cho 360.
Giải : Sử dụng bảng 2.1 và áp dụng định luật Snell ta có :
SinβL2 = Sin360×vL2(thép)/vL1 (thủy tinh hữu cơ)
= 0,5875×5940/2730
= 1,2789.
Giá trị này của góc βL2 tương ứng với góc khúc xạ của sóng dọc lớn hơn 90 0 do đó trong
trường hợp này sẽ không có sóng dọc bị khúc xạ trong thép.
Ví dụ : Một đầu dò góc có chùm tia phát với một góc 55 0 trong thép. Góc của chùm tia đó
phát ra sẽ như thế nào khi dùng nó kiểm tra nhôm.

Giải : Cho các giá trị vận tốc :

Sóng trượt trong thép
Sóng trượt trong nhôm
Sóng nén trong thép
Sóng nén trong nhôm

= 3250m/s
= 3130m/s
= 5940m/s
= 6320m/s.

Chúng ta đang xem xét các đầu dò góc phát ra sóng trượt, vậy ta phải sử dụng định luật Snell
:
Sinα / Sinβ = v1 / v2
Ở đây v2 là vận tốc của sóng trượt.
α là góc tới của chùm tia siêu âm.
β là góc khúc xạ của chùm tia siêu âm.
CHƯƠNG 2

76


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

Và ta sẽ tính toán góc α trong đầu dò góc, khi biết trong thép, βthép = 550.
Sinα / v1 = Sinβthép / v2(thép) = Sin550 / 3250.
Ở đây v1 là vận tốc sóng nén trong vật liệu của lớp bảo vệ đầu dò. Áp dụng cho trường hợp

nhôm ta có :
Sinβα / v2(Al) = Sinα / v1 hoặc SinβAl = v2(Al)×Sinα / v1
Từ phương trình trước chúng ta đã có Sinα / v1 = Sin550 / 3250 do đó
SinβAl = 3130×Sin550 / 3250 = 3130×0,8192/3250
Sử dụng các bảng log hoặc máy tính, tính được SinβAl = 0,7892, vậy βAl ≈ 520 là góc của
chùm tia siêu âm trong nhôm.
Ví dụ : Một ống thép có đường kính ngoài OD = 150, đường kính trong ID = 80mm và được
kiểm tra siêu âm bằng kỹ thuật quay nó trong nước, sử dụng một đầu dò góc để phát
ra sóng trượt trong thép. Hãy tính toán góc tới để chùm tia siêu âm để bao phủ hoàn
toàn kim loại (bỏ qua độ phân tán chùm).
Giải : Vận tốc của sóng nén trong nước = 1500 m/s
Vận tốc của sóng trượt trong thép = 3250 m/s
Ống được phác họa mô tả OD và ID và chùm tia siêu âm gặp mặt trong của ống. Nếu vẽ bán
kính trong là điểm gặp của siêu âm trong thép và bán kính ngoài là điểm chùm tia siêu âm đi
vào thép, thì chúng ta có một tam giác vuông. Nếu gọi β là góc phát của đầu dò cần tìm thì từ
tam giác vuông này cho ta :
Sinβ =

ID / 2 40
=
OD / 2 75

Cũng bằng định luật Snell Sinα / Sinβ = v1 / v2 . Trong đó ở đây v1 là vận tốc của sóng dọc
trong nước và v2 là vận tốc của sóng ngang trong thép. Giá trị của v1 và v2 từ bảng 2.1 tương
ứng với 1500 m/s và 3250 m/s. Do đó Sinα = Sinβ × (v1/v2) = (40/75) × (1500/3250).
Do đó α = 14015’là góc cần tìm.
2.5. QUÁ TRÌNH TRUYỀN NĂNG LƯỢNG GIỮA CÁC MÔI TRƯỜNG :

2.5.1. Quá trình phát sóng siêu âm :
Sự phát ra âm thanh là một hiện tượng mà 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 (phần 2.6.2). Trong các biến tử cơ học thì nó va chạm hoặc ma sát để tạo ra sóng
siêu âm. Phát sinh điện từ của âm thanh, thực tế bằng cách cấp một dòng điện xoay chiều vào
một một thanh dẫn để tạo ra một dòng điện xoáy được cảm ứng trong nó. Nhờ có sự tương
tác giữa dòng điện xoáy và và từ trường bao ngoài, mà một lực từ được gọi là lực Lorentz
được hình thành trong mẫu kiểm tra để phát ra âm thanh (phần 9.1.8). Trong phương pháp
tĩnh điện, cần một lực tác động vào giữa các bản điện cực của một bản tụ điện. Nếu một bản
tụ điện có thể di chuyển thì khi ấy âm thanh có thể được hình thành do một điện thế xoay
chiều. Cũng có thể thực hiện được quá trình biến đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng âm.
Bề mặt của một vật rắn bị làm nóng đột ngột sẽ gây ra sự giãn nở nội tại đột ngột trong vật
liệu. Những ứng suất căng cơ học sinh ra do quá trình kích thích sóng âm này có phổ tần số

CHƯƠNG 2

77


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

rộng. Các chùm tia laser và chùm electron thường được sử dụng để nhiệt hoá rất mạnh và
nhanh.(phần 9.1.7)
2.5.2. Quá trình mất năng lượng ở các môi trường khác nhau :
Trong phần 2.2.4 và 2.2.5 đã nói đến 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 biểu thị
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 phần 2.4 cũng đã mô tả chùm siêu âm tại những mặt phân cách giữa các môi trường
khác nhau. 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 dạng sóng ngang. Cuối cùng là có vận tốc thấp hơn rất nhiều
truyền vào môi trường thứ hai.
Chùm siêu âm phát từ đầu dò bị phân kỳ (phần 2.7.2). Khi khoảng cách từ biến tử tăng thì
cường độ của chùm tia phân bố theo các tiết diện ngang của chùm sẽ có diện tích tăng dẫn
đến cường độ chùm giảm liên tục theo phân bố không gian.
Khi truyền qua môi trường, năng lượng chùm siêu âm bị tương tác với môi trường vì vậy
chúng bị suy giảm (phần 2.8) theo hai chiều hướng :
(i)

Bị hấp thụ, xảy ra ở tất cả các môi trường, bằng cách biến đổi thành các dạng năng
lượng khác, có thể chủ yếu dưới dạng nhiệt.

(ii)

Do 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 phản xạ một phần
năng lượng từ hướng chùm ban đầu bị nhiễu xạ, phản xạ và khúc xạ ở các tinh thể đơn
bất đẳng hướng.
Những yếu tố khác và những ảnh hưởng khác nhau liên quan đến quá trình mất năng lượng
của chùm tia siêu âm sẽ được trình bày trong các phần 2.7.3 và 2.7.4.
2.6. HIỆU ỨNG ÁP ĐIỆN VÀ TỪ GIẢO TRÊN CÁC TINH THỂ :

2.6.1. Hiệu ứng áp điện :

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 áp 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, đầu tiên do anh em Curie khám phá năm 1880, theo hiệu ứng
này thì khi một vật liệu áp điện chịu một lực nén cơ học sẽ 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 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 và hiệu ứng áp
điện ngược để phát sóng siêu âm.

CHƯƠNG 2

78


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

Hình 2.18a – Hiệu ứng áp điện thuận.
Điện
thế

Điện
thế
Sự giãn nỡ

Sự co lại

Hình 2.18b – Hiệu ứng áp điện ngược.
2.6.2. Các loại biến tử áp điện (Transducer):
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 chúng được xếp vào loại biến tử tinh thể
áp điện. Ngược lại nếu biến tử được chế tạo từ vật liệu đa tinh thể trong đó hiện tượng áp
điện được tạo ra nhờ quá trình phân cực bên ngoài thì được xếp vào loại biến tử gốm phân
cực.
2.6.2.1.Biến tử tinh thể áp điện :
Một vài loại vật liệu đơn tinh thể trong đó hiện tượng áp điện xuất hiện một cách tự nhiên là
thạch anh, tourmaline, sunfat lithi, sunfit cadmi, và oxit kẽm. Trong số đó thạch anh và
sunfat lithi được dùng phổ biến để chế tạo biến tử siêu âm.
(a) Thạch anh :
Các tinh thể thạch anh tự nhiên hay nuôi nhân tạo có một dạng định hình được biểu diễn bởi
các trục tinh thể bao gồm một trục X, Y và Z.
Hiện tượng áp điện trong thạch anh chỉ có thể đạt được khi một tấm mỏng vuông góc với trục
X hoặc Y được cắt ra từ tinh thể thạch anh. Các tấm này được gọi là các tấm cắt X và cắt Y
của tinh thể thạch anh hay còn gọi là biến tử. Thạch anh cắt X được dùng để phát và thu sóng
dọc (hình 2.20) còn các tấm cắt Y được dùng để phát và thu sóng ngang (hình 2.20). Sóng
ngang và sóng mặt có thể được tạo ra từ tấm cắt X bằng cách sử dụng hiện tượng chuyển đổi
dạng sóng của sóng siêu âm dọc tới xiên góc xuất hiện ở mặt phân cách giữa hai môi trường
có âm trở khác nhau. Khi áp một điện thế xoay chiều vào các điện cực, thì biến tử áp điện
dao động tại một tần số được đặt vào với một biên độ bằng khoảng 10 lần bề dày của nó. Tuy
nhiên, nếu biến tử bị kích thích ở tần số cộng hưởng thì biên độ của nó sẽ tăng lên đáng kể
khoảng 10 lần bề dày tại tần số cơ bản.

CHƯƠNG 2

79

TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

Trục vốn có của
Thạch anh
Mặt cắt X của thạch
anh cho sóng dọc

Mặt cắt Y của thạch
anh cho sóng ngang

Hình 2.19 – Hệ thống trục toạ độ trong tinh thể thạch anh (đơn giản hoá) và các vị trí
của các lát cắt X và Y.
Một vài ưu điểm và hạn chế khi dùng thạch anh làm biến tử siêu âm đưa ra dưới đây :
Ưu điểm :
(i)

Có độ bền cao khi sử dụng.

(ii)

Không tan trong nước.

(iii)

Có độ ổn định cơ và điện cao.

(iv)

Có thể làm việc ở nhiệt độ cao.

Hạn chế :
(i)

Tương đối đắt tiền.

(ii)

Là bộ phát năng lượng siêu âm hiệu suất thấp nhất.

(iii)

(iv)

Nó chịu hiện tượng chuyển đổi dạng sóng : Khi một tấm cắt X được dùng thì ngoài
việc phát ra sóng dọc nó còn phát ra sóng ngang. Sóng ngang được phát ra vì một tấm
tinh thể cắt X khi bị nén thì cũng dài ra theo phương Y. Sự tạo ra sóng ngang gây ra
những tín hiệu giả ở phía sau tín hiệu chính.
Nó cần điện áp cao khi làm việc.
Nguyên nhân
Hiệu ứng áp
điện thuận

Hiệu ứng áp
điện ngược

Sơ đồ

Kết quả

Tinh thể bị
Nén lại

Điện thế dương
trên các bề mặt

Tinh thể bị
giãn nở

Điện thế âm
trên các bề mặt

Điện thế dương
Trên các bề mặt

Sự giãn nở của
tinh thể

Điện thế âm
trên các bề mặt

Sự nén lại của
tinh thể

Hình 2.20 – Hiệu ứng áp điện của thạch anh (đối với lát cắt X)

CHƯƠNG 2

80


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

Nguyên nhân

Hiệu ứng áp
điện thuận

Sơ đồ

Kết quả

Sự kéo giãn làm
biến dạng tinh thể
từ bên trái

Điện thế dương
Trên các bề mặt

Sự kéo giãn làm
biến dạng tinh thể từ
bên phải

Điện thế âm
trên các bề mặt

Điện thế dương
Trên các bề mặt

Sự kéo giãn làm
biến dạng tinh thể
từ bên phải

Điện thế âm
trên các bề mặt

Sự kéo giãn làm
biến dạng tinh thể
từ bên trái

Hiệu ứng áp
điện ngược

Hình 2.21 – Hiệu ứng áp điện của thạch anh (đối với tấm cắt Y)
(b) Sulphate lithium :
Sunfat lithi là một loại tinh thể áp điện khác cũng thường được dùng để chế tạo biến tử siêu
âm. Một vài ưu điểm và hạn chế của sunfat lithi như sau :
Ưu điểm :
(i)

Là phần tử thu năng lượng siêu âm có hiệu suất cao nhất.

(ii)

Có thể dễ được giảm chấn do âm trở của nó nhỏ.

(iii)

Không bị lão hoá.

(iv)

Ít chịu ảnh hưởng của hiện tượng chuyển đổi dạng sóng.

Hạn chế :
(i) Rất dòn, dễ vỡ
(ii) Bị hoà tan trong nước.
(iii) Bị giới hạn ở những nhiệt độ làm việc dưới 750C.
2.6.2.2. Biến tử gốm phân cực :
Các biến tử gốm phân cực gần đây đã hoàn toàn thay thế thạch anh và đang thay thế các biến
tử đơn tinh thể nuôi nhân tạo. Vật liệu làm biến tử gốm phân cực có bản chất sắt từ. Các vật
liệu sắt từ có nhiều “domain” mà mỗi domain chứa một số lớn các phân tử và có một điện
tích. Nếu không có gradient điện thế tồn tại trong vật liệu thì các domain này định hướng một
cách tùy tiện (hình 2.22). Nếu có điện áp tác dụng, các domain có xu hướng định hướng theo
phương của trường. Do domain có hình dạng dài hơn theo phương của trường so với bề dày
của nó nên toàn bộ vật liệu giãn nở ra. Nếu trường đổi hướng thì domain cũng đổi hướng và
vật liệu lại giãn nở. Điều này ngược so với trường hợp của vật liệu tinh thể áp điện co lại nếu
trường hướng theo một chiều và nở ra khi trường đổi chiều ngược lại.
Dạng biểu hiện của sắt từ (tức là nở ra đối với cả hai trường hợp trường dương và trường âm)
có thể dể dàng chuyển thành dạng áp điện bằng cách nung nóng vật liệu sắt từ đến nhiệt độ
CHƯƠNG 2

81