CHƯƠNG 3.CÁC KỸ THUẬT KIỂM TRA SIÊU ÂM VÀ NHỮNG GIỚI HẠN

TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

CHƯƠNG 3
CÁC KỸ THUẬT KIỂM TRA SIÊU ÂM VÀ NHỮNG GIỚI HẠN
3.1. CƠ SỞ CỦA PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA SIÊU ÂM :

Sóng siêu âm khi đến mặt phân cách giữa hai môi trường thì một phần phản xạ ngược trở về
môi trường ban đầu và một phần sẽ truyền qua môi trường kia. Phương pháp kiểm tra siêu
âm sử dụng phần năng lượng truyền qua của sóng siêu âm được gọi là Phương pháp truyền
qua. Còn phương pháp sử dụng phần năng lượng phản xạ của sóng siêu âm được gọi là
phương pháp xung phản hồi. Một phương pháp khác cũng thường được sử dụng trong kiểm
tra siêu âm vật liệu là phương pháp cộng hưởng.
3.1.1. Phương pháp truyền qua :
Trong phương pháp này, sử dụng hai đầu dò siêu âm. Một là đầu dò phát và một làm đầu dò
thu. Các đầu dò này được đặt ở hai bề mặt đối diện của vật thể kiểm tra như được mô tả
trong hình 3.1.

Chùm sóng siêu âm
Đầu dò phát

Đầu dò thu

Hình 3.1 : Vị trí của đầu dò phát và thu trong phương pháp truyền qua
Trong phương pháp này, sự hiện diện của khuyết tật trong vật thể kiểm tra được chỉ thị bởi
sự giảm của biên độ tín hiệu, trong trường hợp khuyết tật lớn thì tín hiệu có thể biến mất
hoàn toàn. Màn hình CRT biểu diễn nguyên lý kiểm tra của phương pháp được minh họa
trên hình 3.2 (a), (b) và (c).
Phương pháp này được dùng để kiểm tra các thỏi đúc và các vật đúc lớn, đặc biệt khi có sự
suy giảm mạnh và có các khuyết tật lớn. Phương pháp này không đưa ra kích thước và vị trí

của khuyết tật. Ngoài ra tất nhiên cần có sự tiếp xúc tốt và sự đồng trục về vị trí hai đầu dò.

CHƯƠNG 3

101


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

T

R

T

R

(a)

Mẫu không có
khuyết tật.

(b)

Mẫu có khuyết
tật nhỏ.
T

R

Mẫu có khuyết
tật lớn.

(c)

Hình 3.2 : (a), (b) và (c) biểu diễn trên màn hình các khuyết tật có kích thước khác nhau
trong phương pháp truyền qua.
3.1.2. Phương pháp xung phản hồi :
Đây là phương pháp được dùng phổ biến nhất trong kiểm tra vật liệu bằng siêu âm. Đầu dò
phát và thu được đặt cùng một phía của mẫu và hiện diện của một khuyết tật được chỉ thị
bằng sự nhận được xung phản hồi trước xung phản hồi đáy. Hầu hết các đầu dò đều có thể
hoạt động ở chế độ thu cũng như phát. Màn hình CRT được chuẩn để biểu diễn được tách
biệt về khoảng cách giữa thời gian đến của xung phản hồi khuyết tật và xung phản hồi đáy,
do đó tọa độ của khuyết tật có thể xác định một cách chính xác. Nguyên lý của phương pháp
xung phản hồi được minh họa ở hình 3.3 (a), (b) và (c).
Xung
truyền

TR

Xung phản hồi đáy

(a)

TR

Khuyết tật

Xung phản hồi khuyết
tật
Xung phản hồi đáy

(b)

TR Khuyết tật lớn

Xung phản hồi khuyết
tật

(c)

Mẫu không có
khuyết tật.
Mẫu
có
khuyết tật
nhỏ.
Mẫu
có
khuyết tật
lớn.

Không có xung phản hồi đáy

Hình 3.3 : Nguyên lý của phương pháp xung phản hồi kiểm tra siêu âm.
Một vật kiểm có các bề mặt song song với nhau (hình 3.3a) không những cho ta một xung
phản hồi đáy mà còn cho nhiều xung phản hồi liên tiếp cách đều nhau, tạo ra một dải đo đủ
CHƯƠNG 3

102


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

lớn trên màn hình để quan sát (hình 3.4). Sở dĩ chúng ta nhận được một chuỗi xung phản hồi
từ đáy, bởi vì xung đầu tiên phản xạ từ đáy trở về đầu dò đặt tại mặt trước, chỉ truyền một
phần nhỏ năng lượng của chùm sóng âm đi đến đầu dò, phần còn lại tiếp tục bị phản xạ
ngược xuống đáy với phần năng lượng còn lại thấp hơn, và cứ tiếp tục quá trình như vậy thì
tạo ra một chuỗi xung phản hồi từ đáy. Độ cao của những xung phản hồi này giảm xuống,
một phần do năng lượng tổn hao trong đầu dò, phần khác của sóng âm bị suy giảm trong vật
liệu do sự truyền của chùm sóng siêu âm theo luật phân tán chùm tia, nhiễu xạ.v.v…
Xung truyền qua
Xung phản hồi thứ 1
Xung phản hồi thứ 2
Xung phản hồi thứ 3
Xung phản hồi thứ 4

Hình 3.4 – Chuỗi xung phản hồi trong phương pháp xung phản hồi.
Trong phương pháp xung phản hồi, có hai cách để truyền sóng siêu âm vào vật thể kiểm tra
là: kỹ thuật chùm tia thẳng và kỹ thuật chùm tia xiên góc. Tương tự, kỹ thuật hai đầu dò
liên tiếp nhau (tandem) cũng như kỹ thuật kiểm tra nhúng đều là những dạng khác của kỹ
thuật xung phản hồi.
Giống như tên gọi của nó, phương pháp xung phản hồi dùng những xung siêu âm ngắn thay
vì những sóng liên tục. Một chuỗi sóng được tập hợp thành nhóm sóng ngắn, trước hoặc sau
nó không có sóng và nói chung thường được coi như là một xung. Xung có thể có nhiều
dạng : Nó có thể bắt đầu và giảm xuống nhanh chóng; Nó cũng có thể hình thành và suy

giảm dần. Nó có thể hình thành nhanh chóng và suy giảm theo hàm số mũ.

Hình 3.5 Các xung siêu âm có những độ dài và những hình dạng khác nhau.

CHƯƠNG 3

103


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

Các loại sóng siêu âm được minh họa trong hình 3.5 là các loại hay thường dùng nhất.
Hầu hết các loại đầu dò đều gắn vào tinh thể một thiết bị giảm chấn có dạng miếng đệm.
Miếng đệm giảm chấn này phải có âm trở lớn hơn âm trở của tinh thể. Lý tưởng là dao động
của tinh thể phải chấm dứt đột ngột tách ra khỏi dao động trước đó của nó, sao cho năng
lượng phản xạ chỉ còn kích thích một tinh thể “trơ’ mà thôi, và không một tinh thể nào còn
đang dao động nữa (Hình 3.6 a và b).
Độ rộng xung phụ thuộc vào tần số của đầu dò và cũng là một hàm theo năng lượng xung.
Nói cách khác là phải cấp một xung điện đủ lớn vào tinh thể để dao động của biến tử đạt cực
đại tại cùng một thời gian, nhưng phải lưu ý là khi bề rộng xung tăng thì độ phân giải sẽ
giảm.
(a)

(b)

Không có giảm chấn

Có giảm chấn

Hình 3.6 – Sự tác động của giảm chấn trong đầu dò xung phản hồi.
Ảnh hưởng của độ rộng xung đối với khả năng phân giải sẽ được đề cập dưới đây. Trước
hết cần phải nhấn mạnh rằng một xung siêu âm được tạo thành từ một số sóng do dao động
của tinh thể trong vài micro giây tạo ra (hình 3.7).
Độ rộng xung

Số sóng

Hình 3.7 – Trường hợp độ rộng xung lớn hơn.
Độ rộng xung

Khuyết tật cách nhau 3mm

Hình 3.8 – Trường hợp độ rộng xung nhỏ hơn.
Bây giờ chúng ta sẽ xem xét độ rọng xung trong thép của một tinh thể phát ra một xung
năng lượng trong một chu kỳ là 2 micro giây. Độ rộng của xung này gần bằng 12mm. Hình
3.8 cho thấy hai khuyết tật cách nhau 3mm. Độ rộng của xung 12mm này không thể phân
CHƯƠNG 3

104


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

giải được hai khuyết tật này bởi vì xung phản hồi của chúng bị chồng lên nhau. Do đó độ
rộng của xung này sẽ không thể phân giải tốt những khuyết tật nằm gần với nhau trong
khoảng 6mm. Những khuyết tật nằm cách nhau trong vòng 6mm sẽ cho một chỉ thị trên

sườn sau của xung phản hồi chính trên màn hình CRT. Những khuyết tật nằm cách nhau
dưới giá trị này sẽ bị biến mất trong biên dạng xung phản hồi chính. Hình 3.9 (a và b) biểu
diễn xung từ các khuyết tật cách nhau cách nhau 3mm và 6mm.
Để xác định độ rộng của xung : nhân số sóng có trong một xung với bước sóng
Hoặc : Chiều dài xung = (vận tốc/tần số) x số sóng trong một xung
Màn Hình CRT

Khuyết tật cách
nhau 3mm

Khuyết tật cách
nhau 6mm

Hình 3.9 – Ảnh hưởng của độ rộng xung lên độ phân giải khuyết tật.
a) Độ phân giải thấp hơn bởi vì độ rộng xung lớn hơn.
b) Độ phân giải tốt hơn vì độ rộng xung nhỏ hơn.
Tóm lại, để có độ phân giải tốt đòi hỏi xung phải rất ngắn để phản xạ từ một khuyết tật nằm
gần với một khuyết tật khác không bị mất đi trong tín hiệu đầu tiên được ghi nhận. Độ phân
giải tốt và kém được biểu diễn trong hình 3.10. Cần lưu ý rằng tần số sóng siêu âm càng cao
thì độ rộng xung càng ngắn. Đồng thời tần số cao thì bước sóng sẽ ngắn nên cho độ nhạy
cao hơn đối với khuyết tật nhỏ. Kết hợp hai điều này sẽ cho khả năng phát hiện khuyết tật
và độ phân giải tốt hơn.

Mẫu chuẩn I.I.W

Phân giải tốt

Phân giải kém

Hình 3.10 – Thí dụ điển hình cho quá trình phân giải tốt và kém.

3.1.3. Phương pháp cộng hưởng :
Điều kiện cộng hưởng tồn tại khi nào bề dày của vật liệu bằng một nửa hoặc bằng bội số
bước sóng của sóng âm. Điều chỉnh sự thay đổi bước sóng trong kiểm tra siêu âm bằng cách
thay đổi tần số. Nếu chúng ta có một đầu dò phát có chức năng điều khiển sự thay đổi tần số
thì nó có thể được điều chỉnh đến điều kiện cộng hưởng của bản mỏng đang kiểm tra. Điều
kiện cộng hưởng này có thể dễ dàng nhận biết bởi sự tăng lên của biên độ xung đánh dấu
CHƯƠNG 3

105


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

thu được. Biết tần số cơ bản hay tần số cộng hưởng f và vận tốc v của sóng siêu âm trong
mẫu thì bề dày “t” của vật thể kiểm tra có thể tính được từ phương trình :
v
t=
(3.1)
2f
Nếu có khó khăn trong việc nhận biết các dạng dao động cơ bản, thì tần số cơ bản thường
được tính từ hiệu của hai họa ba (hài) kế tiếp nhau được nhận biết bằng hai lần tăng liên tiếp
nhau của biên độ xung.
Do đó :
v
t=
(3.2)
2( fn − fn −1 )
Trong đó :

fn : Tần số ở họa ba thứ n.
fn-1 : Tần số ở họa ba thứ (n – 1).
Phương pháp cộng hưởng siêu âm đã có một thời rất ưa chuộng để đo bề dày của các mẫu
mỏng như các ống nhiên liệu của lò phản ứng hạt nhân. Ngày nay phương pháp này được
thay thế bởi phương pháp xung phản hồi do thiết kế biến tử đã được cải thiện. Hình 3.11
biểu diễn các thành phần cơ bản của một thiết bị kiểm tra cộng hưởng.
Biến tử

Cảm biến
tải

Sóng đứng

Máy dao động
biến đổi tần số

Máy đo

Bộ điều chỉnh

Chất tiếp âm

Vật thể kiểm tra

Hình 3.11 – Các thành phần cơ bản của một thiết bị kiểm tra cộng hưởng.
3.1.4. Các phương pháp tự động và bán tự động :
Phương pháp kiểm tra siêu âm bán tự động, tự động và những hệ thống điều khiển kiểm tra
siêu âm từ xa đang phát triển nhanh chóng, ngày nay nó bao trùm trên tất cả các ngành công
nghiệp với nhiều ứng dụng rất đa dạng và phong phú. Những đặc điểm nổi bật của những hệ
thống này cũng như mục tiêu và lợi ích mà nó đạt được sẽ được trình bày trong chương này.

Chi tiết của phương pháp và những ứng dụng đặc thù của nó sẽ được trình bày trong phần
9.2 cũng như các phần khác nhau trong chương VI.
Mục đích sử dụng phương pháp kiểm tra siêu âm tự động và điều khiển từ xa được tóm tắt
dưới đây :
(i)

Hạn chế được các thao tác chuyển đổi nên hạn chế được những lỗi do con người
gây ra trong quá trình kiểm tra.
(ii)
Vận hành thiết bị bằng tay gặp khó khăn hoặc không thể thực hiện được.
(iii)
Tiết kiệm được sức người hoặc giảm được thời gian làm việc do tăng tốc độ kiểm
tra.
CHƯƠNG 3

106


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

(iv)
(v)

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

Ghi lại chính xác kết quả và mở rộng khả năng xử lý số liệu.
Tự động phân tích và đánh giá kết quả nhờ hệ thống được điều khiển bằng máy

tính.
Hệ thống tự động trong kiểm tra siêu âm trình bày trong tài liệu này là một hệ thống kiểm

tra siêu âm có thể điều khiển các đầu dò bằng cơ, tự động ghi lại các kết quả kiểm tra và xử
lý số liệu kiểm tra. Hệ thống này gồm một hoặc nhiều đầu dò được đặt trên vật thể kiểm tra
và được di chuyển qua vật thể kiểm tra bằng một thiết bị điều khiển theo sơ đồ quét kiểm tra
cho trước. Những tín hiệu siêu âm được xử lý bằng một thiết bị đánh giá (là máy phát hiện
khuyết tật siêu âm) và biểu diễn trên màn hình CRT (nếu có). Tất cả các số liệu đo được
cùng với những thông số về vị trí của đầu dò được cấp vào máy tính để xử lý và đánh giá.
Thiết bị đánh giá dựa trên nhiều hoặc ít nhất một chương trình xử lý số liệu phức tạp, chúng
có thể thực hiện và cung cấp những tín hiệu khuyết tật, nhận biết được khuyết tật trong vật
thể kiểm tra hoặc cho biên bản của các kết quả kiểm tra. Biên bản kiểm tra được đưa ra bằng
máy in.
Tín hiệu báo
động

Thiết bị xử lý văn
bản
(máy vẽ, máy in)
Máy tính

Điều khiển
truyền tải

Thiết bị siêu âm

Phân loại.

Đánh dấu

Thiết bị điều
khiển đầu dò

Vị trí đầu dò

Đầu dò
Vật thể kiểm tra

Hình 3.12 – Sơ đồ khối của một hệ thống kiểm tra siêu âm tự động điển hình.
Ngoài ra máy tính còn điều khiển đánh dấu và sắp xếp dữ liệu, đánh dấu các vị trí khuyết tật
trên vật được kiểm tra. Các vật thể kiểm tra có những khuyết tật không chấp nhận phải bị
loại bỏ. Hình 3.12 biểu diễn sơ đồ khối một loại hệ thống kiểm tra siêu âm tự động. Các
thành phần chi tiết của hệ thống được trình bày dưới đây :
(i)
Cơ cấu vận hành của một hoặc nhiều đầu dò và điều khiển từ xa.
(ii)
Các đầu dò hoặc các biến tử có thể sử dụng được thích hợp với quá trình tự động.
(iii)
Tự động cung cấp chất tiếp âm.
(iv)
Điều khiển hệ số khuếch đại tự động.
(v)
Tự động điều chỉnh hệ số khuếch của thiết bị cho độ nhạy công việc đặc thù ( tự
động hiệu chỉnh biên độ-khoảng cách).
(vi)
Hệ thống kiểm soát hoặc tự kiểm tra.
(vii)
Các ứng dụng biểu diễn dạng quét B (B – Scan), dạng quét C (C – Scan), hệ
thống hiển thị ảnh nổi 3 chiều (chụp ảnh giao thoa âm học, phân tích tần số …v.v).
CHƯƠNG 3

107

TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

Cách trình bày và báo cáo kết quả trong phép kiểm tra tự động cần phải chú ý đặc biệt.
Chúng có thể được thực hiện theo nhiều cách khác nhau. Ngoài việc ghi lại dữ liệu kiểm tra
bằng cách ghi trực tiếp như biên độ hoặc diện tích thì trong một vài trường hợp sử dụng cả
phim chụp để ghi lại
X

Cung cấp nước

Y
Z

(a)
(b)
Giá đỡ đầu
dò xoay

Ống

(c)
(d)

Kiểm tra tấm phẳng.
Kiểm tra bằng phương pháp
nhúng.
Kiểm tra ống bằng đầu dò

vòng bao quanh.

Cung cấp nước

Kiểm tra ống có đường kính
lớn.
Kiểm tra các thanh.
(e)

Hình 3.13 – Các cách bố trí khác nhau trong quá trình kiểm tra tự động.
Để tăng khả năng đáng giá, các thông tin kiểm tra (xung phản hồi khuyết tật, xung phản hồi
đáy, xung đánh giá, số đo truyền âm và thời gian truyền) cần được chuẩn bị sẵn dưới dạng
số hóa. Do đó, việc sử dụng máy in tăng lên đáng kể. Hơn nữa việc lưu trữ dữ liệu trên băng
đục lỗ rất ít được sử dụng. Ngày nay người ta lưu trữ dữ liệu hoàn chỉnh trên các băng từ.
Các phương pháp hoàn toàn tự động và bán tự động trong kiểm tra siêu âm thường thuận lợi
để kiểm tra những mẫu vật giống nhau, hình dạng không thay đổi như các vật liệu dạng tấm
với đủ mọi hình dạng và kích thước, các vật đúc có hình dạng đồng nhất, vật rèn và mối
hàn, ống , thanh tròn và trụ, các bình áp lực lớn nhỏ, trục rotor …vv. Hình 3.13 biểu diễn
các bố trí khác nhau để kiểm tra tự động.
3.2. CÁC LOẠI ĐẦU DÒ (SENSORS) :

Thuật ngữ bộ cảm biến trong kiểm tra siêu âm được sử dụng để nói về thiết bị truyền và thu
sóng siêu âm. Chúng còn được gọi là đầu dò hay biến tử. Một đầu dò siêu âm (hình 3.14)
bao gồm :
CHƯƠNG 3

108


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

(i)
(ii)
(iii)

Một tinh thể áp điện hoặc biến tử.
Một vật liệu đỡ giảm chấn.
Một bộ phận phối hợp nhằm hòa hợp trở kháng điện của biến tử áp điện với trở
kháng của cáp dẫn để truyền năng lượng từ cáp nhiều nhất vào biến tử và ngược lại.
(iv)
Vỏ bọc, đơn giản chỉ là một giá đỡ có kích thước và cấu tạo thích hợp.
(A) Đầu nối cáp đồng trục

(B) Vỏ bọc đầu dò

(C) Bộ biến đổi
(D) Vật liệu giảm chấn
(E) Dây nối tinh thể áp điện
(G) Tinh thể áp điện
(H) Màng bảo vệ

Hình 3.14 : Cấu tạo một đầu dò siêu âm điển hình.
(a) Các biến tử áp điện :
Các biến tử áp điện đã được trình bày chi tiết ở mục 2.6. Một đầu dò siêu âm thường được
kích thích bởi một xung điện có độ kéo dài nhỏ hơn 10µs. Một xung điện hẹp có dải các tần
số nào đó. Trong số các tần số này, biến tử sẽ dao động với biên độ cực đại tại tần số là tần
số cộng hưởng của biến tử, liên hệ với bề dày của nó như sau :
v

fr =
(3.3)
2t
Trong đó : fr : Tần số cộng hưởng của biến tử.
t : Bề dày của biến tử.
v : Vận tốc sóng dọc trong biến tử.
Phương trình 3.3 được dùng để xác định bề dày cần thiết của biến tử để chế tạo đầu dò làm
việc ở một tần số riêng. Ví dụ để chế tạo một đầu dò có tần số 1MHz thì bề dày của tinh thể
thạch anh sẽ là 2,98mm, độ dày biến tử cho đầu dò tần số 10MHz thì phải là 0,298mm trong
khi đó đầu dò có tần số 20MHz thì biến tử có độ dày sẽ là 0,14mm. Với đầu dò 20MHz thì
độ nhạy khuyết tật sẽ được cải thiện rất nhiều (tại tần số này bước sóng = 0,298mm nên độ
nhạy phát hiện khuyết tật nằm trong khoảng λ/3 là 0,1 mm), trong trường hợp này, tinh thể
sẽ cực kỳ mỏng, rất dễ vỡ và khó cầm giữ. Do đó trong thực tế phải phối hợp giữa chọn bề
dày tinh thể để dễ bảo quản và độ nhạy phát hiện khuyết tật mong muốn. Trong các trường
hợp cần độ nhạy cao thì đầu dò cần phải được nhúng trong một chất lỏng và hầu hết các
phép thử được hiện trong đó sẽ đảm bảo đầu dò ít bị hủy hoại nhất. Đối với tinh thể thạch
anh giới hạn trên của tần số cơ bản là khoảng 20MHz, trong khi hầu hết các biến tử gốm áp
điện giới hạn trên của tần số chỉ là khoảng 10 MHz.

CHƯƠNG 3

109


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

Các thông số quan trọng khác của tinh thể có ảnh hưởng đến chùm tia siêu âm là đường
kính D của nó (phần 2.7.3). Đường kính của tinh thể phụ thuộc vào chiều dài trường gần, độ

phân kỳ và độ rộng của chùm tia siêu âm tại điểm khảo sát.
Hầu hết các loại đầu dò đều có bề mặt phát xạ siêu âm dạng tròn với đường kính nằm trong
khoảng 5 đến 40mm. Những đường kính lớn hơn 40mm không phù hợp cho kiểm tra do
không thể tiếp xúc tốt với các bề mặt kiểm tra. Khuyết điểm ở những đường kính nhỏ hơn,
đặc biệt trong trường hợp tần số thấp là phát ra chùm sóng ngang mặt bên và sóng mặt lớn
hơn. Một khó khăn khác khi sử dụng các đầu dò có đường kính nhỏ là độ nhạy của chúng bị
giảm rất lớn.
Khi cấp các xung điện cho tinh thể thì bề mặt của chúng phải được nối điện bằng các dây
dẫn. Để thực hiện được việc này, bề mặt của tinh thể được mạ một lớp bạc và có tiếp điểm
để hàn nối dây dẫn với lớp mạ bạc này. Trong trường hợp vật liệu áp điện là thạch anh và
ceramic thì các điện cực của nó rất bền do bạc được phun vào ở dạng lỏng (nung nóng chảy
ở nhiệt độ 500 đến 7000C). Các dây dẫn sau đó được hàn nối bằng chất hàn bạc mềm. Trong
trường hợp barium titanat, dây dẫn được hàn cẩn thận lên trên sau khi phân cực. Lithium
sulphate có thể được kim loại hóa bằng bốc hơi bạc lên trên bề mặt trong chân không, hoặc
sơn phủ bạc dẫn điện hay hàn các lá kim loại mỏng với bề mặt. sau đó hàn nối với dây dẫn.
Nếu mặt trước biến tử phải sử dụng để tiếp xúc trực tiếp, thì lớp mạ bạc sẽ không đủ bền để
chịu mài mòn. Vấn đề này không thể tránh khỏi trong khi thực hiện đo đạc, đầu dò thường
xuyên bị dính các vảy sắc cứng và các chất bẩn như là cát…vv. dẫn đến mài mòn quá mức,
đặc biệt khi đầu dò trượt ngang hay dọc. Khi ấy cách thích hợp nhất là sử dụng các tấm tinh
thể thạch anh có độ chịu mài mòn cao hoàn toàn không được bảo vệ mà cho phép chúng
được mòn dần hoặc lớp bạc được gia cường bằng cách phủ một lớp đồng và crome cứng có
độ dày vài phần 10 millimetre lên trên nó. Lớp này nên được nối đến mát của đầu dò bởi vì
dây dẫn hoặc mối nối phía trước có thể gây nhiễu. Các đầu dò như vậy được sử dụng kiểm
tra trên các bề mặt vật liệu phi kim loại, như gốm sứ hoặc các vật thể kiểm tra có lớp phủ
không dẫn điện. Khi đầu dò không được bảo vệ, có thể cần đặt những lá kim loại mỏng vào
giữa hoặc chất lỏng tiếp âm dẫn điện như nước, nếu cần thì thêm chất phụ gia vào để tăng
tính dẫn điện và độ nhớt.
Độ chống mài mòn mong muốn kết hợp với độ nhạy và độ phân giải cao được thực hiện nhờ
một lớp phủ mỏng bảo vệ bằng nhôm oxide, sapphire, bo cacbua hoặc thạch anh gắn vào ở
phía trước biến tử. Tất nhiên, hậu quả là các vật liệu này có trở kháng cao, sẽ dẫn đến độ

nhạy kiểm tra của đầu dò sẽ thay đổi đáng kể theo mức độ tiếp âm và hơn nữa, các lớp bảo
vệ, đặc biệt trong các đầu dò tần số cao, sẽ nhạy cao với shock. Những lỗi này có thể tránh
được khi sử dụng các lớp nhựa tổng hợp, thí dụ có chứa hỗn hợp bột corundum trộn sẵn.
Tuy nhiên vật liệu như thế khả năng chịu mài mòn lại thấp hơn.
Khi không cần đến độ phân giải cao, thường gặp trong các kiểm tra thông thường trong điều
kiện bề mặt kiểm tra thô nhám, thì bề mặt tiếp xúc biến tử được bảo vệ tốt nhất là bằng một
miếng plastic mỏng có thể thay đổi được, có bề dày khoảng vài phần chục mm được áp chặt
vào biến tử và dùng dầu hoặc mỡ để làm chất tiếp âm. Các vật liệu plastic là phù hợp nhất
cho mục đích này, do khả năng chịu mài mòn và hấp thụ cao. Không những các lớp mỏng
có độ hấp thụ cao ít ảnh hưởng tới độ nhạy mà còn làm giảm sự phản xạ nhiều lần trong lớp
này, mà có thể gây dãn xung
(b) Vật liệu giảm chấn (hấp thụ dao động):

CHƯƠNG 3

110


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

Vật liệu giảm chấn trong đầu dò dùng để điều khiển hai đặc tính cơ bản của đầu dò – Độ
phân giải và độ nhạy.
Độ phân giải của một đầu dò là khả năng của nó phân biệt các xung phản hồi từ hai khuyết
tật nằm sát bên nhau trong vật thể kiểm tra.
Độ nhạy của đầu dò được định nghĩa là khả năng của đầu dò phát hiện các xung phản hồi từ
các khuyết tật nhỏ
Để đầu dò có độ phân giải cao, thì dao động của biến tử đầu dò phải tắt dần càng nhanh
càng tốt để tạo ra các xung ngắn. Nhưng để có đầu dò có độ nhạy cao, thì sự tắt dần này

càng chậm càng tốt. Hai yêu cầu này mâu thuẫn nhau và do đó cần phải chọn một cách dung
hòa.
Sự tắt dần dao động biến tử đạt cực đại khi vật liệu hấp thụ có cùng âm trở như âm trở của
biến tử. Nó có thể là các vật liệu đặc và cứng như kim loại hoặc gốm sứ. Sự hòa hợp về âm
trở của biến tử và vật liệu hấp thụ cho phép sóng siêu âm đi từ biến tử qua vật liệu hấp thụ
một cách dễ dàng. Trong trường hợp màng tinh thể mỏng thì khối giảm chấn rất cần thiết
nhằm bảo vệ tinh thể và không bị biến dạng khi chịu sức ép. Các vật liệu như cao su lưu hóa
và chất dẻo đúc bằng nhiệt là thỏa mãn được các yêu cầu cho đầu dò làm việc ở những tần
số cao hơn. Thường ưa dùng các lọai vật liệu composite dựa trên các chất dẻo tổng hợp
được lưu hóa hoặc cao su được trộn với những vật liệu dạng bột khác đã được hợp nhất. Cao
su tự nhiên và cao su lưu hóa có bản chất hấp thụ cao hơn các chất dẻo tổng hợp.
Vật liệu hấp thụ cần có độ suy giảm cao và hấp thụ lớn để tiêu hao sóng siêu âm phát ra sao
cho sóng không thể phản xạ từ mặt sau của vật liệu hấp thụ gây ra các tín hiệu nhiễu. Để có
độ nhạy cần thiết và độ phân giải cao thì sai khác về âm trở của biến tử và vật liệu hấp thụ
thường vào khoảng 5/1 đối với biến tử thạch anh, và 1,1/1 đối với biến tử lithium sulphate.
Có thể tăng âm trở của chúng bằng cách trộn với bột kim loại và sự hấp thu có thể tăng lên
bằng cách thêm vào một lớp vật liệu nền mịn, vật liệu có sự hấp thụ lớn thường có độ bền
cơ học thấp. Người ta cũng cố gắng làm tán xạ sóng bằng cách sử dụng các cấu trúc dạng lỗ
rỗng hay mùn cưa. Nghĩa là âm nhiễu phản xạ bị triệt tiêu trong khối giảm chấn bởi các mặt
nghiêng hoặc những bề mặt hình răng cưa. Mặt khác, các xung phản hồi nhiễu khác nhau sẽ
bị thay thế bởi xung nhiễu cỏ nằm sau xung phát. Độ suy giảm có thể điều chỉnh bằng kích
thước hạt của bột trộn và trở kháng theo các tỉ lệ giữa bột kim loại và chất dẻo.
Vật liệu hấp thụ cho các đầu dò phản hồi xung thường được chế từ nhựa dạng sợi hoặc bột
kim loại trộn với các vật liệu nhựa. Trong hỗn hợp, nếu hàm lượng bột kim loại cao thì độ
giảm chấn sẽ đạt yêu cầu dẫn điện cao cho xung tần số cao. Trong trường hợp tinh thể
thạch anh, điện cực có thể không cần thiết nhưng khối giảm chấn phải được gắn cách điện.
Tuy nhiên, với brium titanate có hằng số điện môi cao, cần phải có một điện cực kim loại
gắn trực tiếp trên bản tinh thể.
Lớp gắn giữa bản áp điện và khối giảm chấn có thể ảnh hưởng đến khả năng giảm chấn một
cách đáng kể, ngay cả khi vật liệu có tính chất phù hợp. Vì vậy, lớp này cần phải càng mỏng

càng tốt hoặc tốt hơn được loại bỏ hoàn toàn nhờ sự lưu hoá vào các bề mặt một vật liệu cao
su hoặc bằng cách áp vào nó một hỗn hợp chuyên dụng rồi sau đó được xử lý.
Khối giảm chấn được gắn vào mặt sau của biến tử để chủ yếu hấp thụ dao động theo độ dày
của bản áp điện. Tuy nhiên, các dao động xuyên tâm cũng có thể hiện diện mà nó khó bị
triệt tiêu, đặc biệt trong trường hợp barium titanate. Có thể giảm chúng bằng cách gắn vào
cạnh bản áp điện trong một hỗn hợp giảm chấn. Nên cần lựa chọn biến tử phải có hệ số liên
CHƯƠNG 3

111


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

hệ với dao động xuyên tâm nhỏ. Tất nhiên, toàn bộ bộ tạo dao động cũng có thể được cấu
tạo dưới dạng khảm xen kẽ các lớp trung gian của hợp chất giảm chấn.
(c) Bộ biến đổi phối hợp :
Tất cả các loại đầu dò đều có các phần tử phối hợp điện (các tụ điện và các cuộn cảm) để
cực đại điện áp của đầu dò đưa vào bộ phận khuếch đại. Mặt khác bộ biến đổi phối hợp trở
kháng điện của biến tử áp điện với trở kháng của dây cáp nối với máy dò khuyết tật, để
truyền được năng lượng lớn nhất từ cáp đến biến tử và ngược lại.
(d) Bề mặt bảo vệ và vỏ bọc :
Trong hình 3.14, biểu diễn những thành phần chủ yếu của một đầu dò siêu âm đặt trong một
vỏ bọc bằng kim loại có bề mặt được bảo vệ hay vỏ bao. Bề mặt bảo vệ của đầu dò không
chỉ bảo vệ biến tử nhạy khi tiếp xúc trực tiếp với bề mặt của vật thể kiểm tra mà còn cải
thiện quá trình tiếp âm với vật thể kiểm tra.
(e) Bảo dưỡng đầu dò :
Đầu dò trong thời gian sử dụng có thể bị hư hại. Người sử dụng nên biết rõ những vấn đề có
thể gây ra và ảnh hưởng đến sự hư hỏng của nó. Chúng được mô tả vắn tắt ở đây.

(i)

Đầu dò có thể bị hủy hoại cơ học do bị rơi, giữ đầu dò quá chặt hoặc mài quá mạnh
lên bề mặt vật thể kiểm tra. Hậu quả là có thể làm thay đổi trường âm, giảm hoặc mất
độ nhạy.

(ii)

Tinh thể có thể tách rời khỏi bề mặt bảo vệ hoặc khối trễ do các chất lỏng thấm vào
bên trong đầu dò hoặc do nhiệt độ của đầu dò quá cao. Điều này cũng có thể ảnh
hưởng đến trường âm và độ nhạy của đầu dò.

(iii)

Hao mòn tự nhiên của lớp bề mặt bảo vệ và khối tạo trễ thủy tinh hữu cơ có thể xảy
ra khi sử dụng các loại đầu dò tiếp xúc trực tiếp. Kết quả là làm cho điểm ra và góc
phát của đầu dò bị thay đổi. Trong trường hợp đầu dò tinh thể kép sẽ làm thay đổi
trường âm, tăng nhiễu và giảm độ nhậy

(iv)

Ở đầu dò có những điện thế cực kỳ cao (xung truyền) có thể làm chất điện môi bị hư
hỏng dẫn đến tinh thể bị phá hủy hoàn toàn. Các đầu dò tiêu chuẩn nói chung có thể
chịu đựng được các điện thế cao như vậy. Những đầu dò được thiết kế đặc biệt để làm
việc ở điện thế thấp (như là đầu dò cho máy đo độ dày hiện số) có thể bị ảnh hưởng
khi nối nó với thiết bị phát điện thế cao.

3.2.1. Các loại đầu dò phát chùm sóng siêu âm tới thẳng góc (đầu dò thẳng) :
Các loại đầu dò này truyền một chùm sóng âm, thường là sóng dọc, vào vật thể kiểm tra
theo góc vuông với bề mặt của vật. Hình 3.14 biểu diễn thiết kế của một đầu dò loại này.

Tinh thể phải có bề mặt thực sự song song với bề mặt của vật thể kiểm tra để tạo ra chính
xác chùm tia tới vuông góc. Điều quan trọng này thường được tính đến ngay trong bước
thiết kế khi tinh thể được đặt cố định trong vỏ đầu dò cũng như khi gắn lớp bảo vệ.
Đầu dò loại tia thẳng được sử dụng cả trong tiếp xúc trực tiếp hoặc không cần tiếp xúc với
vật thể kiểm tra. Trường hợp đầu được gọi là các loại đầu dò tiếp xúc còn trường hợp sau
được gọi là loại đầu dò không tiếp xúc. Trong loại đầu dò thẳng tiếp xúc trực tiếp thường sử
dụng một tấm chịu mài mòn để bảo vệ biến tử khỏi bị mòn. Khi sử dụng tấm bảo vệ này,
một lớp mỏng chất tiếp âm thường là dầu máy cần đưa vào giữa biến tử và tấm bảo vệ để
sóng siêu âm có thể truyền qua mặt phân cách này. Có các đầu dò chỉ có một tinh thể biến
CHƯƠNG 3

112


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

tử trong khi có loại khác lại có hai tinh thể biến tử được đặt trong cùng một vỏ. Một số đầu
dò có các mặt plastic được gia công đặc biệt nhằm hội tụ chùm tia tới những vùng hay điểm
quan tâm. Các loại đầu dò thẳng khác nhau này được trình bày dưới đây :
3.2.1.1. Đầu dò thẳng đơn tinh thể:
Các đầu dò này dùng một biến tử đơn (hình 3.14) làm nhiệm vụ phát và thu sóng siêu âm.
Biến tử này có điểm nối chung với bộ phát và bộ khuếch đại của máy dò khuyết tật (hình
3.15). Do sự nối chung với bộ phát và bộ thu mà biến tử đầu dò đơn có một xung phát rộng,
điều này tạo ra một vùng chết rộng làm cho đầu dò ít được sử dụng trong kiểm tra khuyết tật
nằm gần bề mặt và đo độ dày của các thành mỏng. Các đầu dò có độ dài xung ngắn, có vùng
chết hẹp , sẽ thích hợp trong kiểm tra các vật liệu mỏng.
Vùng chết là vùng mà đầu dò không phát hiện được khuyết tật. Vùng chết được tính là xung
truyền ở thời điểm bắt đầu của đường quét thời gian. Độ sâu của nó có thể thấy trên đường

quét thời gian cơ bản đã chuẩn, bằng với lượng thời gian mà xung phát chiếm chỗ trên
đường quét thời gian cơ bản. Vùng chết tăng lên khi tần số giảm, do đó đối với đầu dò thẳng
đơn tinh thể có tần số 5MHz sẽ cho vùng chết nhỏ hơn so với đầu dò có tần số 2,5MHz.
Những đặc tính riêng của đầu dò thẳng đơn tinh thể đã được đưa ra trong phần 2.7, bao gồm
tần số, đường kính tinh thể, độ dài trường gần, góc phân kỳ chùm sóng âm. Nhà chế tạo đầu
dò thường cung cấp cho ta các dữ liệu về đầu dò và âm lượng của các loại đầu dò khác
nhau.
Bộ phát

Bộ khuếch đại

Đầu dò đơn tinh thể

Hình 3.15 : Dạng làm việc của đầu dò đơn tinh thể.
3.2.1.2. Các đầu dò thẳng hội tụ đơn tinh thể :
Đôi khi các đầu dò thẳng hội tụ với thiết kế đặc biệt được sử dụng để tăng độ nhạy ở một
dải đo xác định cho một công việc kiểm tra nào đó. Để đạt mục đích này, người ta sử dụng
các loại vật liệu gốm áp điện có hình cong, tròn, hoặc các tấm mỏng có gắn nêm cong tạo
hiệu ứng thấu kính. cách sau cùng tăng mạnh độ nhạy ngay dưới bề mặt trong trường hợp
đầu dò sử dụng theo kỹ thuật nhúng (hình 3.16) nơi các nêm hội tụ như vậy không sợ bị mài
mòn. Trong kiểm tra tiếp xúc trực tiếp, các bề mặt biến tử barium titanate, hoặc thạch anh
được tạo có dạng cong thích hợp, hoặc những lá thạch anh được lắp ráp với nhau tạo thành
dạng hình trụ dùng cho các mục đích đặc biệt (kiểm tra thép cán tròn hay vật rèn) như kiểm
tra lỗ từ bên trong. Trong trường hợp bề mặt kiểm tra lõm và sử dụng phương pháp tiếp
xúc, thì chùm sóng âm có thể bị mở rộng và độ nhạy theo chiều sâu thấp. Điều này có thể
cải thiện bằng cách gắn một nêm dạng thấu kính vào giữa đầu dò và bề mặt kiểm tra. Nêm
này sẽ gây ra một vùng bị nhiễu loạn nhưng phải chấp nhận, ngay cả khi vật liệu hấp thụ
được sử dụng để hội tụ như các bộ lọc bằng cao su lưu hóa .

CHƯƠNG 3

113


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

Thấu kính âm
học
Điểm hội tụ trong kim loại

Sự phân kỳ nằm
ngoài điểm hội tụ

Điểm hội tụ trong nước

Hình 3.16 : Kỹ thuật kiểm tra nhúng với chùm tia hội tụ (dạng sơ đồ), biểu diễn sự thay
đổi điểm hội tụ của chùm tia trong nước và trong kim loại được nhúng trong
nước.
3.2.1.3. Đầu dò thẳng tinh thể kép (Đầu dò SE) :
Nhằm loại trừ các hạn chế của đầu dò thẳng đơn tinh thể khi đo các độ dày mỏng hoặc dò
khuyết tật nằm gần bề mặt, các đầu dò thẳng tinh thể kép được sử dụng. Các đầu dò này còn
được biết đến dưới các tên : đầu dò tinh thể kép, đầu dò TR hay đầu dò SE. Đây là loại đầu
dò được gắn hai biến tử trong cùng một vỏ. Các biến tử này được cách ly âm học bằng một
vách cách âm (hình 3.17). Một biến tử được nối với bộ phát và biến tử kia với bộ thu của
máy dò khuyết tật như hình 3.8, như vậy giảm được chiều dài xung phát.
Nét đặc trưng trong cấu tạo của đầu dò kép là sự nghiêng của các biến tử và có các khối trễ
dài. Sự nghiêng này có tác dụng hội tụ và cho độ nhạy cực đại tại một điểm nhất định trong
mẫu ứng với một góc nghiêng đặc trưng, “tức là góc nghiêng mái nhà” (hình 3.19 và 3.20).

Các khối trễ dài được làm từ thủy tinh hữu cơ hoặc đối với trường hợp bề mặt kiểm tra có
nhiệt độ cao thì được làm bằng vật liệu gốm chịu nhiệt, cho phép chùm tia đi vào mẫu ở
phần phân kỳ của nó (nghĩa là vùng trường xa). Điều này loại trừ những khó khăn khi đánh
giá khuyết tật xuất hiện ở vùng trường gần cũng như có vùng chết hẹp hơn đối với đầu dò
SE có góc mái nghiêng lớn hơn.
Khoảng cách nhỏ nhất mà tại đó các xung phản hồi khuyết tật có thể phát hiện được, là
vùng mà nơi bắt đầu chùm sóng âm của phần phát và phần thu chồng lên nhau. Vì điều này,
với các đầu do TR, chúng ta có thể xác định một vùng dạng ống có độ nhạy cực đại thường
được cho trong tài liệu kỹ thuật của đầu dò TR. Độ nhạy cao ở vùng gần bề mặt được quyết
định bởi góc nghiêng hai biến tử trong đầu dò. Mặt khác, khi đặt độ nhạy cao thì sẽ tạo ra
các xung nhiễu, thường được gọi là xung nhiễu truyền trực tiếp (cross talk), gây lầm lẫn
trong giải đoán ngộ nhận là xung khuyết tật.

CHƯƠNG 3

114


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

Dây cáp đồng
trục

Vỏ bọc bằng kim loại
Cuộn dây

Tường cách âm
Tinh thể

Góc nghiêng của Tinh thể

Khối tạo trể

Hình 3.17 – Đầu dò kép loại tiếp xúc và sự truyền sóng siêu âm của nó.
Bộ phát
Bộ khuếch đại

Đầu dò tinh thể kép

Hình 3.18 - Dạng làm việc của đầu dò kép.
Vùng
chết
Vùng chết
Độ nhạy
cực đại

GÓC NGHIÊNG LỚN

Độ nhạy
cực đại

GÓC NGHIÊNG NHỎ

Hình 3.19 : Sự truyền siêu âm với các góc nghiêng nhỏ và lớn của đầu dò kép.

CHƯƠNG 3

115

TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

GÓC NGHIÊNG NHỎ

Độ nhạy

GÓC NGHIÊNG LỚN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

Khoảng cách
tính từ bề mặt
vùng chết

Hình 3.20 - Ảnh hưởng của góc nghiêng theo độ nhạy của đầu dò kép.

Đọc trên màn hình

Phải chú ý khi bề dày của vật thể kiểm tra (dạng tấm) hoặc vị trí của khuyết tật giảm đi, sẽ
dẫn đến sai số đo lớn, đó là sai số đường truyền chữ V (hình 3.21). Nó không bao giờ xảy ra
khi khoảng cách nằm giữa hai bậc bề dày được sử dụng để chuẩn định, và nếu tỉ số độ dày
của hai bước đó không được quá 2:1.

Hình 3.21 :Sai số đường chữ V với đầu dò TR.
Phần trăm (%) sai số đo do hiệu ứng này được tính toán từ phương trình :
2
2
% sai số = S − T × 100 = T − 0,25c × 100

T

Ở đây

T

(3.4)

Bề dày thực

T – Bề dày của mẫu.
S – Chiều dài quãng đường truyền sóng âm thực tế.
c – Khoảng cách giữa các tín hiệu của sóng âm đi ra và sóng âm đi vào đầu dò.

Cho c = 4mm và bề dày thành T từ 9 đến 1mm tương ứng với các giá trị % sai số được cho
trong bảng 3.1. Bảng biểu diễn chỉ ra rằng các bề dày thành lớn thì sai số là tương đối nhỏ.
Vị trí khuyết tật và đánh giá có thể chỉ dựa vào đường quét cho tới xung phản hồi từ đáy bởi
vì sau một số xung phản hồi đáy, sẽ có nhiều xung nhiễu xuất hiện do sự phân tách của
sóng ngang.
CHƯƠNG 3

116


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

Các đầu dò TR rất thường xuyên được sử dụng trong kiểm tra siêu âm nhằm :
(a) Kiểm tra kích thước của của mẫu (tấm).

(b) Đo bề dày còn lại của thành.
(c) Phát hiện vị trí và đánh giá những khuyết tật nằm gần bề mặt.
(d) Quét kiểm tra những khuyết tật lớn (tách lớp) khi sử dụng phương pháp giảm giá trị 1/2
(6dB).
Bảng 3.1 : Phần trăm sai số đối với các giá trị khác nhau của chiều dài quãng đường chùm
sóng âm và bề dày của mẫu.
T
9.0
8.0
7.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0

S
9.2
8.2
7.3
6.3
5.4
4.5
3.6
2.8
2.2

U=S–T
0.22

0.25
0.28
0.32
0.39
0.47
0.61
0.83
1.24

%
2
3
4
5
8
12
20
41
124

3.2.1.4. Đầu dò thẳng loại nhúng :
Cấu trúc của loại đầu dò nhúng cơ bản cũng giống như cấu trúc của đầu dò thẳng loại tiếp
xúc. Nhưng do đầu dò nhúng phải thường xuyên tiếp xúc với nước nên chúng phải không
thấm nước và không cần có tấm bảo vệ chống mài mòn phía trước biến tử. Hình 3.22. biểu
diễn cấu trúc của một đầu dò loại nhúng.
Đầu nối đồng trục
Keo epoxy
Vỏ bọc
Vật liệu hấp thụ
Tiếp xúc điện (+)

Tiếp xúc điện (-)

Bề mặt plastic

Tinh thể áp điện

Hình 3.22 : Cấu tạo của một đầu dò thẳng loại nhúng.
Cần phải lưu ý đặc biệt khi sử dụng đầu dò nhúng. Do không có tấm bảo vệ chống mài mài
nên bề mặt tiếp âm của đầu dò không bao giờ tiếp xúc với bề mặt của chi tiết. Khi bị tiếp
xúc trực tiếp sẽ gây phá hủy nhanh đầu dò vì lớp bề mặt bảo vệ rất mỏng và mềm.
Nước có thể thấm vào các kẻ hở trên đầu dò như ở chỗ nối cáp gây ra do sự di chuyển lặp
lại nhiều lần của đầu dò, khe giữa lớp vỏ và biến tử do quá trình xử lý hoá học không tốt và

CHƯƠNG 3

117


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

do phồng rộp của khối trễ. Bất cứ sự rò rỉ nào cũng làm giảm độ nhậy cho đến lúc đầu dò hư
hỏng hoàn toàn do ngắn mạch tại các chỗ nối tinh thể.
3.2.2. Các loại đầu dò góc (đầu dò xiên) :
Trong các đầu dò góc, sự khúc xạ và sự chuyển đổi dạng sóng được dùng để truyền sóng
siêu âm vào vật thể kiểm tra theo các góc khác nhau với bề mặt. Cấu trúc thực tế của đầu dò
góc loại tiếp xúc được biểu diễn ở hình 3.23.
Một đầu dò góc truyền sóng dọc qua một khối làm trễ bằng thủy tinh hữu cơ đến bề mặt vật

thể kiểm tra theo một góc tới xác định. Góc tới được chọn lớn hơn góc tới hạn thứ nhất sao
cho chỉ có sóng ngang được truyền vào mẫu. Phần sóng dọc bị phản xạ trở vào trong đầu dò
và bị suy giảm bởi khối giảm chấn (hấp thụ dao động) nên triệt tiêu được các nhiễu do sóng
dọc gây ra. Góc khúc xạ cho kiểm tra thép và điểm ra của chùm tia thường gọi là điểm ra
của đầu dò (probe index) được đánh dấu ở vỏ kim loại của đầu dò.
Khối suy giảm
Đầu nối cáp

Vỏ bọc

Tinh thể
Nêm bằng thủy
tinh hữu cơ

Chất tiếp âm

Hình 3.23 - Cấu tạo của một đầu dò góc.
Một đầu dò sóng mặt là một đầu dò góc ở một chừng mực nào đó, nó dùng một cái nêm để
định vị biến tử tại một góc đối với bề mặt của mẫu. Góc nêm được chọn sao cho sự khúc xạ
của sóng ngang là 900 và sóng thu được từ sự chuyển đổi dạng sóng truyền dọc theo bề mặt.
Một đầu dò góc được thiết kế dành cho thép khi sử dụng cho vật liệu khác, thì cần phải tính
đến sự thay đổi của góc khúc xạ.
Trong trường hợp một đầu dò góc 35 0 dùng cho đồng và gang xám thì sẽ có một sóng dọc
tồn tại ở các góc tương ứng là 57 0 và 550. Do đó đối với các vật liệu này nên dùng các góc
nêm lớn hơn. Nó cũng yêu cầu rằng nêm phải được chế tạo từ vật liệu sao cho vận tốc sóng
dọc của nó nhỏ hơn vận tốc sóng ngang trong vật thể kiểm tra, nhằm khúc xạ những chùm
tia tới đi ra khỏi hướng vuông góc. Trong trường hợp đối với nhôm và thép có vận tốc
tương ứng là : vt = 3,1 và 3,2 Km/s, thì phù hợp là các loại nhựa hiện có như thủy tinh hữu
cơ (vl = 2,7 Km/s) hay polystyrene (2,4 Km/s) nên chúng thường được sử dụng cho đầu dò
góc. Tuy nhiên trong trường hợp của đồng có v t = 2,3 Km/s, thì toàn bộ dải góc đến 90 o có

thể không đủ lớn bao phủ được trong trường hợp của gang xám có v l = 2,2 Km/s. Chì có
vl = 2,2 Km/s sẽ phù hợp cho mục đích, nhưng với loại nilon nào đó có v l từ 1.69 Km/s đến
2.60Km/s và teflon thì cao su non nói chung được sử dụng.
Trong một số kiểm tra cần thay đổi góc của chùm sóng âm liên tục. Hình 3.24 trình bày một
số giải pháp khác nhau. Trong trường hợp đầu tiên, có hai miếng nêm bằng plastic được
thiết kế có thể quay đối với nhau, một được gắn vào biến tử. Với các góc nêm bằng nhau,
bất kỳ góc nào giữa giá trị 0 và hai lần góc của tấm nêm có thể nhận được. Việc quay này sẽ
CHƯƠNG 3

118


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

làm thay đổi mặt phẳng tới. Thiết kế thứ hai, sử dụng một bán trụ bằng plastic với biến tử
được gắn vào khối plastic. Trong dạng này mặt phẳng tới được duy trì không thay đổi
nhưng điểm ra chùm sóng âm sẽ bị dịch đi. Trong dạng thứ ba thì cả điểm ra chùm sóng âm
cũng được duy trì không thay đổi. Các lọai đầu dò có góc điều chỉnh được thường được
dùng để kiểm tra các tấm vật liệu có bề dày đồng nhất, ở đó chúng tạo ra các sóng bản
mỏng.

(a)

(b)

(c)

Hình 3.24 : Các loại thiết kế khác nhau của đầu dò góc với các góc của chùm tia siêu âm có

thể điều chỉnh được liên tục.
3.2.3. Các loại đầu dò đặc biệt (special sensors) :
3.2.3.1. Sự cần thiết của các đầu dò đặc biệt :
Có những thay đổi khác nhau rất lớn về tính chất của các vấn đề kiểm tra trong công nghiệp.
Do đó, không thể có một bộ đầu dò có mục đích chung có thể được sử dụng để giải quyết
được toàn bộ những vấn đề khác nhau. Về nguyên lý, mỗi loại công việc phải cần đến một
đầu dò đặc biệt để kiểm tra và giải quyết vấn đề. Có sự đa dạng lớn của các bộ phận, loại
máy móc và các cấu trúc có các thiết kế khác nhau cũng như hình dạng hình học cần phải
kiểm tra. Do đó cần phải có những đầu dò siêu âm đặc biệt để phục vụ cho yêu cầu kiểm tra
đặc biệt. Các loại vật liệu có thể rất khác nhau về thành phần cấu tạo, kích thước hạt do đó
sẽ khác nhau về độ suy giảm sóng âm trong chúng. Vì vậy, những đầu dò đặc biệt này cũng
cần thiết để kiểm tra các loại vật liệu khác nhau. Kích thước cho phép của khuyết tật và do
đó độ nhạy phát hiện khuyết tật cũng như độ phân giải có thể khác nhau đối với các loại vật
liệu khác nhau cũng như các ứng dụng khác nhau. Trong một số tình huống việc áp chất tiếp
âm có thể có một số vấn đề trầm trọng hoặc chất tiếp âm phải được cấp liên tục nhằm cải
thiện tốc độ kiểm tra. Kiểm tra siêu âm trong một vài trường hợp có thể phải thực hiện trong
môi trường không thuận lợi như nóng và bề mặt thô nhám, môi trường rỉ mòn, vùng có mức
phóng xạ cao, kiểm tra ở dưới nước cũng như khó tiếp cận được vị trí đặt kiểm tra như các
động cơ và các bộ phận ráp nối phức tạp. Có thể có đòi hỏi về tốc độ kiểm tra cao như trong
trường hợp kiểm tra tự động các thanh ray, đường ống, tấm lớn và các vật có hình đều nhau
khác. Tất cả các trường hợp này đều đòi hỏi phải có những đầu dò đặc biệt và chuyên dụng.
Việc lựa chọn biến tử cho một ứng dụng cụ thể chủ yếu dựa vào kích thước của tinh thể, tần
số và độ rộng băng tần và loại thiết bị dò khuyết tật. Các vật liệu khác nhau sẽ có các đặc
tính về trở kháng điện khác nhau. Cuộn dây điều chỉnh sóng âm hoặc bộ phận phối hợp trở
kháng điện có thể cần đến. Cả lượng năng lượng sóng âm truyền vào trong vật liệu cần kiểm
tra và độ phân kỳ chùm tia đều phụ thuộc trực tiếp vào kích thước của biến tử. Vì thế đôi
khi nên sử dụng một đầu dò lớn hơn để có được độ xuyên sâu lớn hoặc cho diện tích chùm
sóng âm lớn hơn.
Độ rộng băng tần của biến tử hẹp cho khả năng truyền qua tốt và độ nhạy cao nhưng độ
phân giải tương đối kém (độ nhạy là khả năng phát hiện được các khuyết tật nhỏ; độ phân

CHƯƠNG 3

119


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

giải là khả năng phân tách các xung phản hồi từ hai khuyết tật hoặc nhiều hơn nằm sát
nhau). Dải băng tần của biến tử rộng cho độ phân giải lớn hơn nhưng độ nhạy và khả năng
truyền qua thấp hơn so với các biến tử có dải tần số hẹp. Việc điều chỉnh tần số, dải băng
tần và kích thước biến tử tất cả cần phải được lựa chọn trên cơ sở các mục tiêu kiểm tra.
Thí dụ, khả năng truyền qua cao có thể rất quan trọng trong việc kiểm tra các trục dài. Trong
trường hợp này sự lựa chọn tốt nhất là đường kính lớn, dải băng tần hẹp, tần số của biến tử
thấp, nhưng biến tử này sẽ cho độ nhạy thấp (vì tần số thấp và kích thước lớn) và độ phân
giải thấp (vì dải băng tần hẹp).
Khi độ phân giải là quan trọng, như trong việc kiểm tra những bất liên tục ở gần bề mặt thì
cần sử dụng biến tử có dải băng tần rộng là chủ yếu. Khả năng xuyên sâu có thể không quan
trọng, vì vậy khả năng xuyên sâu tương đối thấp nhưng có dải băng tần rộng là một chọn
lựa hợp lý. Nếu cần độ nhạy cao, lựa chọn bằng cách sử dụng biến tử có kích thước nhỏ, tần
số cao, và dải băng tần rộng. Nếu cần cả độ nhạy lẫn khả năng xuyên sâu thì nên sử dụng
biến tử có kích thước lớn, tần số cao, khi ấy chùm sóng âm sẽ phát ra định hướng hơn (ít
phân kỳ). Độ phân giải có thể được cải thiện bằng cách sử dụng chiều dài xung rất ngắn, kỹ
thuật nhúng, hoặc sử dụng các đầu dò tinh thể kép tiếp xúc hoặc có nêm làm trễ.
3.2.3.2. Một số loại đầu dò đặc biệt :
Đầu dò dạng biến tử dãy:
Trong những năm gần đây, đang gia tăng nhu cầu cần phải tăng tốc độ kiểm tra siêu âm.
Cách để quét kiểm tra nhanh nhất là sử dụng một dãy các biến tử được kích hoạt điện tử một
cách tuần tự. Các biến tử như vậy bao gồm một số các tinh thể được đặt trong một sơ đồ xác

định và được kích hoạt tại mỗi thời điểm bằng tay hoặc sử dụng một bộ dồn kênh
(multiplexer). Một bộ dồn kênh thực tế và sơ đồ dãy biến tử được biểu diễn trong hình 3.25.
Trong trường hợp này, mỗi mạch từ A tới J gồm một bộ phát xung và biến tử riêng lẻ. Mỗi
đầu dò thành phần được coi là một điểm hay rất nhỏ, nguồn và thứ tự kích thích bộ tạo xung
được kiểm soát qua một mạch điều khiển khác
Thiết bị điều khiển

Tới màn
hình

Bộ phát
xung

Nguồn

Mặt
sóng

Hình 3.25 :Bố trí của bộ dồn kênh cho biến tử dãy. Mô tả sóng dọc bị khúc xạ vuông góc.

CHƯƠNG 3

120


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

Xung phát của các đầu dò theo các cách nối tiếp tuần tự đồng bộ có thể tạo ra sự thay đổi

khác nhau trong các sơ đồ chùm quét gồm góc chùm tia và dạng hội tụ. Ví dụ chùm góc
biểu diễn trong hình 3.26 là kết quả tuần tự phát đồng bộ đều nhau từ A tới J, góc nghiêng θ
được cho bởi:
θ = sin −1

C∆t
w

(3.5)

Ở đây : C = vận tốc đồng bộ trong vật liệu.
∆t = trễ đồng bộ trong mỗi đầu dò phát xung.
w = khoảng cách giữa các đường trung tâm đầu dò.
Khi thay đổi trễ ∆t giữa các xung sẽ làm thay đổi góc θ, Khi khởi phát các xung ngược lại từ
J qua A sẽ dẫn đến phát ra một chùm góc với hướng đối diện. Hơn nữa, khởi phát xung từ
ngoài vào trong, nghĩa là A và J xảy ra cùng một lúc, tiếp theo là B và I, C và H …v.v. sẽ
tạo ra một chùm tia siêu âm hội tụ.
Các nguồn phát sóng âm khác nhau thay đổi lớn có thể được dùng để tạo thành một biến tử
dãy gồm phần tử áp điện, biến tử âm điện từ (Electromagnetic Acoustic Transducer-EMAT)
và các nguồn laser những biến tử dãy. Tuy nhiên, để có những lợi ích đó thì trái lại giá
thành của hệ thống lại đắt tiền.. Giá thành của hệ thống tăng lên đáng kể do mỗi mạch phải
cần một hệ thống siêu âm riêng biệt do bộ dồn kênh điều khiển. Tốc độ và hiệu quả của việc
kiểm tra được tăng lên khi sử dụng
Thiết bị điều khiển

Tới màn hình

Bộ phát xung

Nguồn

Mặt sóng

Hình 3.26 : Đầu dò nhiều góc dạng biến tử dãy.
Biến tử âm điện từ (Electromagnetic Acoustic Transducers - EMAT) :

CHƯƠNG 3

121


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

Biến tử âm điện từ dựa trên nguyên lý sóng điện từ đến bề mặt vật dẫn điện sẽ gây ra dòng
điện xoáy trong bề mặt của vật dẫn điện. Với sự hiện diện của từ trường tĩnh điện và trong
vùng tác dụng của dòng điện xoáy, thì các ion chịu các lực dao động cưỡng bức. Các lực
dao động này (lực lorentz) sinh ra ở bề mặt chính là các nguồn sóng âm cảm ứng điện từ.
(Phần 9.1.8)
Các biến tử âm điện từ cho lợi thế đáng kể trong việc kiểm tra siêu âm không cần tiếp xúc
vật lý hoặc các môi trường tiếp âm giữa đầu dò và vật thể kiểm tra. Điều này sẽ thuận tiện
trong việc kiểm tra tự động các chi tiết kéo dài như các đường ống, đường ray xe lửa.v.v…
nghĩa là có sự dịch chuyển tương đối giữa đầu dò và vật thể kiểm tra. Ngoài ra, khi tăng tốc
độ kiểm tra cũng là thuận lợi khác của những đầu dò này vì hiệu ứng động lực sinh ra từ vận
tốc cao là nhỏ nhất. Các đầu dò EMAT cũng có thể được dùng để kiểm tra những vật liệu
kim loại được bao phủ lớp bảo vệ.
Biến tử siêu âm dựa vào xung laser (Laser based ultrasonic transducer) :
Sóng siêu âm có thể được kích thích trong những vật liệu khi bề mặt của nó có các xung
laser tác động. Sự nung nóng của xung laser tạo ra sự giãn nở tại vùng địa phương có chùm

tia laser tác động lên bề mặt. Chùm sóng siêu âm dạng này được phát với các sự giãn nở và
sau đó co lại.
Ghi nhận sóng âm với công nghệ laser không được thực hiện trên cùng một hệ thống được
sử dụng để kích thích tín hiệu. Nói chung, việc ghi nhận được thực hiện với chùm tia quang
học có khả năng đo độ dịch chuyển nhỏ trên bề mặt.
Khả năng thực hiện kiểm tra không tiếp xúc và công suất cao là ưu điểm của phương pháp
siêu âm laser
Biến tử hình cây bút vẽ (paintbrush transducer) :
Biến tử hình cây bút (hình 3.27) thường được thiết kế bằng cách khảm hoặc một dãy các
tinh thể được nối tiếp với nhau. Yêu cầu quang trọng nhất của biến tử hình cây bút là cường
độ của chùm tia siêu âm không có sự thay đổi lớn trên toàn bộ chiều dài của biến tử.

Hình 3.27 - Đầu dò hình cây bút vẽ.
Biến tử hình cây bút được thiết kế cho các thiết bị khảo sát, chức năng chính của chúng là
làm giảm thời gian kiểm tra trong khi vẫn quét kiểm tra hết toàn bộ. Đây là một thuận lợi
lớn vì nếu phải kiểm tra các diện tích lớn với một đầu dò nhỏ tinh thể đơn sẽ rất lâu và nhàm
CHƯƠNG 3

122


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

chán. Sau khi quét kiểm tra với các biến tử hình cây bút đã phát hiện được các bất liên tục,
thì chúng sẽ thực hiện khảo sát thêm để xác định kích thước và vị trí bằng sử dụng các đầu
dò chuẩn.
Các đầu dò đặc biệt đa tính năng:
Một số đầu dò kiểm tra siêu âm đã mô tả rải rác ở các phần của tài liệu này cũng có thể

thuộc về nhóm các đầu dò đặc biệt. Thí dụ như : các biến tử dùng hiện tượng từ giảo (phần
2.6.2) , các biến tử hội tụ (phần 3.2.1.2), đầu dò nhúng (phần 3.2.1.2), đầu dò có góc thay
đổi được (phần 3.2.2), đầu dò kiểm tra tự động (phần 9.2.4), đầu dò sóng mặt (phần 3.3.4),
và các loại đầu dò dùng trong kiểm tra vận hành ở nhà máy điện hạt nhân (phần 9.1.5) ....
đều có thể được xem là các loại đầu dò được thiết kế đặc biệt để dùng trong những mục đích
kiểm tra đặc biệt.
3.3. CÁC KỸ THUẬT KIỂM TRA SIÊU ÂM :

Trong các kỹ thuật kiểm tra siêu âm thì người ta dùng hoặc là loại tiếp xúc hoặc là loại
không tiếp xúc. Ở kỹ thuật tiếp xúc thì đầu dò được đặt tiếp xúc trực tiếp với vật thể kiểm
tra thông qua một lớp mỏng chất lỏng được sử dụng làm chất tiếp âm để truyền siêu âm vào
vật thể kiểm tra tốt hơn. Trong kỹ thuật không tiếp xúc – kỹ thuật kiểm tra nhúng, một đầu
dò loại không thấm nước được đặt ở một khoảng cách nào đó đến vật thể kiểm tra và chùm
tia siêu âm được truyền vào vật liệu qua nước hoặc cột nước hoặc đơn giản chỉ qua lớp
không khí.
Kỹ thuật tiếp xúc trực tiếp được chia thành 3 nhóm. Kỹ thuật sóng dọc, kỹ thuật sóng xiên
(góc), kỹ thuật sóng mặt. Với nhóm thứ hai có thể sử dụng kỹ thuật nhúng hoặc kỹ thuật
tiếp âm bằng không khí. Một số kỹ thuật được ứng dụng kiểm tra siêu âm trong thực tế sẽ
được trình bày dưới đây.
3.3.1. Kỹ Thuật Tandem :
Trong một vài trường hợp cần phải thực hiện phương pháp chùm tia xiên góc tiếp xúc sử
dụng hai đầu dò. Một đầu dò phát chùm tia siêu âm vào mẫu và một đầu dò kia thu nhận.
Trong kỹ thuật này đầu dò phát sẽ “ném” một chùm tia siêu âm vào trong vật liệu kiểm tra,
và sau một vài bước quét đầu dò thu sẽ “chụp” nó lại. Do đó phương pháp hai đầu dò này
còn được gọi là phương pháp “pitch and catch” hay phương pháp Tandem. Nguyên lý của
phương pháp được mô tả trong hình 3.28.
Đầu phát

Đầu thu

Bề mặt
phản xạ

Hình 3.28 : Bố trí kỹ thuật Tandem.
Mục đích của kỹ thuật Tandem là thường sử dụng để xác định vị trí các bất liên tục cùng các
đặc trưng của nó. Phương pháp này cũng xác định được những đặc điểm về tính chất của vật
CHƯƠNG 3

123


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

liệu. Giả sử trong một mối hàn nối mà trên bề mặt có các vết nứt dạng phẳng, lớn hoặc các
khuyết tật liên kết có hướng vuông góc với bề mặt của tấm tại tâm của mối nối, nếu chỉ
kiểm tra bằng một đầu dò đơn thì không đủ tin cậy để phát hiện các khuyết tật này. Xung
siêu âm bị lệch khỏi hướng truyền tới và nó chỉ có thể được ghi nhận khi sử dụng một đầu
dò thứ hai. Vị trí của hai đầu dò trên vật thể kiểm tra phụ thuộc vào bề dày của vật và vị trí
của khuyết tật. Hai đầu dò này được di chuyển cùng nhau trong một khoảng cách cố định và
khoảng cách này được điều chỉnh sao cho nhận được biên độ tín hiệu lớn nhất. Khoảng cách
giữa hai đầu dò được xác định bởi biểu thức :
S = 2 (t – d) tanφ

(3.6)

Với : φ = Góc của đầu dò.
t = Bề dày của vật thể kiểm tra.
d = Độ sâu của điểm đích.

Cách kinh tế kiểm tra bằng tay với phương pháp này đòi hỏi cả hai đầu dò được nối với
nhau trượt trên một thanh dẫn hướng. Nó sẽ giữ cho khoảng cách giữa hai đầu dò không đổi
và đảm bảo tương quan về góc chính xác với mối nối và các đầu dò trong suốt thời gian
kiểm tra.
Bề mặt kiểm tra chuẩn bị cho phương pháp Tandem cũng giống với các phương pháp tiếp
xúc khác. Những bề mặt bị rỉ mòn hoặc đã sơn cần phải làm sạch bằng cách mài hoặc làm
sạch bằng phun cát. Một bề mặt mới thì chỉ cần làm sạch với bàn chải sắt. Trên bề mặt nằm
ngang thì tốt nhất là dùng nước làm chất tiếp âm, còn bề mặt thẳng đứng và ở trên cao nên
dùng dầu hoặc mỡ làm chất tiếp âm.
Phương pháp Tandem là một phương pháp sử dụng rất thông thường để kiểm tra các mối
hàn nối trong các ống và bồn có thành dày, đặc biệt là trong bồn áp lực của các lò phản ứng.
Phần lớn việc kiểm tra được thực hiện bằng đầu dò dãy. Một ứng dụng khác của các kỹ
thuật Tandem là được dùng trong kiểm tra đáy các mối hàn chữ V kép (Phần 6.1.2.6).
3.3.2. Kỹ thuật đầu dò hội tụ :
Những kỹ thuật này sử dụng các đầu dò hội tụ mà chùm tia siêu âm hội tụ được tập trung tại
một tiêu điểm được xác định trước một cách chắc chắn hoặc một vùng bên trong vật thể
kiểm tra. Hiệu ứng hội tụ nhận được qua việc sử dụng những thấu kính âm học làm việc
giống như một thấu kính quang học hội tụ ánh sáng (phần 3.2.1.2). Để cho việc truyền sóng
siêu âm có hiệu quả, tốt nhất thấu kính âm học nên gắn chặt vào bề mặt biến tử. Các đặc
tính lý tưởng cho bất kỳ vật liệu nào hoạt động như một thấu kính âm học là nó phải có
điểm ra khúc xạ trong nước lớn, âm trở gần giống với âm trở của nước tại vùng tinh thể, có
độ suy giảm âm thấp và dễ chế tạo. Một vài vật liệu phù hợp với những tiêu chuẩn này là
methyl methacrylate, polystyrene, keo epoxy, nhôm và magnesium. Hình dạng của thấu
kính âm học có thể là hình trụ, hình cầu. Thấu kính âm học hình trụ tạo ra chùm tia siêu âm
hội tụ dạng đường, còn thấu kính âm học hình cầu thì tạo ra chùm tia siêu âm hội tụ dạng
điểm. Chùm tia siêu âm phát ra từ đầu dò hình trụ có dạng hình chữ nhật có một chiều dài và
một chiều rộng. Như vậy đầu dò này phần lớn được sử dụng để kiểm tra các thành ống
mỏng và các thanh tròn. Nó đặc biệt nhạy đối với các vết nứt mảnh nằm trên bề mặt và gần
bề mặt. Chùm tia siêu âm phát ra từ đầu dò hình cầu có dạng hình tròn nhỏ. Nó có độ nhạy
và độ phân giải rất cao nhưng diện tích quét và dải độ sâu kiểm tra nhỏ.

Quá trình hội tụ cũng có thể thực hiện bằng cách chế tạo ra hình dạng tinh thể biến tử. Mặt
trước của tinh thể thạch anh có thể được mài thành dạng hình trụ hoặc hình cầu. Barium
titanate có thể được chế tạo thành hình mặt cong trước khi nó bị phân cực. Một phần tử biến
CHƯƠNG 3

124


TRUNG TM NDT V KỸ THUẬT HẠT NHN

TÀI LIỆU HUẤN LUYỆN UT CẤP II

tử áp điện nhỏ có thể được gắn vào mặt cong của vật liệu hấp thụ giảm chấn cũng cho kết
quả tương tự. Phương pháp hội tụ chùm tia siêu âm từ nhiều biến tử dãy cũng đã được đề
cập đến trong phần 3.2.3.2.
Biến tử hội tụ được mô tả theo chiều dài hội tụ của chúng, như ngắn, trung bình, dài, rất dài.
Chiều dài hội tụ ngắn thích hợp nhất cho những vùng nằm sát bề mặt của vật thể kiểm tra.
Chiều dài hội tụ trung bình, dài và rất dài thường cho kiểm tra những vùng sâu hơn. Về mặt
tần số, các biến tử hội tụ được thiết kế riêng cho từng ứng dụng đặc thù. Biến tử có độ dài
hội tụ càng lớn thì điểm hội tụ càng sâu hơn trong mẫu và cho độ nhạy cao.
Chiều dài điểm hội tụ của thấu kính trong nước ít có liên hệ với độ sâu hội tụ của nó trong
kim loại và trong phương pháp nhúng khi thay đổi chiều cao cột nước sẽ ít gây ra sự thay
đổi độ sâu hội tụ trong vật thể kiểm tra. Sự khác nhau lớn về vận tốc âm giữa nước và kim
loại, có thể làm cho sóng âm rẽ hướng theo một góc nhọn khi đi vào bề mặt kim loại ở bất
cứ góc nghiêng tới nào. Do đó bề mặt kim loại đóng vai trò như một thấu kính thứ hai có tác
dụng mạnh hơn rất nhiều so với thấu kính âm tại biến tử như biểu diễn trong hình 3.16. Hiệu
ứng này làm dịch chuyển điểm hội tụ vào rất sát với bề mặt trên của vật khi so với điểm hội
tụ của cùng chùm tia này trong nước. Tác động này cũng làm cho biến tử hoạt động như
một đầu thu có định hướng hơn và nhạy theo khoảng cách, làm cho chùm tia sắc nét do đó
tăng độ nhạy với các phần tử phản xạ nhỏ trong vùng hội tụ. Vì vậy, những khuyết tật có

biên độ xung phản hồi rất thấp sẽ được kiểm tra chi tiết hơn so với đầu dò chuẩn.
Dải hiệu dụng của các biến tử hội tụ trải dài từ khoảng 0,25 đến 250mm bên dưới bề mặt vật
thể kiểm tra. Trong dải này các biến tử hội tụ có một vài ưu điểm rõ rệt so với các loại đầu
dò chuẩn không hội tụ. Đó là chúng có độ nhạy cao với các khuyết tật nhỏ, khả năng phân
giải cao, ít bị ảnh hưởng với những bề mặt thô nhám, ít bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng đường
bao bề mặt trước và có nền nhiễu thấp. Nhược điểm của những đầu dò hội tụ là có vùng
kiểm tra nhỏ trong vật thể kiểm tra được kiểm tra đồng thời.
Kỹ thuật đầu dò hội tụ thường được dùng để đo chính xác bề dày, phát hiện sự tách lớp và
các bất liên tục trong những tấm mỏng. Đo rỉ mòn bên trong các đường ống, các bình áp
lực, được thực hiện giống như nguyên lý đo bề dày thông thường, nhờ đó bề dày còn lại của
thành trong vật liệu bị rỉ mòn được đo. Các thành ống mỏng, các thanh có đường kính nhỏ
và các vật rèn cũng kiểm tra được những khuyết tật nằm bên trong khi sử dụng đầu dò hội
tụ. Việc sử dụng chùm tia siêu âm hội tụ cũng được thực hiện cho kiểm tra những vật có bề
mặt cong.
3.3.3. Kỹ thuật đầu dò kép (đầu dò tinh thể kép) :
Kỹ thuật này dựa trên việc sử dụng hai đầu dò. Một đầu dò phát siêu âm vào mẫu và đầu dò
kia thu nhận các xung phản hồi từ các khuyết tật và từ đáy (hình 3.29). Nói chung hai tinh
thể được đặt vào cùng một vỏ. Các biến tử này được gọi là đầu dò tinh thể kép, TR hoặc SE
(xem phần 3.2.1.3). Những tinh thể này thường được đặt nghiêng một góc nhỏ trên đỉnh, và
do đó toàn bộ kết quả tác động bởi chùm tia siêu âm hội tụ đều nhận được.
Các ứng dụng của đầu dò này :
(a) Kiểm tra kích thước của vật, thí dụ như tấm phẳng.
(b) Đo bề dày còn lại của thành như quá trình kiểm độ rỉ mòn, hao mòn.
(c) Phát hiện, xác định vị trí và đánh giá những khuyết tật ở gần bề mặt.
(d) Quét kiểm tra những khuyết tật lớn như tách lớp khi sử dụng phương pháp suy giảm giá
trị một nửa (6 dB ).
CHƯƠNG 3

125