Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm olympus nortec 2000d+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

TRẦN CÔNG SƠN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

TRẦN CÔNG SƠN

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SAI SỐ KHI SỬ
DỤNG THIẾT BỊ SIÊU ÂM OLYMPUS-NORTEC 2000D+ ĐỂ KIỂM
TRA CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN CẤU KIỆN GIÀN KHOAN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KHÓA 2009

CHẾ TẠO MÁY

Hà Nội – Năm 2012


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

TRẦN CÔNG SƠN

NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SAI SỐ KHI SỬ
DỤNG THIẾT BỊ SIÊU ÂM OLYMPUS-NORTEC 2000D+ ĐỂ KIỂM
TRA CHẤT LƯỢNG MỐI HÀN CẤU KIỆN GIÀN KHOAN

CHUYÊN NGÀNH: CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. NGUYỄN THỊ PHƯƠNG MAI

Hà Nội – Năm 2012


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

MỞ ĐẦU
1

Lý do chọn đề tài
Phương pháp siêu âm đã ra đời và phát triển hàng trăm năm nay. Ngày nay,

các nền công nghiệp lớn đang bước vào một cuộc chạy về công nghệ cũng như
giá thành sản phẩm mà họ sản xuất ra. Chất lượng của sản phẩm được đặt lên
hàng đầu cho các sản phẩm. Để có thể cạnh tranh được họ phải áp dụng các công
nghệ hiện đại và phương pháp kiểm tra sản phẩm sao cho rẻ nhất và chất lượng
nhất. Phương pháp kiểm tra siêu âm để kiểm tra chất lượng của sản phẩm là một
trong nhưng công nghệ kiểm tra tối ưu để kiểm soát chất lượng.
Trong gia công cơ khí kết cấu giàn khoan thì siêu âm được ứng dụng rất
nhều trong gia công. Nó dùng để kiểm tra chất lượng đa số mối hàn kết cấu thép
bởi vì phương pháp siêu âm có thể kiểm tra được chất lượng mối hàn bên trong
mối hàn mà các phương pháp kiểm tra chỉ thị màu, kiểm tra từ tính không thể

kiểm tra được. Tuy nhiên trong phương pháp siêu âm mối hàn kết cấu giàn khoan
cũng có những yếu tố gây nên sai số, làm cho việc đánh giá không đúng chất
lượng và có thể dẫn đến loại bỏ sai các chi tiết đạt chất lượng yêu cầu.
Để góp phần vào việc nâng cao chất lượng và hiệu quả kinh tế, tôi xin lựa
chọn đề tài: “Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị
siêu âm OLYMPUS-NORTECD+ để kiêm tra chất lượng mối hàn kết cấu
giàn khoan”.
2 Mục đích nghiên cứu của luận văn
Nhằm đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến sai số của phép đo từ đó đưa ra
được các phương pháp khắc phục các sai số đo để áp dụng trong kiểm tra mối
hàn tại công ty. Nhằm tối ưu hóa các phương pháp kiểm soát chất lượng của các
chi tiết trong kết cấu giàn khoan, tạo ra được độ tin cậy cao hơn trong phép đo
kiểm tra mối hàn nói chung và mối hàn kết cấu giàn khoan nói riêng. Từ đó đi
sâu nghiên cứu và phối hợp giữa phương pháp kiểm tra bằng sóng siêu âm và
phương pháp khác trong kiểm tra đánh giá chất lượng sản phẩm.

Trang 1


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là tập trung vào nghiên cứu các yếu tố ảnh
hưởng đến sai số khi dùng phương pháp kiểm tra siêu âm để kiểm tra chất lượng
mối hàn trong các kết cấu giàn khoan.
4 Ý nghĩa của đề tài
Với các kết quả nghiên cứu của luận văn, bước đầu đã tạo cơ sở cho việc
xác định một số các yêu tố anh hưởng đến phép đo và mở ra một hướng công
nghệ mới trong ngành cơ khí với những ưu điểm nổi bật của phương pháp kiểm
tra siêu âm.

- Đưa ra một cái nhìn tổng quan cho phương pháp siêu âm để phục vụ kiểm
tra các chi tiết gia công cơ khí.
- Trên cơ sở thực nghiệm kiểm tra siêu âm mối hàn ống, hàn thép tấm trong
kết cấu giàn khoan đã đạt kết quả khả quan, tạo tiền đề thuận lợi cho hướng phát
triển siêu âm và ghi lại các hình ảnh thực bên trong các mối hàn.
5 Nội dung luận văn
Luận văn đã tập trung giải quyết một số vấn đề về nghiên cứu lý thuyết và
thực nghiệm. Nội dung luận văn được chia thành 3 chương nhằm làm rõ vấn đề
“Nghiên các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm
OLYMPUS-NORTEC+ để kiêm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan”, cụ
thể gồm:
+ Mở đầu
+ Chương 1: Đại cương về sóng siêu âm
+ Chương 2: Các phương pháp kiểm tra siêu âm và thiết bị siêu âm
+ Chương 3: Đo khuyết tật và các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo
+ Kết luận và đề xuất
+ Tài liệu tham khảo

Trang 2


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

Tuy nhiên, trong quá trình nghiên cứu, thực hiện khó tránh khỏi những thiếu
sót, tôi rất mong nhận được ý kiến góp ý của quý Thầy, Cô để bản luận văn được
hoàn thiện hơn và trở thành một tài liệu tham khảo hữu ích cho việc ứng dụng
công nghệ sóng siêu âm vào trong quá trình sản xuất.
Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn Cô giáo TS. Nguyễn Thị Phương
Mai, quý Thầy, Cô trong bộ môn Cơ khí chế tạo máy, Viện Cơ khí, Viện đào tạo
Sau Đại học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã hướng dẫn, giúp đỡ tôi

hoàn thành luận văn này.
TÁC GIẢ

Trang 3


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

CHƯƠNG 1:
ĐẠI CƯƠNG VỀ SÓNG SIÊU ÂM
1.1 GIỚI THIỆU CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA SÓNG ÂM
1.1.1 Định nghĩa sóng âm.
Sóng âm là dao động cơ học lan truyền trong các chất rắn, lỏng và khí ở
dạng sóng. Phổ âm dưới đây chỉ ra các tần số siêu âm tiêu biểu được sử dụng
trong hệ thống kiểm tra thương mại. Hình 1 là biểu diễn phổ âm.
Âm

SIÊU ÂM

Kiểm tra các vật đúc và rèn
Kiểm tra mối hàn
Kiểm tra độ dày
Kiểm tra độ
dày của vật
liệu mỏng
10H
z

20kHz

0.5MHz

1MHz

2MHz

5MHz

10MHz

Hình 1.1: Phổ âm
1.1.2 Bản chất của các sóng âm
Nếu trong một môi trường có sóng âm lan truyền là yên tĩnh và đồng nhất
thì các sóng âm sẽ truyền theo đường thẳng. Tốc độ sóng là hằng số đối với một
vật liệu bất kỳ cho trước và ở nhiệt độ xác định cho trước.
Tác động của nhiệt độ lên tốc độ sóng âm là không đáng kể trong dải
nhiệt độ từ –100 tới 800C. Sự thay đổi của nhiệt độ có ảnh hưởng mạnh hơn đối
với tốc độ âm trong các chất dẻo ( như Perspex), các chất lỏng và các chất khí.

Trang 4


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

Các sóng âm bị khúc xạ, phản xạ tại biên giới giữa các vật liệu có các đặc
tính âm khác nhau.
Định luật vật lý được áp dụng cho sự phản xạ và khúc xạ của sóng ánh
sáng cũng được áp dụng cho sóng âm.
Các sóng âm và sóng ánh sáng có thể là đối tượng trong các hiện tượng
giao thoa làm cho nó mạnh lên hoặc bị giảm đi. Sự nhiễu xạ của các sóng âm

cũng giống như là của các sóng ánh sáng.
1.1.3 Các dạng sóng âm
Tất cả các dạng sóng đều được mô tả bằng tốc độ, tần số, bước sóng và
dạng lan truyền của chúng.
Tốc độ của sóng âm: Tốc độ của sóng âm là khoảng cách mà sóng lan truyền
được qua vật liệu trong một giây. Tốc độ là đại lượng đặc trưng của vật liệu và
được xác định bởi mật độ và các hằng số đàn hồi của nó. Tần số của sóng âm
thường được biểu diễn bằng m/s.
Tần số (f): Tần số của các sóng âm được biểu diễn bằng Hertz, là số chu kỳ dao
động trên giây.
1MHz=10 6 chu kỳ\giây
Bước sóng (λ): Đây là khoảng cách mà các mặt sóng chuyển động qua môi
trường trong một chu kỳ, trong đó tốc độ (v), tần số (f) và bước sóng (λ) liên hệ
với nhau qua công thức sau:
V=f.λ

(1-1)

1.1.4 Các dạng lan truyền của sóng âm
Phụ thuộc vào bản chất của vật liệu, các sóng âm có thể lan truyền
trong vật liệu ở các dạng lan truyền khác nhau. Các chất rắn đàn hồi như kim
loại thì có bốn loại lan truyền sóng: đó là các loại sóng nén, sóng trượt, sóng
bề mặt và sóng lamb.

Trang 5


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

Các sóng nén (Các sóng dọc hay chùm thẳng)

Sự dịch chuyển của các hạt là song song với hướng lan truyền. Các sóng
nén có thể vượt qua các khoảng cách rất xa trong các chất rắn, lỏng và khí.
Chúng được sử dụng trong kiểm tra không phá hủy để kiểm tra các sản phẩm kim
loại, gốm và bê tông.
Việc sử dụng một dạng đặc biệt của sóng nén là sóng “Creeping”. Các
sóng “Creeping” đơn thuần chỉ là các sóng nén được phát ra theo cách thức nào
đó để lan truyền rất gần và hầu như song song với bề mặt kiểm tra. Các sóng
Creeping hiện nay được sử dụng rộng rãi để kiểm tra các khuyết tật ngấu gần bề
mặt trong các mối hàn khe hở hẹp.
Nếu các sóng nén được truyền vào trong vật liệu tấm mỏng thì hiện tượng
cộng hưởng mạnh sẽ xuất hiện khi độ dài của tấm bằng một nửa bước sóng. Hiện
tượng này được ứng dụng để đo rất chính xác độ dày của các tấm mỏng.

Hướng lan truyền
Hình 1.2: Dịch chuyển phần tử trong sóng nén
Các sóng trượt
Dịch chuyển phần tử trong sóng trượt là ngang với sự lan truyền sóng. Các
sóng trượt chỉ có trong các vật liệu có các thông số đàn hồi đồng nhất, là bao
gồm hầu hết nhưng không phải là tất cả các kim loại và hợp kim. Tốc độ của
sóng trượt trong chất rắn cho trước bất kỳ là nhỏ hơn tốc độ của sóng nén trong
vùng vật liệu

Trang 6


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

.

Hướng lan truyền

Hình 1.3: Dịch chuyển của phần tử trong sóng trượt
Các sóng trượt được sử dụng để kiểm tra các thép ferrit và các vật liệu
khác có cấu trúc hạt mịm đồng nhất. Chúng có thể sử dụng để kiểm tra hầu hết
các dạng sản phẩm của các kim loại đó. Chúng có thể lan truyền một khoảng
cách khá xa với các điều kiện âm học thích hợp. Các sóng trượt được sử dụng
rộng rãi nhất để kiểm tra các mối hàn trong sản phẩm rèn và cán của thép ferrit.
Các sóng mặt (còn gọi là sóng Rayleigh)
Trong các sóng mặt, dịch chuyển phần tử có dạng hình elíp, hệ quả của dịch
chuyển của sóng trượt biến dạng. Các sóng mặt lan truyền dọc theo bề mặt và chỉ
xuyên sâu khoảng một bước sóng. Tốc độ của sóng mặt vào khoảng 80-90% tốc
độ của sóng trượt. Các sóng mặt chịu ảnh hưởng mạnh tình trạng bề mặt của các
vật kiểm tra. Chúng được sử dụng để kiểm tra các cấu kiện có bề mặt rất nhẵn
như các phần cấu trúc của máy bay. Do chúng lan truyền theo bề mặt của vật liệu
cho nên chúng có thể được sử dụng để kiểm tra các khuyết tật như vết nứt mỏi
của các góc cua. Đôi khi chúng được sử dụng để kiểm tra lại những nơi mà
không thể tiếp cận được đối với phương pháp dòng xoáy và chất lỏng thẩm thấu

Phần tử dịch chuyển
Đường đi của
sự truyền sóng

Hình 1.4: Dịch chuyển phần tử trong sóng bề mặt

Trang 7


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

Các sóng Lamb (các sóng tấm)
Các sóng Lamb là một dạng của sóng nén với sự dịch chuyển phần tử

phức tạp. Chúng lan truyền trong các tấm kim loại mỏng có độ dày cỡ một bước
sóng. Tốc độ của sóng Lamb phụ thuộc vào độ dày của tấm và tần số sóng được
phát ra. Các sóng Lamb được sử dụng để dò tìm các khuyết tật loại tách lớp gần
bề mặt.
1.1.5 Sự phản xạ, khúc xạ và chuyển đổi dạng sóng
Khi các sóng âm chạm vào biên giới giữa hai vật liệu có các đặc tính âm
khác nhau thì chúng sẽ bị phản xạ và truyền qua. Điều này tương tự với cách mà
sóng ánh sáng phản xạ và truyền qua tại biên giới không khí và kính. Tuy nhiên
đối với các sóng âm còn xuất hiện hiện tượng thứ ba “chuyển đổi dạng”.
Sự phản xạ
Tỷ lệ sóng âm bị phản xạ đạt cực đại khi góc tới lớn. Và khi các đặc tính
âm của các vật liệu càng khác nhau thì phần năng lượng âm phản xạ càng lớn. Ví
dụ nếu biên giới thép-không khí thì gần 100% âm bị phản xạ và thậm chí ngay cả
khi góc tới là 00. Dưới các điều kiện tương tự như mặt phân cách thép-nước thì
có 87% âm phản xạ và 13% âm truyền qua. Nếu bề mặt phản xạ là phẳng thì góc
phản xạ sẽ bằng góc tới.

Trang 8


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

Bảng 1.1: Giá trị tốc độ âm của một số vật liệu
SÓNG NÉN

SÓNG TRƯỢT

VẬT LIỆU

V(m/s)

λ(mm)

V(m/s)

λ(mm)

Không khí

330

0.165

N/A

N/A

Nhôm

6300

3.15

3080

1.54

Đồng thau

3830

1.915

2050

1.025

Đồng

4700

2.35

2260

1.13

Thuỷ tinh

5800

2.9

N/A

N/A

Gang đúc xám

4600

2.3

2160

1.08

Gang đúc xám

5600

2.8

3000

1.5

Magnesium

5740

2.87

3080

1.54

Dầu Motor

1440

0.72

N/A

N/A

Nickel

5630

2.815

2960

1.48

Plexiglas (perspex)

2740

1.37

N/A

N/A

Sứ (porcelain)

5450

2.725

3350

1.675

Thép đen (mild)

5960

2.98

3240

1.62

Thép không gỉ (stainless)

5740

2.87

3130

1.565

Titanium

5990

2.995

3120

1.56

Nước

1480

0.74

N/A

N/A

(đã cầu hoá)

Trang 9


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

Sự khúc xạ
Một chùm âm chạm vào biên giới hai vật liệu có các đặc trưng âm học
khác nhau thì nó bị khúc xạ khi góc tới khác 00 và do vậy sóng âm được truyền
qua biên giới. Góc tới liên quan với góc khúc xạ bằng định luật Snell.
Định luật này nói rằng tỷ số các sine của góc tới và của góc khúc xạ thì
bằng tỷ số các tốc độ âm trong hai môi trường.

Sin(α)/sin(θ)=v1/v2

(1-2)

Chuyển đổi dạng sóng
Phản xạ và khúc xạ là đặc tính của các dạng sóng. Tuy nhiên, sóng âm
trong các chất rắn đàn hồi có bốn dạng lan truyền khác nhau. Khi sóng âm đi vào
biên giới hai vật liệu có các đặc tính âm khác nhau thì ngoài sự phản xạ và khúc
xạ có thêm một hiện tượng khác là chuyển đổi dạng sóng. Mức độ chuyển đổi
dạng sóng phụ thuộc vào góc tới.
Ví dụ: Các sóng trượt đi vào biên giới thép ferrit-không khí với góc tới
300 thì sẽ phải chuyển đổi rất mạnh thành các sóng nén. Các sóng nén hình thành
lan truyền dọc theo bề mặt dưới dạng sóng creeping. Tới 90% năng lượng ban
đầu của sóng trượt chuyển thành sóng nén.

Trang 10


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

Sin(θ) = sin(α).
Sóng nén

α

α

5960
2740

Sóng nén

tới
perspex
Sóng nén

θS 

Thép

θC 

Sóng trượt

Sóng trượt phản xạ

Thé

Sóng
trượt tới

αC
αS

Sóng nén phản xạ

αS

Sóng nén khúc xạ rất yếu

Khô

khí

θc

Sin(αC ) = sin(α).

5960
3240

Sin(θC ) = sin(α).

330
3240

Hình 1.5: Sự phản xạ, khúc xạ và chuyển đổi dạng tại biên giới thépkhông khí.
Các góc tới hạn
Khi các sóng âm đi vào biên giới, các góc được gọi là góc tới hạn xuất
hiện, khi góc tới tương ứng với góc khúc xạ của một dạng lan truyền sóng cho
trước bằng 900.

Trang 11


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN KIỂM TRA BẰNG SÓNG SIÊU ÂM
1.2.1 Kiểm tra truyền qua
Kiểm tra truyền qua là phương pháp kiểm tra siêu âm đầu tiên được sử

dụng trong thương mại, nó xuất hiện lần đầu tiên ở Đức vào đầu năm 1930. Kiểm
tra truyền qua yêu cầu sử dụng hai đầu dò siêu âm, một truyền và một thu. Hai
đầu dò này được đặt đối diện nhau qua vật kiểm tra ở giữa chúng. Các hệ thống
đầu tiên liên quan tới kiểm tra nhúng và là loại tiêu biểu được sử dụng để dò các
tạp chất xỉ, lỗ hổng co ngót trong các phôi đúc trước khi tiến hành cán hoặc rèn.
Hiện nay nó chỉ được áp dụng để kiểm tra tự động các tấm thép để dò các khuyết
tật tách lớp trong quá trình cán.

Hình 1.6: Phương pháp kiểm tra truyền qua
Với ứng dụng này, kiểm tra truyền qua có một ưu điểm hơn so với kiểm
tra siêu âm xung vọng là có khả năng dò như nhau đối với quá trình tách lớp ở
gần mặt trước, sau và ở giữa độ dày. Các bể nước nguyên thủy được thay thế
bằng các cột nước áp suất cao. Kiểm tra truyền chỉ kiểm tra được các chi tiết có
bề mặt song song và không thể biết về vị trí độ sâu của khuyết tật, về bản chất
của khuyết tật.

Trang 12


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

1.2.2 Kiểm tra xung vọng

Hình 1.7: Phương pháp kiểm tra xung vọng
Sự phát triển của thiết bị siêu âm xung vọng trong những năm 1940 thể
hiện sự tiến bộ về công nghệ trong kiểm tra siêu âm. Hệ thống siêu âm xung
vọng đầu tiên được thiết kế để dò tìm dưới biển. Công nghệ tương tự sau đó được
áp dụng để dò tìm các đàn cá. Vào đầu những năm 50 của thế kỷ trước, thiết bị
siêu âm xung vọng đã được sử dụng một cách thương mại hóa để dò các vết nứt
trong các tấm thép rèn. Đến cuối những năm 50 thì thiết bị đã đạt được mức độ

đủ để dò hữu hiệu các khuyết tật trong các sản phẩm thép đúc. Các bước phát
triển tiếp theo đã nhanh chóng đưa đến việc sử dụng hữu hiệu kiểm tra siêu âm
trong kiểm tra mối hàn.
Phương pháp xung vọng bao gồm một thiết bị định thời gian được kích
hoạt bởi một máy phát xung và một thiết bị nghe (nó cũng có thể tương tự như
thiết bị phát) để dò các năng lượng âm bất kỳ phản xạ về phía chúng. Thời gian
bao gồm giữa điểm phát xung và nhận xung phản xạ có quan hệ trực tiếp với
quãng đường đã vượt qua. Do đó hệ thống xung vọng giúp chúng ta có thể biết
chính xác vị trí của khuyết tật. Nếu thiết bị định thời gian là một ống tia cathode
có bộ phát thời gian tuyến tính hoạt động theo trục X thì trục đó có thể được sử
dụng để biểu diễn số lượng năng lượng âm được thu nhận.

Trang 13


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

Hình 1.8: Nguyên lý của phương pháp kiểm tra xung vọng
Nguyên lý hoạt động máy dò khuyết tật (cho kiểm tra siêu âm xung dội)
Kiểm tra siêu âm xung dội phụ thuộc vào khả năng đo đạc chính xác
khoảng thời gian mà xung âm quay phản xạ trở lại điểm xuất phát của nó. Điều
này có thể đạt được khi sử dụng các ống tia cathode với đường nằm ngang biểu
diễn thời gian (hay khoảng cách lan truyền được) và trục dọc biểu diễn cường độ
âm thu nhận được (hay độ cao của xung).
Ống tia cathode (CRT)

Bộ điều chỉnh
thời gian

Bộ thu sóng

Bộ tạo thời
gian
Bộ phát
xung

Đến tất cả các mạch

Nguồn nuôi

Hình 1.9: Sơ đồ bố trí của một máy dò khuyết tật siêu âm

Trang 14


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

Hình 1.10: Ứng tia cathode
Trong ống tia cathode có một chùm rất hẹp các điện tử tốc độ cao được
phát ra từ một súng điện tử chuyển động trong buồng chân không về phía màn
hình, màn hình được phủ một lớp chất photpho phát quang thích hợp. Chỗ mà
chùm điện tử đập vào thì lớp photpho phát quang chuyển đổi động năng của điện
tử thành của năng lượng ánh sáng, tạo nên một điểm sáng xanh trên màn hình.
Biểu diễn A-Scan
Trong biểu diễn A-Scan ống tia Cathode điện tích được dùng để biểu diễn
các tín hiệu phản xạ thu nhận được bởi đầu dò. Khi hoạt động theo kiểu A-Scan
một đường gốc thời gian có thể điều chỉnh được áp dụng đối với trục X của màn
hình trong khi sự chênh lệch của chùm điện tử hướng theo Y là tỷ lệ thuận trực
tiếp với điện áp của tín hiệu được thu nhận. Trong các đầu dò siêu âm được mô tả
ở phần sau thì điện áp sinh ra bởi đầu dò thì tỷ lệ thuận với cường độ âm thu

nhận được.

Trang 15


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan
Máy phát xung
Bộ điều
chỉnh trễ

Các bản cực
X của CRT

Bộ phát gốc
thời gian

Các bản cực
Y của CRT
Bộ truyền, khuyếch đại
Bộ suy giảm
(điều chỉnh độ lợi) 
Bộ thu,
Khuếch đại
Âm được
truyền

Đầu dò
phát

Đầu dò

thu

Bộ chỉnh
lưu

Âm bị
phản xạ

Mặt phân giới

Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy A-scan
Nguyên lý hoạt động: Bộ phát xung phát ra xung điện truyền qua một
mạch trễ có thể điều chỉnh được để kích thích bộ phát gốc thời gian. Bộ phát thời
gian làm cho chùm điện tử quét từ trái sang phải trên màn hình dọc theo đường
gốc trên màn hình với vận tốc không đổi. Vận tốc này có thể điều chỉnh được khi
sử dụng bộ điều chỉnh dải. Xung điện tương tự có thể truyền qua bộ khuyếch đại
truyền tới đầu dò và năng lượng điện được chuyển đổi thành siêu âm. Xung siêu
âm truyền trong vật liệu, tới mặt phân giới và bị phản xạ trở lại đầu dò. Rồi đầu
dò đổi năng lượng âm phản xạ thành năng lượng điện. Xung điện do đầu dò sinh
ra được khuyếch đại và chỉnh lưu toàn phần. Sau đó nó vượt qua bộ suy giảm
(điều chỉnh độ nhạy) tới các bản cực Y của cathode. Nó làm cho các điểm sáng
chạy ngang trên màn hình bị lệch theo chiều dọc một lượng tỷ lệ thuận với điện áp
của tín hiêụ thu nhận được. Tín hiệu khi đó được biểu diễn là một đỉnh nhọn trên
màn hình. Nếu đường thời gian được áp dụng lên các bản cực X là tuyến tính thì
khoảng cách mà chùm điện tử đã vượt qua trên màn hình trước khi thu nhận tín
hiệu sẽ tỷ lệ thuận với thời gian của chùm siêu âm phải lan truyền trong vật liệu.

Trang 16

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

1.2.3 Hấp thu âm trở và cộng hưởng
Khi tiến hành phát sóng âm, chùm tia siêu âm sẽ mở rộng(phân kỳ) khi
truyền qua mẫu kiểm tra và cường độ chùm tia giảm dần khi ra xa biến tử hay xa
tâm chùm tia.
Chùm tia phát ra từ biến tử gồm 2 miền:
Trường gần: Nằm sát với biến tử, cường độ chùm tia trong trường gần bị ảnh
hưởng của tương tác lẫn nhau của siêu âm nên có thay đổi phức tạp, những vị trí
có cường độ khác nhau không theo một quy luật nào cả, do đó, kiểm tra bất liên
tục trong trường gần(tức khu vực sát biến tử) là không tin cậy. Chiều dài trường
gần N theo lý thuyết được tính theo công thức sau:
N=D2/4λ=D2f/4V

(1-3)

Trong đó D là đường kính biến tử, λ, f và V là bước sóng, tần số và vận
tốc sóng siêu âm trong môi trường đang phát sóng.
Vùng sau trường gần là trường xa trong đó phần đầu trường xa là phần chuyển
tiếp dài khoảng 2-3 lần chiều dài trường gần.
Trong trường xa, trường âm bắt đầu mở rộng với góc mở được xác định theo
công thức:
Sin(α/2)=1.22(λ/D)

(1-4)

Trong trường xa, cường độ âm giảm dần theo khoảng cách. Độ suy giảm
này tuân theo quy luật nhất định do năng lượng âm bị tổn hao vì hấp thu và tổn
hao do mở rộng chùm tia. Tổn hao của các vật liệu khác nhau cũng khác nhau
phụ thuộc vào khả năng hấp thụ và tán xạ âm của vật liệu.

Hấp thu là quá trình giảm năng lượng âm trên đường truyền do dao động
nhiệt của các hạt trong vật liệu. Phần năng lượng âm bị hấp thu cũng sẽ chuyển
thành nhiệt
Tán xạ âm là quá trình phản xạ và khúc xạ của âm trên đường truyền âm
qua mặt phân giới là các biên giới hạt của vật liệu.
Tổn hao do mở rộng chùm tia phụ thuộc vào góc mở tức phụ thuộc vào
đường kính và tần số biến tử. Tuy nhiên, nếu xét tổn hao do mở rộng chùm tia

Trang 17


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

theo đơn vị chiều dài trường gần thì tổn hao là như nhau không phụ thuộc vào
biến tử.
Trong trường xa, khi quảng đường tăng lên 2 lần thì tổn hao là 50%.
Trong tổn hao được đặc trưng bởi hệ số suy giảm α là lượng tổn hao cho
một đơn vị khoảng cách
e-2 α= I2/I1 => α=1/2 ln (I2/I1 )

(1-5)

Trong đó : I2/I1 là tỷ số cường độ âm giữa 2 điểm cách nhau 1 đơn vị khoảng
cách.
Thang đo dB: để xác định hệ số tổn hao hay hệ số khuếch đại, người ta thường
dùng hệ đơn vị đề xi ben dB
Ta có :

dB= 20 log (I2/I1)

(1-6)

I2= 2I1 khi chuyển sang dB sẽ là 6 dB
I2= 10I1 khi chuyển sang dB sẽ là 20 dB
Do đó, hệ số tổn hao sẽ được đo bằng dB/mm
Âm trở Z là một đặc tính âm của vật liệu, được tính bằng tích số của mật
độ của vật liệu p và vận tốc sóng âm trong vật liệu đó là V
Âm trở = mật độ * vận tốc

Z = p* V

(1-7)

Khi năng lượng truyền qua mặt phân giới giữa hai môi trường hoàn toàn
giống nhau lý tưởng, vận tốc âm giống nhau và năng lượng âm hoàn toàn truyền
qua mặt phân giới. Tỷ số âm trở giữa 2 môi trường này bằng 1. Khi tỷ số âm
khác 1. Một phần năng lượng sẽ truyền qua và một phần năng lượng sẽ phản xạ
trở về đầu dò.
Hệ số phản xạ
Hệ số truyền qua

R =(Z2 –Z1)2/(Z2 +Z1)2
I=1–R

Trang 18

(1-8)
(1-9)

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

Vậy năng lượng âm phát ra từ các đầu dò bị các tổn thất sau:
-

Tổn thất do truyền qua phụ thuộc vào vật liệu và điều kiện bề mặt.

-

Tổn thất do hấp thụ phụ thuộc vào vật liệu kiểm tra trong đó gồm cả
modun đàn hồi, mật độ và kích thước hạt.

-

Tổn thất do mở rộng chùm tia phụ thuộc vào chiều dài đường truyền.

Cổng hưởng:
Là hiện tượng dao động của vật thể đạt biên độ cực đại khi tần số của dao
động kích thích bằng tần số riêng của vật thể.
Trong kiểm tra siêu âm, cộng hưởng tạo ra hiệu suất tối đa trong thu, phát
siêu âm. Khi đó, chiều dài của biến tử phải bằng ½ bước sóng
Khi cộng hưởng, chiều dày của vật kiểm tra bằng số nguyên lần của ½ bước
sóng.
Khi đó máy siêu âm phát ra liên tục sóng siêu âm có tần số thay đổi. Tần số
cộng hưởng cao nhất F sẽ cho biết chiều dày vật liệu.
F = V / 2T và T = V/2T

(1-10)

1.2.5 Biểu hiện của sóng siêu âm

Phản xạ và truyền qua khi sóng tới thẳng góc
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 biên giới này. Khi bề mặt tại đó xảy ra
sự phản xạ gọi là mặt phân giới. 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 lớn thì phần lớn năng lượng sẽ phản xạ trở lại và chỉ một phần nhỏ
năng lượng truyền qua biên 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.
Định lượng, phần năng lượng siêu âm bị phản xạ khi sóng siêu âm tới

Trang 19


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

thẳng góc với mặt phân cách hai môi trường có âm trở khác nhau được cho như
sau:
Cường độ sóng siêu âm bị phản xạ tại biên giới

Hệ số phản xạ

=

Cường độ sóng siêu âm tới biên giới

⎛ Z − Z1 ⎞
I
⎟

R = r = ⎜⎜ 2
I i ⎝ Z1 + Z 2 ⎟⎠

2

Trong đó:
R – Hệ số phản xạ.
Z1 – Âm trở của môi trường 1.
Z2 –Âm trở của môi trường 2.
Ir – Cường độ sóng siêu âm phản xạ.
Ii – Cường độ sóng siêu âm tới.
Sóng phản xạ

(1-11)

Sóng tới
Môi Trường 1
Z1
Mặt phân giới 

Môi Trường 2
Z2

Sóng truyền qua
 

Hình 1.12: Môi tả môi trường truyền sóng

R=

I r ⎛ Z 2 − Z1 ⎞
⎟
=⎜
I i ⎜⎝ Z1 + Z 2 ⎟⎠

2

T
4Z1Z2
T= t =
=1− R
Ii (Z1 + Z2 )2

Trang 20

(1-12)


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

Như vậy hệ số truyền qua: T=1-R trong đó:
T- Hệ số truyền qua
R- Hệ số phản xạ
Phần năng luợng truyền qua được biên giới phân cách được cho bởi quan hệ:

Cường độ của sóng siêu âm được truyền qua biên giới
Hệ số truyền qua =
Cường độ của sóng siêu âm được truyền qua biên giới

T=

Tt
4Z1Z 2
=
= 1− R
Ii ( Z1 + Z 2 ) 2

(1-13)

Trong đó :
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
Khi sử dụng các giá trị âm trở 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 có tính thống nhất là hệ số phản xạ tiến đến 0 khi Z1 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 sẽ qua đạt tới 0 và
sự phản xạ sẽ là 100%. Các vật liệu này được gọi là có tính tương hợp kém.
Sự phản xạ và truyền qua khi sóng tới xiên góc:
Sự khúc xạ và chuyển đổi dạng sóng: Nếu sóng siêu âm tới mặt biên giới
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).

Trang 21

Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

Sóng dọc tới khi ấy được chia thành hai thành phần: Một phần là sóng dọc
và một phần là sóng ngang.
Ký hiệu L1 và S1 là thành phần dọc và sóng trượt trong môi trường 1 là
L2 và S2 là thành phần dọc và sóng trượt trong môi trường 2. 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.
αL - Góc tới của sóng dọc.
αt – Góc phản xạ của óng ngang.
βt – Góc khúc xạ của sóng ngang.
βL – Góc khúc xạ của sóng dọc

Hình 1.13: Hệ số phản xạ của âm áp đối với sóng ngang và dọc phản xạ
tại biên giới thép – không khí.
(a) Âm áp phản xạ của sóng dọc có một cực tiểu 13% ở góc tới 680. Điều
đó có nghĩa là phần còn lại của sóng được chuyển đổi thành sóng ngang.
(b) Khi sóng ngang có góc tới khoảng 300, thì chỉ có 13% của âm áp là ở
dạng sóng ngang. Phần còn lại sẽ chuyển đổi thành sóng dọc.
Kết luận

Trang 22


Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sai số khi sử dụng thiết bị siêu âm OLYMPUSNODTEC 2000D+ để kiểm tra chất lượng mối hàn cấu kiện giàn khoan

Qua việc nghiên cứu tổng quan về sóng siêu ở trong nước và trên thế giới
hiện nay ta thấy được tầm quan trọng và ứng dụng trong rất nhiều ngành công

nghiêp hiện nay. Trong công nghiệp xây dựng sóng siêu âm được dùng để kiểm
tra các khuyết tật trong bê tông như kiểm tra nứt trong bê tông, các vị trí co ngót
và tạo thành các lỗ hổng trong bê tông.
Trong y học người ta ứng dụng sóng siêu âm vào kiểm tra cơ thể và các cơ
quan chức năng của con người, kiểm tra, khám chữa bệnh và làm đẹp.
Trong công nghiệp gia công chế tạo cơ khí, kiểm tra siêu âm thường được
sử dụng để kiểm tra các sản phẩm đúc, rèn, cán và các mối hàn. Nó cũng được sử
dụng để kiểm tra các vật liệu tổng hợp, các mối dán. Nó có thể được sử dụng để
đo độ dày của hầu hết các vật liệu rắn và đo các khu vực bị ngập nước trên đường
ống dẫn khí trong nghành dầu khí. Phương pháp siêu âm cũng được dùng để
kiểm tra tách lớp cho các vật liệu kim loại được gia công bằng phương pháp cán.  
Sóng siêu âm hiện nay được áp dụng rất rộng rãi trong cuộc sống cũng
như các ngành công nghiệp chế tạo vì những lợi ích và tính kinh tế của nó. Khi
dùng sóng siêu âm thì các chi tiết được kiểm tra không bị ảnh hưởng đến cơ tính
cũng như chất lượng. Máy dùng để kiểm tra siêu âm gọn nhẹ nên cơ động trong
công tác kiểm tra. Kiểm tra siêu âm các mối hàn của thép ferrit sử dụng các đầu
dò sóng trượt cho mức độ tin cậy cao hơn nhiều khi dò khuyết tật mặt so với
phương pháp chụp ảnh phóng xạ. Kiểm tra siêu âm có thể được áp dụng trên một
phạm vi rộng hơn của cấu hình mối hàn so với phương pháp chụp ảnh phóng xạ.
Kiểm tra siêu âm so với chụp phóng xạ rẻ hơn, an toàn hơn cho môi
trường và con người. Vì lý do này nhiều nhà sản xuất sẽ chọn nó thay cho
phương pháp kiểm tra chụp ảnh phóng xạ.

Trang 23