Đồ án tốt nghiệp Ứng dụng của kỹ thuật siêu âm mảng điều pha trong quét ăn mòn

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

2


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................................................5
LỜI MỞ ĐẦU .......................................................................................................................................6
DANH MỤC VIẾT TẮT ......................................................................................................................8
DANH MỤC THUẬT NGỮ...............................................................................................................10
BẢNG BIỂU HÌNH ẢNH ..................................................................................................................11
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ SIÊU ÂM............................................................................13
1.1. Giới thiệu về phương pháp kiểm tra không phá hủy ...............................................................13
1.2. Cơ sở lý thuyết chung của phương pháp siêu âm ....................................................................13
1.2.1. Đặc trưng của quá trình truyền sóng................................................................................13
1.2.2. Quá trình phản xạ truyền qua khi sóng tới thẳng góc ......................................................16
1.2.3. Chùm tia siêu âm .............................................................................................................17
1.2.4. Các dạng sóng siêu âm ....................................................................................................20
1.2.5. Các phương pháp trong kiểm tra siêu âm ........................................................................22
1.2.6. Một số tiêu chuẩn của siêu âm.........................................................................................24
CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT SIÊU ÂM MẢNG ĐIỀU PHA (PAUT) TRONG QUÉT ĂN MÒN ......28
2.1. Khái quát về siêu âm mảng điều pha.......................................................................................28
2.1.1. Nguyên tắc hoặt động ......................................................................................................28
2.1.2. Hiển thị kết quả................................................................................................................29

2.2. Thiết bị sử dụng trong siêu âm mảng điều pha .......................................................................30
2.2.1. Các loại đầu dò ................................................................................................................30
2.2.2. Máy dò khuyết tật ............................................................................................................38
2.2.3. Chất tiếp âm .....................................................................................................................39
2.2.4. Mã hóa vị trí ....................................................................................................................39
2.2.5. Bộ quét.............................................................................................................................39
2.2.6. Nêm .................................................................................................................................40

3


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
2.2.7. Mẫu chuẩn .......................................................................................................................40
2.3. Dạng ăn mòn kim loại thường được phát hiện bằng siêu âm mảng điều pha..........................40
2.3.1. Phân loại theo cơ chế ăn mòn ..........................................................................................40
2.3.2. Các dạng khuyết tật ăn mòn ............................................................................................41
CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ĐO ĐẠC .................................................................43
3.1. Hệ đo trong quét ăn mòn .........................................................................................................43
3.2. Quy trình kiểm tra ...................................................................................................................53
3.3. Tiến hành quét ăn mòn ............................................................................................................57
3.4. Kết quả đo và giải đoán ...........................................................................................................57
KẾT LUẬN.........................................................................................................................................67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................................................68

4


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đồ án của mình, em xin chân thành cảm ơn ThS. Nguyễn Thế Phùng
đã tận tình hướng dẫn và luôn luôn động viên em trong suốt quá trình làm đồ án tốt
nghiệp.
Xin trân trọng cảm ơn Trung tâm Đánh giá Không phá hủy (NDE), đặc biệt là anh
Nguyễn Duy Lân đã tạo mọi điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất và kiến thức giúp em
trong thời gian thực tập và hoàn thành đồ án tốt nghiệp.
Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Viện kĩ thuật hạt nhân và Vật lý
môi trường, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình truyền đạt kiến thức trong
suốt những năm em học tập. Với vốn kiến thức trong quá trình học tập không chỉ là nền
tảng cho quá trình thực hiện, hoàn thành đồ án mà còn là hành trang quý báu để em bước
vào đời một cách vững chắc và tự tin.
Cuối cùng em xin kính chúc các thầy cô trong Viện kĩ thuật hạt nhân và Vật lý môi
trường, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội dồi dào sức khỏe và thành công trong sự
nghiệp cao quý của mình.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 6 năm 2018
Sinh viên thực hiện
Thạch
Nguyễn Duy Thạch

5


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Bên cạnh việc
sản xuất tạo ra các sản phẩm thì việc kiểm tra, đánh giá chất lượng sản phẩm là việc làm
rất cần thiết trước khi đưa vào sử dụng và xuất khẩu. Trước đây, việc đánh giá chất lượng
một sản phẩm trong công nghiệp người ta sử dụng phương pháp phá hủy (DT) làm ảnh

hưởng sản phẩm đó và sẽ không được sử dụng lại nữa, để đánh giá chất lượng của nhiều
sản phẩm thì người ta phá hủy một lượng sản phẩm nào đó rồi đánh giá chung cho toàn
bộ những sản phẩm còn lại. Điều này làm tổn hại khá lớn về mặt kinh tế và không thể
đánh giá được toàn bộ chất lượng của sản phẩm. Vì vậy câu hỏi đặt ra: làm sao để đánh
giá được chất lượng của sản phẩm một cách nhanh chóng mà không làm mất đi tính năng
sử dụng của chúng và phải đánh giá được toàn bộ sản phẩm. NDT: Non-Destructive
Testing tạm dịch là kỹ thuật kiểm tra không phá hủy mẫu ra đời đã giải quyết được câu
hỏi trên.
Kể từ đó đến nay đã có nhiều phương pháp kiểm tra không phá hủy đã ra đời và được
ứng dụng rất phổ biến và rộng rãi đặc trong nhiều lĩnh vực khác như y tế và công nghiệp...
Trong đó, Siêu âm mảng điều pha (PAUT) đã tạo nên cuộc cách mạng về chẩn đoán
trong y học và giờ đây đang là một trong các phương pháp NDT được chấp nhận và sử
dụng rộng rãi ở các nước trên thế giới. Những năm gần đây, siêu âm mảng điều đang
được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như dầu khí, năng lượng, hàng không, vận tải,
v.v… nhờ ưu điểm đưa ra được hình ảnh siêu âm trực quan hơn và tin cậy hơn. Kỹ thuật
siêu âm này giúp kiểm tra một cách linh hoạt và hiệu quả các khuyết tật mối hàn cũng
như khuyết tật ăn mòn ở bề mặt cũng như sâu bên trong vật liệu đồng nhất và thường
được sử dụng để kiểm tra mối hàn, ăm mòn cho thép-cacbon. Do đó quá trình làm đồ án
tại Trung tâm Đánh giá Không phá hủy (NDE) em đã lựa chọn đề tài: “Ứng dụng của
kỹ thuật siêu âm mảng điều pha trong quét ăn mòn” dưới sự hướng dẫn của CN.
Nguyễn Duy Lân.
Với mục đích của đề tài là:
 Xác định được hệ đo của kỹ thuật siêu âm mảng điều pha trong quét ăn mòn
6


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
 Chuẩn thiết bị đo, các bước quét mẫu ống bị ăn mòn thực tế
Nội dung của đồ án gồm:
 Tìm hiểu về phương pháp siêu âm

 Sử dụng kỹ thuật siêu âm mảng điều pha cho quét ăn mòn
 Chuẩn đoán kết quả đo dạng khuyết tật ăn mòn của một số mẫu ống trong công
nghiệp

7


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

DANH MỤC VIẾT TẮT
Ký hiệu
NDT

Tiếng anh
Non Destructive Testing

DT

Destructive Testing

RF

Radio Frequency

PAUT

Phased Array Ultrasonic

Tiếng việt
Kiểm tra không phá hủy

Kiểm tra phá hủy
Tần số sóng
Kiểm tra siêu âm mảng điều pha

Testing
NDE

Non Destructive Evaluation

TCG

Time Corrected Gain

Đánh giá không phá hủy
Tăng âm hiệu chỉnh theo thời
gian

LW
L-scan

Zero and Velocity

Hiệu chuẩn “zero” và vận tốc

Longitudinal wave

Sóng dọc

Linear scan

C-scan %

Kiểu quét tuyến tính
C-scan Hiển thị mã hóa màu theo
biên độ xung đáy
C-scan Hiển thị mã hóa màu theo

C-scan

bề dày
RT

Radiographic Testing

Phương pháp chụp ảnh phóng xạ
dùng film

UT

Ultrasonic Testing

PT

Liquid Penetrant Testing

Phương pháp kiểm tra siêu âm
Phương pháp kiểm tra thẩm thấu
chất lỏng
Phương pháp kiểm tra bột từ

MT

Magnetic Particle Testing

ET

Eddy Current Testing

Phương pháp kiểm tra dòng xoáy

DR

Digital Radiographic Testing

Phương pháp chụp ảnh phóng xạ
kỹ thuật số

ASME

American Society of

Hiệp Hội Kỹ Sư Cơ Khí Hoa Kỳ

Mechanical Engineers
8


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ASTM

American Society for Testing
and Materials

ISO

International Organization for

Hiệp Hội Thử Nghiệm và Vật
Liệu Hoa Kỳ
Tổ Chức Tiêu Chuẩn Quốc Tế

Standardization
BSI

British Standards Institution

Viện Tiêu Chuẩn Anh

JISC

Japanese Industrial Standards

Ủy Ban Tiêu Chuẩn Công Nghiệp

Committee
IIW

International Institution of

Nhật Bản

Viện Hàn Quốc Tế

Welding

9


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

DANH MỤC THUẬT NGỮ
 Kỹ thuật: Là một phương pháp cụ thể trong đó sử dụng một phương pháp NDT
đặc thù. Mỗi kỹ thuật kiểm tra được nhận dạng bởi ít nhất một tham số thay đổi
quan trọng đặc biệt từ một kỹ thuật khác trong phạm vi của phương pháp đó
(Ví dụ: Phương pháp chụp ảnh bức xạ (RT); có các kỹ thuật tia X/tia gamma).
 Quy trình: Trong kiểm tra không phá hủy, quy trình kiểm tra là một dãy thứ tự
các quy tắc hoặc các hướng dẫn được trình bày một cách rất chi tiết, ở đâu,như
thế nào và ở bước nào thì một phương pháp NDT nên được áp dụng vào một
quá trình sản xuất.

 Tiêu chuẩn: Là các tài liệu quy định và hướng dẫn các cách thực hiện khác
nhau diễn ra trong quá trình chế tạo một sản phẩm công nghiệp. Những tiêu
chuẩn mô tả những yêu cầu kỹ thuật đối với một vật liệu, quá trình gia công,
sản phẩm, hệ thống hoặc dịch vụ. Chúng cũng chỉ ra những quy trình, phương
pháp, thiết bị hoặc quá trình kiểm tra để xác định rằng những yêu cầu đó đãđược
thoả mãn

10


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

BẢNG BIỂU HÌNH ẢNH
Hình 1: Mô tả phương trình truyền sóng .................................................................... 14
Hình 2: Chùm tia siêu âm phát ra từ các biến tử ........................................................ 18
Hình 3: Biên độ sóng trường gần và trường xa theo khoảng cách ............................. 18
Hình 4: Các vùng nén và dãn xen kẽ dọc theo phương truyền sóng .......................... 20
Hình 5: Dao động của sóng ngang.............................................................................. 20
Hình 6: Sự lan truyền sóng rayleigh ........................................................................... 21
Hình 7: Dạng sóng bản mỏng ..................................................................................... 22
Hình 8: Phương pháp xung phản hồi .......................................................................... 22
Hình 9: Phương pháp truyền qua ................................................................................ 23
Hình 10: Siêu âm mảng điều pha (PAUT) ................................................................. 29
Hình 11: Đầu dò hai mảng biến tử ............................................................................. 31
Hình 12: Đầu dò nhúng .............................................................................................. 31
Hình 13: Đầu dò bề mặt cong ..................................................................................... 32
Hình 14: Đầu dò có độ đâm xuyên tốt ........................................................................ 33
Hình 15: Đầu dò nhỏ gọn ........................................................................................... 34
Hình 16: Đầu dò tích hợp nêm ................................................................................... 34
Hình 17: Đầu dò đa năng ............................................................................................ 35
Hình 18: Đầu dò vùng chết ngắn ................................................................................ 36
Hình 19: Đầu dò kiểm tra góc với mảng biến tử cong ............................................... 36
Hình 20: Đầu dò mảng biến tử hai chiều kép ............................................................. 37
Hình 21: Đầu dò kiểm tra mối hàn ............................................................................. 38
Hình 22: Hệ đo ăn mòn thực tế................................................................................... 43
Hình 23: Sơ đồ khối hệ đo ăn mòn ............................................................................. 44
Hình 24: Chất tiếp âm sonagel- W250 ....................................................................... 44
Hình 25: Bình tiếp âm nước ....................................................................................... 45
Hình 26: Máy VEO 16:128 ........................................................................................ 45
Hình 27: Hiển thị dạng A-scan ................................................................................... 46
11

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Hình 28: Hiển thị B-scan ............................................................................................ 47
Hình 29: Hiển thị L-scan ............................................................................................ 48
Hình 30: C-scan % mã hóa theo biên độ xung phản xạ đáy của một đoạn ống ......... 48
Hình 31: C-scan

mã hóa màu theo chiều dày của một đoạn ống ............................ 49

Hình 32: Đầu dò thẳng góc và nêm ............................................................................ 50
Hình 33: Bộ quét siêu âm bánh xe từ ......................................................................... 51
Hình 34: Bộ mã hóa vị trí ........................................................................................... 51
Hình 35: Mẫu chuẩn bậc thang ................................................................................... 52
Hình 36: Thiết bị đo đạc ............................................................................................. 53
Hình 37: Quá trình làm sạch bề mặt ........................................................................... 53
Hình 38: Hiển thị A-scan trong chuẩn vận tốc ........................................................... 55
Hình 39: Chuẩn độ trễ nêm......................................................................................... 55
Hình 40: Mẫu chuẩn bậc thang ................................................................................... 56
Hình 41: Hiển thị chuẩn độ nhạy ................................................................................ 57
Hình 42: Mẫu ống M1 ................................................................................................ 58
Hình 43: Hiển thị C-scan mã hóa màu theo chiều dày ống M1 ................................. 58
Hình 44:Dữ liệu chuẩn đoán ăn mòn mẫu M1 ........................................................... 59
Hình 45: Dữ liệu chuẩn đoán phần khoanh tròn mẫu M1 .......................................... 60
Hình 46: Mẫu ống M2 ................................................................................................ 61
Hình 47: Hiển thị C-scan mã hóa theo chiều dày ống M2 ......................................... 61
Hình 48:Dữ liệu chuẩn đoán ăn mòn mẫu M2 ........................................................... 62
Hình 49: Mẫu ống M3 ................................................................................................ 63
Hình 50: Hiển thị C-scan mã hóa chiều dày ống M3 ................................................. 63
Hình 51: Mẫu ống M4 ................................................................................................ 64

Hình 52: Hiển thị C-scan mã hóa theo chiều dày ống M4 ......................................... 64
Hình 53: Dữ liệu chuẩn đoán mẫu M4 ....................................................................... 65

12


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ SIÊU ÂM
1.1. Giới thiệu về phương pháp kiểm tra không phá hủy
Phương pháp kiểm tra không phá hủy (Non-Destructive Testing-NDT) là việc sử dụng
các phương pháp vật lý để kiểm tra phát hiện các khuyết tật bên trong hoặc ở bề mặt vật
kiểm mà không làm tổn hại đến khả năng sử dụng của chúng [1]. Các dạng khuyết tật có
thể được phát hiện bởi phương pháp kiểm tra không phá hủy như vết nứt, rỗ khí, ngậm
xỉ, tách lớp, không ngấu, không thấu trong các mối hàn, kiểm tra ăn mòn của kim loại,
tách lớp của vật liệu composite.
Các phương pháp thường được sử dụng trong kiểm tra không phá hủy như :
 Phương pháp chụp ảnh phóng xạ dùng phim (RT)
 Phương pháp chụp ảnh phóng xạ kỹ thuật số (DR)
 Phương pháp kiểm tra siêu âm (UT)
 Phương pháp kiểm tra thẩm thấu chất lỏng (PT)
 Phương pháp kiểm tra bột từ (MT)
 Phương pháp kiểm tra bằng dòng điện xoáy (ET)
Trong đó, phương pháp siêu âm là một trong các phương pháp được ứng dụng rộng
rãi để đo chiều dày vật liệu, đánh giá ăn mòn, phát hiện tách lớp và phát hiện khuyết tật
trong mối hàn và các kết cấu kim loại và composite. Phương pháp cũng được sử dụng
rộng rãi để đánh giá cường độ bê tông, khuyết tật (lỗ rỗng, vết nứt trong bê tông). Ưu
điểm nổi bật của phương pháp là nhanh, chính xác, thiết bị tương đối rẻ, và có thể cho ta
biết cả chiều sâu của khuyết tật.
1.2. Cơ sở lý thuyết chung của phương pháp siêu âm

Định nghĩa sóng siêu âm: Siêu âm là các sóng âm có giải tần số vượt khỏi giải tần
số mà tai người có thể nghe được, thông thường nó vào cỡ 20.000 Hz trở lên. Các sóng
siêu âm có giải tần số từ 0.5 MHz đến 20 MHz được sử dụng trong kiểm tra vật liệu [3].
1.2.1. Đặc trưng của quá trình truyền sóng
Là dạng sóng dao động cơ học. Khi một sóng cơ học truyền qua môi trường thì dịch
chuyển của một hạt môi trường khỏi vị trí cân bằng ở thời điểm bất kỳ t là:
13


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
A=A0sin2πft

(1)

Trong đó:
A0 và A lần lượt là biên độ dao động, độ dịch chuyển của hạt ở thời điểm t

Hình 1: Mô tả phương trình truyền sóng
Do trong thời gian một chu kỳ T, một sóng cơ học có vận tốc v truyền đi được quãng
đường là λ do đó: λ= vT

(2)

Chu kỳ liên hệ với tần số f bởi: f = 1/T
Từ (2) và (3) suy ra: v = λf

(3)
(4)

Trong đó: f có đơn vị là Hz, v đơn vị là mm/s.

1.2.1.1. Tần số
Tần số của một sóng là tần số dao động của các nguyên tử của môi trường mà trong
đó sóng truyền và được ký hiệu là f (Hz). Các thiết bị hiện đại có thể phát ra sóng tần số
đến giải GHz [3]. Tuy nhiên trong kiểm tra vật liệu tần số sóng siêu âm thường sử dụng
tần số trong giải 0,5MHz đến 20MHz còn với kiểm tra kim loại dải tần số phổ biến nhất
là từ 1MHz đến 10MHz.
1.2.1.2. Âm trở
Là sức cản của một vật liệu đối với sức truyền sóng siêu âm, ký hiệu là Z và được xác
định là tích số của mật độ vật liệu ρ với vận tốc v của sóng truyền trong vật liệu:
Z=ρv

(5)

1.2.1.3. Âm áp
Âm áp là thuật ngữ dùng để chỉ biên độ 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 A của hạt là:
P= Z.A

(6)
14


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Như vậy dù nó có giá trị nhỏ nhất nhưng vẫn cần một thời gian xác định để năng lượng
siêu âm truyền từ lớp này qua lớp kế tiếp, nên pha dao động của mỗi lớp khác nhau dù
nhỏ nhưng vẫn là lượng xác định.
Bảng 1: Khối lượng riêng, vận tốc sóng âm và âm trở của các vật liệu thông dụng
Vật liệu

Mật độ

(kg/m3)

Vận tốc

Vận tốc

sóng ngang

sóng dọc

(Vt) (m/s)

(Vl) (m/s)

Z
x103kg.m-2.s-1

Không khí

1,3

--

330

430

Nhôm

2700

3130

6320

17064

Oxide nhôm

3600

5500

9000

32400

Titanate barium

5400

--

5000

27000

Đồng thau

8100

2120

4430

35883

Gang

6900

2200

5300

24150

Bê tông

2000

--

4600

9200

Đồng

8900

2260

4700

41830

Thủy tinh

3600

2560

4260

15330

Glycerine

1300

--

1920

2496

Sắt xám

7200

2650

4600

33120

Chì

11400

700

2600

24624

Magnesium

1700

3050

5770

9809

Dầu nhớt

870

--

1740

1514

Nickel

8800

2960

5630

49544

Nylon

1140

--

2700

3000

Dầu olive

900

--

1400

1300

Teflon

2200

550

1350

3000

Thủy tinh hữu cơ

1180

1430

2730

3221

Polyamine (nylon)

1100

1080

2620

2882

Polyethylene

940

925

2340

2200

Polystyrol

1060

1150

2380

2523
15


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Poly vinyl chroride

1400

1060

2395

3353

Thạch anh

2650

--

5760

15264

Thủy tinh thạch anh

2600

3515

5570

24482

Cao su lưu hóa

1200

--

2300

2800

Bạc

10500

1590

3600

37800

Thép (hợp kim thấp)

7850

3250

5940

46620

Thép (dạng khối chuẩn

7850

3250

5920

46472

Thép (nguyên chất)

7800

3130

5740

44800

Titanium

4500

3120

5990

27000

Tungsten

19300

2880

5170

100000

Tungsten avaldite

10500

--

2060

21650

Uranium

18700

2020

3370

63000

Nước

1000

--

1480

1480

định)

1.2.2. Quá trình phản xạ truyền qua khi sóng tới thẳng góc
1.2.2.1. Cường độ phản xạ và truyền qua của sóng siêu âm
Khi sóng siêu âm tới bề mặt giữa hai môi trường thì một phần sẽ bị phản xạ lại và phần
còn lại sẽ truyền qua ranh giới giữa hai môi trường. Phần năng lượng sóng âm bị phản
xạ và truyền qua phụ thuộc vào sự khác biệt âm trở giữa hai môi trường. Nếu sự khác
biệt này lớn thì phần lớn năng lượng sẽ phản xạ trở lại và phần truyền qua ít, ngược lại
nếu sự khác biệt giữa âm trở của hai môi trường là nhỏ thì phần nhỏ năng lượng sẽ phản
xạ lại và phần lớn năng lượng sẽ truyền qua [3].
Về mặt định lượng thì phần năng lượng siêu âm bị phản khi sóng siêu âm tới thẳng
góc với mặt phân cách giữa hai môi trường có âm trở khác nhau được đưa ra như sau:
Hệ số phản xạ =
Hay R=

𝐼𝑟
𝐼𝑖

=(

𝑐ườ𝑛𝑔 độ 𝑐ủ𝑎 𝑠ó𝑛𝑔 𝑠𝑖ê𝑢 â𝑚 𝑏ị 𝑝ℎả𝑛 𝑥ạ 𝑡ạ𝑖 𝑟𝑎𝑛ℎ 𝑔𝑖ớ𝑖
𝑐ườ𝑛𝑔 độ 𝑠ó𝑛𝑔 â𝑚 𝑡ớ𝑖 𝑟𝑎𝑛ℎ 𝑔𝑖ớ𝑖

𝑍2−Z1 2

𝑍1+𝑍2

)

(7)

(8)

Trong đó: R là hệ số phản xạ
16


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Z1 là âm trở của môi trường 1
Z2 là âm trở của môi trương 2
Ir là cường độ sóng siêu âm phản xạ
Ii là cường độ sóng siêu âm tới
Phần năng lượng truyền qua được ranh giới phân cách giữa hai môi trường được cho
bởi:
Hệ số truyền qua =
Hay T=

𝐼𝑡
𝐼𝑖

=

𝑐ườ𝑛𝑔 độ 𝑐ủ𝑎 𝑠ó𝑛𝑔 𝑠𝑖ê𝑢 â𝑚 𝑡𝑟𝑢𝑦ề𝑛 𝑞𝑢𝑎 𝑟𝑎𝑛ℎ 𝑔𝑖ớ𝑖
𝑐ườ𝑛𝑔 độ 𝑠ó𝑛𝑔 â𝑚 𝑡ớ𝑖 𝑟𝑎𝑛ℎ 𝑔𝑖ớ𝑖

4𝑍1.𝑍2
(𝑍1+𝑍2)2

(9)

(10)

Với T là hệ số truyền qua
It là cường độ sóng siêu âm truyền qua
Mối quan hệ giữa hệ số truyền qua và hệ số phản xạ là: T= 1-R

(11)

1.2.2.2. Âm áp truyền qua và âm áp phản xạ
Các quan hệ âm áp phản xạ và truyền qua với âm trở của hai môi trường là:
Pr =
Pt=

𝑍2−𝑍1
𝑍1+𝑍2
2.𝑍2
𝑍1+𝑍2

(12)
(13)

Trong đó : Pr là âm áp phản xạ
Pt là âm áp truyền qua
Từ các phương trình (12) và (13) cho thấy Pr có thể âm hoặc dương và Pt có thể lớn
hơn hoặc nhỏ hơn 1 phụ thuộc vào Z1 và Z2. Khi Z2> Z1 (tức trường hợp ranh giới giữa
nước và thép), thì Pr là dương và Pt >1. Điều này có nghĩa âm áp phản xạ cùng pha với
âm áp tới và âm áp truyền qua lớn hơn âm áp tới [3].
1.2.3. Chùm tia siêu âm
Vùng mà sóng siêu âm truyền từ một biến tử siêu âm gọi là chùm tia siêu âm. Chùm
tia siêu âm phân thành hai vùng là trường gần và trường xa.
Cường độ biến thiên dọc theo khoảng cách trục đối với một biến tử thực tế cho thấy
cường độ thay đổi qua một số cực đại và cực tiểu. Cực tiểu cuối cùng xuất hiện tại N,
trong đó N là chiều dài trường gần. Sau độ dài trường gần N, cường độ giảm liên tục. Từ
17


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
khoảng cách gần bằng ba lần N thì âm áp tại tâm trục sẽ giảm theo tỷ lệ nghịch với
khoảng cách và chùm tia siêu âm sẽ phân kỳ theo một góc không đổi, vùng này được gọi
là trường xa. Các đại lượng mô tả hình dạng của trường âm một các gần đúng tiện dụng
trong thực tế là độ dài vùng trường gần N và góc phân kỳ gamma. Hai giá trị này là một
hàm số của đường kính tinh thể “D” và tần số “f” và vận tốc sóng âm “v”.

Hình 2: Chùm tia siêu âm phát ra từ các biến tử

Hình 3: Biên độ sóng trường gần và trường xa theo khoảng cách
Ghi chú: k/c là khoảng cách.

18

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1.2.3.1. Trường gần
Một biến áp điện tử được xem là tập hợp của các nguồn điểm, mà mỗi điểm phát sóng
siêu âm cầu vào môi trường xung quanh. Các sóng cầu này giao thoa với nhau và tạo
thành một chuỗi các cực đại và các cực tiểu của cường độ trong vùng gần biến tử, vùng
này được gọi là trường gần. Trường gần của một chùm tia siêu âm có độ rộng gần bằng
đường kính của tinh thể biến tử. Tuy nhiên, nó bị giảm dần đến cuối trường gần được
gọi là điểm hội tụ [3].
Những khuyết tật nằm trong trường gần cần phải được giải đoán một cách cẩn thận vì
rằng những khuyết tật xuất hiện trong vùng này có thể gây ra nhiều xung chỉ thị và biên
độ của xung phản xạ từ khuyết tật biến thiên rất đáng kể nếu khoảng cách hiệu dụng đến
đầu dò thay đổi. Điều này đặc biệt đúng trong trường hợp các khuyết tật nhỏ hơn kích
thước tinh thể. Trường gần được xác định bởi công thức:
N=

𝐷2
4𝜆

=

𝐷2 .𝑓
4𝑉

(14)

Trong đó:
N là chiều dài trường gần
D là đường kính của biến tử
V là vận tốc sóng âm trong vật liệu

f là tần số
λ là bước sóng [3].
1.2.3.2. Trường xa
Vùng nằm ngoài vùng trường gần là gọi là trường xa. Vùng ở trường xa nằm giữa một
lần và ba lần chiều dài trường gần gọi là vùng chuyển tiếp vì có sự chuyển tiếp, về hình
dạng mặt sóng chuyển từ phẳng sang cầu ở vùng này [3].
Cường độ phản xạ của sóng siêu âm từ khuyết tật nằm trong vùng trường xa phụ thuộc
vào kích thước của khuyết tật tương quan với kích thước chùm tia. Nếu khuyết tật rộng
hơn chùm tia thì cường độ phản xạ tuân theo quy luật tỉ lệ nghịch với khoảng cách, ngược
lại nếu kích thước của khuyết tật nhỏ hơn kích thước của chùm tia thì cường độ phản xạ
biến thiên tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách [3].
19


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1.2.4. Các dạng sóng siêu âm
1.2.4.1. Sóng dọc (sóng nén)
Sóng dọc là một loại sóng cơ học mà nó tạo ra các vùng nén và dãn xen kẽ nhau, có
phương dao động trùng với phương truyền sóng.
Sóng dọc truyền trong tất cả các môi trường rắn, lỏng, khí. Do loại sóng siêu âm này
có thể phát và thu nhận dễ dàng nên được dùng phổ biến nhất trong kiểm tra siêu âm.
Phần năng lượng siêu âm sử dụng trong kiểm tra vật liệu đều xuất phát từ dạng sóng này
và rồi chuyền sang các dạng sóng khác trong các kiểm tra chuyên dụng.

Hình 4: Các vùng nén và dãn xen kẽ dọc theo phương truyền sóng
1.2.4.2. Sóng ngang (sóng trượt)
Là sóng lan truyền trong đó các dao động diễn ra theo phương vuông góc với phương
truyền năng lượng. Trong hệ tọa độ ba chiều vuông góc Oxyz nếu sóng lan truyền theo
chiều dương của trục x, thì dao động diễn ra ở hướng lên và xuống trong mặt y-z.

Hình 5: Dao động của sóng ngang
Sóng ngang cơ học chỉ truyền được trong chất rắn và trên bề mặt chất lỏng. Thoạt nhìn
thì chúng ta có cảm giác sóng ngang chuyển động theo chiều ngang nhưng thực chất thì
20


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
các phần tử của sóng chuyển động lên và xuống theo chiều vuông góc với phương truyền
sóng liên tiếp nhau tạo thành sóng ngang.
1.2.4.3. Sóng mặt (sóng Rayleigh)

Hình 6: Sự lan truyền sóng rayleigh
Sóng Rayleigh là một loại sóng bề mặt di chuyển gần bề mặt của chất rắn. Sóng
Rayleigh bao gồm cả chuyển động dọc và ngang có biên độ giảm theo cấp số nhân khi
khoảng cách di chuyển tăng lên. Có chênh lệch pha giữa các thành phần của chuyển
động. Ở chất rắn đẳng hướng sóng này làm cho các hạt ở bề mẳ di chuyển theo
hình elip trong mặt phẳng vuông góc với bề mặt và song song với hướng lan truyền –
trục chính của hình elip là dọc. Ở bề mặt và gần bề mặt chuyển động này là ngược, đó là
chuyển động của hạt trên về mặt ngược chiều kim đồng hô khi sóng di chuyển từ trái
sang phải. Ở độ sâu lớn hơn hạt chuyển động trở nên thuận, cùng chiều di chuyển của
sóng. Ngoài ra, biên độ chuyển động giảm dần và độ lệch tâm thay đổi khi độ sâu tăng.
Độ sâu của sự di chuyển lớn trong chất rắn xấp xỉ bằng bước sóng âm thanh [4].
1.2.4.4. Sóng bản mỏng (sóng Lamb)
Sóng bản mỏng là sóng được xuất hiện do sóng mặt truyền vào một vật liệu có độ dày
bằng hoặc nhỏ hơn ba lần bước sóng của nó. Vật liệu bắt đầu dao động như một bản
21


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
mỏng tức là sóng tràn ngập toàn bộ bề mặt của vật liệu và được gọi là sóng lamb do lý

thuyết mô tả sóng này bởi nhà vật lý Horace Lamb vào năm 1916. Không giống các sóng
khác vận tốc sóng lamb trong vật liệu phụ thuộc vào vật liệu, bề dày vật liệu, tần số và
dạng sóng. Sóng lamb tồn tại dưới nhiều dạng phức hợp của dao động hạt, chủ yếu là hai
dạng:
Dạng đối xứng hay dạng dãn nở

Dạng phản đối xứng hay dạng uốn
cong

Hình 7: Dạng sóng bản mỏng

1.2.5. Các phương pháp trong kiểm tra siêu âm
1.2.5.1. Phương pháp xung phản hồi

Hình 8: Phương pháp xung phản hồi
Phương pháp này sử dụng rất phổ biến trong kiểm tra vật liệu bằng siêu âm. Đầu dò
phát và thu đặt cùng một phía của mẫu và hiện diện của một khuyết tật được chỉ thị bằng
22


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
sự nhận được 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 sự 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. Phương pháp này 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. Nhược điểm của phương pháp này là sự suy giảm âm nhanh nên khó kiểm
tra được mẫu vật có cấu trúc hạt thô, kích thước lớn…
1.2.5.2. Phương pháp truyền qua
Đầu dò phát và thu đặt ở hai bên phía đối diện của đối tượng kiểm tra, sự tồn tại bất

liên tục thể hiện sự suy giảm hoặc mất chỉ thị tín hiệu thu trên màn hình. Phương pháp
này dùng để kiểm tra vật liệu kích thước lớn, suy giảm âm cao. Nhược điểm của phương
pháp truyền qua là không cho biết vị trí bất liên tục vàphụ thuộc vào sự thẳng hàng của
hai đầu dò.

Hình 9: Phương pháp truyền qua
1.2.5.3. Phương pháp cộng hưởng
Sóng siêu âm lan truyền trong vật liệu có chiều dày bằng bội số lần của một nửa chiều
dài sóng thì xảy ra hiện tượng cộng hưởng. Cường độ lớn. Phương pháp này thường
được sử dụng trong kiểm tra chiều dày, mối ghép dán…
1.2.5.4. Phương pháp tự động và bán tự động
Hệ thống tự động trong kiểm tra siêu âm là một hệ thống kiểm tra có thể điều khiển
các đầu dò bằng cơ, tự động ghi lại kết quả kiểm tra và xử lý số liệu kiểm tra. Hệ thống
23


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
này gồm một hoặc nhiều đầu dò được đặt lên trên vật thể kiểm tra và được di chuyển qua
vật thể kiểm tra bằng một thiếu bị điều khiển theo một sơ đồ quét cho trước. 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. Ưu điểm của phương pháp này là hạn chế được thao tác chuyển đổi
nên hạn chế những lỗi do con người gây ra trong quá trình kiểm tra, tiết kiệm được sức
người hoặc giảm thời gian làm việc do tăng tốc kiểm tra và tự động phân tích kết quả và
đánh giá kết quả nhờ hệ thống được điều khiển bằng máy tính.
1.2.6. Một số tiêu chuẩn của siêu âm
1.2.6.1. Tiêu chuẩn về thuật ngữ
Các tiêu chuẩn này nhằm giải thích những ý nghĩa các ngôn ngữ kỹ thuật khác hoặc
khái niệm dùng trong NDT. Vì vậy nó là yếu tố cần thiết để tránh sai sót hiểu lầm giữa
người sử dụng và người đặt hang dịch vụ NDT. Một số tiêu chuẩn thuật ngữ:
-

DIN 54119 (1981) : những thuật ngữ và khái niệm trong kiểm tra siêu âm

-

BS 3683 phần 4 (1985): từ điển thuật ngữ sử dụng trong quá trình phát hiện khuyết
tật bằng siêu âm. Định nghĩ các tiêu chuẩn về thuật ngữ liên quan đến kiểm tra
siêu âm
JIS Z 2300-91: từ điển thuật ngữ được sử dụng trong kiểm tra không phá hủy.

-

1.2.6.2. Độ nhạy
a. Tiêu chuẩn JIS Z 3060-83
- Phương pháp chùm tia góc thường: Mẫu chuẩn STB-A2: trong trường hợp đầu
dò góc 60˚ và 70˚ chiều cao xung phản hồi từ lỗ Ø 4x4 được điều chỉnh đến mức
H của đường cong đặc trưng biên độ khoảng cách. Trong trường hợp đầu dò góc
45˚, độ nhạy được tăng lên 6dB sau khi điều chỉnh đến mức H.
-

Mức chuẩn đánh giá cho quá trình quét kim loại cơ bản nằm sát mối hàn, quét
trực tiếp trên mối hàn và quét hai bên mối hàn bởi sự động ý của khách hàng.

-

Chiều cao xung phản hồi quét theo kỹ thuật đầu dò nối tiếp nhau từ một khuyết
tật nằm ngoài diện tích của bật thể kiểm tra được điều chỉnh đến mức M và sau
đó độ nhạy được tăng lên 10dB hoặc 14dB.

b. ASME section V điều 5

24


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
-

Đường cong hiệu chỉnh biên độ khoảng cách được thiết lập bằng cách điều chỉnh
chiều cao xung phản hồi đạt cực đại từ một trong số các lỗ khoang tại vị trí T/4,
T/2 và hồi từ các lỗ còn lại, nhưng phải duy trì vời cùng một độ nhạy. Đường
cong này được sử dụng như là mức chuẩn.

1.2.6.3. Tần số biến tử
 JIS Z 3060-83: 2 (2,25) MHz và 5 (4) MHz
 ASME section V điều 5: 2,25 MHz (trừ những việc cần thiết khác)
 BS 3923 phần 1: từ 1 đến 6 MHz
1.2.6.4. Độ phân giải đầu dò thẳng
 ASME section V điều 5: không quy định rõ
 BS 3923 phần 1: theo BS 2704
 JIS Z 3060-83
Bảng 2: Tiêu chuẩn JIS về độ phân giải đầu dò
Tần số kiểm tra (MHz)

Phân loại

2 (2,25)
5 (4)

A hoặc B
A

1.2.6.5. Vùng chết
 JIS Z 3060-83
Bảng 3: Tiêu chuẩn JIS về vùng chết
Kích thức biến tử
10x10
Đầu dò
góc
20x20

Tần số (MHz)
2 (2,25)

25mm hoặc nhỏ hơn

5 (4)

15mm hoặc nhỏ hơn

2 (2,25)

30mm hoặc nhỏ hơn

5 (4)
Đầu dò
thẳng

Vùng chết

--------------------

2 (2,25)

15mm hoặc nhỏ hơn

5 (4)

15mm hoặc nhỏ hơn

 ASME section V điều 5: không quy định rõ
 BS 3923 phần 1: không quy định rõ
25