Bài 1 cơ sở nguyên lý của phương pháp siêu âm

Phương pháp kiểm tra siêu âm


Bài 1. Cơ sở nguyên lí
• Lịch sử-Nguyên lí
• Bản chất siêu âm
• Đặc trưng lan truyền
sóng âm
• Các loại sóng siêu âm

• Biểu hiện của sóng siêu
âm
• Tạo và phát hiện siêu âm
• Đặc trưng chùm tia siêu
âm
• Đơn vị dB


Lịch sử
 Khoa học về âm thanh có lịch sử lâu đời, nhưng
giống như nhiều lý thuyết kỹ thuật cùng với các
ứng dụng trong công nghiệp, ngành siêu âm
học có sự phát triển mạnh và nhanh nhất vào
những năm cuối thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20, gắn
liền với tên tuổi các nhà khoa học lớn, như
Rayleigh, Lamb, Curie, Lippman, ….       


Lịch sử
Xét theo một góc độ, có thể nói rằng, giống như
chính bản thân sự sống, ứng dụng ngành siêu

âm học đã đến từ biển cả, đại dương.

Thảm hoạ tàu Titanic va núi băng 1912
 Nỗ lực phát hiện tàu ngầm trong Chiến tranh
•

thế giới lần I
Sự phát triển kỹ thuật vô tuyến điện tử và
radar những năm 30-40 thế kỷ trước: phát
minh CRT


Lịch sử
• S. Y. Sokolov, Russia, người đầu tiên, năm 1929, đề

•

xuất sử dụng sóng siêu âm để phát hiện bất liên
tục trong kim loại, phương pháp truyền qua (sóng
liên tục).
Đến Thế chiến lần II, các công nhân ở cả hai phía,
đã đưa ra áp dụng kỹ thuật xung dội


Lịch sử
• Những hệ thống dò khuyết tật siêu âm xung dội hiện đại
hoàn chỉnh đầu tiên đầu tiên đã cùng được độc lập thiết kế
bởi các nhà khoa học Anh, Đức và Hoa Kỳ vào các năm 42
(tia thẳng) -47 (tia xiên): Sproul,Trost và Gotz, Firestone.

Lịch sử
• Từ đây, các nguyên lí chủ yếu phát hiện khuyết tật bằng kỹ
thuật xung dội là giống như ngày nay. Sự phát triển mạnh
xảy ra chủ yếu trong lĩnh vực máy móc, điện tử và xử lí số
liệu….
- Những năm 1980-1990: microchip được đưa vào cho phép
xử lý, lưu trữ các thông số chuẩn và kiểm tra
- Từ những năm 1990 trở đi, các công nghệ màn hình tiên
tiến, LCD, EL, TFI,… dần thay màn hình CRT, giúp cho
hệ thống trở nên gọn nhẹ và cải thiện nhiều điều kiện quan
sát.


Nguyên lý
• Sóng siêu âm, sóng âm có
tần số cao, được truyền vào
vật liệu kiểm tra, phản xạ
lại từ các bề mặt hoặc
khuyết tật.
• Năng lượng âm phản xạ
được hiển thị tương ứng
với thời gian lan truyền và
kích thước bề mặt tạo phản
xạ cho biết sự tồn tại, vị trí
và kích thước khuyết tật


NGUYÊN LY
• Phương pháp kiểm tra siêu âm xung dội A-Scan

Chỉ thị ban đầu
Chỉ thị đáy

Chỉ thị nứt

nứt
0

2

4

6

8

10

Màn hình máy kiểm tra siêu âm

tôn


Bản chất siêu âm
• Sóng siêu âm là các sóng âm có tần số lớn,
nằm ngoài khả năng nghe của tai người.
Dải tần số Hz

0 - 20

Mô tả

Infrasound

20 - 20.000

Âm thanh nghe được

> 20.000

Siêu âm

Ví dụ

Động đất
Lời nói, âm nhạc
Dơi, Quartz crystal


Bản chất siêu âm
Sóng âm là sự lan
truyền của các dao
động cơ học trong
môi trường vật chất

Dao động cơ học là sự dịch
chuyển của phần tử môi trường
xung quanh một vị trí cân bằng
nào đó




Để có các khái niệm liên quan đến dao động và sóng, cần
nghiên cứu chuyển động của một trọng vật được treo bằng một
sợi dây đàn hồi:

Kéo


Bản chất siêu âm

Dao động


Bản chất siêu âm
-

Chu trình
Chu kỳ dao động
Tần số dao động
Biên độ dao động


Dao động


Bản chất siêu âm
• Điều kiện để dao động cơ học lan truyền đi được là phải có
môt trường vật chất, trong đó các phần tử liên kết với nhau

bởi các lực đàn hồi, dao động của bất kỳ một phần tử nào
sẽ kéo theo dao động của các phần tử khác, do đó mà dao
động được truyền đi: đó là sóng âm !!!


Các đại lượng đặc trưng
sóng âm
Tần số:
- Là số dao động của các phần tử môi trường
trong một đơn vị thời gian (1giây).
(Tần số thường được kí hiệu là f)
- Đơn vị : Hertz
1Hz = 1 dao động/giây
1KHz = 1 000 Hz

1MHz = 1 000KHz = 1 000 000 Hz


Tần số ứng dụng


Các đại lượng đặc trưng sóng âm
Bước sóng:
- Độ dài sóng lan truyền được sau khoảng thời

gian một chu kỳ T
- Kí hiệu
-

λ

Độ nhạy liên quan trực tiếp đến bước sóng.
Nói chung, bất liên tục có kích thước lớn hơn ½ λ
thì có thể phát hiện được bằng UT


Các đại lượng đặc trưng sóng âm
Vận tốc:
Độ dài sóng lan truyền được sau một đơn vị thời gian
- Là tốc độ truyền năng lượng giữa hai điểm trong
môi trường do sự lan truyền sóng gây ra.
- Kí hiệu là v


Các đại lượng đặc trưng sóng âm
Mối quan hệ cơ bản:

λ = v.T

f = 1/T


Vật liệu kiểm tra: thép C/S
Sóng: dọc
Vận tốc: 5920 m/s
Tần số: 2 Mhz
Khuyết tật, kích thước : 1 mm max.

Khả năng phát hiện: Y/N ?

Các đại lượng đặc trưng sóng âm
Âm trở:
là đại lượng mô tả sự cản trở của vật liệu đối với quá
trình lan truyền sóng âm, được xác định :
Z = ρ . v.
ở đây,

ρ - mật độ của vật liệu
v - vận tốc truyền âm


Các đại lượng đặc trưng sóng âm
Âm áp:
Là một khái niệm mô tả các ứng suất (lực) tuần
hoàn tác dụng trong vật liệu khi có sự lan truyền
sóng âm, được xác định,
P=Z.a
Z - âm trở
a - biên độ dao động của hạt


Các đại lượng đặc trưng sóng âm
Cường độ âm:
Là sự truyền năng lượng cơ học gây bởi sóng
âm qua một đơn vị diện tích vuông góc với hướng
truyền sóng
P2
I = ---------

P.a
I = --------

2Z

2

I - là cường độ

; P - là âm áp

Z - âm trở

; a - biên độ dao động của hạt