Nghiên cứu xây dựng quy trình kiểm tra phát hiện khuyết tật trong các sản phẩm đúc kim loại bằng kỹ thuật siêu âm nhúng, trên cơ sở sử dụng các thiết bị siêu âm quét a (a scan) thông thường
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.09 MB, 124 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------O----O------
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH
KIỂM TRA PHÁT HIỆN KHUYẾT TẬT
TRONG CÁC SẢN PHẨM ĐÚC KIM LOẠI
BẰNG KỸ THUẬT SIÊU ÂM NHÚNG, TRÊN
CƠ SỞ SỬ DỤNG CÁC THIẾT BỊ SIÊU ÂM
QUÉT A (A-SCAN) THÔNG THƯỜNG
CHUYÊN NGÀNH : CHẾ TẠO MÁY
MÃ SỐ NGÀNH : 02.01.00
NGUYỄN NHẬT QUANG
TP.HCM, tháng 01 năm 2003
CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
----o--0--o----
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS . THÁI THỊ THU HÀ
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. PHẠM NGỌC TUẤN
Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS. TS. TRẦN DOÃN SƠN
Luận văn thạc só được bảo vệ tại : HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
– TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ,
TP.HCM, ngày ……. Tháng …..Năm 2003
ii
Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập -Tự do –Hạnh phúc
----o-0-o------o-0-o----
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên : NGUYỄN NHẬT QUANG
Phái : NAM
Ngày ,tháng , năm sinh : 13/11/1965
Nơi sinh : Bắc Ninh
Chuyên ngành : CHẾ TẠO MÁY
Mã số : 2.01.00
I-TÊN ĐỀ TÀI :
NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG KỸ THUẬT SIÊU ÂM NHÚNG VÀO VIỆC KIỂM
TRA VÀ BẢO TRÌ CHI TIẾT MÁY TRONG NGÀNH CƠ KHÍ
II-NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :
• Giới thiệu tổng quan về các nghiên cứu ứng dụng phương pháp siêu âm nhúng
• Cơ sở lý thuyết phương pháp siêu âm nói chung
• Cơ sở của phương pháp siêu âm nhúng, các tham số ảnh hưởng tới kết quả đo
• Xây dựng mô hình thực nghiệm , đánh giá kết quả thu được
III-NGÀY GIAO NHIỆM VỤ
IV-NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ
V-HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
VI-HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1
VII-HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
:20/7/2002
:10/02/2003
: TS. THÁI THỊ THU HÀ
: TS. PHẠM NGỌC TUẤN
: PGS. TS. TRẦN DOÃN SƠN
CÁN BỘ NHẬN XÉT 1
CÁN BỘ NHẬN XÉT 2
( Ký tên và ghi rõ họ tên , học hàm , học vị )
Nội dung và đề cương luận văn thạc só đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua
Ngày …..Tháng ….. Năm 2003
TRƯỞNG PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
CHỦ NHIỆM NGÀNH
TS.PHẠM NGỌC TUẤN
iii
Lời Cảm Ơn
Bản luận văn này được thực hiện tại Bộ môn Chế tạo máy , Khoa Cơ Khí trường
Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh và tại Phòng Ứng dụng Các Kỹ thuật Hạt
Nhân trong Công Nghiệp thuộc Trung Tâm Kỹ thuật hạt nhân thành phố Hồ Chí Minh.
Qua bản luận văn này tôi xin chân thành cảm ơn Cô TS. Thái Thị Thu Hà với tư
cách là Giáo viên hướng dẫn luận văn đã dành cho tôi những hướng dẫn quan trọng và bổ
ích . Đồng thời tôi cũng xin cảm ơn Phòng Ứng dụng Các Kỹ thuật Hạt Nhân và các đồng
nghiệp, cũng như Trung Tâm Hạt nhân đã có những sự giúp đỡ cần thiết trong quá trình
theo học và thực hiện bản luận văn này.
Tôi xin gửi lời Cám ơn đến các Thầy Cô của Trường Đại Học Bách Khoa, đặc biệt
là các Thầy Cô trong Khoa Cơ khí đã dạy và hướng dẫn tôi trong suốt quá trình học tập.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã giúp đỡ động viên tôi hoàn thành quá
trình học tập này.
TP.HCM, ngày 10 tháng 02 năm 2003
Nguyễn Nhật Quang
iv
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Trong những năm gần đây kỹ thuật siêu âm kiểm tra vật liệu phát triển rất mạnh
mẽ tại Việt nam do các nhu cầu chính sau : - sự phát triển và yêu cầu cao của việc quản
lý và bảo đảm chất lượng sản phẩm. – Sự phát triển của các công trình đòi hỏi chất lượng
cao như dầu khí, khí hóa lỏng; - Các chi tiết máy hoạt động trong các hệ thống quan trọng
như sản xuất điện năng, công nghiệp ô tô, đóng tàu , hàng không…vv. Nắm bắt nhu cầu
đó, mọi nghiên cứu & ứng dụng của các kỹ thuật kiểm tra không phá hủy (NDT) đều
nhắm vào các loại đối tượng này. Kỹ thuật siêu âm là một phương pháp chiếm tỉ lệ
nghiên cứu và ứng dụng cao nhất trong các phương pháp NDT. Tại các hội nghị NDT
hàng năm trên thế giới, số báo cáo và công trình nghiên cứu về phương pháp này chiếm
một số lượng đáng kể. Nhằm đáp ứng nhu cầu ứng dụng thực tế tại Phòng Công nghiệp
Trung tâm hạt nhân, đề tài nghiên cứu về phương pháp siêu âm nhúng này được hình
thành nhằm đáp ứng những nhiệm vụ cụ thể. Với mục đích đưa các kỹ thuật NDT vào
giảng dạy tại các trường Đại học kỹ thuật, đề tài này cũng là một mô hình phù hợp cho
việc học và thực hành trong nhà trường.
Nội dung của bản luận văn bao gồm các phần chính sau :
1. Các nghiên cứu và ứng dụng thực tế trong và ngoài nước của phương pháp siêu âm
nhúng
2. Giới thiệu cơ sở lý thuyết siêu âm tổng quát
3. Giới thiệu về phương pháp siêu âm nhúng, một số loại thiết bị bồn nhúng điển hình.
Các tham số ảnh hưởng tới kết quả đo. Cách đánh giá và giải đoán các tín hiệu siêu
âm
4. Xây dựng mô hình thực nghiệm để kiểm tra lại độ nhậy phát hiện khuyết tật và độ
phân giải khuyết tật của hệ thống đo, đưa ra kết luận.
Nhiệm vụ chính của luận văn nhằm xây dựng được một cơ sở lý thuyết cơ bản của
kỹ thuật siêu âm nhúng, đồng thời xây dựng một mô hình thực nghiệm để kiểm chứng khả
năng hoạt động của thiết bị có đáp ứng được các yêu cầu tối thiểu của kỹ thuật nhúng hay
không. Với các thiết bị sẵn có tại phòng Công nghiệp ( một máy siêu âm quét A thông
thường PANAMETRICS EPOCH IIIB , một đầu dò nhúng tần số thấp 2,25 MHz, một đầu
dò tần số trung bình 10 MHz), tác giả của đề tài đã chế tạo thêm một thiết bị bể nhúng
dạng đơn giản, để có được một hệ thống kiểm tra nhúng loại đơn giản nhất.
Tuy nhiên với khả năng còn hạn chế, cũng như thiết bị không có nhiều chọn lựa
(đầu dò rất đắt tiền), cho nên bản luận văn này có thể còn nhiều thiếu sót chưa khắc phục
được ngay. Rất mong được sự chỉ bảo góp ý của các Thầy Cô để kết quả của nó hoàn
thiện hơn trong tương lai.
v
Mục lục
Chương 1 : Tổng quan.......................................................................................... 1
2. Nội dung và ý nghóa đề tài .................................................................... 7
2.1 Mục tiêu đề tài .................................................................................... 7
2.2 Nội dung nghiên cứu ........................................................................... 8
2.3 Phương pháp nghiên cứu ..................................................................... 8
2.4 Ý nghóa khoa học của đề tài ................................................................ 8
Chương 2 : Cơ sở lý thuyết phương pháp siêu âm................................................ 9
2.1 SÓNG SIÊU ÂM ............................................................................................ 9
Bản chất sóng siêu âm ......................................................................................... 9
2.2 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG............................ 12
a> Tần số ................................................................................................... 12
b>Bước sóng.............................................................................................. 13
c>Vận tốc .................................................................................................. 13
d> Âm trở .................................................................................................. 14
e>Âm áp .................................................................................................... 15
f> Cường độ âm ......................................................................................... 15
g> Thang đo decibel.................................................................................. 15
2.3 CÁC LOẠI SÓNG SIÊU ÂM VÀ ỨNG DỤNG ............................................ 16
a> Sóng dọc ............................................................................................... 16
b>Sóng ngang............................................................................................ 17
c> Sóng mặt............................................................................................... 18
d> Sóng bản mỏng..................................................................................... 18
e> Vận tốc của các loại sóng siêu âm ....................................................... 20
2.4 BIỂU HIỆN CỦA SÓNG SIÊU ÂM .............................................................. 21
2.4.1 Sự phản xạ và truyền qua khi sóng tới thẳng góc ....................................... 21
a> Cường độ phản xạ và truyền qua ......................................................... 21
b> Âm áp phản xạ và truyền qua .............................................................. 22
2.4.2 Sự phản xạ và truyền qua khi sóng tới xiên góc ......................................... 26
a> Sự khúc xạ và sự chuyển đổi dạng sóng............................................... 26
b> Định luật Snell ..................................................................................... 26
c> Các góc tới hạn thứ nhất và thứ hai ...................................................... 27
d> Âm áp phản xạ khi góc tới xiên góc..................................................... 28
vi
2.5 Sự truyền năng lượng sóng âm giữa các môi trường ...................................... 29
2.5.1 Một số quá trình phát sóng siêu âm ............................................................ 29
2.5.2 Sự mất mát năng lượng sóng âm trong các môi trường khác nhau ............. 30
2.6 Hiệu ứng áp điện và từ giảo trên các tinh thể ................................................ 31
2.6.1 Hiệu ứng áp điện ......................................................................................... 31
2.6.2 Các loại biến tử áp điện .............................................................................. 31
2.6.3 Biến tử tinh thể áp điện ............................................................................... 32
a> Thạch anh............................................................................................. 32
b> Sulphate lithium ................................................................................... 34
2.6.4 Biến tử gốm phân cực ................................................................................. 34
2.6.5 So sánh các biến tử áp điện......................................................................... 36
2.6.6 Hiệu ứng từ giảo và các biến tử .................................................................. 37
2.7 NHỮNG ĐẶC TÍNH CỦA CHÙM TIA SIÊU ÂM ....................................... 38
a> Chùm tia siêu âm ................................................................................. 38
b> Trường gần ........................................................................................... 40
c> Tính toán chiều dài của trường gần ...................................................... 41
d> Trường xa ............................................................................................. 41
e> Độ phân kỳ của trường hoặc độ mở rộng của chùm tia........................ 42
f> Ảnh hưởng của vận tốc âm và kích thước biến tử ................................. 43
2.8 SỰ SUY GIẢM CỦA CHÙM TIA SIÊU ÂM ................................................ 45
a> Nguyên nhân và kết quả ...................................................................... 45
b> Sự tán xạ của sóng âm ......................................................................... 46
c> Sự hấp thụ sóng âm .............................................................................. 47
d> Sự suy giảm do quá trình tiếp xúc và sự thô nhám của bề mặt ............ 47
e> Sự khúc xạ ............................................................................................ 47
f> Ảnh hưởng toàn bộ của sự suy giảm ..................................................... 48
g> Những nguyên lý đo độ suy giảm......................................................... 51
Chương 3 : Kỹ thuật siêu âm nhúng..................................................................... 53
3.1 NGUYÊN LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP ........................................................... 53
3.2 NHỮNG HẠN CHẾ CỦA KỸ THUẬT SIÊU ÂM DẠNG NHÚNG............. 54
3.3 ƯU ĐIỂM CỦA KỸ THUẬT SIÊU ÂM DẠNG NHÚNG ............................ 55
3.4 THIẾT BỊ DÙNG TRONG KỸ THUẬT TIẾP XÚC ÂM DẠNG NHÚNG .. 56
3.4.1 Bồn nhúng ................................................................................................... 56
3.4.2 Thiết bị tạo cột nước ................................................................................... 58
3.4.3 Thiết bị phun nước ...................................................................................... 59
vii
3.4.4 Đầu dò bánh xe ........................................................................................... 60
3.4.5 Thiết bị nêm gắn đầu dò ............................................................................. 62
3.5 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA MÔI TRƯỜNG TIẾP ÂM NƯỚC ............................ 62
3.5.1 Sự suy giảm tần số ...................................................................................... 62
3.5.2 Vận tốc sóng siêu âm trong môi trường nước.............................................. 63
3.5.3 Sự suy giảm sóng siêu âm trong nước ......................................................... 64
3.6 CÁC THAM SỐ SỬ DỤNG TRONG QUÁ TRÌNH KIỂM TRA SIÊU ÂM
NHÚNG XUNG PHẢN HỒI ......................................................................... 65
3.6.1 Phân tích tham số ........................................................................................ 65
3.6.2 Biên độ xung phản hồi đáy ......................................................................... 66
3.6.3 Biên độ của các xung phản hồi dị thường ................................................... 67
3.6.4 Các khuyết tật nhỏ ...................................................................................... 67
3.6.5 Các khuyết tật lớn ....................................................................................... 68
3.6.6 Thời gian truyền đo được ............................................................................ 68
3.7 GIẢI ĐOÁN KẾT QUẢ KIỂM TRA TRONG PHƯƠNG PHÁP NHÚNG ... 70
3.7.1 Tổng quát .................................................................................................... 70
3.7.2 Chọn tần số ................................................................................................. 70
3.7.3 Chọn đầu dò ................................................................................................ 70
3.7.4 Các tín hiệu kiểm tra của phương pháp nhúng............................................ 71
a> Tín hiệu từ các khuyết tật nhỏ .............................................................. 71
b> Tín hiệu từ các bất liên tục lớn............................................................. 72
c> Sự mất tín hiệu phản xạ đáy ................................................................. 74
d> Ảnh hưởng của mẫu kiểm tra tới đặc tính chùm tia siêu âm ................ 74
3.8 MỘT SỐ CÁC QUY TRÌNH KIỂM TRA TIÊU BIỂU TRONG CÔNG
NGHIỆP ......................................................................................................... 81
3.8.1 Các đặc điểm kỹ thuật điển hình................................................................. 81
a> Điều chỉnh độ nhạy .............................................................................. 81
b> Quy trình quét trên các bề mặt phẳng.................................................. 81
c> Kiểm tra các tín hiệu của khuyết tật .................................................... 82
d> Định danh các nguồn gốc tín hiệu trong phương pháp siêu âm nhúng 82
e> Xác định vị trí khuyết tật...................................................................... 82
3.9 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỤ THỂ TRONG CÔNG NGHIỆP .......................... 84
a> Kiểm tra các vật rèn dạng trụ............................................................... 84
b> Kiểm tra các phôi đúc dạng tròn đặc hoặc dạng ống trụ ...................... 84
c> Kiểm tra các phôi đúc dạng phẳng hoặc vuông góc ............................. 85
d> Kiểm tra các chi tiết đúc lớn dạng trụ tròn........................................... 85
3.10 KIỂM TRA CÁC SẢN PHẨM DẠNG ỐNG VÀ TRỤ TRÒN .................... 86
viii
3.10.1 Nguyên lý của phương pháp thử ............................................................... 86
a> Dạng lan truyền của chùm tia siêu âm ................................................. 86
b> Ưu điểm của phương pháp ................................................................... 87
c> Phạm vi ứng dụng................................................................................. 87
d> Các hạn chế trong việc phát hiện khuyết tật........................................ 87
3.10.2 Thiết bị gá và thiết bị quét ........................................................................ 88
a> Tốc độ quét .......................................................................................... 89
b> Môi trường chất tiếp âm ....................................................................... 89
3.10.3 Quy trình và kỹ thuật kiểm tra .................................................................. 89
a> Vị trí của đầu dò ................................................................................... 90
b> Góc tới .................................................................................................. 90
c> Kiểm soát độ nhạy phát hiện khuyết tật............................................... 90
3.10.4 Giải đoán các tín hiệu kiểm tra................................................................. 90
a> Các tín hiệu nhiễu ................................................................................ 90
b> Nguồn gốc các tín hiệu nhiễu............................................................... 91
3.10.5 Một số ứng dụng đặc biệt .......................................................................... 91
3.10.6 Các yêu cầu kỹ thuật điển hình cho một phép thử ................................... 91
Chương 4 : Xây dựng mô hình thực nghiệm ........................................................ 94
4.1 MÔ TẢ MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM ............................................................ 94
4.2 CẤU TẠO MẪU CHUẨN BIÊN ĐỘ – KHOẢNG CÁCH ........................... 96
4.3 CẤU TẠO MẪU CHUẨN V1 THEO TIÊU CHUẨN ISO............................ 96
4.4 XÂY DỰNG BIỂU ĐỒ ĐƯỜNG CONG BIÊN ĐỘ – KHOẢNG CÁCH
(DAC) ............................................................................................................ 96
4.5 XÁC ĐỊNH ĐỘ PHÂN GIẢI CỦA HỆ THỐNG KIỂM TRA....................... 102
4.6 XÁC ĐỊNH ĐỘ NHẠY CỦA HỆ THỐNG KIỂM TRA................................ 103
4.7 THÍ NGHIỆM MẪU THỰC TẾ..................................................................... 107
4.7.1 Mẫu thép tấm có vết nứt ............................................................................. 107
a> Phương pháp đối chứng số 1 – Kiểm tra bằng bột từ ướt (MPI)........... 107
b> Phương pháp đối chứng số 2 – Kỹ thuật siêu âm tiếp xúc ................... 107
c> Phương pháp của đề tài – Kỹ thuật siêu âm nhúng.............................. 108
4.7.2 Mẫu ống đường kính nhỏ ............................................................................ 109
4.7.3 Các khuyết tật dạng phân lớp thép tấm ...................................................... 111
4.8 NHẬN XÉT.................................................................................................... 111
Chương 5 : Kết luận ............................................................................................. 112
Tài liệu tham khaûo ............................................................................................... 114
ix
Luận văn Thạc só : Nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhúng vào việc kiểm tra và bảo trì
chi tiết máy trong ngành Cơ khí
CHƯƠNG 1
1. TỔNG QUAN
Ngày nay, vấn đề bảo đảm chất lượng và quản lý chất lượng được đặt lên hàng đầu.
Bởi vì đó chính là nền tảng của một nền công nghiệp hiện đại: sự đảm bảo chất lượng
của sản phẩm là một vấn đề quan trọng . Kỹ thuật kiểm tra Không phá hủy mẫu (NDTNon Destructive Testing) là một trong các kỹ thuật tiên tiến hiện nay đang được áp
dụng rộng rãi vào việc kiểm tra và quản lý chất lượng sản phẩm công nghiệp. Kỹ thuật
NDT sử dụng các phương pháp như : siêu âm, X quang, thấm màu, dòng điện xoáy,
phương pháp kiểm tra bằng từ….vv.
Kỹ thuật siêu âm dùng trong kiểm tra không phá hủy vật liệu (NDT) được phát triển
từ cuối những năm 1920 của thế kỷ này, và thực sự phát triển mạnh mẽ từ đầu những
năm 1930 tại Đức bởi O. Mulhauser, A. Trost, R. Pohman và tại Nga bởi S. Sokoloff,
các tác giả đã nghiên cứu kỹ thuật sóng âm liên tục (chứ không phải dạng xung như
hiện nay). Tại thời điểm này thiết bị siêu âm cũng đã được phát triển, dựa trên nguyên
lý năng lượng siêu âm bị chặn lại bởi bất liên tục lớn trên quãng đường truyền của tia
siêu âm. Kỹ thuật này về sau có tên gọi riêng là phương pháp truyền qua mà mọi người
đều biết.
Trong giai đoạn sơ khai, mọi cố gắng đều nhằm vào việc sử dụng sóng siêu âm phản
xạ và sóng siêu âm truyền qua. Các phép thử nhằm khắc phục các nhược điểm của các
kỹ thuật trước đấy là phải tiếp xúc cả hai mặt của vật kiểm tra (vì dùng phương pháp
truyền qua). Cho tới lúc này vẫn chưa có một ứng dụng thực tế nào, đến khi Floyd
Firestone phát minh ra một thiết bị sử dụng sóng siêu âm dạng xung để thu được các
phản xạ từ các bất liên tục rất nhỏ. Các thiết bị siêu âm ngày càng có cơ hội phát triển
mạnh mẽ hơn trong chiến tranh thế giới thứ hai và cũng nhờ vào sự phát triển mạnh mẽ
của các thiết bị và linh kiện điện tử cùng công nghệ chế tạo ra chúng. Trong những năm
1940, Firestone cố gắng phát triển các thiết bị dò tìm khuyết tật này tại Mỹ và nước
ngoài. Cùng thời gian này tại Anh người ta cũng đã triển khai các thiết bị siêu âm một
cách độc lập. Cùng lúc với thiết bị X-quang trong công nghiệp ra đời, thì thiết bị siêu
âm đầu tiên được lắp đặt trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu về luyện kim. Các ứng
dụng sớm nhất của siêu âm trong ngành công nghiệp chính là kiểm tra trục bánh xe lửa
và các rotor động cơ bằng thép rèn để phát hiện các khuyết tật bên trong.
Kỹ thuật siêu âm nhúng là một trong các tiến bộ của phương pháp siêu âm thông
thường, nhằm khắc phục nhược điểm của kỹ thuật siêu âm tiếp xúc là tốc độ kiểm tra
và vấn đề tiếp xúc bề mặt, bởi vì phương pháp siêu âm nhúng sử dụng một môi trường
_____________________________________________________________________________________
Giáo viên hướng dẫn : TS. Thái Thị Thu Hà
Thực hiện : Nguyễn Nhật Quang
1
Luận văn Thạc só : Nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhúng vào việc kiểm tra và bảo trì
chi tiết máy trong ngành Cơ khí
liên tục làm chất tiếp âm (thường sử dụng nước ) . Kỹ thuật siêu âm nhúng xung phản
hồi được phát triển bởi Donald Erdman vào năm 1948 và được đưa ra ứng dụng thực tế
vào năm 1951. Từ đó đến nay, kỹ thuật này phát triển rất mạnh mẽ bởi vì nó dễ tự động
hóa, và đặc biệt có lợi trong các ngành công nghiệp nặng như luyện kim, để kiểm tra
các phôi đúc, vật đúc, rèn kích thước lớn.
Tại các hãng chế tạo máy siêu âm nổi tiếng đã phát triển các hệ thống kiểm tra siêu
âm nhúng rất hiện đại dùng để kiểm tra các sản phẩm dạng ống trụ nhằm : phát hiện
các khuyết tật bên trong mối hàn ống, phát hiện các khuyết tật mất liên kết của các lớp
phủ inconel trong lòng các ống của lò phản ứng hạt nhân, kiểm soát bề dày liên tục ống
…vv, ngoài ra hệ thống siêu âm nhúng còn kiểm tra các sản phẩm dạng tấm, để phát
hiện sự phân lớp tấm trong quá trình cán. Đặc biệt hệ thống siêu âm nhúng có thể ứng
dụng để kiểm tra các sản phẩm có bề mặt cong phức tạp, hẹp mà phương pháp siêu âm
tiếp xúc không thể thực hiện được (trong trường hợp này đầu dò được gắn trên đồ gá có
khả năng điều chỉnh vô cấp góc nghiêng đầu dò- có 5 bậc tự do, hoặc sử dụng thủ
công).
Hãng Panametrics từ những năm 1970 đã cho ra đời một hệ thống kiểm tra siêu âm
nhúng tần số cao tới 50 MHz . Hiện nay hãng đã phát triển thành công thiết bị siêu âm
nhúng chuyên dùng, tốc độ cao Model 9100 nối với máy tính để xử lý số liệu với tốc độ
cao, hệ thống này có thể sử dụng trên các dây truyền tự động hóa (kết hợp máy tính) ,
hoặc cũng có thể sử dụng trên các hệ kiểm tra đơn chiếc không tự động.
Hình 1-1 : Thiết bị siêu âm nhúng Panametrics 9100, và hệ thống
kiểm tra sử dụng trong phòng thí nghiệm
Hãng Krautkramer của Đức cũng phát triển một hệ thống tương tự, nhằm mục đích
kiểm tra các thanh kim loại đặc, cũng như các ống kim loại. Các thiết bị náy được lắp
đặt trong các nhà máy sản xuất và cán thép. Các thiết bị này được thiết kế để kiểm tra
các thanh thép tròn có đường kính từ 1” tới 5”, chiều dài khỏang 3 feet (khoảng 1 m).
_____________________________________________________________________________________
Giáo viên hướng dẫn : TS. Thái Thị Thu Hà
Thực hiện : Nguyễn Nhật Quang
2
Luận văn Thạc só : Nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhúng vào việc kiểm tra và bảo trì
chi tiết máy trong ngành Cơ khí
Trên bàn gá có motor và bộ giải mã hành trình dừng/ chạy có thể nâng hạ chi tiết vào
trong bể nhúng, bàn gá này có thể đặt được chi tiết nặng khỏang 225 pounds (khoảng
100 Kg)
Hệ thống này sử dụng thiết bị siêu âm chuyên dùng Krautkramer USIP 20HR có độ
phân giải cao, phần mềm điều khiển thu nhận/lưu trữ số liệu Ultramap chạy trên nền
Windows bằng máy tính các nhân , phần mềm này có chức năng lập bản đồ hiện trạng
của vật liệu kiểm tra , đánh dấu các vị trí bị ăn mòn cục bộ …. vv. Hình vẽ dưới trình
bày hệ thống kiểm tra với bàn gá đang ở vị trí nạp/dỡ liệu. Ngoài ra hệ thống này còn
có thể được lắp đặt thêm băng tải phụ (tùy chọn) để đặt các thanh thép nặng vào trong
bể nhúng , sau đó lăn trượt lên các con lăn để xoay tròn trong quá trình kiểm tra.
Hình 1-2 : Hệ thống siêu âm nhúng sử dụng thiết bị
USIP 20HR cua Hãng Krautkramer (Germany)
Bàn điều khiển của hệ thống có thể là bàn phím + chuột máy tính, hoặc có thể điều
khiển trực tiếp từ các phím chức năng của máy siêu âm. Hệ thống này có thể gắn thêm
thiết bị quét B (mặt cắt vật thể) hoặc quét C (hình chiếu vật thể).
Hình 1-3 trình bày một hệ thống siêu âm nhúng để kiểm tra các vật có hình dáng
đối xứng trục, có thể quay tròn được, và có khối lượng lớn lên đến 25.000 pounds (
khoảng 1 tấn). Hệ thống bể nhúng có kích thước 214” dài x 56” rộng x 38” cao
(dàixrộngxcao : 5435 x 1422 x 965 mm). Trên bàn gá là hệ thống các con lăn hoặc bulông dùng để lăn hoặc kẹp chặt chi tiết kiểm tra.
_____________________________________________________________________________________
Giáo viên hướng dẫn : TS. Thái Thị Thu Hà
Thực hiện : Nguyễn Nhật Quang
3
Luận văn Thạc só : Nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhúng vào việc kiểm tra và bảo trì
chi tiết máy trong ngành Cơ khí
Hình 1-3 : Hệ thống bể nhúng cho các chi tiết loại lớn đến 1 tấn
Hai hình dưới trình bày cơ cấu xoay đầu dò ra khỏi vị trí làm việc khi tháo dỡ chi tiết
ra khỏi bể nhúng, trong ống gá đầu dò có gắn một công tắc tự động khi đầu dò quay
sang vị trí không làm việc (nghiêng) , công tắc sẽ ngắt làm dừng quá trình quét tránh hư
hại đầu dò.
Hình 1-4 : Cơ cấu xoay đầu dò trong quá trình kiểm tra và sau khi kết thúc
Hình dưới minh họa các con lăn với chi tiết treo ở phía trên. Các con lăn này được
gắn chặt trên bàn gá cho phép chi tiết xoay tròn trong quá trình kiểm tra, đồng thời tiến
tới lui trên hai đường ray bằng các bánh xe lăn.
_____________________________________________________________________________________
Giáo viên hướng dẫn : TS. Thái Thị Thu Hà
Thực hiện : Nguyễn Nhật Quang
4
Luận văn Thạc só : Nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhúng vào việc kiểm tra và bảo trì
chi tiết máy trong ngành Cơ khí
Hình 1-5 : Cơ cấu giá đỡ con lăn để lăn chi tiết lớn trong bể nhúng
Các chi tiết có tiếp xúc với nước đều được chế tạo bằng thép không gỉ, hoặc hợp kim
nhôm chống ăn mòn rỉ sét. Các vong bi được chế tạo sao cho có thể hoạt động dưới
nước mà không cần phải bôi trơn.
_____________________________________________________________________________________
Giáo viên hướng dẫn : TS. Thái Thị Thu Hà
Thực hiện : Nguyễn Nhật Quang
5
Luận văn Thạc só : Nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhúng vào việc kiểm tra và bảo trì
chi tiết máy trong ngành Cơ khí
Hãng Meccasonics (Anh) cũng đã chế tạo các hệ thống siêu âm nhúng nhiều chức
năng kết hợp giữa phương pháp siêu âm nhúng thông thường (nhúng cả chi tiết và đầu
dò trong nước) – sử dụng phương pháp siêu âm xung phản hồi : pulse echo techniques
và phương pháp siêu âm nhúng dạng đầu dò phun nước (squirter ) – sử dụng phương
pháp siêu âm truyền qua : through transmission inspection . Các hệ thống như vậy sử
dụng để kiểm tra các sản phẩm dạng tấm : thép, kiếng … hoặc kiểm tra các loại sản
phẩm có đường bao phức tạp.
Hình 1-6 : Thép tấm kích thước 11 x 5 m kiểm tra sự phân lớp
Khi cần sử dụng hệ thống đầu dò phun nước , hệ thống siêu âm điều khiển thông
thường sẽ được dẹp qua một bên nhường khoảng trống cho hệ thống đầu dò phun nước
xung truyền qua hoạt động. Ở các hệ thống kiểm tra như vậy, thì bồn nhúng sẽ được
chế tạo theo yêu cầu của khách hàng tùy theo kích thước của chi tiết, bộ phận cần kiểm
tra. Ưu điểm chính của kỹ thuật này là tiết kiệm được thời gian kiểm tra do chúng có
thiết bị phân tích đa kênh (3 kênh) cùng lúc hiển thị kết quả ở những tham số đo khác
nhau (tần số)
đầu dò điều
khiển bằng tay
đầu dò phun nước
xung truyền qua
Hình 1-6 : Hệ thống kiểm tra kết hợp
_____________________________________________________________________________________
Giáo viên hướng dẫn : TS. Thái Thị Thu Hà
Thực hiện : Nguyễn Nhật Quang
6
Luận văn Thạc só : Nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhúng vào việc kiểm tra và bảo trì
chi tiết máy trong ngành Cơ khí
Ngoài ra các hãng chế tạo máy siêu âm còn đưa ra các thiết bị đồ gá đầu dò 5 bậc tự
do dùng để điều khiển đầu dò linh hoạt hơn, thiết bị này có thể được điều khiển bằng
tay hoặc bằng máy tính.
Hình 1-7 : đầu dò điều chỉnh được, kiểm tra các chi
tiết bằng vật liệu composite, dạng bản mỏng
Tại Việt nam, kỹ thuật siêu âm được sử dụng tương đối rộng rãi do yêu cầu của các
ngành công nghiệp, cũng như đặc tính của phương pháp này là hiệu quả (cho kết quả
ngay ) và tương đối kinh tế (chi phí tương đối thấp so với các phương pháp tương tự).
Các đối tượng kiểm tra của kỹ thuật siêu âm như : mối hàn các thiết bị chịu áp lực, bể
chứa dầu, đường ống dẫn dầu trong ngành công nghiệp dầu khí, các mối hàn cấu kiện
chịu lực trong công nghiệp xây dựng cầu, các chi tiết máy bay (niềng bánh xe) …vv.
Kỹ thuật kiểm tra siêu âm nhúng là một kỹ thuật đặc biệt, do đó nó còn tương đối
mới mẻ, thậm chí ngay cả với các kỹ thuật viên siêu âm làm việc lâu năm. Hiện nay tại
Petro Việt nam có một số Xí Nghiệp sử dụng kỹ thuật này để kiểm tra các ống khoan
dưới hình thức bán tự động. Ngoài ra chưa có một Cty hay Xí nghiệp nào sử dụng kỹ
thuật này.
Phát triển và phổ biến kỹ thuật này vào việc kiểm tra chất lượng các sản phẩm, chi
tiết máy, trong ngành Cơ khí chế tạo máy tại Việt nam là một công việc hết sức cần
thiết và mang lại lợi ích thiết thực, góp phần vào việc kiểm tra chất lượng thêm hiệu
quả, cũng như nâng cao độ tin cậy khi kiểm tra và phát huy các khả năng kỹ thuật vốn
có của kỹ thuật này trong việc kiểm tra và bảo trì thiết bị máy móc ….vv.
Đề tài “ Nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhúng vào việc kiểm tra và bảo
trì chi tiết máy trong ngành Cơ khí” hình thành nhằm góp phần hoàn thiện và phát
triển kỹ thuật này tại Việt nam
2. NỘI DUNG VÀ Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI
2.1 Mục tiêu đề tài :
Nghiên cứu các lý thuyết cơ bản của phương pháp siêu âm nhúng đồng thời đánh giá
các yếu tố ảnh hưởng lên kết quả kiểm tra. Xây dựng các thí nghiệm thực tế theo
_____________________________________________________________________________________
Giáo viên hướng dẫn : TS. Thái Thị Thu Hà
Thực hiện : Nguyễn Nhật Quang
7
Luận văn Thạc só : Nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhúng vào việc kiểm tra và bảo trì
chi tiết máy trong ngành Cơ khí
tiêu chuẩn BS 4331 (Anh Quốc) để đánh giá một số đặc trưng họat động của hệ
thống thiết bị siêu âm dò khuyết tật sử dụng kỹ thuật xung phản hồi , nhúng trong bể
nước (ultrasonic immersion testing, pulse-echo technique).
2.2 Nội dung nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu của đề tài, các nội dung sau nên được thực hiện :
• Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố, tham số đo đến kết quả và độ chính xác đo.
• Chế tạo một hệ đo đơn giản bao gồm : bể chứa vật mẫu, các giá đỡ chi tiết, đồ kẹp
và dịch chuyển đầu dò
• Tiến hành thí nghiệm trên các mẫu chuẩn V1, và trên các mẫu chuẩn được nêu ra
trong tiêu chuẩn BS 4331 nhằm đánh giá các đặc trưng hoạt động của thiết bị (chuẩn
máy) và kiểm chứng lại một số cơ sở lý thuyết đã trình bày.
2.3 Phương pháp nghiên cứu
• Sử dụng các tài liệu sẵn có tại phòng Công nghiệp, Trung tâm hạt nhân để nghiên
cứu lý thuyết các kỹ thuật siêu âm. Trong đó đặc biệt chú ý tới kỹ thuật siêu âm
nhúng sử dụng xung phản hồi (ultrasonic immersion testing, pulse-echo technique),
ngoài ra còn tham khảo trên mạng Internet các tài liệu khác nhau về kỹ thuật này.
Qua đó xây dựng được một cơ sở lý thuyết . Xây dựng một quy trình (sơ bộ) kiểm tra
vật đúc (rèn) tiêu biểu, có cấu tạo đơn giản.
• Tiến hành thực nghiệm trên các mẫu thực hành có sẵn tại phòng Công nghiệp Trung
tâm Hạt nhân, sử dụng hệ đo đơn giản dạng mô hình và các thiết bị siêu âm hiện có
của Phòng Công nghiệp. Qua đó đánh giá các yếu tố ảnh hưởng lên kết quả và độ
chính xác đo.
2.4 Ý nghóa khoa học của đề tài :
• Đề tài này mang tính thực tiễn cao vì đã giải quyết được một vấn đề kỹ thuật cụ thể
là kiểm tra được các dạng chi tiết máy (thường có hình dạng phức tạp), và các loại
vật liệu khác nhau với tốc độ và độ tin cậy cao. Nếu đề tài này thành công thì nó sẽ
góp phần vào sự phát triển kỹ thuật này tại Phòng Công nghiệp-Trung tâm hạt nhân,
trong công việc kiểm tra các vật liệu, chi tiết máy nói chung.
• Góp phần phát triển và phổ biến một kỹ thuật mới tại Việt nam trong việc kiểm tra
và bảo trì các chi tiết máy chế tạo mới hoặc đang sử dụng.
• Nội dung của đề tài này cũng có thể sử dụng để giảng dạy trong các khóa huấn
luyện về các phương pháp NDT, làm thí nghiệm cho học viên ….vv.
_____________________________________________________________________________________
Giáo viên hướng dẫn : TS. Thái Thị Thu Hà
Thực hiện : Nguyễn Nhật Quang
8
Luận văn Thạc só : Nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhúng vào việc kiểm tra và
bảo trì chi tiết máy trong ngành Cơ khí
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM
2.1 SÓNG SIÊU ÂM
Siêu âm là tên gọi được sử dụng cho các sóng âm có tần số vượt khỏi dải tần
mà tai người có thể nghe được, tức là vượt quá 20 kHz. Nói chung các sóng siêu âm
có dải tần từ 0.5 MHz đến 20 MHz được sử dụng trong kiểm tra vật liệu.
Sóng siêu âm được GALTON phát hiện vào năm 1883. Nhưng chỉ phát triển
nhanh chóng trong chiến tranh thế giới II. Nhờ các phương pháp xung có nguồn gốc
từ kỹ thuật radar đã mở rộng đáng kể phạm vi ứng dụng của siêu âm. Phương pháp
siêu âm trở nên phổ biến rộng rãi khi được áp dụng trong kiểm tra không phá hủy
vật liệu. Ngoài ra, siêu âm còn ứng dụng trong nhiều lónh vực khác như: sử dụng
trong chuẩn đoán y khoa, điều khiển tự động, làm sạch, gia công vật liệu …. vv.
Bản chất của sóng siêu âm
Sóng siêu âm là một dạng dao động cơ học. Để hiểu chuyển động của sóng
siêu âm trong một môi trường, cần phải hiểu cơ chế truyền năng lượng giữa hai
điểm trong môi trường bằng cách hãy bắt đầu nghiên cứu dao động của một trọng
vật treo ở đầu một lò xo (hình 2.1a).
Độ dịch chuyển
lên
Một chu kỳ
Thời gian
Biên độ
xuống
Hình 2.1 – a) Trọng vật treo bởi một lò xo; b) Hình vẽ dịch chuyển của m theo
thời gian.
Có hai lực tác dụng lên m, khi nó ở trạng thái cân bằng A, là trọng lực G và
lực căng T của lò xo. Bây giờ nếu m chuyển động từ vị trí cân bằng A đến vị trí B,
_____________________________________________________________________________________
Giáo viên hướng dẫn : TS. Thái Thị Thu Hà
Thực hiện : Nguyễn Nhật Quang
9
Luận văn Thạc só : Nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhúng vào việc kiểm tra và
bảo trì chi tiết máy trong ngành Cơ khí
thì sức căng T sẽ tăng. Khi rời chuyển khỏi vị trí B thì m sẽ được gia tốc về vị trí A
dưới ảnh hưởng của sự tăng lực căng nó. Khi về đến A trọng lực G và lực căng T lại
cân bằng nhưng do trọng vật m chuyển động có vận tốc nên theo quán tính nó sẽ
vượt qua A và chuyển động đến vị trí C, khi ấy lực căng T giảm dần và trọng lực G
tăng tương đối có xu hướng hãm m cho đến khi m không còn động năng và dừng ở
C. Tại C, G lớn hơn T lại kéo m quay lại chuyển động về phía A. Tại A nó lại có
động năng và lại một lần nữa vượt qua A. Khi m chuyển động từ A đến B, T lại tăng
dần và hãm dần m cho đến khi nó đến B. Tại B, T lớn hơn G và toàn bộ quá trình lại
bắt đầu lặp lại. Trình tự dịch chuyển của m từ vị trí A đến B, từ B về A, từ A đến C
và từ C về A được gọi là một chu trình. Số chu trình diễn ra trong một giây được
định nghóa là tần số của dao động. Thời gian cần thiết để thực hiện hoàn tất một
chu trình được gọi là chu kỳ T của dao động trong đó :
T =
1
f
Độ dịch chuyển cực đại của m từ A đến B hoặc từ A đến C được gọi là biên
độ của dao động. Các khái niệm trên được minh hoạ ở hình 2.1b.
Mọi vật liệu đều cấu tạo từ các nguyên tử (hoặc phân tử) liên kết với nhau
nhờ lực liên kết nguyên tử. Các lực nguyên tử này là các lực đàn hồi tức là các
nguyên tử được coi như được nối với nhau bằng các lò xo. Theo ý nghóa này, mô
hình đơn giản của vật liệu có thể được biểu diễn như ở hình 2.2.
Đàn hồi Lực liên kết giữa các nguyên tử
Các nguyên tử
Hình 2.2 – Mô hình của một vật thể đàn hồi
Bây giờ nếu một nguyên tử của vật liệu bị dịch khỏi vị trí ban đầu của nó do
một lực căng tác dụng lên vật liệu, thì nguyên tử này sẽ dao động như trọng vật m
được mô tả ở hình 2.1a. Do lực liên kết giữa các nguyên tử sẽ làm cho nguyên tử kề
_____________________________________________________________________________________
Giáo viên hướng dẫn : TS. Thái Thị Thu Hà
Thực hiện : Nguyễn Nhật Quang
10
Luận văn Thạc só : Nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhúng vào việc kiểm tra và
bảo trì chi tiết máy trong ngành Cơ khí
cận nó dao động. Và tiếp tục khi các nguyên tử kế cận dao động thì chuyển động
dao động được truyền cho các nguyên tử bên cạnh và cứ thế tiếp tục .v.v…. Nếu tất
cả nguyên tử liên kết với nhau một cách vững chắc (liên kết cứng) thì sự truyền dao
động là đồng thời và duy trì cùng một trạng thái dao động, tức là cùng pha. Nhưng
thực tế, liên kết giữa các nguyên tử của vật liệu là lực đàn hồi, nên việc truyền dao
động cần một thời gian xác định và các nguyên tử đạt được trạng thái pha dao động
trễ hơn nguyên tử bị kích thích đầu tiên.
Độ dịch chuyển của phần tử
Khi một sóng cơ học truyền qua một môi trường thì dịch chuyển của một
phần tử môi trường khỏi vị trí cân bằng ở thời điểm bất kỳ t được cho bởi :
(2.1)
a =a0sin2πft
Trong đó : a = Độ dịch chuyển của phần tử ở thời điểm t.
a0 = Biên độ dao động của phần tử.
f = Tần số dao động của phần tử.
Biểu diễn đồ thị trong phương trình 2.1 được trình bày ở hình 2.3.
Thời gian
Chu kỳ
Hình 2.3 – Đồ thị minh họa cho phương trình 2.1 mô tả sự dao động của những
phần tử dao động theo thời gian.
Phương trình (2.2) là phương trình chuyển động của sóng cơ học trong môi
trường. Nó cho trạng thái của các phần tử (pha ) ở các khoảng cách khác nhau tính
từ phần tử bị kích thích đầu tiên ở thời điểm t xác định.
x⎞
⎛
a = a 0 sin 2 π f ⎜ t − ⎟
(2.2)
v⎠
⎝
Trong đó : a = Độ dịch chuyển (tại thời điểm t và khoảng cách x tính từ phần
tử đầu tiên bị kích thích) của một phần tử môi trường có sóng truyền qua.
a0 = Biên độ của sóng cũng chính bằng biên độ dao động của các phần tử môi
trường.
v = Vận tốc lan truyền của sóng.
f = Tần số của sóng.
Hình 2.4 cho ta đồ thị biểu diễn của phương trình 2.2.
_____________________________________________________________________________________
Giáo viên hướng dẫn : TS. Thái Thị Thu Hà
Thực hiện : Nguyễn Nhật Quang
11
Luận văn Thạc só : Nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhúng vào việc kiểm tra và
bảo trì chi tiết máy trong ngành Cơ khí
Vì trong thời gian một chu kỳ T, một sóng cơ học có vận tốc v truyền đi được quãng
đường λ trong môi trường, do vậy ta có :
λ = vT
hay
Độ dịch chuyển phần tử
v=
λ
T
(2.3)
Biên độ
Khoảng cách
Bước sóng
Hình 2.4 –Đồ thị minh họa cho phương trình 2.2
Chu kỳ T liên hệ với tần số f bởi :
f =
1
T
(2.4)
Kết hợp phương trình (2.3) và (2.4) chúng ta thu được phương trình cơ bản của mọi
chuyển động sóng là :
v = λf
(2.5)
Trong phương trình 2.5 nếu f có đơn vị là Hz, λ là mm thì đơn vị của v là mm/s. Còn
nếu đơn vị của f là MHz, λ là mm thì đơn vị của v là Km/s.
2.2 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA QUÁ TRÌNH TRUYỀN SÓNG :
a> Tần số :
Tần số sóng cũng là tần số dao động của các nguyên tử môi trường mà sóng
truyền qua– thường được ký hiệu bằng chữ f, nó biểu thị số chu kỳ trong một giây,
được đặt tên theo tên của nhà vật lý H. Hertz và viết tắt là Hz.
1Hz
=1
chu kỳ trong 1 giây.
1KHz = 1000Hz
= 1000
chu kỳ trong 1 giây.
Các thiết bị hiện đại có thể phát được tần số đến dải tần số vài GHz. Tuy
nhiên, trong kiểm tra vật liệu tần số sóng siêu âm thường sử dụng nằm trong dải
0,5MHz đến 20MHz. Để kiểm tra kim loại dải tần số phổ biến nhất từ 2MHz 20MHz. Tần số đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện và đánh giá khuyết tật.
_____________________________________________________________________________________
Giáo viên hướng dẫn : TS. Thái Thị Thu Hà
Thực hiện : Nguyễn Nhật Quang
12
Luận văn Thạc só : Nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhúng vào việc kiểm tra và
bảo trì chi tiết máy trong ngành Cơ khí
b> Bước sóng :
Trong khoảng thời gian chu kỳ T của dao động, sóng truyền được một quãng
đường xác định. Quãng đường đó được định nghóa là bước sóng và ký hiệu bằng một
chữ cái Hy Lạp λ. Các nguyên tử của môi trường ở cách nhau một quãng đường trên
sẽ ở cùng một trạng thái dao động (tức là ở cùng một pha như nhau) khi sóng truyền
qua môi trường.
Mối liên hệ giữa “λ”, “f” và “v” đưa ra trong phương trình 2.5 chứng tỏ rằng
trong một môi trường xác định, bước sóng và tần số nghịch đảo với nhau. Do đó tần
số cao thì bước sóng càng ngắn và ngược lại. Trong kiểm tra thực tế thường các
khuyết tật cỡ λ/2 hoặc λ/3 có thể phát hiện được. Do đó bước sóng càng nhỏ thì khả
năng phát hiện được các khuyết tật càng nhỏ hơn. Như vậy sóng siêu âm có bước
sóng ngắn hoặc tần số cao cho độ nhạy phát hiện khuyết tật tốt hơn.
Ví dụ : So sánh độ nhạy phát hiện khuyết tật của đầu dò có tần số 1MHz với đầu dò
tần số 6MHz trong thép.
Giải : Độ nhạy phát hiện khuyết tật đã được giả thiết ở mức độ λ/3
nên đối với đầu dò tần số 1MHz
Ta có :
5,94mm
λ = v/f= 5940 (cho thép) × 1000/1 × 1000000mm =
Độ nhạy phát hiện khuyết tật = λ /3= 1,98mm
Với đầu dò có tần số 6MHz.
Ta có :
λ = 5940 × 1000/6 × 1000000mm= 0,99mm
Độ nhạy phát hiện khuyết tật = λ/3= 0,33mm.
c> Vận tốc :
Đại lượng biểu thị cho tốc độ năng lượng được truyền giữa hai điểm trong
môi trường do chuyển động của sóng là vận tốc của sóng. Thường ký hiệu là “v”.
Các loại sóng và vận tốc truyền các loại sóng sẽ được trình bày chi tiết ở phần 2.3
d> Âm trở :
_____________________________________________________________________________________
Giáo viên hướng dẫn : TS. Thái Thị Thu Hà
Thực hiện : Nguyễn Nhật Quang
13
Luận văn Thạc só : Nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhúng vào việc kiểm tra và
bảo trì chi tiết máy trong ngành Cơ khí
Sức cản của một vật liệu đối với sự truyền sóng siêu âm được gọi là âm trở.
Ký hiệu là Z chính là tích số của mật độ vật liệu ρ và vận tốc v của sóng siêu âm
truyền trong vật liệu đó :
Z = ρ.v
(2.10)
Như vậy, giá trị âm trở của một vật liệu có thể xem như chỉ phụ thuộc vào các tính
chất vật lý của chúng và không phụ thuộc vào các đặc tính và tần số của sóng.
Bảng 2.1 cho các giá trị âm trở của một số vật liệu thường dùng.
Bảng 2.1 : Mật độ, vận tốc sóng âm và âm trở của các vật liệu thông dụng.
Vật liệu
Mật
độ vt (m/s)
vl (m/s)
(kg/m3)
Z
× 103
kg.m-2s-1
Không khí
1,3
-----
330
430
Nhôm
2700
3130
6320
17064
Gang đúc
6900
2200
5300
24150
Bê tông
2000
------
4600
9200
Thủy tinh
3600
2560
4260
15336
Glycerine
1300
------
1920
2496
Gang xám
7200
2650
4600
33120
Chì
11400
700
2660
24624
Dầu nhớt
870
-----
1740
1514
Nickel
8800
2960
5630
49544
Nylon
1140
-----
2700
3000
Thủy tinh hữu cơ
1180
1430
2730
3221
Thạch anh
2600
3515
5570
14482
Bạc
10500
1590
3600
37800
Thép (hợp kim thấp)
7850
3250
5940
46620
Thép (làm mẫu chuẩn)
7850
3250
5920
46472
Thép (không gỉ)
7800
3130
5740
44800
Titanium
4500
3120
5990
27000
Tungsten
19300
2880
5170
100000
Nước
1000
-----
1480
1480
e> Âm áp :
_____________________________________________________________________________________
Giáo viên hướng dẫn : TS. Thái Thị Thu Hà
Thực hiện : Nguyễn Nhật Quang
14
Luận văn Thạc só : Nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhúng vào việc kiểm tra và
bảo trì chi tiết máy trong ngành Cơ khí
Âm áp là thuật ngữ được dùng phổ biến để chỉ biên độ ứng suất biến đổi tuần
hoàn trong vật liệu do sự truyền sóng siêu âm.
Âm áp P liên hệ với âm trở Z và biên độ dao động của phần tử sóng ‘a’ như sau :
P = Z.a
(2.11)
Trong đó : P – Âm áp.
Z – Âm trở.
a – Biên độ dao động của phần tử sóng.
f> Cường độ âm :
Sự truyền của năng lượng cơ học do các sóng siêu âm qua một đơn vị tiết
diện vuông góc với phương truyền của sóng được gọi là cường độ sóng siêu âm,
thường ký hiệu là chữ I và liên hệ với âm áp P, âm trở Z và biên độ dao động của
phần tử sóng theo biểu thức sau :
P2
2Z
Pa
I=
2
(2.12)
I=
và
(2.13)
Trong đó : I – Cường độ.
P – Âm áp.
Z – Âm trở.
a – Biên độ dao động của hạt.
g> Thang đo theo decibel (dB) :
Trong nghiên cứu siêu âm, các thay đổi về cường độ và âm áp thường xảy ra
theo thang logarit và việc đo đạc được tiến hành bằng cách so sánh với một số tiêu
chuẩn cố định.
Đơn vị decibel bằng 1/10 bel là đơn vị dựa trên cơ sở logarit thập phân. Nếu
cần so sánh hai tín hiệu siêu âm có cường độ I0 và I1 ; các tín hiệu này làm dao động
các biến tử để tạo ra những tín hiệu điện có công suất là P0 và P1 tương ứng. Do đó
tỷ số cường độ siêu âm sẽ bằng với tỷ số công suất tín hiệu điện hình thành, nghóa là
:
I0
P
= 0
I1
P1
(2.14)
_____________________________________________________________________________________
Giáo viên hướng dẫn : TS. Thái Thị Thu Hà
Thực hiện : Nguyễn Nhật Quang
15
Luận văn Thạc só : Nghiên cứu và ứng dụng kỹ thuật siêu âm nhúng vào việc kiểm tra và
bảo trì chi tiết máy trong ngành Cơ khí
Trong thực tế, thường sử dụng đồng hồ đo điện thế AC hoặc máy hiện sóng
dao động kế (cathode ray oscilloscope) để ghi nhận. Các thiết bị này đo điện thế có
quan hệ tỷ lệ với căn bậc hai của âm áp nghóa là P tỉ lệ với V2 . Khi thay vào
phương trình (2.14) ta được :
⎛ V
I0
P
= 0 = ⎜⎜ 0
I1
P1
⎝ V1
⎞
⎟⎟
⎠
2
(2.15)
Tỷ số này tương đối lớn nên ta lấy logarit thập phân của hai vế phương trình (2.15)
được:
⎛ V ⎞
I
log 0 = log ⎜⎜ 0 ⎟⎟
I1
⎝ V1 ⎠
2
⎛ V ⎞
= 2 log ⎜⎜ 0 ⎟⎟ Bels
⎝ V1 ⎠
Vì 1decibel bằng 1/10bel nên . Cường độ tính theo Decibel :
⎛I
= 10 log ⎜⎜ 0
⎝ I1
⎞
⎛P
⎟⎟ = 10 log ⎜⎜ 0
⎠
⎝ P1
⎞
⎛V
⎟⎟ bels = 20 log 10 ⎜⎜ 0
⎠
⎝ V1
⎞
⎟⎟ decibel
⎠
(2.16)
2.3 CAÙC LOẠI SÓNG SIÊU ÂM VÀ ỨNG DỤNG :
Sóng siêu âm được phân loại dựa cơ sở dạng dao động của các phần tử sóng
trong môi trường tương ứng đối với phương truyền sóng; Cụ thể là các loại: sóng
dọc, sóng ngang, sóng mặt (sóng Rayleigh) và sóng Lamb.
a> Sóng dọc hay sóng nén (Longitudinal or compressional waves) :
Trong dạng sóng siêu âm này, sự dao động của các phần tử sóng song song
với phương truyền sóng sẽ tạo ra các vùng nén lại và dãn ra xen kẽ liên tiếp nhau.
Hình 2.5 trình bày mô phỏng của sóng siêu âm dọc.
Vùng nén
Vùng giãn
ộ dịch chuyển của hạt
Hình 2.5 – Sóng dọc gồm các vùng nén và dãn xen kẽ nhau dọc theo
phương truyền sóng.
Hình 2.6. mô tả sự dịch chuyển của phần tử sóng dọc theo quãng đường
truyền với các đỉnh sóng (bị nén) và chân sóng (dãn ra).
Biên độ
_____________________________________________________________________________________
Khoảng cách
Giáo viên hướng dẫn : TS. Thái Thị Thu Hà
Thực hiện : Nguyễn Nhật Quang
16
