Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến kết quả kiểm tra chiều dày vật liệu bằng phương pháp siêu âm

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

PHẠM CÔNG HẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------------------

PHẠM CƠNG HẢI

KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ
ĐẾN KẾT QUẢ KIỂM TRA CHIỀU DÀY VẬT LIỆU
BẰNG PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM

KHÓA 31

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2017


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------------------

PHẠM CÔNG HẢI

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ

ĐẾN KẾT QUẢ KIỂM TRA CHIỀU DÀY VẬT LIỆU
BẰNG PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Mã số: 60 52 01 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Người hướng dẫn khoa học:PGS.TS. ĐINH MINH ĐIỆM

Đà Nẵng – Năm 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai cơng
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả luận văn

Phạm Công Hải


MỤC LỤC
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ............................................................................... 1
2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ....................................................................................... 2

3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIẾN CỦA ĐỀ TÀI .......................................... 2
4. TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN ......................................................................... 2
5. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU .............................................................. 2
6. CẤU TRÖC LUẬN VĂN ........................................................................................... 3
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SIÊU ÂM ................................................................ 4
1.1. NHỮNG NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA KIỂM TRA BẰNG PHƢƠNG PHÁP
SIÊU ÂM (KHÔNG PHÁ HỦY - NDT) ........................................................................ 4
1.1.1. Định nghĩa và tầm quan trọng của NDT ............................................................... 4
1.1.2. Các phƣơng pháp NDT .......................................................................................... 4
1.1.3. Phƣơng pháp kiểm tra bằng mắt (Visual testing-VT) ........................................... 5
1.1.4. Phƣơng pháp kiểm tra bằng chất thấm lỏng (Liquid penetrant testing-PT) .......... 6
1.1.5. Phƣơng pháp kiểm tra bằng bột từ (Magnetic particle testing-MT) ..................... 6
1.1.6. Phƣơng pháp kiểm tra bằng dịng điện xốy (Eddy current testing-ET)............... 6
1.1.7. Phƣơng pháp kiểm tra bằng chụp ảnh bức xạ (Radiographic testing-RT) ............ 7
1.1.8. Phƣơng pháp kiểm tra bằng siêu âm (Ultrasonic testing-UT) ............................... 7
1.2. BẢN CHẤT CỦA SÓNG SIÊU ÂM ....................................................................... 8
1.2.1. Định nghĩa siêu âm ................................................................................................ 8
1.2.2. Ƣu điểm của việc lựa chọn dải tần số siêu âm so với âm thanh (nghe đƣợc) ....... 9
1.2.3. Bản chất của các sóng âm ...................................................................................... 9
1.3. ĐẶC TRƢNG CỦA QUÁ TRÌNH TRUYỀN SĨNG ........................................... 13
1.3.1. Tần số .................................................................................................................. 13
1.3.2. Biên độ ................................................................................................................. 13


1.3.3. Bƣớc sóng ............................................................................................................ 13
1.3.4. Vận tốc ................................................................................................................. 14
1.3.5. Âm trở .................................................................................................................. 14
1.3.6. Âm áp .................................................................................................................. 14
1.3.7. Âm năng .............................................................................................................. 15
1.3.8. Cƣờng độ âm ....................................................................................................... 17

1.4. CÁC LOẠI SÓNG SIÊU ÂM VÀ ỨNG DỤNG ................................................... 18
1.4.1. Sóng dọc hay sóng nén (Longitudinal or compressional waves) ....................... 18
1.4.2. Sóng ngang hay sóng trƣợt (Transverse or shear waves) .................................... 19
CHƢƠNG 2: KỸ THUẬT KIỂM TRA SIÊU ÂM ................................................... 23
2.1. PHƢƠNG PHÁP KIỂM TRA SIÊU ÂM .............................................................. 23
2.1.1. Phƣơng pháp truyền qua ...................................................................................... 23
2.1.2. Phƣơng pháp xung phản hồi ................................................................................ 24
2.2. CÁC LOẠI ĐẦU DÕ (SENSORS) ........................................................................ 27
2.2.1. Các loại đầu dò phát chùm sóng siêu âm tới thẳng góc (đầu dị thẳng) .............. 31
2.2.2. Các loại đầu dị góc (đầu dị xiên) ....................................................................... 37
2.3. Chuẩn định hệ thống kiểm tra ................................................................................ 38
2.3.1. Mục đích của việc chuẩn định ............................................................................. 38
2.3.2. Các mẫu chuẩn kiểm tra ..................................................................................... 39
2.3.3. Các đặc trƣng của thiết bị .................................................................................... 40
2.3.4. Chuẩn định với đầu dò thẳng ............................................................................... 42
2.3.5. Chuẩn định với đầu dị góc .................................................................................. 44
2.3.6. Xây dựng đƣờng cong bổ chính biên độ - khoảng cách (DAC) khi sử dụng các
mẫu chuẩn so sánh (đối chứng) ..................................................................................... 46
2.3.7. Chất tiếp âm (coupling medium) ......................................................................... 47
CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ...................................................... 49
3.1. MỤC TIÊU CỦA THỰC NGHIỆM ...................................................................... 49
3.2. CHUẨN BỊ THÍ NGHIỆM .................................................................................... 49
3.2.1. Mẫu kiểm tra ........................................................................................................ 49
3.2.2. Thiết bị kiểm tra .................................................................................................. 50
3.3. THIẾT KẾ THỰC NGHIỆM ................................................................................. 56


3.3.1. Đánh giá kết quả kiểm tra chiều dày bằng phƣơng pháp siêu âm trên các vật liệu
khác nhau ....................................................................................................................... 57
3.3.2. Đánh giá kết quả kiểm tra chiều dày bằng phƣơng pháp siêu âm trên vật liệu có

chiều dày khác nhau ...................................................................................................... 74
3.3.3. Đánh giá kết quả kiểm tra chiều dày vật liệu bằng phƣơng pháp siêu âm khi thay
đổi nhiệt độ .................................................................................................................... 76
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................. 78
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................... 80


NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ ĐẾN KẾT QUẢ KIỂM
TRA CHIỀU DÀY VẬT LIỆU BẰNG PHƢƠNG PHÁP SIÊU ÂM
Học viên: Phạm Cơng Hải
Mã số: 60520103
Khóa: 2015

Chun ngành: Kỹ thuật cơ khí
Trƣờng Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt– Từ xa xƣa, đo lƣờng đã có vai trị vô cùng to lớn trong cuộc sống của con ngƣời, đo
lƣờng nhƣ là một thứ ngôn ngữ để cho con ngƣời giao tiếp, trao đổi hàng hóa mà họ tìm kiếm
đƣợc hay làm ra trong cuộc sống. Khoa học đo lƣờng đang tích cực tham gia vào các lĩnh vực
khoa học đời sống của con ngƣời. Xã hội chúng ta ngày càng phát triển đòi hỏi chúng ta càng
phải nghiên cứu sâu hơn về ngành đo lƣờng học.
Hiện nay, công nghệ kiểm tra không phá hủy (Non Destructive Test: NDT) là một công nghệ
thiết yếu và không thể thiếu của các ngành công nghiệp. Kiểm tra không phá hủy (NDT) dùng
để kiểm tra chiều dày vật liệu nhƣ vỏ tàu, bình khí... mà khơng thể đo đƣợc bằng các thiết bị
khác là rất quan trọng, nó sẽ ảnh hƣởng đến chất lƣợng sản phẩm. Vì vậy kết quả đo trong quá
trình kiểm tra chiều dày vật liệu đáng tin cậy nhất là vấn đề chúng ta cần hƣớng đến. Kết quả
đo chiều dày vật liệu bằng phƣơng pháp siêu âm phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố nhƣ: sai số
chuẩn mẫu, vật liệu, phƣơng pháp đo, chiều dày vật liệu, chất lƣợng bề mặt…..
Từ khóa – siêu âm vật liệu; đo lƣờng; sai số siêu âm; yếu tố ảnh hƣởng; kỹ thuật siêu âm.

RESEARCH ON IMPACT OF A NUMBER OF FACTORS TO THE RESULTS
OF INSULATING MATERIALS BY SUPER HYDROGEN METHOD
Abstract: Since ancient times, measurement has played an enormous role in human life,
measuring as a language for people to communicate and exchange the goods they seek or
work in. wave. Measurement science is actively involved in the fields of human life sciences.
Our society is growing more and more demanding, and we need more research into
metrology.
Currently, Non Destructive Testing (NDT) technology is an indispensable and indispensable
technology of the industry. Non-destructive testing (NDT) is used to check the thickness of a
material such as hulls, cylinders, etc., which can not be measured with other equipment,
which is important to the quality of the product. Therefore the most reliable measure of the
thickness of the material is the problem we need to address. The results of the material
thickness measurement by ultrasonic method are dependent on many factors such as sample
standard error, material, measurement method, material thickness, surface quality ...
Key words – Ultrasound material; measure; Ultrasonic error; Factors affecting; Ultrasonic
technique


MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Ý nghĩa

V(m/s)

Tốc độ sóng âm

Z

Âm trở

J

Cƣờng độ sóng siêu âm

dB

Đơn vị deciBel(dB) là đơn vị dựa trên cơ sở logarit thập phân

TR

Đầu dị thẳng tinh thể kép

RT

Chụp ảnh phóng xạ

UT

Kiểm tra siêu âm

HZ

Tần số của dao động

MT

Kiểm tra bột từ

PT

Kiểm tra thẩm thấu

KTKPH

Kiểm tra không phá hủy(NDT)

KTPH

Kiểm tra phá hủy

ASNT

Hiệp hội kiểm tra không phá huỷ Hoa Kỳ

AWS

Hiệp hội các kỹ sƣ hàn Hoa Kỳ

CRT

Ống tia âm cực

DAC

Đƣờng bổ chính suy giảm biên độ vào khoảng cách

UT

Kiểm tra siêu âm

FSH

Chiều cao toàn bộ màn hình


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 : Khối lƣợng riêng, vận tốc sóng âm và âm trở của các vật liệu thông dụng 15
Bảng 2.1 : Phần trăm sai số đối với các giá trị khác nhau của chiều dài quãng đƣờng
chùm sóng âm và bề dày của mẫu ................................................................................. 37
Bảng 2.2: Mối quan hệ giữa các vị trí đầu dị và các dải bề dày chuẩn định ................ 43
Bảng 3.1. Kết quả phân tích thành phần hóa học mẫu đồng thau silicon ..................... 57
Bảng 3.2. Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu
đồng thau silicon ............................................................................................................ 57
Bảng 3.3. Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu
đồng thau silicon sau khi điều chỉnh vận tốc truyền âm ............................................... 58
Bảng 3.4. Kết quả phân tích thành phần hóa học mẫu đồng chì ................................... 59
Bảng 3.5. Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu
đồng chì ......................................................................................................................... 59
Bảng 3.6. Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu
đồng chì sau khi hiệu chỉnh vận tốc truyền âm ............................................................. 60
Bảng 3.7. Kết quả phân tích thành phần hóa học mẫu đồng phosphor ......................... 61
Bảng 3.8. Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu
đồng phosphor ............................................................................................................... 61
Bảng 3.9. Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu
đồng phosphor sau khi hiệu chỉnh vận tốc truyền âm ................................................... 62
Bảng 3.10. Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu
nhôm Al-01 ................................................................................................................... 63
Bảng 3.11. Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu
nhôm Al-01 sau khi hiệu chỉnh vận tốc truyền âm....................................................... 63

Bảng 3.12. Kết quả phân tích thành phần hóa học mẫu nhơm Al-02 ............................ 64
Bảng 3.13. Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu
nhôm Al-02 ................................................................................................................... 64
Bảng 3.14. Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu
nhôm Al-02 sau khi hiệu chỉnh vận tốc truyền âm........................................................ 65
Bảng 3.15. Kết quả phân tích thành phần hóa học mẫu nhơm Al-03 ............................ 66
Bảng 3.16. Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu
nhôm Al-03 ................................................................................................................... 67


Bảng 3.17. Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu
nhôm Al-03 sau khi hiệu chỉnh vận tốc truyền âm...................................................... 67
Bảng 3.18. Kết quả phân tích thành phần hóa học mẫu nhơm đồng ............................. 68
Bảng 3.19. Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu
nhôm đồng ..................................................................................................................... 68
Bảng 3.20. Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu
nhôm sau khi hiệu chỉnh vận tốc truyền âm ................................................................. 69
Bảng 3.21. Kết quả phân tích thành phần hóa học mẫu thép không gỉ nitơ .................. 70
Bảng 3.22. Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu
thép không gỉ nitơ .......................................................................................................... 70
Bảng 3.23. Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu
thép không gỉ nitơ sau khi hiệu chỉnh vận tốc truyền âm .............................................. 71
Bảng 3.24. Kết quả phân tích thành phần hóa học mẫu thép mangan .......................... 72
Bảng 3.25. Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu
thép mangan ................................................................................................................... 72
Bảng 3.26. Kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu
thép mangan sau khi hiệu chỉnh vận tốc truyền âm ..................................................... 73
Bảng 3.27. Kết quả kiểm tra chiều dày bằng phƣơng pháp siêu âm trên các vật liệu có
chiều dày khác nhau ...................................................................................................... 74
Bảng 3.29. Kết quả kiểm tra chiều dày vật liệu bằng phƣơng pháp siêu âm khi thay đổi

nhiệt độ .......................................................................................................................... 76


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 - Phổ âm với các dải tần số siêu âm đƣợc sử dụng phổ biến cho kiểm tra một
số sản phẩm công nghiệp ................................................................................................. 8
Hình 1.2. a) Trọng vật treo bởi một lị xo; b) Hình vẽ dịch chuyển của W theo .......... 9
thời gian. .......................................................................................................................... 9
Hình 1.3 – Mơ hình của một vật thể đàn hồi ................................................................. 10
Hình 1.4 – Đồ thị minh họa cho phƣơng trình 1.1 mơ tả sự dao động của những phần
tử dao động theo thời gian. ............................................................................................ 11
Hình 1.5 –Đồ thị minh họa cho phƣơng trình 1.2 ......................................................... 12
Hình 1.6 – Sóng dọc gồm các vùng nén và dãn xen kẽ nhau dọc theo phƣơng truyền
sóng. ............................................................................................................................... 18
Hình 1.7 – Hình vẽ dịch chuyển của hạt theo quãng đƣờng truyền sóng...................... 19
Hình 1.8 – Biểu diễn mơ phỏng của một sóng ngang ................................................... 19
Hình 1.9 – Giản đồ lan truyền sóng mặt ở bề mặt một kim loại tiếp xúc với khơng khí
....................................................................................................................................... 20
Hình 2.1: (a), (b) và (c) biểu diễn trên màn hình các khuyết tật có kích thƣớc khác
nhau trong phƣơng pháp truyền qua .............................................................................. 24
Hình 2.2: Nguyên lý của phƣơng pháp xung phản hồi kiểm tra siêu âm ...................... 24
Hình 2.3: Sự tác động của giảm chấn trong đầu dị xung phản hồi.............................. 25
Hình 2.4 – Trƣờng hợp độ rộng xung lớn hơn .............................................................. 26
Hình 2.5 – Trƣờng hợp độ rộng xung nhỏ hơn ............................................................. 26
Hình 2.6 – Ảnh hƣởng của độ rộng xung lên độ phân giải khuyết tật .......................... 27
Hình 2.7: Thí dụ điển hình cho quá trình phân giải tốt và kém.................................... 27
Hình 2.8: Dạng làm việc của đầu dị đơn tinh thể ......................................................... 28
Hình 2.9: Kỹ thuật kiểm tra nhúng với chùm tia hội tụ (dạng sơ đồ), biểu diễn sự thay
đổi điểm hội tụ của chùm tia trong nƣớc và trong kim loại đƣợc nhúng trong nƣớc .... 28
Hình 2.10: Đầu dị kép loại tiếp xúc và sự truyền sóng siêu âm của nó ...................... 34

Hình 2.11: Dạng làm việc của đầu dị kép.................................................................... 35
Hình 2.12: Sự truyền siêu âm với các góc nghiêng nhỏ và lớn của đầu dị kép ........... 35
Hình 2.13: Ảnh hƣởng của góc nghiêng theo độ nhạy của đầu dị kép ........................ 35
Hình 2.14: Sai số đƣờng chữ V với đầu dị TR ............................................................. 36
Hình 2.15: Cấu tạo của một đầu dị góc ....................................................................... 38
Hình 2.16: Mẫu chuẩn I.I.W (V1) ................................................................................. 39


Hình 2.18: Vị trí đầu dị trên mẫu I.I.W V1 để xác định khả năng phân giải của dầu dò
....................................................................................................................................... 42
Hình 2.17: Những vị trí của đầu dị trên mẫu chuẩn I.I.W (V1) để chuẩn định những
dải đo khác nhau ............................................................................................................ 43
Hình 2.18: Biểu diễn màn hình CRT đã chuẩn định cho dải kiểm tra 100 mm ............ 43
Hình 2.19: Biểu diễn màn hình CRT đã chuẩn định cho dải kiểm tra 1m .................... 44
Hình 2.20: Vị trí của đầu dị đặt trong kích thƣớc dải kiểm tra 100 mm ...................... 44
Hình 2.21 : Xác định điểm ra của đầu dị bằng mẫu chuẩn V1 ..................................... 45
Hình 2.22: Xác định góc đầu dị bằng mẫu chuẩn V1 .................................................. 45
Hình 2.23: Những vị trí đầu dị khác nhau trên mẫu chuẩn cơ bản, để vẽ đƣờng cong
DAC bằng đầu dị góc ................................................................................................... 46
Hình 2.24: Màn hình CRT biểu diễn 100%, 50% và 20% DAC ................................... 47
Hình 2.25: Biến đổi biên độ tín hiệu với các loại chất tiếp âm và độ ghồ ghề bề mặt .. 48
Hình 3.1. Các mẫu bao gồm ba vật liệu chính: Đồng, nhơm, thép với các thành phần
hóa học khác nhau ......................................................................................................... 49
Hình 3.2. Các mẫu vật liệu có chiều dày khác nhau ..................................................... 50
Hình 3.3. Thiết bị phân tích thành phần kim loại PDA-7000. ...................................... 54
Hình 3.4 Thiết bị đo kích thƣớc ba chiều ALTERA 8.7.6 ............................................ 55
Hình 3.5 Tủ vi khí hậu DM-600 .................................................................................... 56
Hình 3.6. Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi
kiểm tra mẫu đồng thau silicon ..................................................................................... 57
Hình 3.7. Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy .......................................... 58

siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu đồng thau silicon sau khi điều chỉnh vận tốc v
của thiết bị siêu âm ........................................................................................................ 58
Hình 3.8. Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi
kiểm tra mẫu đồng chì ................................................................................................... 59
Hình 3.9. Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy .......................................... 60
siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu đồng chì sau khi điều chỉnh vận tốc v của thiết
bị siêu âm ....................................................................................................................... 60
Hình 3.10. Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi
kiểm tra mẫu đồng phosphor ......................................................................................... 61
Hình 3.11. Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy ........................................ 62


siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu đồng phosphor sau khi điều chỉnh vận tốc v
của thiết bị siêu âm ........................................................................................................ 62
Hình 3.12. Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi
kiểm tra mẫu nhơm Al-01.............................................................................................. 63
Hình 3.13. Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy ........................................ 64
siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu nhôm Al-01 sau khi điều chỉnh vận tốc v của
thiết bị siêu âm............................................................................................................... 64
Hình 3.14. Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi
kiểm tra mẫu nhơm Al-02.............................................................................................. 65
Hình 3.15. Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy ........................................ 66
siêu âm và máy chuẩn khi kiểm tra mẫu nhôm Al-02 sau khi điều chỉnh vận tốc v của
thiết bị siêu âm............................................................................................................... 66
Hình 3.16. Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi
kiểm tra mẫu nhơm Al-03.............................................................................................. 67
Hình 3.17. Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi
kiểm tra mẫu nhôm Al-03 sau khi điều chỉnh vận tốc v của thiết bị siêu âm ............... 68
Hình 3.18. Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi
kiểm tra mẫu nhôm đồng ............................................................................................... 69

Hình 3.19. Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi
kiểm tra mẫu nhôm đồng sau khi điều chỉnh vận tốc v của thiết bị siêu âm ................. 70
Hình 3.20. Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi
kiểm tra mẫu thép khơng gỉ nitơ .................................................................................... 71
Hình 3.21. Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi
kiểm tra mẫu thép không gỉ nitơ sau khi điều chỉnh vận tốc v của thiết bị siêu âm ..... 72
Hình 3.22. Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi
kiểm tra mẫu thép mangan ............................................................................................ 73
Hình 3.23. Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi
kiểm tra mẫu thép mangan sau khi điều chỉnh vận tốc v của thiết bị siêu âm .............. 74
Hình 3.24 Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi
kiểm tra trên vật liệu có chiều dày khác nhau ............................................................... 75
Hình 3.25. Biểu đồ so sánh kết quả đo giữa giá trị trên máy siêu âm và máy chuẩn khi
kiểm tra khi thay đổi nhiệt độ ........................................................................................ 77


1

MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Từ xa xƣa, đo lƣờng đã có vai trị vơ cùng to lớn trong cuộc sống của con
ngƣời, đo lƣờng nhƣ là một thứ ngôn ngữ để cho con ngƣời giao tiếp, trao đổi
hàng hóa mà họ tìm kiếm đƣợc hay làm ra trong cuộc sống. Những đại lƣợng
đƣợc đo đầu tiên là những đại lƣợng liên quan mật thiết đến đời sống của con
ngƣời nhƣ độ dài, khối lƣợng, dung tích, thời gian.... Với sự phát triển nhƣ vũ
bão của các ngành khoa học kỹ thuật cơng nghệ ngày nay thì lĩnh vực đo lƣờng
càng có vai trị to lớn, đảm bảo là cán cân của các ngành khoa học khác. Vì vậy
đã hình thành nên ngành “Khoa học đo lƣờng” nhƣ ngày nay. Khoa học đo
lƣờng đang tích cực tham gia vào các lĩnh vực khoa học đời sống của con ngƣời.

Xã hội chúng ta ngày càng phát triển đòi hỏi chúng ta càng phải nghiên cứu sâu
hơn về ngành đo lƣờng học.
Hiện nay, công nghệ kiểm tra không phá hủy (Non Destructive Test:
NDT) là một công nghệ thiết yếu và không thể thiếu của các ngành công nghiệp.
Kiểm tra không phá hủy (NDT) dùng để kiểm tra chiều dày vật liệu nhƣ vỏ tàu,
bình khí... mà khơng thể đo đƣợc bằng các thiết bị khác là rất quan trọng, nó sẽ
ảnh hƣởng đến chất lƣợng sản phẩm. Vì vậy kết quả đo trong quá trình kiểm tra
chiều dày vật liệu đáng tin cậy nhất là vấn đề chúng ta cần hƣớng đến. Kết quả
đo chiều dày vật liệu bằng phƣơng pháp siêu âm phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố
nhƣ: sai số chuẩn mẫu, vật liệu, phƣơng pháp đo, chiều dày vật liệu, chất lƣợng
bề mặt….
Xuất phát từ những nhu cầu nhƣ vậy, ngƣời nghiên cứu đề xuất đề tài:
“Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến kết quả kiểm tra chiều dày vật
liệu bằng phương pháp siêu âm” để làm luận văn tốt nghiệp.


2

2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu tổng quan về kiểm tra chiều dày vật liệu bằng phƣơng pháp
siêu âm

Phân tích mức độ ảnh hưởng của một số yếu tố đến kết quả kiểm tra chều
dày vật liệu bằng phương pháp siêu âm và đưa ra các giải pháp khắc phục.
3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIẾN CỦA ĐỀ TÀI
Về mặt khoa học: Xác định đƣợc yếu tố ảnh hƣởng đến kết quả kiểm tra
chiều dày vật liệu bằng phƣơng pháp siêu âm từ đó đƣa ra những giải pháp phù
hợp để có kết quả đáng tin cậy nhất.
Về thực tiễn: Kiểm tra chiều dày vật liệu phục vụ công tác kiểm tra chất
lƣợng cho hầu hết các sản phẩm trong lĩnh vực: Hàng khơng, Khơng gian, Năng

lƣợng, Dầu khí, Hàng hải, ... nhằm hạn chế rủi ro, tăng cƣờng tính tồn vẹn của
kết cấu, tính an tồn và đảm bảo yêu cầu kỹ thuật.
4. TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Nội dung đề tài gồm 5 phần nhƣ sau:
1. Mở đầu
2. Tổng quan về đề tài cần nghiên cứu
3. Đổi tƣợng, địa điểm, nội dung và phƣơng pháp nghiên cứu
4. Cấu trúc luận văn
5. Kết luận và kiến nghị
5. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Đề tài sử dụng phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với phƣơng
pháp thí nghiệm thực tế tại đơn vị (Trung tâm Tiêu chuẩn – Đo lƣờng – Chất
lƣợng 3/ Bộ Quốc phòng).
Lý thuyết
Nghiên cứu lý thuyết về kỹ thuật kiểm tra chiều dày vật liệu bằng phƣơng
pháp siêu âm và một số yếu tố ảnh hƣởng đến kết quả đo.


3

Thực nghiệm
Kiểm tra chiều dày vật liệu với các tham số ảnh hƣởng đến kết quả với
các thiết bị hiện có tại đơn vị nhƣ sau:
+ Các loại vật liệu khác nhau: đồng, nhôm, kẽm, …
+ Chiều dày vật liệu: từ 5 mm đến 40 mm
+ Môi trƣờng kiểm tra chiều dày: Nhiệt độ: từ (20 đến 50) oC
6. CẤU TRÖC LUẬN VĂN
Cấu trúc luận văn đƣợc nghiên cứu và chia làm thành 3 chƣơng:
- Chƣơng 1: Tổng quan về siêu âm
Giới thiệu tổng quan lý thuyết cơ sở về một số nguyên lý cơ bản liên quan

đến phƣơng pháp kiểm tra bằng siêu âm.
- Chƣơng 2: Kỹ thuật kiểm tra siêu âm
Giới thiệu một số kỹ thuật cơ bản trong quá trình kiểm tra siêu âm
- Chƣơng 3: Nghiên cứu thực nghiệm
Thực nghiệm một số yếu tố ảnh hƣởng đến kết quả kiểm tra chiều dày
bằng phƣơng pháp siêu âm


4

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ SIÊU ÂM
1.1. NHỮNG NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA KIỂM TRA BẰNG PHƢƠNG PHÁP
SIÊU ÂM (KHÔNG PHÁ HỦY - NDT)
1.1.1. Định nghĩa và tầm quan trọng của NDT

a. Định nghĩa và bản chất của NDT
Kiểm tra không phá hủy (NDT) là sử dụng các phƣơng pháp vật lý để
kiểm tra phát hiện các khuyết tật bên trong cấu trúc của các vật liệu, các sản
phẩm, chi tiết máy... mà không làm tổn hại đến khả năng hoạt động sau này của
chúng. NDT liên quan tới việc phát hiện khuyết tật trong cấu trúc của các sản
phẩm đƣợc kiểm tra, tuy nhiên tự bản thân NDT không thể dự đốn những nơi
nào khuyết tật sẽ hình thành và phát triển.
b. Tầm quan trọng của NDT
Phƣơng pháp kiểm tra khơng phá hủy (NDT) đóng một vai trị quan trọng
trong việc kiểm tra chất lƣợng sản phẩm. NDT cũng đƣợc sử dụng trong tất cả
các cơng đoạn của q trình chế tạo một sản phẩm.
1.1.2. Các phƣơng pháp NDT

Những phƣơng pháp NDT có từ đơn giản đến phức tạp. Kiểm tra bằng

mắt là phƣơng pháp đơn giản nhất trong tất cả các phƣơng pháp. Những bất liên
tục trên bề mặt khơng nhìn thấy đƣợc bằng mắt thƣờng có thể phát hiện đƣợc
bằng phƣơng pháp dùng chất thấm lỏng hoặc phƣơng pháp dùng bột từ. Khi cần
phát hiện những khuyết tật bề mặt thực sự nghiêm trọng, thƣờng là một điểm
nhỏ thì cần tiến hành những phép kiểm tra phức tạp hơn bên trong vật thể bằng
phƣơng pháp siêu âm hoặc chụp ảnh bức xạ. Những phƣơng pháp NDT đƣợc
chia thành từng nhóm theo những mục đích sử dụng khác nhau đó là: những
phƣơng pháp thơng thƣờng và những phƣơng pháp đặc biệt. Nhóm đầu tiên gồm
có các phƣơng pháp đƣợc dùng phổ biến đó là: phƣơng pháp kiểm tra bằng mắt


5

hoặc còn gọi là phƣơng pháp quang học, phƣơng pháp kiểm tra bằng chất thấm
lỏng, phƣơng pháp kiểm tra bằng bột từ, phƣơng pháp kiểm tra bằng dịng điện
xốy, phƣơng pháp kiểm tra bằng chụp ảnh bức xạ và phƣơng pháp kiểm tra
bằng siêu âm. Nhóm thứ hai chỉ đƣợc dùng trong những ứng dụng đặc biệt và do
đó chúng bị hạn chế trong việc sử dụng. Một số phƣơng pháp trong các phƣơng
pháp đặc biệt đƣợc đề cập ở đây đơn thuần chỉ là để biết thêm, đó là các phƣơng
pháp nhƣ : chụp ảnh neutron, bức xạ âm, kiểm tra nhiệt và hồng ngoại, đo biến
dạng, kỹ thuật vi sóng, kiểm tra rị rỉ, chụp ảnh giao thoa laser (Holography)...
Nên nhớ rằng khơng có một phƣơng pháp nào trong số những phƣơng pháp này
có thể giúp ta giải quyết đƣợc tất cả các vấn đề. Những nguyên lý cơ bản, ứng
dụng điển hình, những ƣu điểm và hạn chế của từng nhóm những phƣơng pháp
này sẽ đƣợc trình bày tóm tắt dƣới đây.
1.1.3. Phƣơng pháp kiểm tra bằng mắt (Visual testing-VT)

Phƣơng pháp này thƣờng không đƣợc chú ý tới trong danh sách liệt kê các
phƣơng pháp NDT, phƣơng pháp kiểm tra bằng mắt là một trong những phƣơng
pháp phổ biến nhất và hiệu quả nhất theo nghĩa kiểm tra không phá hủy. Đối với

phƣơng pháp kiểm tra bằng mắt thì bề mặt của vật thể kiểm tra cần phải có đủ
độ sáng và tầm nhìn của ngƣời kiểm tra phải thích hợp. Để thực hiện có hiệu quả
nhất phƣơng pháp kiểm tra bằng mắt, cần phải chú ý đến những phẩm chất đặc
biệt bởi vì trong phƣơng pháp kiểm tra này cần phải đƣợc huấn luyện (kiến thức
về sản phẩm và các q trình gia cơng, dự đốn điều kiện hoạt động, các tiêu
chuẩn chấp nhận, duy trì số liệu đo) và bản thân ngƣời kiểm tra cũng cần phải
đƣợc trang bị một số các thiết bị và dụng cụ. Trong thực tế tất cả các khuyết tật
đƣợc phát hiện bởi những phƣơng pháp NDT khác cuối cùng cũng phải đƣợc
kiểm chứng lại bởi quá trình kiểm tra bằng mắt. Các phƣơng pháp NDT phổ
biến nhƣ là phƣơng pháp kiểm tra bằng bột từ (MT) và phƣơng pháp kiểm tra
bằng chất thấm lỏng (PT) thực ra cũng là những phƣơng pháp có tính khoa học
đơn giản để làm nổi bật các chỉ thị nhằm dễ nhìn thấy hơn.


6
1.1.4. Phƣơng pháp kiểm tra bằng chất thấm lỏng (Liquid penetrant testing-PT)

Đây là một phƣơng pháp đƣợc áp dụng để phát hiện những bất liên tục hở
ra trên bề mặt vật liệu, chất thấm lỏng đƣợc phun lên bề mặt của sản phẩm trong
một thời gian nhất định, sau đó phần chất thấm còn dƣ đƣợc loại bỏ khỏi bề mặt.
Bề mặt sau đó đƣợc làm khơ và phủ chất hiện lên nó. Những chất thấm nằm
trong bất liên tục sẽ bị chất hiện hấp thụ tạo thành chỉ thị kiểm tra, phản ánh vị
trí và bản chất của bất liên tục.
1.1.5. Phƣơng pháp kiểm tra bằng bột từ (Magnetic particle testing-MT)

Phƣơng pháp kiểm tra bằng bột từ đƣợc dùng để kiểm tra các vật liệu dễ
nhiễm từ. Phƣơng pháp này có khả năng phát hiện những khuyết tật hở ra trên
bề mặt và ngay sát dƣới bề mặt. Trong phƣơng pháp này, vật thể kiểm tra trƣớc
hết đƣợc cho nhiễm từ bằng cách dùng một nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm
điện, hoặc cho dòng điện đi qua trực tiếp hoặc chạy xung quanh vật thể kiểm tra.

Từ trƣờng cảm ứng vào trong vật thể kiểm tra gồm có các đƣờng sức từ. Nơi nào
có khuyết tật sẽ làm rối loạn đƣờng sức, một vài đƣờng sức này phải đi ra và
quay vào vật thể. Những điểm đi ra và đi vào này tạo thành những cực từ trái
ngƣợc nhau. Khi những bột từ tính nhỏ đƣợc rắc lên bề mặt vật thể kiểm tra thì
những cực từ này sẽ hút các bột từ tính để tạo thành chỉ thị nhìn thấy đƣợc gần
giống nhƣ kích thƣớc và hình dạng của khuyết tật.
1.1.6. Phƣơng pháp kiểm tra bằng dòng điện xoáy (Eddy current testing-ET)

Phƣơng pháp này đƣợc sử dụng rộng rãi để phát hiện các khuyết tật bề mặt,
phân loại vật liệu, để đo những thành mỏng từ một mặt, để đo lớp mạ mỏng và
trong một vài ứng dụng khác để đo độ sâu lớp thấm. Phƣơng pháp này chỉ áp dụng
đƣợc cho những vật liệu dẫn điện. Ở đây dịng điện xốy đƣợc tạo ra trong vật thể
kiểm tra bằng cách đƣa nó lại gần cuộn cảm có dịng điện xoay chiều.
Từ trƣờng xoay chiều của cuộn cảm bị thay đổi do từ trƣờng của dịng
điện xốy. Sự thay đổi này phụ thuộc vào điều kiện của phần chi tiết nằm gần
cuộn cảm, nó đƣợc biểu hiện nhƣ một điện kế hoặc sự hiện diện của ống phóng
tia âm cực.


7

Có ba loại đầu dị đƣợc sử dụng trong phƣơng pháp kiểm tra bằng dịng
điện xốy. Những đầu dị đặt bên trong thƣờng đƣợc dùng để kiểm tra các ống
trao đổi nhiệt. Những đầu dò bao quanh đƣợc dùng phổ biến để kiểm tra các
thanh và ống trong quá trình chế tạo. Việc sử dụng những đầu dò bề mặt để xác
định vị trí vết nứt, phân loại vật liệu, đo bề dày thành và bề dày lớp mạ, và đo độ
sâu lớp thấm.
1.1.7. Phƣơng pháp kiểm tra bằng chụp ảnh bức xạ (Radiographic testing-RT)

Phƣơng pháp kiểm tra bằng chụp ảnh bức xạ đƣợc dùng để xác định

khuyết tật bên trong của nhiều loại vật liệu và có cấu hình khác nhau. Một phim
chụp ảnh bức xạ thích hợp đƣợc đặt phía sau vật cần kiểm tra và đƣợc chiếu bởi
một chùm tia X hoặc tia  đi qua nó. Cƣờng độ của chùm tia X hoặc tia  khi đi
qua vật thể bị thay đổi tùy theo cấu trúc bên trong của vật thể và nhƣ vậy sau khi
rửa phim đã chụp sẽ hiện ra hình ảnh bóng, đƣợc biết đó là ảnh chụp bức xạ của
sản phẩm. Sau đó phim đƣợc giải đốn để có đƣợc những thơng tin về khuyết tật
bên trong sản phẩm. Phƣơng pháp này đƣợc dùng rộng rãi cho tất cả các loại sản
phẩm nhƣ vật rèn, đúc và hàn.
1.1.8. Phƣơng pháp kiểm tra bằng siêu âm (Ultrasonic testing-UT)

Kiểm tra vật liệu bằng siêu âm là một trong những phƣơng pháp kiểm tra
không phá hủy, sóng siêu âm có tần số cao đƣợc truyền vào vật liệu cần kiểm
tra. Hầu hết các phƣơng pháp kiểm tra siêu âm đƣợc thực hiện ở vùng có tần số
0,5 - 20 MHz. Tần số này cao hơn rất nhiều so với vùng tần số nghe đƣợc của
ngƣời là 20Hz - 20KHz. Sóng siêu âm truyền qua vật liệu kèm theo sự mất mát
năng lƣợng (sự suy giảm) bởi tính chất của vật liệu. Cƣờng độ của sóng âm hoặc
đƣợc đo sau khi phản xạ (xung phản hồi) tại các mặt phân cách (khuyết tật) hoặc
đƣợc đo tại bề mặt đối diện của vật thể kiểm tra (xung truyền qua). Chùm sóng
âm phản xạ đƣợc phát hiện và phân tích để xác định sự có mặt khuyết tật và vị
trí của nó. Mức độ phản xạ phụ thuộc nhiều vào trạng thái vật lý của vật liệu ở
phía đối diện với bề mặt phân cách, và ở phạm vi nhỏ hơn vào các tính chất vật


8

lý đặc trƣng của vật liệu đó, ví dụ nhƣ sóng siêu âm bị phản xạ hồn tồn tại bề
mặt phân cách kim loại - chất khí. Phản xạ một phần tại bề mặt phân cách giữa
kim loại - chất lỏng hoặc kim loại - chất rắn. Kiểm tra vật liệu bằng siêu âm có
độ xuyên sâu lớn hơn hẳn phƣơng pháp kiểm tra bằng chụp ảnh bức xạ và ta có
thể phát hiện đƣợc những vết nứt nằm sâu bên trong vật thể (khoảng 6 - 7 m sâu

bên trong khối thép). Nó cũng rất nhạy với những khuyết tật nhỏ và cho phép
xác định chính xác vị trí và kích thƣớc của khuyết tật.
1.2. BẢN CHẤT CỦA SĨNG SIÊU ÂM
1.2.1. Định nghĩa siêu âm

Siêu âm là tên gọi đƣợc sử dụng cho các sóng âm có tần số vƣợt khỏi dải
tần số mà tai ngƣời có thể nghe đƣợc, tức là vƣợt quá 20 kHz. Nói chung các
sóng siêu âm có dải tần số từ 0,5 MHz đến 20 MHz đƣợc sử dụng trong kiểm tra
vật liệu. Hình 1.1 biểu diễn phổ âm với các dải tần số siêu âm đƣợc sử dụng phổ
biến cho kiểm tra một số sản phẩm công nghiệp.
SIÊU ÂM

ÂM

20 Hz

20 kHz

0.5 MHz

1.0 MHz

2.0 MHz

5.0 MHz

10.0 MHz

Kiểm tra sản phẩm đúc, rèn

Dải tần số số tai
ngƣời có thể nghe

Kiểm tra mối hàn

thấy

Kiểm tra độ dày

Hình 1.1 - Phổ âm với các dải tần số siêu âm được sử dụng phổ biến cho kiểm tra một
số sản phẩm công nghiệp


9
1.2.2. Ƣu điểm của việc lựa chọn dải tần số siêu âm so với âm thanh (nghe đƣợc)

Siêu âm đƣợc lựa chọn sử dụng thích hợp hơn so với âm thanh trong nhiều
ứng dụng thực tế là do một hoặc nhiều lý do sau:
- Khi siêu âm đƣợc lựa chọn sẽ tăng tính chất định hƣớng của kiểm tra - tần
số càng cao tính định hƣớng càng lớn. Đây là xem xét chính để tăng khả năng
phát hiện khuyết tật và tạo thuận lợi trong phân tích tín hiệu dƣới nƣớc.
- Khi lựa chọn tần số càng cao thì bƣớc sóng càng ngắn và đến mức có thể
bằng hoặc nhỏ hơn nhiều kích thƣớc các mẫu vật liệu. Điều này có ý nghĩa quan
trọng trong đo kiểm bề dày mỏng và phát hiện khuyết tật có độ phân dải cao.
1.2.3. Bản chất của các sóng âm

Sóng siêu âm đƣợc biết là một dạng dao động cơ học. Để hiểu chuyển
động của sóng siêu âm trong một mơi trƣờng, cần phải hiểu cơ chế truyền năng
lƣợng giữa hai điểm trong môi trƣờng bằng cách hãy bắt đầu nghiên cứu dao
động của một trọng vật treo ở đầu một lị xo (hình 1.2a).

lên

T

Một chu kỳ

W
A
G

Độ dịch chuyển

C

Biên độ

Thời gian

B
xuống

Hình 1.2. a) Trọng vật treo bởi một lị xo; b) Hình vẽ dịch chuyển của W theo
thời gian.

Có hai lực tác dụng lên W, khi nó ở trạng thái cân bằng A, là trọng lực G
và lực căng T của lò xo. Bây giờ nếu W chuyển động từ vị trí cân bằng A đến vị
trí B, thì sức căng T sẽ tăng. Khi rời chuyển khỏi vị trí B thì W sẽ đƣợc gia tốc
về vị trí A dƣới ảnh hƣởng của sự tăng lực căng nó. Khi về đến A trọng lực G và
lực căng T lại cân bằng nhƣng do trọng vật W chuyển động có vận tốc nên theo

10

qn tính nó sẽ vƣợt qua A và chuyển động đến vị trí C, khi ấy lực căng T giảm
dần và trọng lực G tăng tƣơng đối có xu hƣớng hãm W cho đến khi W khơng
cịn động năng và dừng ở C. Tại C, G lớn hơn T lại kéo W quay lại chuyển động
về phía A. Tại A nó lại có động năng và lại một lần nữa vƣợt qua A. Khi W
chuyển động từ A đến B, T lại tăng dần và hãm dần W cho đến khi nó đến B.
Tại B, T lớn hơn G và tồn bộ q trình lại bắt đầu lặp lại. Trình tự dịch chuyển
của W từ vị trí A đến B, từ B về A, từ A đến C và từ C về A đƣợc gọi là một chu
trình. Số chu trình diễn ra trong một giây đƣợc định nghĩa là tần số của dao
động. Thời gian cần thiết để thực hiện hồn tất một chu trình đƣợc gọi là chu kỳ
T của dao động trong đó:

T

1
f

Độ dịch chuyển cực đại của W từ A đến B hoặc từ A đến C đƣợc gọi là
biên độ của dao động. Các khái niệm trên đƣợc minh họa ở hình 1.2b.
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 đƣợc coi nhƣ đƣợc nối với nhau bằng các lị xo. Theo ý nghĩa này, mơ
hình đơn giản của vật liệu có thể đƣợc biểu diễn nhƣ ở hình 1.3.
Đàn hồi

Lực liên kết giữa các nguyên tử

Các ngun tử

Hình 1.3 – Mơ hình của một vật thể đàn hồi


11

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 nhƣ trọng vật W
đƣợc mơ tả ở hình 1.2a. Do lực liên kết giữa các nguyên tử sẽ làm cho các
nguyên tử kề cận nó dao động. Và tiếp tục khi các nguyên tử kế cận dao động thì
chuyển động dao động đƣợc truyền cho các nguyên tử bên cạnh và cứ thế tiếp
tục … 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. Nhƣng 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
đƣợc trạng thái pha dao động trễ hơn nguyên tử bị kích thích đầu tiên.
Khi một sóng cơ học truyền qua một mơi trƣờng thì dịch chuyển của một
hạt mơi trƣờng khỏi vị trí cân bằng ở thời điểm bất kỳ t đƣợc cho bởi :
a = a0sin2ft
Trong đó :

(1.1)

a- Độ dịch chuyển của hạt ở thời điểm t
a0- Biên độ dao động của hạt
f - Tần số dao động của hạt

Biểu diễn đồ thị trong phƣơng trình 1.1 đƣợc trình bày ở hình 1.4.
Độ dịch chuyển của hạt

(a)

a0

0

Thời gian

Chu kỳ T  1
f

Hình 1.4 – Đồ thị minh họa cho phương trình 1.1 mơ tả sự dao động của những phần
tử dao động theo thời gian.

Phƣơng trình (1.2) là phƣơng trình chuyển động của sóng cơ học trong
mơi trƣờng. Nó cho trạng thái của các hạt (pha) ở các khoảng cách khác nhau
tính từ hạt bị kích thích đầu tiên ở thời điểm t xác định.


12
x

a  a 0 sin 2f  t  
v


(1.2)

Trong đó : a - Độ dịch chuyển (tại thời điểm t và khoảng cách x tính từ hạt đầu
tiên bị kích thích) của một hạt mơi trƣờng có sóng truyền qua

a0 - Biên độ của sóng cũng chính bằng biên độ dao động của các hạt
môi trƣờng
v - Vận tốc lan truyền của sóng
f - Tần số của sóng
Hình 1.5 cho ta đồ thị biểu diễn của phƣơng trình 1.2.
v

Độ dịch chuyển của hạt

a0
Biên độ

Khoảng cách

0

Bƣớc sóng 

Hình 1.5 –Đồ thị minh họa cho phương trình 1.2

Vì trong thời gian một chu kỳ T, một sóng cơ học có vận tốc v truyền đi đƣợc
quãng đƣờng  trong môi trƣờng, do vậy ta có :
 = vT
hay v  

(1.3)

T

Chu kỳ T liên hệ với tần số f bởi :

f 

1
T

(1.4)

Kết hợp phƣơng trình (1.3) và (1.4) chúng ta thu đƣợc phƣơng trình cơ bản của
mọi chuyển động sóng là :
v = f

(1.5)