Tìm hiểu phương pháp siêu âm trong đo và kiểm tra không phá hủy BKHN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐO VÀ TIN HỌC CÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO MÔN HỌC: ĐO VÀ KIỂM TRA KHƠNG PHÁ HỦY
Đề tài:
Tìm hiểu phương pháp siêu âm trong đo và kiểm tra không phá hủy

Giảng viên: TS. Cung Thành Long
Nhóm: 06


Hà Nội, tháng 7 năm 2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐO VÀ TIN HỌC CÔNG NGHIỆP

BÁO CÁO MÔN HỌC: ĐO VÀ KIỂM TRA KHÔNG PHÁ HỦY
Đề tài:
Tìm hiểu phương pháp siêu âm trong đo và kiểm tra không phá hủy
Giảng viên: TS. Cung Thành Long
Nhóm:

Họ và tên

MSSV

Nguyễn Văn Minh

20174064

Lý Thị Quỳnh

20174153

Vũ Trí Hiếu

20173864

Vũ Cường Thịnh

20174239

Lê Huy Quang

20174131

Hoàng Tiến Thắng

20174198

Vương Đức Trung

20174290

Bùi Phan Tuấn Thành

20174218

Nguyễn Tuấn Dũng

20173787

Nguyễn Đình Quân

20153026

06


MỤC LỤC

3


DANH MỤC HÌNH ẢNH

4


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CHUNG VỀ PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM
1. Tìm hiểu tổng quan về phương pháp

1.1 Giới thiệu chung về NDT bằng Phương pháp siêu âm.
Kiểm tra siêu âm (Ultrasonic Testing – UT) là một phương pháp kiểm tra khơng phá
hủy dựa trên việc kích thích sóng siêu âm vào đối tượng hoặc vật liệu cần kiểm tra.
Trong hầu hết các ứng dụng UT phổ biến, sóng xung siêu âm rất ngắn với tần số dao
động trung bình từ 0,1-15 MHz (đơi khi lên đến 50 MHz).Sóng được truyền vào vật liệu
để phát hiện sai sót bên trong vật liệu.

Hình 2: kỹ sư đang kiểm tra đối tượng bằng phương pháp siêu âm

Hình 1: đầu dị siêu âm

Một hệ thống kiểm tra UT điển hình bao gồm một số đơn vị chức năng, chẳng hạn như
bộ phát / bộ thu, bộ chuyển đổi và thiết bị hiển thị. Bộ thu / phát xung là một thiết bị điện
tử có thể tạo ra các xung điện điện áp cao. Được điều khiển bởi bộ xung, bộ chuyển đổi tạo
ra năng lượng siêu âm tần số cao. Năng lượng âm thanh được đưa vào và truyền qua các
vật liệu dưới dạng sóng. Khi có một sự gián đoạn (chẳng hạn như một vết nứt) trên đường
truyền sóng, một phần năng lượng sẽ bị phản xạ trở lại từ bề mặt khuyết tật. Tín hiệu sóng
phản xạ được đầu dị chuyển thành tín hiệu điện và được hiển thị trên màn hình. Trong
applet bên dưới, cường độ tín hiệu phản xạ được hiển thị so với thời gian từ khi tạo tín hiệu

5


Hình 3: nguyên lý đo bằng phương pháp siêu âm

đến khi nhận được tiếng vọng. Thời gian di chuyển của tín hiệu có thể liên quan trực tiếp
đến khoảng cách mà tín hiệu truyền đi.
Một ứng dụng phổ biến của siêu âm là đo độ dày siêu âm, kiểm tra độ dày của đối
tượng thử nghiệm, ví dụ, để theo dõi sự ăn mòn đường ống.
Bên cạnh việc sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng kỹ thuật (như phát
giá khuyết điểm, đo kích thước, đặc tính vật liệu, v.v.), siêu

hiện / đánh

âm cũng được sử dụng trong

lĩnh vực y tế (như siêu âm, siêu âm trị liệu, v.v.).

1.2.

Lịch sử hình thành và phát triển của Phương pháp kiểm tra siêu âm.
Trước Chiến tranh thế giới thứ hai, sonar, kỹ thuật gửi sóng âm qua nước và quan sát

tiếng vọng trở lại để xác định đặc điểm của các vật thể chìm dưới nước, đã truyền cảm hứng
cho các nhà nghiên cứu siêu âm ban đầu khám phá cách áp dụng khái niệm này vào chẩn

đoán

6


Hình 4: kiểm tra bằng siêu âm trong thực tế
y tế. Năm 1929 và 1935, Sokolov nghiên cứu việc sử dụng sóng siêu âm trong việc phát
hiện các vật thể kim loại. Mulhauser, vào năm 1931, đã nhận được bằng sáng chế về việc sử
dụng sóng siêu âm, sử dụng hai đầu dò để phát hiện các lỗ hổng trong chất rắn. Firestone
(1940) và Simons (1945) đã phát triển thử nghiệm siêu âm xung sử dụng kỹ thuật xung dội
âm.

Hình 4: máy siêu âm đầu tiên

7
Hình 5: máy siêu âm hiện đại ngày nay


2. Ứng dụng của phương pháp kiểm tra siêu âm
Kiểm tra siêu âm có thể được sử dụng trong nhiều phương pháp kiểm tra:
• Kiểm tra thể tích của, mối hàn, đúc, sản phẩm…
• Phát hiện khuyết điểm và lỗ hổng trong đường ống.

• Đối với kiểm tra tiêu chuẩn và định kỳ của máy móc, thiết bị, động cơ, tuabin, máy bay,

v.v…
• Trong các cuộc kiểm tra định kỳ và không định kỳ tại các trạm điện; Bao gồm nồi hơi,

tàu, trống và đường ống.
• Trong kiểm tra cơng nghiệp định kỳ và không định kỳ trong ngành dầu khí, Bao gồm

các lị phản ứng, đường ống, bể chứa, trao đổi nhiệt, vv…
• Trong kiểm tra cơng nghiệp định kỳ và khơng định kỳ trong ngành hóa chất; bao gồm

máy bơm và lưu trữ hóa học.
• Phương tiện giao thông công cộng; Xe lửa, tàu, xe buýt và xe điện.
• Các cơng trình bao gồm cầu, nền tảng dầu và cối xay gió.

8
Hình 6: các lĩnh vực có thể kiểm tra bằng siêu âm


•

Kiểm tra siêu âm mối hàn.

Một trong những đặc điểm hữu ích nhất của thử nghiệm siêu âm là khả năng xác định vị
trí chính xác của khuyết điểm trong mối hàn. Phương pháp kiểm tra này đòi hỏi mức độ
đào tạo và năng lực của người vận hành cao và phụ thuộc vào việc thành lập và áp dụng
các quy trình thử nghiệm phù hợp. Phương pháp thử nghiệm này có thể được sử dụng trên
các vật liệu màu, thường phù hợp để thử nghiệm các phần dày hơn có thể truy cập từ một
phía, và thường có thể phát hiện các dòng tốt hơn hoặc các khuyết tật đơn giản hơn có thể
khơng được phát hiện dễ dàng bằng cách kiểm tra X quang.

Hình 7: kiểm tra mối hàn

3. Đánh giá chung về phương pháp kiểm tra siêu âm

•
•
•
•

Ưu điểm
Khả năng thâm nhập cao, cho phép phát hiện các khiếm khuyết sâu trong vật liệu.
Độ nhạy cao, cho phép phát hiện các khuyết tật nhỏ.
Trong nhiều trường hợp chỉ cần tiếp cận từ một phía của vật cần kiểm tra.
Độ chính xác cao hơn các phương pháp khơng phá hủy khác và có thể xác định độ

•

sâu và vị trí khuyết tật.
Có khả năng ước lượng kích thước, định hướng, hình dạng và tính chất của khuyết

•

tật.
• Có khả năng ước lượng cấu trúc hợp kim dựa trên các thành phần có tính chất âm
•

khác nhau.
Khơng gây nguy hiểm cho con người khi hoạt động và không ảnh hưởng đến thiết bị
và vật liệu trong vùng lân cận.

9


• Khả năng hoạt động xách tay hoặc tự động hóa.
• Kết quả là ngay lập tức. Do đó ngay tại chỗ có thể đưa ra quyết định.
• Nhược điểm
• Vận hành đòi hỏi sự chú ý cẩn thận của các kỹ thuật viên giàu kinh nghiệm.
• Kiến thức kỹ thuật chuyên sâu khi cần phát triển các quy trình kiểm tra.
• Khó kiểm tra các chi tiết thơ, hình dạng khơng đều, kích thước nhỏ hoặc mỏng, hoặc

khơng đồng nhất.
• Bề mặt phải được chuẩn bị bằng cách lau chùi, loại bỏ sơn.
• Cần sử dụng chất tiếp âm để truyền năng lượng sóng siêu âm giữa đầu dị và các bộ
phận đang được kiểm tra trừ khi sử dụng kỹ thuật khơng tiếp xúc như EMAT.
• Các vật được kiểm tra phải đặc, có khả năng chịu nước.

10


CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ CỦA PHƯƠNG PHÁP SIÊU ÂM
Phương pháp siêu âm sử dụng sóng âm là những dao động cơ học có khả năng truyền
qua các mơi trường rắn, lỏng, khí. Sóng này truyền trong mơi trường cho trước với những
vận tốc riêng, theo hướng có thể đốn trước khi tới mặt phân cách giữa các môi trường
chúng sẽ phản xạ hay truyền qua theo những nguyên tắc khác nhau, dựa vào phân tích các
sóng phản xạ ta có được các thơng tin về vật mẫu.

Hình 8: Dao động sóng âm

1. Những đặc điểm của sóng âm

- Tần số âm là tần số dao động của nguồn âm, trong kiểm tra đo đạc tần số âm dao động
với tần số trong khoảng từ 500 Khz đến 10Mhz. Kí hiệu là f, đơn vị Hz.
- Vận tốc âm là vận tốc của sóng âm lan truyền trong mơi trường với những vận tốc khác
nhau nó phụ thuộc vào mật độ của môi trường và độ đàn hồi của môi trường, sóng âm
khơng thể lan truyền trong chân khơng. Kí hiệu v, đơn vị m/s.
- Chu kỳ là thời gian để sóng âm đi được 1 bước sóng.

11


- Bước sóng là quãng đường sóng âm đi được trong 1 chu kỳ trong mơi trường mà nó truyền
qua. Kí hiệu λ giữa chu kỳ và vận tốc có liên hệ:
λ = v/f (m) (1)
Trong đó:
λ : bước sóng (m).
v : vận tốc âm (m/s).
f : tần số Hz.
- Góc phản xạ và khúc xạ:
+ Năng lượng âm trong tần số siêu âm có tính định hướng cao và chùm tia sử dụng để
phát hiện khuyết tật được xác định rõ ràng. Trong các trường hợp sóng âm phản xạ ở mặt
phân cách, góc tới bằng góc phản xạ. Chùm tia tới vng góc với bề mặt sẽ phản xạ thẳng
trở lại, còn chùm tia tới bề mặt dưới một góc thì sẽ phản xạ cũng bằng góc đó.
+ Năng lượng âm truyền từ vật liệu này sang vật liệu khác sẽ đổi hướng theo định luật
khúc xạ của Snell.ta có cơng thức:

Trong đó:
i: là góc giữa tia sáng đi từ môi trường 1
phẳng phân cách và pháp tuyến của mặt

Hình 9: định luật khúc xạ

tới mặt
phẳng

phân cách hai mơi trường.
r: là góc giữa tia sáng đi từ mặt phân cách ra môi trường 2 và pháp tuyến của mặt phẳng
phân cách hai môi trường.
n1: là chiết suất môi trường 1.
n2: là chiết suất môi trường 2.

12


2. Góc tới hạn của khúc xạ
- Chùm âm đi qua môi trường như nước hoặc plastic khúc xạ khi đi vào mơi trường thứ
hai với một góc tới. Đối với góc tới nhỏ, chùm âm khúc xạ và chuyển đổi dạng sóng, và kết
quả là kết hợp cả sóng dọc và sóng ngang. Vùng giữa góc tới vng góc và góc tới hạn thứ
nhất khơng hữu ích cho kiểm tra siêu âm như vùng sau góc tới hạn thứ nhất vì lúc đó chỉ có
sóng ngang được tạo ra.
- Góc tới hạn thứ nhất:
+ Khi góc tới tăng lên, góc tới hạn thứ nhất đạt tới khi góc khúc xạ chùm âm sóng dọc đạt
90 độ, ở điểm đó chỉ có sóng ngang tồn tại trong mơi trường thứ hai. Khi lựa chọn đầu dị
góc sóng ngang, hoặc khi điều chỉnh đầu dị nhúng ở góc tới để tao sóng ngang thì cần xem
xét hai điều kiện.
+ Thứ nhất: sóng dọc khúc xạ phải phản xạ tồn phần như vậy chùm âm thâm nhập chỉ
giới hạn là sóng ngang.
+ Thứ hai: Sóng ngang khúc xạ phải đi vào chi tiết kiểm tra theo yêu cầu của tiêu chuẩn
kiểm tra,trong kiểm tra bằng phương pháp nhúng, góc tới hạn thứ nhất được tín đảm bảo
rằng chùm âm đi vào chi tiết kiểm tra.
+ Khi góc tới tiếp tục tăng lên, góc tới hạn thứ hai đạt tới khi góc chùm âm sóng ngang

khúc xạ 90 độ, ở điểm này, các sóng ngang phản xạ và trong trường hợp kiểm tra tiếp xúc
với chi tiết kiểm tra ở trong môi trường khơng khí thì sẽ tạo ra sóng bề mặt, trong kiểm tra
nhúng, mơi trường lỏng nhớ rằng sóng bề mặt đã được tạo ra trong kiểm tra thí nghiệm trên
chi tiết kiểm tra ngâm trong chất lỏng.

13


3. Các loại sóng âm

Hình 10: Mơ tả sóng dọc

- Sóng dọc hay cịn gọi là sóng nén được đặc trưng bởi sự dao động của các hạt cùng
hướng với phương truyền sóng.
- Sóng ngang được đặc trưng bởi sự dao động của các hạt có hướng vng góc với phương
truyền sóng.

Hình 11: Mơ tả sóng ngang

- Sóng bề mặt hay cịn gọi là sóng Rayleigh: các hạt có quỹ đạo chuyển động hình ê líp
và truyền qua bề mặt của vật liệu, chiều sâu chỉ khoảng một bước sóng.
- Sóng dạng tấm hay cịn gọi là sóng Lamb là một dạng dao động phức tạp trong các tấm
mỏng có chiều dày vật liệu nhỏ hơn bước sóng và dạng sóng nàytruyền trong tồn bộ tiết
diện của mơi trường.

14


- Sóng âm có thể được chuyển từ dạng này sang dạng khác. Thơng thường sóng ngang
được tạo ra trong vật liệu kiểm tra bằng cách truyền sóng dọc vào vật liệu dưới một góc đã

chọn trước.

Hình 12: Mơ tả sóng bề mặt

15


CHƯƠNG 3: ĐẦU DỊ THU PHÁT SĨNG SIÊU ÂM

Hình 13: Đầu dị thu phát sóng siêu âm

1. Ngun lý
- Đầu dò siêu âm chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượng âm tần số cao và ngược

lại.
- Nguyên lý đầu dị sử dụng đó là hiệu ứng áp điện. Hiệu ứng áp điện là khi đặt dưới áp

lực thì bề mặt khối chất rắn phát sinh điện tích, và ngược lại nếu tích điện bề mặt thì

Hình 14: minh họa hiệu ứng áp điện

khối sẽ nén dãn.

16


Các loại vật liệu áp điện
-

Gốm áp điện

Gốm áp điện được cấu tạo bởi 3 yếu tố: cấu tạo bởi ba yếu tố

PZT (chì Pb, zorconi, titan). Gốm áp điện có áp điện cao, hằng số
điện mơi cao và có thể được xử lý thành các hình dạng tùy ý,
nhưng chúng có yếu tố chất lượng cơ học thấp, mất điện lớn và độ
ổn định kém, và do đó thích hợp cho đầu dị cơng suất cao và rộng

Hình 15: gốm áp điện

bộ lọc dải. Ứng dụng, nhưng không lý tưởng cho các ứng dụng có tần số cao, ổn định cao.
-

Tinh thể áp điện

Cấu trúc tinh thể khơng có trung tâm đối xứng và do đó có tính áp điện. Chẳng hạn như
tinh thể thạch anh, lithium niobate, niobate lithium, niobate titan và lithium niobate bóng
bán dẫn sắt, lithium niobate…
-

Polyme áp điện (vật liệu áp điện hữu cơ)
Loại vật liệu này và tính linh hoạt của vật liệu, mật độ thấp,

trở kháng thấp và hằng số điện áp cao (g) và các ưu điểm khác
cho sự chú ý của thế giới và phát triển rất nhanh, đo siêu âm âm
thanh dưới nước, cảm biến áp suất, bắt đầu đánh lửa và các khía
cạnh khác của ứng dụng. Điểm bất lợi là hằng số biến áp áp điện

Hình 16: polyme áp điện

(d) là thấp, làm cho nó rất hạn chế như một bộ chuyển đổi phát xạ hoạt động.

17


2. Cấu tạo đầu dị

Hình 17: cấu tạo của một đầu dị thu phát sóng siêu âm

Đầu dị thu phát sóng siêu âm gồm các bộ phận như trên hình.
+ Wetting layer: đây là lớp bảo vệ đầu dò khỏi những tác động từ môi trường như nhiệt độ,
bề mặt sắc nhọn. Lớp này thường được làm bằng nhựa cứng.
+ Matching layer: Lớp này có vai trị giống như việc phối hợp trở kháng trong mạch điện.
Ở đây là phối hợp trở kháng trong mơi trường truyền sóng, làm cho sóng phản xạ lại nhỏ
nhất có thể. Lớp này thường được làm từ nhựa nhiệt rawnsn.
+ Piezoelectric disc: đĩa áp điện, là bộ phận quan trọng nhất của đầu dò, có nhiệm vụ thu
và phát sóng siêu âm. Nguyên lý và vật liệu đã được phân tích ở trên.
+ Backing: lớp vật liệu nền, được làm từ hỗn hợp các chất đàn hồi, làm giảm sóng siêu âm
truyền ngược lại bên trong. Bởi vì khi cung cấp điện áp hoặc nhận về dao động cơ, đĩa áp
điện sẽ dao động về cả 2 phía, nhưng để đảm bảo sóng siêu âm chỉ truyền theo một hướng
nhất định và tắt dao động về phía bên trong nên cần phải có lớp backing layer để giúp việc

18


tắt hoặc không kéo dài thời gian dao động, triệt tiêu sóng dội ngược vào bên trong đầu dị
cũng như sẵn sàng tạo dao động mới truyền ra bên ngoài.
+ 2 lớp điện cực: gắn vào 2 mặt của đĩa áp điện có vai trị truyền và nhận tín hiệu điện từ
đĩa áp điện.
+ Coaxial cable: cáp đồng trục có vai trị truyền nhận tín hiệu điện từ điện cực đến mạch
xử lý tín hiệu.

+ Thermocouple: cặp nhiệt điện ( cảm biến nhiệt độ), được tích hợp để theo dõi nhiệt độ
bên trong đầu dò cũng như để bù nhiệt độ
+ Front ring, main body, rear lid, cable exhaust tube: các thành phần cơ khí giúp cố định,
định hình đầu dị.
3.

Mạch thu phát sóng siêu âm

3.1 Mạch Phát sóng siêu âm

Hình 18: Mạch phát sóng siêu âm

-Mạch phát được xây dựng xung quanh hai IC đếm CD4017 (IC1 và IC2), IC lật CD4013

(IC3) và một vài linh kiện rời. Tạo ra tín hiệu 40kHz ổn định, được truyền bởi bộ chuyển
đổi TX.
-Bộ dao động tần số vô tuyến (RF) được điều khiển bằng tinh thể được xây dựng xung quanh
bóng bán dẫn T1 (BC549) tạo ra tín hiệu 8MHz, đóng vai trò là đầu vào cho bộ đếm thập

19


phân đầu tiên được xây dựng xung quanh IC1. Bộ đếm chia tần số dao động thành 800
kHz. Đầu ra của IC1 được đưa đến bộ đếm CD4017 thứ hai (IC2), bộ đếm này tiếp tục
chia tần số thành 80 kHz.
-Flip-flop (IC3) chia tín hiệu 80kHz cho 2 để tạo ra tín hiệu 40kHz, tín hiệu này được truyền

bằng đầu dò siêu âm TX.
-Mạch phát hoạt động 9-12V DC.
3.2 Mạch thu sóng siêu âm

Hình 19: Mạch thu sóng siêu âm

- Mạch thu được xây dựng xung quanh một bộ đếm CD4017 (IC4) và một vài thành phần
rời rạc. Để kiểm tra hoạt động của máy phát, cần chuyển tín hiệu 40kHz xuống 4kHz để
đưa tín hiệu vào dải nghe được. Bằng cách sử dụng bộ thu, bộ phát sóng siêu âm 40kHz
có thể được kiểm tra một cách nhanh chóng.
- Bộ chuyển đổi của máy thu (RX) được giữ gần máy phát siêu âm đang được thử
nghiệm. Nó phát hiện tín hiệu 40kHz truyền đi, được khuếch đại bởi bộ khuếch đại được
xây dựng xung quanh bóng bán dẫn BC549 (T2).
- Tín hiệu khuếch đại được đưa đến bộ đếm thập phân IC4, bộ đếm này chia tần số thành
4 kHz. Transistor T3 (SL100) khuếch đại tín hiệu
4kHz để đưa ra các cơ cấu tiếp theo.
4. Phân loại đầu dò

20


4.1. Đầu dò kết hợp
Đầu dò Đầu dò kép sử dụng biến tử thu và phát riêng rẽ trong một vỏ chung. Chúng
thường được sử dụng trong các ứng dụng liên quan đến các bề mặt kiểm tra thô ráp,
vật liệu có cấu trúc hạt thơ, phát hiện rỗ khí hoặc rỗ thủng, và chúng cũng có thể sử
dụng được ở điều kiện nhiệt độ cao.

Hình 20: đầu dị kết hợp

Mặc dù độ chính xác của đầu dị kép thường khơng được như đầu dị đơn tinh thể,
chúng thường mang lại kết quả hơn trong các ứng dụng khảo sát ăn mịn do đặc tính nhạy
với các ăn mịn dạng pitting hay khả năng giúp tăng độ phân giải gần bề mặt.
Đầu dò kép cũng thường được sử dụng trong các ứng dụng chịu nhiệt độ cao và kiểm tra

các bề mặt thơ nhám như vật liệu đúc.
4.2 Đầu dị góc

Hình 21: cấu trúc đầu dị góc

Hình 22: đầu dị góc thực tế

Hình 23: ứng dụng đầu dị góc

Đầu dị góc được sử dụng kết hợp với các miếng nêm bằng nhựa hoặc epoxy để tạo
sóng ngang hoặc sóng dọc vào trong chi tiết kiểm tra nghiêng một góc được xác định
trước đối với bề mặt kiểm tra. Thông thường, đầu dị góc kết hợp với nêm để tạo ra sóng

21


ngang ở 45, 60 và 70 độ. Đầu dị góc thường được sử dụng để kiểm tra mối hàn và
thường được đề cập rất rõ ràng trong các tiêu chuẩn kiểm tra.
4.3 Đầu dị trễ

Hình 24: đầu dị trễ

Đầu dị trễ kết hợp một phần dẫn sóng bằng nhựa, ngắn giữa biến tử và bề mặt kiểm
tra. Chúng được sử dụng để tăng độ phân giải gần bề mặt và cũng để sử dụng kiểm tra ở
nhiệt độ cao vì phần trễ này giúp bảo vệ biến tử tránh bị hư hại do nhiệt độ cao.
4.4 Đầu dò tiếp xúc trực tiếp
Như tên gọi của chúng, các đầu dò tiếp xúc được sử dụng tiếp xúc trực tiếp với chi
tiết cần kiểm tra. Năng lượng âm truyền vng góc với bề mặt, và thường sử dụng để
phát hiện các lỗ rỗng, rỗ khí, và các vết nứt hoặc tách lớp song song với bề mặt ngoài của
chi tiết, cũng như để đo chiều dày.

Hình 25: đầu dị tiếp xúc

22


4.5 Đầu dị PiezoComposite

Hình 26: bề mặt đầu dị piezocomposite

Ban đầu, gốm được cắt lát thành các hình vng. Các khu vực nhỏ giữa các ô vuông
được đổ đầy epoxy và đầu dò được phủ đến độ dày cần thiết, tráng bạc và tráng bạc theo
cách tương tự như các phần tử đầu dị thơng thường. Sự khác biệt đối với người dùng là ở
hiệu suất. Do được làm bằng vật liệu giảm chấn (epoxy) xung quanh mỗi ô vuông, bộ
chuyển đổi thể hiện băng thông vượt trội và do đó độ phân giải cao hơn. Có rất ít hoặc
khơng cần áp dụng một lớp nền; do đó, hiệu quả lớn hơn đầu dị gốm giảm chấn thơng
thường. Do khơng có mặt sau, cấu hình chiều cao của các thiết bị này có thể bị giảm
xuống để có thể tiếp cận các khu vực nhỏ. Các đầu dò này đặc biệt hữu ích khi kiểm tra
các vật liệu sần sùi có tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu tăng lên.
5. Giới thiệu cơng nghệ EMAT và đầu dị khơng tiếp xúc

Hình 27: cấu trúc đầu dò EMAT

23


5.1 Nguyên lý, cấu tạo

Đầu dò EMAT viết tắt của từ Electro Magnetic Acoustic Transducer, có nghĩa là biến
tử phát âm bằng phương pháp điện từ trường. Người ta sử dụng ngun lí Từ giảo để

phát năng lượng sóng âm và trong trong kim loại sắt từ thông qua lớp oxit bao phủ bên
ngồi vật liệu. Đầu dị EMAT khơng cần chất tiếp âm khi sử dụng. Nếu kim loại khơng
liên kết với lớp oxit bên ngồi thì sóng âm không thể truyền vào kim loại được, điều này
được giải thích là bởi vì dưới tác động của từ trường các hạt oxit sẽ bị kích thích và phát
ra sóng âm đi vào kim loại.
Nam châm vĩnh cửu tạo ra từ trường vng góc với bề mặt của lớp oxit, trong khi
trường động do nam châm điện (Bd) tạo ra làm cho lớp oxit bị kéo ra bên ngoài và vào
trong khi cuộn dây dao động. Chuyển động này tạo ra sóng ngang có tần số đặc trưng
theo chiều dày của lớp oxit bên ngồi và sau đó tín hiệu được truyền vào trong thép. Về
cơ bản, lớp oxit đóng vai trò là một phần của đầu dò để tạo ra xung siêu âm. Tần số của
xung siêu âm sẽ thay đổi khi độ dày lớp oxit thay đổi, tăng dần khi lớp oxit trở nên
mỏng hơn và giảm dần khi lớp oxit trở nên dày hơn. Với lớp oxit tương đối mỏng, tần số
sẽ ở khoảng xấp xỉ 5 MHz. Quá trình cũng hoạt động theo chiều ngược lại để tạo ra điện
áp trong cuộn dây khi tín hiệu phản hồi từ sóng ngang quay trở lại làm rung lớp oxit.
5.2 Ưu nhược điểm

+ Ưu điểm
-

Không cần loại bỏ lớp gỉ.
Không cần sử dụng chất tiếp âm.
Sử dụng ở chế độ tiếp xúc trực tiếp hoặc tiệm cận bề mặt.
Có thể sử dụng với bề mặt nhiệt độ cao.
Sử dụng cho các ống đường kính nhỏ.
Vịng bảo vệ bề mặt bằng kim loại có thể điều chỉnh cho tín hiệu tối ưu.
+ Nhược điểm

24

- Hiệu suất thấp so với đầu dò áp điện.
- Kích thước đầu dị tương đối lớn.
- Sản xuất năng lượng siêu âm trong vật liệu không dẫn điện chỉ có thể thực hiện được
nếu một lớp dẫn điện được phủ lên bề mặt.
7. Chất tiếp âm dùng trong kiểm tra siêu âm
Như phân tích ở phần cơ sở lý thuyết, khi sóng âm truyền qua bề mặt phân cách giữa
hai mơi trường ( đặc biệt là từ khơng khí vào chất rắn), hiện tượng phản xạ sẽ xảy ra với tỉ lệ
gần như 100%. Chính vì vậy, để hạn chế sóng phản xạ lại người ta sử dụng một chất dạng
lỏng gọi là chất tiếp âm (couplant). Chất này có dạng gel, được thoa vào bề mặt vật cần
kiểm tra trước khi tiến hành kiểm tra cùng như được lau sạch sau khi kiểm tra xong để tránh
gây gỉ đối tượng.
• Một số chất tiếp âm thường dùng:
-

Chất tiếp âm B2 – Glyceri

Lợi thế của việc sử dụng glycerin là nó có độ nhớt và có trở kháng âm thanh cao, làm
cho nó trở thành chất tiếp âm được ưa thích cho các bề mặt thơ và các vật liệu suy giảm âm
cao. Glycerin có trở kháng âm là 2,42 x 10 gm-cm / giây (so với 1,61 của propylen glycol,
khoảng 1,5 đối với dầu động cơ, và 1,48 đối với nước). Trở kháng âm thanh của Glycerin
tương đương với chất dẻo và gần với kim loại hơn các chất lỏng thông thường khác, cung
cấp khả năng truyền âm thanh hiệu quả hơn giữa đầu dò và vật kiểm tra.
Bất lợi của việc sử dụng glycerin là nếu nó không được loại bỏ khỏi bề mặt sau khi kiểm tra,
nó có thể gây ra rỉ sét hoặc ăn mịn ở một số kim loại bằng cách hấp thụ và giữ nước từ bầu
khí quyển. Nó cũng có thể hỗ trợ sự phát triển của nấm mốc nếu không được loại bỏ. Mặc
dù glycerin thường được đề nghị để thử nghiệm các vật đúc do đặc tính âm thanh tốt của nó,
nên làm sạch cẩn thận sau khi sử dụng.

25