Giới thiệu về kỹ thuật phân tích vật liệu bằng siêu âm

Kiểm tra không phá hủy bằng siêu âm là phương pháp đa năng có thể áp dụng cho các ứng dụng về phân tích vật liệu khác nhau. Trong khi người ta biết nhiều hơn về Kiểm tra không phá hủy bằng siêu âm với các ứng dụng thông thường như đo chiều dày, phát hiện khuyết tật, tạo hình ảnh âm học, và sóng âm tần số cao có thể được sử dụng để phân biệt và xác định số lượng một số tính chất cơ học, cấu trúc, kết cấu cơ bản của các chất rắn và chất lỏng. Phân tích vật liệu bằng siêu âm dựa trên nguyên lý cơ bản của vật lý: sự chuyển động của bất cứ sóng nào sẽ bị ảnh hưởng bởi môi trường mà nó truyền qua. Do vậy, sự thay đổi một trong bốn thông số có thể dễ dàng đo được liên quan đến sự truyền qua vật liệu của sóng âm tần số cao: thời gian truyền, độ suy giảm, sự tán xạ, và tần số thường liên quan đến sự thay đổi các tính chất vật lý như độ cứng, mô đun đàn hồi, mật độ, độ đồng nhất, và cấu trúc hạt.

Nguyên lý NDT bằng siêu âm sử dụng dải tần số từ 20 KHz đến hơn 100 MHz, chủ yếu được thực hiện trong dải từ 500 KHz đến 20 MHz. Cả hai loại dao động dọc và ngang đều được sử dụng, còn sóng bề mặt và sóng Lamb cũng được sử dụng trong những ứng dụng đặc biệt. Vì bước sóng càng ngắn thì càng nhạy với sự thay đổi trong môi trường mà nó truyền qua, nhiều các ứng dụng phân tích vật liệu sử dụng tần số cao nhất có thể để kiểm tra . Các xung của sóng âm được tạo ra và thu nhận bằng đầu dò áp điện tiếp xúc âm với vật liệu kiểm tra. Trong phần lớn các trường hợp đầu dò đơn được đặt lên một mặt của vật liệu kiểm tra và thực hiện cả hai chức năng phát và thu (kỹ thuật xung vọng), mặc dù trong một số trường hợp đối với các vật liệu có độ suy giảm cao hoặc tán xạ mạnh, đầu thu và đầu phát riêng rẽ được đặt hai trên hai mặt đối diện của vật liệu (kỹ thuật truyền qua). Sóng âm được phát ra bởi sự kích hoạt đầu dò bằng đỉnh điện áp hoặc xung lực liên tục. Sóng âm truyền qua vật liệu, hoặc là phản xạ ở mặt đáy và quay trở lại điểm phát ban đầu (xung vọng), hoặc được thu bởi đầu thu tại điểm đó (truyền qua). Tín hiệu thu được sau đó được khuếch đại và phân tích. Có nhiều loại thiết bị sẵn có cho mục đích này, sử dụng xử lý cả dạng tương tự và dạng kỹ thuật số.

Ưu điểm quan trọng của kiểm tra siêu âm so với các phương pháp phân tích vật liệu khác là nó thường có thể thực hiện ngay trên dây truyền. Sóng âm tần số cao thường có thể truyền vào và ra với vật liệu đang chuyển động không tiếp xúc trực tiếp mà sử dụng bể nước hoặc cột nước như môi trường tiếp âm. Phép đo còn có thể được thực hiện trong bể chứa với năng lượng âm truyền qua thành bể. Vì sóng âm truyền sâu qua chi tiết kiểm tra, tính chất của vật liệu được đo trên lượng lớn vật liệu chứ không chỉ ở bề mặt. Đôi khi còn có thể thông qua sử dụng cổng lựa chọn để phân tích một lớp của vật liệu nhiều lớp, chi tiết được làm từ nhiều vật liệu.

Những thông số đo phù hợp thường là một trong ba thông số sau:

1. Vận tốc âm/thời gian truyền : vận tốc âm là đại lượng siêu âm dễ đo nhất. Vận tốc âm trong môi trường đồng nhất liên quan trực tiếp đến cả module đàn hồi và mật độ; do đó thay đổi tính đàn hồi hoặc mật độ sẽ ảnh hưởng thời gian truyền xung qua mẫu có độ dày cho trước. Thêm vào đó, sự thay đổi mức độ không đồng nhất cũng có thể ảnh hưởng đến vận tốc âm.

2. Độ suy giảm : Năng lượng âm bị hấp thụ hay suy giảm với tốc độ khác nhau trong các vật liệu khác nhau do ảnh hưởng của nhiều yếu tố như mật độ, độ cứng, độ nhớt, và cấu trúc phân tử. Độ suy giảm thường tăng cùng với tần số trong vật liệu đã cho.

3. Sự tán xạ : Sóng âm phản xạ từ mặt phân cách giữa các vật liệu khác nhau. Thay đổi cấu trúc hạt, hướng của sợi, rỗ khí, sự tập chung các hạt, và sự thay đổi cấu trúc tế vi có thể ảnh hưởng đến biên độ, hướng, tần số của tín hiệu khuếch tán. Tác động của tán xạ âm cũng có thể được theo dõi gián tiếp bằng cách xem xét sự thay đổi biên độ của xung đáy hoặc tín hiệu truyền qua.

4. Tần số : Tất cả các vật liệu đều có xu hướng tác động đến một chừng mực nào đó như bộ lọc thông thấp, suy giảm hoặc tán xạ thành phần tần số cao của băng tần nhiều hơn thành phần tần số thấp. Do đó, phân tích sự thay đổi của thành phần tần số còn lại của băng tần được chọn đã qua vật liệu kiểm tra có thể thấy được ảnh hưởng kết hợp giữa sự suy giảm và sự tán xạ âm như mô tả ở trên.

Trong một số ứng dụng dữ liệu siêu âm như vận tốc âm có thể được sử dụng để tính các đặc tính như module đàn hồi. Trong các trường hợp khác, kiểm tra siêu âm là kỹ thuật so sánh tức là để thiết lập qui trình kiểm tra cho một ứng dụng cho trước nó sẽ phải đánh giá thử nghiệm trên mẫu đối chứng đại diện cho dải các điều kiện của vật liệu cần phải định lượng. Từ những mẫu đó có thể ghi lại được các thông số của sự truyền âm thay đổi do sự thay đổi các tính chất của vật liệu, và sau đó từ những thông tin cơ bản đó có thể xác định hoặc dự báo sự thay đổi tương tự trong chi tiết kiểm tra.

Thiết bị: Rất nhiều loại thiết bị siêu âm có thể sử dụng trong các ứng dụng phân tích vật liệu. Vận tốc âm có thể đo với thiết bị đo chiều dày siêu âm cầm tay đơn giản, còn ảnh hưởng của vận tốc, độ suy giảm, và sự tán xạ có thể theo dõi với các thiết bị dò khuyết tật kỹ thuật số. Bộ phát/thu với các thiết bị phụ trợ và hệ thống ảnh siêu âm với phần mềm thích hợp có thể được sử dụng để định lượng tất cả các tính chất đó, và thực hiện kiểm tra phân tích phổ. Để có các thông tin về thiết bị và đầu dò cho các kiểm tra chuyên dụng, hãy liên hệ với chúng tôi.

Các ứng dụng: Sau đây là các ứng dụng phân tích vật liệu sử dụng và dẫn chứng tài liệu bằng kỹ thuật siêu âm. Các bài thảo luận mở rộng cũng như danh sách các cuốn sách, hoặc bài viết về chủ đề này có thể tìm thấy trong nguyên bản của ASNT1 và Lynnworth2. Cả hai cuốn sách này đều được giới thiệu như nguồn thông tin chi tiết về cả qui trình kiểm tra cũng như những yêu cầu về thiết bị chuyên dụng.

Module đàn hồi: Module Young và module trượt trong vật liệu đồng nhất có thể được tính từ vận tốc sóng dọc và vận tốc sóng ngang (cùng với mật độ của vật liệu). Sử dụng phần trễ cho phép đo ở nhiệt độ cao.

Sự vón cục trong sắt đúc: Cả sự tập chung graphite trong sắt đúc và hình dáng và hình thể của chúng có thể được định lượng thông qua việc đo vận tốc âm.

Tốc độ đông cứng của epoxies và bê tông: Tốc độ sóng âm trong những vật liệu này thay đổi khi chúng đông cứng; do đó phép đo vận tốc âm có thể tương quan với mức độ đông cứng. Kiểm tra bê tông thường yêu cầu tiếp cận cả hai bên cho kỹ thuật truyền qua.

Độ đậm đặc của chất lỏng: Tỉ lệ hỗn hợp của hai chất lỏng có tốc độ âm khác nhau có thể tương quan với tốc độ âm trong dung dịch đó ở nhiệt độ xác định.

Tỉ trọng của chất pha trộn loãng: Tỉ lệ hỗn hợp chất lỏng/chất rắn như bùn khi khoan tại nhiệt độ xác định có thể tương quan với vận tốc âm và /hoặc độ suy giảm.

Tỉ trọng trong gốm: Tính đồng đều của mật độ trong gốm đã nung và chưa nung có thể xác minh bằng cách đo vận tốc âm.
Các sản phẩm thức ăn: Rất nhiều các dạng xét nghiệm được thông báo, bao gồm tuổi của trứng và khoai tây, sự chín của hoa quả, lượng chất béo trong thịt bò, và phần trăm chất rắn trong sữa. Nói chung những xét nghiệm này là không phá hủy và không là nhiễm bẩn.

Sự polome hóa trong chất dẻo: Trong chất dẻo và các polime khác, sự thay đổi cấu trúc phân tử như chiều dài hoặc hướng của chuỗi polime sẽ tương ứng với sự thay đổi vận tốc âm và/hoặc độ suy giảm.

Kích thước hạt hoặc rỗ khí và sự phân bố: Sự thay đổi về kích thước hoặc sự phân bố của các hạt hoặc rỗ khí trong chất rắn hoặc môi trường lỏng sẽ ảnh hưởng đến biên độ và tần số của sự tán xạ của sóng siêu âm.

Kích thước hạt trong kim loại: Sự thay đổi kích thước hoặc hướng của các hạt trong thép, sắt đúc, titan, và các kim loại khác sẽ làm thay đổi biên độ, hướng, và/hoặc tần số của sóng siêu âm tán xạ.

Tính không đẳng hướng của chất rắn: Sự thay đổi vận tốc âm, sự tán xạ, và/hoặc sự suy giảm qua các trục khác nhau của chất rắn có thể sử dụng để xác định và định lượng tính không đẳng hướng.

Độ sâu của lớp vỏ cứng trong thép: Kỹ thuật tán xạ của sóng ngang tần số cao có thể sử dụng để đo chiều sâu của lớp vỏ được làm cứng.

Đo nhiệt độ: Nhiệt biểu học siêu âm đã được sử dụng để đo nhiệt độ rất cao (trên 3000 độ C) bằng cách theo dõi sự thay đổi vận tốc âm trong môi trường đối chứng.

Tài liệu tham khảo thêm:
1) American Society for Nondestructive Testing, Nondestructive Testing Handbook, Volume 7, Ultrasonic Testing (ASNT, 1991)
2) Lynnworth, Lawrence C., Ultrasonic Measurements for Process Control (Academic Press, 1989)