Kiểm tra siêu âm là gì và hoạt động như thế nào?

Kiểm tra siêu âm (Ultrasonic Testing – UT) bao gồm một loạt các kỹ thuật kiểm tra không phá hủy (Non-Destructive Testing – NDT) sử dụng sóng siêu âm truyền qua vật thể hoặc vật liệu. Những sóng âm tần số cao này được truyền vào vật liệu để phân tích đặc tính vật liệu hoặc phát hiện khuyết tật. Hầu hết các ứng dụng kiểm tra UT sử dụng sóng xung ngắn với tần số từ 0.1–15 MHz, mặc dù có thể sử dụng lên đến 50 MHz. Một ứng dụng phổ biến là đo độ dày siêu âm, dùng để xác định độ dày của vật thể, ví dụ như đánh giá mức độ ăn mòn đường ống.

Hoạt động như thế nào?

Kiểm tra siêu âm sử dụng bộ chuyển đổi áp điện (piezoelectric transducer) kết nối với thiết bị phát hiện khuyết tật (flaw detector), cơ bản nhất gồm bộ tạo xung-nhận (pulser-receiver) và màn hình dao động (oscilloscope display). Bộ chuyển đổi được di chuyển trên bề mặt vật thể cần kiểm tra, thường sử dụng chất tiếp xúc (couplant) như gel, dầu hoặc nước để truyền năng lượng âm thanh hiệu quả từ bộ chuyển đổi vào vật thể. Tuy nhiên, chất tiếp xúc không cần thiết khi sử dụng các kỹ thuật không tiếp xúc như bộ chuyển đổi âm học điện từ (EMAT) hoặc kích thích bằng laser.

Phương pháp Pulse-echo và Through-transmission

Kiểm tra siêu âm có thể thực hiện bằng hai phương pháp cơ bản:

• Pulse-echo (Xung-và-phản xạ): Bộ chuyển đổi vừa phát vừa nhận sóng âm. Phương pháp này sử dụng tín hiệu phản xạ từ giao diện (như mặt sau vật thể hoặc khuyết tật) để phản xạ sóng trở lại đầu dò. Kết quả hiển thị dưới dạng đồ thị đường, với trục y là biên độ (cường độ phản xạ) và trục x là khoảng cách hoặc thời gian (độ sâu tín hiệu trong vật liệu).
• Through-transmission (Truyền qua): Sử dụng bộ phát riêng biệt gửi sóng siêu âm từ một mặt và bộ thu riêng biệt nhận năng lượng âm thanh đến mặt đối diện. Khuyết tật trong vật liệu làm giảm lượng âm thanh thu được, từ đó xác định vị trí khuyết tật.

Kiểm tra tiếp xúc và kiểm tra ngâm

Kiểm tra siêu âm còn được chia thành hai loại chính:

• Kiểm tra tiếp xúc (Contact ultrasonic testing): Thường dùng cho kiểm tra tại hiện trường, tính di động hoặc tiếp cận. Phù hợp khi chỉ tiếp cận được một mặt của mẫu thử, hoặc khi chi tiết lớn, hình dạng bất thường hoặc khó vận chuyển.
• Kiểm tra ngâm (Immersion ultrasonic testing): Thực hiện trong phòng thí nghiệm hoặc nhà máy, phù hợp với các chi tiết cong, hình học phức tạp và phát triển kỹ thuật siêu âm. Chi tiết được ngâm trong nước (nước đóng vai trò chất tiếp xúc thay gel). Thường dùng phương pháp pulse-echo, có thể sử dụng quỹ đạo đầu dò robot để kiểm tra bề mặt phức tạp. Phương pháp này áp dụng cho nhiều độ dày thành và loại vật liệu, phù hợp với nhiều ngành công nghiệp.

Tại sao sử dụng phương pháp này?

Là phương pháp kiểm tra không phá hủy, siêu âm lý tưởng để phát hiện khuyết tật mà không làm hỏng vật thể hoặc vật liệu. Kiểm tra định kỳ bằng siêu âm còn dùng để theo dõi ăn mòn hoặc sự phát triển của khuyết tật đã biết, từ đó ngăn ngừa hỏng hóc chi tiết, bộ phận hoặc toàn bộ tài sản. Phương pháp được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành: hàng không vũ trụ, ô tô, xây dựng, y tế, luyện kim và sản xuất.

Những vật liệu nào có thể kiểm tra?

Siêu âm phù hợp với nhiều ngành nhờ khả năng kiểm tra nhiều loại vật liệu. Tốt nhất cho các cấu trúc đặc, tinh thể như kim loại. Gốm, nhựa, vật liệu composite và bê tông cũng kiểm tra được nhưng độ phân giải giảm do suy hao âm thanh cao hơn. Trong y tế, công nghệ siêu âm đã được sử dụng hàng thập kỷ và ngày càng được ưa chuộng cho chẩn đoán thông thường cũng như nghiên cứu y khoa nhờ không sử dụng bức xạ ion hóa.

Ưu điểm

• Độ xuyên sâu cao, phát hiện khuyết tật nằm sâu bên trong chi tiết.
• Độ nhạy cao, phát hiện khuyết tật rất nhỏ.
• Có thể kiểm tra khi chỉ tiếp cận được một mặt vật thể.
• Độ chính xác cao hơn nhiều phương pháp NDT khác khi xác định độ sâu khuyết tật bên trong và độ dày chi tiết có bề mặt song song.
• Ước lượng được kích thước, hình dạng, hướng và tính chất khuyết tật.
• Đánh giá cấu trúc hợp kim của các chi tiết có tính chất âm thanh khác nhau.
• Không gây hại cho nhân viên, thiết bị hoặc vật liệu xung quanh.
• Có thể tự động hóa cao và di động.
• Kết quả tức thì, cho phép đưa ra quyết định ngay lập tức.

Hạn chế

• Yêu cầu kỹ thuật viên có kinh nghiệm để kiểm tra và diễn giải dữ liệu.
• Có thể cho kết quả dương tính giả (spurious signals) từ các bất thường chấp nhận được hoặc do hình học chi tiết.
• Khó kiểm tra vật thể có bề mặt thô, hình dạng bất thường, rất nhỏ/mỏng hoặc không đồng nhất.
• Cần loại bỏ lớp cặn bẩn lỏng hoặc sơn bong tróc trước khi kiểm tra (sơn sạch, bám dính tốt có thể để lại).
• Cần chất tiếp xúc cho UT thông thường.
• Độ nhạy giảm đối với khuyết tật thể tích (ví dụ: tạp chất kim loại) so với kiểm tra phóng xạ.

Ứng dụng

Siêu âm có nhiều ứng dụng trong công nghiệp, bao gồm kiểm tra tính toàn vẹn của vật liệu hoặc chi tiết, như kiểm tra mối hàn để phát hiện bất liên tục. Áp dụng cho cả vật liệu sắt và không sắt, phần dày, chỉ tiếp cận một mặt. UT còn phát hiện khuyết tật mịn và khuyết tật mặt phẳng tốt hơn kiểm tra phóng xạ trong một số trường hợp.

Các ngành ứng dụng: hàng không vũ trụ, ô tô, xây dựng, đường sắt, y tế và dầu khí.