Kỹ thuật kiểm tra siêu âm Phased Array

Chúng ta đã quen thuộc với các ứng dụng kiểm tra siêu âm màu 3 chiều trong y tế, trong đó sóng âm tần số cao được sử dụng để tạo ra hình ảnh mặt cắt ngang có độ chi tiết cao của các cơ quan nội tạng. Siêu âm y tế thường được thực hiện bằng các đầu dò đa biến tử chuyên dụng được gọi là đầu dò mảng pha hay Phased Array cùng với phần cứng và phần mềm đi kèm để xây dựng và hiển thị hình ảnh. Nhưng các ứng dụng của công nghệ siêu âm Phased Array không chỉ giới hạn trong chẩn đoán y tế. Trong những năm gần đây, các hệ thống siêu âm mảng pha đã được sử dụng ngày càng nhiều trong các ứng dụng công nghiệp để cung cấp thông tin và hình ảnh trực quan trong các thử nghiệm siêu âm như kiểm tra mối hàn, định lượng độ dày và phát hiện vết nứt. Bài viết này giới thiệu ngắn gọn về cách thức hoạt động của hệ thống siêu âm mảng pha và các ứng dụng trong thử nghiệm siêu âm không phá hủy trong công nghiệp.

Siêu âm Phased array được sử dụng cho nhiều ứng dụng kiểm tra và đo lường khác nhau, cho bất kỳ công việc nào được thực hiện bằng siêu âm thông thường. Ví dụ, PAUT được sử dụng để phát hiện và hiển thị hình ảnh các khuyết tật như vết nứt, lỗ rỗng và ăn mòn. Chúng được sử dụng để đo độ dày vật liệu và lớp phủ, đồng thời phát hiện những thay đổi về đặc tính vật liệu. Một ứng dụng phổ biến khác là đánh giá chất lượng mối hàn và đinh tán.

Thiết bị siêu âm PAUT bao gồm những gì?

Đầu dò siêu âm thông thường cho các ứng dụng kiểm tra NDT thường bao gồm một biến tử hoạt động duy nhất để vừa tạo và nhận sóng âm tần số cao, hoặc hai biến tử, một để truyền và một để nhận tín hiệu.

Các đầu dò siêu âm mảng pha, thường bao gồm một cụm đầu dò với từ 16 đến tối đa 256 phần tử riêng lẻ mà mỗi phần tử có thể được kích hoạt và phát xung độc lập. Chúng có thể được sắp xếp theo một dải (mảng tuyến tính), một vòng (mảng hình khuyên), một ma trận tròn (mảng tròn) hoặc một hình dạng phức tạp hơn. Giống như trường hợp của các đầu dò thông thường, các đầu dò mảng theo pha có thể được thiết kế để sử dụng tiếp xúc trực tiếp, sử dụng nêm để tạo góc hoặc để sử dụng kiểm tra nhúng trong nước.

Tần số đầu dò PAUT phổ biến nhất trong dải từ 2 MHz đến 10 MHz. Một hệ thống siêu âm mảng pha cũng sẽ bao gồm một máy tính có khả năng điều khiển đầu dò đa biến tử, nhận và số hóa các tín hiệu phản hồi, đồng thời vẽ biểu đồ thông tin tín hiệu phản hồi sử dụng các dạng hiển thị khác nhau. Không giống như các máy dò khuyết tật thông thường, hệ thống mảng pha có thể quét chùm âm qua một loạt các góc khúc xạ (quét quạt) hoặc dọc theo một đường tuyến tính (quét tuyến tính), hoặc tập trung chùm âm ở độ sâu xác định, do đó tăng cả tính linh hoạt và công năng trong việc thiết lập kiểm tra.

Nguyên lý kiểm tra siêu âm PAUT

Về cơ bản, một hệ thống siêu âm mảng pha sử dụng nguyên tắc vật lý là tính phân kỳ chùm âm sóng âm, thay đổi thời gian giữa một chuỗi các xung siêu âm và điều khiển để chúng đi theo cách mà các mặt sóng riêng lẻ được tạo ra bởi mỗi phần tử trong mảng kết hợp với nhau để tăng cường hoặc triệt tiêu năng lượng theo cách có thể dự đoán được, qua đó định hướng và định hình chùm âm. Điều này được thực hiện bằng cách kích thích các biến tử đầu dò độc lập vào những thời điểm hơi khác nhau.

Thông thường, các biến tử sẽ được điều khiển theo nhóm từ 4 đến 32 biến tử để cải thiện độ nhạy hiệu quả bằng cách tăng khẩu độ, làm giảm sự lan truyền búp sóng phụ không mong muốn và cho phép hội tụ chùm âm tốt hơn.

Phần mềm tạo luật hội tụ (Focal laws) thiết lập thời gian trễ cụ thể để phát từng nhóm biến tử nhằm tạo ra hình dạng tia mong muốn, có tính đến các đặc điểm của đầu dò và nêm cũng như đặc tính hình học và âm học của vật liệu thử nghiệm. Các mặt sóng hình thành lần lượt kết hợp để tăng cường hay triệt tiêu và hình thành một mặt sóng duy nhất truyền qua vật liệu thử nghiệm và phản xạ lại các vị trí có vết nứt, bất liên tục, mặt đáy vật liệu và các ranh giới vật liệu khác giống như sóng siêu âm thông thường.

Các yếu tố ảnh hướng đến chùm tia tạo ra

Chùm tia có thể được điều khiển động qua nhiều góc độ, khoảng cách tiêu cự và kích thước điểm hội tụ khác nhau do vậy một đầu dò duy nhất có thể kiểm tra vật liệu thử nghiệm trên nhiều góc độ khác nhau. Việc điều hướng chùm tia này diễn ra rất nhanh, do đó có thể thực hiện quét từ nhiều góc độ với nhiều độ sâu tiêu cự trong một phần của giây.

Chùm tia chỉ hội tụ được trong trường gần, và càng sử dụng nhiều biến tử thì khả năng hội tụ năng lượng tập trung càng tăng, qua đó chất lượng chùm âm tăng lên và giảm tỷ số SNR.

Các xung phản xạ trở lại được nhận bởi các phần tử hoặc nhóm phần tử khác nhau và được tính toán độ trễ theo thời gian cần thiết để bù cho các độ trễ nêm khác nhau và được tổng hợp lại. Không giống như đầu dò đơn biến tử thông thường, đầu dò mảng pha có thể sắp xếp khoảng cách mặt sóng quay trở lại theo thời gian đến và biên độ tại mỗi phần tử. Khi được xử lý bằng phần mềm, mỗi luật hội tụ trả về biểu thị phản xạ từ một góc cụ thể của chùm tia, một điểm cụ thể dọc theo đường thẳng và phản xạ từ một độ sâu với tiêu cự cụ thể. Thông tin xung phản xạ sau đó có thể được sử dụng hiển thị theo các cách biểu diễn khác nhau.

Luật hội tụ tạo chùm âm góc — Chế độ quét tuyến tính

Chế độ phát sóng thường được sử dụng

Quét tuyến tính chùm âm

Cho phép chùm âm dịch chuyển dọc theo đầu dò mà không cần dịch chuyển đầu dò u
Các chùm âm đều có cùng góc phát với vị trí thay đổi do sử dụng nhiều nhóm biến tử khác nhau.
Tương tự như quét raster trong siêu âm truyền thống, tuy nhiên thực hiện bởi tín hiệu điện thay vì cơ khí

Quét quạt chùm âm

Có khả năng quét một vùng lớn mà không thay đổi vị trí đầu dò.
Hữu ích khi kiểm tra các vật thể có hình dạng phức tạp và tiếp cận hạn chế.
Chùm âm có nhiều góc phát khác nhau từ cùng một nhóm biến tử.

Chế độ phát tuyến tính

Tham khảo thêm bài Các vấn đề cần chú ý khi lên kế hoạch kiểm tra mối hàn.

Biểu diễn hình ảnh trong kiểm tra Phased Array

Trong hầu hết các ứng dụng đo độ dày và phát hiện khuyết tật, dữ liệu kiểm tra siêu âm sẽ dựa trên thông tin về thời gian và biên độ thu được từ các dạng sóng RF đã xử lý. Các dạng sóng này và thông tin được trích xuất từ chúng thường sẽ được trình bày ở các dạng quét A, quét B, quét C hoặc quét S. Phần sau sẽ giới thiệu một số ví dụ về cách hiển thị hình ảnh từ cả thiết bị siêu âm khuyết tật thông thường và hệ thống siêu âm mảng pha.

Hình ảnh hiển thị dạng A-Scan

A-Scan là một cách trình bày dạng sóng RF đơn giản hiển thị tương quan giữa thời gian và biên độ của tín hiệu siêu âm, thường được sử dụng trên thiết bị kiểm tra khuyết tật siêu âm thông thường và máy đo độ dày có màn hình dạng sóng. Dạng sóng quét A sử dụng để biểu thị phản xạ từ một vị trí chùm âm trong mẫu thử.

Hình ảnh siêu âm A-scan bên dưới cho thấy xung phản xạ từ hai lỗ khoan bên trong một khối mẫu bằng thép. Chùm âm dạng thẳng từ đầu dò tiếp xúc đơn biến tử thông thường bị chặn bởi hai trong số ba lỗ khoan và tạo ra hai phản xạ riêng biệt tại các thời điểm khác nhau tỷ lệ với độ sâu của lỗ.

Hình ảnh A-Scan đầu dò thẳng — Chùm âm thông thường

Đầu dò tia góc đơn biến tử được sử dụng với máy kiểm tra khuyết tật thông thường sẽ tạo ra chùm tia có góc xác định. Trong khi các hiệu ứng lan truyền chùm âm sẽ làm cho đường kính chùm âm tăng lên theo khoảng cách, vùng phủ sóng hoặc trường của chùm tia góc thông thường về cơ bản vẫn bị giới hạn trong một đường góc cụ thể. Trong ví dụ ở trên đây, nêm 45 độ tại một vị trí cố định có thể phát hiện hai trong số các lỗ được khoan bên trong khối mẫu thử nghiệm vì chúng nằm trong chùm tia, nhưng không thể phát hiện lỗ thứ ba nếu không di chuyển đầu dò về phía trước.

Một hệ thống siêu âm mảng pha sẽ hiển thị các dạng sóng A-scan tương tự để tham khảo, tuy nhiên trong hầu hết các trường hợp, chúng sẽ được bổ sung bởi B-scan, C-scan hoặc S-scan như được thấy bên dưới. Các định dạng hình ảnh tiêu chuẩn này hỗ trợ người vận hành hình dung loại và vị trí của các khiếm khuyết trong mẫu thử.

Hình ảnh hiển thị dạng B-Scan

B-scan là hình ảnh hiển thị mặt cắt ngang qua một lát dọc của mẫu thử, cho thấy độ sâu của các phản xạ so với vị trí theo trục của chúng. Hình ảnh B-scan yêu cầu chùm âm được quét dọc theo trục đã chọn của mẫu thử, bằng cơ học hay điện tử, đồng thời lưu trữ dữ liệu liên quan.

Trong trường hợp dưới đây, B-scan cho thấy hai phản xạ ở sâu và một phản xạ nông hơn, tương ứng với vị trí của các lỗ khoan bên trong khối thử nghiệm. Với máy dò khuyết tật thông thường, đầu dò phải được di chuyển ngang qua mẫu thử.

Hình ảnh quét tuyến tính điện tử (B-scan) hiển thị vị trí lỗ tương ứng theo độ sâu theo độ dài của đầu dò tuyến tính

Mặt khác, hệ thống mảng theo từng giai đoạn có thể sử dụng tính năng quét điện tử dọc theo chiều dài của đầu dò mảng tuyến tính để tạo ra một mặt cắt ngang tương tự mà không cần di chuyển đầu dò

Hình ảnh hiển thị dạng C-Scan

C-scan là một cách biểu diễn hai chiều của dữ liệu được hiển thị dưới dạng hình chiếu bằng hoặc hình chiếu đứng của mẫu thử, tương tự như trong phối cảnh đồ họa với hình ảnh X-quang, trong đó màu sắc thể hiện biên độ tín hiệu tại mỗi điểm trên mẫu thử tương ứng với vị trí theo trục. Với các thiết bị thông thường, đầu dò đơn biến tử phải được di chuyển theo kiểu quét x-y raster trên mẫu thử. Với hệ thống mảng pha, đầu dò thường được di chuyển vật lý dọc theo một trục trong khi chùm tia quét điện tử dọc theo trục kia. Bộ mã hóa vị trí (Encoder) thường sẽ được sử dụng khi phải duy trì sự tương ứng hình học chính xác của hình ảnh quét, mặc dù các chế độ quét thủ công theo thời gian (không được mã hóa ví trí chính xác) cũng có thể cung cấp thông tin hữu ích trong nhiều trường hợp.

Các hình ảnh tiếp theo cho thấy hình ảnh quét C của khối mẫu tham chiếu được thực hiện bằng hệ thống kiểm tra siêu âm nhúng thông thường với đầu dò hội tụ và với hệ thống mảng pha sử dụng máy quét tay được mã hóa và đầu dò tuyến tính. Hình ảnh từ hệ thống mảng pha được thực hiện trong vài giây, trong khi quá trình quét với đầu dò nhúng thông thường mất vài phút.

Chùm âm siêu âm thường và hướng chuyển động

Hình ảnh hiển thị dạng S-Scan

Hình ảnh quét S thể hiện chế độ mặt cắt được từ một loạt các tín hiệu quét A và đã được vẽ lại theo độ trễ thời gian và góc khúc xạ. Trục hoành tương ứng với chiều rộng mẫu thử và trục thẳng đứngứng với chiều sâu. Đây là định dạng phổ biến nhất cho siêu âm y tế cũng như cho hình ảnh mảng mảng pha công nghiệp, đặc biệt hay gặp trong kiểm tra mối hàn.

Hình ảnh A-Scan của góc 49 độ (với con trỏ xác định ở hình ảnh S-Scan bên trái) và hỉnh ảnh tổng hợp S-Scan ở bên phải. Chú ý các trục và tương ứng biên độ phản hồi với màu sắc tín hiệu.

Các ứng dụng của kiểm tra siêu âm Phased Array trong công nghiệp

Hệ thống siêu âm mảng pha có thể được sử dụng trong hầu hết các thử nghiệm sử dụng thiết bị dò khuyết tật siêu âm thông thường. Kiểm tra mối hàn và phát hiện vết nứt là những ứng dụng quan trọng nhất và những thử nghiệm này được thực hiện trong nhiều ngành công nghiệp bao gồm hàng không vũ trụ, năng lượng, hóa dầu, xây dựng và bảo trì đường ống, kiểm tra kim loại kết cấu và sản xuất nói chung. Siêu âm mảng pha cũng có thể được sử dụng hiệu quả để đánh giá độ dày còn lại của thành vật liệu trong các ứng dụng khảo sát và kiểm tra ăn mòn.

Ưu điểm của công nghệ kiểm tra siêu âm mảng pha so với siêu âm UT thông thường đến từ khả năng sử dụng nhiều biến tử tử để điều hướng, lấy nét và quét chùm tia với một cụm đầu dò duy nhất. Lái chùm âm, thường được gọi là quét quạt, có thể được sử dụng để lập chùm âm ở các góc khác nhau, giúp đơn giản hóa việc kiểm tra các thành phần có dạng hình học phức tạp. Kích thước nhỏ của đầu dò và khả năng quét chùm tia mà không cần di chuyển đầu dò cũng hỗ trợ việc kiểm tra các thành phần trong các tình huống mà khả năng quét cơ học bị hạn chế.

Khả năng kiểm tra các mối hàn với nhiều góc độ từ một đầu dò duy nhất làm tăng đáng kể xác suất phát hiện (POD) các bất liên tục. Lấy nét điện tử cho phép tối ưu hóa hình dạng và kích thước chùm tia tại vị trí khuyết tật dự kiến sẽ xuất hiện, do đó tối ưu hóa hơn nữa xác suất phát hiện và độ phân giải. Khả năng lấy nét ở nhiều độ sâu cũng cải thiện khả năng xác định kích thước các khuyết tật quan trọng. Việc lấy nét có thể cải thiện đáng kể tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu trong các ứng dụng khó khăn và tính năng quét điện tử trên nhiều nhóm cho phép nhanh chóng tạo ra hình ảnh C-Scan trực quan.

Lợi thế khi sử dụng kiểm tra siêu âm PAUT

Siêu âm PAUT có một số ưu điểm so với các đầu dò siêu âm thông thường, xuất phát từ khả năng điều khiển chùm âm truyền vào cấu trúc được kiểm tra.

Siêu âm PAUT có thể giảm thời gian kiểm tra bằng cách loại bỏ hoặc giảm nhu cầu quét cơ học và thay thế bằng khả năng thực hiện quét điện tử. Quét điện tử được thực hiện bằng cách kích hoạt các nhóm biến tử liên tiếp trong đầu dò mảng. Việc loại bỏ hoặc giảm quá trình quét cơ học cũng làm tăng độ tin cậy của các phép kiểm tra.

Trong khi một đầu dò siêu âm thông thường có tiêu cự cố định và một góc duy nhất, một đầu dò PAUT cho phép thay đổi hình dạng và vị trí tiêu điểm của chùm tia siêu âm để tối ưu hóa khả năng kiểm tra. Năng lượng âm có thể được tập trung và các luật trễ có thể được áp dụng để điều hướng chùm âm. Lấy nét theo độ sâu động cho phép thực hiện các phép kiểm tra ở nhiều độ sâu trong cùng một khoảng thời gian so với khi thực hiện phép kiểm tra bằng đầu dò thông thường.

Kiểm tra PAUT cũng cải thiện độ tin cậy của các phép kiểm tra và khả năng đánh giá kích thước khuyết tật có thể được cải thiện.

Do tính linh hoạt, đầu dò PAUT có thể thay thế nhiều đầu dò siêu âm thông thường. Do đó, nó có thể đơn giản hóa các quy trình kiểm tra phức tạp và giảm các bước hiệu chuẩn và thiết lập liên quan.

So với các phép kiểm tra bằng đầu dò đơn biến tử thông thường, việc phát hiện và định cỡ các khuyết tật dễ dàng và chính xác hơn nhiều. Thay vì phải di đầu dò để tìm ra tín hiệu tối ưu có thể thu được từ một biến tử, đầu dò PAUT cho phép thu thập hàng chục chùm âm cùng một lúc. Hiệu quả được cải thiện đáng kể giúp dễ dàng xác định các khuyết tật và giảm số lượng giải đoán nhầm. Khi được sử dụng kết hợp với phần mềm mô phỏng như SetupBuilder, ESBeamTool, CIVA, các kế hoạch kiểm tra có thể được tối ưu hóa để cải thiện khả năng phát hiện. Việc ghi dữ liệu và truy xuất nguồn gốc cũng được cải thiện rất nhiều. Ví dụ, dữ liệu kiểm tra có thể được lưu và so sánh với kết quả mô phỏng, giúp xác nhận có hay không có bất liên tục trong cấu trúc được kiểm tra.