Trong phương pháp kiểm tra siêu âm phased aray, đầu dò gồm nhiều biến tử độc lập, cách âm với nhau và có bộ biến đổi số- tượng tự (ADC) riêng. Các biến tử này được kích thích bằng xung điện có độ trễ theo các chương trình cho trước. Sóng âm từ các biến tử này sẽ giao thoa và tạo nên chùm siêu âm có góc phát, điểm hội tụ theo ý muốn. Như vậy chùm siêu âm phased array được điều khiển bằng điện tử.

Trong những năm gần đây, hệ thống tổ hợp pha ngày càng được ứng dụng nhiều hơn trong công nghiệp kiểm tra siêu âm thông thường bao gồm kiểm tra mối hàn, kiểm tra độ liên kết, phát hiện các vết nứt trong các đường ống..

Mục đich của bài viết này nhằm  giới thiệu cơ bản về hoạt động của hệ thống tổ hợp pha và phạm vi ứng dụng  của chúng  trong kiểm tra không phá hủy bằng siêu âm trong công nghiệp. Bài viết được chia làm 4 phần: Định ngĩa về hệ thống dãy tổ hợp pha, nguyên lý hoạt động, hình ảnh hiển thị và phạm vi ứng dụng.

Định nghĩa hệ thống dãy tổ hợp pha :

Đầu dò siêu âm thông thường cho NDT thường bao gồm hoặc là một biến tử vừa tạo ra vừa thu sóng âm tần số cao, hoặc cặp hai biến tử, một cho phát và một cho thu. Tuy nhiên, đầu dò dãy tổ hợp pha thường bao gồm từ 16 đến 256 biến tử nhỏ riêng biệt, mỗi biến tử có thể tạo xung riêng rẽ. Chúng có thể được sắp đặt theo dải, vòng tròn, hoặc có hình dạng phức tạp hơn. Cũng như đối với đầu dò thông thường, các đầu dò dãy tổ hợp pha có thể được thiết kế cho sử dụng tiếp xúc trực tiếp, hoặc kết nối với phần nêm để tạo các đầu dò góc, hoặc sử dụng cho kỹ thuật nhúng với sóng âm truyền qua nước tới chi tiết kiểm tra. Tần số đầu dò thường nằm trong dải từ 2 MHz đến 10 MHz. Hệ thống dãy tổ hợp pha cũng bao gồm thiết bị máy tính tinh vi có khả năng điều khiển đầu dò đa biến tử, thu nhận và số hóa xung quay trở lại và biểu diễn thông tin của xung trên các khổ tiêu chuẩn khác nhau. Không giống như các thiết bị dò khuyết tật siêu âm thông thường, Hệ thống dãy tổ hợp pha có thể quét chùm tia dưới cả dải góc khúc xạ hoặc theo dọc theo đường thẳng, hoặc hội tụ ở những độ sâu khác nhau, do đó tăng tính linh hoạt và khả năng trong thiết lập kiểm tra.

Các đầu dò dãy điển hình

Nguyên lý hoạt động:

Hệ thống dãy tổ hợp pha sử dụng nguyên tắc vật lý của sóng để tạo pha, thay đổi thời gian giữa các sê- ri xung siêu âm theo cách sao cho từng mặt sóng tạo bởi mỗi từng biến tử của dãy kết hợp với nhau để tăng thêm hoặc triệt tiêu năng lượng theo chiều có thể dự đoán để hướng và tạo hình dạng cho chùm tia một cách hiệu quả.
Nó được thực hiện bởi dao động của các biến tử đầu dò ở những thời gian khác nhau chút ít. Thường thường các biến tử sẽ bị dao động theo nhóm từ 4 đến 32 để tăng độ nhạy một cách hiệu quả bằng cách giảm độ mở chùm tia không mong muốn và có thể hội tụ sắc nét hơn. Phần mềm sử dụng các định luật về hội tụ để thiết lập thời gian trễ phát xung cho từng nhóm các biến tử nhằm tạo ra chùm tia có hình dạng như mong muốn phù hợp với khả năng của đầu dò, đặc tính của phần nêm cũng như kích thước hình học và tính chất âm của vật liệu kiểm tra. Chuỗi xung được lập trình chọn bởi phần mềm hoạt động của thiết bị sau đó từng sóng âm đó được đưa vào vật liệu kiểm tra. Những sóng âm đó sẽ kết hợp với nhau tăng thêm hoặc triệt tiêu để tạo thành một sóng đơn sơ cấp truyền qua vật liệu kiểm tra và phản xạ lại từ các vết nứt, bất liên tục, mặt đáy và các mặt phân cách khác như sóng siêu âm thông thường. Chùm tia có thể được hướng theo các góc, tiêu cự, kích thước tiêu điểm khác nhau theo cách mà một đầu dò đơn có khả năng kiểm tra vật liệu với các phối cảnh khác nhau . Sự hướng chùm tia xảy ra rất nhanh nên quét với nhiều góc hoặc độ sâu hội tụ khác nhau có thể thực hiện trong một phần nhỏ của giây.
Xung phản xạ lại được thu bởi các biến tử khác nhau hoặc nhóm các biến tử và thời gian được thay đổi cần thiết cho sự thay đổi của phần trễ sau đó tổng hợp lại. Không giống như đầu dò một biến tử siêu âm thông thường hợp nhất tất cả thành phần chùm tia đập vào biến tử, đầu dò dãy tổ hợp pha có thể chọn những sóng âm phản xạ về theo thời gian và biên độ tại mỗi biến tử. Khi phần mềm của thiết bị đã xử lý, thông tin sẽ được hiển thị trên bất kì dạng nào.

Chùm tia góc được tạo ra bởi đầu dò phẳng bằng cách thay đổi thời gian trễ.

Chùm tia hội tụ quét thẳng

Hình ảnh hiển thị:

Trong phần lớn các ứng dụng phát hiện khuyết tật và đo chiều dày, số liệu kiểm tra siêu âm sẽ dựa trên thông tin về thời gian và biên độ thu nhận được qua xử lý sóng dạng RF. Dạng sóng và thông tin từ chúng sẽ được hiển thị bằng một trong bốn dạng: A-scans, B-scans, C-scans, hoặc S-scans.

Hiển thị dạng A-Scan: A-scan là thể hiện đơn giản của sóng RF biểu diễn thời gian và biên độ của tín hiệu siêu âm, như hiển thị trên các thiết bị dò khuyết tật siêu âm thông thường hoặc các thiết bị đo chiều dày có hiển thị dạng sóng. Dạng sóng A-scan hiển thị phản xạ từ một vị trí chùm tia trên chi tiết kiểm tra. Đầu dò góc một biến tử sử dụng với thiết bị dò khuyết tật siêu âm thông thường sẽ tạo ra chùm tia theo một góc. Khi chùm tia mở rộng nó sẽ làm cho đường kính chùm tia tăng lên theo khoảng cách, diện tích bao chùm hoặc trường nhìn của đầu dò góc thông thường vẫn sẽ hạn chế trong một góc. Trong ví dụ dưới đây, nêm 45 độ tại một vị trí cố định có thể phát hiện hai lỗ khoan cạnh trong mẫu vì chúng nằm trong chùm tia, nhưng không thể phát hiện lỗ thứ ba nếu không dịch chuyển đầu dò lên phía trước.

        

Chùm tia được tạo ra                      Hình ảnh A-scan của chùm tia góc

Hệ thống tổ hợp pha sẽ hiển thị A-scan tương tự để đối chứng, tuy nhiên trong phần lớn các trường hợp chúng còn được bổ sung thêm dạng B-scans, C-scans, hoặc S-scans như dưới đây. Các dạng hiển thị hình ảnh tiêu chuẩn trợ giúp cho người kiểm tra có thể hình dung hình dạng và vị trí của khuyết tật trong chi tiết kiểm tra.
Hiển thị dạng B-Scan: B-scan là hình ảnh mặt cắt đứng của chi tiết, hiển thị chiều sâu của mặt phản xạ và vị trí theo chiều dọc của nó. Hiển thị B-scan yêu cầu chùm tia quét dọc theo trục đã chọn của chi tiết, hoặc là cơ học hoặc là điện tử, khi lưu trữ số liệu. Trong trường hợp dưới đây B-scan hiển thị hai mặt phản xạ sâu và một mặt phản xạ nông hơn tương ứng với vị trí các lỗ khoan trong chi tiết. Với thiết bị siêu âm thông thường, đầu dò phải di chuyển dọc theo chi tiết.

                                   

Chùm tia được tạo ra                         Hình ảnh đặc trưng b-scan hiển thị chiều sâu tương đối của lỗ

Hệ thống tổ hợp pha, mặt khác, có thể sử dụng quét điện tử dọc theo chiều dài của đầu dò thẳng tạo ra mặt cắt đứng tương tự mà không cần dịch chuyển đầu dò:

Hình ảnh quét thẳng điện tử (B-scan) hiển thị vị trí và độ sâu tương đối của lỗ theo chiều dài dãy.

Hiển thị dạng C-Scan: C-scan là hình ảnh hai chiều biểu diễn hình chiếu từ trên xuống chi tiết kiểm tra, tương tự như hình ảnh chụp X-quang, trong đó màu sắc đặc trưng cho biên độ ở mỗi điểm trong chi tiết được vẽ trên hệ toạ độ x-y. Với thiết bị thông thường, đầu dò một biến tử phải dịch chuyển theo trường quét x-y trên khắp bề mặt chi tiết. Còn với hệ thống dãy tổ hợp pha, đầu dò chỉ dịch chuyển theo một trục trong khi chùm tia quét điện tử theo trục còn lại. Bộ mã kích thước thường được sử dụng trong những trường hợp kích thước tương ứng của hình ảnh cần được duy trì, mặc dù quét bằng tay không có bộ mã kích thước cũng vẫn có thể cung cấp những thông tin hữu ích .
Những hình ảnh C-scans của mẫu đối chứng với hệ thống quét nhúng thông thường với đầu dò nhúng hội tụ, và với hệ thống dãy tổ hợp pha sử dụng bộ mã hoá kích thước quét tay và đầu dò dãy thẳng. Trong khi độ phân giải không hoàn toàn tương đương, có nhiều vấn đề cần xem xét. Hệ thống tổ hợp pha có thể sách tay ra ngoại trường, khi mà hệ thống thông thường không thể, và giá chỉ bằng 1/3. Thêm vào đó hình ảnh của tổ hợp pha chỉ hoàn thành trong vài giây, khi mà quét thông thường mất tới vài phút.

     

Chùm tia và hướng chuyển động    / Hình ảnh C-Scan thông thường

       

Chùm tia và hướng chuyển động    /    Hình ảnh C-Scan tổ hợp pha

Hiển thị dạng S-Scan: Hình ảnh quét dạng S-scan hoặc quét hình quạt hiển thị hình ảnh cắt hai chiều thu từ sê ri các đường quét A-scans sau đó được vẽ theo thời gian trễ và góc khúc xạ. Trục hoành tương ứng với chiều rộng của chi tiết còn trục tung tương ứng với độ sâu. Chùm tia quét theo hàng loạt góc tạo thành hình ảnh mặt cắt hình nón. Cần phải ghi nhận rằng trong trường hợp này quét bằng đầu dò dãy tổ hợp pha có thể hiển thị được cả 3 lỗ từ một vị trí của đầu dò.

Hình ảnh A-Scan quét một góc bên trái, quét tổ hợp S-scan bên phải. Thanh trỏ ghi 49 độ xác định vị trí góc hiển thị A-scan.

Phạm vi ứng dụng:

Hệ thống dãy tổ hợp pha ứng dụng trong hầu hết các công việc kiểm tra mà thiết bị dò khuyết tật siêu âm đã từng sử dụng. Ứng dụng quan trọng nhất là kiểm tra và phát hiện vết nứt của mối hàn, một công việc được thực hiện ở rất nhiều ngành công nghiệp khác nhau như hàng không, năng lượng, dầu khí, các nhà cung cấp phôi kim loại thanh và ống, xây dựng và bảo dưỡng đường ống, các kết cấu kim loại, ... Công nghệ tổ hợp pha còn được sử dụng hiệu quả trong xác định hình dạng chiều dày còn lại trong các ứng dụng kiểm tra sự ăn mòn.