Áp dụng kỹ thuật siêu âm xây dựng hình ảnh trường vận tốc và trường hệ số suy giảm nghiên cứu sự phá hủy vật liệu bê tông trên máy nén đơn trục

Báo viết này trình bày một ứng dụng của kỹ thuật siêu âm để nghiên cứu quá trình phá hủy vật liệu thông qua việc xây dựng hình ảnh trường vận tốc và trường hệ số suy giảm sóng siêu âm cho cả ba loại sóng (1 sóng dọc và 2 sóng ngang).
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Áp dụng kỹ thuật siêu âm xây dựng hình ảnh trường vận tốc và trường hệ số suy giảm nghiên cứu sự phá hủy vật liệu bê tông trên máy nén đơn trục Nghiên cứu khoa học công nghệ ÁP DỤNG KỸ THUẬT SIÊU ÂM XÂY DỰNG HÌNH ẢNH TRƯỜNG VẬN TỐC VÀ TRƯỜNG HỆ SỐ SUY GIẢM NGHIÊN CỨU SỰ PHÁ HỦY VẬT LIỆU BÊ TÔNG TRÊN MÁY NÉN ĐƠN TRỤC Bùi Trường Sơn Tóm tắt: Báo cáo này trình bày một ứng dụng của kỹ thuật siêu âm để nghiên cứu quá trình phá hủy vật liệu thông qua việc xây dựng hình ảnh trường vận tốc và trường hệ số suy giảm sóng siêu âm cho cả ba loại sóng (1 sóng dọc và 2 sóng ngang). Thuật toán SART (Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique) đã được sử dụng để xây dựng hình ảnh, kết quả cho thấy hướng phát triển của vùng phá hủy trên hình ảnh theo sự tăng của tải trọng đơn trục. Hình ảnh trường vận tốc và trường hệ số suy giảm sóng siêu âm trùng với mặt phá hủy của mẫu vật liệu quan sát được sau thí nghiệm. Từ khóa: Siêu âm; Hình ảnh; Vận tốc; Hệ số suy giảm. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Phương pháp chụp cắt lớp hình ảnh thường được dùng để nghiên cứu thành phần, cấu trúc và sự biến đổi bên trong của một đối tượng. Tên của phương pháp xuất phát từ tiếng Hy Lạp tomos và graphein, người ta có thể lập bản đồ 2D hoặc 3D của một hoặc nhiều tham số vật lý thông qua các phép đo các thông số của sóng siêu âm, các tia truyền qua hoặc bị phản xạ bởi đối tượng nghiên cứu. Một số phương pháp chụp cắt lớp hay sử dụng hiện nay như chụp cắt lớp siêu âm, điện từ, điện, nhiệt, tia X hoặc gamma [11]. Ưu điểm của phương pháp chụp cắt lớp bằng sóng siêu âm đó là có thể xây dựng hình ảnh quá trình phá hủy của đối tượng nghiên cứu [3-5, 8-9, 12]. Các tác giả Chow.T.M., Meglis I.L và Young R.P [4] đã nghiên cứu sự phá hủy của đá granite trên máy nén đơn trục bằng hình ảnh chụp cắt lớp siêu âm, từ hình ảnh của trường vận tốc sóng siêu âm ban đầu cho thấy mẫu đá có tính bất đẳng hướng do sự xuất hiện các các vi khe nứt có sẵn. Sau đó, dưới ảnh hưởng của sự tăng tải trọng, trên hình ảnh chụp cắt lớp thấy được sự phát triển các khe nứt theo hướng song song với tải trọng tác dụng. Nghiên cứu của Scott và Younane A[12] về quá trình phá hủy mẫu đá vôi trên thiết bị nén ba trục bằng cách lập bản đồ vận tốc của sóng siêu âm. Kết quả cho thấy hình ảnh của trường vận tốc của sóng siêu âm trong mẫu đá vôi giảm khi tải trọng tác dụng tăng. Khi tải trọng đạt gần đến tải trọng phá hủy (σmax), có thể quan sát thấy một vùng, nơi mà ở đó vận tốc sóng siêu âm giảm mạnh. Hướng phát triển của vùng này trùng với mặt phá hủy của mẫu nghiên cứu sau thử nghiệm. Tuy nhiên, do hạn chế về công nghệ, các nghiên cứu của các tác giả trước đây mới chỉ hướng tới việc xây dựng hình ảnh quá trình phá hủy vật liệu bằng trường vận tốc của sóng dọc mà chưa đề cập tới việc sử dụng các sóng ngang và đặc biệt là hệ số suy giảm cho cả 3 loại sóng (1 sóng dọc và 2 sóng ngang) trong nghiên cứu đặc tính phá hủy của vật liệu. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày kết quả nghiên cứu xây dựng hình ảnh chụp cắt lớp sóng siêu âm bằng trường vận tốc và hệ số suy giảm cho sóng dọc và các sóng ngang trên mẫu bê tông được thí nghiệm trong tổ hợp thiết bị máy nén đơn trục và hệ thống siêu âm. 2. NỘI DUNG 2.1. Thiết bị nghiên cứu và mẫu thí nghiệm Thiết bị nghiên cứu của phòng thí nghiệm đa ngành thuộc Trường Bách khoa Orleans bao gồm hai hệ thống cơ bản: hệ thống máy nén đơn trục và hệ thống siêu âm. Hai hệ thống này được kết nối bởi các đầu đo siêu âm gắn trên mẫu nghiên cứu (hình 1). Hệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san CBES2, 04 - 2018 237  Toán học, Cơ học & Ứng dụng thống máy nén đơn trục sẽ kiểm soát việc gia tải với tốc độ 0.05MPa/phút. Quá trình gia tải được tiến hành liên tục đến khi mẫu thí nghiệm bị phá hủy hoàn toàn. Hình 1. Sơ đồ kết hợp hệ thống siêu âm và máy nén đơn trục. Hệ thống siêu âm hiện đại của hãng Diagnostic Sonar được xây dựng để cùng lúc sử dụng tối đa 32 đầu đo và có thể đo được một sóng dọc và hai sóng ngang trên cùng một đầu đo siêu âm. Trong đó, sóng dọc có phương dao động trùng với phương truyền sóng (ký hiệu P), hai sóng ngang có phương dao động nằm trong 2 mặt phẳng vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền sóng (ký hiệu SH và SV) [2]. Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng phương pháp đo trực tiếp với đầu đo siêu âm loại P143-01, có kích thước (10x10x7,5) mm của hãng Physics Instruments. Đầu đo này có tần số hoạt động 150 KHz, cấu tạo gồm 3 lớp (X,Y,Z), có thể cùng 1 lúc đo được 1 sóng dọc và 2 sóng ngang (ký hiệu P và SSH, SSV) (hình 2). Hình 2. Sơ đồ cấu tạo đầu đo siêu âm P143-01. Các tín hiệu siêu âm được đo liên tục từ khi bắt đầu thí nghiệm cho đến khi mẫu bị phá hủy. Xử lý tín hiệu siêu âm bao gồm tính vận tốc, hệ số suy giảm sóng như sau [2]: - Vận tốc sóng siêu âm: V  L / T (m/s) (1) Trong đó: V là vận tốc sóng siêu âm truyền từ đầu phát đến đầu thu siêu âm, m/s; L là khoảng cách giữ 2 đầu đo siêu âm, m; T là thời gian tín hiệu siêu âm truyền từ đầu phát đến đầu thu siêu âm, s. - Hệ số suy giảm của sóng siêu âm: 1 Ar ( f )  ln( ) (dB/m) (2) L A Trong đó: α(f) là hệ số suy giảm của sóng siêu âm khi truyền qua vật liệu có chiều dài L, dB/m; A’ và A là biên độ của phổ tín hiệu truyền qua vật liệu cần đo và vật liệu dùng để đo đối chứng [1-2]. 238 Bùi Trường Sơn, “Áp dụng kỹ thuật siêu âm … vật liệu bê tông trên máy nén đơn trục.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Toàn bộ quá trình tính toán vận tốc và hệ số suy giảm sóng cho 1 sóng dọc và ...