Phát xạ âm là gì? Các nghiên cứu khoa học về Phát xạ âm

Giới thiệu về phát xạ âm

Phát xạ âm (Acoustic Emission – AE) là một hiện tượng vật lý đặc biệt, xảy ra khi trong vật liệu có sự giải phóng năng lượng đột ngột dưới dạng sóng đàn hồi. Hiện tượng này thường gắn liền với sự hình thành hoặc phát triển của khe nứt, biến dạng dẻo cục bộ, hoặc ma sát giữa các bề mặt. Sóng phát xạ âm lan truyền bên trong vật thể và có thể được ghi nhận bằng cảm biến chuyên dụng. Vì có khả năng phản ánh sự thay đổi nội tại mà không cần phá hủy mẫu, phát xạ âm trở thành một trong những phương pháp kiểm tra không phá hủy (Nondestructive Testing – NDT) quan trọng.

Phát xạ âm có đặc trưng bởi tính nhạy cảm cao: chỉ một sự di chuyển vi mô của vết nứt hoặc sự bong tróc nhỏ cũng có thể tạo ra tín hiệu có thể phát hiện. Khác với các phương pháp kiểm tra truyền thống chỉ quan sát trạng thái tĩnh, AE cung cấp thông tin động về quá trình hư hỏng đang diễn ra. Điều này giúp AE được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực đòi hỏi giám sát an toàn kết cấu theo thời gian thực.

Các đặc điểm nổi bật của phát xạ âm:

• Nhạy cảm cao với sự thay đổi cấu trúc vi mô.
• Khả năng giám sát liên tục trong thời gian thực.
• Ứng dụng đa ngành, từ công nghiệp nặng đến khoa học vật liệu.

Cơ sở vật lý của phát xạ âm

Cơ sở vật lý của phát xạ âm dựa trên nguyên lý biến đổi năng lượng. Khi vật liệu chịu tác động cơ học hoặc nhiệt, năng lượng đàn hồi tích lũy tại vùng ứng suất tập trung. Khi ngưỡng tới hạn bị vượt qua, năng lượng này được giải phóng tức thời, tạo ra sóng đàn hồi truyền đi trong môi trường rắn. Sóng này có thể nằm trong dải tần số từ vài chục kHz đến vài MHz.

Sự lan truyền sóng AE tuân theo cơ chế cơ học chất rắn, chịu ảnh hưởng bởi các đặc tính đàn hồi và cấu trúc vật liệu. Trong quá trình di chuyển, sóng có thể bị tán xạ, phản xạ hoặc hấp thụ, tùy theo ranh giới vật liệu và khuyết tật bên trong. Nhờ đó, AE không chỉ cho phép phát hiện sự kiện hư hỏng mà còn hỗ trợ định vị vị trí nguồn phát xạ.

Năng lượng của sóng AE thường được biểu diễn dưới dạng công thức:

$E = \int_{0}^{T} p^2(t)\, dt$

Trong đó $E$ là năng lượng, $p(t)$ là áp suất sóng theo thời gian $t$, và $T$ là khoảng thời gian quan sát. Công thức này cho phép tính toán và so sánh mức độ phát xạ của các sự kiện khác nhau trong cùng một vật liệu.

Thông số đặc trưng của tín hiệu AE

Một tín hiệu phát xạ âm có nhiều đặc trưng quan trọng, mỗi thông số phản ánh một khía cạnh khác nhau của cơ chế phát sinh và lan truyền sóng. Phân tích các thông số này giúp phân biệt dạng hư hỏng, đánh giá mức độ nguy hiểm và dự đoán tuổi thọ cấu kiện.

Biên độ (Amplitude) phản ánh cường độ lớn nhất của sóng, gắn liền với mức năng lượng giải phóng trong sự kiện. Số đếm (Counts) biểu thị số lần tín hiệu vượt qua ngưỡng đặt trước, liên quan đến mức độ hoạt động của nguồn phát. Năng lượng (Energy) được tính bằng diện tích dưới đường cong tín hiệu, là thước đo quan trọng cho cường độ AE. Thời gian phát triển (Rise time) và thời lượng (Duration) mô tả quá trình bắt đầu và kéo dài của tín hiệu, giúp nhận diện sự khác biệt giữa nứt dòn và biến dạng dẻo.

Phân tích miền tần số cung cấp thêm thông tin về cơ chế nguồn. Nứt giòn thường tạo ra tín hiệu tần số cao, trong khi biến dạng dẻo cho phổ tần số thấp hơn. Sự kết hợp của nhiều thông số giúp xác định được loại khuyết tật và cơ chế phá hủy đang diễn ra.

Bảng tóm tắt thông số tín hiệu AE:

Thông số	Ý nghĩa	Ứng dụng
Amplitude	Cường độ sóng cực đại	Xác định mức năng lượng giải phóng
Counts	Số lần vượt ngưỡng tín hiệu	Đánh giá tần suất sự kiện AE
Energy	Tổng năng lượng sóng	So sánh mức độ nghiêm trọng của sự kiện
Rise time	Thời gian tăng biên độ	Phân biệt nứt giòn và biến dạng dẻo
Duration	Thời gian tồn tại tín hiệu	Xác định cơ chế phát sinh

Các cơ chế phát xạ âm

Phát xạ âm có thể xuất hiện từ nhiều cơ chế vật lý, phản ánh những quá trình nội tại khác nhau trong vật liệu. Một trong những cơ chế quan trọng nhất là nứt gãy giòn. Khi một vết nứt phát triển nhanh chóng, năng lượng được giải phóng đột ngột tạo ra tín hiệu AE mạnh, biên độ cao và tần số lớn. Đây là dấu hiệu điển hình của các vật liệu gốm, thủy tinh hoặc hợp kim giòn.

Ngược lại, biến dạng dẻo thường tạo ra tín hiệu AE với biên độ nhỏ hơn, phổ tần số thấp hơn. Điều này là do sự di chuyển từ từ của dislocation trong mạng tinh thể, giải phóng năng lượng ở mức độ thấp và liên tục. Tín hiệu loại này thường xuất hiện trong kim loại và hợp kim dẻo khi chịu tải trọng lớn.

Các cơ chế khác bao gồm ma sát và trượt bề mặt, khi các hạt hoặc khe tiếp xúc cọ xát nhau tạo thành tín hiệu AE rời rạc. Ăn mòn cũng gây ra phát xạ âm, do sự bong tróc hoặc nứt gãy vi mô tại bề mặt kim loại. Nhờ phân tích cơ chế, kỹ sư có thể xác định nguyên nhân và tính chất của hư hỏng.

• Nứt gãy giòn → biên độ cao, tần số lớn.
• Biến dạng dẻo → biên độ thấp, tần số nhỏ.
• Ma sát, trượt → tín hiệu rời rạc, ngắt quãng.
• Ăn mòn → tín hiệu liên quan đến bong tróc vi mô.

Kỹ thuật đo và thiết bị

Hệ thống đo phát xạ âm bao gồm nhiều thành phần liên kết chặt chẽ để ghi nhận và xử lý tín hiệu. Thành phần quan trọng nhất là cảm biến AE, thường được chế tạo từ vật liệu áp điện. Khi sóng đàn hồi từ vật liệu lan tới, cảm biến sẽ biến đổi dao động cơ học thành tín hiệu điện. Để tăng độ chính xác, cảm biến thường được gắn chặt lên bề mặt mẫu thử bằng keo chuyên dụng hoặc mỡ dẫn âm.

Tín hiệu sau đó được truyền đến bộ tiền khuếch đại nhằm nâng cao biên độ và giảm ảnh hưởng nhiễu nền. Các tín hiệu này tiếp tục đi qua bộ lọc và thiết bị số hóa, cho phép lưu trữ và phân tích trên máy tính. Phần mềm AE chuyên dụng có khả năng tính toán các thông số biên độ, năng lượng, số đếm, cũng như xác định vị trí nguồn phát xạ dựa trên thời gian truyền sóng đến nhiều cảm biến khác nhau.

Một hệ thống đo AE điển hình bao gồm:

• Cảm biến AE (dải tần từ 20 kHz đến 1 MHz).
• Bộ tiền khuếch đại với độ lợi 40–60 dB.
• Bộ số hóa tín hiệu với tần số lấy mẫu hàng triệu Hz.
• Phần mềm xử lý tín hiệu thời gian thực.

Kỹ thuật định vị nguồn AE thường sử dụng phương pháp tam giác hóa. Bằng cách đo chênh lệch thời gian tín hiệu đến giữa nhiều cảm biến đặt tại các vị trí khác nhau, hệ thống tính toán tọa độ của nguồn phát. Phương pháp này có độ chính xác cao khi số lượng cảm biến đủ lớn và vật liệu có đặc tính lan truyền sóng đồng nhất (ASTM International).

Ứng dụng trong kiểm tra không phá hủy

Phát xạ âm là một trong những phương pháp kiểm tra không phá hủy (Nondestructive Testing – NDT) hiệu quả, vì nó có thể phát hiện sự tiến triển của hư hỏng nội tại trong khi vật liệu vẫn đang làm việc. Khác với các kỹ thuật khác như siêu âm hoặc X-quang chỉ quan sát trạng thái tĩnh, AE cho phép giám sát động lực quá trình phá hủy.

Trong ngành xây dựng, AE được dùng để giám sát nứt trong kết cấu bê tông, cầu và tòa nhà cao tầng. Khi kết cấu chịu tải, sự hình thành và lan rộng của khe nứt tạo ra tín hiệu AE, giúp kỹ sư xác định khu vực nguy cơ sập đổ. Trong công nghiệp dầu khí, AE được sử dụng để kiểm tra bồn chứa, đường ống và bình áp lực nhằm phát hiện ăn mòn hoặc rò rỉ. Kỹ thuật này cũng rất hữu ích trong hàng không và năng lượng gió, ví dụ để kiểm tra cánh turbine hoặc thân máy bay trong điều kiện hoạt động thực tế.

Các ứng dụng phổ biến của AE trong NDT:

• Giám sát kết cấu bê tông cốt thép trong cầu và đập thủy điện.
• Phát hiện ăn mòn trong đường ống dẫn dầu, khí.
• Kiểm tra cánh turbine gió và động cơ phản lực máy bay.
• Theo dõi tình trạng bình áp lực và bồn chứa hóa chất.

Ưu điểm nổi bật là khả năng giám sát diện rộng chỉ với vài cảm biến, đồng thời cung cấp dữ liệu thời gian thực để dự đoán hư hỏng tiềm ẩn (ASNT Research Symposium).

Ưu điểm và hạn chế

Phát xạ âm có nhiều ưu điểm khiến nó trở thành công cụ quan trọng trong giám sát kết cấu. Trước hết, phương pháp này cho phép phát hiện hư hỏng ở giai đoạn sớm, ngay cả khi kích thước khe nứt còn nhỏ và chưa gây ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền tổng thể. Thứ hai, AE có khả năng giám sát liên tục và không phá hủy, giúp duy trì hoạt động của thiết bị trong khi theo dõi tình trạng an toàn. Thứ ba, chỉ cần một số lượng hạn chế cảm biến để bao quát một khu vực lớn.

Tuy nhiên, AE cũng có những hạn chế đáng kể. Tín hiệu dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu cơ học từ môi trường, chẳng hạn rung động hoặc tiếng ồn từ thiết bị vận hành. Ngoài ra, việc phân tích tín hiệu AE đòi hỏi kỹ thuật xử lý dữ liệu phức tạp và kinh nghiệm của chuyên gia. Phương pháp này khó cung cấp thông tin chính xác về kích thước và loại khuyết tật nếu không kết hợp với các kỹ thuật NDT khác.

Bảng so sánh ưu điểm và hạn chế của AE:

Ưu điểm	Hạn chế
Phát hiện hư hỏng sớm, giám sát thời gian thực	Dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu môi trường
Giám sát diện rộng với ít cảm biến	Phân tích tín hiệu phức tạp, cần chuyên gia
Không phá hủy, duy trì hoạt động thiết bị	Khó xác định kích thước khuyết tật chính xác

Ứng dụng công nghiệp và nghiên cứu

Trong công nghiệp, phát xạ âm đã được ứng dụng để nâng cao an toàn và hiệu quả vận hành. Trong ngành năng lượng, AE được sử dụng để giám sát tình trạng cánh turbine gió, phát hiện nứt do mỏi trước khi sự cố nghiêm trọng xảy ra. Trong công nghiệp hóa chất, AE giúp phát hiện rò rỉ và ăn mòn cục bộ trong bồn chứa, ngăn ngừa tai nạn môi trường.

Trong lĩnh vực nghiên cứu vật liệu, AE được áp dụng để nghiên cứu cơ chế phá hủy của hợp kim, composite, và gốm. Việc ghi nhận tín hiệu AE trong quá trình thử kéo, nén hoặc uốn giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về quá trình biến dạng vi mô và sự khởi phát nứt. Điều này đóng góp quan trọng trong việc thiết kế vật liệu mới có độ bền và tuổi thọ cao hơn.

Các nghiên cứu hiện đại đang tập trung vào việc kết hợp AE với trí tuệ nhân tạo và học máy. Bằng cách huấn luyện mô hình nhận dạng tín hiệu, hệ thống có thể tự động phân loại cơ chế phát xạ (nứt giòn, biến dạng dẻo, ma sát) và dự đoán nguy cơ hư hỏng. Sự kết hợp này mở ra khả năng giám sát tự động và dự báo tuổi thọ kết cấu một cách chính xác (Case Studies in NDT and Evaluation).

Triển vọng tương lai

Tương lai của phát xạ âm gắn liền với các hệ thống giám sát sức khỏe kết cấu (Structural Health Monitoring – SHM). Sự phát triển của cảm biến không dây, hệ thống thu nhận dữ liệu phân tán và điện toán đám mây giúp triển khai giám sát diện rộng với chi phí thấp. Kết hợp với AI, dữ liệu AE sẽ không chỉ được ghi nhận mà còn được phân tích tự động để cung cấp cảnh báo sớm.

Trong ngành hàng không, AE sẽ hỗ trợ giám sát thân máy bay trong suốt vòng đời khai thác. Trong ngành xây dựng, công nghệ này có thể trở thành công cụ tiêu chuẩn để đánh giá tình trạng cầu, đập và các công trình trọng điểm. Trong năng lượng, đặc biệt là điện gió và hạt nhân, AE sẽ là giải pháp giám sát an toàn liên tục.

Việc tích hợp AE với các phương pháp NDT khác như siêu âm, X-quang công nghiệp, và phân tích rung động sẽ tạo nên hệ thống giám sát đa chiều. Nhờ đó, triển vọng lâu dài của AE là trở thành trụ cột trong các chiến lược bảo trì dự báo (Predictive Maintenance), góp phần giảm thiểu sự cố và tối ưu hóa tuổi thọ thiết bị.

Tài liệu tham khảo

• ASTM International – Standard Terminology for NDT
• ASNT Research Symposium – Acoustic Emission Applications
• Case Studies in Nondestructive Testing and Evaluation
• NDT.net – Acoustic Emission Testing
• IOP Science – Acoustic Emission Analysis