Một điểm ảnh PAUT cần được gắn với đúng luật phát
Ảnh siêu âm tổ hợp pha được dựng từ nhiều đáp ứng với các tổ hợp phát và thu khác nhau. TWI mô tả việc tạo trễ riêng cho các phần tử để điều khiển hướng và hội tụ chùm âm. [1] Mỗi góc hiển thị vì vậy cần đi cùng thông tin hình học và thời gian của luật tương ứng, không chỉ một màu biên độ.
Bài này minh họa phép chuyển tọa độ trong một vật phẳng, đồng nhất và đẳng hướng. Chỉ thị được giả định thuộc chặng đầu, dạng sóng đã nhận biết đúng và đường đi về có thể quy về cùng tia trung tâm. Các số liệu không phải cấu hình kiểm tra được phê duyệt cho một liên kết thực.
Luật trễ có ý nghĩa hình học nào?
Xét riêng mô hình một dãy phần tử nằm trực tiếp trên biên của môi trường đồng nhất, chưa có nêm. Khoảng cách tâm hai phần tử kề nhau là p; vận tốc của loại sóng xét là c. Để tạo mặt sóng xa theo góc θ từ pháp tuyến, chênh thời gian phát giữa các phần tử có độ lớn:
Δτ = p sinθ/c.
Nếu tọa độ phần tử tăng theo hướng tia nghiêng, phần tử phía trước phát muộn hơn theo quy ước này, vì đường truyền còn lại tới mặt sóng xa ngắn hơn. Với p=0,6 mm, c=3,25 mm/µs và θ=55°, Δτ=0,151228 µs. Dãy 32 phần tử có 31 khoảng tâm, nên chênh giữa hai đầu bằng 4,688070 µs.
Hội tụ tại một điểm hữu hạn đòi hỏi dùng khoảng cách thật. Với phần tử ở x_i và điểm hội tụ (x_F,z_F), đặt r_i=√[(x_F−x_i)²+z_F²]. Chọn τ_i=(r_max−r_i)/c thì mọi đường đến tiêu điểm tại cùng thời điểm r_max/c.
Ví dụ hai vị trí phần tử x=0 và 18,6 mm, tiêu điểm (40,30) mm, có khoảng cách lần lượt 50 và 36,850509 mm. Chênh thời gian phát phải bằng 4,045997 µs, không bằng giá trị hướng xa 4,688070 µs ở ví dụ góc 55°. Hai ví dụ có mục tiêu khác nhau; không dùng luật tuyến tính cho mọi tiêu điểm.
Khi có nêm và chuyển đổi dạng sóng, phải tính cả các đoạn trong từng môi trường và điều kiện khúc xạ. Những phép tính giản lược trên chỉ giải thích luật trễ; chúng chưa cung cấp một bộ thông số để nạp vào thiết bị kiểm tra siêu âm thực tế.
Từ thời gian đến tọa độ trong mặt cắt
Giả sử tổng thời gian đo là t_m, độ trễ quy đổi cho luật đang xét là t_w và vận tốc trong vật là c. Chiều dài một chiều trong vật được mô hình hóa bằng s=c(t_m−t_w)/2. Với c=3,25 mm/µs, t_w=8 µs, t_m=44,923077 µs, thu được s=60 mm.
Đối với chặng đầu, góc khúc xạ θ=55° cho:
u = s sinθ = 49,149123 mm.
z = s cosθ = 34,414586 mm.
u là hình chiếu trong mặt cắt quét, còn z là độ sâu. Giả định vật dày 50 mm nên chặng đầu phù hợp. Nếu vật chỉ dày 25 mm, cần xét phản xạ và gập đường truyền; không tiếp tục gọi 34,414586 mm là độ sâu trong vật ấy.
Evident nhấn mạnh rằng điểm ra tia trong nêm PAUT thay đổi theo chuỗi phần tử hoặc góc quét. Tọa độ phần mềm có thể tham chiếu tới điểm ra tia hoặc một mốc cố định như mép nêm. [2] Khi xuất dữ liệu, phải đọc đúng định nghĩa trường tọa độ để tránh cộng thêm một hiệu chỉnh đã được phần mềm áp dụng.
Đưa mặt cắt quét vào tọa độ của cấu kiện
Đặt trục X ngang qua mối hàn, Y dọc đường hàn và Z hướng vào chiều dày. Điểm ra tia có tọa độ (X_0,Y_0,0); mặt cắt âm xoay một góc φ quanh Z so với hướng X. Với chặng đầu:
X = X_0+s sinθ cosφ.
Y = Y_0+s sinθ sinφ.
Z = s cosθ.
Chọn X_0=−40 mm, Y_0=1.000 mm, φ=15° cùng s,θ ở trên. Kết quả là X=7,474407 mm, Y=1.012,720729 mm và Z=34,414586 mm.
Nếu mặc định φ=0 dù thực tế đầu dò bị xoay 15°, báo cáo thành X=9,149123 mm và Y=1.000 mm. Chênh theo dọc mối hàn tới 12,720729 mm dù chiều sâu không đổi trong mô hình. Một bản đồ nhìn hợp lý ở mặt cắt vẫn có thể bị gắn sai vị trí trên cấu kiện.
Với một đường hàn cong, hướng X và Y còn thay đổi theo vị trí. Có thể dùng hệ cục bộ gắn với tiếp tuyến đường hàn rồi chuyển sang hệ chung; phải lưu phép chuyển ấy. Một tọa độ encoder duy nhất không chứa đủ thông tin về mọi tư thế đầu dò trong không gian.
Độ nhạy theo góc và thời gian trễ
Trong mặt cắt đầu, ∂u/∂θ=s cosθ và ∂z/∂θ=−s sinθ, với θ tính bằng radian. Sai góc nhỏ +1° ở ví dụ làm u tăng xấp xỉ 0,600648 mm và z giảm xấp xỉ 0,857814 mm. Hai sai lệch cùng xuất phát từ một đầu vào, nên không thể xem là hai sai số độc lập.
Nếu độ trễ được nhập thấp hơn giá trị thật 0,2 µs, phần thời gian trong vật bị tăng 0,2 µs. Đường truyền s tăng 0,325 mm, hình chiếu u tăng 0,266224 mm và độ sâu z tăng 0,186412 mm. Dấu sai lệch cần theo đúng cách định nghĩa trễ; câu nói chung “trễ sai 0,2” chưa đủ để xác định hướng dịch tọa độ.
Giả định độc lập u(s)=0,2 mm và u(θ)=0,5°. Độ không đảm bảo chuẩn độ sâu theo tuyến tính hóa là:
u²(z) = cos²θ u²(s)+(s sinθ)²u²(θ).
Kết quả u(z)=0,443983 mm. Ngân sách này chưa bao gồm mốc mặt trên, dị hướng hay phân loại sai chặng. Nếu θ được tính từ cùng vận tốc dùng để suy s, cần bổ sung hiệp phương sai hoặc truyền trực tiếp các đầu vào gốc qua toàn mô hình.
Bước góc và kích thước pixel không giống nhau
Với bước góc Δθ=0,5° và bán kính đường truyền s=60 mm, khoảng cách cung giữa hai tia trung tâm xấp xỉ sΔθ=0,523599 mm. Trong mặt cắt tại 55°, chênh u và z bậc nhất lần lượt khoảng 0,300324 và −0,428907 mm.
Một ảnh được nội suy lên lưới pixel 0,1 mm không tạo thêm phép đo độc lập giữa hai tia. Bề rộng chùm âm có thể khiến các tia bao phủ chồng nhau, nhưng độ phân giải phải đánh giá từ đáp ứng thực. Ngược lại, bước góc dày không tự sửa một điểm ra tia sai.
Với encoder, giả sử hệ đang quy 1.000 xung thành 1.000 mm trong khi dịch chuyển tham chiếu tương ứng 1.002 mm. Hệ số chiều dài đúng trong ví dụ là 1,002 mm/xung. Sai số tỷ lệ tích lũy thành 2 mm ở cuối đoạn; chỉnh một mốc đầu không xóa được nó. Trượt bánh đo hoặc đổi hướng có thể tạo sai số khác, không mô tả đủ bằng một hệ số duy nhất.
Kiểm tra phép chuyển bằng mục tiêu đã biết
TechBrief FHWA năm 2014 mô tả nghiên cứu có xác minh điểm ra ở các góc, vận tốc, trễ nêm, encoder và mục tiêu đã biết; kế hoạch quét dựa trên hình học từng mẫu. [3] Đây là bằng chứng về cách tổ chức kiểm chứng trong nghiên cứu, không phải tuyên bố về quy định nghiệm thu hiện hành.
Đối với dữ liệu thực, nên giữ mã luật phát, góc, khẩu độ, trễ, mốc tọa độ, chiều dày, hướng quét và encoder cùng dạng sóng. Kiểm vài mục tiêu ở các vị trí khác nhau giúp tách lỗi tỷ lệ, lỗi mốc và lỗi hướng. Chỉ sau khi phép quy đổi được xác nhận mới dùng tọa độ chỉ thị để liên hệ với chân hàn, đường nóng chảy hoặc vùng cần đánh giá thêm.
Nguồn tham khảo
[1] In ultrasonic testing (UT), how is the beam manipulated in a phased array system? — TWI. Truy cập ngày 09/11/2026.
[2] Defect Positioning — Evident; Phased Array Tutorial. Truy cập ngày 09/11/2026.
[3] Development of Phased-Array Ultrasonic Testing Acceptability Criteria (Phase I), FHWA-HRT-14-074 — Federal Highway Administration; TechBrief, tháng 10/2014. Truy cập ngày 09/11/2026.
Rà soát nội dung: 09/11/2026.
Ảnh siêu âm tổ hợp pha được dựng từ nhiều đáp ứng với các tổ hợp phát và thu khác nhau. TWI mô tả việc tạo trễ riêng cho các phần tử để điều khiển hướng và hội tụ chùm âm. [1] Mỗi góc hiển thị vì vậy cần đi cùng thông tin hình học và thời gian của luật tương ứng, không chỉ một màu biên độ.
Bài này minh họa phép chuyển tọa độ trong một vật phẳng, đồng nhất và đẳng hướng. Chỉ thị được giả định thuộc chặng đầu, dạng sóng đã nhận biết đúng và đường đi về có thể quy về cùng tia trung tâm. Các số liệu không phải cấu hình kiểm tra được phê duyệt cho một liên kết thực.
Luật trễ có ý nghĩa hình học nào?
Xét riêng mô hình một dãy phần tử nằm trực tiếp trên biên của môi trường đồng nhất, chưa có nêm. Khoảng cách tâm hai phần tử kề nhau là p; vận tốc của loại sóng xét là c. Để tạo mặt sóng xa theo góc θ từ pháp tuyến, chênh thời gian phát giữa các phần tử có độ lớn:
Δτ = p sinθ/c.
Nếu tọa độ phần tử tăng theo hướng tia nghiêng, phần tử phía trước phát muộn hơn theo quy ước này, vì đường truyền còn lại tới mặt sóng xa ngắn hơn. Với p=0,6 mm, c=3,25 mm/µs và θ=55°, Δτ=0,151228 µs. Dãy 32 phần tử có 31 khoảng tâm, nên chênh giữa hai đầu bằng 4,688070 µs.
Hội tụ tại một điểm hữu hạn đòi hỏi dùng khoảng cách thật. Với phần tử ở x_i và điểm hội tụ (x_F,z_F), đặt r_i=√[(x_F−x_i)²+z_F²]. Chọn τ_i=(r_max−r_i)/c thì mọi đường đến tiêu điểm tại cùng thời điểm r_max/c.
Ví dụ hai vị trí phần tử x=0 và 18,6 mm, tiêu điểm (40,30) mm, có khoảng cách lần lượt 50 và 36,850509 mm. Chênh thời gian phát phải bằng 4,045997 µs, không bằng giá trị hướng xa 4,688070 µs ở ví dụ góc 55°. Hai ví dụ có mục tiêu khác nhau; không dùng luật tuyến tính cho mọi tiêu điểm.
Khi có nêm và chuyển đổi dạng sóng, phải tính cả các đoạn trong từng môi trường và điều kiện khúc xạ. Những phép tính giản lược trên chỉ giải thích luật trễ; chúng chưa cung cấp một bộ thông số để nạp vào thiết bị kiểm tra siêu âm thực tế.
Từ thời gian đến tọa độ trong mặt cắt
Giả sử tổng thời gian đo là t_m, độ trễ quy đổi cho luật đang xét là t_w và vận tốc trong vật là c. Chiều dài một chiều trong vật được mô hình hóa bằng s=c(t_m−t_w)/2. Với c=3,25 mm/µs, t_w=8 µs, t_m=44,923077 µs, thu được s=60 mm.
Đối với chặng đầu, góc khúc xạ θ=55° cho:
u = s sinθ = 49,149123 mm.
z = s cosθ = 34,414586 mm.
u là hình chiếu trong mặt cắt quét, còn z là độ sâu. Giả định vật dày 50 mm nên chặng đầu phù hợp. Nếu vật chỉ dày 25 mm, cần xét phản xạ và gập đường truyền; không tiếp tục gọi 34,414586 mm là độ sâu trong vật ấy.
Evident nhấn mạnh rằng điểm ra tia trong nêm PAUT thay đổi theo chuỗi phần tử hoặc góc quét. Tọa độ phần mềm có thể tham chiếu tới điểm ra tia hoặc một mốc cố định như mép nêm. [2] Khi xuất dữ liệu, phải đọc đúng định nghĩa trường tọa độ để tránh cộng thêm một hiệu chỉnh đã được phần mềm áp dụng.
Đưa mặt cắt quét vào tọa độ của cấu kiện
Đặt trục X ngang qua mối hàn, Y dọc đường hàn và Z hướng vào chiều dày. Điểm ra tia có tọa độ (X_0,Y_0,0); mặt cắt âm xoay một góc φ quanh Z so với hướng X. Với chặng đầu:
X = X_0+s sinθ cosφ.
Y = Y_0+s sinθ sinφ.
Z = s cosθ.
Chọn X_0=−40 mm, Y_0=1.000 mm, φ=15° cùng s,θ ở trên. Kết quả là X=7,474407 mm, Y=1.012,720729 mm và Z=34,414586 mm.
Nếu mặc định φ=0 dù thực tế đầu dò bị xoay 15°, báo cáo thành X=9,149123 mm và Y=1.000 mm. Chênh theo dọc mối hàn tới 12,720729 mm dù chiều sâu không đổi trong mô hình. Một bản đồ nhìn hợp lý ở mặt cắt vẫn có thể bị gắn sai vị trí trên cấu kiện.
Với một đường hàn cong, hướng X và Y còn thay đổi theo vị trí. Có thể dùng hệ cục bộ gắn với tiếp tuyến đường hàn rồi chuyển sang hệ chung; phải lưu phép chuyển ấy. Một tọa độ encoder duy nhất không chứa đủ thông tin về mọi tư thế đầu dò trong không gian.
Độ nhạy theo góc và thời gian trễ
Trong mặt cắt đầu, ∂u/∂θ=s cosθ và ∂z/∂θ=−s sinθ, với θ tính bằng radian. Sai góc nhỏ +1° ở ví dụ làm u tăng xấp xỉ 0,600648 mm và z giảm xấp xỉ 0,857814 mm. Hai sai lệch cùng xuất phát từ một đầu vào, nên không thể xem là hai sai số độc lập.
Nếu độ trễ được nhập thấp hơn giá trị thật 0,2 µs, phần thời gian trong vật bị tăng 0,2 µs. Đường truyền s tăng 0,325 mm, hình chiếu u tăng 0,266224 mm và độ sâu z tăng 0,186412 mm. Dấu sai lệch cần theo đúng cách định nghĩa trễ; câu nói chung “trễ sai 0,2” chưa đủ để xác định hướng dịch tọa độ.
Giả định độc lập u(s)=0,2 mm và u(θ)=0,5°. Độ không đảm bảo chuẩn độ sâu theo tuyến tính hóa là:
u²(z) = cos²θ u²(s)+(s sinθ)²u²(θ).
Kết quả u(z)=0,443983 mm. Ngân sách này chưa bao gồm mốc mặt trên, dị hướng hay phân loại sai chặng. Nếu θ được tính từ cùng vận tốc dùng để suy s, cần bổ sung hiệp phương sai hoặc truyền trực tiếp các đầu vào gốc qua toàn mô hình.
Bước góc và kích thước pixel không giống nhau
Với bước góc Δθ=0,5° và bán kính đường truyền s=60 mm, khoảng cách cung giữa hai tia trung tâm xấp xỉ sΔθ=0,523599 mm. Trong mặt cắt tại 55°, chênh u và z bậc nhất lần lượt khoảng 0,300324 và −0,428907 mm.
Một ảnh được nội suy lên lưới pixel 0,1 mm không tạo thêm phép đo độc lập giữa hai tia. Bề rộng chùm âm có thể khiến các tia bao phủ chồng nhau, nhưng độ phân giải phải đánh giá từ đáp ứng thực. Ngược lại, bước góc dày không tự sửa một điểm ra tia sai.
Với encoder, giả sử hệ đang quy 1.000 xung thành 1.000 mm trong khi dịch chuyển tham chiếu tương ứng 1.002 mm. Hệ số chiều dài đúng trong ví dụ là 1,002 mm/xung. Sai số tỷ lệ tích lũy thành 2 mm ở cuối đoạn; chỉnh một mốc đầu không xóa được nó. Trượt bánh đo hoặc đổi hướng có thể tạo sai số khác, không mô tả đủ bằng một hệ số duy nhất.
Kiểm tra phép chuyển bằng mục tiêu đã biết
TechBrief FHWA năm 2014 mô tả nghiên cứu có xác minh điểm ra ở các góc, vận tốc, trễ nêm, encoder và mục tiêu đã biết; kế hoạch quét dựa trên hình học từng mẫu. [3] Đây là bằng chứng về cách tổ chức kiểm chứng trong nghiên cứu, không phải tuyên bố về quy định nghiệm thu hiện hành.
Đối với dữ liệu thực, nên giữ mã luật phát, góc, khẩu độ, trễ, mốc tọa độ, chiều dày, hướng quét và encoder cùng dạng sóng. Kiểm vài mục tiêu ở các vị trí khác nhau giúp tách lỗi tỷ lệ, lỗi mốc và lỗi hướng. Chỉ sau khi phép quy đổi được xác nhận mới dùng tọa độ chỉ thị để liên hệ với chân hàn, đường nóng chảy hoặc vùng cần đánh giá thêm.
Nguồn tham khảo
[1] In ultrasonic testing (UT), how is the beam manipulated in a phased array system? — TWI. Truy cập ngày 09/11/2026.
[2] Defect Positioning — Evident; Phased Array Tutorial. Truy cập ngày 09/11/2026.
[3] Development of Phased-Array Ultrasonic Testing Acceptability Criteria (Phase I), FHWA-HRT-14-074 — Federal Highway Administration; TechBrief, tháng 10/2014. Truy cập ngày 09/11/2026.
Rà soát nội dung: 09/11/2026.
