Khi phân tích hình ảnh từ Kính Hiển Vi Âm Thanh Quét (CSAM), hay còn gọi là Scanning Acoustic Microscopy (SAM) hoặc Scanning Acoustic Tomography (SAT), các kỹ sư và nhà nghiên cứu thường tự hỏi: Tại sao một số vùng lại hiện lên sáng rõ, trong khi những vùng khác lại tối sẫm? Điều gì tạo nên sự khác biệt trực quan cho phép chúng ta "nhìn thấu" vào bên trong vật liệu và phát hiện những khuyết tật tiềm ẩn? Câu trả lời cốt lõi nằm ở một khái niệm vật lý cơ bản nhưng vô cùng quan trọng: Trở kháng âm học.

Trở Kháng Âm Học (Acoustic Impedance – Z) Là Gì?

Trở kháng âm học (Z) của một vật liệu là một đặc tính vật lý mô tả mức độ cản trở của vật liệu đó đối với sự lan truyền của sóng âm qua nó. Bạn có thể hình dung nó tương tự như trở kháng điện trong một mạch điện, nhưng ở đây là dành cho sóng cơ học của âm thanh.

Công thức để xác định trở kháng âm học:

Z = ρ × c

Trong đó:

• ρ (Rho) – Mật độ của vật liệu (Density): Đây là khối lượng trên một đơn vị thể tích của vật liệu. Đơn vị thường dùng là kg/m³ hoặc g/cm³.

  • Vật liệu nào càng "đặc" thì giá trị ρ càng lớn.

• c – Vận tốc sóng âm trong vật liệu (Acoustic Velocity): Đây là tốc độ mà sóng âm lan truyền qua môi trường vật liệu đó.

  • Đơn vị thường là m/s hoặc mm/µs. Vận tốc này phụ thuộc vào các tính chất đàn hồi của vật liệu (như mô đun Young, mô đun cắt) và cả mật độ của nó.

Đơn vị của trở kháng âm học (Z) thường được biểu thị bằng Rayl (đặt theo tên nhà vật lý Lord Rayleigh) hoặc MRayl (MegaRayl), với 1 Rayl = 1 kg/(m²·s).

Để dễ hình dung hơn, dưới đây là bảng giá trị trở kháng âm học Z (xấp xỉ, đơn vị MRayl) cho một số vật liệu thường gặp trong các ứng dụng CSAM/SAT:

Vậy, tại sao trở kháng âm học lại quan trọng đến vậy? Bởi vì nó quyết định điều gì sẽ xảy ra khi sóng siêu âm gặp mặt phân cách giữa hai môi trường vật liệu khác nhau.

Nguyên lý cơ bản: Khi một sóng siêu âm đang truyền trong môi trường thứ nhất (có trở kháng Z₁) và gặp phải mặt phân cách với môi trường thứ hai (có trở kháng Z₂), một phần năng lượng của sóng sẽ bị phản xạ trở lại môi trường thứ nhất, và phần còn lại sẽ truyền qua vào môi trường thứ hai. Mức độ phản xạ và truyền qua này phụ thuộc hoàn toàn vào sự khác biệt giữa Z₁ và Z₂.

Hệ số phản xạ năng lượng (Reflection Coefficient - R):

Để định lượng mức độ phản xạ, chúng ta sử dụng hệ số phản xạ R. Đối với trường hợp sóng siêu âm tới vuông góc với mặt phân cách, công thức tính R là:

R = (Z₂ - Z₁) / (Z₂ + Z₁)

Ý nghĩa của hệ số R là vô cùng quan trọng trong việc diễn giải hình ảnh CSAM:

• Giá trị tuyệt đối của R (|R|): Cho biết tỷ lệ năng lượng (hoặc biên độ áp suất, tùy thuộc vào định nghĩa R đang dùng) của sóng âm bị phản xạ lại. |R| càng lớn (càng gần tới 1), thì lượng sóng phản xạ càng nhiều. Điều này xảy ra khi có sự chênh lệch lớn giữa Z₁ và Z₂. Ngược lại, nếu Z₁ và Z₂ gần bằng nhau, |R| sẽ rất nhỏ, nghĩa là hầu hết sóng âm sẽ truyền qua.

• Dấu của R (Cực tính - Polarity): Đây là một điểm cực kỳ quan trọng mà CSAM/SAT cung cấp để phân tích khuyết tật:

  • Nếu Z₂ > Z₁: Sóng âm đi từ môi trường có trở kháng thấp hơn sang môi trường có trở kháng cao hơn (ví dụ: từ nước là môi trường tiếp âm vào một miếng kim loại). Trong trường hợp này, R sẽ có giá trị dương. Sóng phản xạ sẽ cùng pha với sóng tới. Trên đồ thị A-scan, tín hiệu phản xạ này thường có dạng tương tự (ví dụ, nếu xung phát là một đỉnh dương, xung phản xạ cũng là một đỉnh dương).

  • Nếu Z₂ < Z₁: Sóng âm đi từ môi trường có trở kháng cao hơn sang môi trường có trở kháng thấp hơn (ví dụ: từ nhựa epoxy trong một linh kiện điện tử sang một khoảng trống không khí do tách lớp). Trong trường hợp này, R sẽ có giá trị âm. Sóng phản xạ sẽ bị ngược pha (lệch pha 180°) so với sóng tới. Trên đồ thị A-scan, tín hiệu phản xạ này sẽ bị đảo ngược (ví dụ, nếu xung phát là đỉnh dương, xung phản xạ sẽ là đỉnh âm). Đây chính là chìa khóa để phát hiện các khuyết tật như tách lớp, lỗ rỗng hoặc vết nứt chứa không khí, vì không khí có trở kháng Z rất thấp.

  • Nếu Z₂ ≈ Z₁: Hai môi trường có trở kháng âm gần bằng nhau (ví dụ: một mối liên kết tốt giữa hai vật liệu tương đồng). R sẽ rất nhỏ (gần bằng 0). Hầu hết năng lượng sóng âm sẽ truyền qua mặt phân cách, và chỉ một lượng rất nhỏ bị phản xạ.

Mối Quan Hệ: Trở Kháng Âm Học và Sự Phản Xạ Sóng Siêu Âm

Cách CSAM/SAT Tái Tạo Hình Ảnh Bên Trong

Kiến thức về trở kháng âm học và sự phản xạ sóng âm chính là nền tảng để hiểu cách Kính Hiển Vi Âm Thanh Quét (CSAM/SAT) tạo ra hình ảnh và làm nổi bật các khuyết tật.

Nguyên lý tạo độ tương phản hình ảnh:

Trong các chế độ quét phản xạ của CSAM/SAT, đặc biệt là C-scan, hình ảnh được tạo ra bằng cách quét đầu dò siêu âm trên bề mặt mẫu. Tại mỗi điểm (pixel) trên hình ảnh, độ sáng (hoặc màu sắc, tùy thuộc vào thang màu được sử dụng) tương ứng với biên độ (và đôi khi là cực tính) của tín hiệu siêu âm được phản xạ từ một độ sâu nhất định bên trong mẫu.

Chính sự khác biệt về trở kháng âm học giữa các cấu trúc khác nhau bên trong mẫu, hoặc giữa vật liệu tốt và vùng có khuyết tật, sẽ tạo ra sự khác biệt về lượng sóng siêu âm phản xạ. Sự khác biệt này được ghi nhận và chuyển đổi thành độ tương phản trên hình ảnh CSAM, cho phép chúng ta "nhìn thấy" các chi tiết ẩn.

Các loại khuyết tật phổ biến dựa trên sự khác biệt trở kháng:

• Tách lớp (Delamination), Lỗ rỗng (Voids), Vết nứt chứa không khí (Air-filled cracks):

  • Như đã biết, không khí có trở kháng âm học cực kỳ thấp (Zkhông khí ≈ 0.0004 MRayl).

  • Khi sóng siêu âm đang truyền trong một vật liệu rắn (ví dụ: silicon Z ≈ 20 MRayl, nhựa epoxy Z ≈ 3 MRayl) và gặp phải một khoảng trống chứa không khí (do tách lớp, lỗ rỗng, hoặc vết nứt), sẽ xảy ra một sự thay đổi trở kháng đột ngột và rất lớn (từ Zvật liệu rắn xuống Zkhông khí).

  • Theo công thức hệ số phản xạ R = (Z₂ - Z₁) / (Z₂ + Z₁), khi Z₂ (không khí) rất nhỏ so với Z₁ (vật liệu rắn), giá trị của R sẽ tiến gần đến -1. Điều này có nghĩa là gần như toàn bộ (100%) năng lượng sóng âm sẽ bị phản xạ trở lại[cite: 12], và tín hiệu phản xạ này sẽ có cực tính âm (đảo pha) so với sóng tới. [cite: 25]

  • Kết quả trên hình ảnh CSAM/SAT: Trong hình ảnh C-scan chế độ biên độ (amplitude mode), các vùng có khuyết tật chứa không khí này thường xuất hiện rất sáng (ví dụ, màu trắng trên thang độ xám hoặc các màu nóng như đỏ, vàng trên thang màu) do cường độ phản xạ rất mạnh. Phân tích cực tính trên A-scan (thấy xung phản xạ âm) hoặc sử dụng các chế độ hiển thị dựa trên pha (phase imaging) có thể giúp xác nhận chắc chắn bản chất của loại khuyết tật này.

• Tạp chất (Inclusions) hoặc các vùng vật liệu khác loại:

  • Nếu bên trong mẫu có chứa tạp chất hoặc các vùng vật liệu khác loại có trở kháng âm khác biệt đáng kể so với vật liệu nền xung quanh, chúng cũng sẽ tạo ra tín hiệu phản xạ và có thể được phát hiện.

  • Cường độ và cực tính của tín hiệu phản xạ sẽ phụ thuộc vào mức độ chênh lệch và mối quan hệ (lớn hơn hay nhỏ hơn) giữa trở kháng của tạp chất/vật liệu lạ và vật liệu nền. Ví dụ, nếu một tạp chất kim loại (Z cao) nằm trong nhựa epoxy (Z thấp), tín hiệu phản xạ sẽ có cực tính dương.

• Liên kết tốt (Good Bond) giữa hai vật liệu:

  • Trong trường hợp hai vật liệu được liên kết tốt với nhau và có sự tương đồng về trở kháng âm tại mặt phân cách (Z₁ ≈ Z₂), hệ số phản xạ R sẽ rất nhỏ (gần bằng 0).

  • Kết quả trên hình ảnh CSAM/SAT: Điều này có nghĩa là hầu hết năng lượng sóng âm sẽ truyền qua mặt phân cách đó. Do đó, các vùng liên kết tốt thường xuất hiện tối hơn trên hình ảnh C-scan biên độ (vì có ít sóng phản xạ hơn), cho thấy sự đồng nhất và truyền âm hiệu quả.

Bạn có câu hỏi nào thêm về trở kháng âm học hoặc cách nó ảnh hưởng đến kết quả CSAM/SAT của bạn không? Hãy để lại bình luận bên dưới, chúng tôi rất sẵn lòng thảo luận!