УДК 620.179.16:620.179.13

ОСОБЕННОСТИ ЛАЗЕРНО-ВИБРОМЕТРИЧЕСКОГО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО

КОНТРОЛЯ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЗДУШНО-СВЯЗАННЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Н.В. Дружинин^3,*****

¹Томский политехнический университет, Россия 634028 Томск, ул. Савиных, 7

²Институт сильноточной электроники СО РАН, Россия 634055 Томск, пр. Академический, 2/3

³Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Россия 634050 Томск, пр. Академический, 2/4

E-mail: ^*red@tpu.ru; ^**vavilov@tpu.ru;^***credence@vtomske.ru;

^****vshpilnoy@list.ru; ^*****mikola@sibmail.com

Поступила в редакцию 15.11.2021; после доработки 22.11.2021

Принята к публикации 23.11.2021

Лазерная доплеровская виброметрия нашла применение как в неразрушающем контроле (НК) полимерных компо-

зиционных материалов (ПКМ), так и в исследованиях амплитудно-частотных характеристик акустических излучателей

в широком спектре частот. Использование воздушно-связанных систем для возбуждения акустических колебаний в

исследуемых объектах позволяет осуществлять процедуру контроля качества бесконтактно. Это расширяет возможности

диагностики композитов, упрощает процедуру контроля качества и минимизирует внешние воздействия на контролиру-

емые объекты по сравнению с традиционными акустическими методами НК на основе контактных излучателей.

В настоящей работе исследованы особенности НК композитов бесконтактным способом с применением сканирую-

щей лазерной виброметрии. Приведены результаты НК ударных повреждений в ПКМ с использованием нескольких

типов воздушно-связанных систем возбуждения акустических колебаний, а именно, на основе пьезоэлектрического,

магнитострикционного и газоразрядного преобразователей.

Ключевые слова: акустика, ультразвук, лазерная доплеровская виброметрия, пьезоэлектрический преобразова-

тель, искровой разряд, термоакустика, магнитострикционный излучатель, неразрушающий контроль, композицион-

ные материалы.

DOI: 10.31857/S0130308221120034

1. ВВЕДЕНИЕ

Магнитострикционные и пьезоэлектрические (ПЭП) преобразователи, состоящие из одного

или нескольких электромеханических преобразователей, концентраторов и волноводов, нашли

широкое применение в неразрушающем контроле (НК). Конфигурация излучателей позволяет

реализовать диагностические устройства, способные обеспечить стабильный акустический сигнал

с требуемыми параметрами. Однако, ввиду существенного различия акустического импеданса воз-

душной среды и исследуемых твердых материалов, для эффективной передачи ультразвука, как

правило, используют соединительные среды. На практике это усложняет техническое исполнение

устройств, увеличивает стоимость и длительность процедуры диагностики и ограничивает номен-

клатуру материалов и изделий, подлежащих контролю качества. Более того, после проведения

дефектоскопии с использованием соединительной среды необходима постобработка поверхности

объектов исследования для их очистки от иммерсионной жидкости с последующей просушкой.

Появление воздушно-связанных ультразвуковых (УЗ) систем в начале 1980-х годов [1—3] при-

вело к разработке новых способов УЗ контроля, которые в настоящее время составили конкурен-

цию традиционным УЗ системам в различных областях применений [4, 5]. Важной особенностью

бесконтактных систем возбуждения является исключение влияния присоединенной массы и отсут-

ствие необходимости использовать жидкий, твердый или гелеобразный иммерсионный слой для

ввода акустического сигнала в исследуемый материал [6].

Преимущества бесконтактных УЗ преобразователей способствовали увеличению числа науч-

ных исследований в указанной области и разработке новых воздушно-связанных УЗ систем и

методов НК, которые различаются по принципу действия и методам генерации УЗ волн в воздуш-

ной среде [7—11]. В частности, исследование воздушно-связанных магнитострикционных преоб-

разователей продемонстрировало эффективность работы устройств в сборке с титановыми волно-

водами различной конфигурации. Согласование магнитострикционного излучателя с нагрузкой

при помощи акустических волноводов позволяет повысить мощность полезного акустического

Особенности лазерно-виброметрического неразрушающего контроля ...

сигнала, однако при этом отмечено снижение достоверности результатов контроля по мере удале-

ния излучателя от контролируемого объекта, что в принципе характерно для бесконтактных

систем резонансного типа [12, 13].

В работах [8, 9] приведены характеристики газоразрядных (электротермоакустических, термо-

акустических) излучателей, в которых акустические колебания возбуждаются в результате тепло-

вого расширения газа вследствие протекания тока электрического разряда. Показано, что излуча-

тели отличаются широким частотным диапазоном генерируемых акустических сигналов (до еди-

ниц МГц) и могут создавать импульс избыточного давления порядка 136 дБ на расстоянии до

0,4 м [8, 9]. В настоящее время газоразрядные излучатели находятся на стадии разработки, в то

время как ПЭП применяют в коммерческих диагностических системах с воздушно-связанным воз-

буждением [7, 8]. В частности, в работе [7] показана возможность использования роботизирован-

ных систем для проведения контроля качества изделий со сложной геометрией.

Таким образом, актуальны разработки как устройств для бесконтактной акустической стиму-

ляции, так и методик НК для их практического применения. Цель настоящей работы — анализ

особенностей проведения НК слоистых полимерных композиционных материалов (ПКМ) бескон-

тактным способом при использовании лазерной доплеровской виброметрии и воздушно-связан-

ных систем возбуждения на основе пьезоэлектрического, магнитострикционного и газоразрядного

преобразователей.

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Независимо от типа системы возбуждения, лазерно-виброметрический НК заключается в реги-

страции и дальнейшем анализе вибраций на поверхности исследуемого материала, возникающих

в процессе акустической стимуляции. Схема лабораторной установки для проведения НК компо-

зиционных материалов на основе лазерной доплеровской виброметрии с использованием различ-

ных воздушно-связанных УЗ преобразователей приведена на рис. 1.

Система управления

Система

УЗ генератор

охлаждения

Магнитостриктор

Сканирующая

головка

Образец

ПЭП

Генератор сигналов

Амплитудный

специальной формы

усилитель

Генератор

импульсов тока

Электроискровой

излучатель

Рис. 1. Лабораторная установка для НК композиционных материалов методом лазерной виброметрии c воздушно-свя-

занной системой возбуждения акустических колебаний (1 — с пьезоэлектрическим преобразователем; 2 — на основе

магнитостриктора; 3 — на основе газоразрядного излучателя).

Дефектоскопия

№ 12

2021

Д.А. Дерусова, В.П. Вавилов, В.О. Нехорошев и др.

Лабораторная установка включает в себя сканирующую лазерную головку и систему управле-

ния доплеровского виброметра PSV-500-3D-HV (Polytec). Результатами сканирования являются

амплитудно-частотный спектр вибраций в каждой точке исследуемой поверхности, а также вибро-

граммы, отражающие распределение амплитуды виброперемещения или виброскорости на

поверхности излучателей и контролируемого изделия. Анализ амплитудно-частотного спектра

вибраций позволяет обнаружить структурные неоднородности исследуемых материалов. В част-

ности, наличие дефектных включений приводит к локальному уменьшению жесткости материала,

что проявляется в виде резонансного пика на характерной частоте амплитудно-частотного спектра

[14—16].

Эксперименты выполняли с различными системами бесконтактной акустической стимуля-

ции на основе УЗ излучателей и генераторов электрических сигналов специальной формы.

Контроль качества ПКМ осуществляли путем анализа колебаний на поверхности изделий, воз-

никающих в результате их акустической стимуляции. Измерение вибраций проводили в диапа-

зоне частот от 50 Гц до 100 кГц в режиме быстрого преобразования Фурье. Количество спек-

тральных линий составило 3200, что позволило измерить амплитудно-частотный спектр вибра-

ций в каждой точке сканирования с шагом по частоте 31 Гц, а также определить резонансные

частоты и формы колебаний объектов контроля. Шаг сканирования области, включавшей

150×150 точек, был равен 2 мм.

В состав Блока 1 входил воздушно-связанный пьезокерамический излучатель (Ultran ACU,

США, собственная резонансная частота 110 кГц) и генератор сигналов специальной формы AWG-

4163 с усилителем AWA-1810 (Актаком, Россия). В ходе эксперимента для возбуждения пьезоэле-

мента использовали сигнал синусоидальной формы. Амплитуда напряжения на пьезоэлементе не

превышала 150 В и была ограничена тепловым режимом работы излучателя.

Блок 2, показанный на рис. 1, представлял собой воздушно-связанную систему возбуждения на

основе магнитострикционного преобразователя. В состав системы входили магнитостриктор

(резонансная частота 22±1,65 кГц, номинальная мощность 0,63±10 % кВт) с цилиндрическим сту-

пенчатым волноводом, ультразвуковой генератор USG-2-22-MS-1 с функцией автоматической под-

стройки частоты (диапазон рабочих частот 14—48 кГц, выходная мощность до 2 кВт) и специали-

зированная система охлаждения установки.

Блок 3 представлял собой разработанную авторами систему генерации акустических колеба-

ний, состоявшую из генератора импульсов тока, передающей линии и газоразрядного излучателя,

функционирующего на основе искрового разряда в воздухе. Принцип действия системы заключа-

ется в использовании скачка давления в газоразрядном промежутке, возникающего при резком

нагреве и расширении области плазмы разряда вследствие протекания импульса электрического

тока. Упрощенная схема устройства генерации акустических колебаний на основе импульсного

разряда в газе показана на рис. 2. Конструктивная особенность излучателя состоит в том, что

объем газоразрядного промежутка отделен от окружающей среды посредством упругой мембраны

4, которая, с одной стороны, является частью обратного токопровода, а с другой — выполняет

функцию излучающей поверхности.

R₀

C₀

V₀

Рис. 2. Схема устройства генерации акустических колебаний на основе искрового разряда:

1 — активный электрод, 2 — изолятор, 3 — корпус (обратный токопровод), 4 — мембрана, 5 — разрядный канал (величина межэлек-

тродного зазора до 12 мм), 6 — прижимной фланец.

Дефектоскопия

№ 12

2021

Особенности лазерно-виброметрического неразрушающего контроля ...

Газоразрядный излучатель работает следующим образом. При подаче импульса тока от генера-

тора межэлектродная емкость C₀ заряжается через токоограничительный резистор R₀. При опреде-

ленном напряжении в газоразрядном промежутке между электродами 1 и 4 происходит пробой и

формируется канал искрового разряда, схематично изображенный на рис. 2 как позиция 5.

Образованию и расширению области плазмы разряда сопутствует скачок давления, распространя-

ющийся в объеме газоразрядного промежутка. Под действием скачка давления мембрана 4 откло-

няется от положения равновесия. Смещение мембраны и ее релаксационные колебания провоци-

руют генерацию акустических волн в окружающей среде. По мере разряда емкости C₀ напряжение

на газоразрядном промежутке снижается и в определенный момент времени становится недоста-

точным для поддержания плазмы. Происходит рекомбинация плазмы и обрыв тока через газораз-

рядный промежуток. Ввиду того, что длительность электрических процессов не превышает

нескольких микросекунд, спектр излучаемых колебаний определяется, в основном, частотными

характеристиками используемой излучающей поверхности и конструктивными особенностями

газоразрядного излучателя.

В данной работе использованы электрод из стали 1 диметром 1 мм и мембрана 4, представля-

ющая собой алюминиевый диск диаметром 30 мм и толщиной 1 мм. Разряд возбуждали от специ-

ализированного генератора, создававшего выходное напряжение V₀ <12 кВ и ток короткого замы-

кания на уровне 800 А при частоте следования импульсов до 4 Гц.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

3.1. Лазерная виброметрия композиционных материалов с использованием

воздушно-связанного ПЭП

На рис. 3 показаны образец из ПКМ с ударным повреждением и воздушно-связанная система

для акустической стимуляции на основе ПЭП, входившая в состав Блока 1 лабораторной установ-

ки (см. рис. 1). Для возбуждения ПЭП был использован гармонический сигнал. Мощность сигнала

в ходе работы регулировали путем изменения амплитуды выходного напряжения генератора. Для

исследования частотных характеристик излучателя был выполнен эксперимент с варьированием

частоты выходного сигнала при постоянной амплитуде выходного напряжения. В ходе работы

было определено амплитудное значение виброперемещения на торце излучателя, которое состави-

ло 10 мкм при входном напряжении генератора U = 70 В и частоте переменного тока f = 113 кГц.

Рис. 3. Акустическая стимуляция углепластикового композита с использованием воздушно-связанной системы на

основе ПЭП (расстояние от излучателя до дефекта 10 мм, размеры образца 270×40×1,2 мм).

В результате лазерного сканирования углепластикового композита с ударным повреждением

были получены виброграммы (рис. 4).

Приведенные виброграммы отображают вибрации на поверхности углепластикового компози-

та, возникающие на частоте резонанса дефекта (ударного повреждения) — 113,3 кГц. Амплитуда

скорости вибраций в области ударного повреждения составила V_D = 6,19 мм/с, что более чем

в 7 раз превосходит амплитуду скорости вибраций V₀ = 0,87 мм/с в бездефектной зоне. Длина рас-

Дефектоскопия

№ 12

2021

Д.А. Дерусова, В.П. Вавилов, В.О. Нехорошев и др.

Рис. 4. Виброграммы углепластикового композита на частоте резонанса дефекта в 3D- (а) и 2D- (б) представлениях.

пространяющейся в пластине акустической волны составляла приблизительно λ = 0,01 м, что соот-

ветствовало скорости распространения ультразвука в композите c = λ × f = 1133 м/с.

С учетом плотности углепластика ρ = 1560 кг/м³ была оценена акустическая мощность, пере-

носимая звуковой волной через поперечную площадку (S = 0,048 × 10^-3 м²), расположенную

ρ×V

×c×S

перпендикулярно направлению распространения звука

[14]:

31 мкВт.

Аналогичным образом была рассчитана акустическая мощность излучателя при изменении

уровня напряжения от 10 до 70 В. На основе полученных данных была выявлена зависимость

амплитуды виброскорости в области дефекта и в бездефектной зоне от уровня акустической

мощности воздушно-связанного ПЭП при постоянной частоте стимулирующего сигнала (рис. 5),

которая составляла 113,3 кГц, что соответствовало резонансу воздушно-связанной системы,

образованной излучателем, окружающей средой, исследуемым образцом и дефектом на его

поверхности.

Дефект

Бездефектная зона

f = 113,3 кГц

100

120

140

160

180

Рис. 5. Зависимость амплитуды виброскорости в области дефекта и в бездефектной зоне от уровня акустической

мощности воздушно-связанного ПЭП.

Как видно из рис. 5, при увеличении акустической мощности до 170 мкВт амплитуда колеба-

ний в области ударного повреждения возрастала от 1,1 до 8,7 мм/с. В бездефектной области

также наблюдалось увеличение амплитуды сигнала от 0,2 до 1,2 мм/м соответственно.

Чувствительность системы диагностики будем характеризовать соотношением V_D/V₀, где V_Dи

Дефектоскопия

№ 12

2021

Особенности лазерно-виброметрического неразрушающего контроля ...

V₀ — амплитуды виброскорости в дефектной и бездефектной областях соответственно. При изме-

нении акустической мощности от 30 до 170 мкВт данный критерий составил V_D/V₀ ≈

Следовательно, если достигаются механические резонансы в дефектной области, то чувствитель-

ность системы позволяет надежно регистрировать резонансные пики амплитудно-частотного спек-

тра, связанные с наличием дефекта.

Важно отметить, что отклонение частоты передаваемого в материал акустического сигнала

также оказывает существенное влияние на величину V_D/V₀, что иллюстрируется рис. 6. В настоя-

щем исследовании частоту сигнала возбуждения f варьировали при постоянной амплитуде выход-

ного напряжения генератора U, в результате чего была получена частотная характеристика чув-

ствительности системы.

U = 150 В

110

112

114

116

118

f, кГц

Рис. 6. Частотная характеристика чувствительности системы НК в области резонансного режима работы воздушно-

связанной системы ПЭП (амплитуда напряжения на выходе генератора U = 150 В).

Из рис. 6 видно, что при согласовании частоты стимулирующих акустических волн с частотой

резонанса ударного повреждения 113,3 кГц наблюдается увеличение относительной амплитуды

вибраций в области дефекта до V_D/V₀ ≈ 8, однако при относительном отклонении частоты на уров-

не нескольких процентов амплитуда полезного сигнала резко спадает.

Таким образом, показана возможность обнаружения дефектов при вводимой акустической мощ-

ности на уровне десятков мкВт, однако это возможно только при условии, что в области структурных

неоднородностей достигаются локальные резонансы. Резонансная УЗ стимуляция с использованием

воздушно-связанных ПЭП позволяет обнаруживать дефекты в виде ударных повреждений в ПКМ,

однако необходимость точного согласования частоты стимулирующих акустических волн с частотой

резонанса дефекта существенно ограничивает их применение в НК материалов и изделий.

3.2. Лазерная виброметрия композиционных материалов с использованием

воздушно-связанного магнитострикционного излучателя

Недавние исследования воздушно-связанных излучателей на основе магнитострикционных

УЗ преобразователей продемонстрировали возможность их применения в НК, но это достигает-

ся преимущественно за счет значительной мощности используемых устройств [17]. Модернизация

конструкции волноводов для магнитострикционных излучателей повысила эффективность пере-

дачи акустической энергии в исследуемый образец. В частности, использование бесконтактного

магнитострикционного излучателя позволило обнаружить ударное повреждение в углепластико-

вом композите, а также идентифицировать избыточное содержание клея и наличие воды в сото-

вых авиационных панелях [12].

В настоящей работе была исследована возможность использования воздушно-связанных излу-

чателей на основе УЗ преобразователей магнитострикционного типа для обнаружения ударного

Дефектоскопия

№ 12

2021

Д.А. Дерусова, В.П. Вавилов, В.О. Нехорошев и др.

Сканирующая головка

Магнитострикционный

излучатель

Образец

Рис. 7. Установка для НК углепластикового композита с использованием воздушно-связанного магнитострикционного

излучателя.

повреждения в тонком углепластиковом композите. Схема эксперимента приведена на рис. 1

(Блок 2), фотография экспериментальной установки приведена на рис. 7.

Система возбуждения обеспечивала бесконтактную УЗ стимуляцию на резонансной частоте

магнитострикционного излучателя, создавая области разрежения и сжатия в воздушной среде.

Более подробно процедура измерения вибраций в воздухе с использованием лазерного виброметра

описана в работе [12]. Амплитудное значение виброперемещения на торце волновода составляло

30 мкм. Виброграмма, отражающая процесс распространения УЗ волны в воздухе от магнито-

стрикционного излучателя, показана на рис. 8.

Рис. 8. Виброграмма распространения в воздухе УЗ волны, генерируемой магнитострикционным преобразователем.

При резонансной УЗ стимуляции в воздушной среде между излучателем и объектом контро-

ля происходит наложение падающей на объект контроля и отраженной от него УЗ волн в соот-

ветствии с принципом суперпозиции. Возникающие интерференционные явления могут приве-

сти как к увеличению амплитуды колебаний в результирующей волне, так и к ее снижению [18].

В работе [19] показано, что регулирование воздушного зазора (d) между излучателем и исследу-

емым материалом существенно изменяет эффективность передачи ультразвука. Подобные явле-

ния в принципе характерны для воздушно-связанных систем возбуждения непрерывного дей-

ствия. Например, на рис. 9 приведен график распределения амплитуды вибраций, возникающих

в воздушной среде между торцом волновода магнитострикционного излучателя и объектом в

форме пластины.

Из рис. 9 видно, что амплитуда виброскорости УЗ волны в воздухе спадает неравномерно,

поскольку именно интерференция падающей и отраженной волн определяет амплитуду результи-

рующего сигнала. Исходя из теоретических представлений, для достижения оптимального согла-

Дефектоскопия

№ 12

2021

Особенности лазерно-виброметрического неразрушающего контроля ...

0,2

0,1

0,0

-0,1

-0,2

100

200

d, мм

Рис. 9. Распределение амплитуды виброскорости в воздушной среде на различных расстояниях d между излучателем и

исследуемым объектом (частота 23 кГц, длина волны 14,3 мм).

сования системы величина воздушного зазора должна быть кратна половине длины акустической

волны (λ_air), распространяющейся в воздушной среде. Таким образом, условие согласования

можно записать в виде d = n× λ_air/2, где n∈Ν, что физически означает условие согласования по фазе

колебаний в образовавшейся стоячей волне. Это условие подтверждается экспериментально. На

рис. 9 показано, что при частоте сигнала возбуждения 23 кГц длина волны составляет 14,3 мм и

пучности (локальные максимумы амплитуды виброскорости) располагаются на расстояниях, крат-

ных половине длины волны от торца волновода.

Из вышесказанного следует, что расстояние между контролируемым объектом и воздушно-

связанным преобразователем должно выбираться так, чтобы одновременно обеспечить необ-

ходимый уровень амплитуды сигнала возбуждения и фазовую синхронизацию в системе.

Важно отметить, что указанные особенности являются общими при работе всех типов резо-

нансных излучателей, как магнитострикционных, так и пьезоэлектрических [20—22].

С помощью метода лазерной виброметрии были измерены вибрации, возникающие на

поверхности углепластикового композита в процессе УЗ магнитострикционной стимуляции. Для

обеспечения фазовой синхронизации величину воздушного зазора между объектом контроля и

излучателем в конкретном эксперименте выбирали равной 21 мм, что соответствовало 3λ_air/2. На

рис. 10 показаны виброграммы, полученные при сканировании на фронтальной (а, б) и тыльной

(в, г) поверхностях образца из углепластика с ударным повреждением.

Рис. 10. Виброграммы на фронтальной (а, б) и тыльной (в, г) поверхностях образца из углепластика, полученные при

акустической стимуляции с использованием воздушно-связанного магнитострикционного излучателя (размер образцов

155×175×1,5 мм, ударное повреждение с энергией 18 Дж — в центре образца).

Дефектоскопия

№ 12

2021

Д.А. Дерусова, В.П. Вавилов, В.О. Нехорошев и др.

В результате анализа данных, полученных с помощью лазерной виброметрии, была оцене-

на площадь зоны повреждения. На фронтальной стороне исследуемого образца площадь

дефектной зоны составила 950 мм², что меньше оценки, полученной при сканировании тыль-

ной поверхности (1550 мм²). Относительная амплитуда сигнала в области дефекта, измерен-

ная по виброграмме на фронтальной стороне, составила V_D/V₀ ≈ 4, в то время как на тыльной

поверхности V_D/V₀ ≈ 5. Такое различие, по-видимому, связано с пирамидальной структурой

ударного повреждения в слоистом композите, то есть возрастанием площади повреждения по

мере увеличения глубины залегания дефекта (детально структура такого дефекта была рас-

смотрена в [23]).

Экспериментально было показано, что использование воздушно-связанного магнитострик-

ционного излучателя для бесконтактной акустической стимуляции позволяет обнаружить

дефекты в ПКМ даже без предварительного анализа резонансных частот объекта. В частности,

полученный результат был достигнут путем использования мощных преобразователей, рабо-

тающих на постоянной частоте ультразвука. Однако применение мощных излучателей ограни-

чивается из-за возможности повреждения элементов исследуемого изделия вследствие локаль-

ного резонанса или УЗ нагрева. Помимо этого, использование ультразвука с высокой плотно-

стью мощности предъявляет дополнительные требования к оборудованию рабочего места и

квалификации операторов.

Важно отметить, что для непрерывного возбуждении с помощью воздушно-связанных

систем характерны интерференционные явления в пространстве между излучателем и объек-

том контроля, поэтому необходимо обеспечивать фазовую синхронизацию падающей на объ-

ект контроля и отраженной от него акустических волн, что затрудняет диагностику.

3.3. Лазерная виброметрия композиционных материалов с использованием

воздушно-связанного газоразрядного излучателя

На рис. 11 показанаа фотография воздушно-связанной системы для акустической стимуляции

гибридного образца ПКМ «лен—углерод» с использованием газоразрядного излучателя.

Система для генерации акустических колебаний в воздушной среде (Блок 3 на рис. 1) включа-

ла в себя газоразрядный излучатель, передающую линию и генератор импульсов тока. В отличие

от систем возбуждения, рассмотренных выше, газоразрядный излучатель работает в импульсном

режиме, поэтому в воздушно-связанной системе между излучателем и объектом контроля не фор-

мируется устойчивая стоячая волна. Следовательно, при данном способе возбуждения нет необхо-

димости обеспечивать согласование акустических колебаний по фазе.

Рис. 11. Акустическая стимуляция гибридного образца «лен—углерод» с ударным повреждением с помощью воздушно-

связанной системы на базе газоразрядного излучателя (размер образца 150×100×4 мм, ударное повреждение с энергией

40 Дж — в центре образца).

Дефектоскопия

№ 12

2021

Особенности лазерно-виброметрического неразрушающего контроля ...

1,0

0,8

0,6

0,4

0,2

0,0

f, кГц

Рис. 12. Спектр вибрационного сигнала в области ударного повреждения гибридного ПКМ «лен—углепластик».

В ходе предварительных экспериментов с использованием лазерной виброметрии была изме-

рена амплитуда виброперемещения в центре мембраны газоразрядного излучателя. При величине

межэлектродного промежутка 7 мм и выходном напряжении генератора импульсов тока до

V₀ <12 кВ амплитуда виброперемещения поверхности мембраны достигала 27 мкм, что сопоста-

вимо по порядку величины с виброперемещением излучающих поверхностей систем на основе

магнитострикционного и пьезоэлектрического преобразователей. Ввиду различных факторов,

связанных с особенностями протекания разряда в излучателе, амплитуда излучаемой мощности

нестабильна от импульса к импульсу. Относительный разброс амплитуды виброперемещения

поверхности мембраны достигал 20 %, однако это не приводило к значительным искажениям

виброграммы при лазерном сканировании.

При проведении НК гибридного ПКМ («лен—углепластик») газоразрядный излучатель раз-

мещали на расстоянии 20 мм от торцевой стороны композита. В результате лазерного виброскани-

рования был получен амплитудно-частотный спектр вибраций пластины, приведенный на рис. 12.

Амплитудно-частотный спектр отображает вибрации на поверхности гибридного композита в

области ударного повреждения. В диапазоне частот от 50 Гц до 12 кГц в амплитудно-частотном

спектре были обнаружены пики, часть из которых относилась к собственным частотам композита

(1, 2), а другие соответствовали резонансным частотам дефекта в области ударного повреждения

(3, 4). Виброграммы, отображающие вибрации поверхности гибридного композита на характер-

ных резонансных частотах (1—4), приведены на рис. 13.

Рис. 13а показывает пример виброграммы на собственной частоте гибридного композита

(4,56 кГц), не содержащей дефектную отметку. При соответствии частоты передаваемого в мате-

риал акустического сигнала частоте резонанса дефекта в области неоднородности возникают

интенсивные локальные вибрации. На частотах 7,69 кГц (см. рис. 13в) и 11,56 кГц (см. рис. 13г)

были обнаружены резонансные вибрации в области двух частей ударного повреждения, напомина-

ющих известные «крылья бабочки». Вовлечение в процесс колебаний бóльшей области дефекта

объясняется увеличением длины упругой волны, распространяющейся в композите в вышеуказан-

ном диапазоне частот. Мелкие участки неоднородностей в свою очередь проявляются на более

высокой частоте стимулирующих акустических волн. В связи с этим, размер области дефекта был

определен в результате анализа виброграммы, полученной при усреднении амплитуды вибраций в

диапазоне частот от 50 Гц до 20 кГц (см. рис. 14а).

Для подтверждения результатов лазерной виброметрии в качестве альтернативного метода НК

было проведено УЗ С-сканирование с использованием роботизированного дефектоскопа Ideal

System 3D (Германия) [24]. Для возбуждения колебаний на частоте 15 МГц использовали специа-

лизированный ПЭП диаметром 16 мм. Результаты УЗ сканирования с шагом 1 мм были наложены

на фотографию исследуемого гибридного композита (см. рис. 14б). Определенная по результатам

виброметрии площадь дефекта составила 800 мм², или 95 % от величины, полученной по резуль-

татам C-сканирования.

Дефектоскопия

№ 12

2021

Д.А. Дерусова, В.П. Вавилов, В.О. Нехорошев и др.

Рис. 13. Оценка ударного повреждения энергией 40 Дж в гибридном композите «лен—углепластик» путем анализа соб-

ственных частот образца (а—2,69 кГц; б—5,19 кГц) и резонансных частот дефекта (б—5,19 кГц; в—7,69 кГц; г—11,56).

Рис. 14. Сравнительный анализ оценки размеров ударного повреждения в гибридном композите «лен—углепластик» с

использованием лазерной виброметрии (а) и УЗ сканирования (б).

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе исследовании выявлены особенности проведения процедуры НК слоистых ПКМ,

характерные для различных воздушно-связанных систем возбуждения акустического сигнала.

В частности, использование ПЭП, работающего в резонансном режиме, обеспечивает обнару-

жение дефектов при вводимой акустической мощности на уровне десятков мкВт. Однако в

данном случае необходимым условием является соответствие частоты стимулирующих аку-

стических волн частоте резонанса дефекта, что требует проведения предварительного частот-

ного анализа. Преимуществами ПЭП является их технологичность и относительная простота

конструкции, тем не менее получение с их помощью мощного широкополосного акустическо-

го сигнала, пригодного для бесконтактного возбуждения дефектов в слоистых ПКМ, остается

сложной задачей.

Лазерное вибросканирование с использованием воздушно-связанного магнитострикционного

излучателя позволило обнаружить ударное повреждение в углепластиковом композите без пред-

Дефектоскопия

№ 12

2021

Особенности лазерно-виброметрического неразрушающего контроля ...

варительного анализа резонансных частот дефекта. Это объясняется высокой мощностью вводи-

мого ультразвука, а также наличием высших гармоник и нелинейных явлений, расширяющих

спектральный состав сигнала возбуждения.

Общей особенностью систем возбуждения, работающих в непрерывном режиме, является

наличие интерференционных явлений в пространстве между излучателем и объектом исследова-

ния. Это определяет необходимость обеспечения фазового согласования падающей и отраженной

волн в воздушно-связанной системе.

Лазерное вибросканирование углепластикового композита с использованием газоразрядного

излучателя обеспечивает широкополосную акустическую стимуляцию объектов контроля, что

позволяет проводить спектральный анализ акустического отклика дефектов на частотах до 20 кГц.

К особенностям воздушно-связанной системы на основе газоразрядного излучателя следует отне-

сти импульсный режим работы, при котором в воздушном пространстве между излучателем и

объектом контроля не формируется стоячая волна. Таким образом, при данном способе возбужде-

ния нет необходимости обеспечивать согласование акустических колебаний по фазе, что является

одним из важных преимуществ газоразрядного излучателя по сравнению с другими типами УЗ

преобразователей.

Резюмируя вышеизложенное, следует отметить, что использование бесконтактного режима

ввода и регистрации акустического сигнала расширяет возможности диагностики ПКМ и мини-

мизирует внешние воздействия на контролируемые объекты по сравнению с традиционными

акустическими методами НК на основе контактных преобразователей. Однако использование

бесконтактных излучателей имеет свои особенности, которые необходимо учитывать при про-

ведении НК.

Работа выполнена в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной

поддержки молодых российских ученых — кандидатов наук МК — 221.2021.4 (результаты по

магнитострикционному излучателю), гранта РНФ № 21-79-00169 (результаты по газоразрядному

излучателю) и Госзадания «Наука» № 5.0017.ГЗБ.2020 (методика контроля качества). Авторы

выражают благодарность профессору И.Ю. Солодову (Штуттгартский Университет, Германия) за

оказанную помощь при проведении исследований.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Yano T., Tone M., Fukumoto A. 1 MHz Ultrasonic Transducer Operating in Air / In: A.J. Berkhout,

J. Ridder, and L.F. van der Wal. Eds. Acoustical Imaging. Boston, MA: Springer US, 1985. P. 575—584.

2. Schiller S., Hsieh C.K, Chou C., Khuri-yakub B. Novel high frequency air transducers / Review of

progress in quantitative NDE, 1990, 795.

3. Hutchins D.A., Schindel D.W. Advances in non-contact and air-coupled transducers // Proceedings of

IEEE Ultrasonics Symposium. 1993. V. 2. P. 1245—1254. DOI: 10.1109/ULTSYM.1994.401811

4. Chen J., Wang X., Yang X., Zhang L., Wu H. Application of air-coupled ultrasonic nondestructive testing

in the measurement of elastic modulus of materials // Applied Sciences. 2021. V. 11. Is. 19. Article number

9240. DOI: 10.3390/app11199240

5. Adelegan O.J., Coutant Z.A., Wu X., Yamaner F.Y., Oralkan O. Design and Fabrication of Wideband

Air-Coupled Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers with Varying Width Annular-Ring and Spiral

Cell Structures // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2021. V. 68. Is. 8.

P. 2749—2759. DOI: 10.1109/TUFFC.2021.3076143

6. Bernhardt Y., Kreutzbruck М. Integrated defect sensor for the inspection of fiber-reinforced plastics

using air-coupled ultrasound // Journal of Sensors and Sensor Systems. 2021. V. 9. Is. 1. P. 127—132.

DOI: 10.5194/jsss-9-127-2020

7. Marhenke T., Neuenschwander J., Furrer R., Zolliker P., Twiefel J., Hasener J., Wallaschek J., Sanabria

S.J. Air-Coupled Ultrasound Time Reversal (ACU-TR) for Subwavelength Nondestructive Imaging // IEEE

Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2020. V. 67. Is. 3. P. 651—663.

DOI: 10.1109/TUFFC.2019.2951312

8. Daschewski M., Kreutzbruck M., Prager J., Dohse E., Gaal M. und Harrer A. Resonanzfreie Messung

und Anregung von Ultraschall // Technisches Messen. 2015. V. 82 (3). P. 156—66.

9. Gaal M., Kotschate D. New technologies for air-coupled ultrasonic transducers // proceedings of 12th

ECNDT conference, 2018, Gothenburg, Sweden. Author profiles for this publication at: https://www.

researchgate.net/publication/325685745

10. Migachev S.A., Kurkin M.I., Smorodinskii Y.G. Noncontact excitation of sound in metals by a video

pulse of electric field // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2016. V. 52. No. 11. P. 653—6561.

11. Kachanov V.K., Sokolov I.V., Karavaev M.A., Kontsov R.V. Selecting Optimum Parameters of Ultrasonic

Noncontact Shadow Method for Testing Products Made of Polymer Composite Materials // Russian Journal of

Nondestructive Testing. 2020. V. 56. No. 10. P. 831—842.

Дефектоскопия

№ 12

2021

Д.А. Дерусова, В.П. Вавилов, В.О. Нехорошев и др.

12. Derusova D.A., Vavilov V.P., Druzhinin N.V., Kolomeets N.P., Chulkov A.O., Rubtsov V.E., Kolu-

baev E.A. Investigating vibration characteristics of magnetostrictive transducers for air-coupled ultrasonic

NDT of composites // NDT and E International. 2019. V. 107. DOI: 10.1016/j.ndteint.2019.102151

13. Shpil’noi V.Yu., Vavilov V.P., Derusova D.A., Druzhinin N.V., Yamanovskaya A.Yu. Specific Features of

Nondestructive Testing of Polymer and Composite Materials Using Air-Coupled Ultrasonic Excitation and

Laser Vibrometry // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2021. V. 57. No. 8. P. 647—655.

14. Solodov I., Bernhardt Y., Kreutzbruck M. Resonant airborne acoustic emission for nondestructive

testing and defect imaging in composites // Applied Sciences. 2021. V. 11. Is. 21. Article number 10141.

DOI: 10.3390/app112110141

15. Solodov I., Dillenz A., Kreutzbruck M. A new mode of acoustic NDT via resonant air-coupled emission

// Journal of Applied Physics. 2017. V. 121. Is. 2428. Article number 245101.

16. Schmerr L.W., Song S.-J. Ultrasonic Nondestructive Evaluation Systems. 1st ed. Boston: Springer,

2007.

17. Guo X., Zhu L. Vibro-thermography of calibrated defects in hybrid plates focusing on viscoelastic heat

generation

Quantitative InfraRed Thermography Journal.

2020. Article in press.

DOI: 10.1080/17686733.2020.1771528

18. Solodov I., Döring D., Busse G. Air-Coupled Lamb and Rayleigh Waves for Remote NDE of Defects

and Material Elastic Properties // Strojniski Vestnik / Journal of Mechanical Engineering. 2010. V. 56. Is. 9.

P. 557—564.

19. Blum R. Verfahren zur Erkennung von Spaltern in Span- und MDF-Platten und Vorrichtung zur

Durchführung des Verfahrens, DE Patent 19519669C1, Germany, 1997.

20. Pylnov Yu.V., Shirkovskiy P.N., Pernod Ph., Preobrazhensky V.L. Ultrasonic air-coupled wave phase

conjugator for the low megahertz frequency range // Proceedings — IEEE Ultrasonics Symposium. 2009.

Article number 5441902. P. 2611—2614.

21. Li X., Dai Z., Zhang G., Zhang S., Jeong H. Determining the Responsivity of Air-Coupled

Piezoelectric Transducers Using a Comparative Method: Theory and Experiments // IEEE Transactions

on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control.

2021. V.

68. Is.

10. P.

3114—3125.

DOI: 10.1109/TUFFC.2021.3084756

22. Wu Q., Chen Q., Lian G., Wang X., Song X., Zhang X. Investigation of an air-coupled transducer with

a closed-cell material matching strategy and an optimization design considering the electrical input impedance

// Ultrasonics. 2021. V. 115. Article number 106477. DOI: 10.1016/j.ultras.2021.106477

23. Yang J.-S., Ma L., Chaves-Vargas M., Huang T.-X., Schröder K.-U., Schmidt R., Wu L.- Z.

Influence of manufacturing defects on modal properties of composite pyramidal truss-like core sandwich

cylindrical panels

Composites Science and Technology.

2017. V.

147. P.

89—99.

DOI: 10.1016/j.compscitech.2017.05.007

24. Dolmatov D., Zhvyrblya V., Sednev D. The development of post-processing algorithm for the

ultrasonic evaluation by the application of automated robotic testing systems// IOP Conference Series:

Materials Science and Engineering. 2021. V. 1019. Is. 1. DOI: 10.1088/1757-899X/1019/1/012006

Дефектоскопия

№ 12

2021