автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.11, диссертация на тему:Возбуждение и рассеяние нестационарных акустических сигналов при контроле твердых тел

ц о и

Научно-производственное объединение ПО Технологии маттотостроения "ЦНЖПШГ

На правах рукописи

ЧАБАНОВ Владимир Емельянович.

УДК 620.179 16

Возбуждение и рассеяние нестационарных акустических сигналов при контроле твердых тел

Специальность 05.02.11 "Методы контроля и диагностика в машиностроении"

Автореферат диссертации

на соискание ученей степени доктора технических наук

Москва 1992

Работа выполнена при Ленинградском институте машиностроения (ВТУЗ-ЛМЗ)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

АЛЕШИН Н.П.;

доктор технических наук, профессор ПОТАПОВ А.И.;

доктор технических наук, профессор ЯЩИКОВ B.C.

Ведущая организация: НИИ мостов при ЛИИЕТе

Защита состоится ' V мая 1992 года в 14 часов на заседании специализированного совета Д.145.03.03 при Научно-производственном объединении по технологии машиностроения (ЦНИ11Т. (IG9088, г.Москва, К-88, Шрикоподшлпниковская ул., д.4, аудитория № 403.

Телефон для справок: 275-85-33.

С диссертацией могло ознакомиться в научно-технической библиотеке ЦНЖГМАШ.

Автореферат разослан 1992 года

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук

В.М.УШАКОВ

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблемы современного машиностроения определяют необходимость разработки качественно новых методов и средств неразруяащего контроля, обладающих высокой чувствительностью, надежностью и универсальностью. Одним из таких может стать разрабатываемый в настоящее время метод лазерно-ультразвукового контроля (ЛУЗК), сохраняющий основные достоинства, присущие ультразвук:овкм методам, наряду с преимуществами неконтактных методов. С его помощью открывается возможность контроля изделий сложной формы, с грубой необработанной поверхностью, в условиях высокой радиации, повышенной вл&здости, при низких и высоких температурах, а так»е в вакууме. Кроме того, метод пригоден для контроля изделий в процессе гас изготовления и эксплуатации.

Изучение лазерного возбуждения ультразвуковых импульсных сигналов в твердых телах в нашей стране ведется в Акустическом институте, Московском государственном университете, НИИ Технологии машиностроения, НИИ5ТРИ г.Хабаровск, в Челябинском политехническом институте, НИИ Чермет, Ленинградском институте машиностроения СВТУЗ-ЛУЗ), а также в некоторых других организациях. ^полненными теоретическими и экспериментальными исследованиями установлены основные закономерности лазерного возбуждения звука, особенности влияния на него характеристик материалов и граничных условий, различного роца нелинейных эффектов, возникающих при взаимодействии света с веществом, температурн образцов, перемещения лучей, наличия светопрозрачных покрыт^ и др. Однако эти исследования в основном имеют скорее научную, чем прикладную направленность, теоретические решения не всегда соответствуют возможностям существующей лазерной техкйки и оптики. Так, в некоторых решениях временная форма ла?ерных импульсов считается гармонической, ступенчатой пли прямоугольной, а пространственная - бесконечно протяженней или "раг-нлмер-ной по сечению луча'. Получить такие импульсы при необходимой плотности мощности светового излучения пока не представляется возмогным.

Кроме достоинств, ЛУЗК обладает рядом недостатков, связанных прежде всего с возможностями существующих лазерных систем. Так, твердотельные лазеры с модулированной добротностью, в наибольшей степени отвечающие требованиям практического ультразвукового контроля, сравнительно дороги, обладают малым ресурсом, низким КГЦ, не всегда экологически безопасны. В этой связи для реализации ЛУЗК необходимо выбирать такие объекта контроля, применять такую аппаратуру и методики измерений, при использовании которых указанные недостатки лазерной техники не оказывали бы влияния на технико-экономические характеристики контроля, а каждый импульс излучения давал бы максимальную информацию об изделии. Исходя из этого значительно повышаются требования к качеству опто-акустического канала установок ЛУЗК, оптимизация которого невозможна без максимальной приближенности математической модели решаемых задач к реальным лазерам и условиям производства.

Для этого необходимо установить более точную зависимость меаду параметрами реальных световых импульсов (длительность, временная форма, длина волны, плотность мощности светового потока, модовая структура лучей, размер и форма светового пятна на мишени, параметры используемой оптики), характеристиками твердых тел (коэффициенты отражения и поглощения света, модули упругости и структура, степень сероховатости поверхности, наличие на них различных покрытий, коэффициента рассеяния звука), особенностями приемникоЕ (размеры, резонансная частота, добротность) и параметрами наблюдаемых сигналов (тип возбуждаемых акустических волн, их напряжения, временные формы и длительности импульсов, направленность излучения). Нужны специальные исследования работы приемников акустической информации, схем контроля различных изделий, характера обработки информации, особенностей конструирования установок ЛУЗК. Только тогда можно установить, для контроля каких изделий целесообразно использовать ЛУЗК, а где следует ограничиться традиционными методами контроля.

2. Целью работы является расширение области применения и повышение достоверности ультразвукового контроля путем установления особенностей возбуждения и рассеяния нестационарных акустических сигналов для разработки метода, приборов и принципов конструирования установок лазерного ультразвукового кон-

троля твердых тел.

3. Задачи исследования. Для достижения поставленных целей потребовалось решение следующих основных задач:

- исследование физических особенностей взаимодействия света с твердыми телами;

- изучение характеристик акустических сигналов в твердых телах при реализации термоупругого и испарительного механизмов генерации звука однсмодовыми лазерами с модулированной добротностью при учете влияния шероховатости тпгеней, наличия на их поверхности различных светопрозрачных слоев, движения лазерных лучей и используемой оптики;

- получение аналитического решения для всех типов волн, излучаемых (принимаемых) осесимметричными преобразователями различного вида в твердые тела при произвольном распределении поверхностных напряжений и временной форме импульсных сигналов. Определение вида поляризации преобразователей, у которых существенно уменьшается излучение и прием ложных сигналов;

- определение характера рассеяния, трансформации волн, то-пограммы поверхностных смещений, создаваемых сигналами продольной, £7 и ЗН -поперечной поляризации от сосредоточенных источников (рассеиваемых дефектами) границей упругого полупространства при произвольной ф-фме импульсов, а также сигналов, используемых в реальном УЗК;

- получение тензоров Грина для упругого полупространства, с помощью которых ыпжно изучать продольные, поперечные и рэле-евские волны в твердых телах от произвольных поверхностных источников аналитически или с помощью ЭВМ, без предварительного решения волновых уравнений. Изучение с помощью полученных тензоров импульсного излучения акустических сигналов наклонными преобразователями в твердые тела, а также сигналов, возбуждаемых лазерами при учете мо.довсй структуры лучей, добротности и резонансной частота приемников;

- решение задачи о характере водеиммерсионного приема акустических сигналов, распространяющихся в твердых телах, позволяющее математически оптимизировать опто-акустический тракт установки лазерно-ультраэвукового контроля шайб из титановых сплавов "3X0-2".

4. Методы ггеледгпани^. При решении поставленных задач

использовались дифференциальные уравнения динамической теории упругости и терыоупругости, аппарат, применяемый при изучении векторных полей в различных системах координат, векторный анализ, тензорная алгебра, Зурье и Бесселя преобразования. Широко использовались высшие трансцендентные функции, ступенчатые и символические импульсные функции, функции и тензоры Грина, теория вероятностей и случайных процессов. При решении задач использовались специальные программы для ЭВМ, основанные на полученных теоретических решениях. Кроме того, исследования опирались на результата теории и практики общей акустики упругой срецы, ультразвукового контроля материалов и сейсмоакусти-ки. Результата теоретических исследований сопоставлялись с экспериментальными.

5. Научная новизна работа заключается в следующем:

- теоретически и экспериментально установлена зависимость возбуждаемых лазерами продольных, поперечных и рэлеевских волн (их напряжений, временной формы импульсов, направленности излучения) от параметров световых сигналов (интенсивности, модо-вой структуры лучей, длительности импульсов, размера и фермы светового пятна, движения лучей) и характера мигаеней (их модулей упругости, состояния поверхности, наличия покрытий, коэффициентов отражения и поглощения света, микроструктуры,,.ослаб-.«*, ления звука при распространении)-для"металлов; -

- обосновано наличие трех интервалов интенсивностей света, в каждом из которых превалируют различные механизмы возбуждения звука: термоупругий, при котором источником акустических сигналов является термическое расширение слоя вещества, поглощающего свет, испарительный, источником звука в котором служит импульс поверхностного напряжения, возникающий вследствие испарения пара, и детонационный, где кроме импульса, обусловленного испарением, появляется дополнительный звуковой импульс, вызываемый детонационным излучении при плазменном пробое пара. Определена зависимость параметров звуковых сигналов от световых импульсов в этих интервалах;

- теоретически и экспериментально установлены параметры акустических волн (продольных, поперечных, рэлеевских, головных и неоднородных), которые излучаются произвольными псесим-метричными поверхностными различным образом поляризованными

излучателями при произвольно« импульсном возбувдении, а также для монохроматических волн и сигналов, используемых при УЗК;

- полунены_параметри-тензорев"*ГрйнаТдля продольных, поперечных и рэлеевоких волн, позволящие находить поля излучения различным образом поляризованных произвольных поверхностных плоских излучателей в твердое тело без решения соответствующих дифференциальных уравнений;

- показана впзтжгасть использования зон Френеля (зон озвучивания) для расчета и анализа импульсных акустических сигналов, излучаемых произвольными поверхностными источниками;

- определено влияние рассеяния звуковых сигналов на ыик-рлкристаллах материала, а также резонансной частоты, добротности приемных систем на характеристики наблюдаемых импульсных сигналов.

б. Практическая ценностьработа. В результате выполненных исследований установлены основные закономерности формирования звукового поля в твердых телах традиционными и лазерными излучателями при их импульсном возбуждении. В частности, получены простые выражения и номэграАтмы для всех типов волн, излучаемых (принимаемых) прямыми и наклонными преобразователями в твердые тела при их возбуждении монохроматическими или реально применяемыми при УЖ импульсными сигналами. Установлен вид поляризации преобразователей, излучение и прием которыми ложных сиг-начов минимизирован.

Определены закономерности-формирования-поЕёрмТстных смещений твердых тел при падении на их границу импульсных сигналов от сосредоточенных произвольно поляризованных источников (или сигналов, рассеянных дефектами). Это позволяет более строго рассчитывать акустические тракта дефектоскопов при раздельном излучении и приеме сигналов. Получены тензоры Грина, использование которых позволяет находить продольные, поперечные и поверхностные вол*.и Рэлея, излучаемые произвольно поляризованными поверхностными излучателями различной формы в твердые тела для произвольных импульсных сигналов путем простого вычисления интеграла по поверхности источника. При этом не требуется решения соответствующих дифференциальных уравнений, моото использовать специальные программы ЭВМ для непосредственного расчета таких полей. Установлен характер влияния поглощения,

резонансной частоты и добротности приемных систем на наблюдаемые акустические сигналы.

Разработана не имеющая аналогов лазерно-иммерсионная ультразвуковая установка для автоматизированного контроля шайб из титановых сплавов без специальной обработки их поверхности, определена математическая модель для оптимизации многоканальной опто-акустической системы этой установки. Определены технические характеристики установок такого класса, разработана РКЦ и изготовлен специальный лазер.

Результаты работы легли в основу курса лекций, читаемых автором слушателям факультета повышения квалификации Ленинградского института машиностроения группы "Керазрушающие методы контроля", организованы лабораторные работы.

7. Апробация^аботы. Материалы диссертации докладывались на специальных семинарах в ЛЭТИ им.В.И.Ульянсва (Ленина), в НИ! мостов при ЛИЮТе, в ЦНИИТМАЕе, инсти-уте Интроскопии и институте прочности АН УССР, в прикладной к~миссии при АН СССР, на Акустическом семинаре АН СССР при ЯКИ, секции "Неразрутгаю-щий контроль" при Ленинградском доме ученых, в Ленинградском государственном университете, Государственном оптическом институте (ГОИ). Кроме того, по содержанию работа были сделаны доклады на 1-й Дальневосточной акустической конференции "Человек и океан" (1974), 5- и 5-й Всесоюзной конференции по резонансному взаимодействию оптического излучения с веществом (1982, 1984), 5-й Всесоюзной конференции "Технические средства изучения и освоения океана" (1985), 43-й Областной научяо-техничес-кой конференции по узловым проблемам радиотехники, электроники и связи, посвященной Дню радии (I98B), на Всесоюзных научно-технических конференциях по ультразвуковой дефектоскопии сварных металлоконструкций (1987, 1989), 12 Всесоюзной научно-технической конференции по неразрушающему контролю (1990).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 2 монографии (си.1-2), одна из которых (2) переведена в США издательством "Ptinum Pu6tLsftcng corp." в журнале

"Зоигп. Sov. Сагег ftecercA" , 9 /2/, 1908, ряд статей, докладов.

9. Объем работы. Диссертация состоит из основной части

(введения), 5 глав и заключения, изликонных на 364 машинописных страницах, 124 фотографии и рисунктв; слио.к ди^ратурь! включает 243 названия.

(ЮШКЕ CO.^PTAIT?. PABOui

Во введении обосновывается актуальное-!? работы, формулируются основные решаемые задачи и научные л-л-кени*, вин* симые на защиту.

Раздел_1 посвящен изучению параметров акустических сигналов, возбуждаемых импульсами лазеров в твердых телах со свободной границей при реализации термоупругого механизма генерации звука.

Известно, что при падении импульсов на поверхность твердого тела в последнем возникает напряжение. Природа прегбразованкя световой энергии в акустическую .сложна и еще мало изучена. Теоретический аппарат недостаточно разработан, а экспериментальные результата различных авторов трудно сопоставимы. Они, как правил", не были увязаны с задачами УЗК, получались о использованием лазеров с различной длиной волны излучения, энергией, формой и длительностью импульсов, моцгвоЯ структурой лучей. Отсюда п.отгебгва-лось осуществить систематизацию и анализ имеющихся результатов применительно к ультразвуковому кгнтоолю ма-е^иал-в

Патящое световое излучение, как изяеешо. частично отражается, а частично проникает вглубь вещества. Завиткооть интенсивности света (7 от глубины проникновения его в вещество £ описывается законом Бугера-Ламберта-Бэра j =

где С/0 - интенсивность падающего светового потока, R - коэффициент отражения, J>e - коэффициент поглощения.

Коэффициента отратения R и поглощения jJe связаны друг с другом: чем больше коэффициент поглощения, тем выге коэффициент отражения. Коэффициент поглощения оказывает существенное влияние на процесс преобразования света в звук, потому рассмотрим его подробнее. В случае длинноволнового лазерного излучения (практически при Л >24 мкм) электронный ток в металлах совершает

колебания синфазно с частотой падающей электромагнитной волны. При этом коэффициент поглощения описывается формулой Друде-Зи-нера, согласно которой этот коэффициент изменяется с увеличени-

Если частота электромагнитной волны увеличивается ( в этом диапазоне работают практически все лазеры, используемые для УЗК), электронный ток не поспевает за изменением электромагнитного поля. Основную роль в поглощении начинают играть квантовые перехода электронов из одной разрешенной зоны в другую. При этом монотонное увеличение коэффициента поглощения света при увеличении частоты заменяется резким спадом, который затем может сменяться серией резких подъемов и спадов. Поэтому определить общую закономерность, установить рекомендации для выбора частоты излучения лазера для УЖ твердых тел не представляется возмок-ным. В диссертации приведены экспериментально полученные коэффициенты отражения и поглощения на частотах, чаще всего используемых в лазерной технике, для некоторых химически чистых материалов. Из результатов следует, что на указанных частотах коэффициенты поглощения изменяются не более чем в 1,5-2 раза, т.е. для УЗК можно использовать лазеры с любой частотой излучения. Установлено также, что чем выше электропроводности металлов, . тем больше их коэффициента поглощения.

На величину коэффициентов отражения существенное влияние оказывает плотность мощности падающего светового потока. Установлено, что при маллс интенсивностях света коэффициента отражения практически не меняются, а с ростом интенсивности эти коэффициенты начинают заметно убывать, достигая минимума при температуре плавления.

На величину отраженного света существенное влияние оказывает наличие слоев на поверхности мишени (оксидные пленки, адсорбированная вода, пыль, грязь и проч.) Многократное воздействие лазерных импульсов на одну и ту же поверхность очищает ее и увеличивает коэффициент отражения света. При контроле тел с грубой поверхностью условия поглощения света на выпуклостях н впадинах оказываются неодинаковыми. В целом можно считать, что поглощение овета шероховатыми поверхностями выше, чем гладкими. При наклонном падении света на мишень поглощение его увеличивается.

ем частота пропорционально

ции. Такая зависимость сохраняется до тех пор, пока где - постоянная Планка, а к - постоянная Больцмана.

С- время релакса-

Передачу энергии от электронов ионам решетки можно рассматривать как черенковское излучение звуковых волн сверхзвуковыми электронами. Показано, что за время, меньшее электронный

газ полностью передает энергии решетке, то есть инерционность возбуждения светом звуковых импульсов практически отсутствует. Глубина проникновения света в металлы обычно меньше 0,1 мкм. Поглощение света ведет к темпзратурному расширению нагретого слоя и возникновению напряжений. Показано, что при малых величинах плотности мощности лазерного излучения основным является термоупругпй режим генерации звука (1-й режим). При дальнейшем увеличении интенсивности света теплоотвод из нагретого слоя не успевает компенсировать приток энергии, слой перегреваемся и начинает испаряться. При этом основную роль в генерации звука, в соответствии с законом сохранения импульса, уже играет испарение (2-й режим). В начальной стации нагрева испарение начинается с примесных диэлектрических веществ, всегда присутствующих на мишени, а такие на усех. чешуйках, нарушениях сплошности поверхности и проч. При этом испарение может носить как объемный, так и поверхностный характер.

По мере увеличения интенсивности падающего светового потока происходит усиление испарения и углубление светового луча а преграду, формируется мощная струя паров. До некоторых плотностей светового потока газ слабо поглощает падающий свет. В результате процесс распространения пара здесь можно считать адиабатическим. Однако, вследствии флюктуации на некотором расстоянии от мишени может возникнуть слой пара с повышенной температурой, где возрастает поглощение падающего и отраженного светового потопа. В результате устанавливается оптический разряд. Первоначально концентрация плазмы невелика и она не оказывает существенного влияния на падающий к мишени световой поток. Дальнейшее увеличение света ведет к росту платности плазмы, поглощение ею света возрастает, появляется волна детонации, сопровождаемая хорошо слышным щелчком. Кроме основной в-лны в твердом теле появляется сигнал, обусловленный детонацией (3-й режим), Эти режимы показаны на рис.1.

Границы между различными режимами зависят от материала мишени, состояния ее поверхности, наличия загрязнений, длины световой волны и длительности импульса. Если материал является тугоплавким, превалирующим будет первый, терм->уггоугий режим генерации звука. Для легкоплавких материалов первый режим прахти-

чески не наблюдается, сразу же наступает втгсгй, испарительный режим возбуждения звука. Увеличение длины в^лны лазерного излучения способствует уменьшению г.-убиньг пргникн-вения в вещество, отсюда нагрев и иопаоение п-^ветосносного слоя наступает при б:лее низкой интенсивности света. Если длительность импульса велика (больше 30-10 не), в тгетьем, дет-национнсм,режиме осуществляется экт;анигпвка мишени плазмой. При этом с ростом интенсивности света увеличение поверхностного напряжения прекращается. У кор-тких световых импульсов, вследствие запаздывания плазменного пробоя газа относительно падающего светового излучения, экранировка м~жет не наступить. В результате изложенного установить какие-либо значения плотности мощности светового потока, при которых наступает переход из одного режима возбуждения звука в другой для всех типов лазеров и мишеней, не представляется возможным. Теоретические оценки этих величин также оказываются грубыми, вследствие чего здесь целесообразно пользоваться экспериментальными данными для конкретных лазеров и контролируемых объектов.

Экспериментальное изучение различных режимов и возбуждаемого звука выполнялось с помощью газовых (^¿-лазеров типа ИПТЛ и ДЦ-300 (Канада), у которых Л ■ 10,6 мкм, а длительность импульсов У , соответственно, 312 и НО не. Кроме Tiro, измерения осуществлялись с использованием лазера 0ГМ-20 ( Л ■ 0,694 мкм, <Р ш 30 не), твердотельного лазера, переделанного из ЛИПЧ-6 ( Л - 1,06 мкм, F ж 40 не) и лазера типа ЛГН-600 ( Л ■ 1,06 мкм, F « 12 не). При использовании лазера И1ГО1 на полированных мишенях граница между первым и вторым, а также вторым и третьим режимами составляла, соответственно, для стали 20 - 6,3 и 10 МВт/см2; латуни ЛС-51-1 - 8 и 16 МВт/см2: сплава АМГ-б - 5 и 12 МВт/см2; алюминия - 3,1 и 4,5 МВт/сы . При использовании лазера 0ГМ-20 испарительный режим возбуждения звука возникал пли плотности мощности светового потока у алюминия -60 МВт/см2, латуни - 90 МВт/см2, ванадия - 82 МВт/см2, ниобия -150 МВт/см2. Экранировка при возникновении детонационного режима возникала здесь при плотности мощности света от 200 до 300 МВт/с»

На рис.1 приведены результаты измерения напряжения продольных волн при изменении интенсивности светового потока, полученные на мишени из стали 20 при использовании лазера ЛПМ-600. Начало парообразования й и плазменного пробоя £> фиксировались с помощью Не - № лазера, луч которого пересекал луч возбуждающего

лазера на расстоянии 3 мы от мишени. Результат экранировки лазерного луча паром и свечения плазмы фиксировались фотодиодом и наблюдались на гсциллографе. В точке С наблюдалось начало интенсивного плазмообразования, т.е. переход к детонационной зоне возбуждения. Звуковой импульс в этой области становился парным. первый пик соответствовал испарению, а второй - детонации. Из-за малой длительности излучения возбуждающего звук лазера (12 не) экранировка поверхности плазмой здесь не наблюдалась. В опытах с другими лазерами увеличение напряжения звука с ростом интенсивности света прекращалось. А-'шлитуда возбуждаемого лазером звука соизмерима или выше излучаемого типовыми лефекто-скопами.

Еып-лнено теоретическое исследование акустических сигналоз, возбуждаемых лазерами при реализации термоупругого механизма генерации звука. Временная характеристика световых импульсов описывалась выражением

{(г) = Фо ^ С- ГА>) УМ, (1)

где Тр- » ^ ~ Длительность светового импульса по

уровню 0,5, Т- временной параметр, 17 (т) -ступенчатая функция, равная единице при Г7 0 и нулю при Г^ 0.

Приведенное выражение хорошо описывает временную характеристику импульсов реальных лазеров с модулированной добротностью. Лазерные лучи считались однэмодовыми (их зависимость от радиуса

/* описывается функцией ) = ¿Г/а , ¿^-характерный размер сечечик лазерного луча), используемая оптика - сферической, поверхность миаеней - свободной, а все термпупгугие параметры материалов считались независящими от температуры. Находились теоретические значения напряжений продольных и поперечных волн, а также смещения рэлеевских волн. Кроме того, определялись пространственно-временные характеристики теплового поля мишени, а также спектральные характеристики акустических волн. В частности, для напряжения продольных волн С^ , возбуждаемых лазером, получено следующее выражение]_

'л* и) Е(4-Я)х.<Г ¿(¿¿с* змЫ. У Рг - ¿уУ \,/?/т -

-Л "

1, С О^СЛЫ )г , , У^О [ С СТс. . / о ¿СП С*

+ * ег'/с\г7ТГ~ }

/С -I

аыл у

Здесь £ - энергия в импульсе лазерного излучения, Е - коэффициент отражения от поверхности мишени, X. -коэффициент температуропроводности, Х0- коэффициент теплопроводности, ¡"= -(ЗЛ ^¿^)^ ) X и у/ - упругие параметры Ламэ среды, с£± -коэффициент теплового расширения. - отношение скорос-

тей продольной С и поперечной волн, il-^- ^/с 1 Я ~ расстояние до точки наблюдения, Ы- - угол наблюдения.

2(о>) = (рг - ¿¿и>гос)г -! гаЬоС^рг -зи>гсА '

При расчете полагалось, что ^«¿^/С , СгТ0>:>& ,

/ . Для используемых импульсов и материалов (металлы) эти условия выполняются. Полученные теоретические значения сравнивались с экспериментальными (рис.2). Приведенные измерения выполнялись на алюминиевой мишени радиусом 100 мм с использованием лазера ИГГГЛ. Наблюдается хорошее совпадение теоретических и экспериментальных результатов.

Выявлены следующие закономерности возбуждения звука при реализации 1-го (термоупругого) механизма генерации. Можно считать, что тепловой источник продольных волн располагается ниже поверхности мишени, то есть является подповерхностным. Максимум излучения продольных волн находится в секторе углов от <£0 = =агсзи> до , а поперечных - от 0 до Ы0 . Под нормальным углом не излучаются ни продольные, ни поперечные волны. Амплитуды продольных и поперечных в^лн соизмеримы, диаграммы направленности излучаемых волн являются постоянными для данного материала и не зависят ни от площади светового пятна, ни от длительности импульсов светового излучения, ни от модовой структуры. Этот вывод подтверждается измерениями со всеми типами используемых лазеров. Спектральные характеристики возбуждаемых импульсов являются широкополосными, максимум спектральной плотности для продольных 0Ое , поперечных и)^ и рэлеевских сОд полн можно оценить с помощью выражений

со, = от = = С'/а

е Саш* ' € ам/ Я Я /

где <£ и ^ , соответственно, углы наблюдения продольных и попе-

сг М

200

100

13

у/»

^^ 0

у}

I Л ш М1т

н—> СМ*

ЬО

Д 80 5 С 120 /60 г00 д

Рис.1

В

Ч//\//J////JJ///k///J/////yJlNДJ777Trт7^/¡///////^/.

Рис.2

I - продольная волна; 2 - поперечная волна

речных волн, С^ - скорость рэлеевской волны.

Таким образом, при термоупругом режиме генерации звука

лазерами и использовании сферической отаики направленность излучения является осесишетричной. по нормали к поверхности не излучаются ни продольные, ни поперечные волны. Этот режим обладает рядом достоинств: для его реализации можно использовать сравнительно маломощные лазеры, отсутствует какое-либо разрушение поверхности измеряемых деталей, постоянна направленность излучаемых волн. Вместе с тем для большинства задач УЗК такое излучение неприемлемо.

В диссертации показано, что если вместо сферической использовать цилиндрическую оптику, тогда световое прпго на поверхности мипени проектируется в виде линии. У такого излучателя в плоскости, перпендикулярной оси световой линии, направленность излучения такая ке, как при использовании сферической оптики. Однако в плоскости, проходящей через ось световой линии, максимум излучения наблточается пс нормали к поверхности митлени. То-есть излучение такого источника становится двухлепестковым.

Возбувдение звука в термоупругом режиме генерации можно сделать однолепестковым, если источник перемещать вдоль мишени в направлении, перпендикулярном образующей цилиндрической оптики, со скоростями, соизмеримыми со скоростью звука в веществе. Такая задача решена в диссертации. Излучение соответствовало оцномодовым лазерам, временная форма импульсов описывалась выражением (I). Результаты находились для продольных, поперечных .и рэлеевспих волн. В частности, для напряжения продольной волны получено:

о- а) = - а** (*+] , х

¿Г 5/2■ 24Л0 СГй1?г0(и, УХуе -

У ег/с(*£*- -

X < № с -е 3-—г . ,

| V ^СТдй ¿ики

1- и г/

Здесь О- - характерный размер пятна в направлении , перпендикулярном длине световой линии, 3 - то яе б направлении линии, т.е. оси у . Пространственная форма лазерного луча на поверхности мишени описывалась выражением

= + ^ ) ], а «В

. Угол У отсчитывался в плоскости светлвого пятна ^т "си 2", вектор V скорости перемещения луча совпал с оСью х ¿г = /-лУ>ысжУ - параметр, связанный с движением луча. 10 = 5слсСУагсо$Ч 6гби>гУ'/С,

2а (а, У) '

Остальные обозначения приведены в отдании параметров ф-рмулы (2).

Из результатов расчета следует, что при увеличении скорости движения луча в направлении зс(У = 0°) амплитуда акустических импульсов до соотношения скоростей с «0,5 убывает, а затем быстро увеличивается, длительность импульса при этом уменьшается. Если точка наблюдения располагается в обратном направлении ( У в 180°), амплитуда звукового импульса уменьшается, а длительность его растет . Увеличение ск-рости движения лучей изменяет направленность излучения продольных и поперечных волн, приближая максимум излучения к нормальному углу. Если параметр

¿•¿О, тогда звуковые лучи не возбуждаются (конус Маха). Увеличение размера светового пятна, а также дли-ельности пмпульслз при прочих равных условиях ведут к уменьшению амплитуды возбуждаемых продольных волн. Пои сохранении плотности мощности лазерного излучения размер светового пятна не влияет на амплитуду звука, за исключением случая, когга выполняется сютношение

— 0,41.10^ м/с. Здесь наблюдается минимум акустического сигнала. Таким образом, излучение продольных и поперечных волн увеличивается в направлении движения луча, когда ¿ > 0. и убывает в противоположном направлении, т.е. становится оттно^епест-новым. Направление максимума излучения сигналов при увеличении скорости движения луча изменяется, приближаясь к нормальному углу.

Установлено, что амплитуда волны Рэлег максимальна, когда скорость движения луча близка к скорости в^лн Рэлея и равна нулю при больших скоростях.

Таким образом, установлены основные закономерности возбуждения звука лазерами при реализации термоупругогп механизма. При испарительном возбуждении звука источник становится преимущественно поверхностным. Для его изучения необходимо предварительно решить задачу о поле произвольного поверхностного излучателя, которая выполнена з следующем разделе.

Раздел 2 посвящен решению осесимметричной краевой задачи упругого полупространства.

Проблема количественного и качественного изучения волн, возбуждаемых произвольными источниками, расположенными на границе упругого полупространства, представляет интерес не только для изучения лазерного возбуждения звука, но и для других задач, в том числе для традиционного ультразвукового контроля материалов. Такие задачи решались неоднократно. Вместе с тем применительно к ультразвуковому контролю материалов изучение возбуждаемых и принимаемых преобразователями волн является неполным. Не определены все типы волн, возбуждаемых плоскими преобразователями в твердых телах при импульсном возбуждении звука, их физическая природа, зависимость от поляризации преобразователей. временной фэрмы импульсных сигналов, распределения напряжений по поверхности, размеров излучателей и параметров -твердых тел. Имеющиеся решения являются сложными, вследствие чего их анализ и практическое использование затруднены. В результате этого в известных теоретических работах, посвященных УЗК изделий, описывается только поле излучения поршневых равномерно поляризованных преобразователей, возбуждающих монохроматические сигналы в жидкой или газообразной средах (продольные волны). Это препятствует разработке оптимизированных ультразвуковых преобразователей реальных импульсных сигналов при работе с твердыми телами, понижает достоверность и чувствительность акустического контроля, ведет к появлению в преобразователях помех, маскирующих полезную информацию, ограничивает номенклатуру изделий, подлежащих надежному контролю ультразвуком.

Общее решение указанной задачи при произвольных поляризации излучателей, распределении напряжений на поверхности их и временной форме импульсных сигналов приведено в монографии /2/. Задача строится следующим образом.В плоскости 0, ограничивающей твердое полупространство, действует осесимметричный вектор напряжений с компонентами , <%г и . Под действием указанных тензоров напряжений возбуждаются акустические сигналы, описываемые потенциалами Ф и П , удовлетворяющие однородным волновым уравнениям.- Вне источника граничные напряжения равны нулю (изделие помещено в воздух). В результате применения преобразования Фурье-Бесселя к потенциалам и граничным условиям и решения системы алгебраических уравнений получаются интегральные выражения для искомых потенциалов Ф и П генерируемых волн. В дальней зоне наблюдения эта интегралы могут вычисляться методом перевала, однако переходу от контура интег-

ртоования к пути наискорейшего спуска препятствуют полюс и точка ветвления. Каждая из этих особенностей описывает свой тип волн. Так, полюс определяет поверхностную волну Рэлея, точка ветвления скалярного потенциала описывает головную волну, векторного потенциала - конусную волну. Последняя распространяется под углом ъВ0 - °гс¿^('-'¿/с), отсутствует в секторе углов меньших и быстро убывает при увеличении угла £ . Скорость ее распространения зависит от угла наблюдения и располагается в пределах от до С . Головная волна возбуждается, когда проекция поперечной волны на граничную поверхность распространяется по ней со скоростью продольных волн, т.е. это поперечная волна, которая распространяется вдоль границы со скоростью продольных волн. Кроме описанных, поверхностный излучатель возбуждает продольные, поперечные и неоднородные волны.

Указанная картина возбуждаемых волн показана на рис.3.

I

Рис.3

Здесь цифрой I показан фронт излучения продольной, 2 - поперечной волн. Их амплитуда условно показана шириной фронта распространения, 3 и 4 - вертикальная и горизонтальная составляющие

смещений волн Рэлея, 5 - фронт конусной волны, ее амплитуда условно показана штриховой линией, б - смещение границ, обусловленное головной волнлй. 7 - область, занимаемая неоднородными волнами. oCQ - arcs^( Ct/с)-

Неоднородные волны распространяются со скоростями от 0 до С /2/. Пои этом продольные волны, скорость которых имеет величину от до С , можно отнести к разряду квазиоднородных, поскольку при встрече с препятствиями они способны трансформироваться в обычную поперечную волну. Амплитуда их максимальна, когда скорость распространения близка к скоростим С^к С . Эти волны распространяются вдоль поверхности вблизи от ее границы, распределение амплитуд квазиоднородных волн слабо зависит от временной формы импульсного сигнала.

Описанные волны возбуждаются всегда, когда поверхностные напряжения имеют составляющие или О^г ■ Если присутст-

вует только составляющая (вихревая), возбуждаются лишь

поперечные SH -поляризсванные волны.

Получены достаточно строгие аналитические выражения для каждой из указанных волн при произвольной форме импульсов и пространственном (осесимметрнчном) распределении поверхностных напряжений. На базе этих решений найдены частные решения для сосредоточенных дельта-импульсных вертикально и радиально поляризованных источников, для плоских вертикально поляризованных источников (прямых преобразователей), возбуждаемых гармоническим напряжением, а также для вертикально поляризованного плоского поршневого излучателя, когда временная форма возбуждаемого сигнала соответствует применяемой при ультразвуковом контроле. Последняя описывается выражением

/(т) = ei,Tu(-t) + i* cos. (и)0т) U(i)t (3)

где - симметриченая единичная функция, ^ - коэффициент

ослабления, зависит от формы электрического сигнала, возбуждающего излучатель, электрического согласования генератора с пьезопреобразователем, W0- резонансная частота пьезопреобра-зователя, ^ - коэффициент ослабления акустического сигнала при его колебательном режиме, определяется добротностью электроакустического тракта. Пусть t +^ - характерная частота работы преобразователя в импульсном режиме, а У- arcig^o/i) -параметр, описывающий добротность акустического тракта. Тогда, варьируя параметрами £ и У , можно записать сигналы различной

длительности и формы. При малых У демпфирование акустического тракта столь велико, что колебательный режим не возникает, при

возбуждается гармонический сигнал. После ряда преобразований находятся строгие решения для большинства возбуждаемых волн. В частности, для продольных и поперечных волн получено:

^'-■¿ф-ц'**)«*,);

Ф%)_ Р*С05с1(рг-<Гзи>гы) . ** у~ г(сс) >

(4)

фи

¿(к) - (рг-¿£(лгЫ^ч- 4зи>г<* соыУРг-$тг/ СС5У /6з^ССбг/(5Фг/-Р'г)

где Р0 - амплитудный множитель, а - радиус излучателя, У/г) и // Функция Бесселя и Ханкеля, _?я - моди-

фицированные функции Бесселя.

Р - С/с{у 6= аз/мы/с = а$а>£/с{; (I (г)=о, ¿¿о и+(г)=о? ¿¿о, г>о

О О

Функции Фр и Ч-^ описывают направленность излучения продольных и поперечных волн вертикально поляризованным дельта-импульсным сосредоточенным источником. Для различных материалов эти функции могут быть легко табулированы либо представлены графически, рис.4.

Установлено, что максимальные значения сигналов соответствуют приходу к наблюдателю средней части импульсов от ближней или дальней кромки излучателя, то есть когда ^L-Í^> . Это обстоятельство позволяет рассчитывать максимальную амплитуду и диаграммы излучения преобразователей. Для функции в

случае малых углов наблюдения (практически для основного лепестка излучения) даются графики (рис.5), в случае больших 5 используется простоеассимптотическое выражение:

Эти обстоятельства позволяют предложить простой и строгий инженерный способ расчета полей реальных пьезопреобразователей. Выполненные расчеты полностью подтверждаются экспериментом. Оценка амплитуд различных волн, возбуждаемых плоским преобразователем с резонансной частотой 0,62 МГц, радиусом 12 мм и параметром У сигнала, равным 75°, при излучении в алюминий на расстоянии 10 см от излучателя дает смещение частиц среды под действием поперечной волны относительно продольной по нормали меньше на 24,9 дБ, неоднородной - на 33,6 дБ, конусной - на 16,6 дБ» рэлеевской - на 1,6 дБ, головной - на 43,8 дБ.

Конусная волна быстро убывает с расстоянием, волны головного типа на частотах УЗК оказываются несущественными. Показано, что чем быстрее нарастает импульс, тем больше полезный сигнал. Помехоустойчивость преобразователей увеличивается с увеличением их размеров и резонансной частота, демпфирование элект-

ро-акустического тракта увеличивает амплитуду поперечных, конусных и неоднородных волн и уменьшает амплитуду возбуждаемых (принимаемых) волн Рзлея. Приведены спектральные характеристики сигналов.

С целью изучения возможности повышения помехоустойчивости преобразователей был выполнен расчет, в котором закон изменения их поляризация списывался радом фурье-Бесселя. Расчет выполнялся для произвольного закона изменения поляризации, а также, когда поляризация описывалась одним слагаемым этого рада, т.е. функцией Р(г)= ) > ¡Ге - полюс функции Бесселя. Расчет показал, что при этом амплитуда помех по сравнению с полезным сигналом убывает в три и более число раз. Спектральные характеристики и направленность излучения в этой случае существенно не меняются.

Раз^ел_3 призван описать особенности возбуждения звука лазерами при испарительном режиме возбуждения.

Если теплоотвод из нагреваемого лазерным излучением слоя не успевает компенсировать поступающее тепло, температура слоя возрастает, начинается его плавление и испарение. Этому обстоятельству способствует также значительное уменьшение коэффициента отражения световых импульсов от поверхности мишени при ее плавлении. Испарение может носить как поверхностный, так и объемный характер. Масса испаряющегося вещества невелика и обычно не превосходит величины I мг/имп, однако скорость паровых молекул может достигать величины, близкой к скорости звука в материале мишени. Вследствие этого передаваемый мишени импульс может быть значительным, а поверхностное давление способно достигать величины 10*2 Па и более. Источник возбуждающего звук напряжения становится преимущественно поверхностным, вследствие чего изменяются характеристики акустических сигналов и направленность их распространения.

В диссертации выполнен расчет продольных, поперечных и рэ-леевских волн, возбуждаемых лазером при испарительном режиме генерации звука. Для расчета применялись формулы, полученные в разделе 2 диссертации, временная и пространственная формы лазерных импульсов считались гауссовыми, зависимость поверхностного напряжения от интенсивности света принималась линейной. Выполненные расчета подтвердили правильность такой постановки задачи.

В частности, для напряжений продольных и попереч-

ных -поляризованных волн получено:

во

гте |-{^а'ыЩ,

- расстояние до точки наблюдения; Р0- амплитудный множитель, СРр(<*) и - функции, описывающие направленность излучения дельта-импульсного вертикально поляризованного сосредоточенного источника, приведены в выражениях (4).

Анализ выполненных расчетов показал, что при испарительном режиме возбуждения звука максимум излучения продольных волн соответствует нормальному углу излучения, максимум поперечных волн располагается в пределах углов от Ы0 до "Л/г . Амплитуда поперечных волн существенно меньше, чем у продольных, зависят от пространственно-временной формы световых импульсов. Диаграммы излучения продольных волн тем уже, чем больше размер светового пятна и меньше длительность импульса. При падении света на поверхность мишени под углами, отличными от нормального, изменение характеристик возбуждаемого звука связано только с изменением площади светового пятна. В самом деле, свет распространяется значительно быстрее звука, поэтому поверхностный источник можно всегда считать синфазным. Выполненные измерения подтвердили полученные теоретические закономерности.

С увеличением размера светового пятна на поверхности мишени амплитуда поверхностных смещений, вызываемых волнами Рэлея, убывает тем сильнее, чем меньше длительность импульса. Оценивались коэффициента преобразования световой энергии в акустическую для лазера 0ГМ-20 п стальной мишени. Получено, что для поперечных волн максимум этого коэффициента составляет 6,5.10"^, а для продольных - 1,8.10"^.

Максимум спектральной плотности возбуждаемых импульсов соответствует условию СО°- • Увеличение угла наблюдения и размера светового пятна приводит к уменьшению максимума спектральной плотности возбуждаемых сигналов. При нормальном угленаблп-дения максимум спектральной плотности не зависит от размеров

светового пятна г определяется только длительностью импульса.

Одним из важных достоинств лазерного возбуждения акустических сигналов в твердых телах по сравнении с традиционными способами является возможность индуцировать акустические сигналы в изделиях с грубой шероховатой поверхностью. При этом источником является вся незатененная часть поверхности. Теоретический анализ, выполненный для шероховатой поверхности, показал, что интенсивность возбуждаемого при этом зиука слабо зависит от степени шероховатости. В то же время диаграмма направленности сигналов становится более широкой, а эквивалентная длительность им-

дисперсия амплитуды шероховатости. .

Твердые и жидкие светопрозрачные слои, располагаемые на поверхности твердого тела, способны существенным образом влиять на характеристики возбуждаемых лазерами акустических сигналов. В диссертации приведены результаты измерения амплитуды возбуждаемых продольных волн прч использовании различных покрытий. Так, прозрачное стекло увеличило амплитуду сигналв в 5,5 раз, слой воды - в 10 и более раз, пленка полиэтилена с маслом - в 15,3 раза н т.д. При некоторых покрытиях амплитуда сигнала возрастала в 100 и более раз. Выполненные измерения показали, что амплитуды сигналов в мишенях, расположенных в воде, при увеличении интенсивности света возрастают нелинейно только при высокой плотности мощности лазерного излучения. Направленность сигналов соответствует испарительному режиму вне зависимости от плотности мощности света. Изучение физической природы генерации звука при наличии покрытий показало, что основной причиной увеличения амплитуды звука является микровзрыв, возникающий на границе мишеней вследствие испарения вещества в ограниченном объеме. Эффект усиления звуха с помощью покрытий может широко использоваться для получения особо мощного ультразвука или снижения мощности лазерного источника для УЗК.

Раздел 4 посвящен описанию особенностей рассеяния произвольно поляризованных акустических импульсных сигналов от сосредоточенных источников границей твердого тела.Решение данной задачи необходимо для определения закономерностей образования топограммы поверхностных смещений изделий под действием пацаю-юдих на них акустических сигналов, отраженных дефектами. Это дает возможность правильно оценивать акустическую ситуацию в изделиях при использовании контактных и неконтактных (в том

пульса возрастает на величину

числе лазерных) методов ггоиема информации, а также более точно описывать акустический трахт дефектоскопов при разнесенной излучении - приеме сигналов. Кроне того, решение данной задачи позволяет находить тензоры Грина, использование которых существенно уменьшает трудности при решении задач излучения п приема произвольных импульсных сигналов в твердых телах.

Изучаются рассеянные продольные и поперечные волны, а также зарождающиеся гтоп рассеянии рэлеевские. головные, неоднородные и конусные иолны при использовании сосредоточенных источников продольной и ЗУ , ¿Н -поперечной поляризация. Получены решения для всех указанных типов волн при произвольной временной форме гсшульсных сигналов, топограммы поверхностных смещений тел при падении на них указанных сигналов. Аналитические и численные результаты находятся при произвольной глубине расположения источников для импульсов, временная форма которых соответву-ет сигналил, используемым при УЗК изделий.

Показано, что трансформация волн и возбуждение рэлеевских, головных, неоднородных, конусных волн возникают только при использования источников продольных и -поляризованных поперечных волн. У источников ¿И -поляризованных волн изменения поляризации рассеянных волн, образования каких-либо других типов

волн не происходит.

Рассмотрим физические особенности рассеяния п трансформации волн при падении на границу твердого тела коротких импульсных сигналов от сосредоточенных р или Ж -поляризованных источников, рис. б

О

Рис.6

Первоначально фронт сферической волны от источника достигает границы тела в точке О , непосредственно расположенной над источником. Далее, по мере продвижения фронта падащей волны, геометрическое место точек ее контакта с поверхностью в виде окружности с центром в точке 0 начинает перемещаться вдоль границы твердого тела. Скорость перемещения этого фронта по границе С^ зависит от угла падения волны , С^ - С^тй , где ^ для источника продольных волн, С для источника поперечных волн. Таким образом, по мере уве^&чения угла ^ или, что то же самое, радиуса окружности, определяющей деформацию поверхности изделия под действием падающих от источника ккпульсных акустических сигналов, скорость Сгр последовательно принимает все зна-

_ о '

чения от 0 до .

Степеньтраинформации продольных волн в пгперечные и наоборот существенно зависит от величины СГр . В частности, при С^* О эта трансформация отсутствует. Если Сгр становится равной С^ , возбуждается рэлеевская волна, при Сг = ¿^ (если ^ ) возбуждается головная волна. То есть источники рэлеевских и головных волн, возбуждаемых падащей волной, располагаются на окружностях определенного радиуса на поверхности изделий. Величины этих радиусов определяются параметрами твердого тела и глубиной 2.о источника. Так, для источников продольных во^н эти радиусы находятся из выражений: гй= ■1 » /¿г у ¿.^ , где

/77 = • Р-• В случае источников ^-поляризованных поперечных волн рэлеевские^и головные волны вс^буждаются на окружностях радиусов /^гу==== . ^ур^'Г * этом амплитуды смещений поверхности, создаваемые ралеевской волной, а также вблизи окружности возбуждения головной волны существенно больше смещений, вызываемых прямой волной, падающей от источника. При малых £0 амплитуда указанных волн близки к тем, которые возбуждаются сосредоточенными поверхностными источниками. После возбуждения головные и рэлеевские волны распространяются самостоятельно со скоростями С^ и и уте не зависят от падащей волна. При этом,чем короче длительность акустического сигнала источника, тем сильнее ослабление указанных поверхностных волн. Вертикальная составляющая поверхностных смещений волны Релея зависит только от убывающей части импульсного сигнала источника, а горизонтальная - только от нарастающей, передней части импуль-ь са. У источников ¿У -поляризации наблюдается обратная зависимость.

Кроме описанных, источник ¿V -поляризованных поперечных волн возбуждает волны конусного типа. Радиус окружности, на которой они зарождаются, находится из выражения Гц- — Свойства этих волн аналогичны таковым при излучении Сигналов поверхностными источниками. Начиная с окружности радиуса , при падении ЗУ -поляризованных сигналов поязляются продольно поляризованные неоднородные волны ( , >,

оС. - угол излучения продольных волн, ^ - рассеяния поперечных волн /2/). Неоднородные волны распространяются со скоростью от 0 до С вдоль границы, быстро убывая с глубиной и расстоянием.

Изучение особенностей рассеяния сигналов от произвольно поляризованных сосредоточенных источников границей твердых тел позволило получить аналитические решения для тензоров Грина. Применение последних дает возможность вычислять поля излучения произвольных плоских поверхностных источников без решения соответствующих дифференциальных упрашений.

Для сигналов продольных и поперечных волн, излучаемых произвольно поляризованными источниками, получаем:

= —^Чзт Ф й. ^(х) / м(у * со) е

-¿а)Ь

'¿со

(5)

где индекс

/

принмает значения

V

или

н

в зависимости

от поляризации исследуемых волн, Ф

г или У в зависимости от поляризации по-

(7^ - напряжение акустических аслн,

б»/ - напряжение поверхностных источников, х - коордкна-

Индекс J' равен г?

верх^остных источников

&г</

та точки излучения, а £ -точки приема. » ^гу -

трансформанта Фурье источника. Я* - элементы тензора Грпна:

' £ V йг; йг\

,/ =

йе■

" Г }

О

0\ 0; ргсо5ы(рг-гб1л^).

(б)

: - 1 28 ••

ргБ и* 2сИ ¿м'Ы' .

сщ- соз$г^ .

где - угол наблюдения продольных волн, а / - поперечных волн; ¿(ы) и находятся из выражений (4).

Элементы с индексом У/ используются, если - Р~ , а У г -

Аналогично получаются решения и элемента тензора Грина для поверхностных волн Рэлея.

Разработанный метод решения динамических задач упругости твердых тел использован для теоретических исследований полей, излучаемых наклонными преобразователями при их импульсном возбуждении. Задача решается следующим образом. Полагается, что звуковой пучок, излучаемый прямым цилиндрическим преобразователем, падает со стороны призмы с углом при основании ^ на границу твердого тела. При решении принимается во внимание'ослабление сигнала при прохождении границы призма - контактная жидкость -изделие. Временная форма импульсного возбуждения соответствует используемой при УЗК. Вначале находится решение для нормальной составляющей поверхностных напряжений на изделии, создаваемой указакгь-у источником. Затем «то решение подставляется в выражение (5), используются элементы тензора Грина (б) и вычисляются соответствующие поверхностные интегралы для продольных, поперечных, рэлеевских и неоднородных волн, излучаемых наклонными преобразо-

,/г

Я, =

К-

я"---

г

вателями.

Частное решение /*я 0 соответствует поляк?, излучаемым прямыми преобразователями. Это позволило сравнить два решения одной и той же задачи, одно из которых получалось путем решения соответствующих дифференциальных уравнений (раздел 2). а другое - с помощью тензоров Грина. Результата решений оказались полностью идентичными, что является дополнительным свидетельством их справедливости.

В результате решения установлено, как различные волны, излучаемые наклонными преобразователями, зависят от угла призмы, материалов призга и изделия, размеров пьезопластины, Форш и длительности сигналов возбуждения. Как и следовало ожидать, маки-симумы излучения продольных волн наблюдаются, когда = ,

поперечных - - , где - скорость распространения

продольных волн в призме. Показано, что закономерности, характерные для излучаемых продольных и поперечных волн наклонными преобразователями, такие же, как и у прямых преобразователей, если отсчет углов наблюдения осуществлять относительно направления распространения максимумов амплитуды указанных волн в твердом теле. Установлены соответствующие количественные зависимости.

Показано, что излучение волн Р.элея в направлении, совпадающем с наклоном призмы, максимально по сравнен™ с излучением в обратном направлении, если угол наклона призмы равен 14°(оргстекло - углеродистая сталь), При этсм ширина лепестка излучения волны Рэлея по уровню 0,7 равна 7,1° и не зависит от размеров излучателя и длительности импульса.

Амплитуда возбуждаемых наклонным преобразователем неоднородных волн продольной поляризации максимальна при углах падения звука в твердое тело несколько больших первого критического (для призмы из оргстекла при излучении в углеродистую сталь этот угол равен в 29,3° при Гл-р/я 27'"1). Неоднородные волны распространяются вдоль границы твердого тела, ослабляясь пропорционально и экспоненциально затухая с глубиной. В литературе эти волны иногда называют головными или подповерхностными. Чем выше резонансная частота преобразователя , тем тоньше слой, внутри которого распространяется указанная неоднородная волна. Ее скорость зависит от угла падения волны со стороны призмы, максимум амплитуды соответствует скорости 0.94 С. Направленность излучения неоднородных волн примерно такая же, как и у поперечных волн.

Изложенный математический метод позволяет широко использовать вычислительную технику для расчета сигналов от произвольных источников в твердых телах. Однако численное вычисление поверхностных интегралов требует много времени. Для усовершенствования метода исследована возможность применения зон Френеля для изучения сигналов от произвольных источников импульсного типа. Из выражения (5) получено:

■ t/M-¿Awp

_ ( г-г°/ }s*ddrf F(r,!f)d!f (7)

f J У,(г)

функция F(f,y) описывает характер распределения сигналов по поверхности источника, /ТУ- производная по времени от временной формы сигнала. Параметр Г - радиус окружности, лежащей в плоскости источника, центр которой соответствует зениту точки наблюдения. Параметры Ус(г) и г', /""определяют границы источника. flj(<*J-flj è> . - соответствующие элемента тензора Грина, расстояние от геометрического центра источника до

точки наблюдения, dQ- угол его наклона относительно нормали к поверхности источника. га - расстояние от центра источника до центра окружности, описывающей зоны на поверхности источника.

Если длительность импульса £ , тогда сигналы, приходящие в момент i0-t- -^yÇ к наблюдателю, излучаются только областью источника, расположенной между радиусами /у и Л? , где

r/= Vf/io ^/Щ^ЩЯМ^Т^ • о?

всех друтх точек источника сигналы в этот момент времени к наблюдателю не поступает. При изменении времени ¿¿»области, оказывающие влияние на принимаемый сигнавл, последовательно пробегают всю поверхность источника.

Если производная импульса имеет положительную и отрицательную составляющие амплитуда, интервал Î* можно разбить на области, излучающие одновременно и положительные и отрицательные части сигналов. Суммирование кх в момент tc в точке наблюдения дивя искомый сигнал. Если сигнал является монохроматическим, вся поверхность источника разбивается на зоны, внутри каждой из которых амплитуды сигналов однозначны.

Применение указанного приема уменьшает время счета в 15-30

раз при существенном повышении его точности. Кроме того, это дает возможность объяснить многие закономерности излучения сигналов. В частности, определить блихнто зону излучения импульсных сигналов или расстояние, прп котором размета излучателя больсз одной зотш Фоепеля. Для круговых источников, например, блеткей

зоной излучения можно считать поле, еслх! 4 < ^

>0 ¿(è'Cf - as*o<а)

где а - радиус излучателя, <*а- направление на наблюдателя. В случае монохроматических сигналов fi- ^ ,

a*-JL'A

Л <

Л - г asLodg

ИЛИ с < tf-f/ь ~ 4- ПРИ ыо=0.

jt

Для наклонных преобразователей

а" - Fcf

У* - угол наклона характеристики излучения.

Видно, что пои увеличении Ыа радиус ближней зоны возрастает, пока ^С^ 7а31лс<0 . в противном случае задержка сигнала, вызванная излучением ближнего и дальнего края гсточняка, становится больше пространственной длительности сигнала п дальняя зона не формируется. В ближней зоне длительность шпульсов больше, чем в дальней.

В диссертации оценивалось так—о влияние, оказываемое поглощением импульсных сигналов прп распространении, а такте узпопо-лосностью приемников. Учет последнего обстоятельства необходим при анализе результатов измерений сигналов, возбуждаемых лазерами, поскольку приемники обычно являются узкополоскыми. Частотная характеристика приемного тракта описывалась гараненпем

' * и)га

р (ш)---

* 7 (Ог ~ 0>о +icocoa/a >

где Ы0 - круговая резонансная частота приемника, Q - его добротность.

ГЬи оценке поглощения импульсного сигнала при распространении полагалось, что это ослабление в основном вызвано рассеянием сигналов на микрокристаллах. При этой предложена следующая эмпирическая формула, справедливая в широком диапазоне частот:

(8)

где - коэффициент ослабления сигнала = ^^/лЪ . 1) -средний размер микрокристалла, характерный коэффициент

поглощения для данного материала (находится с помощью (8) путем измерения коэффициента поглощения в изучаемом материале на произвольней частоте).

Сравнение результатов, полученных с помощью формулы (8), с имеющимися экспериментальными данными показало, что несовпадение значений для разных материалов на различных частотах не превосходит Ъ*-. Заметим, однако, что при наличии существенного разброса размеров микрокристаллов, анизотропии их формы это несовпадение увеличивается. Установлены аналитические решения, позволяющие с пом-щыо выражений (5)-(8) учитывать влияние поглощения и узкополосности приемных систем на параметры наблюдаемых импульсов. В частности, установить характер влияния этих обстоятельств на дли-ельность, форму импульсных сигналов, направленность их излучения, спектральную плотность сигналов.

Как и следовало ожидать при переходных процессах, импульсный си-нал после приема узкополосной системой представляет собой суперпозицию двух сигналов, один из которых определяется параметрами вынуждающей силы. т.е. падающим импульсом, а другой -собственными колебаниями приемной системы. Разность фаз этих сигнал~в зависит от длительности падающего импульсного сигнала, рез-нансн*й час-ты и добротности приемной системы, шероховатости поверхности, а также -т коэффициента поглощения и размера мгкрэкристаллов С~огн-!гение ампгитуд собственных и вынужденных колебаний зависит от параметра и)цо , где собственная

частота приемника, а <Г-- длительность падающего импульсного

сигнала. Добротность приемной системы, как обычно, определяет длительность колебательного процесса.

Направленнос Го прнемн-й системы определяется тем, у какого из импульсов амплитуда оказывается выше при данном угле наблюдения. Если амплитуда вынужденных колебаний оказывается выше, чем

собственных, тогда направленность гтргема «я.-- зависит ?-» частота и узкопплосности гтриемчтка. В противном случае направленность определяется резонансной частотой приемника.

Ослабление сигналов при распространении в материале приводит к тому, что их высокочастотные сссавлятл^ие ослабляются сильнее, чем низкочастотные. В результате принимаемый сигнал оказывается более низкочастотным и узкоп"л?снчм, чем излученный. Отсюда искажается временная форма импульсного сигнала, у него появляются колебательные составляйте. Чем выге поглощение и бзлыге размеры микрокристаллов, проходимое сигналом расстояние, тем выте искажение импульсов.

С помощью полученных формул был осучесвлен расчет направленности излучения продольных и поперечных в~лн, возбуждаемых многомодовым лазером с коррекцией мод, позволившей получать равномерную засветку в плоскости лазерного пучка. Такая корректировка выполнена у разработанчого лазера ЛШ-600. Установлено, что у таких лазеров по сравнению с опномодовыми направленность излучения продольных волн несколько уже, а у поперечных волн ~на практически не меняется. Соотношение между амплитудами продольных и поперечных возбуждаемых волн у таких многтмздовых лазеров 'казалась вьгае, чем у одномодовых.

Раздел,5 посвящен описанию особенностей конструирования ла-зерно-ультразвуковой иммерсионной установки "3X0-2" пля контроля шайб. В этой установке реализуются основные научные результата, полученные в предыдущих разделах диссертации.

Одной из наиболее часто встречающихся аварий самолетных двигателей является разрушение дисков турбин и компрессоров в процессе эксплуатации. При этом, как правило, гибнут и самолеты, и люди. В этой связи проблема неряэрутлающего контроля дисков является актуальной.

3 настоящее время большая часть дисков изготавливается из титановых сплавов ВТ-8, ВТ-9, ЕТ-22 и ВТЗ-1. Наиболее часто встречающиеся в них дефекты вызваны химической и с-рук"урной неоднородностью материала, включением в него нерасллачппплхся ту1 оплавких эгементов (обычно молибден, ниобий или вольфрам), деформационными дефектами, трещинами, газонасыщенными включениями, прежде все^о нитридом титана. Большая часть указанных дефектов обнаруживается только ультразвуком.

Сейчас гайбы и диски из них контролируются на специальных

автоматизированных установках типа УКЗЯ, Сплав 2-Д, Spery ■ • и др. Контроль осуществляется водоиммерсионным способом методом эхо-локации прямыми и наклонными преобразователями на частотах 3-5 МГц. Шайбы (диски) помещаются на специальный вращающийся ст"л, преобразователи перемещаются вдоль радиуса детали. Контроль вначале осуществляется с одной стороны шайбы, а затем, после переворота, с другой. Результаты контроля обрабатываются и заносятся на специальную бумагу. Поверхность контроля тщательно полируется, при этом мертвая зона контроля достигает 5-7 мм с каждой стороны шайбы. Производительность контроля - до I часа на шайбу.

Характеристика объектов контроля:

- тела вращения с постоянным сечением диаметром от 250 до 1000 мм;

- высота изделий - от 7 до 120 мм;

- масса - до 150 кг;

- чистота поверхности - необработанная после ковки, ^80.

Актуальной является проблема повышения чувствительности

контроля и надежности обнаружения дефектов при уменьшении мертвой зоны и увеличении производительности, а также осуществление контроля без специальной обработки поверхности шайб.

Решить эти проблемы призвана разработанная опытно-промышленная установка "ЭХ0-2". В ней использовано лазерное возбуждение акустических сигналов с последующим приемом информации через воду пьезоэлектрическими преобразователями. Для установки разработан и изготовлен специальный высокорэсурсный твердотельный высокостабильный технологический лазер со специальной пространственной формой многомодового излучения ЛШ-600. В лазере предусмотрены виброзащита, пылевлагозащита оптики, меры против ра.тьгстировкн при замене элементов, блочная смена увлов при их выходе ия строя и т.д. Это позволяет использовать лазер ЛПМ-600 в условиях производства сравнительно низкоквалифицированным персоналом. Предусмотрены меры существенного повышения ресурса лазера.

Схема опто-акустического канала установки "3X0-2" показана на рис.7. Здесь I - контролируемая деталь, 2 - падающий на ее поверхность лазерный луч, 3 - верхняя и нижняя семиканалыгые

акустические приемные системы, вид сверху на которые показан на схеме А. Лазерные импульсы подаются на поверхность объекта

контроля нег!-"ге1гтвенно п_д цента.-ьнкй пгиемник. Верхняя и нижняя приемные систем гас л'.-а"ают-ср сичметиччо друг лт-носи-е льно -груа и кснт-ролигуем-й педали. Верхняя гитема работает в режиме эхо-локации, а нижняя - в режиме эхо-сквозного контроля. Одновременное использование двух методов существенно повитает достоверность, выравнивает чувствительность приемной системы т глубине изделия и увеличивает производительность контроля, т.к. исчезает потребность в манипулировании изделий при контроле с разных сторон. Центральные преобразователи служат прежде всего для контроля пртгверхнееп/ой зоны изделия и дефектов, плоскость которых параллельна поверхности изделия. Периферийные преобразователи служат в основном для повышения достоверности контроля в центральной части изделия я обнаружения наклонных трещин. Предусмотрено также использование теневого метода контроля для обнаружения газонасыпенных включений. Последние сабо птра»ают звуковые импульсы, но хорошо их поглощают.

Для установки "ЭХО-2" разработаны и изготовлены специальное высокочувствительные широкополосные преобразователи на базе пьй*- , зопленкя из Р\'дР с полосой частот по уровню 0.5 от I до 15 МГц и специальные широкополосные малощумящие помехозащтгщенЯЫб предуг.штихели, помещенные в один корпус с пьезопреобразоватеЛЯ» ми. Это дало возможность существенно повысить чувствительное^ контроля.

Амплитуда структурных шумов, как известно, пропорциональна длительности акустических импульсов. Лазерный сигнал длительностью 12 не позволяет возбуждать мощные короткие акустические ейг-налы и сравнительно низкий структурный пум. Это преимущество I однако, трудно реализовать при использовании обычных пьезокбра-мических приемников. Разработанные пленочные пьезопреобразоййте-ли позволили решить эту проблему. Существенное преимущество ус-

йоОГ3

Рис.7

тановки"ЭХ0-2" по сравнению с другими установками соответствующего'функционального назначения дает яспольз-вание эхо-сквозного метода контроля, при котором соотношение сигнал/помеха оказались примерно на 10 дб выше, чем у вхо-мзтода.

Осуществлена теорзтако-эксперимснтальная отработка лазерно-ультразвукового тракта возбуждения сигналов в установке. Оптимизированы размеры лазерного луча, плотность мощности лазерного излучения для получения наилучшего соотношения сигнал/структур-кый шум. необходимой направленности акустических сигналов для уверенного обнаружения дефектов в выбранной области обзора на любой глубине изделий при налички шероховатости их поверхности.

Для оптимизации акустического тоакта приема информации была решена специальная задача по работе преобразователя, помешенного в В"ду при падении на него сигналов, рассекших на дефектах в твердом теле. При расчете принимались во внимание реальная временная форма и пространственное распределение лазерных импульсов ЛШ-600, элкпсоидность светового пятна на поверхности изделия, ее шероховатость, поглощение акустических сигналов леи распространении в титановых сплавах, особенности трансформации и ослабления сигналов при прохождении через гсаницу поверхность тела -вопа, конфигурация всей системы кэ семи преобразователей, размера, расстояние между центрами, наклон периферийных преобразователей. их добротность и резонансная частота. Дефекты считались иальчги. Это дало возможность иатеиаткчески оптимизировать все параметры оптоакустической системы установки, позволило бэз проведения дорогостоящего и грубого натурного эксперимента построить нукный акустический тракт.

Уногоканальность приема сигналов позволила экономить ресурс лазера без снижения надеотости контроля, а также использовать специальные методы статистической обработки информации. Так, сигналы от каждого из каналов акустической системы поело прёдусили-теля и пикового детектора подаются на АЦП и микропроцессор, в которой осуществляется предварительная обработка информации. Далее информация поступает на ЭШ и осуществляется ее окончательная обработка. Управление работой и контроль всей системы в целом также осуществляется ЭШ. Результате контроля запоминаются на дискете и отображаются на графопостроителе.

Механическая система "ЭХО-2" состоит из бассейна, специаль--кого стстойника для воды, системы закрепления, перемещения и

вращения детали с возможностью доступа к ее поверхности со стороны акустических преобразователей во время контроля. Весь процесс рабо"ы установки автоматизирован. В настоящее время завершены НИР и ОКР по установке, начато ее промышленное изготовление.

На рис.8 представлено отношение сигнал/тум для плоскодонного отражателя диаметром 1,5 мм, расположенного на различной глубине шаблонов из титанового сплава, измеренные с помощью установки Сплав 2-Д (I). я "а центральном преобразователе диаметром 8 км установки "3X0-2", работающем в режиме ЭХО-локации (2).

Яс/Яа

3О

25 20 /О 5"

дБ

// __^

/ N

1 '

| 1 -

мч

О Ю 20 30 цО 50 бО 70 80

"по о <5ни

Рис.8

№

ЙРй _ диаграмма п чувствительность всей установки в целом бутут определены после ее изготовления п испытания.

По результатам отработки всех узлов установки определены

следующие ее качества:

I. Чувствительность контроля - на 5-15 дб выше, чей у установок, используемых для той же цели.

2 Мертвая зона контроля - не выше 1-1.5 мм; при зтоы не требуется какой-либо специальной обработки поверхности изделий.

3. Время контроля одкой шайбы - но более 20 мин.

4. Экономическая эффективность эксплуатации установки "ЭХ0-2" определяется снижением мертвой 301-21, отсутствием необходимости специальной обработки поверхности изделий, повыпеня-ем производительности контроля. Эта эффективность у Заказчика составляет не менее 1,6 миллионов руб. в год.

Данная установка является базовой и после необходимой ио-

дернизации может использоваться для автоматизированного кон-роля других изделий и других материалов.

ОСНОВШЕ ШВО.ЦЫ И РЕЗШЛШ

В представленной диссертационной работе ложно выделить следующие наиболее важные теоретические и экспериментальные результаты:

1. Физически обосновано и экспериментально доказано существование трех интервалов (зон) плотности мощности лазерного излучения, внутри каждого из которых возбуждение звука в основной определяется термоупругостью, испарением или детонацией. В первом из них, с низкой интенсивностью светового потока, источник является подповерхностным, во втором - поверхностным, а в третьем сочетаются и поверхностный и надповерхностный источники.. Интенсивности, соответствующие границам зон, зависят от вида мишеней, состояния их поверхности,длины волны и длительности импульсов лазерного излучения; для каждого лазера и конкретного материала определяются экспериментально.

2. При термоупругом режиме возбуждения звука лазерами и использовании сферической оптики максимум излучения продольных ^ волн располагается в интервале углов наблюдения от - агсз^-р— до , где С и С^ - скорости продольных и поперечных волн. Максимум излучения поперечных волн находится между углами О и

с£ 0 , амплитуды возбуждаемых продольных и поперечных волн соизмеримы. Направленность излучения акустических сигналов при, термоупругом возбуждении не зависит ни от размеров светового пятна, ни от его модовой структуры, ни от формы и длительности импульсов.

3. Использование цилиндрической оптики позволяет возбуждать лазерами акустические сигналы, максимум направленности которых

в плоскости, параллельной образующей линзы, располагается на нормали к поверхности изделий, а в перепендикулярной указанной плоскости направленность'излучения такая же, как и при использовании сферической оптики.

4. Одновременное применение цилиндрической оптики и движения лазерного луча в направлении, перпендикулярном образующей линзы, позволяет сформировать однолепестковую узкую диаграмму направленности излучения продольных и поперечных волн при термо-

упругом возбуждении звука. При этом длительность акустических импульсов в направлении движения убывает, достигая нуля в конусе Маха и увеличивается в противоположном направлении. Соответственно изменяется и спектральная плотность акустических сигналов. Амплитуды сигналов растут в направлении движения и убывают в обратном направлении. Максимум возбуждаемых волн в термоупру-гоы режиме при увеличении скорости луча приближается к нормальному углу наблюдения.

5. При испарительном режиме возбуждения звуковых импульсов лазерами максимум излучения продольных волн соответствует нормальному углу излучения, ман^влум поперечных волн располагается в пределах углов от ^до 7 . Амплитуды поперечных волн существенно меньше продольных. Диаграммы излучения продольных волн тем уже, чем больше размер светового пятна и меньше длительность импульса. При падении света под косыми углами направленность излучения меняется только из-за изменения размера и формы светового пятна. Чем больше диаметр светового пятна на поверхности мишени и меньше длительность импульса, тем меньше амплитуды возбуждаемых волн Рэлея. При использовании лазера 0ГМ-20 и стальной мишени максимум коэффициента преобразования света в звук составляет для продольных волн 1,8.10"^,.а для поперечных - 6,5.10""^.

6. Амплитуда сигналов, возбуждаемых лазерами в мишенях с статистически шероховатой поверхностью, слабо зависит от величины шероховатости. Направленность излучаемых волн при этом становится ттере, а эквивалентная длительность импульсов - равной

вого импульса, и - дисперсия амплитуды шероховатости.

7. При реализации детонационного режима возбуждения звука лазерами акустические сигналы становятся двойными. При этом первый импульс соответствует волне, возбуждаемой испаряющимся паровым потоком из мишени, а второй - волне детонации, появляющейся вследствие ионизации пара под действием падающего и отраженного от мишени светового потока. Если длительность светового импульса велика (практически больше 30-40 не), в детонационном режиме возбуждения звука возникает экранировка мишени плазмой. При этом увеличение напряжения звуковых импульсов с ростам интенсивности светового потока прекращается. Типы возбуждаемых волн и направленность их излучения здесь такие же, как при испарительном режиме возбуждения.

8. Наличие светопрозрачных жидких или твердых слоев на по-

, где Т0- длительность падающего свето-

верхности мишени ведет к значительному (в десять и более раз) увеличению амплитуды возбуждаемых лазерами акустических сигналов прежде всего потому, что микровзрыв границы под действием лазерных импульсов здесь осуществляется не на свободной поверхности мигени, а внутри объема, образованного слоями. Соотношение между продольными и поперечными волнами, направленность излучения такая же, как при испарительном режиме. Зависимость амплитуды акустических сигналов от плотности мощности лазерного излучения может быть близкой к линейной. Направленность излучения, харак-тернас для мтпеней со свободной границей при низкой интенсивности света (термоупругий механизм), здесь не наблюдается.

9. Разработана математическая теория изучения нестационарных акустических сигналов, излучаемых произвольными осесимметрич-ными поверхностными источниками в твердые тела. В частности, показано, что вертикально или радиально поляризованные прямые преобразователи одновременно излучают (принимают) все типы волн, которые распространяются в твердых телах: продольные, поперечные, неоднородные, конусные, головные и рэлеевские. Поверхностный источник (приемник) вихревых напряжений излучает (принимает) только 5/У-поляризованную поперечную волну.

10. При излучении прямыми преобразователями волн, наблюдаемых под углами, отличными от нормального, сигналы разделяются

на два импульса. Причем, первый импульс приходит от ближней кромки преобразователя, а второй - от его дальней кромки в противогазе с первым импульсом. Максимум спектральной плотност сигналов, наблюдаемых под косыми углами, смещается в область более низких частот.

11. При падении сигналов от сосредоточенных источников продольной и 5У -поляризованной поперечной волн (рассеиваемых дефектами малых размеров) на плоскую границу тел возбуждаются все возможные типы колебаний. Если сигналы излучаются -поляризованными вихревыми источниками, поляризация отраженных сигналов сохраняется. Источники возбуждаемых при падении на границу рзле-евских, головных, конусных и неоднородных волн располагаются на поверхности и имеют вид окружностей, центр которых находится в точке зенита источника, а радиусы зависят от характера поляризации источника, глубины его расположения Е0 и параметров твердого тела. Амплитуды головных и рэлеевских волн вблизи окружностей, где они зарождаются, значительно выше амплитуды волн, непосредственно падающих от источников. Чем короче акустический

сигнал, тем сильнее ослабляются при распространении указанные волны. '

12. Разработан математический аппарат и получены аналитшес-кие выражения для элементов тензоров Грина, с помощью которых можно последовательно изучать продольные, поперечные и рзлеевские волны, излучаемые произвольно поляризованными поверхностными излучателями импульсных сигналов в твердые тела без решения дифференциальных уравнений путем простого вычисления интегралов по поверхности источников. Составлены соответствующие программы для ЭВМ.

1 13. Направленность излучения волн Ралег наклонными преобразователями максимальна при углзх падения звука 14° (оргстекло-углеродистая сталь) я составляет 7,1° по уровню 0,7. Она не зависит от размеров излучателя и длительности импульсов. Амплитуда квазиодяородной волны максимальна для наклонных преобразователей прп Гхрр 27°» когда скорость ее распространения равна 0,94 от скорости продольных волн, а угол падения звука равен 2?,3Э. Направленность излучения их такая же, как у поперечных волн.

14. Разработан метод, позволяющий с помощью зон Френеля я тензоров Гряна для импульсных сигналов существенно уменьшить (в 15-30 раз) расчетное время при вычислении полей излучения различных источников с одновременным увеличением точности расчетов.

15. Предложена эмпирическая формула для коэффициента ослабления звука при распространении, вызываемого рассеянием его на не однородно с тях структуры материалов Ы. =<Л0 | 0,43 +

+где / - частота звука, - резонансная частота микрокристаллов, / = , 3 - диаметр микрокристаллов, Сд - коэффициент, определяемый при экспериментальном измерении на какой-то частоте.

16. Определено влияние рассеяния звука структурой материала, а также узкополосности приемной системы на сигналы, наблюдаемые прп возбуждении их лазерами. Установлено, что при приеме сигналов узкополосными приемниками наблюдаемый сигнал представляет суперпозицию двух сигналов, один из которых определяется падающим импульсом, а другой - собственными колебаниями приемника. Соотношение между амплитудами первого п второго сигналов тем меньше,

чем больше произведение , где и.1 - собственная частота.

О о

Разность фаз мевду ними определяется и)а , добротностью приемника, длительностью импульса и коэффициентом затухания звука. Получены соответствующие аналитические решения. Направленность при-

ема определяется те«, амплитуда какого нз указанных сигналов выпе при данном угле наблюдения. Затухание сигнала при распространении делает его более уэкополосныы и низкочастотным, установлен характер этой зависимости.

17. Разработана конструкция не имеющей аналогов автоматизированной установки лазерно-иммерсионного ультразвукового контроля шайб из титановых сплавов "ЭХО-2". Установка позволяет осуществлять высокопроизводительный контроль изделий с необработанной поверхностью, малой мертвой зоной и высокой чувствительностью. V

Таким образом, сформировано научно обоснованное техническое решение, внедрение которого вносит значительный вклад в ускорение научно-технического прогресса, включающее в себя установление особенностей возбуждения звука лазерами применительно к практике ультразвукового контроля и определение закономерностей формирования всех типов волн при импульсном излучении прямыми и наклонными преобразователями в твердые тела. Это позволило выработать практические рекомендации по повышению чувствительности и надежности ультразвукового контроля при пьезоэлектрическом и лазерном возбуждении звука, а также разработать не имеющую аналогов установку лазерно-ультразвукового контроля.

Список трудов

Т. Щевьев D.H., Чабанов В.Е. Некоторые вог:о~сы "иат-н^стики ».п-териапов акустическими метода'-и. - Л.: ЛГУ, 1977. - 148 с.

2. Чабанов З.Е. Лазерный ультазвук~з~й к-нтр~ль ма-егиа.—в. - Л.: ЛГУ." 1986. - 242 с.

3. Клтокин И.И., Чабанов В.Е. Дифракция звука на плоской ге^етсе цилкндр--в//Акуедич.яусн. - 1974. - т.£С - Ггг F. - г <74281.

4. Чабанов В Е ТСёвьер D П. Дифракция звуковых волн на уггру-говязком цилиндре, расположенном в уттруговязкой о-у^-^ной изотропной среде//Владивосток. Сб."Акустические методы и средства исследования океана". - 1974. - С.133-137.

5. Чабачов В.Е., Щевьев Г.П., Дубовик Л.Я. Дифракция звука на цилиндрической поверхности большего размера, расположенной в упругой среде//Прикладкая механика. А.Н.УССР. - 1976. -Т.ХП, вып.1. - С.27-34.

6. Чабаноэ В.Е., Руэанова Н.С., ТЧйе В.Г. Дифракция звука на импедансных цилиндрах больт^тх волновых размеров//Акуст. этфн. - 1979. Т.25. - Вып.5. - С.187-194.

7. Чабанов В.Е., Чабанова Л.А. Исследование характеристики акустических сигналов, возбуждаемых импульсным излучателем поршевого типа//Труди ЛКИ - 1979. вып.26. - Т.З. - С. 5359.

0. Чабанов В.Е., Закутаев И.Л. Использование импульсного лазерного излучения при ультразвуковом контроле материалов и ия-делий//5ундаментальтае и поисковые исследования в интересах обороны страны. - 1983. - Вып.2. - с.38-45.

9. Чабанов В.Е. Зависимость спектральных характеристик акустических сигналов, возбуждаемых импульсами ОКГ, от параметров светового импульса и геометрии эксперимента//Сб.Всесоюзн. научно-технич.конф^ Применение лазеров в науке и технике, Ленинград. - 1980. - с.51.

10. Чабанов В.Е. Характеристики акустических сигналов, возбуждаемых в упругом теле импульса»™ лазерного излучения//Тезi ху докл.У! Всесопзн.конф.по нерезонансному взаимодействия оптического излучения с веществом. Паланга. - 1984. - с.436-437.

11. Чабанов В.Е. Влиякие шероховатости поверхности на характе-

рисп-.ки акустических сигналов, возбуждаемых импульсчми ОКГ// Тезисы докл.У1 Всесоюзн.конф.по нерезонансному взаимодействии оптического излучения с веществом, Паланга. - 1984. -С.438-439.

12. Авт.свид..^ 3291925, СССР. Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь, Заявитель - ВТУЗ при ПОТ "ЛИЗ", авторы

В.Е.Чабанов, В.П.Стр.-пин. ЫКИ 601 п2Э/00.

13. Авт.свкд.¥ 1249437, СССР. Устройтсвз -определения коэффициента анизотропии механических свойств матергалов. Заявитель

- ВТУЗ той ПОТ ВЛМЗ"; авторы В.Е.Чабанов, М.А.Мартынов и др. 1№ 001 29/00.

14. Чабанов В.Е. Виды и параметры акустическпх сигналов, тгелу-чаемых прямыми осесимметричными преобразователями в твердые тела//Сб.докл.Всесэюзн.научно-техн.конф. Методы и средства повышения информативности и достоверности результатов ультразвуковой дефектоскопии сварных металлоконструкций. Л. -1939. - С.96-98.

15. Бирюкова Н.П., Чабанов В.Е., Богородский Н.Г. и др. Исследование эффективности применения импульсно-периодичесгих СО2 -лазеров пля дефектоскопии металлов//Дефектоскопия.

- 1990. - 3. - с.51-57.

16. Авт.свид.и-4241773/25-28, СССР. Способ бесконтактной регистрации ультразвуковых колебаний поверхности тел, интерферо-ме-р гля его осуществления и жидкокристаллический элемент для интерферометра. ^а?вктель - КЮПМ, авторы: В.Е.Чабанов, И.П.Еирюк-ва и др. ?.ЯИ 601 к 29/00.

17. В.Е.Чабачов. Спектральные характеристики акустических сигна-лв, возбуждаемых импульсами лазеров в судостроительных ма-тегиалах//Тезиеы докл.У Всесоюзной конференции "Технические средства изучения и освоения океана". - вып.2. - С.33.

18. Хамчиткин З.А., Бирюкова И.П., Чабанов В.Е. Исследование пригодности импульсного твердотельного лазера на основе АИГ: Лгс1для целей лазерного ультразвукового контроля метал-лов/Л^ефек-оок-пи», 1990. - м II. - С.21-27.