pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2016-7-3-124-125pimi-272Research ArticleМетоды измерений, контроля, диагностикиMethods of measurements, monitoring, diagnosticsОСОБЕННОСТИ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ С ПОМОЩЬЮ ИМПУЛЬСНО-ЛАЗЕРНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ УПРУГИХ ВОЛНPECULIARITIES OF THE SURFACE FLAW DETECTION BY ELASTIC WAVES SIMULATED BY PULSE-LASER RADIATIONБаевА. Р.BаеvА. R.

Адрес для переписки: Баев А.Р. – Институт прикладной физики НАН Беларуси, ул. Академическая, 16, 220072, г. Минск, Беларусь   e-mail: baev@iaph.bas-net.by

baev@iaph.bas-net.byМитьковецА. И.МitkovetsA. I.КостюкД. А.КоstiukD. AКоноваловГ. Е.KonovalovG. E.Институт прикладной физики НАН БеларусиБеларусьInstitute of Applied Physics of the NAS of BelarusBelarusИнститут физики НАН БеларусиБеларусьInstitute of Physics of the NAS of BelarusBelarusБрестский государственный технический университетБеларусьBrest State Technical UniversityBelarus20160712201673286295Copyright © Баев А.Р., Митьковец А.И., Костюк Д.А., Коновалов Г.Е., 20162016Баев А.Р., Митьковец А.И., Костюк Д.А., Коновалов Г.Е.Bаеv А.R., Мitkovets A.I., Коstiuk D.A., Konovalov G.E.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/272

Использование импульсно-лазерного возбуждения поверхностных волн и приема их пьезоэлектрическими контактными преобразователями перспективно для обнаружения поверхностных дефектов. Цель данной работы состояла в выявлении оптимальных условий обнаружения реальных усталостных трещин микронных размеров и поверхностных пор при пересечении движущимся пятном лазерного луча дефектной области. Объектом исследований служили металлические образцы с шириной раскрытия устья усталостных трещин от 8 до 0,5 мкм и глубиной от 400–500 мкм до приблизительно 200 мкм. Цилиндрическое отверстии диаметром 1 мм использовалось в качестве модели поры. Экспериментальная установка для исследований содержит источник импульсно-лазерного излучения с длиной волны 1,06 мкм и длительностью приблизительно 20 нс. На выходе лазера установлено устройство регулирования размеров пятна лазерного луча в виде длинной полосы и круга. Акустические сигналы, возбуждаемые в результате термического нагрева поверхности образца лазерным импульсом, принимались наклонным преобразователем с рабочей частотой 2,7 МГц. Далее сигнал для обработки поступал на осциллоскоп «Spectronic» TDS 3052В. Изучены закономерности изменения амплитуды и формы импульсов акустических волн в зависимости от координаты положения и геометрии пятна лазерного луча. Установлено, что оптимальные условия выявления дефектов по амплитудному признаку имеют место при пересечении пятном лазерного луча как трещины, так и поры. В первом случае рост амплитуды сигнала составил 7–8 раз, что характерно для резонансного режима возбуждения волн. При этом отношение ширины пятна луча в виде длинной полосы к длине волны составило приблизительно 1,8–2,2 раза. Если же трещина имеет малое раскрытие (приблизительно 0,5 мкм), то наиболее информативным параметром является спектр акустического импульса или его форма – вступительная часть импульса. Таким образом, результаты исследований позволяют предложить новые возможности повышения надежности и чувствительности выявления поверхностных дефектов путем оптимизации геометрических параметров движущегося лазерного луча. 

Laser pulse simulation of the surface waves and its receiving by contact piezoelectric probes is perspective direction to detect surface defects. The aim of this work was to determine optimal conditions for detection of the real fatigue cracks of nearly microns width and surface pores by moving depending on the position of the center of a laser beam laser beam spot. The objects of research were metal specimens with crack’s width of 8 m up to 0,5 mm and depth ≈ 400– 500 mm up to ≈ 200 mm. Cylindrical hole by ≈ 1 mm diameter used as a model pore. An experimental installation used consisted of the pulse laser light emission source with laser wavelength of 1.06 m and laser pulse duration of ≈ 20 ns. An arrangement to adjust the laser beam spot geometry in the form of a long strip and a circle was applied. Surface waves were received by the 2.7 MHz frequency probe, and processed with use of a «Spectronic» TDS 3052B oscilloscope. The laws of acoustical signal amplitude and its form changes vs. the laser beam spot geometry and its position in regard to defect were determined. We discovered that optimal conditions for flaw detection took place when the laser beam spot moving trough the defect’s range – crack and pore. In the first case amplitude growth of the signal was up to 7–8 time – like as resonance conditions realized. And the ratio of the laser’s beam spot width (as long strip) to wave length were ≈ 1.8–2.2. The more informative parameter to find crack with small width (≈ 0.5mm) was the acoustical pulse spectrum or the pulse entrance part. Thus, the further increasing of the surface flaw detection may be realized by laser simulation of the surface waves controlling the form of the moving spot of laser beam. New possibilities to increase sensitivity and reliability of ultrasonic evaluation surfaces in objects with complicated profile and fare accessible places are to be arise.

импульсно-лазерное излучениеповерхностные волныпьезопреобразовательтрещинапораimpulse-laser radiationsurface wavesultrasound probecrackБелорусский республиканский фонд фундаментальных исследований (проект Т15- 163)Belarusian Republic Fond of Fundamental Researches (project № Т15-163)ReferencesГусев, В.Э. Лазерная оптоакустика / В.Э. Гусев, А.А. Карабутов. – М. : Наука, 1991. – 304 с.Gusev V.E., Каrabutov А.А. Lasernaya optoakustika [Laser optoacoustics]. Моsсow, Nauka Publ., 1991, 304 p. (in Russian).Xie, Z. Pure optical photoacoustic microscopy / Z. Xie [et al.] // Opt. Express. – 2011. – Vol. 19, no. 10. – P. 9027–9034.Xie Z., Chen S.L., Ling T., Guo L.J., Carson P.L., Wang X. Pure optical photoacoustic microscopy. Opt. Express, 2011, vol. 19, pp. 9027–9034. doi: org/10.1364/OE.19.009027Pouet, B. An Innovative Interferomeeterfor Industrial Laser Ultrasonic Inspection / B. Pouet, S. Breugnot // Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation. – Vol. 24B. – 2004. – P. 273–281.Pouet B., Breugnot S. An Innovative Interferometer for Industrial Laser Ultrasonic Inspection. Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, 2004, vol. 24B, pp. 273–281.doi: org/10.1063/1.1916688Hirose, S. Ultrasonic Inversion for Determining crack in a solid / S. Hirose // J. of The Faculty of Environmental Science and Technology. – 1997. – Vol. 2, no. 1. – P. 89–98.Hirose S. Ultrasonic Inversion for Determining crack in a solid. J. of The Faculty of Environmental Science and Technology, 1997, vol. 2, pp. 89–98.Krishnaswamy, S. Theory and Application of Laser-UltrasonicTechniques // Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation. – 2003. – Vol. 20A.– P. 436–492.Krishnaswamy Sridhar. Theory and Application of Laser-UltrasonicTechniques. Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, 2003, vol. 20A, pp. 436–492.Podymova, N.B. Broadband laser-ultrasonic spectroscopy for quantitative characterization of porosity effect on acoustic attenuation and phase velocity in CERP laminates / N.B. Podymova, A.A. Karabutov // J. of Nondestructive Evaluation, USA. – Vol 33, no. 1. – P. 141–150.Podymova N.B., Karabutov A.A. Broadband laserultrasonic spectroscopy for quantitative characterization of porosity effect on acoustic attenuation and phase velocity in CERP laminates. J. of Nondestructive Evaluation, 2005, vol. 33, pp. 141–150. doi:10.1007/s10921-013-0210-zСпособ оптоакустического контроля качества неразъемного соединения двух материалов : пат. на изобретение Респ. Беларусь G01N N 20111234 / А.Р. Баев, В.Г. Гуделев, А.И. Митьковец. – заявл. 09.2011; опубл. 30.08.2013.Bаеv А.R., Gudеlеv V.G., Мitscovets А.I. Sposob optoakusticheskogo kontrolia kаchestva nеrazjemnogo soedineniya dvukh materialov [Optoacoustic method of the materials contact quality evaluation]. Pat. RB, no. 20111234, 2011.Kolkman, R.G.M. Feasibility of noncontact piezoelectric detection of photoacoustic signals in tissue-mimicking phantoms / R.G.M. Kolkman [et al.] // J. Biomed Opt. – 2010. – Vol. 15, no. 5. – Р. 055011.Kolkman R.G.M., Blomme E., Cool T., Bilcke M., Leeuwen T.G. van, Steenbergen W., Grimbergen K.A., Heeten G.J. den. Feasibility of noncontact piezoelectric detection of photoacoustic signals in tissue-mimicking phantoms. J. Biomed. Opt, 2010, pp. 55–64. doi: 10.1117/1.3491113Викторов, И.А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах / И.А. Викторов. – М. : Наука, 1981. – 288 с.Viktorov I.A. Zvukovye poverkhnostnye volny v tverdykh telakh [Sound surface waves in solids]. Моsсow, Nauka Publ., 1981, 288 p. (in Russian).Baev, A.R. Formation of the Acoustical Field of a Rayleigh –Wave Transducer in an Object with a Protrusion Part II / A.R. Baev, M.V. Аsаdchaya, О.S. Sеrgееvа, G.E. Коnovalov // Applied Problems Russian Journal of Nondestructive Testing. – 2014. – No. 7. – P. 25–32.Baev A.R., Аsаdchaya M.V., Sеrgееvа О.S., Коnovalov G.E. Formation of the Acoustical Field of a Rayleigh Wave Transducer in an Object with a Protrusion, Part II. .Applied Problems. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2014, vol. 24, pp. 25–32. doi: 10.1134/S1061830914080038

The authors declare that there are no conflicts of interest present.