Устройство ультразвуковой инфракрасной термографии с фокусирующей акустической линзой
ULTRASONIC INFRARED THERMOGRAPHY DEVICE WITH FOCUSING ACOUSTIC LENS

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для неразрушающего контроля и обнаружения поверхностных и подповерхностных дефектов в авиакосмической промышленности, ядерной энергетике, автомобиле- и судостроении.
В микроэлектронике и в других отраслях промышленности существует постоянно растущая потребность в приборах, которые могут проверять и характеризовать устройства и структуры на различных этапах их обработки и изготовления. В частности, существует необходимость в неразрушающем контроле как поверхностных, так и подповерхностных дефектов, особенно в устройствах, которые по существу представляют собой многослойные структуры и полупроводниковые материалы.
В промышленности широко применяются новые конструкционные материалы, к которым, в частности, относятся современные композиционные материалы, отличающиеся высокой прочностью и технологичностью при малом удельном весе.
Поддержание структурной целостности определенных конструкций очень важно во многих областях из-за соображений безопасности, простоев, затрат и т.д. Потеря структурной целостности обычно вызвана дефектами материала, такими как трещины, отслоения, расслоения, коррозия, включения, пустоты и т.д., которые могут существовать в конструкции.
Например, в электроэнергетической отрасли очень важно наличие надежных методов проверки структурной целостности турбины генератора и связанного с ними баланса оборудования станции, чтобы гарантировать, что компоненты и системы не выйдут из строя во время эксплуатации. В авиационной промышленности очень важно наличие надежных методов для проверки структурной целостности обшивки воздушного судна и конструктивных компонентов воздушного судна, чтобы гарантировать, что воздушное судно не пострадает от разрушения конструкции во время полета. Структурная целостность лопаток и роторов турбин, а также головок цилиндров транспортных средств также важна в этих отраслях промышленности.
Известны устройства обнаружения дефектов в изделии контроля, использующие тепловизионное изображение изделия контроля для идентификации дефектов [В.П. Вавилов. Инфракрасная термография и тепловой контроль, ИД «Спектр», Москва, 2009, 545 с.].
Для тепловой стимуляции изделий контроля используются оптические методы, например, лампа-вспышка или тепловая пушка, а также СВЧ или акустическое излучения [Esmeralda Cuevas, Covadonga Garcia, Sergio Hernandez, Pablo Venegas; Tomás Gomez, Mar Canada. Non destructive testing for non cured composites: Air coupled Ultrasounds and Thermography // 5th International Symposium on NDT in Aerospace, 13-15th November 2013, Singapore].
При тепловой стимуляции изделие контроля поглощает тепло и испускает излучение в инфракрасном диапазоне длин волн. Определенные типы дефектов приводят к тому, что температура поверхности вокруг дефекта охлаждается с иной скоростью, чем температура поверхности окружающих областей. Тепловизионная или инфракрасная камера используется для получения изображения изделия контроля и обнаружения результирующих изменений температуры поверхности.
Хотя этот метод был успешным для обнаружения расслоений и коррозии, он обычно не является успешным для обнаружения вертикальных трещин в компоненте, то есть тех трещин, которые перпендикулярны поверхности компонента. Это связано с тем, что усталостная трещина выглядит как лезвие ножа для плоского теплового импульса, и поэтому от трещины не происходит отражения тепла или оно минимально, что затрудняет или делает невозможным ее просмотр на тепловом изображении.
Кроме того, недостатками оптической стимуляции изделий контроля являются низкий контраст температуры вследствие того, что нагреваются как дефектные, так и бездефектные зоны; низкая эффективность обнаружения глубинных дефектов, поскольку при этом требуется увеличивать поглощенную энергию, что влечет опасность перегрева изделия в конце действия теплового импульса.
Известен способ неразрушающего контроля изделий [А.С. (СССР) 337714, 879452, 1200675], основанный на определении дефектов по температурным градиентам на поверхности и под поверхностью изделия, созданных путем возбуждения в контролируемом объекте ультразвуковых колебаний.
Известно устройство неразрушающего контроля изделий [Patent US 6236049] состоящее из акустического источника излучения непосредственного контактирующего с исследуемым изделием контроля и бесконтактной тепловизионной камеры, направленной на изделие. При этом частота акустической стимуляции может находиться в пределах от звукового до ультразвукового диапазона. Аномалии теплового поля на термограмме могут свидетельствовать о наличии дефектов.
Известен способ и устройство неразрушающего контроля [Patent US 7057176] в котором устройство состоит из преобразователя, который передает акустический сигнал в контролируемое изделие и расположенного непосредственно на изделии контроля, в котором акустические волны вызывают нагрев дефектов и из бесконтактной тепловизионной камеры направленной на изделие для получения теплового изображения, создаваемого в материале в результате взаимодействия акустических волн с дефектами.
Известны устройства ультразвуковой инфракрасной термографии, например, [Homma C., Rothenfusser M., Baumann J., Shannon R., Study of the heat generation mechanism in acoustic thermography. In: Thompson DO, Chimenti DE, editors. Review of progress in quantitative nondestructive evaluation, Melville, NY: American Institute of Physics; V. 25. 2006. Р. 566 - 573; Chen J.C., Kephart J., Lick K., Riddell W.T. Crack growth induced by sonic IR inspection. Nondestructive Testing and Evaluation. V.22(2). 2007. Р. 83-92; Renshaw J., Holland S.D., Thompson R.B., Viscous material-filled synthetic defects for vibrothermography // NDT&E International. V. 42. 2009. Р. 753-756; Yibo Ai, Yingjie Zhang, Xingzhao Cao, and Weidong Zhang. A Defect Detection Method for the Surface of Metal Materials Based on an Adaptive Ultrasound Pulse Excitation Device and Infrared Thermal Imaging Technology // Hindawi Complexity Volume 2021, Article ID 8199013, 9 pages, https://doi.org/10.1155/2021/8199013], состоящие из акустического источника излучения непосредственно контактирующего с исследуемым изделием и бесконтактной тепловизионной камеры, направленной на изделие. В известных устройствах используется импульсное или непрерывное ультразвуковое излучение мощностью нескольких сотен Ватт.
В этих устройствах изделиями контроля были композиционные материалы (угле- и стеклопластики) и керамики, для которых продемонстрированы такие преимущества акустической стимуляции перед оптической симуляцией как селективность в отношении дефектов и эффективность использования энергии возбуждения.
Достоинством акустической стимуляции изделий контроля от оптической состоит в том, что звуковые и ультразвуковые колебания существенно повышают температуру только в зоне дефектов с «трущимися» краями, оставляя бездефектные зоны «холодными», что обеспечивает большее отношение сигнал/шум для дефекта.
Во всех известных устройствах ультразвуковой инфракрасной термографии с контактным способом ввода акустического излучения в изделие контроля используются иммерсионные среды, гели или пасты (пропиленгликоль, глицерин, гель, силиконовое масло), для согласования импедансов материала изделия и акустического излучателя, которые загрязняют изделие.
Кроме того, неравномерный нагрев поверхности изделия контроля становится важным источником неопределенности в активной термографии. Поскольку обнаружение дефектов основано на разнице температур, неравномерный нагрев может привести к ошибкам в поиске дефектов.
Известно, что низкочастотные (от 20 кГц до 100 кГц) ультразвуковые колебания и звуковые колебания, могут распространяться воздушным путем. Мощный низкочастотный ультразвук применяется для промышленной коагуляции аэрозолей, абсорбции газа, акустической сушки, интенсификации процессов горения, пеногашения, предпосевной обработки семян и т.п. [В.Н. Хмелев, А.Н. Сливин, Р.В. Барсуков, С.Н. Цыганок, А.В. Шалунов. Применение ультразвука высокой интенсивности в промышленности / Алт. гос. техн. ун-т, БТИ. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010 - 203c.].
Наиболее близким аналогом к заявляемому решению и принятым в качестве прототипа, является устройство акустической инфракрасной термографии [Joseph Zalameda, William P. Winfree and William T. Yost. Air Coupled Acoustic Thermography Inspection Technique // AIP Conference Proceedings 975, 467 (2008); https://doi.org/10.1063/1.2902697], состоящее из акустического бесконтактного источника, направленного на изделие контроля и состоящего из генератора, усилителя мощности и акустической излучательной системы, выполненной в виде решетки из четырех рупорных динамиков, бесконтактной тепловизионной камеры, направленной на изделие контроля, со стороны, с которой происходит ее акустическая стимуляция, и компьютера с системой сбора данных изображения. Акустический источник работал в диапазоне от 800 до 2000 Гц. Тепловизионная камера работала в диапазоне длин волн от 3 до 5 мкм.
Недостатком устройства являются отсутствие возможности фокусировки излучения на изделии контроля, неравномерный нагрев поверхности, особенно для изделий со сложной поверхностью, высокая мощность излучения акустического источника, сложность изменения угла ввода акустического излучения в изделие контроля из за больших габаритов излучательной системы.
Задачей настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно использование и разработка устройства ультразвуковой инфракрасной термографии с фокусирующей акустической линзой, обеспечивающего субволновую фокусировку акустического излучения на изделия контроля, уменьшении неравномерности нагрева поверхности в области акустической стимуляции изделия контроля, упрощение устройства акустической инфракрасной термографии за счет повышения интенсивности акустического излучения на изделия контроля без повышения мощности источника излучения, возможности изменения угла ввода акустического излучения в изделие контроля.
Указанная задача решена благодаря тому, что устройство ультразвуковой инфракрасной термографии состоящее из акустического бесконтактного источника, направленного на изделие контроля, состоящего из генератора, усилителя мощности, а также акустической излучательной системы и бесконтактной тепловизионной камеры, направленной на изделие контроля со стороны с которой происходит ее акустическая стимуляция, компьютера с системой сбора данных изображения, новым является то, что акустическая излучательная система выполнена в виде мезоразмерной кубоидной пластинчатой акустической линзы с размером ребра не менее λ, где λ - длина волны излучения в окружающем пространстве линзы, составленная из решетки параллельных V образных пластин с полным углом раствора α в диапазоне более 65 и менее 120 градусов, с расстоянием между пластинами не более λ/2 и создающая область повышенной интенсивности акустического поля на изделии контроля протяженностью от теневой поверхности линзы до 5λ и с субволновым поперечным размером. Кроме того, бесконтактная тепловизионная камера может быть направлена на изделие с противоположной стороны изделия контроля с которой происходит ее акустическая стимуляция. Кроме того, может использоваться два и более акустического бесконтактного источника излучения одновременно.
Заявляемое устройство ультразвуковой инфракрасной термографии обладает совокупностью существенных признаков, неизвестных из уровня техники для изделий подобного назначения и неизвестных из доступных источников научной, технической и патентной информации на дату подачи заявки на изобретение.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена схема устройства ультразвуковой инфракрасной термографии.
На фиг. 2 приведена схема мезоразмерной кубоидной пластинчатой акустической линзы.
На фиг. 3 приведен пример результатов математического моделирования фокусировки излучения мезоразмерной кубоидной акустической линзы с составленной из решетки параллельных V-образных пластин и с величиной ребра кубоида 3λ, где λ - длина волны используемого излучения.
Обозначения: 1 - устройство обработки данных, 2 - генератор акустического излучения, 3 - усилитель мощности, 4 - мезоразмерная пластинчатая кубоидная акустическая линза, 5 - субволновая область фокусировки акустической линзы, 6 - изделие контроля с дефектом, 7 - тепловизионная камера направленная на изделие контроля со стороны с которой происходит акустическая стимуляция изделия контроля, 8 - тепловизионная камера направленная на изделие контроля с противоположной стороны с которой происходит акустическая стимуляция изделия контроля.
Работа устройства происходит следующим образом.
В результате исследований было обнаружено, что при выполнении мезоразмерной кубоидной акустической линзы 4 составленной из решетки параллельных V-образных пластин и с величиной ребра кубоида более λ, где λ - длина волны используемого излучения и с полным углом раствора α в диапазоне более 65 и менее 120 градусов, формируется субволновая область фокусировки 5 непосредственно на теневой поверхности линзы 4 и протяженностью от теневой поверхности линзы до 5λ.
При величине ребра кубоидной линзы 4 менее λ, область фокусировки 5 не формируется.
При полном угле раствора V образных пластин менее 65 градусов область фокусировки 5 акустического излучения расплывается, и усиление интенсивности акустического излучения в данной области не происходит по сравнению с интенсивностью освещающей волны. При полном угле раствора V образных пластин более 120 градусов область фокусировки 5 находится в теле кубоидной линзы 4 и не попадает на изделие контроля 6 и поэтому акустическая стимуляция не происходит.
Расстоянием между пластинами h выбирается не более λ/2, так как при величине h более λ/2 увеличивается ширина области фокусировки и уменьшается интенсивность излучения в области фокусировки 5.
Установлено, что протяженность области фокусировки излучения уменьшается с увеличением угла раскрытия V образных пластин.
Полная ширина области фокусировки не превышает длины волны используемого излучения.
С увеличением характерных размеров кубоидной линзы возрастает интенсивность фокусировки излучения и может превышать интенсивность освещающей волны в несколько раз.
Например, кубоидная линза с величиной ребра λ формирует область субволновой фокусировки 5 и с максимальной интенсивностью превышающей интенсивность освещающей волны примерно в 1,5-2 раза. Кубоидная линза с величиной ребра 2λ формирует область субволновой фокусировки 5 и с максимальной интенсивностью превышающей интенсивность освещающей волны примерно в 3,5-4 раза и соответственно, с величиной ребра 3λ превышение составляет 6-8 раз.
За счет концентрации акустического излучения в области фокусировки, в которой располагается изделие контроля, возможно уменьшить мощность акустического источника не менее, чем в 1,5 раза, сохраняя необходимую величину интенсивности акустического излучения на изделии контроля. За счет малой протяженности ширины области фокусировки достигается более равномерный нагрев поверхности изделия контроля.
При выполнении кубоидной линзы в форме куба формируется осесимметричная область фокусировки, а при выполнении в форме совершенного кубоида (прямоугольного параллелепипеда) формируется плоская область фокусировки - «акустический нож».
Выполнение пластин кубоидной частицы из материала с величиной импеданса отличного от импеданса окружающей среды, например, металла или керамики обеспечивает эффективное распространение акустической волны между пластинами.
Достоинством кубоидной металлопластинчатой акустической линзы является независимость ее фокусирующих свойств от параметров окружающей среды (скорости звука), так как материал окружающей среды находится в структуре линзы, а ее относительный показатель преломления зависит только от физической длины параллельных пластин или от угла наклона этих пластин по отношению к падающему излучению, а также ее высокая прочность и надежность, что позволяет ее использовать для фокусировки интенсивного акустического излучения.
В устройство ультразвуковой инфракрасной термографии размещают изделие контроля 6 с возможными дефектами и включают акустический бесконтактный источник, направленный на изделие контроля и состоящий из генератора акустического излучения 2, усилителя мощности 3 и акустической излучательной системы в виде мезоразмерной пластинчатой кубоидной акустической линзы 4.
Частота акустической стимуляции может находиться в пределах от звукового до ультразвукового диапазона. В результате фокусировки акустического излучения формируется субволновая область фокусировки 5. В области фокусировки излучения 5 происходит концентрация акустического излучения и в этой области размещается изделие контроля 6.
Известно о существенном влиянии взаимной ориентации точки ввода акустического излучения и узкого протяженного дефекта (трещины). Лучше всего обнаруживаются трещины, расположенные перпендикулярно радиальному распространению ультразвука, тогда как параллельные дефекты создают весьма слабые сигналы. В общем случае, очевидно, что наиболее эффективно устройство неразрушающего контроля с помощью последовательно перемещающейся точки ввода ультразвука, или путем одновременного ввода ультразвука в нескольких точках, или изменении угла ввода акустического излучения. Угол ввода акустического излучения в изделие контроля может изменяться за счет изменения угла фокусировки излучения мезоразмерной кубоидной линзы 4, за счет ее поворота.
В материалах с дефектами структуры под воздействием акустического излучения возникают температурные поля, что обусловлено рассеянием энергии механических колебаний на дефектах и превращением её в тепловую энергию за счет внутреннего нагрева в материале. В областях нарушения однородности структуры возникают локальные зоны перегрева объекта. Поэтому дефект микротрещины может быть обнаружен инфракрасным тепловым прибором 7, 8 по различным температурам поверхности, например, с помощью метода распознавания изображений в устройстве обработки данных 1.
При этом может применяться односторонний контроль, когда тепловизионная камера 7 направленна на изделие контроля со стороны, с которой происходит акустическая стимуляция изделия контроля или тепловизионная камера 8 направленна на изделие контроля с противоположной стороны, с которой происходит акустическая стимуляция изделия контроля, так и двухсторонний контроль, когда тепловизионные камеры 7, 8 используются одновременно.
Установлено, что для наиболее достоверного обнаружения дефектов в композиционных материалах, необходимо выполнять стимуляцию объекта контроля с помощью двух и более источников акустической энергии одновременно.
В качестве источников акустического излучения могут использоваться, например, одна из разновидностей газоструйного излучателя звуковых и ультразвуковых волн, например, струйного генератора Гартмана, динамической сирены; магнитострикционные преобразователи; генератор звука в диапазоне 70-15000 Гц, позволяющий получить акустическую мощность для достижения поставленной задачи [В.Н. Хмелев, Г.В. Леонов, Р.В. Барсуков, С.Н. Цыганок, А.В. Шалунов. Ультразвуковые многофункциональные и специализированные аппараты для интенсификации технологических процессов в промышленности, сельском и домашнем хозяйстве. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2007. - 400 с.].
Для целей неразрушающего контроля в устройствах ультразвуковой инфракрасной термографии с фокусирующей акустической линзой могут использоваться различные типы тепловизоров, работающие в диапазоне 3 - 5 и 8 - 14 мкм, например, тепловизоры ThermaCAM P65 производства фирмы FLIR Systems (США) и NEC TH-9100 производства фирмы NEC Avio (Япония), обеспечивающие температурную чувствительность 0,05°C при 30°C и пространственное разрешение (мгновенное поле зрения - IFOV) 1,3 мрад в спектральном диапазоне от 7,5 до 13 мкм.