Генерация нормальных акустических волн (волн Лэмба) в металлах с помощью импульсов лазерного излучения

ГЕНЕРАЦИЯ НОРМАЛЬНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН (ВОЛН ЛЭМБА) В МЕТАЛЛАХ С ПОМОЩЬЮ ИМПУЛЬСОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

С.Ю. Гуревич, Ю.В. Петров, В.Ф. Божко

Представлены результаты экспериментальных исследований по лазерной генерации ультразвуковых волн Лэмба в ферромагнитной пластине.

Введение. В практике ультразвуковой дефектоскопии широко применяются неразрушающие методы контроля с помощью нормальных волн (волн Лэмба) [1^4]. Нормальные волны возникают в результате трансформации продольных волн, падающих на поверхность контролируемого изделия под отличным от нуля углом. Такие волны связаны с волноводным механизмом распространения ультразвуковых колебаний и могут существовать только в пластинах, листах, лентах и оболочках (например, в стенках труб) сравнительно небольшой толщины (от 0,15 до 3,5 мм).

Дня возбуждения и регистрации нормальных волн обычно используют пьезоискатели с большими размерами в плоскости падения ультразвука с жестко установленным или переменным углом падения. Ввод акустических колебаний в контролируемое изделие осуществляется либо через смазку, либо через струю воды, либо иммерсионным методом.

Генерация акустических волн (в том числе и нормальных) с помощью коротких лазерных импульсов имеет ряд существенных преимуществ перед традиционными методами. В первую очередь это отсутствие непосредственного контакта с контролируемым изделием, возможность возбуждать ультразвук в объекте контроля на большом расстоянии от него, вводить световую энергию в любую точку поверхности контролируемого изделия, генерировать акустические импульсы малой длительности и использовать их для контроля изделий с грубо обработанной поверхностью и т.п. [5, б]. В сочетании с оптимальными способами регистрации возбуждаемых нормальных ультразвуковых волн, это позволило бы существенно улучшить параметры аппаратуры для контроля металлических тонкостенных изделий.

Лазерная генерация акустических волн в металле осуществляется за счет повышения температуры поверхности металла в зоне облучения. Параметры возбуждаемых акустических импульсов (амплитуда, длительность, спектр и т.д.) в этом случае определяются размерами зоны облучения, энергией поглощаемого лазерного импульса, а так же теплофизическими характеристиками металла.

Данная работа посвящена экспериментальному исследованию лазерного возбуждения в металлических пластинах нормальных волн (волн Лэмба) и влиянию механизма термоакустического преобразования на параметры возбуждаемых акустических импульсов.

Теория. Проведем расчет скорости распространения нормальных акустических волн как функции частоты колебаний V и толщины А пластины. Известно, что в свободной пластине можно возбудить два типа нормальных волн: симметричные £ и антисимметричные А. Первый тип волн соответствует волнам расширения, второй - изгибным волнам. Скорость распространения нормальных волн зависит от частоты колебаний V, толщины пластины А и определяется решением дисперсионных уравнений [4]:

- для симметричных волн

^уАЛ-

г \2 о

сЙ1

Г \2 О

\°и

= 4.

Г >2 и

Уии

и

2-

и

Л

-2

О,

I

для антисимметричных волн п

Л

уЬ о \

1-

г \2

V

сй1

71 г.

и V

1-

Г "\2 О

= 4,

г \2 и

\ии

г ^ и

\ии

2-

и

V J

где и - фазовая скорость нормальных волн, и, = ^(Л + 2ц)/р и и, = - скорости продоль-

ной и поперечной волн в материале пластины. Здесь р - плотность, Л, /л - упругие постоянные материала пластины.

Анализ выражений (1) и (2) показывает, что в листе заданной толщины может существовать бесчисленное множество симметричных и антисимметричных волн с различными частотами колебаний (моды). При этом каждой из мод соответствует строго определённое значение фазовой скорости. Максимальное преобразование энергии падающей волны в энергию одной из нормальных волн происходит при совпадении фазовой скорости в падающей волне с одной из возможных скоростей нормальной волны:

.и = ц-/8та,

где oi - фазовая скорость ультразвука в окружающей среде, а - угол падения.

Как известно, перенос энергии упругих колебаний связан не с фазовой, а с групповой скоростью волн. Именно эта скорость характеризует форму импульсного сигнала и его перемещение, поэтому в импульсной дефектоскопии она играет существенную роль. Групповую скорость нормальных волн можно рассчитать по следующему соотношению [7]

/ . . N-1

ug=v

1-

vh du

и d

Эксперимент. Для проведения исследований по лазерному возбуждению нормальных волн в металлических пластинах была разработана и собрана экспериментальная установка, принципиальная схема которой показана на рис. 1. Импульсный YAG: Ш3+-лазер ЛТИ-403, работающий в режиме активной модуляции добротности, излучает световые импульсы длительностью 30 не с частотой следования 12,5 Гц. Длина волны лазерного излучения составляет 1,06 мкм, максимальная энергия импульса 400 мДж. Пространственное распределение энергии в выходном излучении лазера имеет сложную структуру, изменяющуюся от импульса к импульсу. Распределение энергии по сечению лазерного луча также неоднородно. Кроме того, энергия оптического импульса не является постоянной величиной и может отклоняться на 10-15% от его среднего значения.

Интенсивность ультразвука при его лазерной генерации определяется средней поверхностной плотностью тепловой мощности лазерного излучения <q>. Она рассчитывается по формуле

4 <Р> nd т

где <Р> - измеряемая средняя мощность излучения d -диаметр светового пятна п - частота следования лазерных импульсов, г - длительность оптического импульса. При проведении эксперимента величины <q> соответствовали трем различным механизмам генерации ультразвука: для диаметра светового пятна d = 1,00 мм - испарительному, для d = 2,00 мм - гидродинамическому, для d = 3,00 и 4,00 мм - термоупругому [8, 9].

Мощность падающего на поверхность образца излучения регулируется с помощью оптического аттенюатора, состоящего из набора тонких стеклянных пластинок. Каждая последующая пластинка устанавливается так, чтобы поперечное смещение светового луча от предыдущих пластин было скомпенсировано. Излучение лазера ограничивается диафрагмой с диаметрами 1,00; 2,00; 3,00; 4,00 мм. Мощность лазерного излучения контролируется прибором ИМО-2Н.

Образцы представляют собой шлифованные прямоугольные пластины размерами 270x60 и толщиной h = 0,60; 1,50; 2,90 мм, изготовленные из заготовки железоникелевого сплава инвар-ного состава 32НКД. На пластине помещается приемный стенд в виде иммерсионной ванны с

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - лазер, 2 - оптический аттенюатор, 3 - измеритель мощности лазерного излучения, 4 - линза, 5 - диафрагма, 6 - ферромагнитная пластина, 7 - нагреватель, 8 - измеритель температуры, 9 - ванна с водой, 10 - прямой пьезоискатель продольных волн и устройство для его закрепления и поворота, 11 - усилитель, 12 - осциллограф

водой, дном которой служит поверхность пластины. В ванне в специальном устройстве закрепляется пьезопреобразователь продольных волн (1111), Этим же устройством осуществляется плавное изменение угла наклона а плоскости искателя относительно поверхности пластины от 0° до 90° с точностью ±1°. Для проведения температурных исследований в установке в зоне лазерного пятна предусмотрен нагреватель.

Лазерный луч, сфокусированный линзой, направлялся через диафрагму на поверхность образца. Возбуждаемые ультразвуковые колебания, распространяясь по пластине в виде нормальных волн, трансформируются на границе раздела «пластина-вода» в продольные волны. С помощью поворотного устройства определялись положения пьезоискателя (угол а), при которых он регистрирует максимум амплитуды колебаний в нормальных волнах. Далее сигнал с преобразователя поступает на усилитель, а затем на вход осциллографа. По экрану осциллографа измеряют амплитуду и, частоту V и время прохождения I упругого импульса в пластине. По времени и измеренному пути прохождения рассчитывались групповые скорости нормальных волн .

В качестве приемников акустических колебаний использовались демпфированные пьезопла-стины с резонансными частотами ут на 0,49; 0,94; 1,07; 1,50; 1,81; 2,69; 3,76; 6,27 МГц и широкополосный клиновый поверхностно-возбуждаемый толстый пьезопреобразователь (КПВТП) [10] при работе с диафрагмами диаметры, которых 1,00; 2,00; 3,00 мм. При работе с диафрагмой диаметром 4,00 мм приемниками служили прямые пьезоискатели из комплекта дефектоскопа УД

2-12 с резонансными частотами Vй" 0,6; 1,25; 2,5; 5,0; 10,0 МГц, (КПВТ) и электромагнитноаку-стический преобразователь (ЭМАП). Результаты исследований отражены в табл. 1-12.

Таблица 1

Толщина пластинки h = 0,6 мм, диаметр лазерного пятна d= 1,0 мм, <q> = 1 80 МВт/см2

vm, МГц v, МГц vh, МГц-мм а, град ug ±100, м/с и, 10~2В

0,49 0,56 0,34 40 3889 22,0

0,94 1,00 0,60 38 3889 36,0

1,07 1,10 0,67 38 3889 44,0

1,50 1,67 1,00 40 4000 30,0

1,88 1,40 0,84 40 4118 12,0

2,69 1,10 0,66 40 4242 7,50

3,76 1,10 0,66 40 4058 8,00

6,27 1,25 0,75 39 4118 4,00

КПВТП 1,25 0,75 40 3590 8,0

Таблица 2

Толщина пластинки h = 1,5 мм, диаметр лазерного пятна d= 1,0 мм, <q> = 180 МВт/см2

v"", МГц v, МГц vh, МГц-мм а, град ug±100, м/с и, Ю-2в

0,49 0,67 1,43 1,01 2,15 35 35 1321 3182 14,0 15,0

0,94 1,00 1,50 40 3182 31,0

1,07 1Д1 1,67 25 2917 32,0

1,50 1,54 0,87 2,31 1,30 34 43 3043 3684 21,0 6,00

1,88 1,43 0,78 2,15 1,17 33 38 3182 3889 10,5 5,50

2,69 1,43 1,00 2,14 1,50 33 43 3040 3333 5,20 2,40

3,76 1,43 1,00 2,14 1,50 30 43 3111 3680 4,00 2,00

6,27 1,54 2,31 35 3890 6,00

КПВТП 0,67 1,43 1,00 2,14 35 35 4118 2692 4,00 4,00

Таблица 3

Толщина пластинки А = 2,9 мм, диаметр лазерного пятна = 1,0 мм, <д> = 180 МВт/см2

Vй", МГц V, МГц уА, МГц-мм а, град 1^±100, м/с и, Ю-2 В

0,49 0,56 1,62 38 3346 11,0

0,94 1,00 2,90 35 3346 24,0

1,07 1,00 1,00 2,90 2,90 39 35 2806 3625 14,0 12,0

1,50 1,00 2,90 39 3346 8,00

1,88 1,67 4,84 38 3625 9,50

2,69 1,00 2,90 32 3346 4,00

3,76 1,00 2,90 32 3625 3,50

6,27 1,00 2,90 35 4579 5,50

КПВТП 0,83 2,41 30 3867 11,0

Таблица 4

Толщина пластинки А = 0,6 мм, диаметр лазерного пятна с! = 2,1 мм, <<7> = 50,0 МВт/см2

, МГц у,МГц VА, МГц-мм а, град ия±100, м/с и, Ю-2 В

0,49 0,59 0,35 38 3684 11,0

0,94 1,00 0,60 38 3784 26,0

1,07 1,00 0,60 39 3889 28,0

1,50 1,00 0,60 40 3889 11,0

1,88 1,10 0,66 40 3889 8,50

2,69 1,10 0,66 40 3889 3,60

3,76 1,00 0,60 39 3889 2,80

6,27 1,10 0,66 40 3784 4,00

КПВТП 1,00 0,60 36 3333 5,20

Таблица 5

Толщина пластинки А = 1,5 мм, диаметр лазе рного пятна (1 = 2,( мм, <д> = 50,0 МВт/см2

Vй", МГц V, МГц уА , МГц-мм а, град оё ±100, м/с и, 10"2В

0,49 0,63 1,66 5,00 0,95 2,50 7,50 35 34 59 2917 2917 2593 44,0 15,0 0,14

0,94 1,00 1,25 1,50 1,88 40 30 2917 3182 0,34 0,18

1,07 1,25 1,00 1,43 1,88 1,50 2,15 25 40 33 2917 3333 3333 0,70 0,36 0,36

1,50 1,66 2,50 34 2692 0,44

1,88 1,43 4,00 2Д4 6,00 30 19 3111 2692 0,14 0,13

2,69 1,54 2,31 30 3111 0,08

3,76 2,86 4,29 30 3111 0,06

6,27 1,67 2,50 30 4667 0,07

КПВТП 1,67 2,50 33 2692 17,0

Таблица 6

Толщина пластинки А = 2,9 мм, диаметр лазерного пятна с1 = 2,0 мм, <д> = 5 0,0 МВт/см"

vя", МГц v, МГц уА , МГц-мм а, град ое ±100, м/с и, Ю-2В

0,49 0,63 1,83 38 3346 18,0

0,94 1,00 2,90 34 3346 32,0

1,07 1,00 2,90 33 3346 26,0

1,50 1,00 2,90 33 3480 7,00

1,88 1,00 2,90 32 3625 7,00

2,69 1,00 2,90 33 3625 7,00

3,76 1,00 2,90 35 3480 5,00

6,27 1,00 2,90 35 4350 10,0

кпвтп 0,83 2,41 32 2949 26,0

Таблица 7

Толщина пластинки А = 0,6 мм, диаметр лазерного пятна й =3,0 мм, <ц> = 2С 1,0 МВт/см^

vй", МГц v, МГц уА , МГц-мм а, град о8 ±100, м/с и, Ю-2В

0,49 0,67 0,41 39 3684 18,0

0,94 1,00 0,60 39 3889 52,0

1,07 1,00 0,60 39 3889 52,0

1,50 1,00 0,60 40 3889 19,0

1,88 1,10 0,67 40 4000 4,00

2,69 1,00 0,60 40 4000 4,00

3,76 1,00 0,60 40 4000 4,00

6,27 1,00 0,60 38 4000 2,80

КПВТП 0,83 0,50 37 3500 8,00

Таблица 8

Толщина пластинки А = 1,5 мм, диаметр лаз« ;рного пятна й =3,( ) мм, <#> = 20,0 МВт/см2

vй", МГц у,МГц уА , МГц-мм а, град 1>£±100, м/с и, 10~2В

0,49 0,59 1,29 0,86 1,86 40 33 3780 2920 17,0 10,0

0,94 1,00 0,83 1,50 1,25 20 40 2500 3890 28,0 26,0

1,07 1,10 0,83 1,67 1,25 25 42 2920 3680 23,0 10,0

1,50 1,33 0,77 2,00 1,15 30 40 3040 3680 5,40 3,60

1,88 1,43 0,74 2,14 1,11 29 40 3040 3890 2,80 2,40

2,69 0,71 1,07 40 3890 3,20

3,76 0,77 1,25 1,15 1,88 39 24 4000 3180 5,00 3,00

6,27 1,25 0,77 1,88 1,15 30 42 2800 3500 7,00 12,0

КПВТП 0,71 1,00 1,07 1,50 40 20 3333 2692 11,0 7,00

Таблица 9

Толщина пластинки А = 2,9 мм, диаметр лазерного пятна <Л = 3,0 мм, <д> = 2 0,0 МВт/см2

vй", МГц v, МГц ук , МГц-мм а, град ^±100, м/с и, Ю-2В

0,49 0,67 1,94 33 3346 24,0

0,94 1,00 2,90 35 3346 48,0

1,07 1,00 2,90 33 3346 26,0

1,50 1,00 2,90 32 3480 12,0

1,88 1,00 2,90 32 3480 7,00

2,69 0,83 2,41 30 3480 4,00

3,76 1,00 2,90 34 3480 3,60

6,27 0,90 2,61 32 3222 7,00

КПВТП 0,91 2,64 31 2949 20,0

Таблица 10

Толщина пластинки А =0,60 мм, диаметр лазерного пятна <1= 4,0 мм, <д> = 2,30 МВт/см2

vй", МГц v, МГц уИ, МГц-мм а, град 1^±100, м/с и, 10"2В

0,6 0,83 0,50 19 4024 18,0

1,25 1,10 0,66 25 4308 18,0

2,50 1,00 0,60 20 4545 3,00

5,00 1,00 0,60 22 4125 2,50

10,0 0,91 0,54 26 4054 2,10

КПВТП 0,95 0,57 18 4178 8,00

ЭМАП 1,00 0,60 4225 0,42

Таблица 11

Толщина пластинки А =1,50 мм, диаметр лазерного пятна й = 4,0 мм, <д> = 2,30 МВт/см^

vй", МГц у,МГц ук, МГц-мм а, град и§±100, м/с С/,10"2В

0,6 0,63 0,94 50 18 2108 4227 10,0 4,50

1,25 1,00 1,50 48 1905 2108 6,00 3,50

0,83 1,25 22 2054 2,24

2,50 1,25 1,87 58 1704 5,00

1,25 1,87 58 2192 5,00

5,00 1,00 1,50 52 1875 3,00

10,0 1,00 1,50 50 2024 2,00

КПВТП 0,85 1,27 42 2931 4,00

ЭМАП 1,92 2,88 4044 8,00

Таблица 12

Толщина пластинки А =2,90 мм, диаметр лазерного пятна = 4,0 мм, <д> = 2,30 МВт/см2

vй", МГц у,МГц уЬ, , МГц-мм а, град и?±100, м/с и, 10~2В

0,83 2,24 16 3399 7,00

0,6 0,60 1,60 44 1875 10,0

0,63 1,70 48 3158 6,00

1,00 2,70 6 2927 5,00

1,25 0,90 2,50 18 3333 10,0

1,00 2,70 46 3077 5,00

0,83 2,24 6 3000 3,20

2,50 0,71 1,92 20 3604 2,40

0,83 2,24 52 3243 3,20

Окончание табл.12

vm, МГц v, МГц vh, МГц-мм а, град ug±100, м/с и. Ю-2В

1,25 3,40 4 2553 4,00

5,00 0,83 2,24 24 3429 2,00

0,83 2,24 62 3750 5,00

0,87 2,30 4 3000 9,00

in п 1,00 2,70 6 2553 2,50

1U,U 0,87 2,30 8 3692 6,00

0,83 2,24 10 3158 6,00

КПВТП 0,83 2,24 40 2955 16,0

ЭМАП 1,42 1,89 3688 7,00

Численные значения найденных групповых скоростей нормальных волн и^ нанесены на

расчетные зависимости этих скоростей от параметра уй . Расчет производился по формулам (1), (2), (4), в которых значения скоростей поперечных и, и продольных и1 волн были равны соответственно 2683 м/с и 4878 м/с [11]. Результаты расчетов и экспериментов приведены на рис.2-5.

vs, м/с

О 1 2 3 Ау, мм*МГц

Рис. 2. Зависимость групповой скорости нормальных волн ug от параметра vh

--расчет, • -эксперимент

d = 1,00 мм, q = 180 МВт/см2

О 1 2 3 Ау, мм*МГц

Рис. 3. Зависимость групповой скорости нормальных волн от параметра ук

— расчет, • - эксперимент (/ = 2,00 мм, щ = 50,0 МВт/см2

ие, м/с

hv, мм*МГц

hv, мм*МГц

Рис. 4. Зависимость групповой скорости нормальных волн от параметра у/г

--расчет, • - эксперимент

4 = 3,00 мм, д = 20,0 МВт/см2

Рис. 5. Зависимость групповой скорости нормальных волн от параметра уИ

- расчет, эксперимент: • - ПП,  - КПВТП, х - ЭМАП. </ = 4,00 мм, 9 = 2,30 МВт/см2

Обсуждение результатов и выводы

1. Разработана установка и предложена методика для экспериментальных исследований по лазерной генерации и регистрации акустических волн в металлических пластинах (волн Лэмба).

2. Установлено, что при испарительном механизме термоакустического преобразования в пластинах возникают в основном симметричные нормальные волны нулевого порядка S0 и частично - симметричные волны первого порядка S\ и антисимметричные волны нулевого и первого порядков А0, А\. Углы, под которыми регистрируются эти волны, лежат в пределах от 30 до 40 градусов, численные значения скоростей лежат в пределах от 2700 до 4500 м/с. При гидродинамическом механизме возбуждения антисимметричные волны нулевого порядка практически не возникают, распределение симметричных волн нулевого и первого порядков примерно одинаково.

3. В случае генерации нормальных волн за счет действия термоупругого механизма в пластинах возникают преимущественно симметричные волны нулевого и первого порядков, присутствуют некоторые моды антисимметричных волн первого порядка.

4. Диапазоны углов приема и численных значений скоростей с учетом погрешностей измерений в зависимости от механизма генерации, существенно не изменяются.

5. Начиная с частоты 1,88 МГц, частота колебаний в регистрируемых акустических импульсах нормальных волн существенно отличается от собственной частоты приемных пьезопреобра-зователей. Это очевидно связано с тем, что пластина независимо от ее толщины, не пропускает высокочастотную часть возбуждаемого широкополосного акустического импульса. По этой же причине максимум амплитуды возбуждаемых нормальных волн, независимо от толщины пластины, приходится на низкие частоты (0,94-1,11 МГц).

6. Широкополосный приемник (КПВТП), регистрирует примерно те же моды нормальных волн, что и резонансные преобразователи. ЭМАП регистрирует симметричные моды нулевого и первого порядков. Разложив в спектр акустический импульс, зарегистрированный этим приемником, можно получить дополнительную информацию о спектральном составе возбуждаемых нормальных волнах.

7. Полученные результаты можно использовать при разработке и создании средств и методов контроля тонкостенных металлических изделий с помощью нормальных волн, возбуждаемых лучом лазера.

Литература

1. Cavalier M.G. Controles des produits siderurgiques par methods ultrasonores. Bull. hiform/ techn., 1964,1.

2. Drouet C. Sondage ultrasonore des toles minees d'acier a l'aide des ondes de Lamb Metaux Corrosion - Ind., 1962, 440 c.

3. Lamb H. On Waves in elastic Píate. Proc. Roy. Soc., 1916, A, XC111.

4. Викторов И.А. Физические основы применения ультразвуковых волн Релея и Лэмба в технике. - М.: Наука, 1966. - 168 с.

5. Бондаренко А.Н. Лазерные методы возбуждения и регистрации акустических сигналов. -М.: Изд-во стандартов, 1989. - 115 с.

6. Чабанов В.Е. Лазерный контроль материалов. - Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1986. - 232 с.

7. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. - М.: Изд-во АН СССР, 1957. - 502 с.

8. Волегов Ю.В., Петров Ю.В., Шушарин А.В. О механизме возбуждения акустических волн импульсами оптического квантового генератора // Физические методы испытания материалов и веществ: Тематический сборник научных трудов. - Челябинск: ЧГТУ, 1982. - 157 с.

9. О границах механизмов термоакустического преобразования при лазерной генерации ультразвука в металлах / С.Ю. Гуревич, Ю.В. Петров, А.А. Шульгинов, К.В. Прокопьев // Дефектоскопия. - 2001. - № 4. - С. 69-75.

10. Королев М.В., Карпельсон Ф.Е. Широкополосные ультразвуковые преобразователи. - М.: Машиностроение, 1982. - 157 с.

11. Гуревич С.Ю. Основы теории и практического применения высокотемпературного ультразвукового контроля ферромагнитных конструкций: Дис. ... докт. техн. наук. - Екатеринбург: ИФМ, 1995.-416 с.

Поступила в редакцию 25 июля 2006 г.