Выбор оптимальной протяженности воздушного промежутка при ультразвуковом бесконтактном теневом контроле изделий из полимерных материалов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

При ультразвуковом (УЗ) бесконтактном неразрушающем контроле ряда изделий (изделий из химически активных или взрывоопасных материалов) амплитуда электрического сигнала, подаваемая на излучающий пьезоэлектрический преобразователь (ИП), ограничена и в ряде случаев не может превышать величины порядка U ~ 10...15 В. В этом случае существенно снижается чувствительность контроля и поэтому следует использовать все возможные способы ее повышения. В первую очередь следует использовать пьезоэлектрические преобразователи (ПЭП) с максимально возможным коэффициентом электроакустического преобразования (ЭАП). Кроме того, необходимо выбирать такую протяженность воздушного промежутка dв между ИП и объектом контроля (ОК), при которой обеспечивается максимальная амплитуда УЗ зондирующего сигнала «на входе» в изделие. А так как максимум амплитуды излучаемого преобразователем УЗ сигнала находится в ближней зоне преобразователя, то следует выбрать величину dв, соответствующую протяженности ближней зоны ИП в воздухе, при условии, что при этом в воздушном промежутке не будут возникать переотражения зондирующих сигналов. Это в свою очередь требует использования коротких (широкополосных) УЗ сигналов и, следовательно, использования УЗ широкополосных ПЭП.

В статье показано, что параметры согласующих слоев УЗ бесконтактного ПЭП влияют не только на ширину полосы пропускания датчика, но и на его пространственные характеристики, в том числе на положение максимума акустического поля. Показано, что определить максимум УЗ широкополосного сигнала в воздухе с целью определения оптимальной протяженности воздушного промежутка, при которой в изделие излучается УЗ сигнал с максимальной амплитудой, возможно с помощью анализа корреляционного распределения поля бесконтактного широкополосного преобразователя.

Приведены результаты экспериментов, подтверждающие необходимость обеспечения оптимальной протяженности воздушного промежутка между УЗ бесконтактным ИП и ОК для повышения чувствительности теневого контроля имитаторов изделий из взрывоопасных материалов.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Владимир Климентьевич Качанов

Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Email: kachanovvk@mail.ru
Россия, 111250 Москва, ул. Красноказарменная, 14

Игорь Вячеславович Соколов

Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Email: sokoloff_igor@mail.ru
Россия, 111250 Москва, ул. Красноказарменная, 14

Михаил Алексеевич Караваев

Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Автор, ответственный за переписку.
Email: vezd@list.ru
Россия, 111250 Москва, ул. Красноказарменная, 14

Список литературы

  1. Вавилов В.П. Тепловой неразрушающий контроль: развитие традиционных направлений и новые тенденции (обзор) // Дефектоскопия. 2023. № 6. C. 38—58.
  2. Кладов Д.Ю., Чулков А.О., Вавилов В.П., Стасевский В.И., Юркина В.А. Эффективность применения тепловизоров различного типа при активном тепловом контроле расслоений в неметаллах // Дефектоскопия. 2023. № 7. С. 25—32.
  3. Шпильной В.Ю., Вавилов В.П., Дерусова Д.А., Дружинин Н.В., Ямановская А.Ю. Особенности проведения неразрушающего контроля полимерных и композиционных материалов с использованием бесконтактной ультразвуковой стимуляции и лазерного вибросканирования // Дефектоскопия. 2021. № 8. С. 14—23.
  4. Дерусова Д.А., Вавилов В.П., Нехорошев В.О., Шпильной В.Ю., Дружинин Н.В. Особенности лазерно-виброметрического неразрушающего контроля полимерных композиционных материалов с использованием воздушно-связанных ультразвуковых преобразователей // Дефектоскопия. 2021. № 12. С. 26—38.
  5. Essig W., Bernhardt Y., Döring D., Solodov I., Gautzsch T., Gaal M., Hufschläger D., Sommerhuber R., Marhenke T., Hasener J., Szewieczek A., Hillger W. Air-coupled Ultrasound — Emerging NDT Method // ZfP-Zeitung. 2021. V. 173. P. 32—43.
  6. Asokkumar A., Jasiuniene E., Raišutis R., Kažys R. Comparison of ultrasonic non-contact air-coupled techniques for characterization of impact-type defects in pultruded GFRP composites // Materials. 2021. V. 14. Is. 5.
  7. Quattrocchi1 A., Freni1 F., Montanini R. Air-coupled ultrasonic testing to estimate internal defects in composite panels used for boats and luxury yachts // International Journal on Interactive Design and Manufacturing. 2020. V. 14. P. 35—41.
  8. Huber A. Air-coupled ultrasonic inspection of thermoplastic composite structures for aerospace vehicles / Proceedings of the 13th European Conference on Non-Destructive Testing. 2023.
  9. Schönheits M., Huber A., Gänswürger P. Air-coupled ultrasonic inspection with adaptive lamb wave control / Proceedings of the 16th International Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics. 2019. P. 430—438.
  10. Szewieczek A., Hillger W., Bühling L., Ilse D. New developments and applications for air coupled ultrasonic imaging systems / Proceedings of the 10th International symposium on NDT in aerospace. 2018.
  11. Качанов В.К., Соколов И.В., Караваев М.А. Разработка ультразвукового мозаичного широкополосного пьезоэлектрического преобразователя для бесконтактного контроля изделий из полимерных композиционных материалов // Измерительная техника. 2015. № 2. С. 61—64.
  12. Panda R., Rajagopal P., Balasubramaniam K. Rapid guided wave inspection of complex stiffened composite structural components using non-contact air-coupled ultrasound // Composite Structures. 2018. V. 206. P. 247—260.
  13. Gaal M., Caldeira R., Bartusch J., Schadow F., Vossing K., Kupnik M. Air-coupled ultrasonic ferroelectret receiver with additional bias voltage // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2019. V. 66. Is. 10. P. 1600—1605.
  14. Grager J., Kotschate D., Gamper J., Gaal M., Pinkert K., Mooshofer H., Goldammer M., Grosse C. Advances in air-coupled ultrasonic testing combining an optical microphone with novel transmitter concepts / Proceedings of the 12th European conference on Non-Destructive Testing. 2018.
  15. Schmid S., Dürrmeier F., Grosse C. Spatial and temporal deep learning in air-coupled ultrasonic testing for enabling NDE 4.0 // Journal of Nondestructive Evaluation. 2023. V. 42.
  16. Качанов В.К., Соколов И.В., Караваев М.А., Минаев Д.В. Разработка методов и устройств ультразвукового бесконтактного теневого контроля крупногабаритных изделий из полимерных композиционных материалов // Дефектоскопия. 2023. № 1. С. 3—13.
  17. Качанов В.К., Соколов И.В., Караваев М.А., Концов Р.В. Выбор оптимальных параметров ультразвукового теневого бесконтактного способа контроля изделий из полимерных композитных материалов // Дефектоскопия. 2020. № 10. С. 60—70.
  18. Ультразвуковые преобразователи для неразрушающего контроля / Под общ. ред. И.Н. Ермолова. М.: Машиностроение, 1986. 280 с.
  19. Крауткремер И., Крауткремер Г. Ультразвуковой контроль материалов. М.: Металлургия, 1991. 752 с.
  20. Wang X., Gong X., Li C., Wu R., Chen Z., Wu H., Zhang D., Cao X. Low insertion loss air-coupled ultrasonic transducer with parallel laminated piezoelectric structure // AIP Advances. 2020. V. 10. Is. 10.
  21. Chen J., Wang X., Yang X., Zhang L., Wu H. Application of air-coupled ultrasonic nondestructive testing in the measurement of elastic modulus of materials // Applied Sciences. 2021. V. 11.
  22. Bodi A., Fuchs M., Steinhausen R., Jongmanns M. New technologies for air-coupled ultrasonic inspection / Proceedings of the 13th European conference on non-destructive testing. 2023.
  23. Modeling Speaker Drivers in COMSOL Multiphysics. Supplement A: Equations. URL: https://www.comsol.com/support/learning-center/article/supplement-a-equations-76561/202 (дата обращения: 06.03.2025).
  24. Аронов Б.С. Электромеханические преобразователи из пьезоэлектрической керамики. Л.: Энергоатомиздат, 1990. 272 с.
  25. Рыбянец А.Н., Наседкин А.В., Щербинин С.А., Петрова Е.И., Швецова Н.А., Швецов И.А., Луговая М.А. Конечно-элементное моделирование низкочастотных биморфных преобразователей для диагностики и активации нефтяных скважин // Акустический журнал. 2017. Т. 63. № 6. С. 685—691.
  26. Теплых А.А., Зайцев Б.Д., Шихабудинов А.М., Бородина И.А. Уточнение материальных констант пьезокерамики ЦТС-19 при помощи акустического резонатора в виде диска // Ученые записки физического факультета МГУ. 2017. №. 5.
  27. COMSOL. Introduction to the Acoustics Module. URL: https://doc.comsol.com/5.6/doc/com.comsol.help.aco/IntroductionToAcousticsModule.pdf (дата обращения: 06.03.2025).
  28. COMSOL. Acoustics Module User’s Guide. URL: https://doc.comsol.com/5.6/doc/com.comsol.help.aco/AcousticsModuleUsersGuide.pdf (дата обращения: 06.03.2025).
  29. Вопилкин А.X. Расчет и проектирование широкополосных осесимметричных преобразователей переменной толщины // Дефектоскопия. 1987. № 4. С. 41—50.
  30. Hutchins D.A., McIntosh J.S., Neild A., Billson D.R., Noble R.A. Radiated fields of capacitive micromachined ultrasonic transducers in air // The Journal of the Acoustical Society of America. 2003. V. 114. Is. 3. P. 1435—1449.
  31. Schadow F., Gaal M., Bartusch J., Dohse E., Köppe E. Focusing air-coupled ultrasonic transducers based on ferroelectrets / Proceedings of the 19th World conference on non-destructive testing. 2016.
  32. Neild A., Hutchins D.A., Robertson T.J., Davis L.A.J., Billson D.R. The radiated fields of focussing air-coupled ultrasonic phased arrays // Ultrasonics. 2005. V. 43. P. 183—195.
  33. Качанов В.К., Соколов И.В., Конов М.М., Тимофеев Д.В., Синицын А.А. Пространственно-временные характеристики ультразвуковых широкополосных преобразователей // Дефектоскопия. 2010. № 10. С. 11—25.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Выбор оптимального расстояния между ИП и ОК: а — схема расположения ИП относительно ОК; б — ближняя и дальняя зоны узкополосного ПЭП в воздухе (1 — граница ближней зоны, соответствующая максимуму амплитуды излучаемого УЗ сигнала; 2 — протяженность ближней зоны); в — акустическое поле давления узкополосного ПЭП в воздухе (моделирование).

Скачать (335KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Влияние толщины согласующего слоя из пенопласта на амплитуду сигнала, принимаемого бесконтактным ПЭП: а — структурная схема эксперимента; б — зависимость амплитуды сигнала от толщины согласующего слоя.

Скачать (180KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Эскиз бесконтактного ПЭП.

Скачать (58KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Четверть трехмерной геометрии модели с визуализацией сетки конечных элементов: а — для расчета в частотной области; б — для расчета во временной области.

Скачать (483KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость протяженности ближней зоны zбл от толщины второго слоя d2.

Скачать (111KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Мозаичный бесконтактный НЧ ПЭП (без корпуса) с двумя согласующими слоями с четырьмя ПЭ квадратного сечения 7×7 мм.

Скачать (103KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимость протяженности ближней зоны zбл от частоты f.

Скачать (146KB)
Метаданные
9. Рис. 8. КРП широкополосного (Δf = 30 кГц) составного бесконтактного ПЭП в воздухе при использовании широкополосного ЛЧМ сигнала (моделирование): а — КРП в двухмерном виде; б — трехмерное КРП.

Скачать (442KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Фотография (а) и схема установки (б) для УЗ бесконтактного теневого сканирования изделий.

Скачать (496KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Акустическое поле на оси бесконтактного широкополосного ИП.

Скачать (200KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Результаты контроля имитатора изделия: а — dв = dв.опт = 25 мм; б — dв = 50 мм.

Скачать (608KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025