CC BY
65
УДК 534.2:537.622.4
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ, ВОЗБУЖДАЕМЫХ ВОЛНАМИ ЛЭМБА В МАГНИТОПОЛЯРИЗОВАННОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПЛАСТИНЕ
С.Ю. Гуревичл, Ю.В. Петров2, Е.В. Голубевг, А.А. Шульгинов4
Экспериментально исследован процесс регистрации ультразвука, возбуждаемого лазером в металлических пластинах с помощью широкополосного ЭМА-приемника. Результаты исследований можно использовать для создания бесконтактных методов и средств ультразвукового контроля листовых металлоизделий.
Ключевые слова: лазерное возбуждение, ультразвуковые волны Лэмба, широкополосный ЭМА-приемник, спектр, ферромагнетик.
Введение
Для контроля качества листовых металлоизделий, имеющих высокую температуру (до 1000 °С), большую скорость перемещения (до 20 м/с) в процессе производства, грубообработан-ную поверхность (литьё, горячие прокат, ковка, штамповка и т.п.) в последние годы используют бесконтактные у.з. методы. Перспективными здесь представляется оптико-акустический метод, при котором генерация у.з. волн осуществляется с помощью наносекундных импульсов ОКГ, а их регистрация - широкополосным электромагнитно-акустическим приёмником.
Поскольку оптический импульс очень короткий, то спектр частот генерируемых лазером у.з. импульсов должен быть значительно шире, чем в случае возбуждения волн Лэмба с помощью узкополосных (резонансных) пьезоискателей. А поскольку регистрация этих волн, как правило, осуществляется такими же искателями, то применение широкополосного ЭМА-приёмника, даст возможность подробнее исследовать спектр возбуждаемых лазером у.з. импульсов, получить дополнительную информацию об ультразвуковых волнах с различными частотами колебаний (модах) в металлической пластине.
Эксперимент
Для проведения исследований по регистрации ультразвука, возбуждаемого лазером в металлических пластинах с помощью широкополосного ЭМА-приемника, была собрана экспериментальная установка, схема которой приведена на рис. 1. Образцами служили шлифованные ферромагнитные металлические пластины размерами 270х60 мм, толщиной 0,60; 1,50 мм. Генерация волн Лэмба в пластинах осуществляется импульсным лазером ЛТИ-403, работающим на длине волны 1064 нм в многомодовом режиме. Длительность импульсов лазерного излучения 30 нс, максимальная энергия 0,30 Дж. Для возбуждения у.з. импульсов достаточной амплитуды диаметр лазерного пятна и средняя мощность лазерного излучения были подобраны опытным путем и соответственно равны 2,0 мм и 0,22 Вт.
У.з. колебания, распространяясь в пластине, регистрируются широкополосным ЭМА-приемником [1]. Работает такой приемник следующим образом. Элементы объема металлического ферромагнетика, под действием упругих волн изменяют свою форму и за счет линейного магнитоупругого эффекта создают переменное магнитное поле, которое наводит в высокочастотном индукторе ЭДС, пропорциональную упругим смещениям. Таким образом, ЭМА-приёмник реги-
1 Гуревич Сергей Юрьевич - доктор технических наук, профессор, кафедра общей и экспериментальной физики, Южно-Уральский государственный университет.
E-mail: [email protected]
2 Петров Юрий Владимирович - кандидат технических наук, доцент, кафедра общей и экспериментальной физики, Южно-Уральский государственный университет.
3 Г олубев Евгений Валерьевич - кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра общей и экспериментальной физики, ЮжноУральский государственный университет.
4 Шульгинов Александр Анатольевич - кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра общей и экспериментальной физики, Южно-Уральский государственный университет.
стрирует импульсы электромагнитного поля, наводимого у.з. волнами. Внешнее (поляризующее) магнитное поле увеличивает амплитуду наводимой ЭДС, особенно в случае, когда оно имеет в основном тангенциальную составляющую. Более подробно о механизме трансформации упругих волн в электромагнитные можно узнать из работы [2].
Визуализация электрических импульсов осуществляется с помощью двухканального осциллографа 0Б8-2202, предназначенного для исследования и измерения параметров периодических и непериодических сигналов.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - лазер, 2 - металлическая пластина, 3 -подвижный столик с поворотным зеркалом, 4 - ЭМА-прёмник, 5 - усилитель тока, 6 - усилитель напряжения, 7 - осциллограф
Обсуждение результатов
На рис. 2 приведена осциллограмма электромагнитных импульсов, наводимых волнами Лэмба в металлической пластине толщиной 0,6 мм, полученная с помощью экспериментальной установки. Тип и номер возбуждаемых в пластине у.з. волн Лэмба определялись по методике, предложенной авторами в работе [3]. Из результатов экспериментов и расчетов следует, что при лазерной генерации акустических волн в тонкой металлической пластине широкополосный ЭМА-приёмник регистрирует импульсы, наведенные симметричными 50 и антисимметричными а0 волнами Лэмба нулевых номеров. Для оценки и сравнения формы, максимальной амплитуды и, длительности т и частоты колебаний V этих импульсов на рис. 3 и 4 приведены их осциллограммы с меньшей временной разверткой.
10-8ер’12 10:01 Тг-ідЯ _П
5о : : &о
Р*Ч..
МН1Ы
СНІ —■ 500ти
М2.5иг Т СН2 5тУ
Рис. 2. Электромагнитные импульсы, наведенные волнами Лэмба: в0 - симметричные волны, а0 - антисимметричные волны
10-3<?р’12 10:02 ТгідУ Л.
СН1 —■ 500ти СН2 ~ 5тУ
Рис. 3. Электромагнитный импульс, наведенный симметричной волной в0 Лэмба
10-Зер’ 12 10104 ТгідУ Л.
СН1 —■ 500ти СН2 ~ 5тУ
Рис. 4. Электромагнитный импульс, наведенный антисимметричной волной а0 Лэмба
Краткие сообщения
Наблюдаемые отличия связаны, очевидно, с особенностями лазерной генерации волн Лэмба. Для оценки ширины частотного спектра возбуждаемых лазером у.з. импульсов, с помощью Фу-рье-преобразования был рассчитан спектр электромагнитного импульса, наведенного симметричными s0 волнами (рис. 5).
Видно, что вся энергия у.з. импульса, длительность которого равна 3,5 мкс, практически заключена в пределах от 0 до 1,75 МГц с максимумом амплитуды на частоте » 1,0 МГц. В то же время у оптического импульса, длительность которого » 30 нс, верхний предел частотного диапазона ограничивается » 30 МГц. Такое уменьшение частоты означает, что металл хорошо пропускает низкочастотную часть спектра у.з. импульса (до 2,5 МГц) и интенсивно поглощает его высокочастотную (больше 2,5 МГц) часть.
Рис. 5. Спектр электромагнитного импульса, наведенного симметричными волнами 50 Лэмба
В случае, когда необходимо получить максимальную амплитуду у. з. импульса, например, для реализации эхо- или эхо-зеркального методов у.з. контроля, целесообразнее использовать резонансный ЭМА-приёмник. Его высокочастотный индуктор выполняется в виде многовитко-вой противофазной рамки или решетки из нескольких последовательно соединенных рамок и настраивается на резонансную частоту спектра [4].
Информацию, полученную в результате дальнейших исследований на созданной установке, можно использовать для разработки оптимальных бесконтактных методов и средств ультразвукового контроля, когда излучателем ультразвука является импульсный лазер, а приемником -электромагнитно-акустический преобразователь.
Литература
1. Электромагнитно-акустический преобразователь для регистрации упругих волн, возбуждаемых лучом лазера / Ю.В. Петров, В.Н. Уманец, В.Ю. Тросман, В.А. Ершов // Дефектоскопия.
- 1989. - № 11. - С. 89-91.
2. Комаров, В.А. Теория физических полей: в 3 т. Т. III. Связанные поля / В.А. Комаров,
B.Ф. Мужицкий, С.Ю. Гуревич. - Челябинск-Ижевск: Издательство ЮУрГУ, 2000. - 627 с.
3. Гуревич, С.Ю. Исследование температурной зависимости параметров волн при их лазерной генерации / С.Ю. Гуревич, Е.В. Голубев, Ю.В. Петров. - Дефектоскопия. - 2011. - № 8. -
C. 29-38.
4. Буденков, Г.А. Регистрация наклонных ультразвуковых волн электромагнитноакустическим способом / Г. А. Буденков, З.Д. Головачева, Ю.В. Петров. - Дефектоскопия. - 1974,
- № 2. - С. 62-70.
Поступила в редакцию 12 октября 2012 г.
EXPERIMENTAL SETUP FOR REGISTRATION PULSED ELECTROMAGNETIC FIELDS, EXCITED BY LAMB WAVES IN MAGNETICALLY POLARIZED METAL PLATE
S.Yu. Gurevich1, Yu.V. Petrov2, E.V. Golubev3, A.A. Shulginov4
Registration of ultrasound excited by a laser in a metal plate with a broad-band EMA receiver is studied experimentally. The results can be used to create a non-contact methods of ultrasonic testing of sheet metal products.
Keywords: laser excitation, ultrasonic Lamb waves, EMA-wideband receiver, range, ferromagnetic metal.
References
1. Petrov Yu.V., Umanets V.N., Trosman V.Yu., Ershov V.A. Defektoskopiia. 1989. no. 11. p. 8991. (in Russ.).
2. Komarov V.A., Muzhitskii V.F., Gurevich S.Yu. Teoriia fizicheskikh polei. T. III Sviazannye po-lia (Field Theory. Vol. III. Related fields). Cheliabinsk-Izhevsk: Izdatel'stvo YuUrGU. 2000. 627 p. (in Russ).
3. Gurevich S.Yu., Golubev E.V., Petrov Yu.V. Defektoskopiia. 2011. no. 8. pp. 29-38. (in Russ.).
4. Budenkov G.A., Golovacheva Z.D., Petrov Yu.V. Defektoskopiia. 1974. no. 2. p. 62-70. (in Russ).
1 Gurevich Sergei Yurevich is Dr. Sc. (Engineering), Professor, General and Experimental Physics Department, South Ural State University. E-mail: [email protected]
2 Petrov Yuriy Vladimirovich is Cand. Sc. (Engineering), Associate Professor, General and Experimental Physics Department, South Ural State University.
3 Golubev Evgeniy Valerievich is Cand. Sc. (Physics and Mathematics), Associate Professor, General and Experimental Physics Department, South Ural State University.
4 Shulginov Alexandr Anatolievich is Cand. Sc. (Physics and Mathematics), Associate Professor, General and Experimental Physics Department, South Ural State University.
