Ученые Инженерной школы неразрушающего контроля и безопасности Томского политехнического университета (ТПУ) разработали оборудование для генерации акустических волн в воздушной среде на основе газового разряда, которое позволяет реализовать бесконтактный способ контроля дефектов в полимерных композитах и пенометаллах, сообщает портал университета.
Эксперименты показали, что газоразрядный излучатель, в отличие от классических резонансных ультразвуковых преобразователей, способен генерировать акустические колебания в воздушной среде в широком диапазоне частот. Это позволяет с высокой точностью проводить контроль качества материалов, применяемых в авиационной, ракетно-космической и транспортной промышленности.
Здание Томского Политехнического УниверситетаИзображение: РИА Новости
Композиционные материалы и пенометаллы сегодня активно используются в ракетно-космической и транспортной технике нового поколения. Существующие методы неразрушающих испытаний не подходят в полной мере для контроля качества таких материалов, имеющих слоистую, ячеистую или пористую структуру. Это определяет актуальность создания новых методик неразрушающих испытаний для обнаружения дефектов в изделиях сложной конфигурации.
Ученые Томского политехнического университета разработали альтернативную бесконтактную систему диагностики качества алюминиевых, углепластиковых и стеклопластиковых композитных материалов. Главная особенность метода заключается в использовании бесконтактного широкополосного излучателя для ввода акустического сигнала в контролируемые изделия.
Анализ процесса распространения упругих волн в материалах и их взаимодействия с дефектными включениями осуществляется с помощью сканирующей лазерной виброметрии. Обработка данных позволяет определить резонансные частоты контролируемого изделия и выделить области дефектов при их наличии.
«Принцип действия газоразрядного излучателя основан на электро-термоакустическом эффекте, сопровождающем протекание тока искрового разряда в воздухе при атмосферном давлении. Вследствие протекания импульса электрического тока происходит резкий нагрев и расширение плазмы разряда, что сопровождается скачком давления в газоразрядном промежутке. Это приводит к возникновению акустических колебаний на поверхности излучателя и, соответственно, в окружающей среде. Излучатель работает в импульсном режиме — он стреляет в воздух пучками акустических волн различной частоты. Импульсы разряда резкие и кратковременные, а генерируемые акустические сигналы характеризуются широким спектром частот», — рассказывает и.о. руководителя лаборатории лазерной вибродиагностики материалов Томского политехнического университета Дарья Дерусова.
Для изучения вибрационных характеристик газоразрядного излучателя ученые в рамках эксперимента исследовали воздушное пространство около излучателя. Для этого они применили метод рефрактовиброметрии. Он заключается в преломлении лазерного луча в зонах переменного давления в воздухе, возникающих при распространении ультразвука. Создав высокую плотность точек в области сканирования, политехники с высокой точностью визуализировали распространение акустических полей, распространяющихся от газоразрядного излучателя в широком диапазоне частот.
«Импульсный режим работы газоразрядного излучателя позволяет проводить модальный анализ материалов, то есть определять собственные частоты и формы колебаний изделий. При этом ввиду короткой длительности импульса разряда спектральный состав генерируемого акустического сигнала содержит набор частот, и исследуемая пластина колеблется на различных частотах возбуждающего сигнала, присутствующих в импульсе. Это приводит к возникновению мультичастотного резонансного отклика как самой пластины, так и ее дефектных включений. Мы показали, что импульсный газоразрядный излучатель позволяет обнаружить дефекты в материалах за один эксперимент без использования набора резонансных излучателей и их замены, что существенно сокращает время контроля. Это делает его эффективным инструментом для проведения неразрушающих испытаний материалов бесконтактным способом», — отмечает Дарья Дерусова.
Бесконтактная диагностика является более точной за счет исключения влияния присоединенной массы на результаты контроля. Данный способ энергоэффективен и экономически более выгоден, поскольку в импульсе кратковременно передается большое количество энергии. Кроме того, его можно применять для контроля тонких, хрупких и гидрофильных материалов.
Исследования в рамках проекта РНФ будут продолжены в течение следующих двух лет. В планах ученых — повысить стабильность устройства, чтобы от импульса к импульсу количество передаваемой энергии было стабильным. Для этих целей исследователи намерены отрегулировать внутренние параметры генератора импульсов тока и изучить различные конфигурации электродной системы.
Проект реализуется при поддержке гранта Российского научного фонда №23-79-10107. Результаты работы ученых опубликованы в журнале Optics and Lasers in Engineering (Q1; IF:4,6).