Разработка метода и аппаратуры бесконтактной ультразвуковой стимуляции для проведения контроля качества композиционных и полимерных материалов с использованием лазерной виброметрии

Объектом настоящей работы являются полимерные композиционные материалы, широко используемые в авиационной и ракетно-космической промышленности. Вследствие наличия производственных и эксплуатационных дефектов (ударные повреждения, трещины, расслоения), качество и состояние полимерных композиционных материалов должно быть оценено путем проведения неразрушающего контроля. Целью настоящего проекта является разработка способа ультразвукового неразрушающего контроля композиционных и полимерных материалов на основе взаимодополняющего использования бесконтактной ультразвуковой стимуляции и лазерного вибросканирования. Ключевым моментом в настоящем исследовании является создание энергоэффективного воздушно-связанного акустического преобразователя, способного проводить контроль качества в воздушной среде без непосредственного контакта с исследуемым материалом и обеспечить информативный уровень вибрационного сигнала на поверхности контролируемого изделия, достаточного для обнаружения структурных неоднородностей с использованием лазерного виброметра. Исследование воздушно-связанного магнитострикционного преобразователя в сборке с титановыми волноводами четырех конфигураций позволило определить диапазон рабочих частот и вибро-акустические характеристики устройства. По результатам работ получено, что несмотря на конкретные расчетные зависимости, экспериментально измеренный диапазон рабочих частот магнитостриктора в сборке с титановыми волноводами имеет небольшое отличие от результатов моделирования. Помимо этого, экспериментальные кривые, отражающие зависимость виброперемещения и виброскорости на торцевой части волновода от величины потребляемой электрической мощности магнитостриктора, довольно различны в зависимости от типа волноводов. Исследование механических характеристик волноводов показало, что коэффициент преобразования электрической мощности в акустическую для четырех рассматриваемых конфигураций волноводов изменялся в диапазоне 0,025-0,189. Таким образом, результаты исследования позволили оптимизировать конструкцию титанового волновода, а также более чем в 7 раз повысить КПД излучателя с целью интенсификации процесса УЗ генерации. А именно, по результатам исследования четырех типов титановых волноводов получено, что лучшими акустическими характеристиками обладает ступенчатый цилиндрический волновод с плоским наконечником. Данный излучатель способен максимально эффективно преобразовывать потребляемую электрическую энергию в акустическую по сравнению с другими рассматриваемыми типами волноводов. Указанные преимущества определили дальнейшее использование ступенчатого цилиндрического волновода для проведения контроля качества материалов и изделий. Повышение эффективности диагностики качества сложных многокомпонентных материалов проводится путем исследования акустических явлений, возникающих в области их структурных неоднородностей. Использование сканирующего лазерного виброметра в свою очередь позволяет проводить спектральный анализ вибраций на поверхности материалов в процессе их акустической стимуляции. В ходе проекта разработано устройство для бесконтактной ультразвуковой стимуляции для проведения контроля качества тонких, хрупких и гидрофильных материалов сложной формы, что позволяет усовершенствовать существующие технологии контроля качества материалов с использованием лазерной виброметрии.