RU2214590C2 - Procedure establishing physical and mechanical characteristics of polymer composite materials and device for its implementation - Google Patents
Procedure establishing physical and mechanical characteristics of polymer composite materials and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2214590C2 RU2214590C2 RU2001135020/28A RU2001135020A RU2214590C2 RU 2214590 C2 RU2214590 C2 RU 2214590C2 RU 2001135020/28 A RU2001135020/28 A RU 2001135020/28A RU 2001135020 A RU2001135020 A RU 2001135020A RU 2214590 C2 RU2214590 C2 RU 2214590C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser
- optical
- signal
- acoustic transducer
- porosity
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области оценки физико-механических свойств полимерных композиционных материалов (ПКМ) в деталях и конструкциях без их разрушения и может быть использовано для определения пористости, плотности и механических свойств ПКМ (угле-, боро-, органов-, стеклопластиков и т.п.) в авиационной, судостроительной и других отраслях машиностроения. The invention relates to the field of evaluating the physicomechanical properties of polymer composite materials (PCM) in parts and structures without destroying them and can be used to determine the porosity, density and mechanical properties of PCM (carbon, boron, organ, fiberglass, etc. .) in aviation, shipbuilding and other engineering industries.
Известен лазерно-акустический способ определения характеристик материалов (ЕР 0012262). Данный способ предназначен для определения характеристик (например, коэффициента теплопроводности) в малогабаритных изделиях, может быть использован для диагностики свойств материалов при производстве интегральных схем и полупроводников и не позволяет определять пористость, плотность и механические свойства ПКМ в крупногабаритных изделиях. Кроме того, данный способ предполагает размещение объекта контроля в жидкости, что не всегда возможно, особенно при контроле конструкций из ПКМ. A known laser-acoustic method for determining the characteristics of materials (EP 0012262). This method is designed to determine the characteristics (for example, the coefficient of thermal conductivity) in small-sized products, can be used to diagnose the properties of materials in the manufacture of integrated circuits and semiconductors and does not allow to determine the porosity, density and mechanical properties of PCMs in large-sized products. In addition, this method involves placing the control object in a liquid, which is not always possible, especially when controlling PCM structures.
Известен также способ получения фотоакустического изображения, реализуемый с использованием лазера (патент США 5070733). Данный способ позволяет выявлять дефекты типа нарушения сплошности материала и не позволяет определять пористость, плотность и механические свойства ПКМ. There is also known a method of obtaining a photoacoustic image, implemented using a laser (US patent 5070733). This method allows you to identify defects such as discontinuities in the material and does not allow to determine the porosity, density and mechanical properties of PCM.
Также известен лазерно-ультразвуковой способ неразрушающего контроля, применяемый для бесконтактного возбуждения упругих колебаний с помощью лазера и оптико-акустического преобразователя и бесконтактного лазерного приема упругих колебаний. Данный способ включает возбуждение сигнала упругих колебаний лазерным лучом с поверхности контролируемого изделия, прием с той же поверхности сигнала, прошедшего в конструкции и отраженного от ее противоположной стороны, анализ принятого сигнала и определение физических характеристик материала по параметрам принятого сигнала (патент США 5457997). Also known is a laser-ultrasonic non-destructive testing method used for non-contact excitation of elastic vibrations using a laser and an optical-acoustic transducer and non-contact laser reception of elastic vibrations. This method includes the excitation of a signal of elastic vibrations by a laser beam from the surface of the controlled product, receiving from the same surface a signal transmitted in the structure and reflected from its opposite side, analyzing the received signal and determining the physical characteristics of the material from the parameters of the received signal (US Pat. No. 5,457,997).
Однако этот способ и устройство для его реализации не позволяют получить точных и достоверных результатов ввиду того, что в качестве параметра неразрушающего контроля используется амплитуда донного сигнала, т.е. амплитуда сигнала, отраженного от противоположной стороны стенки конструкции, которая не находится в достаточно тесной корреляционной связи с пористостью, плотностью и механическими свойствами материала. However, this method and device for its implementation do not allow to obtain accurate and reliable results due to the fact that the amplitude of the bottom signal is used as a parameter of non-destructive testing, i.e. the amplitude of the signal reflected from the opposite side of the wall of the structure, which is not in a sufficiently close correlation with the porosity, density and mechanical properties of the material.
Известен лазерный генератор ультразвуковых волн для неразрушающего контроля, включающий систему из трех лазеров, линз и зеркал. Known laser generator of ultrasonic waves for non-destructive testing, including a system of three lasers, lenses and mirrors.
Данный генератор предназначен для лабораторных условий и не может быть использован для контроля изделий в цеховых или полевых условиях (патент США 3978713). This generator is designed for laboratory conditions and cannot be used to control products in workshop or field conditions (US patent 3978713).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ определения физико-механических характеристик ПКМ, заключающийся в том, что на поверхности контролируемого изделия с помощью преобразователя возбуждают упругие колебания, принимают с той же поверхности прошедшие по толщине изделия отраженные эхосигналы этих колебаний, измеряют сдвиг основных составляющих спектров многократно прошедших по толщине импульсов относительно излученных, по которым судят о пористости и плотности материала (ав. св. СССР 808930). The closest in technical essence to the present invention is a method for determining the physicomechanical characteristics of PCM, which consists in the fact that on the surface of the controlled product with the help of a transducer, elastic vibrations are excited, the reflected echo signals of these vibrations transmitted through the thickness of the product are received from the same surface, the main components of the spectra of pulses repeatedly transmitted over the thickness of the relatively emitted pulses, which are used to judge the porosity and density of the material (av. St. USSR 80893 0).
Однако этот способ не позволяет получить достаточно достоверных и точных результатов ввиду того, что сдвиг основных составляющих спектров принятых импульсов УЗК определяется как структурой армирования ПКМ, так и пористостью материала. Кроме того, на сдвиг основных составляющих спектров большое влияние оказывают явления интерференции и дифракции упругих волн в материале из-за геометрических характеристик контролируемого изделия, а также состояние его поверхности (шероховатость, неровности) и условия контакта преобразователя с поверхностью изделия. Погрешность определения данным способом искомых характеристик материала (пористости, плотности) велика, обусловлена большим разбросом значений параметра неразрушающего контроля и не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к контролю изделий ответственного назначения. However, this method does not allow to obtain sufficiently reliable and accurate results due to the fact that the shift of the main components of the spectra of the received ultrasonic pulses is determined by both the PCM reinforcement structure and the porosity of the material. In addition, the shift of the main components of the spectra is greatly influenced by the phenomena of interference and diffraction of elastic waves in the material due to the geometric characteristics of the controlled product, as well as the state of its surface (roughness, roughness) and the conditions of contact of the transducer with the surface of the product. The error in determining the desired material characteristics (porosity, density) by this method is large, due to the large variation in the values of the nondestructive testing parameter and does not satisfy the requirements for the control of critical products.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для исследования образцов с помощью ультразвука, включающее последовательно соединенные лазер, световод и лазерный оптико-акустический преобразователь, состоящий из корпуса, лазерного возбудителя ультразвуковых колебаний (УЗК) и пьезоэлектрического приемника УЗК (патент США 5381695). The closest in technical essence to the proposed device is a device for the study of samples using ultrasound, which includes a series-connected laser, optical fiber and a laser optical-acoustic transducer, consisting of a housing, a laser exciter of ultrasonic vibrations (ultrasonic vibrator) and a piezoelectric ultrasonic detector (US patent 5381695) .
Недостатком данного устройства является то, что с его помощью невозможно определять пористость и плотность ПКМ в изделиях ввиду отсутствия в его составе системы обработки принятого сигнала и системы позиционирования оптико-акустического преобразователя. The disadvantage of this device is that with its help it is impossible to determine the porosity and density of PCM in products due to the lack of a processing system for the received signal and a positioning system for the optical-acoustic transducer.
Технической задачей изобретения является создание способа и устройства, позволяющих повысить точность и достоверность определения непосредственно в изделиях таких физико-механических характеристик ПКМ как пористость, плотность, прочность при сдвиге и сжатии. An object of the invention is the creation of a method and device to improve the accuracy and reliability of determining directly in the products of such physical and mechanical characteristics of PCM as porosity, density, shear and compression strength.
Для решения поставленной задачи предложен способ определения физико-механических характеристик материалов, заключающийся в том, что на поверхности контролируемого изделия с помощью преобразователя возбуждают упругие колебания, принимают с той же поверхности прошедшие по толщине изделия отраженные эхосигналы этих колебаний и по параметрам принятого сигнала определяют пористость, плотность и механические свойства материала изделия, отличающийся тем, что возбуждение упругих колебаний осуществляют лазерным оптико-акустическим преобразователем широкополосным сигналом в спектральном диапазоне 0,1-20 МГц импульсами с энергией 1-10 мДж, длительностью не более 0,05 мкс и частотой повторения не менее 10 Гц, а пористость, плотность и механические свойства материала определяют по полной мощности шумовой компоненты рассеянного назад акустического сигнала, рассчитываемой по формуле:
где S(f) - измеренный спектр сигнала, отраженного от пор и структуры материала;
f - частота;
fmax и fmin - границы частотного диапазона.To solve this problem, a method for determining the physico-mechanical characteristics of materials is proposed, which consists in the fact that elastic vibrations are excited on the surface of the controlled product using a transducer, the reflected echo signals of these vibrations transmitted through the thickness of the product are received from the same surface, and the porosity is determined by the parameters of the received signal density and mechanical properties of the material of the product, characterized in that the excitation of elastic vibrations is carried out by laser optical-acoustic conversion An index is a broadband signal in the spectral range of 0.1–20 MHz with pulses with an energy of 1–10 mJ, a duration of not more than 0.05 μs, and a repetition rate of at least 10 Hz, and the porosity, density, and mechanical properties of the material are determined by the total power of the noise component of the scattered back acoustic signal calculated by the formula:
where S (f) is the measured spectrum of the signal reflected from the pores and structure of the material;
f is the frequency;
f max and f min - the boundaries of the frequency range.
Устройство для определения физико-механических характеристик материалов содержит последовательно соединенные лазер, кварцевый световод и лазерный оптико-акустический преобразователь с возможностью установки его на поверхности контролируемого изделия и отличается тем, что устройство дополнительно содержит последовательно соединенные входной интерфейс, подключенный к выходу оптико-акустического преобразователя, персональный компьютер и выходной интерфейс, а также систему позиционирования для автоматической привязки лазерного оптико-акустического преобразователя к системе координат, в которой находится контролируемое изделие, и осуществления произвольного вида сканирования. Система позиционирования содержит излучатель с возможностью излучения ультразвукового сигнала в воздушную среду, подключенный к выходному интерфейсу, и три разнесенных приемника, подключенных к входному интерфейсу. A device for determining the physicomechanical characteristics of materials comprises a laser, a quartz fiber, and a laser optical-acoustic transducer connected in series with the possibility of installing it on the surface of the product being monitored and characterized in that the device further comprises an input interface connected in series to the output of the optical-acoustic transducer, a personal computer and an output interface, as well as a positioning system for automatic laser binding Tyco-acoustic transducer to a coordinate system in which the product is controlled and scanning of arbitrary form. The positioning system comprises an emitter with the possibility of emitting an ultrasonic signal into the air, connected to the output interface, and three spaced receivers connected to the input interface.
Кроме того, предложенное устройство отличается тем, что излучатель системы позиционирования размещен на корпусе лазерного оптико-акустического преобразователя, а три приемника системы - в точках вне контролируемого изделия. In addition, the proposed device is characterized in that the emitter of the positioning system is located on the body of the laser optical-acoustic transducer, and the three receivers of the system are located at points outside the controlled product.
Оптико-акустический преобразователь содержит систему линз для формирования лазерного луча с радиусом облучения на поверхности контролируемого изделия 2,5-3,5 мм. The optical-acoustic transducer contains a lens system for forming a laser beam with an irradiation radius on the surface of the controlled product of 2.5-3.5 mm.
Способы определения физико-механических характеристик ПКМ, основанные на измерении скорости и затухания УЗК в материале конструкции, не позволяют получать точных и достоверных результатов контроля. Существенным улучшением таких способов является применение спектрального анализа принятого сигнала, прошедшего в изделии и несущего информацию о характеристиках материала, например, как в способе - прототипе. Однако спектральный анализ, проведенный при пьезоэлектрическом возбуждении упругих колебаний, зачастую не эффективен ввиду того, что пьезоэлектрическим (или другими, например, магнитострикционным) преобразователем невозможно возбудить очень короткие импульсы упругих колебаний в контролируемой конструкции. Только предложенный в заявке способ возбуждения УЗК с помощью лазера позволяет получить короткий (не более 0,05 мкс) импульс упругих колебаний. С помощью лазерного оптико-акустического преобразователя возбуждается широкополосный сигнал в спектральном диапазоне 0,1-20 МГц, при этом нижняя и верхняя границы определяются информативностью составляющих спектров в контролируемых изделиях из ПКМ. Энергия лазерного импульса не должна быть менее 1 мДж, т.к. в противном случае не удается возбудить достаточно мощные упругие колебания в контролируемом изделии, и не должна быть более 10 мДж, т.к. лазерный луч с энергией выше верхнего предела может повредить контролируемое изделие. Methods for determining the physicomechanical characteristics of PCM, based on measuring the speed and attenuation of ultrasonic testing in the material of construction, do not allow to obtain accurate and reliable control results. A significant improvement of such methods is the use of spectral analysis of the received signal transmitted in the product and carrying information about the characteristics of the material, for example, as in the prototype method. However, the spectral analysis carried out during piezoelectric excitation of elastic vibrations is often not effective due to the fact that it is impossible to excite very short pulses of elastic vibrations in a controlled structure with a piezoelectric (or other, for example, magnetostrictive) transducer. Only the laser ultrasound excitation method proposed in the application allows a short (not more than 0.05 μs) elastic oscillation pulse to be obtained. Using a laser optical-acoustic transducer, a broadband signal is excited in the spectral range 0.1-20 MHz, while the lower and upper boundaries are determined by the information content of the component spectra in the controlled PCM products. The laser pulse energy should not be less than 1 mJ, because otherwise, it is not possible to excite sufficiently powerful elastic vibrations in the controlled product, and should not be more than 10 mJ, because a laser beam with energy above the upper limit can damage the product being monitored.
Длительность импульсов лазерного луча не должна превышать 0,05 мкс, т.к. при большей длительности импульса уменьшается ширина его спектра и спектральный анализ становится не эффективным. Частота повторений импульсов должна быть не менее 10 Гц, что определяется требуемой скоростью перемещения оптико-акустического преобразователя по поверхности изделия и, следовательно, производительностью неразрушающего контроля. В процессе контроля с помощью системы линз формируется лазерный луч с радиусом области облучения поверхности изделия r= 2,5-3,5 мм. Если размеры облучаемой области изделия будут большими (при r>3,5 мм), то понизится локальность способа, что нежелательно. Маленькие размеры области облучения изделия (при r<2,5 мм) также нежелательны, т.к. это скажется на производительности контроля. Кроме того, в последнем случае повышается влияние паразитных сдвиговых импульсов, что снижает динамический диапазон измерений. The pulse duration of the laser beam should not exceed 0.05 μs, because with a longer pulse duration, the width of its spectrum decreases and the spectral analysis becomes inefficient. The pulse repetition rate should be at least 10 Hz, which is determined by the required speed of the optical-acoustic transducer on the surface of the product and, therefore, the performance of non-destructive testing. In the process of control using a lens system, a laser beam is formed with a radius of the irradiation region of the product surface r = 2.5-3.5 mm. If the dimensions of the irradiated region of the product are large (for r> 3.5 mm), then the locality of the method will decrease, which is undesirable. Small sizes of the product irradiation area (at r <2.5 mm) are also undesirable, because this will affect control performance. In addition, in the latter case, the influence of spurious shear pulses increases, which reduces the dynamic range of measurements.
Таким образом, для получения мощных широкополосных ультразвуковых импульсов предлагается применение лазерного термооптического возбуждения звука - оптико-акустического эффекта. Амплитуда и временная форма (и соответственно частотный спектр) термооптически возбуждаемого ультразвукового импульса определяется временной зависимостью интенсивности поглощенного лазерного импульса и теплофизическими параметрами поглощающей среды (коэффициентом поглощения света, коэффициентом теплового расширения, теплопроводностью, температуропроводностью), при этом амплитуда термооптически возбуждаемых ультразвуковых импульсов может достигать сотен мегапаскалей в спектральном диапазоне 0,1-20 МГц. Thus, to obtain powerful broadband ultrasonic pulses, it is proposed to use laser thermo-optical excitation of sound - the optical-acoustic effect. The amplitude and temporal shape (and, accordingly, the frequency spectrum) of a thermally optically excited ultrasonic pulse is determined by the time dependence of the intensity of the absorbed laser pulse and the thermophysical parameters of the absorbing medium (light absorption coefficient, coefficient of thermal expansion, thermal conductivity, thermal diffusivity), while the amplitude of thermo-optically excited ultrasonic pulses can reach hundreds megapascals in the spectral range of 0.1-20 MHz.
Полная мощность шумовой компоненты рассеянного назад акустического сигнала наилучшим образом коррелирует с пористостью, плотностью и механическими свойствами материала и именно поэтому данная характеристика была выбрана в качестве параметра НК. The total power of the noise component of the backscattered acoustic signal correlates in the best way with the porosity, density, and mechanical properties of the material, and this is why this characteristic was chosen as the NC parameter.
Так как конструкции, подлежащие контролю, обычно имеют значительные размеры (например, до 7х3 м) необходима автоматическая привязка определяемого параметра неразрушающего контроля к местоположению оптико-акустического преобразователя, т. е. к координатам его позиции на поверхности конструкции в момент снятия данного параметра. Такое непрерывное позиционирование, позволяющее получить картину распределения параметра неразрушающего контроля по поверхности всей конструкции или его фрагмента, осуществляют ультразвуковым способом по трем координатам. Since the structures to be inspected usually have significant dimensions (for example, up to 7x3 m), it is necessary to automatically link the determined non-destructive testing parameter to the location of the optical-acoustic transducer, i.e., to the coordinates of its position on the surface of the structure at the time this parameter is removed. Such continuous positioning, which allows to obtain a picture of the distribution of the parameter of non-destructive testing on the surface of the entire structure or its fragment, is carried out by ultrasound in three coordinates.
Структурная схема заявляемого устройства для определения физико-механических характеристик ПКМ в изделиях приведена на фиг.1. На фиг.2 дана схема, поясняющая принцип работы устройства позиционирования. На фиг.3 представлен график корреляционной связи полной мощности шумовой компоненты с пористостью углепластика. The structural diagram of the inventive device for determining the physico-mechanical characteristics of the PCM in the products shown in figure 1. Figure 2 is a diagram explaining the principle of operation of the positioning device. Figure 3 presents a graph of the correlation of the total power of the noise component with the porosity of carbon fiber.
Заявленное устройство содержит (фиг.1) лазер 1, кварцевый световод 2, оптико-акустический преобразователь 3, содержащий расположенные в общем корпусе стандартный разъем 4, обеспечивающий возможность замены волокна 2 в случае его повреждения, систему линз 5 формирования пучка, прозрачную призму 6 с просветленной фаской на боковой поверхности для входа пучка света, который через призму 6 падает на поверхность контролируемой конструкции, широкополосный пьезоприемник 7, приклеенный на тыльное основание призмы 6 и демпфированной слоем полимеризованной эпоксидной смолы, широкополосный усилитель 8. На корпусе лазерного оптико-акустического преобразователя установлен ультразвуковой излучатель 9 системы позиционирования, а вне контролируемой конструкции размещены на подставке три ультразвуковых приемника 10, причем излучатель 9 подсоединен к выходному интерфейсу 11, а приемники 10 - к входному интерфейсу 12, которые подключены соответственно к выходу и входу персонального компьютера 13. Результаты контроля можно наблюдать на дисплейном мониторе 14. Все энергопотребляющие блоки устройства (1, 8, 13) подключены к источнику электропитания 15. Объект контроля - изделие 16. The claimed device contains (Fig. 1) a laser 1, a quartz optical fiber 2, an optical-acoustic transducer 3, containing a standard connector 4 located in the common housing, which makes it possible to replace fiber 2 in case of damage, a
Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.
Лазерный импульс от лазера 1 через световод 2 направляется в оптико-акустический преобразователь. Лазерный импульс проходит систему формирования пучка 5 и через просветленную фаску на боковой поверхности призмы 6 падает под углом 45o на поверхность контролируемой конструкции 16, при этом радиус лазерного пучка равен 2,5-3,5 мм. При поглощении лазерного импульса происходит термооптическое возбуждение ультразвукового импульса, при этом акустическая волна бежит от поверхности конструкции 16 как вглубь нее, так и в прозрачную призму 6. Сигнал от поверхности объекта контроля 16, прошедший через призму 6 и зарегистрированный пьезоприемником 7, является контрольным. Ультразвуковой сигнал, распространяющийся от поверхности вглубь конструкции 16, претерпевает рассеивание на порах и структуре материала конструкции. Часть этого сигнала, рассеянная назад, попадает в призму и также регистрируется пьезоприемником 7 с некоторой временной задержкой относительно прихода контрольного сигнала. Время прихода рассеянной волны соответствует определенной глубине залегания зоны пористости материала. Частотный спектр акустических импульсов, рассеянных назад всей толщиной стенки конструкции, несет информацию о неоднородностях структуры в целом.The laser pulse from the laser 1 through the optical fiber 2 is sent to the optical-acoustic transducer. The laser pulse passes through the beam-forming
Пьезоприемник 7 работает в режиме холостого хода, т.е. электрические сигналы с приемника поступают на высокоомный вход широкополосного усилителя 8. Выходное сопротивление усилителя (50 Ом) равно волновому сопротивлению высокочастотного кабеля, по которому сигналы для дальнейшей цифровой обработки передаются на входной интерфейс 12, являющийся многоканальным аналого-цифровым преобразователем, и затем поступают в оперативную память компьютера 13. The piezoelectric receiver 7 operates in idle mode, i.e. electrical signals from the receiver are fed to the high-impedance input of the broadband amplifier 8. The output impedance of the amplifier (50 Ohms) is equal to the wave impedance of the high-frequency cable, through which the signals for further digital processing are transmitted to the input interface 12, which is a multi-channel analog-to-digital converter, and then fed to the operational computer memory 13.
Система позиционирования работает следующим образом. The positioning system operates as follows.
Точка установки оптико-акустического преобразователя (фиг.2) принимается за начало отсчета и ей присваиваются исходные начальные координаты х=0, у=0. На ультразвуковой излучатель 9 от компьютера 13 через выходной интерфейс 11, являющийся цифроаналоговым преобразователем, поступают короткие электрические импульсы, которые преобразуются в упругие колебания, излучаются в воздушную среду и принимаются тремя разнесенными в пространстве ультразвуковыми приемниками 10. Моменты излучения и приема ультразвуковых импульсов синхронизированы по времени внутренним таймером компьютера 13. Поэтому по каждому сигналу, принятому ультразвуковым приемником 10, можно измерить абсолютное время распространения ультразвукового сигнала и, зная скорость распространения ультразвуковых сигналов в воздухе, определить расстояние от ультразвукового излучателя до ультразвукового приемника. Измерив эти расстояния и зная расстояние между ультразвуковыми приемниками 10, можно однозначно измерить положения излучателя xi, yi относительно точки установки оптико-акустического преобразователя 3.The installation point of the optical-acoustic transducer (figure 2) is taken as the reference point and the initial initial coordinates x = 0, y = 0 are assigned to it. To the ultrasonic emitter 9 from the computer 13 through the output interface 11, which is a digital-to-analog converter, short electrical pulses are received, which are converted into elastic waves, radiated into the air and received by three ultrasonic receivers spaced in
На фиг. 2 в центре системы координат z1, х1, у1 расположен оптико-акустический преобразователь, а в системе координат z, х, у в точках а, b, и с расположены ультразвуковые приемники 10. Расстояния ab=bс=ас=d - заданы конструктивно. Расстояния CO = Cзв•τ1, BO = Cзв•τ2, AO = Cзв•τ3. Скорость звука в воздухе Сзв=330 м/с, поэтому измерение τ1,τ2 и τ3 однозначно определяет расстояния СО, ВО и АО, т.е. определяет положение оптико-акустического преобразователя 3 относительно приемников 10.In FIG. 2 in the center of the coordinate system z 1 , x 1 , y 1 there is an optical-acoustic transducer, and in the coordinate system z, x, y at points a, b, and c there are
Пространственно-временная обработка сигналов, прошедших в контролируемой конструкции 16, принятых пьезоприемником 7, усиленных усилителем 8 и преобразованных из аналоговой формы в цифровую входным интерфейсом 12, осуществляется с помощью персонального компьютера 13 с использованием пакета программ, позволяющих зафиксировать реальный спектр сигнала, отраженного от структуры (пор) материала, сгладить этот спектр, вычесть сглаженный спектр из реального, возвести в квадрат разницу и подсчитать мощность рассеянной компоненты при усреднении осцилляции по всей полосе частот. В процессе сканирования оптико-акустического преобразователя 3 по поверхности контролируемой конструкции измеряется пространственное распределение полной мощности шумовой компоненты W(xi, уi), по которой, используя установленную корреляционную связь ее с пористостью Vп, плотностью ρ или механическими свойствами материала определяют искомые характеристики Vп(xi, уi), ρ(xi,yi), τсдв(xi,yi), σсж(xi,yi) и др. Следует заметить, что в ПКМ плотность материала в основном определяется пористостью материала при определенном соотношении основных компонентов, т.е. между плотностью и пористостью материала существует довольно тесная корреляционная связь.Spatial-temporal processing of signals transmitted in a controlled design 16, received by a piezoelectric receiver 7, amplified by an amplifier 8 and converted from an analog form to a digital input interface 12, is carried out using a personal computer 13 using a software package that allows you to capture the real spectrum of the signal reflected from the structure (pore) of the material, smooth this spectrum, subtract the smoothed spectrum from the real one, square the difference and calculate the power of the scattered component when averaging stsillyatsii over the entire bandwidth. In the process of scanning the optical-acoustic transducer 3 over the surface of the controlled structure, the spatial distribution of the total power of the noise component W (x i , y i ) is measured, which, using the established correlation between it and porosity V p , density ρ or mechanical properties of the material, determines the desired characteristics V p (x i , y i ), ρ (x i , y i ), τ sdv (x i , y i ), σ compress (x i , y i ), etc. It should be noted that in PCM the density of the material in mainly determined by the porosity of the material at a certain ratio x components, i.e. between the density and porosity of the material there is a rather close correlation.
На фиг. 3 показана зависимость полной мощности шумовой компоненты спектральной плотности акустического сигнала W в производных единицах от объемной пористости материала Vп в %.In FIG. Figure 3 shows the dependence of the total power of the noise component of the spectral density of the acoustic signal W in derived units on the bulk porosity of the material V p in%.
Примеры осуществления способа. Examples of the method.
Пример 1. Определение пористости (объемного содержания пор) и прочности при сдвиге углепластика КМУ-4лт в изделии толщиной 2-3 мм. Example 1. The determination of porosity (volumetric pore content) and shear strength of carbon fiber KMU-4lt in a product with a thickness of 2-3 mm
Способ реализован по предложенному в заявке способу, включающему возбуждение упругих колебаний с помощью лазерного оптико-акустического преобразователя широкополосным сигналом в спектральном диапазоне 0,1-20 МГц импульсами с энергией 1,0 мДж, длительностью 0,05 мкс и частотой повторения 15 Гц, фиксацию измеренного спектра сигнала, отраженного от пор и структуры материала, сглаживания этого спектра и вычитания сглаженного спектра из измеренного, возведения в квадрат полученной разницы, подсчет мощности рассеянной компоненты при усреднении осцилляций по всей полосе частот и определение по корреляционным связям W = φ(Vп) и W = φ(τсдв) пористости и прочности при сдвиге материала при одновременном позиционировании лазерного оптико-акустического преобразователя посредством ультразвукового способа.The method is implemented according to the method proposed in the application, including the excitation of elastic vibrations using a laser optical-acoustic transducer with a broadband signal in the spectral range of 0.1-20 MHz with pulses with an energy of 1.0 mJ, a duration of 0.05 μs and a repetition rate of 15 Hz, fixation the measured spectrum of the signal reflected from the pores and the structure of the material, smoothing this spectrum and subtracting the smoothed spectrum from the measured, squaring the difference, calculating the power of the scattered component when averaging stsillyatsy over the entire frequency band and the determination of the correlation relations W = φ (V n) and W = φ (τ sh) porosity and shear strength of the material while positioning the laser opto-acoustic transducer by an ultrasonic method.
Проведенные эксперименты показали, что полная мощность шумовой компоненты спектральной плотности оптико-акустического сигнала сильно зависит от пористости углепластика, возрастая с увеличением пористости. Шумовая компонента сигнала для зоны изделия с наименьшей пористостью мала и обусловлена только рассеиванием ультразвука на структурных неоднородностях углепластика и аппаратными шумами (например, шумом квантования при цифровой обработке сигнала). С повышением пористости конструкции полная мощность шумовой компоненты возрастает. При этом увеличение пористости на 1% вызывает рост мощности шумовой компоненты в 3 раза (фиг.3), что свидетельствует о том, что поры вносят основной вклад в рассеянный назад акустический сигнал. Коэффициент корреляции зависимости W = φ(Vп) RVп = 0,98, а зависимости W = φ(τсдв) Rτсдв = 0,95, что подтверждает тесноту корреляционной связи полной мощности шумовой компоненты с пористостью и прочность при сдвиге углепластика.The experiments showed that the total power of the noise component of the spectral density of the optical-acoustic signal strongly depends on the porosity of the carbon fiber, increasing with increasing porosity. The noise component of the signal for the product zone with the lowest porosity is small and is caused only by the scattering of ultrasound on the structural inhomogeneities of the carbon fiber reinforced plastic and hardware noise (for example, quantization noise during digital signal processing). With increasing porosity of the structure, the total power of the noise component increases. Moreover, an increase in porosity of 1% causes a 3-fold increase in the power of the noise component (Fig. 3), which indicates that the pores make the main contribution to the backscattered acoustic signal. The correlation coefficient of the dependence W = φ (V p ) R Vп = 0.98, and the dependence W = φ (τ sdv ) R τsdv = 0.95, which confirms the close correlation of the total power of the noise component with porosity and shear strength of carbon fiber reinforced plastic.
Пример 2. Определение плотности и прочности при сжатии стеклопластика АП-66-151 в изделии толщиной 5-6 мм. Example 2. Determination of density and compressive strength of fiberglass AP-66-151 in a product with a thickness of 5-6 mm.
Способ реализован в соответствии со способом, описанным в примере 1, но параметры лазерного сигнала были иные: энергия импульсов - 10 мДж, длительность импульсов - 0,02 мкс, частота повторения - 10 Гц. Определение плотности и прочности при сжатии материала проводилось по корреляционным связям W = φ(ρ) и W = φ(σсж) также при одновременном позиционировании лазерного оптико-акустического преобразователя посредством ультразвукового способа.The method was implemented in accordance with the method described in example 1, but the laser signal parameters were different: pulse energy - 10 mJ, pulse duration - 0.02 μs, repetition rate - 10 Hz. The density and compressive strength of the material were determined using the correlation relationships W = φ (ρ) and W = φ (σ squ ), while also positioning the laser optical-acoustic transducer using the ultrasonic method.
Коэффициент корреляции полной мощности шумовой компоненты с плотностью материала в этом случае Rρ = 0,95, а с прочностью при сжатии Rσсж = 0,95, что свидетельствует о высокой точности и достоверности определяемых характеристик стеклопластика.The correlation coefficient of the total power of the noise component with the density of the material in this case is R ρ = 0.95, and with compressive strength R σc = 0.95, which indicates high accuracy and reliability of the determined characteristics of fiberglass.
Пример 3 - прототип. Определение пористости (объемного содержания пор) углепластика КМУ-4лт в конструкции толщиной 2-3 мм. Example 3 is a prototype. Determination of porosity (volume pore content) of KMU-4lt carbon fiber reinforced plastic in a 2-3 mm thick structure.
Способ реализован в соответствии с прототипом. Частота f0 основной составляющей спектра импульсов, многократно прошедших по толщине конструкции, определена с помощью стенда, включающего последовательно соединенные прямой преобразователь на 2,5 МГц, ультразвуковой импульсный дефектоскоп ДУК-66ПМ и анализатор спектра СЧ-25. Плотность углепластика определена по значениям f0 с использованием ранее установленной корреляционной связи этого параметра неразрушающего контроля с плотностью материала. Коэффициент множественной корреляции при этом R=0,81, что значительно меньше коэффициента корреляции, определенного в примере 1. Это позволяет сделать вывод о большей достоверности и точности определения пористости предложенным способом по сравнению со способом, принятым за прототип, что достигнуто за счет лазерного возбуждения УЗК, введения спектрального анализа и использования нового параметра неразрушающего контроля - полной мощности шумовой компоненты, который находится в более тесной корреляционной связи с искомой характеристикой - пористостью материала.The method is implemented in accordance with the prototype. The frequency f 0 of the main component of the spectrum of pulses that have repeatedly passed through the thickness of the structure was determined using a test bench including a 2.5 MHz direct transducer, a DUK-66PM ultrasonic pulse flaw detector, and an SCh-25 spectrum analyzer. The density of carbon fiber is determined by the values of f 0 using the previously established correlation of this parameter of non-destructive testing with the density of the material. The multiple correlation coefficient is R = 0.81, which is significantly less than the correlation coefficient defined in example 1. This allows us to conclude that the proposed method has greater reliability and accuracy of determining porosity compared to the method adopted for the prototype, which was achieved due to laser excitation Ultrasonic testing, the introduction of spectral analysis and the use of a new parameter of non-destructive testing - the total power of the noise component, which is in a closer correlation with the desired characteristic - porosity of the material.
Во всех примерах уравнения регрессии получены предварительно на стадии отработки методики неразрушающего контроля путем компьютерной обработки по специальной программе данных экспериментов, включающих параметры неразрушающего контроля (в примерах 1 и 2 - W, в примере 3 - f0) и значения характеристик ПКМ - Vп, τсдв,ρ и σсж, определенных разрушающим методом.In all examples, the regression equations were obtained previously at the stage of developing the non-destructive testing methodology by computer processing the experimental data using a special program, including non-destructive testing parameters (in examples 1 and 2 - W, in example 3 - f 0 ) and PCM characteristics values - V p , τ sdv , ρ and σ sr determined by the destructive method.
При использовании лазерно-акустического способа возбуждения ультразвуковых сигналов и спектрального анализа для определения мощности шумовой компоненты в отличие от способа-прототипа можно с достаточно высокой достоверностью и точностью определять низкие (<0,05%) значения пористости ПКМ, что особенно важно для высоконагруженных элементов конструкций. When using the laser-acoustic method of exciting ultrasonic signals and spectral analysis to determine the power of the noise component, in contrast to the prototype method, it is possible to determine low (<0.05%) values of PCM porosity with high reliability and accuracy, which is especially important for highly loaded structural elements .
Предложенный лазерно-акустический способ определения пористости, плотности и механических свойств ПКМ в конструкциях и устройство для его осуществления позволяет повысить достоверность и точность контроля конструкций ответственного назначения, в том числе из новых ПКМ, и в конечном счете повысить надежность летательных аппаратов. The proposed laser-acoustic method for determining the porosity, density and mechanical properties of PCMs in structures and a device for its implementation allows to increase the reliability and accuracy of control of critical structures, including those from new PCMs, and ultimately to increase the reliability of aircraft.
Claims (4)
где S(f) - измеренный спектр сигнала, отраженного от пор и структуры материала;
f - частота;
fmax и fmin - границы частотного диапазона.1. A method for determining the physicomechanical characteristics of materials, which consists in the fact that elastic vibrations are excited on the surface of the controlled product using a transducer, the reflected echo signals of these vibrations transmitted through the thickness of the product are received from the same surface, and the porosity and density are determined by the parameters of the received signal and mechanical properties of the material of the product, characterized in that the excitation of elastic vibrations is carried out by a laser optical-acoustic transducer with a broadband signal in sp the spectral range of 0.1-20 MHz with pulses with an energy of 1-10 mJ, a duration of not more than 0.05 μs and a repetition frequency of at least 10 Hz, and the porosity, density and mechanical properties of the material are determined by the total power of the noise component of the backscattered acoustic signal, calculated by the formula
where S (f) is the measured spectrum of the signal reflected from the pores and structure of the material;
f is the frequency;
f max and f min - the boundaries of the frequency range.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001135020/28A RU2214590C2 (en) | 2001-12-26 | 2001-12-26 | Procedure establishing physical and mechanical characteristics of polymer composite materials and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001135020/28A RU2214590C2 (en) | 2001-12-26 | 2001-12-26 | Procedure establishing physical and mechanical characteristics of polymer composite materials and device for its implementation |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2214590C2 true RU2214590C2 (en) | 2003-10-20 |
| RU2001135020A RU2001135020A (en) | 2004-03-20 |
Family
ID=31988621
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001135020/28A RU2214590C2 (en) | 2001-12-26 | 2001-12-26 | Procedure establishing physical and mechanical characteristics of polymer composite materials and device for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2214590C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2603819C2 (en) * | 2015-03-30 | 2016-11-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" | Optoacoustic lens |
| RU2793566C1 (en) * | 2022-09-30 | 2023-04-04 | Общество с ограниченной ответственностью "Кинетик" (ООО "Кинетик") | Optical-acoustic converter for laser-ultrasonic defectoscope |
-
2001
- 2001-12-26 RU RU2001135020/28A patent/RU2214590C2/en active
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2603819C2 (en) * | 2015-03-30 | 2016-11-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" | Optoacoustic lens |
| RU2793566C1 (en) * | 2022-09-30 | 2023-04-04 | Общество с ограниченной ответственностью "Кинетик" (ООО "Кинетик") | Optical-acoustic converter for laser-ultrasonic defectoscope |
| RU2809932C1 (en) * | 2023-09-07 | 2023-12-19 | Светлана Александровна Смотрова | Method for determining structural characteristics of products made of polymer composite materials and device for its implementation |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2001135020A (en) | 2004-03-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5708191A (en) | Ultrasonic fluid densitometry and densitometer | |
| Guyott et al. | The non-destructive testing of adhesively bonded structure: a review | |
| US6082180A (en) | Ultrasonic fluid densitometer for process control | |
| US5886250A (en) | Pitch-catch only ultrasonic fluid densitometer | |
| Kaczmarek et al. | Noncontact ultrasonic nondestructive techniques: state of the art and their use in civil engineering | |
| KR20030015389A (en) | A system and method of determining porosity in composite materials using ultrasound | |
| CA2352839A1 (en) | Apparatus and method for evaluating the physical properties of a sample using ultrasonics | |
| Goujon et al. | Behaviour of acoustic emission sensors using broadband calibration techniques | |
| Goueygou et al. | Assessment of porosity of mortar using ultrasonic Rayleigh waves | |
| Brigante et al. | Acoustic methods for the nondestructive testing of concrete: A review of foreign publications in the experimental field | |
| Berriman et al. | Humidity and aggregate content correction factors for air-coupled ultrasonic evaluation of concrete | |
| WO1987002462A1 (en) | Ultrasonic method of measuring dimensions of flaw in solid material | |
| US7086285B2 (en) | Nondestructive inspection method and system therefor | |
| US8468889B2 (en) | Apparatus for the non-destructive testing of samples using ultrasonic waves | |
| Ahn et al. | Air-coupled ultrasonic diffuse-wave techniques to evaluate distributed cracking damage in concrete | |
| JPH04323553A (en) | Method and device for ultrasonic resonance flaw detection | |
| RU2214590C2 (en) | Procedure establishing physical and mechanical characteristics of polymer composite materials and device for its implementation | |
| Moss et al. | Investigation of ultrasonic transducers using optical techniques | |
| Yim et al. | Air voids size distribution determined by ultrasonic attenuation | |
| Bramanti et al. | A procedure to detect flaws inside large sized marble blocks by ultrasound | |
| RU2196982C2 (en) | Procedure determining physical and mechanical characteristics and composition of polymer composite materials in structures by ultrasonic method | |
| US5101382A (en) | Acoustic imaging method and apparatus for nondestructive evaluation of materials | |
| RU2231054C1 (en) | Method of determination of degree of polymerization of composite materials | |
| Goueygou et al. | Non destructive evaluation of degraded concrete cover using high-frequency ultrasound | |
| JPH06242086A (en) | Ultrasonic inspection system |