Экспериментальная установка для регистрации импульсных электромагнитных полей, возбуждаемых волнами Лэмба в магнитополяризованной металлической пластине

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-

Гуревич С.Ю., Петров Ю.В., Экспериментальная установка для регистрации импульсных Голубев Е.В., Шульгинов А.А. электромагнитных полей, возбуждаемых волнами Лэмба… 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 GDS-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 s 0 и антисимметричными а 0 волнами Лэмба нулевых номеров. Для оценки и сравнения формы, максимальной амплитуды U , длительности τ и частоты колебаний ν этих импульсов на рис. 3 и 4 приведены их осциллограммы с меньшей временной разверткой.

Рис. 2. Электромагнитные импульсы, наведенные волнами Лэмба: s 0 – симметричные волны, а 0 – антисимметричные волны

Рис. 3. Электромагнитный импульс, наведенный симметричной волной s 0 Лэмба

Рис. 4. Электромагнитный импульс, наведенный антисимметричной волной а 0 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 Фурье-преобразования был рассчитан спектр электромагнитного импульса, наведенного симметричными s 0 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 s 0 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.