Лазерная генерация волн Лэмба в ферромагнитной металлической пластине

Генерация ультразвуковых волн в металлах с помощью лазерных импульсов наносекундной длительности имеет ряд существенных преимуществ перед традиционными способами. Во-первых, отпадает необходимость в пьезопреобразователях и контактных средах, так как источником ультразвука в этом случае является освещаемая поверхность самого изделия. Размеры и форма такого термоакустического источника могут легко регулироваться с помощью линз, а сам лазер может быть удален от объекта исследования на достаточно большое расстояние. Во- вторых, длительность акустических импульсов, которые генерируются лучом лазера в металле, измеряется десятыми долями микросекунд, то есть спектр частот возбуждаемых колебаний значительно шире, чем в случае возбуждения ультразвука с помощью резонансных ПП. Это обстоятельство дает возможность увеличить объём информации о физико-механических свойствах исследуемого объекта, его микроструктуре, форме, природе выявляемых в нем дефектов, умень- шить «мертвую» зону и т.п.

Перечисленные достоинства лазерной генерации в полной мере относятся и к случаю возбуждения ультразвуковых волн в тонкостенных металлических изделиях (волн Лэмба). Однако для внедрения предлагаемого способа в практику ультразвукового контроля таких изделий, необходимо знать структуру возбуждаемого акустического поля в тонких металлических пластинах, зависимости основных характеристик волн Лэмба (тип, частота, амплитуда, скорость и т.д.) от гео- метрических и энергетических параметров лазерного излучения.

Эксперимент

Рис. 1. Схема установки: 1 – оптическая скамья, 2 – лазер, 3 – полупрозрачное зеркало, 4 – линза, 5 – пластина, 6 – пьезоискатель, 7 – усилитель, 8 – осциллограф

Для экспериментальных исследований была собрана опытная установка, схема которой показана на рис. 1. Импульсный YAG: Nd3+-лазер ЛТИ-403, работающий в режиме активной модуляции добротности, излучает световые импульсы длительностью 30 нс с частотой следования 12,5 Гц. Длина волны лазерного излучения составляет 1,06 мкм, максимальная энергия импульса 400 мДж. Мощность лазерного излучения контролируется прибором ИМО-2Н. Для изменения направления распространения лазерного луча служит поворотное полупрозрачное зеркало, диаметр лазерного пятна может регулироваться с помощью оптической линзы в пределах 0,5–5,0 мм. Лазерный луч, сфокусированный оптической линзой до диаметра 0,7 мм, направлялся на поверхность металлической ферромагнитной пластины. Средняя поверхностная плотность тепловой мощности лазерного излучения устанавливалась равной 180 МВт/см2, что соответствует испарительному механизму лазерной генерации ультразвука. Выбранные значения диаметра светового пятна и интенсивности лазерного излучения обеспечивали при минимальных размерах зоны генерации достаточную для проведения исследований амплитуду импульсов ультразвуковых волн Лэмба.

Под действием излучения металл в зоне лазерного пятна нагревается и становится источником сдвиговых и нормальных упругих возмущений [1, 2]. В металлической пластине возмущения

Работа выполнена при поддержке РФФИ-Урал (грант № 07-02-96004).

Петров Ю.В., Гуревич С.Ю.

распространяются в виде симметричных (S 0 , S 1 , S 2 , и т.д.) и антисимметричных (А 0 , А 1 , А 2 , и т.д.) ультразвуковых волн Лэмба [3]. Фазовые и групповые скорости распространения волн разные и зависят от упругих постоянных материала пластины, её толщины h и частоты ν колебаний.

Для регистрации ультразвуковых волн Лэмба существует несколько методов [3]. В данной работе прием возбуждаемых волн осуществлялся прямым пьезоискателем, опирающимся своей рабочей поверхностью на ребро прямоугольного торца ферромагнитной пластинки. Причем для достижения наилучшего приема рабочая плоскость пьезоискателя устанавливается под углом 45° к граням пластинки. Следует заметить, что выбранный метод легко реализуется на практике, обладает наглядностью – регистрируется вся совокупность импульсов волн Лэмба, возбуждаемых в пластине, обеспечивается достаточная точность проводимых измерений.

От места возбуждения волны, распространяясь в пластине, достигают приемника, преобразуются в электрические колебания и через усилитель поступают на вход осциллографа. Поскольку групповые скорости волн разные, то на экране осциллографа каждой моде симметричной и антисимметричной волны Лэмба соответствует отдельный импульс. Количество этих импульсов, их степень разрешения друг от друга во времени и амплитуда будут определяться пройденным волнами расстоянием от места возбуждения до места приёма, их энергией и затуханием в материале пластины.

Для определения групповой скорости волн Лэмба по масштабной сетке экрана осциллографа проводились измерения времени распространения волн при различных расстояниях между лазерным пятном и приемником. Перемещение пятна контролировалось по миллиметровой шкале оптической скамьи. Для волн Лэмба одного типа и конкретной моды экспериментальные точки должны с точностью до погрешности измерения располагаться на одной линии. Средняя групповая скорость рассчитывалась как величина обратная угловому коэффициенту полученного графика.

Рис. 2 Рис. 3

Объектами исследования были шлифованные прямоугольные ферромагнитные пластины размерами 270х60 мм и толщинами h : 0,60; 1,25; 2,00; 2,70 мм. Приемниками волн Лэмба являлись штатные прямые пьезоискатели с резонансными частотами 0,60; 1,25; 2,50; 5,00; 10,00 МГц.

В качестве примера на рис. 2 представлен график упомянутой выше зависимости для металлической пластинки толщиной h = 0,60 мм и частоты пьезоискателя ν = 0,60 МГц. Видно, что в пластинке распространяются две волны Лэмба с разными скоростями. На рис. 3 для этого же случая приведен график зависимости амплитуд электрических импульсов, пропорциональных упругим, от расстояния между лазерным пятном и приемником.

Для определения типа и номера возбуждаемых ультразвуковых волн Лэмба экспериментальные значения скоростей наносились на дисперсионные кривые низших номеров волн Лэмба (рис. 4). Эти кривые для исследуемых ферромагнитных пластин были рассчитаны авторами в работе [4].

Выводы

• 1.    Предложен и реализован метод приема ультразвуковых волн Лэмба, отличающийся тем, что позволяет наблюдать на экране осциллографа одновременно всю совокупность импульсов волн Лэмба, возбуждаемых в пластине.

• 2.    В режиме испарительного механизма лазерной генерации ультразвука возникают, в основном, нулевые симметричные S 0 , антисимметричные А 0 волны Лэмба и волны поверхностные.

  
  
  

• 3.    Из анализа значений полученных скоростей следует, что источниками S 0 -волн в пластине являются нормальные, а А 0 -волн и поверхностных – поперечные составляющие упругих возмущений от нагретого объёма металла. Изменяя с помощью размеров лазерного пятна амплитуду этих составляющих, в пластине можно возбуждать преимущественно

• 4.    Диапазон возбуждаемых ультразвуковых колебаний в пластинах достаточной амплитуды ограничивается частотами от 0,6 до 4 МГц. При увеличении частоты до 10 МГц наблюдается их

Серия «Математика. Механика. Физика», выпуск 1

Физика

симметричные или антисимметричные волны Лэмба.

сильное затухание. Зависимость амплитуды волн Лэмба от параметра hν является неоднознач- ной.