Исследование газоразрядного электроакустического преобразователя и его применение в задачах неразрушающего контроля

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Представлены результаты исследования газоразрядного электроакустического преобразователя (ГЭАП), функционирующего на основе импульсного разряда в воздухе при атмосферном давлении. Путем измерения уровня звукового давления и регистрации амплитудно-частотного спектра колебаний мембраны получена акустическая характеристика ГЭАП в диапазоне частот от 40 Гц до 4 МГц. Изучены электротермоакустические процессы, протекающие в газоразрядной системе «открытого типа», т.е. в случае, когда объем электродной системы сообщается с внешней средой. Выявлены особенности, характерные для подобных ГЭАП, в частности возникающие при их применении в задачах неразрушающего контроля. Показано, что износ электродов и изоляции, с одной стороны, ограничивает ресурс электродной системы преобразователя, а с другой стороны, приводит к напылению микрочастиц на поверхность тестового объекта. Количественно определена скорость износа элементов электродной системы. Приведены результаты химического анализа микрочастиц, выделившихся из объекта в ходе функционирования ГЭАП. Показана возможность применения ГЭАП для бесконтактного возбуждения локальных резонансных колебаний дефектов в композиционных материалах на примере неразрушающего контроля стеклопластикового композита с применением сканирующей лазерной доплеровской виброметрии.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Д. А. Дерусова

Томский политехнический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: red@tpu.ru
Россия, 634028 Томск, ул. Савиных, 7

В. П. Вавилов

Томский политехнический университет

Email: vavilov@tpu.ru
Россия, 634028 Томск, ул. Савиных, 7

В. О. Нехорошев

Институт сильноточной электроники СО РАН

Email: nvo@lnp.hcei.tsc.ru
Россия, 634055 Томск, пр-т Академический, 2/3

В. Ю. Шпильной

Томский политехнический университет

Email: vshpilnoy@list.ru
Россия, 634028 Томск, ул. Савиных, 7

Д. А. Зуза

Институт сильноточной электроники СО РАН

Email: zzdnl@yandex.ru
Россия, 634055 Томск, пр-т Академический, 2/3

Е. Н. Колобова

Томский политехнический университет

Email: ekaterina_kolobova@mail.ru
Россия, 634028 Томск, ул. Савиных, 7

Список литературы

  1. Кругленя А.И. Неразрушающий контроль в аэрокосмической промышленности / Сборник материалов VII Международной научно-практической конференции, посвященной Дню космонавтики: в 3 томах. Т. 2. Под общей редакцией Ю. Ю. Логинова. Красноярск: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева», 2021. С. 813—815.
  2. Щербаков М.И. Новые аспекты использования теплового неразрушающего контроля для различных объектов авиационной промышленности / Материалы III отраслевой конференции по измерительной технике и метрологии для исследований летательных аппаратов. Жуковский: Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского, 2018. С. 381—386
  3. Bertovic M., Fahlbruch B., Müller C. Human Factors Perspective on the Reliability of NDT in Nuclear Applications // Materials testing. 2013. № 55 (4). P. 243—253. doi: 10.3139/120.110431
  4. Chatillon S., Cattiaux G., Serre M., Roy O. Ultrasonic non-destructive testing of pieces of complex geometry with a flexible phased array transducer // Ultrasonics. 2000. № 38 (1—8). P. 131—4.
  5. Bida G.V. Nondestructive Testing of Mechanical Properties of Rolled Steel (Review): 1. Tests of Strength and Plastic Properties // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2005. № 41(5). С. 296—306. doi: 10.1007/s11181-005-0169-7
  6. Solodov I., Kreutzbruck M. Local defect resonance of a through-thickness crack / // Ultrasonics. 2021. № 118 (21). P. 106565. doi: 10.1016/j.ultras.2021.106565
  7. Malinowski P.H., Wandowski T., Ostachowicz W.M., Sagnard M., Berthe L., Ecault R., Solodov I., Ségur D., Kreutzbruck M. Extended Non-destructive Testing for the Bondline Quality Assessment of Aircraft Composite Structures // Adhesive Bonding of Aircraft Composite Structures. 2021. doi: 10.1007/978-3-319-92810-4_4
  8. Solodov I., Kreutzbruck M. Mode matching to enhance nonlinear response of local defect resonance //Journal of Sound and Vibration. 2019. V. 461. P. 114916.
  9. Vanlanduit S., Vanherzeele J., Vuye C., Guillaume P. Characterization of acoustic materials using the scanning laser Doppler vibrometer / Proc. of the 7th Int. Conf. on Vibr. Measur. by Laser Tech. 2006. V. 6345. P. 634517.
  10. Derusova D.A., Vavilov V.P., Druzhinin N.V. Investigating vibration characteristics of magnetostrictive transducers for air-coupled ultrasonic NDT of composites // NDT and E Int. 2019. V. 107. Article number 102151.
  11. White R.D., Schmid E.S., Neeson I. Flow testing of a sonic anemometer for the martian environment // AIAA Scitech Forum. 2020. No. 1. P. 237189.
  12. Polytec Laser vibration measurement. Areas of application / Polytec // polytec.com URL: https://www.polytec.com/int/vibrometry/areas-of-application (дата обращения: 06.11.2023).
  13. Solodov I., Doring D., Busse G. Air-coupled laser vibrometry: analysis and applications // Appl. Opt. 2009. V. 48. P. 33—37.
  14. Solodov I., Kreutzbruck M. Single-sided access remote imaging via resonant airborne activation of damage // NDT & E Int. 2019. V. 107. P. 102146.
  15. Najib Abou Leyla, Moulin E., Assaad J., Benmeddour F., Grondel S. Modeling a surface-mounted Lamb wave emission-reception system: Applications to structural health monitoring // PACS. 2008. № 43. 40.Le, 43.20.Ks, 43.60.Qv, 43.38.Ar YHB. P. 3521—3527. doi: 10.5772/30139
  16. Vinogradov S.A. , Cobb A. C., Fisher J. New Magnetostrictive Transducer Designs for Emerging Application Areas of NDE // Materials. 2018. № 11(5). С. 755. doi: 10.3390/ma11050755
  17. Хмелев В.Н., Шалунов А.В., Нестеров В.А., Доровских Р.С. Исследование влияния второстепенных мод колебаний на равномерность распределения колебаний ультразвуковых дисковых излучателей // Научно-технический вестник Поволжья. 2017. № 5. С. 106—108.
  18. Гуревич С.Ю., Голубев Е.В., Петров Ю.В. Излучатель и приемник ультразвука для бесконтактного контроля качества тонколистовых металлоизделий // Вестник ЮУрГУю. Серия «Математика. Механика. Физика». 2015. Т. 7. № 1. С. 57—64.
  19. Derusova D.A., Vavilov V. P., Xingwang G., Shpil’noi V.Yu., Danilin N.S. Infrared Thermographic Testing of Hybrid Materials Using High-Power Ultrasonic Stimulation // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2018. V. 10. P. 58—64.
  20. Ultrasonic transducers, Technical notes, Olympus NDT, 2006.
  21. Xingwang G., Liang Z. Vibro-thermography of calibrated defects in hybrid plates focusing on viscoelastic heat generation // Quantitative InfraRed Thermography Journal. 2021. V. 18. Is. 5. P. 314—331.
  22. Derusova D.A., Vavilov V.P., Guo X., Druzhinin N.V. Comparing the Efficiency of Ultrasonic Infrared Thermography under High-Power and Resonant Stimulation of Impact Damage in a CFRP Composite // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2018. V. 5. P. 356—362.
  23. Yano T., Tone M., Fukumoto A. 1 MHz Ultrasonic Transducer Operating in Air / In: A. J. Berkhout, J. Ridder, and L. F. van der Wal. Eds. Acoustical Imaging. Boston, MA: Springer US, 1985. P. 575—584.
  24. Schiller S., Hsieh C.K., Chou C., Khuri-yakub B. Novel high frequency air transducers / Review of progress in quantitative NDE. 1990. P. 795.
  25. Hutchins D.A., Schindel D.W. Advances in non-contact and air-coupled transducers // Proceedings of IEEE Ultrasonics Symposium. 1993. V. 2. P. 1245—1254. doi: 10.1109/ULTSYM.1994.401811
  26. Chen J., Wang X., Yang X., Zhang L., Wu H. Application of air-coupled ultrasonic nondestructive testing in the measurement of elastic modulus of materials // Applied Sciences. 2021. V. 11. Is. 19. Article number 9240. doi: 10.3390/app11199240
  27. Adelegan O.J., Coutant Z.A., Wu X., Yamaner F.Y., Oralkan O. Design and Fabrication of Wideband Air-Coupled Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers with Varying Width Annular-Ring and Spiral Cell Structures // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2021. V. 68. Is. 8. P. 2749—2759. doi: 10.1109/TUFFC.2021.3076143
  28. Bernhardt Y., Kreutzbruck М. Integrated defect sensor for the inspection of fiber-reinforced plastics using air-coupled ultrasound // Journal of Sensors and Sensor Systems. 2021. V. 9. Is. 1. P. 127—132. doi: 10.5194/jsss-9-127-2020
  29. Marhenke T., Neuenschwander J., Furrer R., Zolliker P., Twiefel J., Hasener J., Wallaschek J., Sanabria S.J. Air-Coupled Ultrasound Time Reversal (ACU-TR) for Subwavelength Nondestructive Imaging // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2020. V. 67. Is. 3. P. 651—663. doi: 10.1109/TUFFC.2019.2951312
  30. Daschewski M., Kreutzbruck M., Prager J., Dohse E., Gaal M., Harrer A. Resonanzfreie Messung und Anregung von Ultraschall // Technisches Messen. 2015. V. 82 (3). P. 156—66.
  31. Gaal M., Kotschate D. New technologies for air-coupled ultrasonic transducers / Proceedings of 12th ECNDT conference, 2018, Gothenburg, Sweden. Author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/325685745
  32. Migachev S.A., Kurkin M.I., Smorofinskii Y.G. Noncontact excitation of sound in metals by a video pulse of electric field // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2016. V. 52. Is. 11. P. 653—6561.
  33. Kachanov V.K., Sokolov I.V., Karavaev M.A., Kontsov R.V. Selecting Optimum Parameters of Ultrasonic Noncontact Shadow Method for Testing Products Made of Polymer Composite Materials // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2020. V. 56. Is. 10. P. 831—842
  34. Shpil’noi V.Yu., Vavilov V.P., Derusova D.A., Druzhinin N.V., Yamanovskaya A.Yu. Specific Features of Nondestructive Testing of Polymer and Composite Materials Using Air-Coupled Ultrasonic Excitation and Laser Vibrometry // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2021. V. 57. No. 8. P. 647—655.
  35. Derusova D.A., Vavilov V.P., Nekhoroshev V.O., Shpil’noi V.Yu., Druzhinin N.V. Features of Laser-Vibrometric Nondestructive Testing of Polymer Composite Materials Using Air-Coupled Ultrasonic Transducers // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2021. V. 57. P. 1060—1071.
  36. Solodov I., Dillenz A., Kreutzbruck M. A new mode of acoustic NDT via resonant air-coupled emission // J. of Appl. Phys. 2017. V. 121. P. 245101.
  37. Vuye C., Vanlanduit C., Guillaume P. Accurate estimation of normal incidence absorption coefficients with confidence intervals using a scanning laser Doppler vibrometer // Opt. and Las. in Eng. 2009. V. 47. Is. 6. P. 644—650.
  38. Derusova D.A., Nekhoroshev V.O., Shpil’noi V.Y., Vavilov V.P. Developing Novel Gas Discharge Emitters of Acoustic Waves in Air for Nondestructive Testing of Materials // Sensors. 2022. V. 22. Is. 23. Article number 99056. 14 p.
  39. Zipser L., Seeling H.-D., Franke H. Refracto-vibrometry for visualizing ultrasound in small-sized channels, cavities and objects / Proc. - IEEE Ultras. Symp. IUS 2009. P. 2588—2590.
  40. Solodov I., Rahammer M., Kreutzbruck M. Analytical evaluation of resonance frequencies for planar defects: Effect of a defect shape // NDT and E Internationalthis link is disabled. 2019. V. 102. P. 274—280.
  41. Ayrault C., Bequin P., Baudin S. Characteristics of spark discharge as an adjuistable acoustic source for scale model measurements / Proceedings of the acoustics 2012 Nantes conf. 23—27 April. P. 3555—3559. Nantes, France. 2012.
  42. Rittmann J., Rahammer M., Holtmann N., Kreutzbruck M. A mobile nondestructive testing (NDT) system for fast detection of impact damage in fiber-reinforced plastics (FRP) // Journal of Sensors and Sensor Systems. 2020. V. 9. Is. 1. P. 43—50.
  43. Suh G., Kim H., Yôiti S. Measurement of resonance frequency and loss factor of a microphone diaphragm using a laser vibrometer // Appl. Acoust. 2010. V. 71. P. 258—261. doi: 10.1016/j.apacoust.2009.09.007
  44. Zipser L., Franke H. Laser-scanning vibrometry for ultrasonic transducer development // Sens. Actuators A Phys. 2004. V. 110. P. 264—268. doi: 10.1016/j.sna.2003.10.051

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Упрощенная схема ГЭАП: 1 — острийный электрод; 2 — изолятор; 3 — обратный электрод (токопровод); 4 — мембрана (дисковый электрод); 5 — схематичное положение канала разряда

Скачать (357KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Упрощенная схема лабораторной установки для исследования ГЭАП: а — система для возбуждения акустических колебаний на основе ГЭАП; б — измеритель уровня звукового давления; в — образец для исследования напыления; г — сканирующая головка лазерного виброметра (l — расстояние до торца преобразователя)

Скачать (328KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Упрощенная схема лабораторной установки для проведения НК с использованием сканирующей лазерной доплеровской виброметрии и бесконтактного способа стимуляции материалов на основе ГЭАП

Скачать (277KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Спектр колебаний на поверхности мембраны ГЭАП (отверстие диаметром 1 мм в центре) в диапазоне частот от 100 кГц до 4 МГц

Скачать (343KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Уровень шума на расстоянии 30 см от ГЭАП: N — порядковый номер импульса; частота следования импульсов — 2 Гц; межэлектродный зазор 5 мм

Скачать (738KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Фотографии дискового электрода до испытаний (а) и картины микрократеров, образовавшихся на его поверхности (б)

Скачать (991KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Унос массы изолятора (а) и электродов (б) в зависимости от количества импульсов разряда (пунктирными линиями обозначены линейные аппроксимации для оценки скорости потери массы, межэлектродный зазор —10 мм)

Скачать (366KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Фотография ГЭАП в ходе эксперимента (а), напыления на предметном стекле (б) и участков поверхности предметного стекла при различном увеличении (в — след соскоба; г — детальный вид напыления)

Скачать (1MB)
Метаданные
10. Рис. 9. Обзорный РФЭ-спектр напыления

Скачать (146KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Виброграммы стеклопластикового композита на частотах 7,33 кГц (а); 10,3 кГц (б); 12,8 кГц (в); 35,9 кГц (г)

Скачать (1MB)
Метаданные
12. Рис. 11. Виброграмма колебаний стеклопластикового композита, усредненная в диапазоне частот от 50 Гц до 50 кГц (ГЭАП снабжен демпфером)

Скачать (572KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах