Лазерно-ультразвуковая структуроскопия металлов

Принцип работы лазерно-ультразвукового дефектоскопа
Рассеянный УЗ сигнал
Зондирующий сигнал
ОА-генератор
Контактный лазерно-ультразвуковой метод основан на:
-лазерном возбуждении широкополосных акустических сигналов в специально разработанном оптико-акустическом преобразователе;
-облучение исследуемой среды этими импульсами,
-распространении акустических сигналов вглубь образца и отражении или рассеянии акустических сигналов на дефектах структуры материала;
-пьезорегистрации обратно рассеянных на дефектах акустических сигналов при помощи пьезоприемника;
-анализе зарегистрированных сигналов.
Принципиальная схема лазерно-ультразвукового дефектоскопа приведена на рисунке. Импульс лазера с модуляцией добротности и высокой частотой повторения по оптическому волокну направляется в оптико-акустический преобразователь. Там он с помощью оптической системы попадает на оптико-акустический генератор, в котором за счет термоупругого эффекта возбуждается короткий ультразвуковой импульс. Этот импульс является пробным в системе лазерно-ультразвукового контроля. Пробный импульс направляется в объект исследования, акустически соединенный с выходной поверхностью оптико-акустического преобразователя. Отраженные назад акустические сигналы попадают в оптико-акустический преобразователь и регистрируются широкополосным пьезопреобразователем. Электрический сигнал пьезопреобразователя усиливается согласующим предусилителем и направляется в систему цифровой обработки сигнала на базе персонального компьютера. Для считывания, накопления, обработки и представления сигналов используются специализированные программы.

Способы регистрации лазерного ультразвукового сигнала
Как и в случае стандартной регистрации акустических волн, регистрация лазерно-возбуждаемых акустических сигналов может проходить в двух режимах. Исторически эти режимы принято называть «теневым» и «эхо».
Схемы обоих случаев регистрации лазерно-возбуждаемых акустических сигналов приведены на рисунках «а» и «б».
Способы регистрации оптико-акустических сигналов:
а) регистрация в режиме «на просвет»: приемник акустических сигналов и лазерное излучение расположены с противоположных сторон поглощающей среды. При этом регистрируется сигнал, прошедший через поглощающую среду.
б) регистрация в режиме «на отражение»: акустический приемник расположен с той же стороны что и лазерное излучение. Регистрируемый сигнал это акустическая волна, возникающая в поглощающей среде под действием лазерного излучения и прошедшая через прозрачную среду.
При детектировании в теневом режиме «на просвет» (рисунок «а»), возбуждаемый под действием лазерного импульса сигнал распространяется от поглощающего слоя в глубь среды и регистрируется с противоположной стороны от облучаемой поверхности. Данный метод похож на теневой метод в стандартной пьезорегистрации.
В эхо-режиме «на отражение», регистрация ОА-сигнала идет в прозрачной среде, т.е. с той же стороны, что и облучение. Режим «на отражение» аналогичен эхо-методу стандартного ультразвукового контроля (рисунок «б»).
(а)
(б)

Сравнение лазерного и пьезо-ультразвука
Продольное разрешение дефектоскопа определяется длительностью УЗ импульса
При одинаковых длительностях УЗ импульсов область частот лазерного ультразвука в 5-6 раз ниже, чем для пьезо-ультразвука.

Преимущества лазерно-ультразвукового метода
Преимущества лазерного ультразвукового (ЛУЗ) контроля заключаются в следующем:
Лазерное возбуждение позволяет генерировать мощные и короткие апериодические УЗ сигналы;
Длительность ЛУЗ импульса в несколько раз меньше, чем у пьезоэлектрического, это приводит к тому, что осевое разрешение лазерного ультразвука в несколько раз превосходит достижимое в пьезоультразвуковом контроле при тех же глубинах контроля;
Малый диаметр УЗ пучка, что дает возможность различать дефекты меньшего размера;
Гладкая форма зондирующего УЗ импульса;
Сигнал сохраняет информацию о фазе, что позволяет различить жесткие и мягкие неоднородности;
Отсутствие мертвой зоны;
Информация о знаке коэффициента отражения ультразвука;
Повышенное разрешение по глубине;
Повышенная чувствительность;
Возможность проведения дефектоскопии материалов высоким коэффициентом затухания ультразвука (графито-эпоксидные и стеклопластиковые композиты ) при толщине образцов или изделий до десятков мм;
Высокое пространственное разрешение дефектов по глубине образца или изделия (0.1-0.3 мм) при практическом отсутствии мертвой зоны;
Возможность проведения структуроскопии и диагностики усталостных изменений материалов в процессе эксплуатации изделия.