Способ лазерной генерации акустических сигналов и устройство для его осуществления

(51)5 6 01 И 2 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ВУ С ВИДЕТЕ АВТО РСК тразвуковойд.Ленинград. ССР 9 (прототип),СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ И ГКНТ СССР(71) Институт физики АН ЛитСС(54) СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ ГЕНЕРАЦИИ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к неразрушающим средствам и методам контроля и может бь 1 ть использовано, в частности, для контроля нагретых металлов, Целью изобретения является расширение функциональных возможностей способа генерации акустических колебаний за счет их генерации в нагретых1772725 металлах, Это осуществляется с помощью устройства, содержащего источник излучения, корпус с фокусирующей системой 2, камеру. генерации 7 с поглощающим слоем, камеру 4 для подачи воды, охватывающую корпус, камеру генерации, и каналы 9, выполненные в корпусе для подачи инертного . газа. На поверхности нагретого металла создают слой поглощающего покрытия в виде Изобретение относится к бесконтактному неразрушающему контролю материалов,преимущественно нагретых металлов, и может быть использовано в дефектоскопии,для определения физических параметроввещества, для исследования химическогосостава,Известен способ генерации акустических сигналов в металлах при нанесении наисследуемую поверхность слоя жидкости,Световая энергия преобразуется в акустическую в воде и передает ее в металл, Втаких условиях повышенного поглощениялазерного излучения поверхностью водымощнь 1 й акустический сигнал в образцахметалла достигается при сравнительно низкой мощности лазерного излучения,Известно устройство генерации акустических сигналов в ультразвуковом дефектоскопе, выбранное в качестве прототипа,содержит лазер, лазерную головку с фокусирующей системой и световодом, устройстволокализации зоны акустического контакта стремя последовательно расположеннымислоями, светопроводящим, поглощающим ихорошо проводящим акустический сигнал.Недостатком известного устройства является сравнительно узкая его применяемость при контроле материалов,совершенно исключает применимость приконтроле металлов, нагретых до высокихтейператур, а также низкая чувствительность устройства, особенно материалов, которые имеют неоднородные физическиепараметры по всей своей исследуемой поверхности,Цель изобретения - увеличение мощности генерации акустического сигнала и расширение эксплуатационных возможностейза счет обеспечения возможности генерации и повышение чувствительности стабильных акустических сигналов в горячихметаллах,Это достигается тем, что на поверхности согласно изобретению, в качестве поглощающего покрытия используют слойпересыщенного водяного пара толщиной0,01-1,8 диаметра лазерного пятна, Слой слоя пересыщенного водяного пара, толщиной 0,01 - 1,8 диаметра лазерного пятна, и излучают в него оптический импульс от источника излучения, например от С 02-лазера. Благодаря тепловому механизму происходит генерация акустического сигнала в горячий металл, нагретый до высоких температур. 2 с, и 1 з,п,ф-пы, 1 ил,пересыщенного водяного пара имеет коэффициент поглощения излучения с Х = 10,6мкм, близкий коэффициенту поглощения воды р = 870 см, поэтому в зоне возбужде 5 ния акустического сигнала создаютсялучшие условия для более полного использования лазерного излучения,При тепловом пробое пересыщенногопара под давлением, а следовательно с вы 10 сокой1 лотностью, возникает ударная волнас большей энергией, что обуславливает усиление акустического сигнала. Для комплексного использования всех механизмовгенерирования акустического сигнала, не 15 обходимо лазерное излучение использоватьтакой мощности, чтобы оно, ослабляясь вобласти пересыщенного водяного пара, достигалО поверхности металла с интенсивностью порядка 220-250 мВт/см, при20 котором генерация происходит также посредством теплового механизма и механизма отдачи испаряющегося металла,Также указанная цель достигается тем,что в известном устройстве генерации аку 25 стических сигналов в металлах, преимущественно нагретых до высоких температур,содержащем С 02-лазер, лазерную головку сфокусирующей оптической системой и камеру локализации зоны акустического кон 30 такта с размещенным в ней поглощающимслоем, согласно изобретению, камера локализации зоны акустического контакта совмещена с корпусом лазерной головки,дополнительно в упомянутой камере разме 35 щен преобразователь, соединенный с электрическим блоком управления. Кроме того сцелью стабилизации генерации акустических сигналов корпус снабжен кольцевымпьезопреобразователем, установленным в40 камере генерации и электрическим блокомуправления, вход которого соединен с пьезопреобразователем, а выход - с источником излучения.На чертеже представлена схема устрой 45 ства.Лазерная головка установлена над поверхностью исследуемого металла 1, нагретого до высоких температур, В корпусе этой40 45 резко отличающаяся от воздуха повышенной плотностью и увеличенной поглощающей способностью для пучка 3 лазерного излучения с длиной волны А =10,6 мкм, поэтому целесообразно использовать СОглазер. Для поддержания созданной поглощающей среды определенной плотности и толщины в камеру 7 соосно пучку 3 лазерного излучения по газовому каналу 9 подается инертный газ под давлением, Пучок 3 на 50 правляют на металл 1, в камере 7 поглощающий также слой улучшает акустический контакт с поверхностью металла 1, В реальных условиях оптимальная толщина слоя пересыщенного пара должна быть в пределах (0,01-1,8)0, где б - диаметр сфокусированного лазерного пятна на поверхностиметалла.Величина амплитуды сгенерированного в металле 1 акустического сигнала зависит от параметров поглощающей среды, т.е. от головки размещена фокусирующая оптическая система 2 пучка 3 лазерного излучения.Камера 4 для воды под давлением выполнена в виде кольцевой конусообразной полости, охватывающей центральное сопло 5 и 5соединена каналами б с камерой 7 локализации зоны акустического контакта. Камера4 также выступает в роли защитного охлаждающего кожуха лазерной головки, Камера7 выполнена в торце лазерной головки, в 10ней жестко закреплен пьезопреобразователь 8.Для уменьшения воздействия высокойтемпературы металла 1 на пьезопреобразователь 8 каналы 6 для подачи воды в камеру 157 расположены под углом, при этом создаваязащитный занавес воды между пьезопреобразователем 8 и горячим металлом 1, В корпусе лазерной головки выполнен газовыйканал 9 для подачи инертного газа через сопло 5 в камеру 7 соосно пучку 3 лазерногоизлучения. Пьезопреобразователь 8 соединен сусилителем 10 электрического напряжения, выход которого соединен с блокомсравнения 11. Один выход блока сравнения 2511 соединен с регистрирующим блоком 12,другой выход соединен с блоком управления13 пьеэопреобразователя 8. Первый выходблока управления 13 соединен с пьеэопреобразователем 8, второй выход соединен с лавером (на чертеже не показан),Устройство работает следующим образом. Из камеры 4 по каналам б подаетсявода под давлением в камеру 7 локалиэациизоны акустического контакта, При контакте 35воды с поверхностью металла 1, нагретогодо высокой температуры, последняя превращается в перенасыщенный пар, В зонеконтакта создается среда по параметрам,параметров пересыщенного водяного пара - давления и толщины, Локальное изменение этих параметров способствует изменению амплитуды генерируемого акустического сигнала, Изменение акустического сигнала уменьшает достоверность определения и идентификации дефекта и требует повторных измерений.Для стабилизации величины амплитуды акустического сигнала в камере 7 создают колебательный режим изменения объема камеры с помощью пьеэопреобразователя 8, Пьезопреобраэователь 8 практически мгновенно реагируя на изменение давления пересыщенноговодяного пара позволяет создать квазипостоянное заданное давление в камере 7. Кольцеобразный пьезокерамический преобразователь 8 закреплен в камере 7 и, чувствительно реагируя на изменения давления в этой камере 7, меняет сигнал напряжения. подаваемого на усилитель 10, откуда усиленный сигнал поступает в блок сравнения 11, В блоке сравнения 11 происходит сравнение полученного сигнала с заданным эталонным сигналом. соответствующим определенному давлению и температуре в камере 7. Полученный сигнал сравнения вьводят на регистрирующий блок 12 (например, самописец), на котором регистрируют изменение условий генерации акустического сигнала в определенном времени, Также сигнал сравнения поступает в блок управления 13 и в зависимости от его величины создается управляемый импульс на пе;-.",- реобразователь 8, Под действием э ого и;.;- пульса пьезопреобразователь 8 меняет свай объем и таким образом вносит коррекцию в объем камеры 7 и тем самым на давление в камере 7.Одновременно из блока управления 13 поступает сигнал к лазеру для управления его работы. Так как камера 7 и поверхность горячего металла 1 не являются закрытой системой, то постоянное поддерживание параметров пересыщенного водяного пара корректируется посредством изменения давления подаваемой воды и давления инертного газа и только непосредственно перед лазерным импульсом проводится точная коррекция давления с помощью преобразователя 8 и схемой управления, Поэтому предлагаемое устройство работает с частотой, с которой работает лазер.При генерации акустического сигнала в металлах, нагретых до 900-1100 С, СОг-лазер, параметры излучения которого - длина волны Л, = 10,6 мкм, энергия Е = 1,3 Дж, работает с частотой 5 Гц, следовательно, с той же частотой работает и электрическая схема управления, В электрическую схему1772725 держания амплитуды генерируемого акустического сигнала 2-3,5 о ,Составитель Б.Журавлев Техред М.Моргентал Корректор Т.Палий Редактор Заказ 3842 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5ф Производственно-издательский комбинат "Патент", г; Ужгород, ул,Гагарина, 101 управления включены стандартные бЛоки.Усилитель 10 напряжения представляет собой малошумящий широкополосный усилитель, предназначенный для работы свысокоомным источником сигнала, в котором предусмотрена коррекция амплитудночастотной характеристики,Блок сравнения 11 состоит из селективного вольтметра (например, В 6-9, В 6-10)и анализатора спектра (например, СК 4-59). 10В качестве регистрирующего блока 12 придлительных измерениях можно применятьсамописец 7164-66, а при кратковременныхН. Блок управления 13 состоит из ждущего мультивибратора, задающего генератора (например, УЗГ 8-0.1/22).Для создания слоя пересыщенного пара толщиной менее 0.01 диаметра лазерного пятна требуется высокая чистотаповерхности металла, которая не может 20быть получена у металлов, нагретых до температуры порядка 1000 С, Использоватьслой пересыщенного водяного пара толщиной более 1,8 диаметра лазерного пятна нецелесообразно из-за невозможности 25использования акустического сигнала отпробоя водяного пара для дефектоскопииметалла,Предложенное устройство рекоменду-.ется для генерации акустических сигналов в 30металлах, нагретых до высоких температур,при их неразрушающем контроле, Чувствительность предложенного устройства посравнению с прототипом увеличивается засчет повышения стабильности генерации 35акустических сигналов. Погрешность подФ ар мула из обре те н ия 1. Способ лазерной генерации акустических сигналов в металлах, заключающийся в том, что на поверхности металла создают слой поглощающего покрытия и излучают в него оптический импульс, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет генерации акустических колебаний в нагретых металлах, в качестве поглощающего покрытия используют слой пересыщенного водяного пара толщиной 0,01 - 1,8 диаметра лазерного пятна,2. Устройство лазерной генерации акустических сигналов, содержащее источник излучения, корпус с фокусирующей системой и камеру генерации с поглощающим слоем, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, оно снабжено камерой для воды, охватывающей корпус и камеру генерации, и каналами, связывающими камеру для воды с камерой генерации, а в корпусе выполнен канал для пОдачи инертного газа в камеру генерации.3. Устройство по и. 2, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью стабилизации генерации акустических сигналов, оно снабжено кольцевым пьезопреобразователем, установленным в камере генерации, и электрическим блоком управления, вход которого соединен с пьезопреобразователем, а выход - с источником излучения,