Ученые создали прорывной метод бесконтактного обнаружения дефектов на объемных поверхностях

09:00, 2 сентября 2021

Области практического применения метода обширны

Экспериментальная установка для лазерных ультразвуковых измерений. Иллюстрацию предоставила Мария Грицевич.

Ученые университета Хельсинки и Уральского федерального университета разработали прорывной метод обнаружения и визуализации дефектов на поверхности и внутри различных объектов с помощью лазеров.

Принципиальное отличие разработки в том, что использование данного метода позволяет, во-первых, выявлять повреждения не только плоских, но и любых объемных (к примеру, сферических) поверхностей. А во-вторых, осуществлять операции бесконтактно, при этом досконально и с минимумом помех.

До сих пор выполнение этих задач представляло значительную сложность: альтернативные технологии либо применимы только к плоским поверхностям, либо вследствие искажений сигналов из-за кривизны геометрии объектов не гарантируют надежности итоговых данных.

Кроме того, новый метод избавляет от необходимости использовать дополнительную аппаратуру — датчики, которые устанавливаются на обследуемом предмете. А процесс обработки и интерпретации получаемой информации становится менее трудоемким.

Статья с описанием методики и результатов ее экспериментального тестирования опубликована в журнале Scientific Reports, одном из крупнейших научных изданий мира.

«С помощью мощного лазера в верхней части исследуемого объекта генерируются акустические волны. По мере распространения волн другой лазер улавливает их, — описывает суть методики аспирант кафедры физики университета Хельсинки Даниэль Вейра Канле. — Для успешного сканирования лазер обнаружения должен отразиться от поверхности образца и вернуться в то место, где он возник. Основная трудность заключалась в выравнивании лазера обнаружения, так как образец изогнут, а лазерный луч должен быть строго перпендикулярен к его поверхности. Мы решили эту проблему: в нашем методе акустические волны, сгенерированные на вершине объекта, улавливаются лазером обнаружения в другой точке — посередине, на „экваторе“ объекта. Такое распределение точек генерации и обнаружения волн предупреждает образование помех и обеспечивает высокую точность изображений, которые передаются на компьютер».

Вейра Канле и старший научный сотрудник УрФУ, доцент университета Хельсинки Мария Грицевич отвечали в исследованиях за разработку математической модели.

«В лабораторных условиях образец вращался вокруг лазерного источника. Возможно и другое решение, когда, наоборот, лазерный источник будет вращаться вокруг объекта. И в том, и в другом случае акустические волны постепенно воспроизводят картину физического состояния объекта, шаг за шагом формируется полная и детальная акустическая карта. Затемнения указывают на местоположение и размер повреждений. Для проверки эффективности разработанного метода мы просканировали четыре полусферические оболочки из нержавеющей стали. Акустическая карта состояла из 200 сигналов, наложенных друг на друга. Визуализировав результаты сканирования, мы получили 3D-модель образца и таким образом обнаружили дефекты размером до 2 мм», — рассказывает Мария Грицевич.

Области практического применения разработанного метода обширны. Он может быть использован при изготовлении и эксплуатации любых изделий, мониторинг состояния которых предпочтительнее или возможно проводить бесконтактным способом. Сами разработчики предлагают задействовать созданную ими технологию применительно к ортопедическим имплантам.

«Наш бесконтактный метод избавляет от необходимости проведения предварительной операции и, следовательно, снижает риск заражения. При этом наш метод дает четкое представление о том, насколько прочно протез прикреплен к кости, есть ли нежелательные пустоты в цементе, который удерживает протез. Эта информация будет полезной для принятия решения о необходимости хирургического вмешательства», — обращает внимание Даниэль Вейра Канле.

«Мы считаем, что выгоду из нашего подхода могла бы извлечь и космическая отрасль. Например, при решении задачи дистанционной экспресс-проверки состояния топливных баков космических аппаратов», — добавляет Мария Грицевич.