Неразрушающий контроль деталей воздушных судов с использованием вихревых лазерных пучков

Статья посвящена исследованию процесса отражения вихревого волнового фронта с различным значением числа топологических зарядов от шероховатой поверхности.

На сегодняшний момент в России участились случаи аварий и поломок авиатранспортных средств, причиной которых является так называемое усталостное разрушение деталей конструкций этих аппаратов, вызванное образованием на их поверхностях различных дефектов и микронеровностей в процессе эксплуатации. В связи с этим возникает необходимость в применении высокоточных методов диагностики для контроля поверхностей механических деталей летательных аппаратов .

Одним из перспективных методов дефектоскопического контроля является метод спекл-струкутр оптического излучения[1], основанный на анализе спекл-картин, образующихся при отражении когерентного излучения от шероховатой поверхности. Это связано с тем, что в спекл-картине, регистрируемой при отражении лазерных пучков от шероховатых поверхностей, содержится полная информация о её пространственных неровностях. вихревой волновой автокорреляция заряд Для повышения эффективности метода было предложено использовать вихревые волновые фронты в качестве зондирующего излучения [2], также была разработана математическая модель, обеспечивающая описание процесса распространения спиральных лазерных пучков в свободном пространстве и их отражения от шероховатых поверхностей [3]. Нами представлены результаты численного моделирования процесса отражения вихревых лазерных пучков с различным числом топологических зарядов, от шероховатой поверхности.

Моделирование процесса распространения волновых фронтов в свободном пространстве, а также их взаимодействие с объектами, характеризующимися разными параметрами шероховатости описывалось на основе математической модели, основанной на методах скалярной теории дифракции [3], которая была реализована в виде программных алгоритмов среды графического программирования National Instruments LabVIEW. Численное исследование проводилось при следующих параметрах оптической системы: размер экрана? D=0,096 мм, число пикселей 64×64, длина волны? л= 0,5 мкм, л=1,0 мкм, л=1,5 мкм, l=2l₀? расстояние до плоскости регистрации, где l₀? граница ближней и дальней зон дифракции, число Френеля F=30. На рис. 1 представлена принципиальная схема моделируемой оптической системы.

1 — плоскость ДОЭ, 2- исследуемая поверхность, 3 — плоскость регистрации спекл-картины, 4 — распределение фазы после прохождения ДОЭ, 5- распределение амплитуды пучка непосредственно за ДОЭ, 6 — поверхность образца, 7 — пространственное распределение фазы в плоскости регистрации, спекл-картина в плоскости регистрации, 8 — спекл-картина в плоскости регистрации В рамках работы был проведён анализ влияния количества топологических зарядов ?? зондируемого волнового фронта на чувствительность диагностической системы. На рисунке 2 представлены распределения амплитуды и фазы, полученные при отражении вихревого поля от шероховатой поверхности с высотой неровностей Ra = 2 мкм (длина волны излучения л=0,5мкм).

а.	б.	в.

Рисунок 2. Распределения амплитуды и фазы, полученные при различном числе топологических зарядов ?? волнового поля: а — ?? =1,б — ?? = 2, в — ?? = 3 .

На рисунке 3 представлены графики зависимостей интервала корреляции от параметра шероховатости Ra при различном числе топологических зарядов поля.

Рисунок 3. Зависимости интервала корреляции от параметра шероховатости Ra для случая отражения вихревого фронта от шероховатой поверхности при различном числе топологических зарядов В таблице 1 представлены значения интервала корреляции спекл-картин отражённого вихревого волнового фронта с различным числом топологических зарядов для различных значений параметра Ra.

Таблица 1. Значения R_кор для схем отражения при различных ??

Как можно заметить из таблицы 1 и рис. 3 при увеличении числа топологических зарядов волнового поля значение интервала корреляции уменьшается т. е. при более сложной структуре волнового фронта чувствительность оптической системы к изменениям параметров шероховатой поверхности увеличивается.

В дальнейшем была дана количественная оценка изменению чувствительности оптической системы к волновым фронтам с различным числом зарядов. Изменение чувствительности системы оценивалось как изменение функции автокорреляции спекл-картины распределения вихревого поля с соответствующим числом зарядов при смещении самой картины на 1 пиксел изображения. На рисунке 4 показаны графики зависимостей функций автокорреляции спекл-картин.

Рисунок 4. Зависимости функции автокорреляции для различного числа топологических зарядов волнового поля при параметрах Ra =0,2 мкм и л=0,5 мкм.

В результате численного расчёта было установлено, что чувствительность метода корреляционного анализа увеличивается приблизительно на 10%, 30% и 70% соответственно при 1, 2 и 3 зарядах волнового поля.

• 1. Дунин-Барковский И.В., Карташова А. Н. Измерения и ананлиз шероховатости волнистости и некруглости поверхности. — М.: Машиностроение, 1978. — 232 с., ил.
• 2. Сойфер В. А., Дифракционная компьютерная оптика. — М.: ФИЗМАЛИТ, 2007. — 736 с. — ISBN 978−5-9221−0845−4.
• 3. Беда П. И., Глазков Ю. А., Луцько С. П., Угаров А. И., Шелихов Г. С. Дефектоскопия деталей при эксплуатации авиационной Д39 техники. — М.: Воениздат, 1978. — 231 с. с ил.