Дефектоскопия, 2024, № 2

ɀɍɊɇȺɅ ɂɁȾȺȿɌɋə ɉɈȾ ɊɍɄɈȼɈȾɋɌȼɈɆ ɈɌȾȿɅȿɇɂə ɎɂɁɂɑȿɋɄɂɏ ɇȺɍɄ ɊȺɇ
Ƚɥɚɜɧɵɣ ɪɟɞɚɤɬɨɪ Ʉɨɫɬɢɧ ȼɇ ² ɞɬɧ ɂɎɆ ɍɪɈ ɊȺɇ ȿɤɚɬɟɪɢɧɛɭɪɝ Ɋɨɫɫɢɹ
Ɋɟɞɚɤɰɢɨɧɧɵɣ ɫɨɜɟɬ
• Ⱦɨɛɦɚɧ Ƚɟɪɞ ² ɞɨɤɬɨɪ Ɏɪɚɭɧɝɨɮɟɪɨɜɫɤɢɣ ɢɧɫɬɢɬɭɬ ɋɚɚɪɛɪɸɤɟɧ Ƚɟɪɦɚɧɢɹ
• Ʉɥɸɟɜ ȼȼ ² ɚɤɚɞɟɦɢɤ ɊȺɇ ɆɇɉɈ ³ɋɩɟɤɬɪ´ Ɇɨɫɤɜɚ Ɋɨɫɫɢɹ
• Ʉɭɪɦɚɟɜ ɗɁ ² ɞɮɦɧ ɂɎɆ ɍɪɈ ɊȺɇ ȿɤɚɬɟɪɢɧɛɭɪɝ Ɋɨɫɫɢɹ
• ɇɨɜɢɤɨɜ ȼȺ ² ɞɬɧ ȻɊɍ Ɇɨɝɢɥɟɜ Ȼɟɥɚɪɭɫɶ
Ɋɟɞɚɤɰɢɨɧɧɚɹ ɤɨɥɥɟɝɢɹ
• ɋɦɨɪɨɞɢɧɫɤɢɣ əȽ ² ɞɬɧ ɡɚɦ ɝɥ ɪɟɞɚɤɬɨɪɚ ɂɎɆ ɍɪɈ ɊȺɇ ȿɤɚɬɟɪɢɧɛɭɪɝ Ɋɨɫɫɢɹ
• ȼɚɫɢɥɟɧɤɨ Ɉɇ ² ɤɬɧ ɨɬɜ ɫɟɤɪɟɬɚɪɶ ɂɎɆ ɍɪɈ ɊȺɇ ȿɤɚɬɟɪɢɧɛɭɪɝ Ɋɨɫɫɢɹ
• Ⱥɪɧɨɥɶɞ ȼɄ ² ɩɪɨɮɟɫɫɨɪ ɋɚɚɪɫɤɢɣ ɭɧɢɜɟɪɫɢɬɟɬ ɋɚɚɪɛɪɸɤɟɧ Ƚɟɪɦɚɧɢɹ
• ȼɚɜɢɥɨɜ ȼɉ ² ɞɬɧ Ɍɉɍ Ɍɨɦɫɤ Ɋɨɫɫɢɹ
• ȼɚɣɧɲɬɟɣɧ ɂȺ ² ɞɮɦɧ ɍɪɎɍ ȿɤɚɬɟɪɢɧɛɭɪɝ Ɋɨɫɫɢɹ
• Ƚɚɥɚɯɨɜ ȼɊ
 ² ɞɮɦɧ ɂɎɆ ɍɪɈ ɊȺɇ ȿɤɚɬɟɪɢɧɛɭɪɝ Ɋɨɫɫɢɹ
• Ƚɪɭɦ əɧɟɰ ² ɩɪɨɮɟɫɫɨɪ  ɍɧɢɜɟɪɫɢɬɟɬ Ʌɸɛɥɹɧɵ ɋɥɨɜɟɧɢɹ
• Ⱦɵɦɤɢɧ Ƚə ² ɞɬɧ ɅɂɂɀɌ ɋɚɧɤɬɉɟɬɟɪɛɭɪɝ Ɋɨɫɫɢɹ
‡ ɀɚɧɝ ɏ ² ɩɪɨɮɟɫɫɨɪ ɏɚɪɛɢɧɫɤɢɣ ɢɧɫɬɢɬɭɬ ɬɟɯɧɨɥɨɝɢɣ ɏɚɪɛɢɧ ɄɇɊ
• Ɂɚɰɟɩɢɧ ȺɎ ² ɤɬɧ ɍɪɎɍ ȿɤɚɬɟɪɢɧɛɭɪɝ Ɋɨɫɫɢɹ
• Ʉɪɺɧɢɧɝ Ɇȼ ² ɩɪɨɮɟɫɫɨɪ ɋɚɚɪɫɤɢɣ ɭɧɢɜɟɪɫɢɬɟɬ ɋɚɚɪɛɪɸɤɟɧ Ƚɟɪɦɚɧɢɹ
  ɩɪɨɮɟɫɫɨɪ ɭɧɢɜɟɪɫɢɬɟɬ ɋɚɧɉɚɭɥɨ Ȼɪɚɡɢɥɢɹ
• Ɇɚɥɞɚɝ Ʉ ² ɩɪɨɮɟɫɫɨɪ ɭɧɢɜɟɪɫɢɬɟɬ Ʌɚɜɚɥɹ Ʉɜɟɛɟɤ Ʉɚɧɚɞɚ
• Ɇɭɪɚɜɶɟɜ ȼȼ ² ɞɬɧ ɂɠȽɌɍ ɂɠɟɜɫɤ Ɋɨɫɫɢɹ
• ɇɢɱɢɩɭɪɭɤ Ⱥɉ ² ɞɬɧ ɂɎɆ ɍɪɈ ɊȺɇ ȿɤɚɬɟɪɢɧɛɭɪɝ Ɋɨɫɫɢɹ
• ɉɨɜɨɥɨɰɤɚɹ ȺɆ ² ɤɬɧ ɂɆȺɒ ɍɪɈ ɊȺɇ ȿɤɚɬɟɪɢɧɛɭɪɝ Ɋɨɫɫɢɹ
• Ɋɢɧɤɟɜɢɱ Ⱥ Ȼ ² ɱɥɟɧɤɨɪɪ ɊȺɇ ɂɎɆ ɍɪɈ ɊȺɇ ȿɤɚɬɟɪɢɧɛɭɪɝ Ɋɨɫɫɢɹ
• ɋɦɢɪɧɨɜ ɋȼ ² ɞɬɧ ɂɆȺɒ ɍɪɈ ɊȺɇ ȿɤɚɬɟɪɢɧɛɭɪɝ Ɋɨɫɫɢɹ
• ɋɹɫɶɤɨ ȼȺ ² ɞɬɧ ɋɉȽɍ ɋɚɧɤɬɉɟɬɟɪɛɭɪɝ
Ⱥɞɪɟɫ ɪɟɞɚɤɰɢɢ  ɝ ȿɤɚɬɟɪɢɧɛɭɪɝ ɭɥ ɋ Ʉɨɜɚɥɟɜɫɤɨɣ  
Ɍɟɥɟɮɨɧɵ   
HPDLO GHIHFW#LPSXUDQUX
ɋɚɣɬ ɠɭɪɧɚɥɚ KWWSGHIHFWRVNRSL\DUX
© Ɋɨɫɫɢɣɫɤɚɹ ɚɤɚɞɟɦɢɹ ɧɚɭɤ  
© ɍɪɚɥɶɫɤɨɟ ɨɬɞɟɥɟɧɢɟ ɊȺɇ 
‹ ɂɧɫɬɢɬɭɬ ɮɢɡɢɤɢ ɦɟɬɚɥɥɨɜ 
©  Ɋɟɞɚɤɰɢɨɧɧɚɹ ɤɨɥɥɟɝɢɹ ɠɭɪɧɚɥɚ
      ³Ⱦɟɮɟɤɬɨɫɤɨɩɢɹ´ ɫɨɫɬɚɜɢɬɟɥɶ  

Российская академия наук
Д Е Ф Е К Т О С КО П И Я 
№ 2
2024
Журнал ежемесячный
Основан в феврале 1965 года
Екатеринбург
СОДЕРЖАНИЕ
Акустические методы
Д.А. Дерусова, В.П. Вавилов, В.О. Нехорошев, В.Ю. Шпильной, Д.А. Зуза, Е.Н. Колобова. 
Исследование газоразрядного электроакустического преобразователя и его применение в задачах неразрушающего контроля.
............................................................................................................................................
3
Абхишек Кумар, Суреш Перияннан. Экспериментальное исследование распространения ультразвуковых волн при контроле уровня жидкости датчиком с длинным волноводом .......................................
17
Цюйюэ Ли, Юшу Лай, Дифэй Цао. Исследование шумоподавления сигналов электромагнитноакустической эмиссии для неразрушающего контроля сплавов: метод кроссрекуррентного количественного анализа...........................................................................................................................................................
30
Неразрушающий контроль проникающими веществами
Н.В. Деленковский, А.Б. Гнусин. Контрольные образцы для капиллярной дефектоскопии............
43
Общие вопросы дефектоскопии
В.В. Муравьев, Л.В. Волкова, О.В. Муравьева, С.А. Мурашов. Анализ результатов тестирования 
и качества тестов при сертификации специалистов по неразрушающему контролю....................................
49
А.И. Солдатов, А.А. Солдатов, М.А. Костина. Современные тренды применения термоэлектрического метода в неразрушающем контроле (обзор).............................................................................................
Информация.
....................................................................................................................................................
64
84

Акустические методы
УДК 620.179.17
ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОРАЗРЯДНОГО ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКОГО 
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В ЗАДА
ЧАХ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО 
КОНТРОЛЯ 
© 2024 г.   Д.А. Дерусова1,*, В.П. Вавилов1,**, В.О. Нехорошев2,***, В.Ю. Шпильной1,****, 
Д.А. Зуза2,*****, Е.Н. Колобова1,******
1Томский политехнический университет, Россия 634028 Томск, ул. Савиных, 7
2Институт сильноточной электроники СО РАН, Россия 634055 Томск, пр-т Академический, 2/3
E-mail: *red@tpu.ru; **vavilov@tpu.ru; ***nvo@lnp.hcei.tsc.ru; 
*****zzdnl@yandex.ru; ******ekaterina_kolobova@mail.ru
****vshpilnoy@list.ru; 
Поступила в редакцию 30.11.2023; после доработки 15.12.2023
Принята к публикации 22.12.2023
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.
Ключевые слова: акустика, ультразвук, лазерная виброметрия, дефектоскопия, искровой разряд, термоакустический 
эффект, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия.
ANALYSIS AND NDT APPLICATIONS OF A GAS DISCHARGE 
ELECTROACOUSTIC TRANSDUER  
D.A. Derusova1,*, V.P. Vavilov1,**, V.O. Nekhoroshev2,***, V.Yu. Shpil’noy1,****, D.A. Zyza2,*****, 
E.N. Kolobova1,******
1Tomsk Polytechnic University, Russia 634028, Tomsk, st. Savinykh, 7
2Institute of High Current Electronics SB RAS, Russia 634055, Tomsk, Akademichesky Ave., 2/3
E-mail: *red@tpu.ru; **vavilov@tpu.ru; ***nvo@lnp.hcei.tsc.ru; 
*****zzdnl@yandex.ru; ******ekaterina_kolobova@mail.ru
****vshpilnoy@list.ru; 
In this study, a gas discharge electroacoustic transducer (GDEAT) based on a pulsed electric discharge in the air under 
atmospheric pressure has been investigated.  By evaluating acoustic pressure and recording amplitude-frequency characteristics 
of membranes, the acoustic characteristic of GDEATs have been obtained in the frequency range from 40 Hz to 4 MHz.  The 
electro-thermo-acoustic processes have been studied in gas discharge systems of an open type where the electrode space is in 
a direct contact with the ambient.  Some features of using the above-mentioned GDEATs in nondestructive testing (NDT) of 
materials have been demonstrated. It has been shown that, on one hand,  the wear of both electrodes and insulation limits a 
work life of a transdfucer electrode system, but, from the other hand, this may lead to deposition of micro-praticles  on the 
surface of an object under test. The wear of electrode systems was evaluated quantitatively, and the results of the chemical 
analysis of deposited micro-particles have been presented.  The use of a GDEATs  for non-contact stimulation of local 
resonant vibrations in subsurface defects and visualizing vibrations by means of laser dopler vibrometry has been shown in 
the case of NDT of a glass fiber composite. 
 Keywords: acoustics, ultrasound, laser vibrometry, defect evaluation, spark discharge, thermoacoustic effect, X-ray 
photoelectron spectroscopy.
DOI: 10.31857/S0130308224020015

Дерусова Д.А., Вавилов В.П., Нехорошев В.О. и др.
1. ВВЕДЕНИЕ
Развитие промышленного производства конструкционных материалов определяет актуальность контроля их качества с целью обнаружения производственных и эксплуатационных дефектов. Особое внимание уделяют разработке перспективных методов неразрушающего контроля 
(НК) изделий авиакосмической [1, 2], атомной [3, 4] и металлургической [5] промышленностей, 
включая испытания композиционных материалов, металлов и сплавов. В ряде случаев результаты 
НК имеют решающее значение для принятия решения о дальнейшей эксплуатации изделий [4—8]. 
Следует заметить, что контроль тонких, гидрофильных и слоистых структур, а также изделий 
сложной геометрии, представляет определенные трудности, в связи с чем необходимо разработать 
новые и усовершенствовать известные виды контроля качества. 
Одним из сравнительно новых методов неразрушающих испытаний материалов является сканирующая лазерная доплеровская виброметрия [8—14]. Суть метода заключается в широкополосной 
акустической стимуляции объектов с целью определения резонансного отклика в области дефектов 
путем регистрации колебаний на поверхности изделий с использованием сканирующего лазерного 
виброметра [12—16]. Основным преимуществом метода является возможность проведения исследований без прямого контакта с контролируемым объектом, что позволяет с высокой точностью измерять вибрации на расстоянии до нескольких десятков метров [12], а также исследовать объекты, 
находящиеся под напряжением, под воздействием высоких температур, в вакуумных камерах и в 
жидкостях [14, 15]. В последние годы лазерная виброметрия находит все более широкое применение 
в НК современных конструкционных материалов [15], а также используется для исследования сопутствующего оборудования, в частности акустических излучателей [10, 16—22].
Традиционными типами акустических излучателей, применяемых для возбуждения упругих 
колебаний при проведении НК, являются пьезоэлектрические [17, 20] и магнитострикционные 
преобразователи, широко используемые в коммерческих диагностических системах [23]. Ввиду 
существенного различия акустического импеданса воздушной среды и исследуемых материалов, 
для эффективной передачи ультразвука, как правило, используют иммерсионные среды. На практике это усложняет техническое исполнение устройств, увеличивает стоимость и длительность 
процедуры диагностики и ограничивает номенклатуру материалов и изделий, подлежащих контролю качества. Более того, после проведения дефектоскопии изделий с использованием соединительной среды необходима дальнейшая обработка их поверхности с удалением иммерсионной 
жидкости. 
Появление так называемых воздушносвязанных ультразвуковых (у.з.) систем привело к разработке новых способов контроля [24—28]. Общей особенностью бесконтактных систем возбуждения является исключение влияния присоединенной массы и отсутствие необходимости использовать иммерсионный слой для ввода акустического сигнала в исследуемый объект [27—29]. Постоянно совершенствуются имеющиеся технологии и предлагаются новые акустические преобразователи, различающиеся по принципу действия [10, 28, 24—32]. Например, в работах [33, 34] для НК 
композитов использовали воздушносвязанный магнитострикционный преобразователь, потребляемая электрическая мощность которого составляла 1 кВт. Важно отметить, что магнитострикционные излучатели являются резонансными и работают на фиксированной частоте ультразвука. В 
связи с этим при проведении НК необходимо исключать совпадение частоты стимулирующих у.з. 
волн с собственными резонансными частотами элементов конструкции объекта. 
Воздушносвязанные излучатели пьезоэлектрического типа также имеют ряд ограничений. 
Например, в работах [35, 36] показано, что совместное использование лазерного вибросканирования и бесконтактной стимуляции материалов с помощью пьезопреобразователей для контроля 
многокомпонентных дефектов затруднительно. Пьезоэлектрические преобразователи имеют ограничение по амплитуде приложенного электрического напряжения и, следовательно, по излучаемой 
мощности. Помимо этого, они характеризуются относительно узким диапазоном рабочих частот, 
и резонансная частота пьезоэлектрического преобразователя зависит от его размера. Указанные 
особенности ограничивают применение бесконтактных пьезопреобразователей для контроля слоистых композитов [37—40].
В работе [41] было предложено возбуждать акустические волны с помощью импульсного электрического разряда, который вызывает быстрые изменения давления в  окружающей среде. 
Быстрый рост температуры, сопровождающийся расширением области плазмы газового разряда, 
вызывает волну сжатия (в ряде случаев подобную ударной), распространяющуюся в окружающем 
пространстве. Совокупность этих физических явлений условно называют электротермоакустическим эффектом [38]. Волна сжатия распространяется в разрядном промежутке и, кроме того, взаДефектоскопия     № 2      2024

	
Исследование газоразрядного электроакустического преобразователя...	
5
имодействует с электродами и разрядной камерой, вызывая их отклонение от равновесного положения. Соответственно, в процессе релаксации системы энергия колебаний частично трансформируется в окружающую среду с образованием акустических волн, что используют для создания 
бесконтактных акустических излучателей для НК [38, 41].
В работах [22, 38] нами был предложен газоразрядный электроакустический преобразователь 
(ГЭАП), принцип работы которого основан на электротермоакустическом эффекте. В частности, в 
ГЭАП формирование акустических колебаний происходит на основе импульсного разряда в воздухе при атмосферном давлении. При быстром нагреве и расширении газа в области плазмы разряда формируется волна давления, которая распространяется в окружающем пространстве. Было 
показано, что ГЭАП генерирует акустические волны в воздушной среде в диапазоне от 0 до 

100 кГц, а максимальная амплитуда виброперемещения на мембране излучателя сопоставима с 
источниками возбуждения магнитострикционного и пьезоэлектрического типа [41].
В настоящей работе рассмотрены как акустические, так и эксплуатационные характеристики 
ГЭАП «открытого типа», т.е. с электродной системой, объем которой сообщается с окружающим 
пространством. Изучены электротермоакустические процессы, протекающие в газоразрядной 
системе, оценен химический состав напыления, образованного в электродной системе, проведены 
ресурсные испытания электродов и изолятора преобразователя. 
2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Использовали ГЭАП, упрощенная схема которого представлена на рис. 1. 
1
5
V0
C
2
4
3
Рис. 1. Упрощенная схема ГЭАП:
1 — острийный электрод; 2 — изолятор; 3 — обратный электрод (токопровод); 4 — мембрана (дисковый электрод); 5 — схематичное 
положение канала разряда.
По своей сути рассматриваемый ГЭАП представляет собой неуправляемый разрядник, работающий в режиме самопробоя. Ввиду наличия отверстия в мембране 4, объем электродной системы 
сообщается с атмосферой, что позволяет осуществить вывод акустических колебаний в окружающее пространство. В исследуемой конфигурации излучателя система электродов близка к типу 
«острие—плоскость». В этом случае перед пробоем электрическое поле в межэлектродном промежутке распределяется неоднородно. Кроме того, электрод 1 контактирует с изолятором 2, что 
может привести к развитию пробоя по поверхности диэлектрика. Оба этих фактора сопровождаются уменьшением напряжения, необходимого для пробоя газоразрядного промежутка. 
ГЭАП работает следующим образом: при подаче импульса тока от генератора начинается 
зарядка емкости С, а напряжение V0 на газоразрядном промежутке (разность потенциалов между 
электродами 1 и 4) возрастает до тех пор, пока не произойдет пробой. Протекание тока разряда 
сопровождается так называемым электротермоакустическим эффектом [38]. Суть этого явления 
заключается в формировании перепада давления в результате быстрого нагрева и расширения газа 
Дефектоскопия      № 2     2024

Дерусова Д.А., Вавилов В.П., Нехорошев В.О. и др.
в области канала разряда 5 при протекании электрического тока. Кроме того, под воздействием 
перепада давления элементы конструкции отклоняются от положения равновесия, осуществляя 
релаксационные колебания. Таким образом, излучающей поверхностью ГЭАП фактически является область плазмы газового разряда, а также электроды и изолятор. По мере протекания тока разряда емкость С разряжается, и при некотором напряжении ток разряда обрывается, после чего 
происходит рекомбинация остаточной плазмы газового разряда, электрическая прочность промежутка восстанавливается. В эксперименте суммарная емкость C, с учетом емкости подводящего 
кабеля и межэлектродной емкости, была на уровне 2 нФ.
Упрощенная схема лабораторной установки и различных средств, использованных в настоящей 
работе для исследования электротермоакустических процессов в ГЭАП и в воздушном пространстве, 
приведена на рис. 2.
а
б
в
г
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).
В настоящем исследовании разряд возбуждали с частотой 3 Гц от генератора импульсов тока с 
выходным напряжением до 20 кВ аналогично принципу, описанному в [22]. Ток короткого замыкания генератора достигал 700 A, время нарастания напряжения на емкости С не превышало 2 мкс. 
Для измерения акустического давления, создаваемого в газоразрядном излучателе в области 
частот от 31,5 Гц до 8 кГц, использовали шумомер «ATE-9015» (Актаком, Россия), который размещали на расстоянии l = 30 см от торца ГЭАП. Погрешность измерения не превышала ±1,4 дБ. 
При проведении исследования электроизноса элементов конструкции для взвешивания использовали полумикровесы «Госметр ВЛ120-М». Микрофотографии поверхности электродов были 
получены с помощью металлографического микроскопа «Альтами МЭТ1».
Для оценки напыления, возникающего в результате уноса массы элементов конструкции, 
использовали стеклянный образец (рис. 2в), размещенный на расстоянии l = 1  мм и менее от 
ГЭАП. Химический состав поверхностного слоя напыления (до 15 нм) был исследован методом 
рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии с использованием сверхвысоковакуумного 
фотоэлектронного спектрометра «Thermo Scientific K-Alpha Nexsa». Для возбуждения монохроматизированного рентгеновского излучения использовали рентгеновскую трубку с анодом Al 
(1486,74 эВ). Площадь образца составила 200 мкм2. Перед помещением в спектрометр образцы 
хранили в течение 3 дней при атмосферном давлении и комнатной температуре. Обзорные спектры записывали при энергии пропускания 200 эВ с шагом 1 эВ. Обработку полученных спектров 
проводили с использованием программного обеспечения «Avantage Thermo Fisher software».
Лазерным виброметром PSV-500-3D HV (рис. 2г) измеряли вибрации на поверхности мембраны ГЭАП на расстоянии l = 1,5 м в диапазоне частот от 100  кГц до 4   МГц с шагом 30 Гц. 
Упрощенная схема лабораторной установки для НК приведена на рис. 3.
Дефектоскопия     № 2      2024

	
Исследование газоразрядного электроакустического преобразователя...	
7
Газоразрядный 
излучатель
Генератор
импульсов тока
Коаксильный
кабель
Исследуемый
образец
Сканирующая
головка
Рис. 3. Упрощенная схема лабораторной установки для проведения НК с использованием сканирующей лазерной доплеровской виброметрии и бесконтактного способа стимуляции материалов на основе ГЭАП.
Неразрушающие испытания композиционных материалов были выполнены на панели из стеклопластика размерами 315×225×14 мм3 с дефектами различного происхождения: несквозными 
круглыми отверстиями и расслоениями. Для проведения НК использовали лабораторную установку [35], включающую сканирующий лазерный доплеровский виброметр PSV-500-3D HV, газоразрядный электроакустический преобразователь и генератор импульсов тока, как показано на рис. 3. 
В ходе контроля качества ГЭАП размещали на расстоянии 20 мм от торцевой стороны пластины. 
Лазерное вибросканирование поверхности стеклопластикового композита осуществляли в диапазоне частот от 50 Гц до 50 кГц с шагом по частоте 31 Гц (количество спектральных линий — 1600). 
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
3.1.  Исследование акустических характеристик газоразрядного излучателя
C помощью метода лазерной виброметрии проведен спектральный анализ колебаний в пяти 
точках на мембране излучателя (количество измерений — 5). Время записи колебаний в каждой 
точке сканирования составило 4 мс при длительности релаксации колебаний мембраны около 2 мс 
[22]. В ходе лазерного сканирования был измерен амплитудно-частотный спектр колебаний мембраны ГЭАП в диапазоне частот от 100 кГц до 4 МГц с разрешением 30 Гц. На рис. 4 приведен 
амплитудно-частотный спектр ГЭАП, имеющего отверстие диаметром 1 мм в центре мембраны. 
1,5
1,0
0,5
Виброскорость, мм/с
0                       1                      2                       3                       4
f, МГц
Рис. 4. Спектр колебаний на поверхности мембраны ГЭАП (отверстие диаметром 1 мм в центре) в диапазоне частот от 
100 кГц до 4 МГц.
Дефектоскопия      № 2     2024

Дерусова Д.А., Вавилов В.П., Нехорошев В.О. и др.
Спектр на рис. 4 представлен явно выраженными полосами в диапазоне частот от 100 до 

500 кГц и от 3 до 4 МГц, а также набором большого количества узких линий во всем рассматриваемом интервале частот вплоть до 3,5 МГц. Первая полоса с частотой от 100 до 500 кГц соответствует процессам с характерной длительностью порядка 2—10 мкс, что можно сопоставить, соответственно, с активной длительностью импульса тока и характерной постоянной времени процесса нагрева и расширения газа в области плазмы разряда. Быстропротекающие газоразрядные 
процессы в электродной системе приводят к возникновению вибраций на поверхности мембраны 
в диапазоне частот от 3 до 4  МГц с максимумом, соответствующим собственной резонансной 
частоте газоразрядного контура при индуктивности порядка 1 мкГн и емкости 2 нФ. Сравнительно 
высокая амплитуда зарегистрированного сигнала в указанном диапазоне частот может быть обусловлена как изменениями состояния плазмы разряда при осцилляции тока в газоразрядном контуре, так и действием потока заряженных частиц и силы Ампера. В целом, полученный вид спектра характерен для импульсных сигналов подобного рода, например, близкая форма акустического 
спектра при возмущении от искрового разряда была приведена в работе [41]. Наличие большого 
числа спектральных линий объясняется как собственными резонансами элементов конструкции и 
их гармониками, так и наличием переотражений в электродной системе. Следует отметить, что 
спектр на рис. 4 практически непрерывен во всей исследуемой полосе частот, а основная доля 
энергии выделяется в диапазоне частот до 400 кГц, что фактически соответствует требованиям, 
предъявляемым к акустическим излучателям в НК [40].
В работе [22] был приведен спектр колебаний мембраны ГЭАП закрытого типа (без отверстия), 
следовательно, объем электродной системы не сообщался с окружающей средой. Было отмечено 
влияние собственных частот мембраны излучателя (около 10 кГц) на диапазон его рабочих частот. 
В настоящем исследовании также наблюдалось влияние резонансных колебаний элементов конструкции ГЭАП, вызванных импульсом разряда, на регистрируемый амплитудно-частотный 
спектр. Однако характеристика ГЭАП открытого типа (см. рис. 4) существенно шире, чем соответствующие амплитудно-частотные характеристики излучателя закрытого типа [19]. Это можно 
объяснить тем, что в закрытой конфигурации ГЭАП объем газоразрядного промежутка отделен от 
окружающей среды мембраной (диафрагмой), в результате чего излучающей поверхностью является только сама мембрана преобразователя. В открытой конфигурации, ввиду наличия отверстия, 
объем газоразрядного промежутка сообщается с окружающим пространством. Следовательно, 
акустические волны формируются как у поверхности мембраны, так и в межэлектродном промежутке газоразрядного преобразователя. Резюмируя, можно заключить, что исследуемый источник 
звука является широкополосным, некогерентным, с неравномерным амплитудно-частотным спектром, отличающимся наличием выраженных полос поглощения и резонансных линий, которые 
соответствуют собственным колебаниям и переотражениям волн от элементов конструкции. 
Частотная характеристика изменялась незначительно от импульса к импульсу, однако амплитуда 
акустического сигнала была нестабильной.
Для исследования стабильности генерации акустических волн и получения интегральной акустической характеристики ГЭАП было измерено давление звука. Давление измеряли на расстоянии 30 см от мембраны ГЭАП. На рис. 5 приведены результаты измерения акустического давления 
в помещении для 1000 импульсов разряда. 
100
90
80
70
L, дБ
60
50
40
0                     200                   400                   600                   800                  1000
N
Рис. 5. Уровень шума на расстоянии 30 см от ГЭАП: N — порядковый номер импульса; частота следования импульсов — 2 Гц; межэлектродный зазор 5 мм.
Дефектоскопия     № 2      2024