A. P. Vladimirov
NEW SHEAROGRAPHY: THEORY, EXPERIMENTS, AND SOME APPLICATIONS
DOI: 10.17804/2410-9908.2024.6.268-293 The paper discusses the theoretical and experimental justification and some applications of new shearography, which is two orders of magnitude higher in sensitivity and spatial resolution than the previously known version of shearography. In addition, it has no such negative properties of the old shearography as low contrast of correlation bands and their disappearance with the slightest translational motion of the object of diagnostics. It is shown that a new mechano-optical effect is the physical basis of the method. Due to this effect, the shearing interference of waves occurs spontaneously, without using special optics. Formulas are given that relate the parameters characterizing the translational motion of an object, the average value, dispersion, time autocorrelation and spectral functions of object deformations to the speckle dynamics parameters in the object image plane. These formulas were found both for a light-scattering surface and for a transparent object located near a random-phase screen. It is also shown that, if the difference in the optical paths Du of two waves is equal to the sum of M independent values of Dum, it becomes possible to determine the above parameters corresponding to the terms Dum, m = 1, 2, ... M. The results of applying the theory to the study of irreversible processes caused by fatigue of materials, intracellular processes in cultured living cells, and turbulent flows are shown. Fatigue-induced degradation mechanisms identified by the new method for some materials are considered. A decrease in cell activity when three toxic substances are introduced into a nutrient solution is evaluated, as well as the relative contribution of vortices with different relaxation times to a turbulent air flow.
Acknowledgement: Gratitude is expressed to my colleagues I. S. Kamantsev, N. A. Drukarenko, P. V. Pavlov, Yu. A. Mikhailenko, N. A. Belokonova, A. G. Sergeev, K. O. Golitsyna, N. A. Naronova, post- and undergraduates K. E. Myznov, K. V. Naumov, as well as to the late A. A. Bakharev, for their active participation in the study. Thanks are also due to A. V. Druzhinin and V. V. Evstigneev for their valuable remarks contributing to the improvement of the paper. The study was performed under research program No 124020700063 of the IES UB RAS and partially supported by the UrFU development program within the Priority-2030 program. Keywords: speckle, high-cycle fatigue, living cells, turbulence, deformation, degradation, mechanisms  References:
- Vlasov, N.G. and Presnyakov, Yu.P. A simplified version of shearography. Pribory i Tekhnika Eksperimenta, 1973, 5, 199–201. (In Russian).
- Leendertz, J.A. and Butters, J.N. An image-shearing speckle-pattern interferometer for measuring bending moments. Journal of Physics E: Scientific Instruments, 1973, 6 (11), 1107–1110. DOI: 10.1088/0022-3735/6/11/019.
- Hung, Y.Y. Shearography: a new optical method for strain measurement and nondestructive testing. Optical Engineering, 1982, 21 (3), 391–395. DOI: 10.1117/12.7972920.
- Available at: https://www.dantecdynamics.com/solutions/laser-shearography-ndt
- ASTM Standard Practice E–2581–7. Shearography of polymer matrix composites, sandwich core materials and filament-wound pressure vessels in aerospace application.
- Yang, L. and Xie, X. Digital Shearography, New Developments and Applications, SPIE Press, Washington, 2016, 226 p.
- Steinchen, W. Digital Sherarography, Theory and Application of Digital Speckle Pattern Shearing Interferometry, SPIE Press, Washington, 2003, 312 p.
- Lobanov, L.M., Znova, V.A., Pivtorak, V.A., and Kiyanets, I.V. Monitoring corrosion damage of elements and components of aircraft structures by the method of electron shearography. Tekhnicheskaya Diagnostika i Nerazrushayushchiy Kontrol, 2016, 2. (In Russian).
- Burkov, M.V. Development of a digital shirography device. Glavnyi Mekhanik, 2023, 4. (In Russian). DOI: 10.33920/pro-2-2304-06.
- Meybodi, M.K., Dobre, I., Klausmeyer, P., Harrington, E.J., and Furlong, C. Investigation of thermomechanical effects of lighting conditions on canvas paintings by laser shearography. In: Proc. SPIE, Interferometry XVI, Applications, September 13, 2012, vol. 8494, pp. 84940A. DOI: 10.1117/12.958089.
- Vladimirov, A.P., Druzhinin, A.V., Malygin, A.S., and Mikitas, К.N. Theory and calibration of speckle dynamics of phase object. In: Proc. SPIE, Saratov Fall Meeting 2011, Optical Technologies in Biophysics and Medicine XIII, November 27–30, 2012, vol. 8337, pp. 83370C-1–83370C-15. DOI: 10.1117/12.924800.
- Vladimirov, A.P. Speckle metrology of dynamic macro- and microprocesses in deformable media. Optical Engineering, 2016, 55 (12), 1217–1227. DOI: 10.1117/1.OE.55.12.121727.
- Vladimirov, A.P. Dynamic speckle interferometry of high-cycle material fatigue. Theory and some experiments. AIP Conference Proceedings, 2016, 1740, 040004-1–040004-4. DOI: 10.1063/1.4952663.
- Vladimirov, A.P. Dynamic speckle-interferometry of micro-displacements. AIP Conference Proceedings, 2012, 1457, 459–468. DOI: 10.1063/1.4730589.
- Vladimirov, A.P., Kamantsev, I.S., Drukarenko, N.A., Trishin, V.N., Akashev, L.A., and Druzhinin, A.V. Assessing fatigue damage in organic glass using optical methods. Optics and Spectroscopy, 2019, 127, 943–953. DOI: 10.1134/S0030400X19110286.
- Vladimirov, A.P. Speckle tomography of the living-cell functions. Izvestiya Vuzov. Radiofizika, 2020, 63 (8), 655–664.
- Vladimirov, A., Drukarenko, N., and Mikhailenko, Yu. Speckle diagnosis of irreversible processes occurring in some living and technical objects. In: Opticheskie metody issledoveniya potokov, trudy XVI mezdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii [Optical Flow Research Methods, June 28–July 02, 2021: Proceedings of Scientific and Practical Conference]. Pero Publ., 2021, pp. 51–62. (In Russian).
- Kamantsev, I.S., Vladimirov, A.P., and Borodin, E.M. Investigation of crack formation processes under multicycle fatigue in tube steel 09G2S using speckle-interferometry method. Vestnik TGU, 2013, 18 (4), 1881–1882. (In Russian).
- Vladimirov, A.P., Kamantsev, I.S., Ishchenko, A.V., Veselova, V.E., Gorkunov, E.S., Gladkovskiy, S.V., and Zadvorkin, S.M. Investigation of fatigue crack formation process on changing of surface topography of specimen and its speckle images. Deformatsiya i Razrushenie Materialov, 2015, 1, 21–26. (In Russian).
- Vladimirov, A.P., Kamantsev, I.S., Veselova, V.E., Gorkunov, E.S., and Gladkovskii, S.V. Use of dynamic speckle interferometry for contactless diagnostics of the nucleation of a fatigue crack and determining its growth rate. Technical Physics, 2016, 61 (4), 563–568. DOI: 10.1134/S106378421604023X.
- Vladimirov, A.P. and Ponosov, Yu.S. Application of speckle dynamics and Raman light scattering to study the fracture features of pipe steel at high-cycle fatigue. Vestnik PNIPU. Mekhanika, 2018, 3, 138–146. (In Russian). DOI: 10.15593/perm.mech/2018.3.13.
- Vladimirov, A.P., Kamantsev, I.S., Drukarenko, N.A., Gladkovsky, S.V., Bukhvalov. A.B., Khudorozhkova, Yu.V., Cheremitsina, E.R., and Gorkunov, E.S. Nucleation and initiation of cracks under high-cycle fatigue in the EP679 maraging steel. AIP Conference Proceedings, 2019, 2176, 030019. DOI: 10.1063/1.5135143.
- Vladimirov, A.P., Drukarenko, N.A., and Myznov, K.E. Using speckle images for determining the local plastic strains arising at high-cycle fatigue of 09G2S steel. Technical Physics Letters, 2021, 47 (8), 777–780. DOI: 10.1134/S1063785021080137.
- Vladimirov, A.P. Dynamic speckle diagnostics of deformations, damages and operational life of machine details. Mashinostroenie: Setevoy Elektronnyi Nauchnyi Zhurnal, 2023, 10 (4), 3–7. (In Russian). DOI: 10.24892/RIJIE/20230401.
- Vladimirov, A.P., Kamantsev, I.S., Drukarenko, N.A., Myznov, K.E., and Naumov, K.V. Comparison of application results of two speckle methods for study multi-cycle fatigue of structural steel. Nauchno-Technicheskiy Vestnik Informatsionnykh Tekhnologiy, Mekhaniki i Optiki, 2024, 24 (1), 20–29. (In Russian). DOI: 10.17586/2226-1494-2024-24-1-20-29.
- Orowan, E. Theory of the fatigue of metals. Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences, 1939, 171 (944), 79–106. DOI: 10.1098/rspa.1939.0055.
- Afanasiev, N.N. Statisticheskaya teoriya ustalostnoy prochnosti materialov [Statistical Theory of Material Fatigue Strength]. Isd-vo Akad. Nauk Ukr. SSR Publ., Kiev, 1953, pp. 82–88. (In Russian).
- Zhurkov, S.N. Kinetic conception of the strength of solids. Vestnik Akademii Nauk SSSR, 1968, 46–52. (In Russian).
- Troshchenko, V.T. Ustalost i neuprugost materialov [Fatigue and Inelasticity of Materials]. Naukova Dumka Publ., Kiev, 1971, 268 p.
- Vladimirov, A.P. Dinamicheskaya spekl-interferometriya deformiruyemykh tel [Dynamic Speckle Interferometry of Bodies under Deformation]. UrO RAN Publ., Ekaterinburg, 2004, 241 p. (In Russian).
- Vladimirov, A.P. and Bakharev, A.A. Dynamic speckle interferometry of thin biological objects: theory, experiments, and practical perspectives. In: Optical Interferometry, IntechOpen, 2018, ch. 6, pp. 103–141. DOI: 10.5772/66712.
- Vladimirov, A.P. Dynamic Speckle interferometry of technical and biological objects. In: Interferometry – Recent Developments and Contemporary Applications, IntechOpen, 2018, pp. 1–18. DOI: 10.5772/intechopen.81389.
- Mikhailova, Yu.А., Vladimirov, A.P., Bakharev, A.A., Sergeev, A.G., Novosyolova, I.A., and Yakin, D.I. Studying of cell culture reaction to temperature change by dynamic speckle interferometry. Russian Journal of Biomechanics, 2017, 21 (1), 56–64. DOI: 10.15593/RJBIOMEH/2017.1.06.
- Volkov, S.D. Funktsiya soprotivleniya materialov i postanovka kraevykh zadach mekhaniki razrusheniya [Function of the Strength of Materials and the Formulation of Boundary Value Problems in Fracture Mechanics]. UNTs AN SSSR Publ., Sverdlovsk,1968, 65 p. (In Russian).
- Vladimirov, A.P., Malygin, A.S., Mikhailova, Yu.A., Bakharev, A.A., and Poryvaeva, A.P. Retrofit device for real-time evaluation of metabolic activity in herpes virus infected cell cultures. Biomedical Engineering, 2014, 48 (14), 178–181. DOI: 10.1007/s10527-014-9447-9.
- Vladimirov, A.P., Mikhailova, Yu.A., and Drukarenko, N.A. Dynamic speckle interferometry of technical and thin biological objects. In: Proc. SPIE, VII International Conference on Speckle Metrology Speckle, 2018, September 7, 2018, vol. 10834, pp. 1083427-1–1083427-10. DOI: 10.1117/12.2319729.
А. П. Владимиров
НОВАЯ ШИРОГРАФИЯ: ТЕОРИЯ, ЭКСПЕРИМЕНТЫ И НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ
Представлено теоретическое и экспериментальное обоснование новой ширографии, по чувствительности и пространственному разрешению на два порядка превосходящей ранее известный вариант, и рассмотрены некоторые ее применения. Кроме того, в ней отсутствуют такие негативные свойства старой ширографии, как малый контраст полос корреляции и их исчезновение при малейшем поступательном перемещении объекта диагностики. Показано, что физической основой метода является новый механо-оптический эффект, благодаря которому сдвиговая интерференция волн реализуется спонтанно, без использования специальной оптики. Приведены формулы, связывающие параметры, характеризующие поступательное перемещение объекта, среднее значение, дисперсию, временную автокорреляционную и спектральную функцию деформаций объекта, с параметрами динамики спеклов в плоскости его изображения. Указанные формулы найдены как для рассеивающей свет поверхности, так и для прозрачного объекта, расположенного вблизи случайно-фазового экрана. Установлено, что если разность оптических путей ∆u двух волн равна сумме М независимых величин ∆um, то появляется возможность определить вышеуказанные параметры, соответствующие слагаемым ∆um, m = 1, 2, … M. Приведены результаты применения теории для изучения следующих явлений: необратимых процессов, вызванных усталостью материалов; внутриклеточных процессов в живых культивированных клетках; турбулентных потоков. Рассмотрены механизмы усталостной деградации ряда материалов, выявленные новым методом. Количественно оценены уменьшение активности клеток при введении в питательный раствор трех токсичных веществ и относительный вклад вихрей с разными временами релаксации в турбулентное течение воздуха.
Благодарность: Автор благодарит своих коллег Каманцева И. С., Друкаренко Н. А., Павлова П. В., Михайленко Ю. А, Белоконову Н. А., Сергеева А. Г., Голицыну К. О., Наронову Н. А., аспирантов и студентов Мызнова К. Е., Наумова К. В., а также ушедшего из жизни Бахарева А. А. за их активное участие в проведенных исследованиях. Автор благодарит также Дружинина А. В. и Евстигнеева В. В. за ценные замечания, способствующие улучшению данной статьи. Исследования были проведены в рамках программ исследования № 124020700063 ИМАШ УрО РАН, частично поддержаны программой развития УрФУ в рамках программы Приоритет-2030. Ключевые слова: спеклы, многоцикловая усталость, живые клетки, турбулентность, деформация, деградация, механизмы Библиография:
- Власов Н. Г., Пресняков Ю. П. Упрощенный вариант интерферометрии сдвига // Приборы и техника эксперимента. – 1973. – № 5. – С. 199–201.
- Leendertz J. A., Butters J. N. An image-shearing speckle-pattern interferometer for measuring bending moments // Journal of Physics E: Scientific Instruments. – 1973. – No. 6. – P. 1107–1110. – DOI: 10.1088/0022-3735/6/11/019.
- Hung Y. Y. Shearography: a new optical method for strain measurement and nondestructive testing // Optical Engineering. – 1982. – Vol. 21 (3). – P. 391–395. – DOI: 10.1117/12.7972920.
- URL: https://www.dantecdynamics.com/solutions/laser-shearography-ndt
- ASTM Standard Practice E–2581–7. Shearography of polymer matrix composites, sandwich core materials and filament-wound pressure vessels in aerospace application.
- Yang L., Xie X. Digital Shearography. New Developments and Applications. – Washington : SPIE Press, 2016. – 226 p.
- Steinchen W. Digital Sherarography. Theory and Application of Digital Speckle Pattern Shearing Interferometry. – Washington : SPIE Press, 2003. – 312 p.
- Контроль коррозионных повреждений элементов и узлов авиационных конструкций методом электронной ширографии / Л. М. Лобанов, В. А. Знова, В. А. Пивторак, И. В. Киянец // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. – 2015. – № 2. – C. 5–9.
- Бурков М. В. Разработка устройства цифровой ширографии // Главный механик. – 2023. № 4. – DOI: 10.33920/PRO-2-2304-06.
- Investigation of thermomechanical effects of lighting conditions on canvas paintings by laser shearography / M. K. Meybodi, I. Dobre, P. Klausmeyer, E. J. Harrington, C. Furlong // SPIE, Interferometry XVI, Applications, September 13, 2012 : proceedings. – 2012. – Vol. 8494. – P. 84940A. – DOI: 10.1117/12.958089.
- Theory and calibration of speckle dynamics of phase object / A. P. Vladimirov, A. V. Druzhinin, A. S. Malygin, К. N. Mikitas // SPIE, Saratov Fall Meeting 2011, Optical Technologies in Biophysics and Medicine XIII, November 27–30, 2012 : proceedings. – 2012. – Vol. 8337. – P. 83370C-1–83370C-15. – DOI: 10.1117/12.924800.
- Vladimirov A. P. Speckle metrology of dynamic macro- and microprocesses in deformable media // Optical Engineering. – 2016. – Vol. 55 (12). – P. 1217–1227. – DOI: 10.1117/1.OE.55.12.121727.
- Vladimirov A. P. Dynamic speckle interferometry of high-cycle material fatigue: theory and some experiments // AIP Conference Proceedings. – 2016. – Vol. 1740. – P. 040004-1–040004-4. – DOI: 10.1063/1.4952663.
- Vladimirov A. P. Dynamic speckle-interferometry of micro-displacements // AIP Conference Proceedings. – 2012. – Vol. 1457. – P. 459–468. – DOI: 10.1063/1.4730589.
- Assessing fatigue damage in organic glass using optical methods / A. P. Vladimirov, I. S. Kamantsev, N. A. Drukarenko, V. N. Trishin, L. A. Akashev, A. V. Druzhinin // Optics and Spectroscopy. – 2019. – Vol. 127. – P. 943–953. – DOI: 10.1134/S0030400X19110286.
- Владимиров А. П. К спекл-томографии функций живой клетки // Известия вузов. Радиофизика. – 2020. – Т. 63 (8). – С. 655–664.
- Владимиров А. П., Друкаренко Н. А., Михайленко Ю. А. Спекл-диагностика необратимых процессов, протекающих в некоторых живых и технических объектах // Оптические методы исследования потоков, 28 июня–02 июля 2021 : труды XVI международной научно-технической конференции. – М. : Издательство «Перо», 2021. – С. 51– 62.
- Каманцев И. С., Владимиров А. П., Бородин Е. М. Исследование процессов зарождения трещин при многоцикловой усталости трубной стали 09Г2С с использованием метода спекл-интерферометрии // Вестник ТГУ. – 2013. – Т. 18 (4). – С. 1881–1882.
- Изучение процесса зарождения усталостной трещины по изменению рельефа поверхности образца и ее спекловых изображений / А. П. Владимиров, И. С. Каманцев, А. В. Ищенко, В. Е. Веселова, Э. С. Горкунов, С. В. Гладковский, С. М. Задворкин // Деформация и разрушение материалов. – 2015. – № 1. – С. 21–26.
- Use of dynamic speckle interferometry for contactless diagnostics of the nucleation of a fatigue crack and determining its growth rate / A. P. Vladimirov, I. S. Kamantsev, V. E. Veselova, E. S. Gorkunov, S. V. Gladkovskii // Technical Physics. – 2016. – Vol. 61 (4). – P. 563–568. – DOI: 10.1134/S106378421604023X.
- Владимиров А. П., Поносов Ю. С. Применение динамики спеклов и комбинационного рассеяния света для изучения особенностей разрушения трубной стали при многоцикловой усталости // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2018. – № 3. – С. 138–146. – DOI: 10.15593/perm.mech/2018.3.13.
- Nucleation and initiation of cracks under high-cycle fatigue in the EP679 maraging steel / A. P. Vladimirov, I. S. Kamantsev, N. A. Drukarenko, S. V. Gladkovsky, A. B. Bukhvalov, Yu. V. Khudorozhkova, E. R. Cheremitsina, E. S. Gorkunov // AIP Conference Proceedings. – 2019. – Vol. 2176. – P. 030019. – DOI: 10.1063/1.5135143.
- Vladimirov A. P., Drukarenko N. A., Myznov K. E. Using speckle images for determining the local plastic strains arising at high-cycle fatigue of 09G2S steel // Technical Physics Letters. – 2021. – Vol. 47 (8). – P. 773–776. – DOI: 10.1134/S1063785021080137.
- Владимиров А. П. Динамическая спекл-диагностика деформаций, повреждений и ресурса деталей машин // Машиностроение: сетевой электронный научный журнал. – 2023. – Т. 10 (4). – С. 3–7. – DOI: 10.24892/RIJIE/20230401.
- Comparison of applications results of two speckle methods for study multi-cycle fatigue of structural steel / A. P. Vladimirov, I. S. Kamantsev, N. A. Drukarenko, K. E. Myznov, K. V. Naumov // Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics. – 2024. – Vol. 24 (1). – P. 20–29. – DOI: 10.17586/2226-1494-2024-24-1-20-29.
- Orowan E. Theory of the fatigue of metals // Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences. – 1939. – Vol. 171 (944). – P. 79–106. – DOI: 10.1098/rspa.1939.0055.
- Афанасьев Н. Н. Статистическая теория усталостной прочности металлов. – Киев : Изд-во Акад. наук Укр. ССР, 1953. – С. 82–88.
- Журков С. Н. Кинетическая концепция прочости твердых тел // Вестник Академии наук СССР. – 1968. – С. 46–52.
- Трощенко В. Т. Усталость и неупругость металлов. – Киев : Наукова думка. – 1971. – 268 с.
- Владимиров А. П. Динамическая спекл-интерферометрия деформируемых тел. – Екатеринбург : УрО РАН, 2004. – 241 с.
- Vladimirov A. P., Bakharev A. A. Dynamic speckle interferometry of thin biological objects: theory, experiments, and practical perspectives // Optical Interferometry. – London : IntechOpen, 2018. – Ch. 6. – P. 103–141. – DOI: 10.5772/66712.
- Vladimirov A. P. Dynamic speckle interferometry of technical and biological objects // Interferometry – Recent Developments and Contemporary Applications. – IntechOpen, 2018. – P. 1–18. – DOI: 10.5772/intechopen.81389.
- Studying of cell culture reaction to temperature change by dynamic speckle interferometry / Yu. А. Mikhailova, A. P. Vladimirov, A. A. Bakharev, A. G. Sergeev, I. A., Novosyolova, D. I. Yakin // Russian Journal of Biomechanics. – 2017. – Vol. 21 (1). – P. 56–64. – DOI: 10.15593/RJBIOMEH/2017.1.06.
- Волков С. Д. Функция сопротивления материалов и постановка краевых задач механики разрушения. – Свердловск : УНЦ АН СССР, 1986. – 65 с.
- Retrofit device for real-time evaluation of metabolic activity in herpes virus infected cell cultures / A. P. Vladimirov, A. S. Malygin, Yu. A. Mikhailova, A. A. Bakharev, A. P. Poryvaeva // Biomedical Engineering. – 2014. – Vol. 48 (14). – P. 178–181. – DOI: 10.1007/s10527-014-9447-9.
- Vladimirov A. P., Mikhailova Yu. A., Drukarenko N. A. Dynamic speckle interferometry of technical and thin biological objects // SPIE, VII International Conference on Speckle Metrology Speckle, 2018, September 7, 2018 : proceedings. – 2018. – Vol. 10834. – P. 1083427-1–1083427-10. – DOI: 10.1117/12.2319729.
Библиографическая ссылка на статью
Vladimirov A. P. New Shearography: Theory, Experiments, and Some Applications // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. -
2024. - Iss. 6. - P. 268-293. - DOI: 10.17804/2410-9908.2024.6.268-293. -
URL: http://dream-journal.org/issues/content/article_480.html (accessed: 07.04.2025).
|
