Способ определения энергии сигнала акустической эмиссии в твердом теле

 

Изобретение относится к акустике твердого тела, точнее к определению энергии импульсного источника упругих волн в твердом теле, и может использоваться при оценках остаточного ресурса различных конструкций, удароопасности разрабатываемых месторождений и прогнозировании землетрясений. Для повышения точности определения энергии сигнала акустической эмиссии, которая эквивалентна энергии источника упругих волн, предлагается разложение регистрируемого сигнала акустоэмиссии на гармонические моды, определение их амплитуды и частоты, сопоставление с чачтотами собственных колебаний их частот, установление типа колебательной моды, определение соответствующих каждой моде параметров системы объект-датчик площади поверхности излучения и акустического сопротивления, и вычисление энергии по формуле, включающей найденные параметры. Способ может применяться для различных материалов и не ограничен типом источника сигнала акустической эмиссии. 4 ил., 2 табл.

Изобретение относится к исследованиям материалов путем определения их физических свойств, точнее к акустике твердого тела, к определению энергии импульсного источника путем упругих волн в твердом теле и может использоваться при оценках остаточного ресурса различных конструкций, удароопасности разрабатываемых месторождений и прогнозирования землетрясений.

В аналоге [1] измеряют амплитуду колебаний А, регистрируемых пьезодатчиком, и энергию Н определяют по формуле Н В˙А². Коэффициент пропорциональности В находится из дополнительного опыта, в котором в образце материала колебания возбуждаются падением стального шарика. Такой способ использует недостаточно полное описание формы сигнала, который в действительности характеризуется не только амплитудой, но и другими параметрами. В нем играют роль реальные условия для конкретной системы образец-датчик, но они учитываются косвенным образом, через коэффициент В, который меняется при переходе от одной системы к другой, и поэтому не может быть определен в единственном дополнительном опыте.

В прототипе [2] в приемнике регистрируют упругие колебания, вызванные излучением импульсным источником бегущей волны, измеряют амплитуду А и период смещения Т, длительность цуга волн τ, оценивают расстояние L от источника до приемника, задаются значениями плотности среды ρ, скорости звука с, и энергию Н сигнала акустической эмиссии определяют по формуле: Н 3 π³ L² ρ c τ (A/T)².

Недостаток этого способа невысокая точность обусловлено многочисленными упрощениями при выводе расчетной формулы (источник колебаний считается точечным, излучение изотропным, не учитывается волновой процесс вблизи поверхности и др.).

Задачей изобретения является повышение точности определения энергии сигнала акустической эмиссии.

Это достигается за счет более полного описания физического процесса акустических колебаний в системе объект-датчик с помощью измерения дополнительных параметров процесса.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе определения энергии сигнала акустической эмиссии в твердом теле путем регистрации упругих колебаний, возбуждаемых в твердом теле, измерения амплитуды, скорости распространения и частоты упругих волн, и плотности среды, согласно формуле изобретения после регистрации сигнал раскладывают на гармонические моды, амплитуду и частоту измеряют для каждой моды колебаний, устанавливают тип колебательной моды, сравнивая эти значения частот с частотами собственных колебаний системы объект-датчик. Затем определяют соответствующие каждой моде параметры системы: площадь поверхности излучения и волновое сопротивление, а энергию рассчитывают по формуле H(nSσ²_o/8ρcν_n)_i, где n 1,2, номер собственного колебания; i номер моды; S площадь поверхности излучения (м²); σ_o² максимальная амплитуда напряжения упругих колебаний, Па; ρ с волновое сопротивление твердого тела, кг/м²с; V_n частота собственного колебания, Гц.

При импульсном воздействии на твердое тело (например, при упругом ударе по его поверхности или при образовании в нем трещины) в некоторой области (источнике) происходит динамическая локальная перестройка структуры материала с испусканием упругих волн, называемых акустической эмиссией (АЭ). Принимающее устройство (датчик) регистрирует АЭ в форме сигнала набора изменяющихся физических величин (смещения, напряжения и т.д.) и возникает задача расчета энергии сигнала АЭ по его регистрируемым параметрам.

Определение энергии сигнала АЭ эквивалентно определению энергии импульсного источника в твердом теле, которое необходимо для изучения связей энерговыделения с характеристиками внешнего воздействия на твердое тело. Источник АЭ генерирует бегущую волну, которая возбуждает в системе объект-датчик процесс собственных колебаний сумму стоячих волн (гармонических мод) обладающих следующими свойствами: время жизни стоячей волны существенно (на 2-3 порядка) превышает длительность действия источника; большая часть энергии источника колебаний аккумулируется в стоячей волне; параметры и число стоячих волн зависят от характера и длительности АЭ источника и свойств системы объект-датчик.

В этой связи энергию АЭ можно определить по энергии, запасенной в стоячей волне. Энергия плоской стоячей волны длиной λ в направлении х пропорциональна потенциальной энергии в области между узлом и пучностью напряжения, равной δH (S2ρc²)(x)dx, где S площадь поверхности излучения; ρ плотность среды; с скорость распространения волны, зависящая от ее типа, σ (x)=σ_o cos (2 π x / λ) амплитуда напряжения в волне. Интегрирование дает δ H=S σ_o² λ / 16 ρ c² В континуальном приближении, рассматривающем только достаточно длинные волны, λ=c / ν, где ν частота колебаний, и δ H=S σ_o² / 16 ρ c ν.

Пусть R размер системы в напряжении х, тогда полная энергия в волне Н (4˙R/λ) δ) Н. Поскольку речь идет о собственных колебаниях, то разрешены волны с длинами λ_n 2R/n, где n номер собственного колебания, n 1,2, и Н 2n δH.

Если возбуждены различные независимые i волны, то полная энергия сигнала АЭ H(nSσ²_o/8ρcν_n)_i Величину ρ с называют волновым сопротивлением.

Процесс собственных колебаний является суперпозицией различного типа стоячих волн: продольных, сдвиговых, изгибных и других. Необходимое для реализации заявляемого способа разложение суперпозиции на элементарные составляющие может быть осуществлено посредством частотной фильтрации (производимой, например, на ЭВМ) с использованием стандартного алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ), при этом номер моды и ее характер задаются номером спектрального пика и соответствующей ему частотой.

Основное отличие заявляемого способа от прототипа заключается в том, что в прототипе энергия сигнала АЭ определяется по параметрам первично возбуждаемой бегущей волны, тогда как в заявляемом способе определение энергии опирается на анализ вторичных стоячих волн, что повышает точность расчетов в несколько раз. Заявляемый способ не требует определения длительности действия источника и расстояния от него до приемника.

На фиг. 1 изображена сумма измерения, содержащая стальной шарик 1, стеклянную призму 2, источник 3 света, поляризатор 4, стеклянную пластину 5, анализатор 6, ФЭУ 7, осциллограф 8, ЭВМ 9. Источником упругих колебаний явился удар стального шарика о поверхность стеклянной призмы с размерами 19х24х24 см.

Регистрация сигнала производилась методом фотоупругости, модифицированным для измерения параметров быстропротекающих процессов и позволяющим непосредственно определять напряжение в упругой волне. Источником света служил аргоновый лазер. Для измерения интенсивности света, прошедшего через поляризатор 4, стеклянную пластину 5 с размерами 2,0х8,5х3,9 см, выполнявшую роль датчика фотоупругости, и анализатор 6, использовался ФЭУ 7. Затем сигнал подавался на цифровой запоминающий осциллограф 8, состыкованный с ЭВМ 9.

П р и м е р 1. На фиг.2 представлены осциллограмма (а) и спектр колебаний (б), возбужденных в стеклянной призме. Для определения энергии сигнал необходимо разложить на моды и найти параметры каждой моды и ее энергию. С этой целью производилась стандартная операция частотной фильтрации с использованием алгоритма БПФ. Как видно из фиг.2б, в рассматриваемом случае существует четыре спектральных пика, которым соответствуют частоты: 10.1, 12.1, 15.0, 18.0 кГц. После идентификации измеренных частот собственным частотам призмы, соответствующим различным модам колебаний, этим значениям сопоставлялись другие необходимые для расчета энергии параметры, присущие установленным модам. Максимальные амплитуды определялись на амплитудно-временных изображениях каждой из четырех колебательных мод (фиг.3). Площади поверхностей излучения определялись непосредственно из размеров стеклянной призмы (19х24х24 см). Значения продольного и поперечного волновых сопротивлений находились экспериментально путем измерения продольной с_l и поперечной с_t скоростей (для призмы ρ с_l 15,8х10⁶ кг/м²с; ρ с_t9,6х10⁶кг/м²с).

Полученное суммарное значение акустической энергии в данном случае равно (4,394 ± 0,400)х10^-6 Дж. Эта величина сравнивалась с потерей потенциальной энергии ΔН_п шарика в результате взаимодействия с поверхностью призмы, рассчитанной по формуле ΔН_п mg Δ h, где m масса шарика; g ускорение свободного падения; Δh разность высот падения и отскока шарика.

Для увеличения точности измерений падающий шарик помещался в вакуумный стакан с остаточным давлением 10^-3 мм рт.ст. и Δh оценивалась по времени между последовательными ударами шарика о поверхность призмы. Получено значение ΔН_п (3,888 ± 0,555)х10^-6 Дж.

Как видно, значения энергий акустического сигнала и потерянной шариком при ударе совпадают в пределах погрешности измерений, что свидетельствует о высокой точности заявляемого способа.

Проведем сравнение полученного для этого примера значения акустической энергии с расчетом по формуле прототипа, которую для этого преобразуем к следующему виду, так как измеряемая величина для данного эксперимента напряжение в волне, а не смещение: H 3 π³ L² l² σ_o² ν² τ / ρ c³, где l продольный размер датчика. Примем следующие значения параметров: L 0,19 м; l 0,039 м; σ_o 8,5 кПа; τ 80 мкс; ν 12,1 кГц; ρ 2,8х10 кг/м³; с 5660 м/с. Эти значения соответствуют параметрам бегущей волны частотой, определяемой длительностью взаимодействия шарика с поверхностью призмы, которая взята в качестве величины τ. Величина длительности взаимодействия определяется из дополнительного эксперимента, в котором на падающий шарик наклеивается датчик из пьезопленки. Полученное значение акустической энергии по формуле прототипа равно 12,400х10^-6 Дж, что примерно в три раза больше энергии, теряемой шариком в результате соударения с призмой. Таким образом, показано, что предлагаемый способ превосходит прототип в точности определения энергии в несколько раз.

П р и м е р 2. Рассмотрен случай, когда в результате уменьшения длительности взаимодействия шарика с поверхностью призмы путем увеличения высоты падения шарика, кроме собственных колебаний призмы, как это было в примере 1, возбуждаются собственные колебания датчика фотоупругости.

На фиг.4 представлены осциллограмма (а) и спектр колебаний (б) для этого случая. Частоты 21.2 и 23,5 кГц соответствуют изгибным модам колебаний датчика, а частоты 30.1 и 34,0 кГц продольным модам колебаний. Для датчика значения волновых сопротивлений следующие: ρc_t 9,1x10⁶ кг/м²с и ρc_l 14,5х10⁶ кг/м²с. Суммарное значение акустической энергии в данном случае равно (4,932 ± 0,400)х10^-6 Дж. Полученное значение сопоставимо со значением потерянной потенциальной энергии шарика, которое равно (5,443 ± 0,778)х10^-6 Дж.

Применение способа возможно для различных материалов и не ограничено типом источника сигнала акустической эмиссии. Определение энергии источника необходимо в сейсмологии для прогнозирования землетрясений (поскольку существует зависимость между их энергией и частотой), а также горных ударов в шахтах при разработке полезных ископаемых. Кроме того, измерение энергии, выделяющейся при трещинообразовании, используется в способе определения остаточного ресурса произвольно нагруженного объекта, основанном на регистрации возрастания энерговыделения в предразрывном состоянии.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ СИГНАЛА АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ, заключающийся в том, что регистрируют упругие колебания, возбуждаемые в твердом теле, измеряют амплитуду, скорость распространения, частоты упругих волн и плотность среды, по которым рассчитывают энергию сигнала, отличающийся тем, что после регистрации сигнал раскладывают на гармонические моды, амплитуду и частоту измеряют для каждой моды колебаний, устанавливают тип колебательной моды, сравнивая эти значения с частотами собственных колебаний системы объект-датчик, определяют соответствующие каждой моде параметры системы: площадь поверхности излучения и волновое сопротивление, а энергию рассчитывают по формуле где N 1,2 номер собственного колебания; i номер моды; S площадь поверхности излучения объекта или датчика, м²; σ_o максимальная амплитуда напряжений упругих колебаний, Па; ρ_с волновое сопротивление твердого тела; ν_п частота собственного колебания.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4