Разработка мультисенсорной системы контроля дефектности гетерогенных структур на основе явления механоэлектрических преобразований тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат наук Хорсов, Петр Николаевич

• Хорсов, Петр Николаевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Хорсов, Петр Николаевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. НАКОПЛЕНИЕ НАРУШЕНИЙ И ПРОЧНОСТЬ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ МЕХАНИЧЕСКИХ

НАГРУЗОК

1.1 Модели разрушения материалов

1.2. Неразрушающие методы контроля структурных нарушений

1.2.1. Методы, основанные на явлении акустической эмиссии

1.2.2. Ультразвуковые методы контроля

1.2.3. Метод контроля на основе электромагнитной эмиссии

1.2.4. Метод контроля на основе механоэлектрических преобразований

1.3. Состояние вопроса и задачи исследования

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА МУЛЬТИСЕНСОРНОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ

2.1. Предпосылки к созданию аппаратуры

2.2. Описание макета

2.3. Результаты апробации макета

Выводы к главе 2

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МУЛЬТИСЕНСОРНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ДЕФЕКТНОСТИ

3.1. Влияние объемной дефектности на пространственно-временные характеристики электромагнитного отклика с использованием мультисенсорной системы

3.2. Исследование возможности использования мультисенсорной системы контроля для исследования дефектности диэлектрических материалов при

одноосном сжатии

Выводы к главе 3

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МУЛЬТИСЕНСОРНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕННО-

ДЕФОРМИРОВАНННОГО

СОСТОЯНИЯ

4.1. Оценка спектральной чувствительности метода механоэлектрического преобразования при контроле напряженно-деформированного состояния по математической модели

4.2. Экспериментальные исследования по возможности использования метода механоэлектрического преобразования при контроле напряженно-деформированного состояния материала

4.3. Особенности откликов мультисенсорной системы контроля при изменении напряженно-деформированного состояния

образца

4.4. Контроль степени напряженно-деформированного состояния образцов с использованием метода оптимальной

фильтрации

4.5. Исследование возможности использования фазовых характеристик аналитического сигнала отклика при механоэлектрических преобразованиях для контроля напряженно-деформированного состояния

4.6. О чувствительности мультисенсорной системы контроля к степени напряженно-деформированного состояния диэлектрических

материалов

Выводы к главе 4

ГЛАВА 5. О ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МУЛЬТИСЕНСОРНОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ЭМИССИИ ИЗ ОБРАЗЦА ПОД

НАГРУЗКОЙ

5.1. Сравнительный анализ характеристик электромагнитных откликов и электромагнитной эмиссии из образца под нагрузкой

5.2. Исследование статистических характеристик ЭМЭ из образца под нагрузкой для контроля напряженно-деформированного состояния

5.3. Исследования дефектности диэлектрических структур по

параметрам электромагнитной эмиссии при одноосной нагрузке

5.3. Исследование импульсных потоков ЭМЭ из образца

под нагрузкой для динамического контроля прочности

Выводы к главе 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка мультисенсорной системы контроля дефектности гетерогенных структур на основе явления механоэлектрических преобразований»

ВВЕДЕНИЕ

Композиционные материалы системы «диэлектрик-диэлектрик», «металл-диэлектрик» находят все большее применение в конструкциях, подвергающихся силовым статическим и динамическим нагрузкам.

Под действием нагрузок в материале конструкции происходят упругие деформации, в том числе и необратимые изменения в виде пластических деформаций и дефектов.

Контроль упругих деформаций, отражающих степень напряженно -деформированного состояния объекта исследования, а также дефектности, являются исходными данными для оценки остаточного ресурса конструкции.

Такая оценка особенно важна для элементов конструкций, подвергающихся динамическим нагрузкам, для предотвращения внезапной потери несущей способности.

Аппаратура контроля при таких условиях эксплуатации должна быть чувствительной как к дефектности, так и к степени напряженно-деформированного состояния.

В последнее время получает все большее распространение метод контроля, основанный на явлении механоэлектрических преобразований в диэлектрических структурах, когда под действием акустической волны возбуждения часть ее энергии трансформируется в переменное электромагнитное поле на источниках механоэлектрических преобразований, в роли которых выступают двойные электрические слои • или включения, обладающие пьезоэлектрическими свойствами.

Метод имеет большие потенциальные возможности, так как, являясь реверберационным по акустическому типу, позволяет накапливать полезную информацию за счет многократного прохождения отраженных от границ конструкции акустических волн возбуждения через неоднородные области, обусловленные напряженно-деформированным состоянием и дефектностью материала.

Исследования, проведенные с использованием метода механоэлектрических преобразований показали его потенциальные возможности для контроля дефектности, напряженно-деформированного состояния композитных диэлектрических материалов в условиях различных воздействий: температуры, влажности, механических нагрузок. Недостатком существующей аппаратуры контроля, основанной на явлении механоэлектрических преобразований является относительно низкая чувствительность к степени напряженно-деформированного состояния и дефектности за счет невысокого отношения сигнал/шум.

Настоящая работа посвящена существенному повышению чувствительности метода механоэлектрических преобразований путем разработки мультисенсорной системы контроля, которая позволит исследовать малые изменения дефектности и напряженно-деформированного состояния композиционных диэлектрических материалов под действием нагрузки одноосного сжатия.

Целью работы является разработка мультисенсорной системы контроля дефектности и напряженно-деформированного состояния на основе явления механоэлектрических преобразований и проведения исследований для оценки ее возможностей.

Для достижения цели в работе были поставлены следующие задачи:

1. Разработка технического задания и изготовление макета мультисенсорной системы контроля.

2. Исследование возможности мультисенсорной системы контроля для контроля дефектности композитных диэлектрических материалов.

3. Изучение возможности мультисенсорной системы контроля для контроля напряженно-деформированного состояния объектов при одноосном сжатии.

4. Исследование возможности использования электромагнитной эмиссии, зарегистрированной мультисенсорной системы контроля, для контроля напряженно-деформированного состояния объектов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. На основе явления механоэлектрических преобразований реализован новый подход к созданию высокочувствительной аппаратуры контроля дефектности и напряженно-деформированного состояния, заключающейся в накоплении полезного сигнала при многократных импульсных возбуждениях и возможности получения пространственно-временных характеристик откликов.

2. Установлена связь пространственно-временных характеристик электромагнитных откликов из композитных образцов с размерами локального дефекта.

3. Установлены закономерности, связывающие степень напряженно-деформированного состояния композитного диэлектрического материала при одноосном сжатии с амплитудно-временной характеристикой аналитического представления отклика на основе преобразования Гильберта.

4. Показано, что чувствительность метода контроля напряженно-деформированного состояния зависит от спектра возбуждающего импульса.

5. Показано, что мультисенсорная система контроля позволяет регистрировать как упругие деформации композитных материалов, так и необратимые процессы под действием одноосной нагрузки.

6. Показана возможность оценки абсолютных значений нагрузки на объект исследования методом оптимальной фильтрации. Определено, что при фильтрации сигналов откликов мультисенсорной системы, возникает принципиальная возможность определять абсолютное значение напряженно-деформированного состояния объекта обследования.

Основные научные положения, защищаемые автором:

1. Технические условия, позволяющие разработать и изготовить макет мультисенсорной системы для контроля дефектности и напряженно-деформированного состояния гетерогенных материалов.

2. Высокая чувствительность системы к объемной дефектности материала и к изменению его напряженно-деформированного состояния.

3. Возможность оценки соотношения обратимых и необратимых процессов в условиях напряженно-деформированного состояния.

4. Определение абсолютных значений нагрузок объекта с применением метода оптимальной фильтрации.

5. Возможность использования мультисенсорной системы контроля для исследования напряженно-деформированного состояния по параметрам электромагнитной эмиссии из диэлектрических материалов.

Достоверность научных результатов подтверждается корректностью постановки задач и их физической обоснованностью, применением современной элементной базы и современной аппаратуры при создании мультисенсорной системы контроля, комплексным характером подхода к решению поставленных задач, достаточным объемом экспериментальных данных, полученных при проведении лабораторных исследований, обработкой экспериментальных данных с использованием методов статистики и специальных компьютерных программ, получением результатов, не противоречащих физике исследуемых процессов.

Личный вклад автора. Совместно с руководителем автор принимал участие в формулировании целей и задач исследований, принимал активное участие в разработке и изготовлении макета мультисенсорной системы, проводил эксперименты и обработку данных измерений, обобщал полученные результаты. Принимал участие в написании статей, и представлял результаты исследований на всероссийских и международных конференциях.

Научно-практическая значимость состоит в возможности использования мультисенсорной системы для исследования композиционных диэлектрических материалов в условиях внешних помех. Разработанная система позволяет осуществлять контроль прочности материала на ранних стадиях разрушения, а также производить оценку остаточного ресурса работы объекта исследования и абсолютных значений внешних нагрузок. Результаты диссертационной работы внедрены в научно-производственную деятельность ООО «Сибнуклон», где применяются для входного контроля дефектов комплектующих при производстве генераторов технеция-99м и контроле наружной поверхности транспортных

упаковочных комплектов для перевозки радиоактивных веществ (Приложение 1), а так же используются в ООО «ЮМХ» для контроля качества углеродсодержащих сенсоров в методе инверсионной вольтамперометрии (Приложение 2).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на научных семинарах Проблемной научно-исследовательской лаборатории электроники, диэлектриков и полупроводников (ПНИЛ ЭДИП) Томского политехнического университета, на 7 th International Forum on Strategic Technology (IFOST - 2012) (Томск, 2012), I Всероссийской конференции школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее» (Томск, 2012), XIX Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2013), II Всероссийской с международным участием научно-практической конференции по инновациям в неразрушающем контроле «Инновации в неразрушающем контроле» (Томск, 2013), II Международной конференции школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее» (Томск, 2013), XX Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии (СТТ-2014)» (Томск, 2014), XI Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, 2014).

Результаты работы апробировались и использовались при выполнении фундаментальных работ по грантам РФФИ 06-08-00693-а, 06-08-02100-э_к, 10 08-02100-э_к, а также используются при выполнении действующих грантов РФФИ 11-07-00666-а и 11 -07-98000р_сибирь_а.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 17 печатных работах, в том числе 10 работ в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК Минобразования России.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 115 страницах и состоит из введения, пяти глав, основных выводов по работе, списка

используемой при написании диссертации литературы из 89 наименований, двух приложений. Включает в себя 44 рисунка и одну таблицу.

ГЛАВА 1. НАКОПЛЕНИЕ НАРУШЕНИЙ И ПРОЧНОСТЬ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В УСЛОВИЯХ МЕХАНИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

1.1 Модели разрушения материалов.

Аппаратура неразрушающего контроля дефектности и напряженно-деформированного состояния объектов контроля, находящихся под нагрузкой необходима для получения первичных данных, которые нужны для решения конечной задачи: разработки критериев оценки прочности либо остаточного ресурса работы. Для разработки таких критериев необходимо иметь представления о моделях разрушения материалов и того, как влияет на разрушение динамика накопления дефектов во времени и пространстве объекта исследования в условиях напряженно-деформированного состояния.

Разработан ряд моделей разрушения материалов. Разрушения материала обусловлено развитием в нем трещин, которые появляются в областях, в которых локальные напряжения превышают предел прочности материала.

В настоящее время процесс разрушения рассматривается как сложный и многостадийный. Эти стадии: зарождение начальных микротрещин, переход к формированию очага разрушения и последующим микроразрывом [1].

Так как механическая нагрузка, приложенная к материалу, распределяется в нем неравномерно, возникают микрообласти, в которых происходит ускоренное развитие процесса разрушения. Зарождение микротрещин происходит в наиболее напряженных микрообластях и затормаживается на границах гетерогенности за счет протекания релаксационных процессов. Образовавшаяся микротрещина может получить развитие только при изменении условий ее стабильности.

Если стабилизация начальных микротрещин будет неполной, то некоторые из них будут подрастать, что в итоге может привести к формированию магистральной трещины. Если же стабилизация начальных трещин будет полной, то основным последующим этапом в разрушении будет процесс их накопления

К настоящему времени многими исследователями используются два подхода, реализованные в двух- и трехстадийной моделях разрушения. Первая из них — кинетическая концепция прочности твердых тел [2, 3].

Согласно указанной модели разрушение твердого тела при его механическом нагружении происходит не только при достижении предела прочности, но и при меньших нагрузках при более длительных воздействиях на образец, в течение которых развивается термоактивационный процесс накопления повреждений (трещин). Нарушение сплошности наступает при достижении предельных концентраций трещин в образце. Поэтому термофлуктуационную теорию разрушения можно рассматривать как кинетический процесс накопления трещин в определенном объеме за определенный промежуток времени. На основании этой теории при постоянном контроле процесса нагружения существует возможность определять, на какой стадии развития находится данный процесс, как далек он от критического состояния, которое может привести к развитию магистральной трещины.

В указанных работах показано, что в исследуемом объекте, существенную роль играет концентрационный критерий разрушения. Первая стадия, считают авторы [2], является стадией некоррелированного накопления трещин, вторая — стадией образования очага разрушения. В связи с этими представлениями при изучении процесса разрушения в качестве исходной модели разрушения горных пород необходимо выбрать такую, которая в явном виде могла бы содержать какие-либо параметры трещин. Среди известных моделей параметры трещин содержит модель, которая может быть описана с помощью концентрационного критерия разрушения твердых тел [3].

При достижении концентрационного критерия плавный процесс накопления трещин сменяется ускоренным лавинообразным процессом их слияния и укрупнения, что приводит к макроскопическому разрушению твердого тела.

Была также разработана модель лавинно-неустойчивого трещинообразования [4]. В основе этой модели лежат физические аспекты возникновения и роста трещин. Она инвариантна к различным по масштабам

разрушаемым объектам. Физические основы, заложенные в модель лавинно-неустойчивого трещинообразования, не противоречат основополагающим закономерностям, вытекающим из кинетической концепции прочности и концентрационного критерия разрушения.

Модель лавинно-неустойчивого трещинообразования часто используется при объяснении процесса разрушения. В этой модели последовательность развития процесса разрушения (макроразрыва) состоит из трех стадий. Первая из них — наиболее продолжительная; здесь под действием медленно возрастающих механических напряжений происходит постепенное накопление количества трещин в определенном объеме. После этого, при достижении критического для данного объема количества трещин, процесс разрушения переходит во вторую стадию, где резко возрастает количество трещин за счет перехода на следующий иерархический уровень, а затем и на третью стадию, характеризующуюся неустойчивыми деформациями, которые локализуются в узкой области.

Существуют также дилатантно-диффузионная [4,5] модель разрушения, которая разработана для исследования геодинамических явлений (землетрясений, горных ударов).

Здесь также процесс разрушения подразделяется на три стадии. Первая характеризуется постепенным увеличением тектонического напряжения в определенном объеме водонасыщенной горной породы. Вторая стадия начинается, когда уровень напряжений достигает половины прочности водонасыщенной породы, при этом в породе возникают открытые так называемые дилатантные трещины. По мере заполнения дилатантных трещин водой прочность пород постепенно падает, что приводит к их разрушению.

Недостатки концентрационного критерия прочности привели к необходимости формирования нового подхода к механике разрушения [6, 7]. В основе этого подхода лежит представление твердого тела под нагрузкой как диссипативной системы.

В работе [6] показано, что действием нагрузки в процессе деформирования и разрушения материала происходит существенная эволюция его структуры,

причем на каждом этапе этой эволюции действуют свои кинетические законы, из которых система выбирает лидирующий. Во всех случаях твердое тело при приложении к нему механической нагрузки за пределом упругого диапазона представляет собой неравновесную систему, стремящуюся путем эволюции дефектной структуры минимизировать это внешнее приложенное к нему воздействие.

Предпринимались многочисленные попытки описать процессы деформации и разрушения материалов в рамках термодинамики необратимых процессов. Перестройки структуры при таком описании происходят, когда внешний параметр (температура, нагрузка) достигает некоторого критического значения — точки бифуркации — и носят характер кинетического фазового перехода. Между точками бифуркации образовавшиеся диссипативные структуры остаются устойчивыми. Таким образом, критическая точка, в которой происходит перестройка структуры, достигается специальной „подстройкой" внешних параметров.

С самого момента появления модели самоорганизованной критичности ее стали применять для описания разрушения твердых тел, особенно для построения моделей землетрясений в земной коре. [7]

Важнейшей стороной систем с самоорганизованной критичностью является наличие в них медленной динамики, т.е. динамических скоррелированных процессов, существенно более медленных, чем быстрый информационный обмен в динамической системе. Информация в этих системах передается волнами напряжений, которые распространяются со звуковыми скоростями, превышающими характерные скорости медленных динамических процессов на многие порядки [6].

В таких системах любое событие, вследствие возникновения длинных причинно-следственных связей, неизбежно вызовет последующее и т.д., провоцируя лавину событий, затрагивающих всю иерархию масштабов, т.е. всю систему в целом.

Прогностической моделью, способной описать механизмы формирования очага будущего разрушения, а, главное, предсказать, когда и при каких условиях медленная квазистационарная фаза эволюции сменится на сверхбыстрый катастрофический режим, может быть только модель, учитывающая все главнейшие черты эволюционного процесса нагружаемой нелинейной среды, включая характерные черты самоорганизованной критичности. Показано, что развиваемый подход описывает процессы самоорганизации в нагружаемой геосреде, локализацию в ней неупругих деформаций и повреждений, формирование иерархии блоков, позволяет моделировать как медленные стадии эволюции на любых временах, включая геологические, так и сверхбыстрые катастрофические режимы эволюции - так называемые режимы с обострением

[7].

Любое макроскопическое разрушение является режимом с обострением на соответствующем масштабе. Физически этот режим означает прорыв разрушения с меньших масштабов на большие. Эти расчеты показали, что увеличение масштаба деструкции всегда развивается как катастрофа в режиме с обострением, а все процессы накопления повреждений и деградации среды в окрестности подготовки крупномасштабного события замирают.

Применительно к целям настоящей работы в рассмотренных моделях механики разрушения твердых тел необходимо знать, как особенности протекания процесса подготовки к разрушению связаны со структурными изменениями в объеме материала как во времени, так и в пространстве.

В работе [8] были проведены исследования на гранитных образцах, подвергающихся гидростатическому и одноосному сжатию. При этом записывались сигналы акустической эмиссии (АЭ), вызванные образованием микротрещин в образце вплоть до разрушения. Запись сигналов производилась во времени от начала нагружения до разрушения образца. Методика измерения позволяла определять как число микротрещин, так и амплитуду сигнала АЭ от каждой из них. По данным эксперимента был проведен расчет функции

распределения по размерам рождающихся микротрещин, а также временных и пространственных корреляционных функций, описывающих процесс разрушения.

Расчеты показали, что на начальном этапе нагружения распределение дефектов по размеру починяется нормальному закону. При приближении нагрузки к разрушающей как в объеме материала, так и на его поверхности формируются самоподобные структуры дефектов, распределение которых по размерам носит степенной характер, что отражает образование самоорганизованной критичности и является характерным признаком наступающего разрушения. Формирование самоорганизованной критичности перед разрушением образца отражает физическую закономерность проявления степенных законов в преддверии критических событий.

Были проведены также исследования [9], целью которых было выяснить условия, при которых распределение по энергии аппроксимируется степенной функцией либо распределение имеет функциональный вид, отличный от степенного. В экспериментах на установке, позволяющей управлять деформацией и давлением воды, подвергались нагружению цилиндрические образцы гранита. Образцы деформировали в условиях постоянного всестороннего сжатия осевого нагружения. Наблюдение за трещинообразованием проводилось с помощью регистрации сигналов АЭ. Точность определения координат гипоцентров источников АЭ составила ~ 4% во всем объеме образца. Каждый сигнал характеризовался временем излучения, тремя координатами гипоцентра и амплитудой. Приведенная амплитуда не зависела от геометрии расположения пьезообразователей, что может служить энергетической характеристикой источника сигнала. Было установлено, что разрушение происходит по двухстадийному механизму: вначале дефекты образуются дисперсно (хаотично), затем наблюдается локализация, формируется очаг, развитие которого приводит к макроразрыву. В указанной работе проведен детальный анализ распределений сигналов АЭ, зарегистрированных в различных пространственных областях образца и на разных этапах нагружения.

Авторы исследования пришли к выводу, что функциональный вид распределения сигналов АЭ по энергии связан с характером образования дефектов, а именно: при некоррелированном дефектообразовании распределение имеет экспоненциальный вид, если же образование дефектов происходит коррелированно, то распределение аппроксимируется степенной функцией. Они предположили, что на характер образования дефектов влияет не только величина внешней нагрузки, но и структура материала, в том числе дефекты типа трещин, пор, капилляров, существовавшие до нагружения. Возможно, именно дефектная структура и определяет место зарождения макроразрыва.

В случае, когда при анализе сигналов из всего объема образца не удается аппроксимировать распределение ни экспоненциальной, ни степенной функцией, можно (путем пространственного " сканирования") выделить пространственные области, в которых распределение будет аппроксимироваться только одной из функций. Авторами также показано, что функциональный вид распределения на ранних этапах нагружения позволяет выделить пространственную область образца, в которой в дальнейшем произойдет локализация дефектообразования, приводящая к макроразрушению.

Локализация деформаций и повреждений в нагружаемых твердых телах рассмотрена также в работах [10,11].

Применительно к целям настоящей работы можно сделать вывод о желательности пространственных измерениях дефектности материала под нагрузкой для оценки предполагаемой области возможного разрушения исследуемой конструкции.

1.2. Неразрушающие методы контроля структурных нарушений

1.2.1. Методы, основанные на явлении акустической эмиссии

Акустической эмиссией принято называть излучение акустических волн, сопровождающее некоторые виды необратимых превращений в твердом теле. Различают три основных типа механизмов этой эмиссии: 1) механизмы, связанные с пластической деформацией (движение дислокаций, скольжение границ доменов в ферромагнетиках и сегнетоэлектриках и т. п.); 2) фазовые переходы, в частности мартенситные превращения в стали; 3) образование и развитие трещин [12].

Схема эксперимента по наблюдению эмиссии следующая.

Волны, возбуждаемые развивающимся дефектом (источником эмиссии), претерпевая различные изменения на границах образца и на других статических неоднородностях, достигают приемника звука (чаще всего это пьезоэлектрический преобразователь), электрический сигнал с которого обычно поступает на схему обработки. Снимаемый с пьезопреобразователя сигнал имеет вид случайной последовательности радиоимпульсов, соответствующих отдельным событиям — вспышкам акустической эмиссии. Центральная частота радиоимпульсов определяется в основном резонансными свойствами преобразователя. Простейший принцип обработки сигнала эмиссии, применяемый в большинстве существующих методик, состоит в следующем: радиоимпульс после усиления попадает на пороговое устройство, выделяющее его на фоне посторонних шумов.

Это же пороговое устройство формирует из радиоимпульса последовательность видеоимпульсов счета, которые затем поступают на счетные устройства. Несмотря на то, что такая схема обработки использует лишь небольшую часть информации, удается сделать ряд важных физических наблюдений.

Практические применения акустической эмиссии чрезвычайно разнообразны. Однако главной областью применения акустической эмиссии в

настоящее время является неразрушающий и оперативный контроль инженерных конструкций и сооружений. Основным достоинством методов неразрушающего контроля с использованием акустической эмиссии, делающих их особенно ценными, является тот факт, что эта эмиссия сопровождает только развивающиеся, т. е. наиболее опасные дефекты. Другая привлекательная сторона применения акустической эмиссии связана с тем, что источником звука, и притом довольно мощного, в этом случае являются сами дефекты, благодаря чему задача обнаружения и локализации дефекта (источника акустической эмиссии) значительно облегчается. В частности, для этой цели могут использоваться методы [9], ранее развитые в сейсмологии, например метод триангуляции. Большая практическая ценность акустической эмиссии вызвала рост исследований в этом направлении, главным образом экспериментальных [13], в результате чего за относительно короткий период времени методы контроля, основанные на акустической эмиссии, получили широкое распространение в тех областях, где выход изделия из строя влечет за собой катастрофическое разрушение. В работе [14] рассмотрена информативность амплитудного распределения и вида временных зависимостей числа импульсов акустической эмиссии на стадии мелкодисперсного разрушения, предшествующего образованию макродефекта или очередному скачку трещины. Статистические параметры амплитудного распределения сигналов используются в методах долгосрочного прогнозирования механического разрушения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Хорсов, Петр Николаевич, 2014 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Куксенко B.C. Модель перехода от микро- к макроразрушению твердых тел // Физика прочности и пластичности. - Л.: Наука, 1986. - С. 36-41.

2. Журков С.П., Куксенко B.C., Петров В.А. Физические основы прогнозирования механического разрушения // Докл. АН СССР. — 1981. — Т. 259, № 6. — С. 1350— 1353.

3. Гор А.Ю., Куксенко B.C., Томилин Н.Г., Фролов Л.И. Концентрационный порог разрушения и прогноз горных ударов. // ФТПРПИ. — 1989. — № 3. — С. 54— 60.

4. Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясении.- М.: Наука, 1993. — 314 с.

5. Мячкин В.И., Костров Б.В., Соболев Г.А., Шамина О.Г. Основы физики очага н предвестники землетрясения. // Физика очага землетрясений. — М.: Наука, 1975—С. 104—117.

6. Гиляров В.Л. Кинетическая концепция прочности и самоорганизованная критичность в процессе разрушения материалов. // Физика твердого тела. Том 47. вып. 5. 2005.

7. Макаров П.В. Самоорганизованная критичность деформируемых твердых тел и сред и перспективы прогноза разрушения. // Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Физ. мезомех. - 2010. - Т. 13. - № 5. - С. 97-112

8. Гиляров В.Л., Варкентин М.С., Корсуков В.Е., Корсукова М.М., Куксенко B.C. Формирование степенных распределений дефектов по размерам в процессе разрушения материалов // ФТТ. 2010. Т. 52. В. 7. С. 1311-1315.

9. Дамаскинская Е.Е., Кадомцев А.Г. Отклонение от закона Гутенберга-Рихтера. // Письма в ЖТФ. 2013. том 39. вып. 2

10. Макаров П.В., Смолин И.Ю., Евтушенко Е.П., Трубицын A.A., Трубицына Н.В., Ворошилов С.П. Сценарии эволюции горного массива над выработкой. // Физическая мезомеханика - 2009. - Т. 12. - № 1. - С. 65-82

11. Макаров П.В. Структура резонансов и локализация неупругих деформаций и повреждений в нагружаемых твердых телах и средах // Физ. мезомех. - 2011. -Т. 14.-№3.-С. 111-123

12. Грешников В.А., Дробот Ю.В. Акустическая эмиссия. Применение для испытаний материалов и изделий. М.: Изд-во стандартов, 1976.- 272с.

13. Алейников А.Л., Беликов В.Т., Немзоров Н.И. Акустическая эмиссия в гетерогенных средах. -Дефектоскопия, 1993, № 3, с. 31-36.

14. Носов В.В., Бураков И.Н. Использование параметров амплитудного распределения сигналов акустической эмиссии для оценки прочности конструкционных материалов. Дефектоскопия. 2004. № 3. С. 15-21.

15. Акустическая эмиссия и ее применение для неразрушающего контроля в ядерной энергетике/В. И. Артюхов, К. Б. Вакар, В. И. Макаров и др./ Под ред. К. В. Вакара. М.: Атомиздат, 1980. - 216 с.

16. Ермолов И.Н., Алешин Н.П., Потапов А.И. Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн. 2. Акустические методы контроля. // Практ. Пособие под ред. В. В. Сухорукова.— М.: Высш. шк., 1991.— 283 с

17. Дятлова E.H., Кольцова И.С., Майсун М. Экспериментальное исследование скорости ультразвуковых волн в дисперсных средах. // Акустич. журн., т. 48, № 1, с. 52-59, 2002.

18. Кольцова И.С., Зиновьева E.H., Михалев А.Ю. Скорость ультразвуковых волн в феррокомпозитах. // Акустич. журн., т. 51, № 5, с. 658-662, 2005.

19. Алымов В.Т., Буров А.Е., Кокшаров И.И., Москвичев В.В. Применение методов неразрушающего контроля для обнаружения макроскопических дефектов в волокнистом композиционном материале. // Заводская лаборатория, № 10, с. 26-29, 2001.

20. Велев Г.С, Латковски В.В. Метод исследования материалов ультразвуком. // Электронный журнал «Техническая акустика», http://ejta.org, 2003, 11.

21. Карабутов A.A., Керштейн И.М., Пеливанов И.М., Подымова Н.Б. Исследование упругих свойств однонаправленных графитоэпоксидных композитов лазерным ультразвуковым методом. // Механика композитных материалов, т. 34, № 6, с. 811— 822,1998.

22. Карабутов A.A., Керштейн И.М., Пеливанов И.М., Подымова Н.Б. Распространение продольных и сдвиговых акустических видеоимпульсов в графито-эпоксидных композитах. // Акустич. журн., т. 45, № 1, с. 86-91,1999.

23. Меркулов Л.Г. Исследование рассеяния ультразвука в металлах. // ЖТФ, т. 26, № 1, с. 64-75,1956.

24. Карабутов A.A., Кобелева Л.И., Подымова Н.Б., Чернышова Т.А. Лазерный оптико-акустический метод локального измерения упругих модулей композиционных материалов, упрочненных частицами. // Электронный журнал «Техническая акустика» http://www.ejta.org, 2008,19

25. Воллбрандт М., Хрусталев Ю.А., Линке Э.И. и др. Генерирование электронов высоких энергий при разрушении твердых тел. // ДАН СССР. - 1975. — Т. 225, № 2. — С. 342—344.

26.Корнфелъд М.Н. Электризация ионного кристалла при расщеплении. // ФТТ. —1974. — Т. 16, вып. 11. — С. 33 85—3387.

27. Кротова H.A., Карасев В.В. Исследование электронной эмиссии при раскалывании твердых тел в вакууме // Докл. АН СССР. — 1953. — Т. 92, №3, —С. 607—610.

28. Перельман М.Е., Хатиашвили Н.Г. О радиоизлучении при хрупком разрушении диэлектриков // Докл. АН СССР. —1981. — Т. 256, № 4. — С. 824—826

29. Воробьев A.A., Завадовская Е.К., Сальников В.Н. Исследование радиоизлучения, вызванного нагреванием слюды в вакууме / Тез. докл. 4 Всесоюзного симпоз. по механоэмиссии и механохимии твердых тел. - М.: Наука, 1973 - С. 72-73

30. Воробьев A.A., Завадовская Е.К., Сальников В.Н. Изменение электропроводности и радиоизлучение горных пород и минералов при физикхимических процессах в них //ДАН СССР. - 1975. - Т. 220. - №1. - С. 8285.

31. Воробьев A.A., Сальников В.Н., Коровкин М.В., Наблюдения радиоимпульсов при нагревании кристаллов и минералов в вакууме // Изв. ВУЗов. Сер. Физика.

— 1975. - №7. - С. 59-64.

32. Молоцкий М.И. Дислокационный механизм электризации ионных кристаллов при расщеплении // ФТТ. —1986. — Т. 18, вып. 6. — С. 1763— 1764.

33. Перелъман М.Е., Хатиашвили Н.Г. Генерация электромагнитного излучения при колебаниях двойных электрических слоев и его проявления при землетрясениях // Докл. АН СССР. —1983. — Т. 271, № 1. — С. 80—83.

34. Карабутов A.A., Марков В.А., Черепецкая Е.Б., Шкуратник B.JI. Лазерно-ультразвуковая спектроскопия горных пород. — М.: Изд. Моск. гос. горного ун-та, 2008. — 175 с.

35. Гершензоп Н.И., Зилпилшани Д.О., Манджгаладзе П.В. и др. Электромагнитное излучение вершины трещины при разрушении ионных кристаллов //Докл. АН СССР. — 1986. — Т. 228, № 1. — С. 75—78.

36. Гохберг М.Б., Моргунов В.А., Герасимович Е.А., Матвеев И.В. Оперативные электромагнитные предвестники землетрясений. — М.: Науки, 1985. — 115 с.

37. Гохберг М.Б., Моргунов В.А., Похотелов O.A. Сейсмоэлектромагнитные явления. — М.: Наука, 1988. — 175 с.

38. Головин Ю.И., Дъячек Т.П., Усков В.И., Шибкое A.A. Электромагнитное излучение деформированных щелочно-галоидных кристаллом II ФТТ. — 1985.

— Т. 27, вып. 2. — С. 555—557.

39. Хатиашвили Н.Г. Об электромагнитном эффекте при ттрещинообразовании в щелочно-галоидных кристаллах и горных породах // Изв. АН СССР. Физика Земли. —1984. — № 9. — С. 13—19.

40. Электромагнитные предвестники землетрясений. Под ред. М.А. Садовского.

— М.: Наука, 1982. — 89 с.

41. Поиск электромагнитных предвестников землетрясений. Под ред. М.Б. Гохберга / Ин-т физики Земли АН СССР. — М., 1988. — 243 с.

42. Журков С.Н., Куксенко B.C., Петров В.А. Физические основы прогнозирования механического разрушения // Докл. АН СССР. — 1981. — Т. 259, № 6. — С. 1350—1353.

43. Гор А.Ю., Куксенко B.C. , Томилин Н.Г., Фролов Д.И. Концентрационный порог разрушения и прогноз горных ударов // ФТПРПИ. — 1989. —№ 3. — С. 54—60.

44. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн. — М.: Наука, 1975. —255 с.

45. Панасюк В.В., Колодий Б.И. Теоретическое исследование электромагнитного излучения при развитии круговой трещины в диэлектрике // Физико-химическая механика материалов. —1983. —№5. — С. 72—75.

46. Корнейчиков В.П. Исследование механизма формирования электромагнитного излучения горных пород в связи с прогнозированием землетрясений: Автореферат . дис.... канд. физ.-мат. наук. — М., 1984. — 17 с.

47. Мастов Ш.Р., Нурмагамбетов С.Б. Электромагнитное поле системы трещин хрупкого разрушения // Изв. АН СССР. Физика земли. — 1988, —№3 —С. 107—111

48. Куксенко B.C., Ляшков А.И., Мирзоев K.M. и др. Связь между размерами образующихся под нагрузкой трещин и длительностью выделения упругой энергии // Докл. АН СССР. — 1982. — Т. 264, № 4. — С. 846—848.

49. Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений - М.: Наука, 1993. — 314 с.

50. Гольд P.M., Яворович Л.В., Мастов Ш.Р. и др. Оценка НДС пород а Таштагольском месторождении и тоннелях БАМ экспрессным электромагнитным методом // Геофизические способы контроля напряжений и деформаций: Сб. науч. тр. I Ин-т горного дела СО АН СССР. - Новосибирск, 1985. — С. 85—90.

51. Колмаков В.В. Разработка метода и аппаратуры контроля трещинообразования в горных породах по параметрам естественного электромагнитного излучения: Автореф. дис, ... канд. тех. наук. — Кемерово, 1989— 18 с.

52. Шведов И.М. Разработка способа прогнозирования выбросоопасности карналлитовых пластов по их электромагнитному излучению: Автореф. дис. ... канд. тех. наук. — М., 1986. — 14 с.

54. Гончаров А.И., Корявое В.П., Кузнецов В.И. и др. Акустическая эмиссия и электромагнитное излучение при одноосном сжатии // Докл. АН СССР. — 1980. — Т. 255, № 4. — С. 821—824.

55. Журков С.Н., Куксенко B.C., Петров В.А. и др. О прогнозировании разрушения горных пород // Изв. АН СССР. Физика Земли. — 1977. — №6, — С. 11—18.

55. Куксенко B.C., Ляшков A.M., Мирзоев С.Х. и др. Связь между размерами образующихся под нагрузкой трещин и длительностью выделения упругой энергии // Докл. АН СССР.— 1982. — Т. 264, №4,—С. 846—848.

56. Головин Ю.И., Шибкое А.А. Быстропротекающие электрические процессы в пластически деформируемых щелочно-галоидных кристаллах// ФТТ. — 1987. — Т. 28, вып. 11. — С. 3492—3499

57. Яковицкая Г.Е. Методы и технические средства диагностики критических состояний горных пород на основе электромагнитной эмиссии. Новосибирск: Параллель, 2008. 315 с.

58. Фурса Т.В., Гордеев В.Ф. Влияние размера заполнителя на эффективность механоэлектрических преобразований в бетонах. // Письма в Журнал технической физики. 2000. Т. 26. № 3. С. 30-34.

59. Ковалев А.В. Поисковые технические средства не основе методов интроскопии. Акустические поисковые системы. // Электронный ресурс. Журнал «Специальная Техника» http://www.ess.ru/sites/default/fi1es/files/articles/2000/02/2000_02_01.pdf.

60. Суржиков А.П., Фурса Т.В., Хорсов Н.Н. К вопросу о механизме механоэлектрических преобразований в бетонах. // Журнал технической физики. 2001. Т. 71. № 1. С. 57-61.

61. Фурса Т.В., Хорсов H.H., Романов Д.Б. К вопросу о механизме механоэлектрических преобразований в композиционных материалах. // Письма в Журнал технической физики. 2001. Т. 27. №19. С. 53-57.

62. Фурса Т.В., Хорсов H.H., Батурин Е.А. Источники акустоэлектрических преобразований в бетонах. // Журнал технической физики. 1999. Т. 69. № 10. С. 51-55.

63. Суржиков А.П., Фурса Т.В., Хорсов H.H. К вопросу о механизме механоэлектрических преобразований в бетонах. // Журнал технической физики. 2001. Т. 71. № 1. С. 57-61.

64. Фурса Т.В., Хорсов H.H., Романов Д.Б. К вопросу о механизме механоэлектрических преобразований в композиционных материалах. // Письма в Журнал технической физики. 2001. Т. 27. № 19. С. 53-57.

65. Беспалько A.A., Суржиков А.П., Яворович JI.B. Исследования механоэлектрических преобразований в горных породах при динамических воздействиях. // Цветные металлы. 2006. № 4 С. 32-34.

66. Фурса Т.В., Суржиков А.П., Осипов К.Ю. Диагностика качества адгезионного контакта в армированных композиционных материалах с использованием явления механоэлектрических преобразований. // Дефектоскопия. 2008. № 3. С. 86-93.

67. Беспалъко A.A., Яворович JI.B., Федотов П.И. Механоэлектрические преобразования в кварце и кварцсодержащих горных породах в процессе акустического воздействия. // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2007. № 5. С. 22-27.

68. Фурса Т.В., Осипов К.Ю. Механоэлектрические преобразования в композиционных диэлектрических материалах при комплексном термомеханическом возбуждении. //Дефектоскопия. 2003. № 10. С. 33-37.

69. Фурса Т.В. Исследование механоэлектрических преобразований в образцах цементного раствора в процессе трещинообразования, вызванного циклическим замораживанием - оттаиванием. // Письма в Журнал технической физики. 2010. Т. 36. № 8. С. 1-6.

70. Фурса Т.В., Осипов К.Ю. Исследование механоэлектрических преобразований в цементно-песчаных образцах в процессе циклического знакопеременного температурного воздействия. // Письма в Журнал технической физики. 2009. Т. 35. № 19. С. 61-67

71. Фурса Т.В., Осипов К.Ю., Данн Д.Д. Разработка метода контроля динамики изменения дефектности бетона под действием циклического замораживания-оттаивания на основе явления механоэлектрических преобразований. // Письма в Журнал технической физики. 2011. Т. 37. № 7. С. 1-7.

72. Фурса Т.В., Найден Е.П., Осипов К.Ю., Усманов Р.У. Особенности механоэлектрических преобразований в диэлектрических материалах в области структурных фазовых превращений. // Журнал технической физики. 2004. Т. 74. № 12. С. 52-55.

73. Фурса Т.В., Суржиков А.П., Хорсов H.H., Данн Д.Д. исследование влияния влажности на параметры механоэлектрических преобразований в бетонах. // Журнал технической физики. 2010. Т. 80. № 9. С. 63-67.

74. Фурса Т.В., Суржиков А.П., Хорсов H.H., Осипов К.Ю., Зацепин В.А. Исследование взаимосвязи структурных характеристик слоистых композиционных материалов с параметрами электрического отклика на импульсное механическое возбуждение. // Известия Томского политехнического университета. 2005. Т. 308. № 7. С. 10-13.

75. Суржиков А.П., Фурса Т.В., Хорсов H.H. Математическая модель электрического отклика на акустическое возбуждение композиционных материалов // Известия Томского Политехнического Университета, 2005. -т. 308 -№ 7 -с. 6-9.

76. Хорсов H.H. Математическая модель регистрации отклика при акустоэлектрическом преобразовании в образце с включением в виде двойного электрического слоя при точечном ударном возбуждении // Известия вузов. Физика, 2007. -т. 50 -№ 2 -с. 69-77.

77. Фурса Т.Н., Люкшин Б.А., Уцын Г.Е. Математическая модель электрического отклика на упругое ударное возбуждение гетерогенных диэлектрических

материалов, содержащих пьезоэлектрические включения // Известия высших учебных заведений. Физика. 2011. Т. 54. № 10 (2). С. 192-197.

78. Fursa T.V., Khorsov N.N., Improving the Accuracy of Electromagnetic Emission Method for Measuring Concrete Strength. // Russian journal of nondestructive testing, 36(2) (2000) 127-129

79. Теория вероятности и прикладная статистика - М: ЮНИТИ-ДАНА, 2001. -656 стр.

80. Малышков Ю.П. и др. Дефектоскопия и оценка напряженно-деформированного состояния бетона по параметрам электромагнитной эмиссии // Изв. ВУЗов, с. «Строительство". - 1997. - № 12. - С. 114-117

81. Вострецов А.Г. и др. Прогнозирование разрушения горных пород по спектральным характеристикам сигналов электромагнитного излучения // ФТРПИ.-1998.-№4.-С.47 -.51.

82. Мастов Ш.Р., Ласуков В.В. Теоретическая модель генерации электромагнитного сигнала в процессе хрупкого разрушения // Изв. АН СССР. Физика земли. -1989. - № 6 - С. 38-48

83. Гершензоп Н.И., Зилпилшани Д.О., Манджгаладзе П.В. и др. Электромагнитное излучение вершины трещины при разрушении ионных кристаллов //Докл. АН СССР. —1986. — Т. 228, № 1. — С. 75—78.

84. Гохберг М.Б., Моргунов В.А., Герасимович Е.А., Матвеев И.В. Оперативные электромагнитные предвестники землетрясений. — М.: Науки, 1985. — 115 с.

85. Гольд P.M., Хорсов H.H., Яворович Л.В. Система для регистрации НДС горных пород по пассивному импульсному электромагнитному сигналу //Оценка современных достижений в области безопасной отработки удароопасных месторождений, методам прогноза и предупреждения горных ударов: сборник докладов научно-практической конференции по горным ударам, Таштагол, 18-20 апреля 2000, - Новокузнецк: Таштагольский рудник ОАО «КМК» - С. 109-115

86. Курленя М.В., Вострецов А.Г., Яковицкая Г.Е. Об одной модели сигналов электромагнитного излучения нагруженных горных пород // ФТПРПИ. — 1996.—№3. —С. 3—11.

87. Суржиков В.П., Хорсов H.H. Влияние локальной поверхностной дефектности на пространственно-временные характеристики электромагнитного отклика при акустоэлектрических преобразованиях в диэлектрических образцах // Контроль. Диагностика. - 2011, Вып. специальный - С. 132-134.

88. Суржиков В.П., Хорсов H.H., Хорсов П.Н. Влияние объемной дефектности на пространственно-временные характеристики электромагнитного отклика при акустоэлектрических преобразованиях в диэлектрических образцах // Дефектоскопия. - 2012 - №. 2 - С. 15-20.

89. Суржиков В.П., Хорсов H.H. Влияние одноосной нагрузки на пространственно-временные характеристики электромагнитного отклика при акустоэлектрических преобразованиях в диэлектрических образцах // Дефектоскопия. - 2011 - №. 10 - С. 50-54