акустическая эмиссия

Введение
Термином акустическая эмиссия (АЭ) обозначают процессы излучения волн напряжений, вызванных внутренними источниками, расположенными в толще исследуемого тела. Источниками АЭ могут быть процессы возникновения и развития трещин под влиянием внешней нагрузки, деформации или разрушения материала, аллотропические превращения при нагреве или охлаждении, движение скоплений дислокаций. Акустико-эмиссионный метод неразрушающего контроля основан на излучении и регистрации волн напряжений при быстрой локальной перестройке структуры материала, поэтому этот метод применяют в качестве средства исследования материалов, конструкций, контроля изделий (например, при гидроиспытаниях) и диагностики во время эксплуатации. Его важным преимуществом перед другими методами контроля является то, что он реагирует только на развивающиеся, действительно опасные дефекты, а также возможность проверки больших участков, или даже всего изделия, без сканирования его преобразователем.
Практическое применение метода АЭ для решения задач технической диагностики сопряжено с определенными трудностями. Распространяющийся в объекте акустический сигнал претерпевает существенные искажения под действием системы "объект-преобразователь". Эти искажения настолько значительны, что практически не представляется возможным восстановить истинную форму исходного сигнала. По этой причине, параметры акустического сигнала определяются путем обработки электрического сигнала с выхода преобразователя. Потому в настоящее время весьма актуальна задача поиска корреляционных связей между параметрами состояния конструкции и характеристиками сигналов, а так же идентификации акустических сигналов от различных источников.
1. Параметры акустической эмиссии
Наиболее часто используемыми параметрами акустической эмиссии, применяемыми для изучения процессов пластической деформации и разрушения материалов являются:
– суммарный счет АЭ N, т. е. число зарегистрированных превышений сигналами АЭ установленного уровня дискриминации за интервал времени наблюдения
– скорость счета суммарной АЭ N, т. е. суммарная АЭ, приведенная к единице времени– амплитуда АЭ А, т. е. максимальное значение сигнала АЭ в течение выбранного интервала времени
– среднеквадратичное значение амплитуды (RMS, A2) АЭ
– энергия сигнала (импульса) АЭ
В настоящее время интенсивно развивается спектральный анализ (ннализ формы) отдельного импульса АЭ в зависимости от вида источника АЭ. Рассмотрение вопроса формирования сигналов АЭ при действии различных источников АЭ (прорыв скопления дислокаций через препятствие, аннигиляция дислокаций, срабатывание источника Франка-Рида, образование микротрещины в голове скопления дислокации) показало, что первичная форма сигнала АЭ может быть видеоимпульсной. Импульсы АЭ могут быть релаксационного и акселерационного вида, а полный сигнал представляет собой совокупность элементарных сигналов, зависящую от суперпозиции элементарных физических механизмов деформации и разрушения. Определяя экспериментально параметры импульсов АЭ и координаты источников, можно проводить анализ прохождения и видоизменения сигналов в акустико-эмиссионном тракте, представляющем собой совокупность исследуемого объекта, датчика, аппаратуры приема, регистрации и обработки сигналов АЭ.
2. Физико – математическая природа акта акустической эмиссии
Рассмотрим физико-механическую природу акта и связь амплитуды АЭ со скоростью деформации на примере модели акустического излучения при переходе скопления дислокаций через границу. Основы такой модели были предложены нами ранее в , более поздние результаты приведены в работах. Физико-механическая природа дислокационного акта АЭ показана на рис. 1 Для простоты рассматривается скопление изображенных на рис. 1а краевых дислокаций, каждая из которых может быть представлена наличием в кристалле лишней атомной полуплоскости.
Известно, что при деформировании материалов приложенным напряжением σ движущиеся дислокации скапливаются у препятствий, что приводит к появлению касательного напряжения τ2n2, большего, чем активирующее источник (см. рис. 1):
(1)
где τ1 – сдвиговое напряжение в линии скольжения длиной L первого дислокационного источника s1;
τ2, n2, l – соответственно сдвиговое напряжение, число дислокаций и длина линии скольжения вторичного источника s2.
Рисунок 1 – Физико – математическая природа акта АЭ: а – краевая дислокация в простой кубической решетке; б – образование скопления дислокаций у границы при механическом нагруженииПри большом количестве дислокаций во вторичном скоплении n2 и учитывая, что обычно (L/l) >> 1, напряжения на границе легко превышают критические даже при малом приложенном напряжении σ. Релаксация этого напряжения сопровождается излучением импульсов АЭ.
Полагая, что каждая дислокация при пересечении границы в момент времени ti излучает короткий экспоненциальный импульс амплитудой xoi, и учитывая, что их суперпозиция дает регистрируемый импульс амплитудой X, мы получили следующий вид нормированной амплитуды суммарного импульса АЭ:
(3)
где n – количество дислокаций в скоплении; λ = tr/τa – отношение времени tr = n(ti – ti – 1) пересечения границы скоплением к постоянной времени релаксации напряжения τa; v – среднее значение скорости дислокаций; ε – скорость деформации; M – ориентационный фактор; ρ0 – плотность подвижных дислокаций; b – модуль вектора Бюргерса.
На рис. 2 показана реализация такой модели акта АЭ на примере зарождения микротрещины по дислокационному механизму Коттрелла при пересечении двух плоскостей скольжения в металлах с ОЦК решеткой.
Далее, учитывая, что скорость деформации ε линейно связана со средней скоростью дислокаций v , и перейдя от суммирования к интегрированию по k (переход к интегрированию допустим, так как обычно число дислокаций в скоплении n достаточно велико), получим:
(3)
где C – некоторая константа; εmin, εmax, Fmin, Fmax – соответственно минимальные и максимальные в эксперименте скорости (частоты) деформации.
Рисунок 2 – Акт АЭ при дислокационном зарождении микротрещины и его регистрация приемной аппаратурой: 1 – поток излученных актов АЭ; 2 – поток регистрируемых радиоимпульсов АЭ; 3 – поток осцилляций АЭ; 4 – поток огибающих продетектированных сигналов АЭ
Подобную формулу можно записать и для связи амплитуды АЭ с частотой нагружения F в случае усталостных испытаний (так как ε ~ F):
(6)
Соотношения (1.4) и (1.5) связывают нормированную амплитуду A излучаемого импульса АЭ скопления дислокаций со скоростью ε или частотой F деформации.
Можно показать, что аналогичные зависимости выполняются и при объединении скопления микротрещин в макротрещину.
Вследствие многомодового распространения, отражения, трансформации типов волн, затухания высокочастотных составляющих и резонансных свойств приемной аппаратуры регистрируемые сигналы АЭ сильно отличаются от излученных упругих импульсов АЭ. Обычно регистрируемые сигналы АЭ имеют вид радиоимпульсов с максимальной (пиковой) амплитудой u0 и затухающей по экспоненте (с постоянной времени τ) амплитудой колебаний (диаграмма 2 на рис. 2). При этом чаще всего измеряют превышающее порог отсечки количество осцилляций сигналов АЭ N (диаграмма 3 на рис. 2) и N – скорость счета АЭ (количество осцилляций в единицу времени), а также суммарное количество огибающих продетектированных импульсов (вспышек) АЭ N (диаграмма 4 на рис. 2) и активность АЭ N (количество продетектированных импульсов в единицу времени). В тексте данной монографии для подчеркивания процедуры детектирования вместо N и N использованы обозначения Nd и Nd .
Установлено, что если регистрируемые радиоимпульсы АЭ сильно не перекрываются, то их пиковые амплитуды u0 пропорциональны амплитудам первичных излученных импульсов АЭ X. На основании (2), (3) можно записать следующие соотношения для теоретического вида зависимости средней регистрируемой амплитуды АЭ A* от скорости деформации ε или частоты нагружения F:
(7)
На рис. 3 приведены графики соотношений (6) совместно с результатами экспериментального измерения mu при нескольких скоростях и частотах нагружения образцов стали 07Х16Н6. Наблюдается хорошее соответствие теоретических кривых результатам эксперимента.
Эксперименты показывают, что реальный вид зависимостей (6) с достаточной для практики точностью хорошо аппроксимируется следующими простыми соотношениями:
(8)
Практическое использование зависимостей (1.6) и (1.7) позволяет скорректировать влияние скорости или частоты нагружения на амплитуду регистрируемых импульсов, что заметно повышает точность и достоверность результатов метода АЭ.
Рисунок 3- Зависимость средней амплитуды АЭ от скорости деформации
3. Основные понятия и определения метода акустической эмиссии
Акустико-эмиссионный метод основан на анализе параметров упругих волн акустической эмиссии (АЭ). Этот метод оперирует с потоками электрических сигналов АЭ, параметры которых (амплитуда, длительность, энергия, и т.д.) являются соответствующими параметрами метода АЭ.
Акустическая эмиссия может возникать в результате различных физико-механических процессов, основными из которых являются:
-структурные и фазовые превращения в материале;
-гидродинамические и аэродинамические явления при протекании жидкости или газа через отверстие;
-трение поверхностей твердых тел;
-процессы механической обработки твердых тел.
В данной работе рассматриваются физико-механические явления, связанные только со структурными и фазовыми превращениями в различных материалах.
Наиболее важные особенности метода АЭ, определяющие перспективность его использования при исследовании и контроле материалов и конструкций:
1. Возможность обнаружения и регистрации только развивающихся дефектов, что позволяет классифицировать дефекты не по размерам, а по степени их опасности.
2. Чувствительность метода АЭ значительно превышает чувствительность традиционных методов неразрушающего контроля, метод позволяет выявлять приращения трещины на 0,025 мм.
3. Метод является интегральным и обеспечивает контроль объекта с использованием одного и нескольких преобразователей в случае определения места нахождения дефекта.
4. Метод позволяет проводить непрерывный контроль (мониторинг) работающих объектов с целью их остановки в случае появления и развития опасных дефектов.
5. Положение и ориентация дефектов не влияют на их выявляемость.
Метод имеет значительно меньше ограничений, связанных со структурой и физико-механическими свойствами материалов, чем другие методы неразрушающего контроля
Уровень дискриминации (ограничения) – уровень электрического напряжения, относительно которого производится обнаружение (регистрация) электрических сигналов АЭ. Наличие ограничения всегда существует в измерительной аппаратуре и обусловлено обычно собственными шумами измерительной аппаратуры. Величина уровня дискриминации определяется шумовыми характеристиками входного усилительного каскада.
Суммарный счет АЭ N[имп.] – число зарегистрированных превышении импульсами АЭ установленного уровня дискриминации (ограничения) за интервал времени наблюдения. Диапазон изменения 0…107 имп.
Скорость счета АЭ [имп./с] – отношение суммарного счета АЭ к интервалу времени наблюдения. Диапазон изменения 0…1015 [имп./с].
Современная техника регистрации и обработки АЭ информации пользуется дополнительными определениями и параметрами, не представленными в списке стандартов по ГОСТ 27655-88. Однако эти понятия и параметры широко используются в специальной научной литературе отечественных и зарубежных авторов.
К таковым относятся:
Огибающая электрического сигнала АЭ - продетектированный электрический сигнал АЭ. Диапазон изменения 10-7 … 10-2 В.
Амплитудное распределение - распределение количества электрических сигналов АЭ по их максимальном амплитудам.
Длительность электрического сигнала АЭ [с] - время нахождения огибающей электрического импульса АЭ над порогом ограничения. Диапазон изменения 10-4 ...10-8 с.
Время нарастания [с] - промежуток времени между появлением огибающей импульса АЭ над порогом ограничения и достижением огибающей ее максимальной амплитуды.
Энергия электрического сигнала АЭ либо «MARSE» (Measuredaredoftherectifiedsignalenvelope) Ec [Дж] - измеренная площадь под огибающей электрического сигнала АЭ. Диапазон изменения 10-19 ...10-5 Дж.
Образ источника АЭ (acousticemissionsignature) - группа параметров сигнала акустической эмиссии, полученных в результате определенного вида испытаний материала (конструкции) с помощью конкретной аппаратуры АЭ и при заданных условиях испытаний. Как было отмечено выше, в настоящее время большинство разработчиков систем регистрации и обработки АЭ информации, а также исследователей склонны работать с огибающими электрических сигналов АЭ, т.е. с НЧ составляющей АЭ информации. Подобная тенденция вызвана несколькими причинами:
1.Ввиду фильтрации ВЧ составляющей акустического сигнала АЭ в процессе его прохождения через исследуемый материал и пограничный слой между поверхностью образца и АЭ преобразователем, а также прохождения электрического сигнала по аналоговому тракту усиления, исходная информация ВЧ составляющей искажается коренным образом.
2.Понятие события в исследуемом материале соотносится с огибающей электрического сигнала АЭ и работа с НЧ составляющей имеет вполне конкретный физический смысл.
3.Большинство параметров АЭ, таких как длительность события, время нарастания, амплитудное распределение, энергия и т.д., относится к НЧ составляющей АЭ информации.
4.Одновременное использование двух понятий ВЧ и НЧ составляющих в работах по акустической эмиссии приводит к подмене понятий и путанице в интерпретации получаемой информации.
Этот метод нашел широкое применение в материаловедении при исследовании процессов разрушения.
АЭ при наводороживании определялась с помощью прибораАФ-15. В качестве параметра АЭ выбран суммарный счет импульсов за 30 секунд, который фиксировался акустическим датчиком в частотных пределах от 200 кГц до 1000 кГц.
Были исследованы зависимости суммарного счета импульсов от времени наводороживания при различных уровнях дискриминации и плотностях катодного тока.
4. Метод выделения сигналов АЭ на фоне помех
Исследования явления АЭ, проводимые в различных условиях на различных материалах, показывают, что сигналы АЭ имеют широкий спектр амплитудно-временных параметров. Сигнал АЭ может быть зарегистрирован на любой частоте, но амплитуда регистрируемого сигнала убывает обратно пропорционально частоте. По этой причине представляется очевидным стремление к репарации АЭ-сигналов на низких частотах, тем более что затухание упругих волн существенно возрастает с увеличением частоты. ) однако с уменьшением частоты возрастают акустические помехи реобразователя АЭ-сигналов и электронной аппаратуры [9]. Этот факт налагает жесткие требования, предъявляемые не только к регистрирующей аппаратуре, но и методам обработки и анализа информации. Кроме собственных шумов аппаратуры тракты приема и обработки информации могут быть подвержены внешним шумам, для уменьшения воздействия которых широкое распространение получили активные и пассивные способы подавления помех.
Активные способы подавления помех заключаются в подавлении самого источника шума или уменьшении его влияния на исследуемый объект. Данный способ в основном используют для подавления шумов механического характера, создаваемых самим испытательным оборудованием: механическими и гидравлическими нагружающими машинами. С этой целью производят модернизацию испытательных машин с использованием специальных элементов, предназначенных для уменьшения трения в сопрягаемых звеньях нагружающих устройств или звукоизолируют образец от испытательной машины за счет специальных прокладок, изоляторов, шумопоглотителей.
При проведении особоточных физических экспериментов стремятся к применению бесшумных видов нагружения, таких как нагрев или охлаждение или к использованию предварительно нагруженных объектов. Активные способы эффективны при проведении испытаний материалов в лабораторных условиях. При проведении исследований, контроля и прогноза на реальных работающих объектах активные способы практически невозможно реализовать.
Пассивные методы борьбы с шумами и помехами используются практически во всех устройствах и системах регистрации и обработки сигналов АЭ.
1. Амплитудная дискриминация, как было указано выше, входит одним из блоков в аналоговый тракт АЭ систем и служит для отсечки шумов по амплитудному признаку путем сравнения пришедших сигналов с некоторым наперед заданным значением.
Кроме фиксированного порога ограничения иногда используют плавающий порог, т.е. производится непрерывное слежение за изменением уровня помех в каналах тракта усиления сигналов АЭ.
2. Частотная фильтрация также реализуется одним из блоков в аналоговом тракте и заключается в ограничении полосы пропускания усилительного тракта. Ограничение в области нижних частот лежит в пределах 20...200 кГц, а в области верхних частот - 1,5...2 МГц. Ограничение в области нижних частот обусловлено необходимостью отсечки шумов механического и испытательного оборудования, а ограничение частотного диапазона сверху - необходимостью отсечки электромагнитных наводок. Иногда частотная фильтрация используется для выбора узкой полосы пропускания, определяемой из условий испытания конкретного материала, скорости распространения в нем продольных и поперечных волн, а также для регистрации трещин с определенными размерами.
3. Временная селекция заключается в запирании каналов регистрации сигналов АЭ на время действия помех. Индикатором помех, обычно электромагнитных, служит специальный канал, регистрирующий только помехи.
4. Параметрическая селекция или параметрическое стробирование заключается в пропускании сигналов АЭ на обработку электронной системой только при определенных условиях нагружения, например, при достижении нагрузкой определенного наперед заданного уровня. Этот тип селекции используют обычно при проведении усталостных испытаний.
5. Пространственная селекция служит для выявления принадлежности принятого сигнала к сигналу АЭ или помехе путем определения пространственного местоположения источника сигнала. Такие системы требуют применения многоканальных систем. Минимальное число каналов равно двум при работе с линейными объектами.
6. Двухпараметрическая селекция обычно используется в аналого-цифровых системах АЭ и заключается в отбраковке сигналов с определенными значениями их параметров. Так, например, сигналы с большой амплитудой и малой длительностью соответствуют электромагнитным помехам, а сигналы с относительно небольшой амплитудой, но большой длительности характерны для механических шумов. Такие различия позволяют выделить реальные сигналы АЭ, у которых эти параметры занимают промежуточный диапазон, на фоне механических и электромагнитных помех.
7. В аналого-цифровых системах АЭ возможно использование прямого вычитания сигналов помех из всей совокупности зарегистрированных сигналов АЭ. Для этого производится предварительная запись сигналов помех в конкретных условиях работы нагружающего оборудования и действия других видов помех.
Заключения
Электрохимические методы анализа (электроанализ), в основе которых лежат электрохимические процессы, занимают достойное место среди методов контроля состояния окружающей среды, так как способны обеспечить определение огромного числа как неорганических, так и органических экологически опасных веществ. Для них характерны высокая чувствительность и селективность, быстрота отклика на изменение состава анализируемого объекта, легкость автоматизации и возможность дистанционного управления. И, наконец, они не требуют дорогостоящего аналитического оборудования и могут применяться в лабораторных, производственных и полевых условиях. Непосредственное отношение к рассматриваемой проблеме имеют три электроаналитических метода: вольтамперометрия, кулонометрия и потенциометрия.
Список литературы
1. Алексеев И. Г., Кудря А. В., Штремель М. А. Параметры акустической эмиссии, несущие информацию об одиночной хрупкой трещине.
2. 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.;
3. Баранов В. М., Кудрявцев Е. М., Сарычев Г. А., Щавелин В. М. Акустическая эмиссия при трении. М.: Энергоатомиздат, 1998 – 256 с.;
4. Белоглазов С.М. Наводороживание стали при электрохимических процессах. / Изд-во Ленинградского университета, 1975. – 220 с.;
5. Иванов В. И., Белов В. М. Акустико-эмиссионный контроль сварных соединении. М.: Машиностроение, 1981. – 184с.;
6. Филоненко С. Ф. Акустическая эмиссия. Киев. 1999. – 304 с.;
7. Хруцкий О. В., Юрас С. Ф. Акустико-эмиссионный метод диагностирования судовых энергетических установок. Учебное пособие. Ленинград. 1985. – 47 с.