научная статья по теме ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТВЕРДОГО ТЕЛА Физика

Текст научной статьи на тему «ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТВЕРДОГО ТЕЛА»

АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2015, том 61, № 5, с. 622-630

АКУСТИКА СТРУКТУРНО НЕОДНОРОДНЫХ ТВЕРДЫХ СРЕД. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ АКУСТИКА

УДК 539.2

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ СТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

ТВЕРДОГО ТЕЛА

© 2015 г. В. Т. Беликов, Д. Г. Рывкин

Институт геофизики им. Ю.П. Булашевича УрО РАН 620016 Екатеринбург, ул. Амундсена 100 E-mail: belik2a@mail.ru Поступила в редакцию 02.09.2014 г.

Предложена количественная физическая модель для описания процессов акустической эмиссии. Разработана методика восстановления структурных характеристик материала по его амплитудно-частотному спектру. С использованием полученных результатов проведена количественная интерпретация экспериментальных данных по наблюдениям сигналов акустической эмиссии при разрушении образца бетона.

Ключевые слова: акустическая эмиссия, функция распределения, пористость, удельная внутренняя поверхность.

DOI: 10.7868/S0320791915050020

ВВЕДЕНИЕ

Под акустической эмиссией (АЭ) обычно понимается процесс излучения упругих волн, обусловленный возникновением и развитием дефектов структуры материала [1]. Среди причин, вызывающих появление АЭ, следует отметить, прежде всего, пластическую деформацию, образование и развитие трещин, фазовые превращения и ряд других [1, 2]. С середины прошлого века и по настоящее время методы, связанные с анализом сигналов АЭ, широко применяются в таких областях, как геофизика, горное дело и материаловедение с целью изучения и прогнозирования процессов разрушения твердого тела [3—11]. Иногда АЭ разделяют на два вида: непрерывную и дискретную [2, 12]. Непрерывная АЭ характеризуется тем, что число событий, приводящих к ее появлению, достаточно велико, а энергия, высвобождаемая при каждом из них, мала. Возникновение непрерывной АЭ связывают, в основном, с пластическим деформированием твердого тела. Сигналы ее характеризуются относительно высокой частотой и поэтому мало информативны, так как быстро затухают [1]. При дискретном характере АЭ энергия излучаемых упругих волн, а также их амплитуда, на много порядков превосходят энергию и амплитуду импульсов непрерывной АЭ. Чаще всего дискретная АЭ связана с возникновением и развитием макроскопических дефектов в материале, а ее спектральные характеристики смещены в область более низких частот по сравнению с непрерывной АЭ. Примером дискретной АЭ является упругий

импульс, излучаемый растущей трещиной, когда она переходит из одного стабильного состояния в другое. В силу своей природы дискретная АЭ несет в себе информацию о структурных характеристиках разрушающегося материала. Поэтому довольно часто ее используют для прогнозирования разрушения твердого тела, так как она служит предвестником такого события задолго до появления опасной стадии [1, 2].

Среди проблем, которые существуют при изучении АЭ, следует отметить, прежде всего, сложности, связанные с ее интерпретацией. Сейчас она носит, в основном, качественный характер, что явно недостаточно для всестороннего анализа информации, которую несет в себе экспериментальный материал, полученный при регистрации АЭ. С этой точки зрения особенно актуальна в настоящее время проблема количественной интерпретации результатов наблюдений АЭ. Для проведения такой интерпретации необходимы соотношения, связывающие характеристики сигналов АЭ с параметрами ее источников. Иногда такие связи устанавливаются эмпирически на основе анализа экспериментальных данных по АЭ. Однако более перспективным следует считать путь, в соответствии с которым для количественной интерпретации результатов наблюдений АЭ используются разработанные физико-математические модели и установленные на их основе функциональные связи между параметрами сигналов АЭ и структурными характеристиками материала. Основы модели для количественного описания АЭ были

разработаны в [13, 14]. В [15] изучена зависимость морфологии амплитудно-частотного (АЧ) спектра АЭ от структурных и физических характеристик разрушающегося твердого тела. В дальнейшем были сформулированы основные физические принципы процедуры определения параметров среды по данным наблюдений АЭ [16]. В данной статье разработана обобщенная физико-математическая модель для описания процессов генерации дискретной АЭ, и на этой основе предложена методика (алгоритм) решения обратной задачи с целью восстановления структурных характеристик твердого тела. Предложенный алгоритм использован для количественной интерпретации экспериментальных данных по наблюдениям сигналов АЭ, зарегистрированных при разрушении образца бетона.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ

В работах [13, 14] на основе осредненных (по объему с характерными размерами много большими характерного размера фаз) уравнений теп-ломассопереноса в многофазных средах [17] были получены соотношения, описывающие процесс распространения продольных и поперечных упругих волн в гетерогенном твердом теле. Например, уравнение для продольных волн имеет вид [14]

д2 иI

2 д2щ дхк

= А,

(1)

где иI — 1-я компонента смещения, с — скорость продольных волн. Аналогичное соотношение имеет место и для поперечных волн. Функция источника А описывает процессы генерации АЭ, вызванной колебанием межфазных поверхностей. Выражение для нее может быть записано как [13, 14]:

А = У ^Ч^ар,

2р а,в

(2)

а ав а В

где Да к = а кк - а кк — разность осредненных тензоров упругих напряжений на межфазной поверхности (границе) ^ар между а-й и в-й фазами гетеро-

а

генной среды; пк — осредненныи вектор нормали, внешней по отношению к а-й фазе; О ар = £ар/ V — удельная внутренняя поверхность (УВП), соответствующая межфазной поверхности ^ар; р — плотность среды; V — объем осреднения. Поверхность ^ар предполагается гладкой. В выражениях (1), (2) и далее по повторяющемуся индексу к подразумевается суммирование. Правую часть соотношения (2) можно преобразовать следующим образом:

А = ^ У 1ккпк&ар =

2Р а,Р

= 2 У акпк ар = 2 У А^ар^

а,р ^

а г~\ т-аВ аВ

1 V АстаР°аРХ _ 1 V 2 ,,

" ^Р У ^ор ^ У У

арег

ар

= (3)

а,р а^р

а,р а^р

2 гаР

ар^г ,

а,р а^р

д ав а

где Да^Х =

я ¡к -&1к)пЦ = Ааар - модуль осредненного вектора силы, действующей на единицу площади поверхности е;а|3 — единичный вектор в ее направлении; Ьав — осредненная амплитуда колебаний межфазной поверхности

¿ар; = Г^е^. Частота vap АЭ, соответствующая пульсациям межфазной поверхности ^ар, опреде-

ляется как:

V ар =

а аВ а

АякПк

а

ар

/А^араар

,ар

Р^ V р^ ' (4)

Таким образом, функция источника А, представленная в виде (3), описывает весь спектр источников АЭ, связанных с колебаниями межфазных поверхностей гетерогенной среды. В общем случае излучать упругие волны могут все те границы между фазами, на которых отсутствует равновесие. Необходимо отметить, что частота vap, согласно (4), наряду с зависимостью от УВП ^ар и плотности среды р, определяется также и такими осредненными параметрами, как Ааар и Ьав. Поэтому она является характеристикой всего (коллективного) процесса излучения упругих волн межфазными поверхностями и ее не следует, вообще говоря, смешивать с характерной частотой, соответствующей, например, отдельному включению. Амплитуда Ьав, полученная осреднением по [15], отлична от нуля даже в том случае, когда некоторые участки межфазной поверхности неподвижны. Параметр Ааар будем называть в дальнейшем осредненной разностью упругих напряжений на межфазной границе ^ар. Минимальное значение, которое Ааар принимает при равновесии, определяется физическими свойствами межфазной поверхности ^ар и ее кривизной. В случае изотропных фаз минимальное значение Ааар совпадает с поверхностным давлением, определяемым формулой Лапласа [18]. В общем случае работа, производимая разностью упругих напряжений на границе фаз Ааар, тратится на изменение поверхностной энергии и акустическое излучение (АИ). Таким образом, когда на поверхности ^ар отсутствует равновесие, величина Ааар превышает ее минимальное значение. Будем предполагать, что в процессе ге-

нерации АЭ межфазная поверхность слабо отклоняется от положения равновесия. Тогда ее изменение, а следовательно, и изменение поверхностной энергии, мало. В этом приближении работа разности упругих напряжений на границе фаз фактически полностью расходуется на АИ, а величина Ааар практически совпадает с ее равновесным значением.

В работе [19] были проведены наблюдения АЭ при нагружении образца бетона вплоть до его разрушения. По результатам экспериментов были построены АЧ спектры АЭ. В настоящей статье эти данные использованы для конкретизации предложенной выше модели АЭ, а также для разработки и тестирования методики решения обратной задачи с целью восстановления структурных характеристик бетона. При изучении процессов АЭ в данном случае материал образца следует рассматривать как двухфазную гетерогенную среду, состоящую из твердой фазы "1", которую считаем гомогенной, и газообразной фазы "2", представляющей собой пространство пор и трещин, заполненных газообразным флюидом. Указанные фазы разделены единственной межфазной поверхностью 5"12, которой соответствует УВП ^12. Тогда функция источника А^ в соответствии с (3) может быть записана как:

А 1|л 12 12

Р' '

- 1 Да О е12 - Да12О12 ,1у2 2 .I2

- Да12О12е1 - 12 Ь е1 - У12Ь1 , Р рЬ

а (4) примет следующий вид:

(5)

V = Vl2 =

Л 12 1

ДО'кПк

О

12

рЬ

12

До^О^ =

т-12

РЬ

ДоО

рЬ '

(6)

где Дст12 = Дст^пк = Аа, Ь = Ь12, О = О12. Формула (6) устанавливает связь между параметрами АЧ спектра АЭ (V и Ь), а также структурными и динамическими характеристиками образца бетона (О. и Да). При некоторых упрощающих допущениях характер зависимости частоты АЭ от структурных параметров материала можно уточнить. Пренебрегая давлением газа в пористом пространстве, в соответствии с законом Гука, можем записать

следующую оценку: Да ~ ЕЬ, где г—характерный

г

размер поры или трещины, Е — упругий модуль.

Если структура среды такова, что ^ ~ 1 [20], то, в

г

1 Е

соответствии с (6), V — Е. В общем случае (при

П Р

других моделях среды) зависимость между V и г может быть и иной. Однако обратно пропорциональный характер изменени

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком