УДК 539:620.179.16
ДИАГНОСТИКА ИРЕДРАЗРУШАЮЩЕГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛОВ ИО ПАРАМЕТРАМ АМИЛИТУДНОГО РАСИРЕДЕЛЕНИЯ СИГНАЛОВ СОПУТСТВУЮЩЕГО АКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
С.И. Буйло
Описаны результаты экспериментального и теоретического исследования вида плотности функции распределения амплитуд сигналов акустической эмиссии (АЭ) на разных стадиях деструкции материалов. На основе пуассоновской модели процесса де-фектообразования получен теоретический вид плотности амплитудного распределения акустического излучения при разрушении твердого тела. Оценены условия появления и местоположение ложных амплитудных максимумов, сильно снижающих достоверность результатов диагностики предразрушающего состояния по виду амплитудного распределения АЭ.
Ключевые слова: акустическая эмиссия, амплитудное распределение, диагностика, неразрушающий контроль, предразрушающее состояние, пуассоновский процесс.
Получение полезной информации, содержащейся в сигналах акустической эмиссии, осуществляется различными методами количественной обработки. Число возможных регистрируемых параметров сигналов АЭ может быть достаточно большим. Поэтому важное значение имеет выбор наиболее информативных параметров, несущих необходимую информацию о динамической локальной перестройке внутренней структуры твердых тел [1—5, 17].
Одним из наиболее перспективных информативных параметров АЭ является измерение, анализ и установление вида функций ж(хАЭ) — плотности вероятности амплитуд АЭ [1—11, 15—17]. Знание этого параметра позволяет получить информацию о виде распределения энергии по микроисточникам (дефектам структуры), о виде распределения размеров излучающих микродефектов и количественно рассчитать вероятность Р(а, Ь) = ь
= | ж (хАЭ) йхАЭ излучения импульсов АЭ в интервале амплитуд от а
а
до Ь. На практике обычно регистрируется либо амплитуда сигнала АЭ на выходе усилительного тракта и, либо амплитуда, пересчитанная к выходу приемного преобразователя (датчика) АЭ.
При отсутствии искажения и перекрытия сигналов АЭ регистрируемые амплитуды и и их плотности вероятностей м>(и) можно считать пропорциональными излученным внутри материала. Однако при сильном искажении и перекрытии сигналов АЭ эта пропорциональность все же нарушается и возможно искажение регистрируемой плотности [4, 7, 17].
Цель данной работы — установление общего вида, параметров плотности амплитудного распределения эмиссии на разных стадиях механического нагружения и оценка возможностей диагностики предразрушающего состояния материалов по форме этого распределения.
Сергей Иванович Буйло, доктор физ.-мат. наук, заведующий отделом акустики твердого тела, руководитель лаборатории АЭ диагностики НИИ механики и прикладной математики Южного федерального университета. Тел. (863) 2434377. E-mail: bsi@math.sfedu.ru
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВИДА ПЛОТНОСТИ АМПЛИТУДНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СИГНАЛОВ АЭ
Импульс АЭ на выходе приемного тракта чаще всего упрощенно можно описать в виде затухающего по экспоненте радиоимпульса с некоторой частотой заполнения, близкой к резонансной частоте датчика АЭ (рис. 1а)
и = и0в-/т8т2тсД (1)
где и0 — максимальная (пиковая) амплитуда импульса АЭ; и, — уровень порога дискриминации; т — постоянная времени послезвучания сигнала АЭ в образце и приемном датчике; / — частота заполнения.
Рис. 1. Упрощенная форма регистрируемого импульса АЭ (а) и плотность амплитудного распределения импульсов АЭ стали 20 в конце упругой
области (•):
1 — экспоненциальная модель; 2 — степенная при т = 2.
Отсюда длительность его огибающей г0 на уровне дискриминации и, определяется простым соотношением
,0 = т1п(ио/и,). (2)
Обычно под амплитудой АЭ понимается максимальная (пиковая) амплитуда огибающей радиоимпульса АЭ и0 в течение некоторой длительности строба измерения А,. Как показано нами ранее [3, 4], плотности распределений именно пиковых амплитуд АЭ наиболее информативны и наименее искажаются в процессе распространения и приема сигналов АЭ.
Здесь возможны два крайних случая установления длительности строба амплитудного анализатора А, [3, 4, 17].
1. При величине строба 10-4—10-2 с измеряемой амплитудой сигналов АЭ является именно максимальное (пиковое) значение отдельного радиоимпульса АЭ и0. В этом случае регистрируется амплитудное распределение импульсов дискретной эмиссии, мы имеем высокую информативность результатов амплитудного анализа сигналов АЭ и длительность А, строба амплитудного анализатора удовлетворяет условию
А, > ,0 = т1п(и0/и,). (3)
3 Дефектоскопия, < 11, 2012
2. При уменьшении величины строба анализатора до 10-6—10-4 с получаем амплитудное распределение выбросов уже внутри отдельных радиоимпульсов АЭ. В этом случае регистрируемое амплитудное распределение АЭ близко к рэлеевскому и становится малоинформативным, так как почти не зависит от состояния структуры исследуемого материала [3, 4].
Корректный выбор длительности строба амплитудного анализатора согласно условию (3) позволяет достаточно надежно оценить параметры плотности амплитудного распределения эмиссии на разных стадиях деструкции материалов при умеренных (до 102—103 с1) интенсивностях потоков актов АЭ внутри материала. При этом самые минимальные искажения вида амплитудного распределения АЭ получаются при автоматической регулировке длительности строба амплитудного анализатора в зависимости от максимальной амплитуды каждого регистрируемого импульса АЭ [4, 7, 17] по закону
At = t0 = Tln(u0/ut). (4)
Данные наших экспериментов, а также анализ результатов других авторов показывают, что нормированная на единичную вероятность суммы всех событий плотность амплитудного распределения wn(u0/ut) в широком (порядка 40—60 дБ) динамическом диапазоне для большинства материалов хорошо описывается степенной зависимостью [6, 7]
wn(u0/ut) = (m - 1)(u0/ut)-m; 1 < m < 4, (5)
где u0 — максимальная (пиковая) амплитуда отдельного импульса АЭ; ut — порог дискриминации (уровень отсечки). Чаще всего ut выбирают на уровне отсечки акустических и электрических шумов, а пиковую амплитуду импульса АЭ u0 обозначают как u.
В качестве примера на рис. 16 приведена плотность функции амплитудного распределения АЭ, зарегистрированного нами в конце упругой области при нагружении стандартного образца стали 20.
При этом обычно m ~ const вдоль почти всей кривой нагружения а—£ (нагрузка-деформация) и чаще всего m ~ 2. Иногда перед разрушением значение m падает на 10—30 %, что можно использовать в качестве предвестника наступления предразрушающего состояния [7]. В области самых больших (более 60 дБ) амплитуд наблюдается некоторое отклонение от степенной зависимости (вероятности и их плотности располагаются несколько ниже аппроксимирующей прямой в двойных логарифмических координатах). Вероятно, это связано с конечным количеством реальных микроисточников АЭ [4].
В случае малого динамического диапазона сигналов АЭ появляется ошибка нормировки при оценке wn(u0/ut) по формуле (5), которая при динамическом диапазоне менее 26 дБ (превышение максимальным сигналом уровня отсечки менее чем в 20 раз) может превысить 5 %. Эта ситуация рассмотрена в работе [6], где для описания нормированной плотности амплитудного распределения получена формула (6), учитывающая конкретную величину динамического диапазона D (D = ujut — динамический диапазон сигналов АЭ; um — амплитуда максимального сигнала, соответствующего верхней границе динамического диапазона)
wn(x) = (1 - m)(D1-m - 1)-1x-m; x = u/ut. (6)
Для аппроксимации вида плотности амплитудного распределения АЭ ранее нами часто использовалась экспоненциальная модель w(x) ~ exp(-x)
— наиболее простая и не требующая никакой дополнительной информации о параметрах распределения [3, 4]. Однако она удовлетворительно описывает форму реального амплитудного распределения АЭ только в малом (менее 26 дБ) динамическом диапазоне сигналов АЭ. Для аппроксимации плотности амплитудного распределения АЭ в большом динамическом диапазоне следует все же применять степенные модели вида (5) или (6), хотя они и требуют дополнительной информации (то есть знания конкретного значения показателя степени т). При отсутствии этой информации можно априори полагать, что т ~ 2, так как по нашим данным в большинстве случаев значения показателя степени т действительно близки к двум при отсутствии макродефектов.
На практике иногда регистрируются амплитудные максимумы АЭ, и к настоящему времени существует много попыток связи момента их появления с началом локализации процесса дефектообразования [3, 4, 7—10, 16, 17]. Амплитудный максимум АЭ также регистрируется и при высокой интенсивности импульсов АЭ, например, в области текучести материала [3, 4, 7—9]. Однако в этой области он малоинформативен, так как обнаруживается как у дефектных, так и бездефектных структур.
Количественный анализ и сравнение результатов различных авторов позволяют предположить, что регистрируемые в экспериментах амплитудные максимумы АЭ разных материалов во многих случаях являются ложными, поскольку определяются искажением и перекрытием регистрируемых сигналов АЭ в процессе их многомодового распространения, приема и регистрации. Так, например, приведенные в известной монографии Р. Коллакота [10, с. 117] максимумы амплитудного распределения импульсов АЭ при механическом нагружении образцов материала Бе — 4,5 % С, скорее всего, являются ложными и образовались вследствие искажения и перекрытия регистрируемых сигналов АЭ.
Рис. 2. Регистрируемая плотность амплитудного распределения импульсов АЭ вдоль кривой нагружения:
а — данные работы [10] для материала Бе — 4,5 % С; 1 — (0—10) с; 2 — (30—40) с; 3 — (80—90) с от начала нагружения; б — материал Бе — 3,5 % С. Скорость деформации е = 8,7 • 10-4 с-1; деформация: 1 — е = 0,2 мм; 2 — е = 1 мм; 3 — е = 4 мм (наши результаты).
На рис. 2а показано изменение регистрируемого амплитудного распределения импульсов АЭ во времени (на интервалах по 10 с) при растяжении образцов Бе — 4,5 % С согласно [10]. Полное время испытания об-
разца 90 с. На каждом интервале кривые распределения имеют один пик, причем с возрастанием напряжения и деформации амп
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.