10. Садовский М.А, Мирзоев К.М., Нигматуллаев С.Х., Саломов Н.Г. Влияние механических микроколебаний на характер пластических деформаций материалов. // Физика Земли. 1981. № 6. С. 32-42.
11. Беляков А.С., Лавров В.С., Николаев А.В., Худзинский Л.Л. Инициирующие вибровоздействия и сейсмическая эмиссия горных пород. // Физика Земли. 1999. № 12. С.39-46.
12. Мирзоев К.М., Негматуллаев С.Х., Дастури Т.Ю. Влияние механических вибраций на характер высвобождения сейсмической энергии в районе водохранилища Нурекской ГЭС. Сейсмологические исследования в районах строительства крупных водохранилищ Таджикистана. Душанбе: Дониш. - 1987.- С. 101-119.
13. Богомолов Л.М., Манжиков Б.Ц., Трапезников Ю.А. и др. Виброупругость, акустопласти-ка и акустическая эмиссия нагруженных горных пород. // Геология и геофизика. 2001. Т. 42. № 10. С. 1678-1689
14. Богомолов Л.М., Сычев В.Н., Ильичев П.В. Феноменологическая модель потока возбужденных эмиссионных сигналов геосреды. // Физика Земли. 2006. №9. С.71-80
15. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука. 2 изд. 1982. 620 с
16. Шуберт М, Вильгельми Б. Введение в нелинейную оптику. М: Мир. 1973. 244 с.
17. Назаров В.Е., Радостин А.В. Нелинейные волновые процессы в упругих микронеоднородных средах. Нижний Новгород: ИПФ РАН. 2007. 256 с.
УДК 539.6+550.348+620.17
К ВОПРОСУ О ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ОБРАЗЦОВ ГЕОМАТЕРИАЛОВ К ИМПУЛЬСНЫМ ЭЛЕКТРОВОЗДЕЙСТВИЯМ
Виргиния Анатольевна Мубассарова1,
инженер-исследователь Леонид Михайлович Богомолов2,
кандидат физико-математических наук 1 Учреждение Российской академии наук Научная станция РАН Бишкек-49, Научная станция РАН, 720049, Киргизия
2Сахалинский государственный университет ул. Ленина, 290, г. Южно-Сахалинск, 693008, Россия bogomolov@imgg.ru
В работе представлены новые результаты о вариациях АЭ нагруженных образцов различных геоматериалов: гранита, бетона и кварцита, вызванных воздействиями электромагнитных импульсов. Подход, основанный на анализе потока сигналов АЭ и обнаружения вариаций активности, дополнен построением временных зависимостей селективных активностей (рассчитываемых по выборкам событий с амплитудами из заданного диапазона).
New results on the AE variations of loaded specimens of various terrestrial materials have been represented, including granite, quartzite, and concrete specimens under external action of electromagnetic pulses. In addition to the approach based on the analysis of AE signals flow to reveal activity variations the temporal dependences of selective activity (determined by sampling of events with amplitudes of given range) have been built.
Ключевые слова: акустическая эмиссии, активность АЭ, напряженно-деформированное состояние, микротрещины, электромагнитный импульс.
Введение
В настоящее время влияние физических полей на темп накопления дефектов в нагруженной геологической среде (что проявляется в зависимости от характерных масштабов как сейсмическая, сейсмоакустическая или акустоэмиссионная активность) доказано как многочисленными геофизическими наблюдениями, так и лабораторным экспериментом (обзор в [1,2]). Соответствие результатов лабораторного моделирования воздействия нестационарных физических полей (так называемых энерговоздействий, ЭВ) с натурными наблюдениями является важным звеном в обосновании того, что стимулирование АЭ событий может рассматриваться в качестве базового, опорного эффекта для управляемой разрядки избыточных напряжений. В лабораторных экспериментах был выявлен эффект прироста активности акустической эмиссии АЭ, стимулированного внешними электромагнитными полями [2-4], который свидетельствует о влиянии факторов среды на трещинообразование.
Сходство реакции геосреды на разных размерах обусловлено, по всей видимости, тем, что во всех случаях эмиссионные события, возникающие вследствие ее деструкции при умеренных нагрузках, когда макроразрушение маловероятно, отражают процесс "аккомодации" неоднородного материала к данной нагрузке. Определение механизма (или нескольких механизмов) откликов активности эмиссионных сигналов (индикаторов деструкции) на электромагнитное воздействие все еще затруднено. Затруднения в первую очередь связаны с тем, что к этому вопросу может иметь отношение очень широкий круг эффектов, реализующихся на различных масштабах от микро- до макроуровня: обратный сейсмоэлектрический эффект и проявления пъезоэффекта в отдельных включениях, релаксация электрической поляризации, электропластика и магнитопластика, эффекты электромагни-тоупругости при распространении волн и др.
Данная работа базируется на материалах предыдущих работ по нагружению геоматерилов, а также дополнена анализом временных зависимостей селективных активностей АЭ, отражающих влияния разного типа ЭВ на накопление структурных дефектов различных порядков (разного рода вакансий, дислокаций и скоплений дислокаций).
Методика экспериментов и результаты.
Для анализа использованы результаты проведенных в НС РАН экспериментов по нагружению образцов геоматериалов с дополнительным воздействием физических полей. Образцы горных пород и искусственных геоматериалов испытывались на ползучесть при постоянном сжатии при помощи пружинного пресса УДИ с максимальным усилием 100 тонн (конструкции А.Н. Ставрогина; ВНИ-МИ, С- Петербург) и рычажного пресса УДИ-Л (усилие сжатия 40 тонн). Дополнительные воздействия физических полей осуществлялись во время измерительных сеансов, в течение которых образцы находились при фиксированном уровне сжимающей нагрузки. Воздействие электрическими импульсами осуществлялось при подаче на графитовые электроды, прижатые к боковым поверхностям образца напряжения от генератора прямоугольных импульсов Г5-54 с амплитудой до 50 В. Также в качестве источника электроимпульсов использовался индукционный разрядник с амплитудой до 3 кВ. Воздействие слабыми вибрациями осуществлялось посредством подачи синусоидальных электроимпульсов с генератора Г3-112 на малогабаритный электро-механический преобразователь (буззер), прижатый к поверхности образца. Сигналы АЭ регистрировались широкополосными пьезодатчиками в частотном диапазоне от 80 кГц до 2 МГц. Регистрация проводилась с записью волновых форм сигналов. Аппаратура работала в ждущем режиме, запуск осуществлялся по превышению сигнала на выходе измерительного канала АЭ заданного порогового значения. Для исключения ложных срабатываний уровень дискриминации выбирался в 1,5 выше, чем среднеквадратичный уровень входного шума канала. Сигналы оцифровывались быстродействующими АЦП, выполненными в стандарте САМАС и записывались на жесткий диск персонального компьютера в автоматическом режиме.
Рис. 1. Общий вид пружинного пресса УДИ разработки ВНИМИ РАН (а); рычажно-гравитационного пресса УДИ-Л (Ь) и исследуемого образца с токоподводящими электродами и датчиком АЭ (с)
Выше отмечалось, что воздействие внешнего электромагнитного поля на нагруженные гетерогенные среды (образцы геоматериалов) инициирует прирост числа сигналов АЭ, свидетельствующем о возбуждении дополнительных источников - микротрещин. В качестве исходных данных для анализа распределений АЭ по амплитуде (несущей детальную информацию об этих дефектах)
принимались параметры временных зависимостей ("осциллограмм" АЭ), которые были зарегистрированы в сеансах с подачей энерговоздействия.
Представляет интерес уточнение вопроса о пределах самоподобия в процессе деструкции нагруженных геоматериалов при дополнительном воздействии на них электромагнитных полей. Для получения информации об этом были использована специальная методика: зарегистрированные сигналы АЭ разделялись по амплитудам. Для этого использовался вспомогательный программный дискриминатор с настраиваемым порогом, который задавался выше порога входного дискриминатора. Сигналы АЭ с амплитудой, превышающей уровень дискриминации, считались "сильными", а прочие зарегистрированные сигналы - "слабыми". Таким образом, в потоке сигналов были выделены две группы, для которых далее вычислялись временные зависимости, имеющие смысл активностей АЭ по выборкам сильных и слабых событий, или, другими словами, селективных активностей. Согласно результатам предшествующих работ [3,4] оклики акустической эмиссии на электрические импульсы отмечались при достаточно высоких нагрузках. С учетом этого уровень вспомогательного дискриминатора выбирался так, чтобы при относительной нагрузке ~ 0,85 количество накопленных "сильных" и "слабых" событий было сравнимо.
Рассмотрим влияние ЭВ на процесс перераспределения количества событий по их амплитудам для искусственного материала - образца бетона (рис. 2 а,Ь).
Рис. 2. Активности образцов бетона (а, Ь) и кварцита (с, d). Образец бетона: нагрузка 89% от разрушающей, временные интервалы ЭВ (Г5-54: 2кГц, 100мкс, 60В) показаны черными линиями. а) - активность всех зарегистрированных в эксперименте событий АЭ, Ь) - сепарационные кривые активностей слабых (черная линия) и сильных (серая линия) событий. Образец кварцита: нагрузка 80% от разрушения, источник электрических импульсов - индукционный разрядник (3кВ). с) - активность всех зарегистрированных в эксперименте событий АЭ, ф - сепарационные кривые активностей слабых (черная линия) и сильных (серая линия) событий.
Для интерпретации хода активности на начальном временном интервале (до сеансов электроимпульсов) целесообразно провести аналогию с сейсмичностью. Релаксационный процесс высвобождения энергии, полученной образцом при пригрузке (89% от разрушения), и проявляющийся в виде мощного потока АЭ, является естественным аналогом известной в сейсмологии афтершоковой активности, описываемой законом Омори. На аналогию закона спада возбужденной акустической эмиссии (упругим импульсом) и упомянутого закона Омори обращено внимание в монографии [2].
В обоих случаях эти процессы носят затухающий характер. Как видно на графике (рис. 2,а) активность всех зарегистрированных в эксперименте событий АЭ спадает до некоторого «фонового» уровня ~ 0,25-0,3 с-1 вплоть до начала ЭВ, где наблюдается небольшой прирост активности. Кратковременный
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.