CC BY
24
П.Ю. Лысенко МЕТОДИКА ОЦЕНКИ АНИЗОТРОПИИ И ПОВРЕЖДЕННОСТИ ГЕОМАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПЕКТРОСКОПИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УСТАНОВКИ «ГЕОСКАН-02МУ»
ВВЯЯЗД ^ и и \ г и и \ } ') и МОСКВА ИЗДАТЕЛЬСТВО «ГОРНАЯ КНИГА» 2013 9 £
УДК 622.84 ББК 33.31 Л88
Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжны» для взрослых» СанПиН 1.2.1253-03, утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 29.124 -94), Санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека Л'? 77.99.60.953. Д.01436712.12
Лысенко II.Ю.
Л88 Методика оценки анизотропии и поврежденное™ геоматсриа-лов методом лазерной ультразвуковой спектроскопии с использованием установки «Геоскан-02МУ» П Горный информационно-а!1алитнческий бюллезень (научно-технический журнал). Отдельные статьи (специальный выпуск). — 2013. — № 7. — 12 с.— М.: Издательство «Горная кшп-а»
155>( 0236-1493
Представлены сведения о закономерностях генерации упругих волн е результате термоупругого эффекта в геоматсриалах. Описаны принцип действия н основные технические характеристики лазерного ультразвукового структуроскопа «Гео-кан-(Х2МУ>>. Изложена методика проведения измерений ловрея^чеииосги и анизотропии с использованием указанной аппаратуры на образцах горных пород.
Для студентов, аспирантов и научно-технических работником, занимающихся перазрушаюшим коагтролсм твердых материалов.
УДК 622.84 БЬК 33.31
[ЭБЫ 0236-1493
© П.Ю.Лысенко, 2013 © Издательство «Горная книга», 2013 © Дизайн книги. Издательство «Горная кннга», 2013
УДК 622.611.4:620179.16
© П.Ю.Лысенко, 2013
Представлены сведения о закономерностях генерации упругих волн в результате термоупругого эффекта в геоматериалах. Описаны принцип действия и основные технические характеристики лазерного ультразвукового структуроскопа «Геоскан-02МУ». Изложена методика проведения измерений поврежденности и анизотропии с использованием указанной аппаратуры на образцах горных пород.
Ключевые слова: анизотропия горных пород, поврежденность геоматериалов, лазерно-ультразвуковая струтуроскопия
1. Физические основы и область применения метода
Методика предназначена для измерения скоростей распространения продольных волн, а также оценки анизотропии и поврежденности горных пород. Методика базируется на термоупругом эффекте, при котором возбуждение упругих волн происходит при поглощении лазерного излучения на поверхности образца геоматериала, локальный нагрев и последующее нестационарное тепловое расширение, которое приводит к генерации продольной упругой волны.
В основе метода лежат следующие физические закономерности, установленные в ходе теоретических и экспериментальных исследований процесса термооптического возбуждения ультразвука в горных породах [1-5]:
1) Разработанный алгоритм восстановления значения коэффициента поглощения света ах по переднему фронту
импульса упругой продольной волны, возбуждаемой при поглощении лазерного излучения на поверхности геоматериала, позволил измерить значения последнего. Оказалось, что для большинства горных пород в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах значения ах лежат в пределах 50-80 см -1.
3
2) Как показали теоретические оценки, для диагностики горных пород наиболее перспективным является использование коротких световых импульсов с длительностью Т0 ~ 10 нс. Спектр таких импульсов простирается до 40
МГц, и в формировании импульсов упругих волн всех типов определяющую роль играют лишь спектры, связанные с пространственным распределением источников тепла.
3) Для продольных волн, распространяющихся в направлении, перпендикулярном к поверхности образца, передний фронт импульса имеет экспоненциальный вид с показателем, равным ас1 (а - коэффициент поглощения света, С1 - скорость распространения упругой волны), характерная длительность такого импульса имеет порядок 100-200 нс, пространственная протяженность не более 0,4-0,5 мм. При согласованных импендансах оптико-акустического преобразователя и исследуемой среды возникает однополярный импульс.
Рассматриваемая ниже методика позволяет проводить исследования на образцах горных пород как малых размеров толщиной от 3 мм и площадью поперечного сечения от 1 см2, так и кернов высотой до 5 см.
2. Требования к образцам
Для проведения исследований методом лазерной ультразвуковой спектроскопии могут использоваться образцы с произвольной формой поперечного сечения площадью от 0,7 см2 и толщиной от 3 мм и более. Точность шлифовки поверхности и плоскопараллельность торцевых поверхностей должна быть не менее 0,1-0,05 мм, что обеспечивает точность в измерении скорости распространения упругих импульсов не менее 2,5 %. Рекомендуется использовать образцы без крупных единичных зерен (монокристаллов), и, по возможности, стремиться к тому, чтобы толщина образца 4
не менее чем в 3 раза превосходила размер видимого зерна, а его поперечные размеры, по крайней мере, были вдвое больше толщины, чтобы избежать переотражений рассеянного на неоднородностях сигнала от боковых стенок образца.
Для получения достоверной информации о структуре и свойствах горных пород в массиве, извлеченные из последнего керны должны быть запарафинированы для предохранения их от изменений влажности, которая сильно влияет на значения скорости ультразвука и приводит к ее дисперсии. Керны, используемые для изготовления образцов, следует, по возможности предохранять от ударов и вибраций.
Количество образцов определяется набором проводимых серий экспериментов. Следует помнить, что при лазерной ультразвуковой спектроскопии возможно сканирование по поверхности образца, при котором число точек определяется соотношением: 5 /а2, £ - площадь поперечного сечения образца, а - ширина оптического пучка. При этом толщину образца необходимо выбирать из условия а а2 /2Ь < 1 (а - коэффициент поглощения света), чтобы можно было пренебречь уширением ультразвукового пучка вследствие дифракции.
3. Оборудование
Для проведения измерений используется лазерно-ультразвуковой структуроскоп «ГЕОСКАН-02МУ», предназначенный для измерений скорости продольных ультразвуковых волн в образцах геоматериалов и различных конструкционных материалах (металлах, сплавах, керамиках, пластмассах, композитных материалах) при одностороннем доступе к объекту контроля в режиме эхоскопии.
Блок-схема архитектуры и принцип сборки структуро-скопа «ГЕОСКАН-02МУ» представлены на рис. 1.
5
Рис. 1. Блок-схема архитектуры и принцип сборки структуроскопа «ГЕОСКАН-02МУ»
Принцип работы прибора основан на лазерном термооптическом возбуждении наносекундных ультразвуковых импульсов продольных акустических волн в специальном широкополосном оптико-акустическом преобразователе и измерении скорости распространения этих импульсов в исследуемом образце геоматериала при одностороннем доступе преобразователя к образцу [4]. Используется так называемый время-пролетный метод измерений, когда по известной толщине образца и измеряемой разности времен прихода на пьезоприемник преобразователя зондирующего ультразвукового импульса и сигнала, отраженного от тыльной поверхности образца, рассчитывается скорость продольных ультразвуковых волн в образце. Методика обработки сигналов основана на спектральном анализе и обратной фильтрации (деконволюции) ультразвукового сигнала, прошедшего в образец и отраженного от его тыльной поверхности, с зондирующим (опорным) сигналом оптико-акустического преобразователя [4].
Таблица 1
Основные технические характеристики оборудования
Показатель Значение
Способ измерения ультразвуковой импульсный контактный
Рабочая полоса частот 0,05-5 МГц (для преобразователя ПЛУ-6П-01)
Толщина объектов контроля 5-150 мм
Диапазон измеряемых значений скорости ультразвука (0,2-20)-103 м/с
Пределы относительной погрешности дефектоскопа измерения скорости ультразвука, % (-3; 3)
Диаметр ультразвукового пучка 8-10 мм
Частота повторения импульсов, кГц Не менее 0,01 кГц
Производительность Не менее 5 измерений в с
7
4. Обнаружение и локализация дефектов образцов горных пород на основе метода лазерной ультразвуковой спектроскопии с использованием установки «Геоскан-02МУ»
При поглощении лазерного импульса в оптико-акустическом генераторе (ОАГ), который конструктивно совмещен с пьезоприемником, возникают два импульса продольной волны. Один из них принято считать опорным, он распространяется к пьезоприемнику. Другой, зондирующий, попадает на исследуемый образец. Широкополосный задемпфированный пьезоприемник регистрирует акустические сигналы: отраженный от дефекта в образце и от нижней поверхности образца (донный), а также опорный. Далее с помощью пьезоприемника они преобразуются в электрические, и проходя через усилитель попадают на устройство сбора и обработки данных.
Скорость распространения продольных волн в геоматериале рассчитывается по разнице времени прихода А^И между донным и опорным сигналом, с учетом известной толщины И образца.
с = 2И / Агь
Соответственно расстояние до дефекта Ил от поверхности образца находится из соотношения:
К =(с )/2
где А^ - разница во времени между приходом донного и
опорного сигнала.
С использованием данной методики погрешности вычисления определяются точностью измерения толщины образца и вычислению временного интервала между донном и опорным сигналами. Таким образом, с учетом имеющейся
8
аппаратуры и средств измерений, относительная погрешность вычислений не превышает 2 %.
Короткий зондирующий сигнал ОАГ минимизирует «мертвую» зону и дает возможность определять дефекты на глубине 0,3-0,8 мм. Также учитывая отношение полярностей импульсов опорного и отраженного от дефекта определяется соотношение акустических импедансов дефекта и геоматериала. При одинаковой полярности дефект структуры имеет больший акустический импеданс по сравнению с вмещающей средой, в обратном случае - меньший.
5. Определение поврежденности структуры образцов горных пород по результатам измерения суммарной мощности шума.
Контролировать поврежденность образцов геоматериалов предлагается следующим образом [8].
Импульс упругой волны возбуждаемый оптико-акустическим генератором при падении на него лазерного излучения, имел строго определенные параметры [4, 7]. Вообще говоря, формируются два импульса. Первый из них распространяется от исследуемого образца к приемнику, другой -вглубь образца. Импульс, распространяющийся в образце, претерпевает рассеяние на неоднородностях его структуры. Эта рассеянная часть сигнала называется структурным шумом, а ее характеристики содержат информацию о наличии дефектов в виде трещин, пор и неоднородности структуры образца. Амплитудный спектр сигнала 5 (ю), прошедшего через
образец, имеет гладкую часть 50 (ю) и осциллирующую составляющую £ (ю): £ (ю) = 5(ю)-50 (ю).
В качестве параметра К, характеризующего степень по-врежденности внутренней структуры образца, предлагается рассматривать отношение мощности структурного шума
9
^тах
Кш = | |^(т)|2йт
к мощности гладкой части сигнала
^тах
=| 1 ЭДТйт , где ттах и Ш
определяются частот-
ной полосой приемного тракта.
Для образца, имеющего дефекты структуры в виде пор и микротрещин значение параметра К должны возрастать с увеличением поврежденности образцов [7].
6. Исследование анизотропии горных пород и ее связи с поврежденностью
Для оценки акустической анизотропии предлагается использовать частотную зависимость коэффициента затухания, являющегося более чувствительным к анизотропии и поврежденности образцов геоматериалов [9]. Коэффициент затухания должен быть измерен для каждой гармоники
о/ \ г-и I (ш),
х(т) = ь 1п | —п-1 в трех взаимно перпендикулярных на-
£ (ш)
правлениях, после чего определяется частотная зависимость параметра анизотропии.
А(ш) =
Х0(ш) -Х(ш)
Х(ш)
где X0(ш) и х (т) - коэффициент затухания для эталонного и поврежденного образца. По значению Атах и соответствующей частоте оцениваем характерные размеры дефектов.
Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по теме «Развитие исследований структуры и свойств горных пород с использованием аппаратуры широкополосной лазерной ультразвуковой спектроскопии» (Государственный контракт № 14.518.11.7044 от 20 июля 2012 г.)
10
Список литературы
1. Гусев В.Э., Карабутов А.А. Лазерная оптоакустика, М., «Наука», 1991, 304 с.
2. Карабутов А.А., Макаров В.А., Шкуратник В.Л., Черепецкая Е.Б. Теоретическая оценка параметров ультразвуковых импульсов, возбуждаемых в геоматериалах лазерным излучением. // ФТПР11И. №4 (2003), с. 11-18.
3. Белов М.А., Карабутов А.А., Макаров В.А., Черепецкая Е.Б., Шкуратник В.А. О возможностях акусто-оптической спектроскопии геоматериалов. // Сборник трудов XIII сессии Российского акустического общества, М., ГЕОС, т.2, 2003, с. 55-58.
4. Карабутов А.А., Макаров В.А., Черепецкая Е.Б., Шкуратник В.Л. Лазерно-ультразвуковая спектроскопия горных пород. // Москва: Издательство «Горная книга» 2008. 198 с.
5. Лысенко П.Ю., Простяков Р.Г., Черепецкая Е.Б. Теоретическое обоснование применения лазерной ультразвуковой спектроскопии для определения модулей упругости трансверсально-изотропных горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2011. - № 8. - с. 195-201.
6. Лысенко П.Ю., Простяков Р.Г., Черепецкая Е.Б., Вдовин С.О. Об использовании лазерно-ультразвуковой спектроскопии для определения модулей упругости ортотропных сред // Бюллетень УкрНИМИ - 2011 -Т.9 ч.1 - с. 253-268
7. Закиров А.А., Лысенко П.Ю., Черепецкая Е.Б. Теоретическая оценка параметров оптико-акустических сигналов, возбуждаемых в композитах // Журнал «ОПиПМ» - 2012 - т. 19, в.3 - с. 123-128.
8. Лысенко П.Ю., Простяков Р.Г., Вдовин С.О. Теоретическая оценка параметра поврежденности геоматериалов с использованием оптико-акустической спектроскопии // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2012. - № 6. - с. 138-142.
9. Карабутов А.А., Лысенко П.Ю., Панасьян Л.Л., Подымова Н.Б., Черепецкая Е.Б., Афанасьев Л.В., Пашкин А.И. Исследование анизотропии серпентинов методом лазерной ультразвуковой спектроскопии // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2013. - № 3. - с. 232-236.
11
СОДЕРЖАНИЕ
Лысенко П.Ю.
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ АНИЗОТРОПИИ И ПОВРЕЖДЕННОСТИ ГЕОМАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПЕКТРОСКОПИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УСТАНОВКИ «ГЕО-СКАН-02МУ».................................................................................................3
CONTENT
Lysenko P. Y.
METHOD OF ANISOTROPY AND IMPERFECTION INVESTIGATION OF ROCKS BY LASER ULTRASOUND SPECTROSCOPY USING «GEOSKAN-02MU».......................................................................................3
The regularities of generation of elastic waves due to thermoelastic effect in geomaterials have been presented. The principle of operation and the main technical characteristics of the laser ultrasonic structuroscope «Geoskan-02MU» has been presented. A technique for the measurement of imperfection and anisotropy of the rock samples using this equipment has been expounded. Key words: anisotropy of rocks, imperfection of geomaterials, laserultrasonic spectroscopy.
Коротко об авторе
Лысенко Павел Юрьевич - аспирант кафедры физики, Московский государственный горный университет, [email protected]
Павел Юрьевич Лысенко
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ АНИЗОТРОПИИ И ПОВРЕЖДЕННОСТИ ГЕОМАТЕРИАЛОВ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПЕКТРОСКОПИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УСТАНОВКИ «ГЕОСКАН-02МУ»
Горный
информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал) Отдельные статьи (специальный выпуск)
Выпущено в авторской редакции
Компьютерная верстка и подготовка оригинал-макета О.Ю. Долгошеева Дизайн обложки Е.Б. Капралова Зав. производством Н.Д. Уробушкина Полиграфическое производство Л.Н. Файнгор
Подписано в печать 20.05.2013. Формат 60х90/16.
Бумага офсетная №1. Гарнитура «Times». Печать трафаретная на цифровом дупликаторе. Усл. печ. л. 0,75. Тираж 500 экз. Заказ 2664
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ГОРНАЯ КНИГА»
Отпечатано в типографии Издательства «Горная книга»
119049 Москва,
Ленинский проспект, 6, издательство «Горная книга» Телефон (499) 230-27-80; факс (495) 956-90-40;
тел./факс (495) 737-32-65
