CC BY
41
© Ю.Н. Бауков, А.М. Чумичев,
А.Ю. Бауков, 2002
УДК 550.3
Ю.Н. Бауков, А.М. Чумичев, А.Ю. Бауков
ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОГО МЕТОДА ПРИ КОНТРОЛЕ МНОГОСЛОЙНЫХ ПОКРЫТИЙ, ОБДЕЛОК И ЗАКРЕПНОГО ПРОСТРАНСТВА В ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТКАХ
Техническая задача определения различных протяженных дефектов (расслоений, полостей, зон некачественного контакта и т.п.), возникающих между покрытиями и основанием, а также внутри самих конструкций и массива горных пород, является чрезвычайно актуальной не только в практике горного дела, но и в других областях народного хозяйства: в строительстве, на транспорте, в гидромелиорации, в оборонном комплексе. К основным особенностям в решении таких задач можно отнести односторонний доступ к объекту исследований, значительный экранирующий эффект, создаваемый покрытиями для различных видов энергии, неоднородность свойств и внешней поверхности объекта, а также достаточно малое расстояние от свободной поверхности до дефекта.
Вследствие этих причин, практически единственным эффективным неразрушающим методом, позволяющим решать подобные задачи, является виброакустический метод, в частности ударная модификация виб-роакустического метода. Данный метод основан на ударном точечном возбуждении свободной поверхности исследуемого объекта (одиночным ударным импульсом или серией ударных импульсов) и анализе виброаку-стического отклика объекта на ударное воздействие, который регистрируется акустическими
преобразователями, расположенными в непосредственной близости от точки возбуждения. В зависимости от способа обработки первичной информации, получаемой с выхода приемного преобразователя, в настоящее время разработано несколько вариантов виброаку-
стического метода контроля.
Первая модификация данного метода, получившая наиболее широкое практическое применение в самых различных областях техники [1, 2], основана на спектральном анализе виброакустического отклика, выполняемого как в аналоговой, так и в цифровой форме. При этом используются принципы статистической обработки информации, в частности теории проверки гипотез [3]. Дальнейшее развитие данный метод получил на основе применения теории распознавания образов, разработанной применительно к контролю массивных гидротехнических сооружений. При определении расслоений кровли может успешно применяться комплексный критерий, основанный на измерении характеристик виброаку-стического импульса в реальном масштабе времени [4], а также упрощенный вариант спектральной обработки сигнала [5].
Необходимо отметить, что все указанные модификации виброаку-стического метода разрабатывались применительно к однослойной физической модели дефектного участка исследуемого объекта, когда объем между свободной поверхностью и дефектом представлялся в виде тонкой упругой пластины, в которой возбуждаются изгибные колебания на нескольких первых собственных модах пластины.
Наиболее эффективная реализация виброакустического метода при контроле различных подземных инженерных сооружений (коллекторов, подземных хранилищ, канализационных насосных станций, тоннелей и т.п.) осуществлена на основе использования аналого-цифровой аппаратуры контроля "КБ-ВИБРО", позволяющей измерять усредненный нор-
мированный уровень спектральных составляющих виброакустического импульса в пяти частотных полосах в диапазоне частот от 50 Гц до 5 кГц с использованием принципа накопления информации. Основные особенности работы данной аппаратуры и методика обработки и интерпретации результатов измерений были подробно описаны в работах [2, 6].
В процессе практического применения данной аппаратуры при контроле классических (с точки зрения возможности применения виброакустического метода) объектов, мощность однослойных расслоений h в которых изменялась от 10 до 50 см при соотношении протяженности дефекта L к величине h не менее пяти, были также проведены опытные экспериментальные исследования на многослойных железобетонных конструкциях толщиной до 1 метра, лежащих на грунтовых и насыпных основаниях (днища различных подземных сооружений и многослойные обделки тоннелей). Как правило, такие конструкции состояли из 3-5 слоев различной толщины, выполненных из бетона различной марки (стяжки, гидроизоляционные слои, основной бетон).
В результате анализа полученных на таких объектах распределениях энергетического спектра в пяти частотных полосах были отмечены следующие особенности поведения пространственного спектра вдоль трассы измерений. Так на ряде участков наблюдалось аномальное (выше 3 Дб) изменение спектрального уровня Llj относительно среднего спектра Lljср в нескольких частотных каналах аппаратуры. Такие изменения фиксируются в высокочастотных полосах не только на участках, где наблюдаются аномальные изменения спектра в низкочастотной области, свидетельствующие о наличии дефектов связи конструкции с основанием, но и в других зонах объекта. Причем степень проявления отмеченных аномальных изменений спектра зависит от силы возбуждающего конструкцию удара.
Исходя из этого были сделаны выводы о возникновении резонансных явлений на участках расслоений конструкции в промежуточных слоях. Это позволяет предположить возможность применения данного метода при
контроле многослойных конструкций, что имеет несомненный практический интерес. Для обоснования данных предварительных выводов были проведены модельные исследования колебательных процессов в многослойных конструкциях при их ударном возбуждении.
Лабораторная модель была выполнена в виде многослойной конструкции, состоящей из трех прямоугольных плексигласовых пластин размером 27х30 см, толщина которых изменяется от 2З мм до З мм. Кроме того, к задней плоскости такой конструкции возможно подсоединение толстой пластины (подложки), выполненной из горной породы (мрамор, гранит). С целью увеличения амплитуды изгибных колебаний конструкции в модели реализован консольный способ закрепления пластин к массивному основанию. В модели предусмотрено винтовое устройство, позволяющее осуществлять различную степень контактных условий между тонкой пластиной и другими пластинами. На плоскости тонкой пластины крепится пьезоаксельрометр. Для получения устойчивого изображения спектра виброакустического импульса и для усреднения колебательных процессов по реализациям был выбран последовательный способ спектрального анализа сигнала, и вследствие этого ударное возбуждение конструкции производилось серией механических импульсов, создаваемых с помощью электромеханического генератора колебаний (ГМК), питание которого осуществлялось от генератора электрических звуковых колебаний типа ГЗ-123. Путем изменения частоты сигнала с выхода генератора была выбрана оптимальная частота возбуждения f0 = 10 Гц.
Прием колебаний осуществлялся с использованием пьезоаксельрометра типа КД-10 с равномерной амплитудно-частотной характеристикой в диапазоне от 10 Гц до 8 кГц.
При проведении экспериментальных исследований на данной модели изучались особенности виброакусти-ческого импульса в реальном масштабе времени с использованием осциллографа С1-103, работающего в режиме ждущей развертки, а также спектр данного импульса, регистрируемый на экране спектроанализатора последовательного принципа действия СК4-56
(рис. 1). Измерение параметров виброаку-стических импульсов и их спектра выполнялись при различных условиях моделирования состояния многослойной конструкции: а) при зажатом тонком слое в отсутствии подложки; б) при отжатом тонком слое в отсутствии подложки; в) при демпфировании колебаний отжатого слоя с помощью тонкой пластины из поролона; г) при повторении измерений по пунктам а)-в) в случае наличия массивной подложки.
Типичный пример осциллограммы регистрируемого в процессе исследований виброакустического импульса представлен на рис. 2.
Основной особенностью наблюдаемого виброакустического импульса при различных положениях модели является то, что он состоит из двух частей, обусловленных различными колебательными процессами. Передняя часть импульса длительностью от 0,5 до 1,5 периода связана, главным образом, с возникновением собственных колебаний пьезоаксельрометра. Значительно более длительная часть виброакустического импульса соответствует изгибным колебаниям слоистой модели. Данная часть виброимпульса характеризуется весьма сложной структурой, проявляющейся в амплитудной модуляции основного низкочастотного заполнения более высокочастотным. Характер модуляции зависит от состояния модели. При этом выделить какую-либо количественную закономерность данного процесса в зависимости от условий эксперимента не представляется возможным. Видимый период низкочастотного заполнения данной части импульса также изменяется достаточно нестабильно в пределах его общей длительности.
Общим свойством виброаку-стического импульса является значительное увеличение его длительности т при отжиме переднего
слоя модели. Так в зависимости от степени демпфирования данного слоя т увеличивается от 1,5 до 3,5 раз, независимо от того имеется или нет массивная подложка в структуре модели. Кроме того в зависимости от качества контакта переднего слоя с основанием наблюдается перераспределение максимальных амплитуд (А1 и А2 на рис. 2) в высокочастотной и низкочастотной частях виброимпульса (см. таблицу). Таким образом, можно сделать вывод, что особенности изменений самого виброакустического импульса не несут устойчивой информации о многослойной структуре исследуемой конструкции и могут быть использованы только при оценке качества контакта верхнего слоя с нижележащем основанием, что и было реализовано в одной из модификаций виброакусти-ческого метода [5].
Характерный вид спектрограммы виброакустического импульса, регистрируемый на экране спектроанализатора СК4-56 показан на рис. 3. Исследование спектра виброакустиче-ских импульсов в зависимости от структуры многослойной модели позволили сделать следующие основные выводы.
Условия измерений С., Гц мВ Fí, Гц мВ Сф, Гц Апр, мВ с . 1тлт Гц с *тах* Гц с •под Гц Апод, мВ
Без рас Без слоя 460 0,11 1290 0,22 858 0,27 322 1470
слоения Со слоем 458 0,11 1302 0,20 859 0,14 309 1420
С рас Без слоя 449 0,29 1162 0,23 719 0,27 180 1736
слоением Со слоем 488 0,28 1159 0,21 749 0,29 157 1805 1423 1,2
В случае зажатого переднего слоя в спектрограмме можно выделить два характерных амплитудных максимума, которые согласно расчетам соответствуют изгибным колебаниям всей зажатой слоистой модели толщиной 49 мм с большей собственной частотой £в и изгибным колебаниям на первой моде задемпфированного переднего слоя модели ф = 3 мм) на низкой частоте ^ (рис. 3). В этом случае амплитуда спектрального максимума Аж с частотой fв значительно превышает амплитуду Аш, соответствующего частоте % При этом соотношение А^/Аш мало зависит от факта присоединения к задней стороне модели массивного слоя.
Между указанными спектральными максимумами, наблюдается промежуточный амплитудный выброс, амплитуда которого Апр зависит от наличия массивного слоя. Так при присоединении данного слоя наблюдается уменьшение амплитуды этого выброса. Анализ колебательного процесса позволяет сделать вывод о том, что данный спектральный максимум обусловлен колебаниями промежуточного слоя модели общей толщиной h = 26 мм, что в частности подтверждается более высокими значениями частот этого максимума в связи с тем, что величина собственных частот основных мод тонких пластин при любых граничных условиях, и в частности, при консольном закреплении прямо пропорциональна толщине пластины к
При организации в модели тонко-
го расслоения характер спектрограммы заметно изменяется. Наблюдается увеличение ширины спектра А£ в среднем в 1,3-1,5 раза, а также перераспределение величин амплитуд на верхней (Ав) и нижней (Аж) характерных частотах спектра (см. таблицу), что связано с возникновением резонансного режима изгибных колебаний на основной моде тонкой пластины. При этом спектральный выброс на частоте ^ становится доминирующим в общей картине спектра, а амплитуда спектрального максимума на частоте fв остается практически без изменений, что в данном случае полностью соответствует теории виб-роакустического метода [1].
Однако при этом в спектре остается промежуточный максимум, связанный с изгибными колебаниями промежуточного слоя, причем он проявляется в общей форме спектра значительно резче. Кроме того наблюдается смещение его частоты в область низких частот (также как и частота Є0, так как уменьшается толщина промежуточного слоя ф = 23 мм). При присоединении к модели массивной подложки амплитуды всех трех указанных спектральных выбросов практически не изменяются, а на спектрограмме появляется еще более высокочастотный выброс на частоте £юд, соответствующей общей толщине слоистой системы вместе с присоединенным слоем фп = 64 мм). При этом амплитуда этого выброса значительно ниже всех остальных.
Количественные результаты прове-I денных спектральных исследований представлены в таблице.
Расчеты спектральной плотности виброа-кустических импульсов при различных условиях проведения эксперимента, выполненные
в цифровой форме на компьютере с помощью быстрого преобразования Фурье в среде Ma1:hCad, качественно, а в некоторых случаях и количественно, подтвердили представленные выше экспериментальные данные, полученные в аналоговом виде.
Результаты проведенных исследований позволяют сделать выводы о возможности применения виброаку-стического метода для контроля многослойных конструкций, контактирующих с основанием, как с использованием существующих методик и аппаратуры [2, 6], так и при разработке специальных методических и аппаратурных решений данной проблемы. При этом должна учитываться возможность выделения в общем спектре виброакустического импульса различных спектральных максимумов, определения частоты их проявления и относительной амплитуды с целью проведения дальнейшего анализа при заранее известной структуре исследуемых конструкций и рассчитанном возможном диапазоне изменения собственных частот изгибных колебаний слоев с мощностью и физическими характеристиками, соответствующими каждому реальному слою объекта. Результаты натурных исследований должны быть получены в цифровом виде с целью дальнейшей их обработки в стационарных условиях на персональных компьютерах с использованием стандартных или специально разработанных программ. Однако для получения достоверной первичной информации измерительная аппаратура должна предусматривать измерение основных параметров спектральных максимумов непосредственно на объекте исследований. Примером такого аппаратурного обеспечения виброакустического метода может служить аппаратура «КБ-ВИБРО-2М», разработанная в ЗАО «Т риада-Холдинг».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бауков Ю.Н. Исследования возможности использования
вибрационного метода для контроля качества контакта между железобетонными плитами и горной породой. Научные труды, - М.: МГИ, 1977.
2. Бауков Ю.Н. Применение виброакустического метода в практике геоконтроля. - Горный информационно-аналитический бюллетень, Изд-во МГГУ, 1999, №6.
3. Бауков Ю.Н., Сидоров Е.Е. Надежность виброакустического метода дефектоскопии отслоений в массиве горных пород. - Изв. Вузов, Горный журнал, 1988, №11.
4. Бойко А.В. Разработка средств и методики оперативного контроля кровли горных выработок виброакустическим методом на
рудных и нерудных шахтах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. - Днепропетровск, 1991.
5. Бауков Ю.Н., Бойко А.В. Оперативный контроль локальных расслоений и заколов кровли горных выработок / в кн. Глушко В.Т., Ямщиков В.С., Яланский А.А. Геофизический контроль в шахтах и тоннелях. -м.: Недра, 1987.
6. Бауков ЮН., Звягинцева М.П., Бауков А.Ю. Спектральные особенности резонансных процессов при неразрушающем контроле многослойных объектов с использованием виброакустического метода - Горный информационно-аналитический бюллетень, МГГУ, 2000, №3.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Бауков Юрий Николаевич — доцент, Московский государственный горный университет. Чумичев Алексей Михайлович — профессор, Московский государственный горный университет. Бауков Арсений Юрьевич — студент, Московский государственный горный университет.
*Работа выполнена при поддержке РФФИ
