Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор литературы 7
1.1. Закономерности генерации упругих импульсов в процессах разрушения 7
1.2. Неразрушающий контроль готовых изделий, оборудования и конструкций методом акустической эмиссии 14
1.3. Идентификация типов источников по форме и спектрам акустических сигналов 22
1.3.1. Применение спектрального анализа в исследованиях разрушения 22
1.3.2. Анализ частотно-временной структуры дискретных импульсов акустической эмиссии 31
1.4. Моделирование акустического излучения от образования и роста трещин. 39
1.4.1. Модели трещин как источников упругих волн 39
1.4.2. Акустическая эмиссия в пластинах 49
1.5. Распространение направленных волн в листовых объектах 56
1.6. Выводы по аналитическому обзору литературы и постановка задач исследований 63
2. Методы возбуждения, измерения и обработки акустических сигналов в стальных листах 66
2.1. Измерение эмиссии от искусственных источников 66
2.2. Спектральный и частотно-временной анализ сигналов 75
3. Частотно-временная структура акустической эмиссии от импульсных источников в пластинах 93
3.1. Формирование и распространение импульсов нормальных волн 93
3.2. Форма сигналов в разных масштабах измерений 105
3.3. Выделение колебаний волновых мод Лэмба в структуре сигнала 117
3.4. Выбор информативного фрагмента на фоне отражений от границ листа 131
3.5. Вычисление амплитуд и энергии колебаний в ограниченных диапазонах частот методом детализации 134
4. Зависимость формы сигналов от пространственных характеристик источников 139
4.1. Диаграммы направленности нормальных мод излучения 139
4.2. Классификация микротрещин и внешних поверхностных воздействий 169
4.3. Влияние толщины листа, глубины расположения и времени вскрытия трещины на значение структурного коэффициента 181
4.4. Практические аспекты применения частотно-временного анализа 188
5. Сравнение актов акустической эмиссии методами спектрального анализа 198
5.1. Оценка длительности акта излучения с учетом свойств электроакустического тракта 198
5.2. Зависимость спектральных параметров от угла наблюдения, ориентации и глубины расположения источника 220
Выводы 226
Список использованных источников 228
- Анализ частотно-временной структуры дискретных импульсов акустической эмиссии
- Вычисление амплитуд и энергии колебаний в ограниченных диапазонах частот методом детализации
- Влияние толщины листа, глубины расположения и времени вскрытия трещины на значение структурного коэффициента
- Зависимость спектральных параметров от угла наблюдения, ориентации и глубины расположения источника
Введение к работе
Актуальность работы.
Задача акустико-эмиссионной диагностики - оценка риска внезапного разрушения объекта. Неоправданный вывод производственного оборудования или объектов транспорта из эксплуатации также как и аварийные ситуации может обернуться значительными финансовыми убытками. Поэтому важно различать внешние акустические помехи и эмиссию трещин разной степени опасности. Часто контроль проводят под действием повышенных нагрузок, что само по себе увеличивает риск разрушения (например, при пневмо- или гидроиспытаниях). Метод контроля должен обеспечивать оперативное принятие решений по наблюдениям эмиссии за как можно меньший промежуток времени. Отсюда возникает задача, связанная с необходимостью определения типа источника для каждого зарегистрированного сигнала.
Технические возможности цифровой регистрации и обработки информации постоянно возрастают. Это, с одной стороны, стимулирует развитие методов анализа АЭ, а с другой стороны, ставит задачу обеспечить их эффективное применение на практике. Выбор информативных параметров и определение их связи с процессом разрушения обычно основываются на многолетнем опыте эксплуатации объектов контроля. Такой путь в основе своей статистический. Применение теоретически обоснованных методов обработки и правил принятия решений требует построения адекватных физико-математических моделей излучения, распространения и измерения генерируемых в материале или на его поверхности упругих импульсов.
Существующие модели, как правило, пригодны для описания эмиссии в неограниченном пространстве или полупространстве. Но большинство объектов контроля -сосуды давления, резервуары, трубопроводы - тонкостенные. В них явление сложнее вследствие многократных отражений. По этой причине актуально развитие методов анализа сигналов эмиссии в листовых элементах конструкций на основе представлений об излучении и распространении нормальных волн.
Интерпретация спектров и формы сигналов возможна только с учетом акустических свойств образцов и частотных характеристик измерительного тракта. Одновременно на параметрах эмиссии сказываются расстояние до источника, его тип, расположение
относительно границ листа и по толщине, ориентировка и внутренняя кинетика одного акта. Поэтому, принципиально важно проведение комплексных исследований, посвященных оценке влияния перечисленных факторов на параметры спектра и формы эмиссии.
Последние 20 лет особенно активно развиваются методы частотно-временного анализа сигналов (в т.ч. оконное преобразование Фурье и вейвлет-анализ), которые дают качественно новую информацию о колебательных процессах по сравнению с традиционным исследованием спектра. Их основное преимущество - возможность выделения локальновременных особенностей, что особенно полезно при исследовании многомодового состава эмиссии в тонкостенных или стержневых элементах конструкций.
Применение многоканальных распределенных микропроцессорных систем позволяет не только определять координаты источников, но и дает информацию об излучении под несколькими углами. В таком случае, для правильной идентификации источников полезно знать их диаграммы направленности.
Формирование и рост магистральных трещин - существенный фактор, влияющий на акустические свойства объекта. Модель излучения микротрещин в пластине может быть использована на стадии рассеянного трещинообразования в неоднородной структуре при сложном циклическом нагружении, замедленном разрушении под действием водорода или коррозионном растрескивании.
Цель работы:
Сравнение информативности спектральных и частотно-временных параметров акустической эмиссии от вскрытия трещины на основе модели излучения волн Лэмба.
Научная новизна:
Установлена зависимость формы сигнала и спектра АЭ, отношения парциальных энергий и медианной частоты от глубины расположения и ориентировки хрупких микротрещин в листе. Изучено соответствие между структурным коэффициентом, равным отношению амплитуд антисимметричных и симметричных мод Лэмба нулевого порядка, и спектральными параметрами.
Предложена классификация поверхностных механических воздействий и трещиноподобных источников эмиссии. Действие поверхностной силы под разными углами и 16 вариантов образования микротрещин разделены на четыре группы в зависимости от
степени симметрии генерируемого волнового поля относительно средней плоскости упругого слоя.
Оценено влияние кинетической функции акта эмиссии на структуру упругих импульсов. Показана возможность использования одинаковых критериев классификации для двух принципиально разных вариантов развития процесса в источнике, описываемых дельта-импульсом и ступенчатой функцией. Установлены ограничения в применении частотно-временного анализа сигналов, обусловленные длительностью процесса излучения, акустическими свойствами пластины и характеристикой измерительного тракта.
Исследованы зависимости структурного коэффициента эмиссии от угла наблюдения в плоскости листа и расстояния. Предложен метод определения пространственных характеристик источника, основанный на проведении частотно-временного анализа структуры сигналов.
Практическая значимость:
Полученные результаты служат основанием для объективной интерпретации измерений акустической эмиссии при разрушении листовых элементов конструкций. Предложенная классификация источников делает возможным определение природы АЭ в результате измерения отношений амплитуд симметричных и антисимметричных колебаний. Это в свою очередь повышает надежность прогноза риска аварийного разрушения промышленных объектов и конструкций.
Показана эффективность параллельной частотно-временной обработки сигналов в многоканальных схемах регистрации для определения механизма АЭ.
Анализ частотно-временной структуры дискретных импульсов акустической эмиссии
В отличие от механических испытаний стандартных образцов в лабораторных условиях, контроль готовых изделий должен быть неразрушающим, а измерение акустического излучения в материале служит для прогноза прочности и остаточного ресурса. Согласно результатам исследований сферических сосудов выского давления из титановых сплавов, используемых в авиационнокосмиечской технике, момент полного разрушения в процессе гидравлических испытаний предсказывается по резкому увеличению интенсивности потока упругих импульсов /27/. Суммарный счет к концу испытания составлял 45-103-70-103 импульсов.
Конструкции диагностируемых объектов не всегда позволяют получить доступ к любому участку поверхности, для проведения визуального осмотра, ультразвукового, радиографического и других видов контроля /28/. В таких случаях возрастает уровень требований к информативности измерений акустического излучения в материале. При разработке методики проведения неразрушающего контроля внутреннего корпуса криогенных сосудов из стали 12Х18Н10Т для хранения жидкого кислорода при давлении 1,6 МПа /28/ создавались искуственные сквозные дефекты и сетки микротрещин. По результатам предварительных исследований выбирался комплекс информативных параметров формы и спектра сигналов и браковочные критерии.
На основании проведения периодического контроля сосудов высокого давления корректируется график технического обслуживания и выполнения ремонтных мероприятий /27/. Время, приходящееся на проведение диагностики ( 10 ч ежегодно), составляет доли процента от срока эксплуатации (5 лет), который после контрольных и ремонтных мероприятий может быть продлен. Решение о проведении диагностики состояния объекта с применением других методов неразрушающего контроля принимается на основе сведений о динамике изменения суммарного счета акустических сигналов /29/. Если количество зарегистрированных импульсов нарастает линейно с течением времени или с увеличением нагрузки, источник считается активным, а при увеличении N по степенной зависимости с показателем степени больше единицы, источник - критически активный. Поток упругих импульсов не обязательно свидетельствует о развитии опасной одиночной магистральной трещины. Обследование цилиндрического сварного сосуда из стали 12ХМ на предприятии по производству аммиака выявило множество очагов коррозии, в т.ч. язв глубиной до 27 мкм /30/. Динамика накопления микротрещин вызвала акустическую активность (Nx 1000 имп и более за 60-10 с, в зависимости от канала регистрации), превышающую уровень, допустимый правилами безопасности. Между тем, объект не был воспринят как предельно опасный, и была разрешена его дальнейшая эксплуатации с условием повторной диагностики каждые два года.
Преимущество измерений АЭ по сравнению с другими традиционными методами неразрушающего контроля (ультразвуковым, капиллярным, рентгеновским и др.) заключается в выявлении наиболее опасных дефектов, играющих роль концентраторов пластической деформации и мест локализации разрушения /31/. Испытания сварных швов в трубе диаметром 50 мм и с толщиной стенки 3 мм из коррозионностойкой стали с регистрацией акустических сигналов позволило обнаружить трещины (поперечную и продольную) с максимальным размером 10 мм. Посредством проведения рентгеновского контроля их выявить не удалось. С другой стороны, не было зафиксировано акустического излучения в материале содержащем включение вольфрама в усилении сварного шва, недопустимого с точки зрения рентгеновского контроля. Очевидно, что помимо типа и размеров дефекта на склонность детали или конструкции к разрушению влияют и свойства материала. Контроль кинтетики процессов предразрушения in situ с этой точки зрения дает полезную информацию, при условии правильной интерпретации измерений акустической активности материала.
Пример доверия результатам АЭ-контроля - запуск в эксплуатацию отремонтированного парового котла с технологической линии по производству аммиака /32/. Основанием считать оборудование годным к эксплуатаци служили результаты измерения акустической сигналов в процессе гидравлических испытаний. Важно отметить, что повреждения к моменту начала ремонтных мероприятий были достаточно серьезными и включади в себя образование частичных разрывов, а как утверждают авторы /32/ необходимое исследование усталостных характеристик материала не проводилось.
Диагностику промышленных резеревуаров осуществляют путем наблюдения упругих импульсов за время нагружением по специальным режимам с превышением максимального эксплуатационного давления /33/. Гидравлическое испытание цилиндрического резервуара, нагружаемого давлением 110% от эксплуатационного, 14-ю датчиками, установленными с шагом вдоль окружности 6 м в два ряда, с измерением упругих импульсов дало информацию об областях возможного расположения дефектов. Последующий радиографический контроль выявил поперечную трещину в сварном соединении длиной 15 мм и пору диаметром 5 мм. Но одной из причин затрудняющих проведение количественных оценок процессов в источниках служили высоэнергетические импульсы механического шума по амплитуде сравнимых с сигналами от дефектов. Их происхождение связывают с истечением воды в клапанах.
Более точно место расположения дефекта определяется с применением методов триангуляции /34, 35/. Планарные (X и Y) координаты источника в материале котла железнодорожного вагона-цистерны рассчитываются по разности времени прихода (РВП) акустических сигналов к четырем преобразователям /36/. В общем случае, для двухмерной локации источника используется не менее трех преобразователей. Отбраковка ложных событий осуществялется путем сравнения измеренных амплитуд с учетом затухания упругих волн. В трубчатом змеевике печи каталитического крекинга нефти удавалось обнаруживать месторасположение дефектов при установке преобразователей с шагом вдоль змеевика 60-70 м /37/.
Дальность приема сигналов зависит не только от геометрии изделия, но и от сред, с которыми оно граничит. Как показывают количественные оценки /38/, максимальное расстояние, на котором регистрируется сигнал (нормальные волновые моды нулевого порядка) в стальном газопроводе диаметром 1420 мм и с толщиной стенки 16 мм превышает в 10 раз расстояние в подводном переходе нефтепровода.
В основу методов триангуляции в листовых элементах конструкций закладываются представления о сигналах как суперпозициях нормальных волн /39/. Групповые скорости рассчитывают с учетом упругих свойств материала и выбора анализируемого частотного диапазона. Но, если максимальную амплитуду в месте расположения преобразователей имеют разные волновые моды, различие в их скоростях распространения может привести к погрешностям. Возможный путь повышения точности локации - увеличение количества приемников сигнала /40/. Если увеличить количество преобразователей в пьезоантенне от трех до четырех, правильность выбора значений скоростей, участвующих в расчетах, можно проверить. С целью однозначного определения области акустической активности пьезоантенны распределяют на поверхности объекта с частичным взаимным перекрытием /41/.
Вычисление амплитуд и энергии колебаний в ограниченных диапазонах частот методом детализации
Излучение акустических волн растущей макротрещиной в упругом слое исследовалось на теоретическом уровне для заданных законов движения поверхностей разрушения /109, 113/. Потенциально существует большое количество различных вариантов роста макротрещины по ее расположению в слое, кинетике и направлению движения фронта, что затрудняет решение задачи излучения в общей форме с получением конечных алгебраических выражений. По этой причине решались частные задачи: трещина конечной длины 2L, параллельная внешним свободным поверхностям, с гармоническим законом движения берегов /113/ и разрушение с движением фронта в перпендикулярном направлении вглубь пластины.
Найти поле смещений от сосредоточенных или распределенных источников в пластине можно, если знать решение для тензора Грина. Развитие магистральной трещины сопровождается появлением новых свободных поверхностей, поэтому этот подход справедлив на стадии образования микротрещин. В этом случае акт разрушения описывается тензором сейсмического момента /123/. Возможен и другой путь - образование дефекта описывается в начальной системе уравнений движения упругой среды и краевых условий. Таким образом была решена задача излучения для сферического микровзрыва /131/.
Существуют решения уравнения движения в тонких пластинах /132/, однако они верны для длин волн на порядок превышающих толщину пластин. С использованием представлений геометричекой акустики, согласно которым излучение раскладывается на множество отдельных лучей, найдено решение волновой задачи о действии точечного источника в пластине /133/. Для каждого n-кратно отраженного луча с заданным типом волн в начальном и конечном сегментах найдена своя составляющая суммарного тензора Грина. Исследовались колебания на поверхности над источниками типа сосредоточенной силы, диполя сил или их более сложных комбинаций (таких , например, как центры расширения или вращения), действие которых во времени описывалось ступенчатой функцией со скачкобразным, линейным или параболическим передним фронтом /134/. С каждым приходом первичной или отраженной продольной волны наблюдался скачок нормальных перемещений, а с каждым приходом поперечной волны - скачок перемещений вдоль поверхности. Величина скачков уменьшалась с увеличением количества отражений. Общей характерной чертой всех временных зависимостей являлась периодичность максимумов и минимумов колебаний с шагом 2H/CL И 2Н/Ст в зависимости от исследуемой компоненты перемещений (нормальной или вдоль поверхности). Медленным процессам в источнике с линейным или парадолическим изменением во времени значений сосредоточенных сил соответствовали более гладкие сигналы. Как показали расчеты, на расстоянии г = 6Н (где Н -толщина пластины) в зависимости от типа источника амплитуды колебаний после прихода многократно отраженных волн могут превышать величину первого скачка смещений поверхности на порядок (в частности, в случае действия вертикальной поверхностной силы). В исследованиях /133-135/ наглядно продемонстрирована зависимость амплитуды и формы сигнала от типа источника, его расположения по толщине пластины и угла наблюдения.
Проведено сравнение теоретических сигналов с измерениями, выполненными с применением преобразователя с "точечным" контактом и рабочей полосой 0,1-Н МГц (с отклонениями ± 2,5 дБ) /136/. Практически полное сходство их формы доказывает применимость подхода геометричекой акустики ("лучевой теории") для моделирования упругих волн в пластинах. На основе измерения направленности излучения продольных волн в стеклянной пластине в полосе при вдавливании конического индентора определена ориентация образующихся трещин /137/. Правильность расчетов подтвержена визуальным исследованием образца в месте разрушения (погрешность Н4).
Эффективность применения подходов геометрической акустики к исследованию упругих импульсов с ростом расстояния от места их возбуждения снижается, так как растет количество траекторий распространений волн и, следовательно, возрастает объем вычислений. На расстоянии от источника равном шести толщинам пластины требуется вычислить 1536 интегралов /138/. Одновременно на сравнительно низких частотах появляется возможность разложений акустических сигналов по нормальным волнам.
В результате решения осесимметричной задачи возбуждения упругих волн в пластине вертикальной сосредоточенной силой выведены аналитические выражения, описывающие форму сигнала /138/. Сравнение с методом лучевой акустики /133-135/ показало сходство формы сигналов на расстояниях г 4Н. Начальные фрагменты предствляли собой колебания на частотах распространяющихся с наибольшими групповыми скоростями. Однако их амплитуды были на 1-2 порядка меньше уровня более медленных антисимметричных волн. В структуре сигналов различался высокочастотный всплеск, вносимый поверхностными волнами. Раздельный анализ разных мод показал зависимость их формы от вида дисперсионных кривых. Максимумам или минимумам, где дисперсия была наиболее слабо выражена соответствовали повышенные амплитуды колебаний.
С привлечением метода асимптотической аппроксимации найдено сравнительно простое аналитическое выражение для вычисления спектра сигнала и отдельных его составляющих /138/. Интерференция нескольких нормальных волн в спектральной области служит причиной появления максимумов и минимумов спектра. В наиболее простом случае, когда складываются только две моды (ниже граничной частоты S1 - волн) этот эффект описывается геометрическим сложение векторов комплексных амплитуд:
Влияние толщины листа, глубины расположения и времени вскрытия трещины на значение структурного коэффициента
Источники акустической эмиссии, сопровождающей рост трещин, могут иметь разную природу: образование новых поверхностей и их взаимное трение, пластическая деформация в зоне концентрации напряжений, разрушение продуктов коррозии и схлопывание пузырьков водорода в катодных реакциях, утечка газов или жидкостей из резевуаров (в случае образования сквозных дефектов). Если основная цель применения метода АЭ - наблюдение за кинетикой разрушения и его прогноз, нежелательный и частно неустранимый акустический фон создают общая пластическая деформация, работа механизмов нагружения, шум окружающей среды.
Основными методами отбраковки или устранения помех служат амплитудная дискриминация, пространственная селекция и ограничение полосы пропускания аппаратуры. Однако сигналы от хрупких микротрещин по амплитуде могут быть сопоставимы с акустическим фоном (в т.ч. и с общей пластической деформацией). Пространственная селекция не позволяет различать источники, расположенные в одном и том же объеме. Полосовая фильтрация также не является универсальным методом, если спектры эмиссии разной природы перекрываются.
В ряде исследований /60-81/ демонстрируются возможности применения спектрального анализа для определении природы эмиссии. В основу этого подхода положено сравнение формы спектров, распределений парциальных энергий или характерных частот. Для повышения эффективности разделения разных источников применяются методы многопараметрической классификации. Но с ростом количества используемой информации возникает необходимость в увеличении объема предварительных экспериментальных исследований для каждого вида испытаний, геометрии образцов и материала. Информативность анализа сигналов и их спектров ограничена искажениями вносимыми затуханием и реверберацией волн в образцах, влиянием акустического контакта приемных преобразователей и частотными свойствами всей измерительной аппаратуры. По этой причине при классификации источников и получении количественных оценок процесса разрушения предпочтение отдают статистическому подходу.
К настоящему времени предложено много моделей излучения трещин в неограниченной среде или в упругом полупространстве /108-130/. На их основе предлагается восстанавливать информацию об актах эмиссии по измерениям переднего фронта объемных или поверхностных волн. Но в реальных объектах основная энергия сигналов часто переносится от источника к месту наблюдения не объемными, а поверхностными или нормальными волнами.
В листовых объектах упругий импульс на расстоянии в десятки раз превышающем толщину листа состоит из суперпозиции сдвиговых волн с горизонтальной поляризацией и волн Лэмба. Дисперсия и многомодовый состав измеряемых сигналов предопределили развитие методов обработки, основанных на проведении частотно-временного анализа /85-95, 101-106/. Для их наиболее эффективного применения в задачах АЭ-контроля разрушения необходимо знание закономерностей излучения нормальных волн трещинами.
Целью настоящей работы является сравнение информативности спектральных и частотно-временных параметров акустической эмиссии от вскрытия трещины на основе модели излучения волн Лэмба. В связи с этим необходимо решить следующие задачи: - исследовать структуру сигналов АЭ поверхностных и трещиноподобных источников в зависимости от типа, ориентировки и глубины расположения; - оценить влияние внутренней кинетики актов излучения, дисперсии и параметров пробных детализирующих функций; - провести срванительный анализ наиболее распространенных спектральных параметров с учетом искажений вносимых отражениями волн в листе и измерительной аппаратурой; - предложить метод определения пространственных характеристик микротрещин. 2. Методы возбуждения, измерения и обработки акустических сигналов в стальных листах Распространение сигналов от импульсных источников исследовали в листах квадратной формы толщиной 9,0 и 1,3 мм и со стороной 1 и 0,5 м из сталей типа 20пс и 08кп, соответственно. Исследование структуры сигналов акустической эмиссии проводилось на листах из конструкционных сталей 20 и 08 толщиной 9 и 1,25 мм, соответственно. Упругие волны генерировали несколькими источниками: шариковым калибратором /167 -169/, резонансным пьезопреобразоватем (с рабочей частотой 2,5 МГц), разрушением графитовых стержней диаметром 0,5 мм (источник Су-Нильсена /170/) и хрупким разрушением пластин из углеродистой инструментальной стали. Действие шарикового калибратора основано на ударном возбуждении акустической волны при падении шарика. Стальная дробь или шарики диаметром порядка 1-5-2 мм укладываются на натянутые капроновые лески, расположенные с шагом 0,5-0,6 мм друг от друга параллельно поверхности объекта (рис. 2.1 а). Ударный импульс шарику передается от упругой стальной пластины толщиной 0,5 мм и шириной 8 мм, консольно закрепленной на корпусе калибратора (высота падения - 40 мм с демпфирующей подставкой и 25 мм без нее). Расстояние от места крепления пружины до бойка (закрепленной на пластине шайбы) составляет 40 мм. Фиксатором регулируется отклонение пластины от нейтрального положения параллельного лескам (до 20 мм).
Зависимость спектральных параметров от угла наблюдения, ориентации и глубины расположения источника
Сдвиг фазы на целое число периодов не приводит к каким-либо изменениям, поэтому значения р и (р + 2п-п эквивалентны. При использовании функции MathCad "arg" вычисляемые значения аргумента комплексного коэффициента передачи лежат в переделах и соответствуют главным значениям арктангенса отношения мнимой и действительной частей. Использование других обратных тригонометрических функций в вычислениях аналогично характеризуется ограниченными интервалами главных значений. Задержки и искажения ("distortion") сигналов зависят от производных фазового сдвига по частоте. Скачки (приводят к искажениям - разрывам второго рода производных (и первого рода самой функции р(о))) в случае непрерывных функций. Если исходными данными являются цифровые сигналы, скорости изменения (р{а ) по частоте выражаются в форме конечных разностей и имеют локальные максимумы. Для устранения искажений изменение фазового сдвига с ростом частоты определялось поформуле Зависимость группового времени задержки (ГВЗ) от частоты сглаживалась в окне шириной 5 кГц. Анализ частотных свойств совокупного тракта показал существенную неравномерность АЧХ и ГВЗ (рис. 2.3.). Перечисленные особенности являются причиной искажений сигналов при прохождении через тракт, что не дает возможности интерпретировать ГВЗ как характеристику смещения выхода тракта по отношению к его входу. Для оценки времени задержки узкополосных сигналов (Af/f«l) применялся метод численного моделирования с применением алгоритма быстрого преобразования Фурье. В качестве пробных входных сигналов использовались колебания переменной несущей частоты с огибающей в форме кривой Гаусса. Несущая частота задавалась в пределах от 100 до 800 кГц с шагом 100 кГц. Спектр входного воздействия умножался на значения комплексного коэффициента передачи К(со). Впоследствии проводилось усреднение для пяти повторных измерений К(со). При ширине входного импульса 5 и 10 мкс смещение максимума огибающей по абсолютной величине не превышало 3 мкс, что на 1- 2 порядка меньше группового времени задержки. На расстоянии от источника 0,1 м дисперсия разделяет во времени S0 и АО-колебания в двухмодовой частотной области (f=120 кГц; Н = 9 мм) интервалом 11,6 мкс. Тогда остается возможность различать две низшие моды в структуре сигнала, не смотря на его искажения в тракте. Помимо задержки узкополосные импульсы с несущеими частотами 100, 200, 300 и 600 кГц при прохождении через тракт приобретали вторичные максимумы, превышающие половину от первого максимума и следующие за ним с интервалом до 50 мкс (рис. 2.4.). Это приводит к дополнительным искажениям спектрограмм, вычисляемых методами скользящих окон.
Результаты проведенных исследований можно легко перенести на случай образования трещины в объеме или действия источников акустических помех. Коммутативность свертки позволяет заменить последовательность "входной электрический импульс" "пьезоисточник" - "приемный преобразователь"-"измеренный сигнал" на последовательность "процесс образования трещины" - "образец" - "эквивалентный приемный преобразователь" - "измеренный сигнал". Электрическому импульсу в предыдущем исследовании теперь соответствует сигнал на входе эквивалентного приемного преобразователя с комплексным коэффициентом передачи Кии {со).
Его также можно разложить на волновые пакеты с ограниченными носителями (ограниченные во времени колебания) с разными несущими частотами, они будут претерпевать "деформацию" и смещение в тракте как было показано ранее. Таким образом, если ставится задача анализа структуры эмиссии, необходимо на стадии предварительной калибровки приемных преобразователей оценить не только их АЧХ и ФЧХ, но и искажения частотно-временной структуры. Исключение составляет "идеальная" измерительная аппаратуры, характеризуемая плоскими АЧХ и ГВЗ.
Сигналы АЭ измерялись на расстояниях до источников 0,1-г0,6 м и 0,08-Я), 16 м на стальных листах размером 1 и 0,5 м, соответственно. Для исследования симметрии колебаний излучающий и приемный преобразователи устанавливались на одной стороне и на противоположных сторонах. Встроенный в корпус датчика магнитный прижим позволял крепить его на плоской поверхности расположенной под любым углом (в т.ч. вертикально или с нижней стороны листа).
При проведении измерений затухания и групповых скоростей распространения сигналов эмиссии приемный преобразователь располагался неподвижно в центре листа, а излучающий пьтезопреобразователь перемещался вдоль диагонали Стальные листы устанавливались на угловые опоры и их поверхности контактировали с воздушной средой. Это позволило при интерпретации экспериментальных данных использовать модель нормальных волн в упругом слое со свободными границами.
Перед аналого-цифровым преобразованием сигналы предварительно усиливались на 39 дБ в полосе пропускания 5 кГц-г26 МГц. Высокочастотная цифровая запись сигналов осуществлялась специально изготовленной 10-разрядной платой сбора данных (при диапазоне измерений ±1 В) с частотой дискретизации 36 МГц (плата № 1) и платой-осциллографом BORDO 211 с 10-разрядным АЦП (1024 уровня квантования) с максимальной частотой оцифровки 100 МГц и полосой пропускания входного тракта 0-И 20 МГц (плата № 2). Частота дискретизации варьировалась в зависимости от исследуемого временного масштаба в пределах 2-И 00 МГц. Шум квантования по уровню напряжения приведенный ко входу усилителя при использовании платы № 1 не превышал А 1{К 2")= 0,02 мВ (где А - амплитудный диапазон измерений, п - число двоичных разрядов, К -коэффициент усиления), а в случае применения платы № 2 с настройкой на максимальную чувствительность - 0,9 мкВ (где п - число двоичных разрядов, a A=(Umax-Umin)= 0,8 В -амплитудный диапазон измерений). Регистрация АЭ от пьезоисточника проводилась в режиме внешней синхронизации, а при использовании других типов источников -"внутренней" синхронизации. Значение порога запуска развертки устанавливалось выше амплитудного уровня шума, но ниже 0,5 от амплитуды импульса. Регистрация переднего фронта сигналов обеспечивалась работой осциллографа BORDO 211 в режиме с записью "предыстории" длительностью не менее 300 мкс.
