Інформативні параметри акустичної емісії
Слід розрізняти параметри окремих імпульсів дискретної АЕ, потоків імпульсів і параметри безперервної АЕ.
Імпульси або сигнали АЕ в загальному випадку являють собою суперпозицію всіх типів пружних хвиль, здатних поширюватися в контрольованому об'єкті. Імпульси АЕ характеризуються
Форма імпульсу пов'язана з його частотним спектром і залежить від ряду факторів. Вона визначається фізичним процесом, в результаті якого з'явилося акустичне випромінювання, передавальними функціями елементів акустичного тракту, через який поширюється імпульс від місця виникнення до приймального перетворювача, частотної смугою приймального перетворювача.
Форма імпульсу також залежить від загасання і дисперсії пружних хвиль. Оскільки загасання хвиль збільшується з пройденою відстанню і сильно зростає зі збільшенням частоти, то в імпульсі, які пройшли велику відстань від джерела до приймача, будуть переважати низькочастотні складові спектра. Так як твір ширини спектра імпульсу Δ f на його тривалістю по порядку величини дорівнює одиниці -
Δ f t імп 1. то загасання високочастотних складових спектра, і, отже,
зменшення його ширини призводять до збільшення тривалості реєстрованого імпульсу. Імпульс АЕ володіє широким частотним спектром, тобто представляє собою суперпозицію безлічі пружних гармонічних хвиль різної частоти. Через дисперсії різні складові поширюються з різною швидкістю. Це призводить до фазового зсуву між частотними складовими імпульсу. Він зростає зі збільшенням пройденої відстані. В результаті форма реєстрованого імпульсу спотворюється, причому спотворення тим істотніше, чим більше відстань між джерелом і приймачем пружних
При невеликих відстанях між джерелом АЕ і приймачем вплив дисперсії і загасання хвиль на форму імпульсу невелика. Якщо реєстрація АЕ проводиться перетворювачем з вузькою смугою пропускання, який, як правило, має більш високу чутливість в порівнянні з широкосмуговим, то частота АЕ-сигналу визначається, головним чином, основною частотою перетворювача рис. 1.
Після посилення і детектування імпульсу визначається його огинає, максимальне значення якої приймається за амплітуду АЕ-сигналу.
Мал. 1. Форма імпульсу АЕ, що надходить з первинного перетворювача, що має вузьку смугу пропускання
Оскільки частотний спектр АЕ-імпульсів залежить від важко вимірюваних в реальних ситуаціях передавальних функцій акустичного тракту і приймального перетворювача, він практично не використовується в якості інформативного параметра.
Потоком АЕ-сигналів називається послідовність імпульсів, у яких випадковими величинами є амплітуда і час появи.
Потік сигналів можна характеризувати
- середнім значенням амплітуди імпульсів;
- розподілом тимчасових інтервалів між імпульсами;
- середньої частотою їх появи;
Кожна з характеристик пов'язана з породжує АЕ фізичним процесом і містить інформацію про його розвиток.
Для потоку імпульсів дискретної АЕ вводять такі інформативні параметри.
Загальна кількість імпульсів N Σ - число зареєстрованих імпульсів дискретної АЕ за час спостереження.
Цей параметр використовується для опису потоків неперекривающіхся імпульсів, тобто імпульсів, тривалість яких менше проміжків часу між ними. Загальна кількість імпульсів характеризує процеси, пов'язані з руйнуванням матеріалів, і вказує на число окремих актів зародження і поширення дефектів в конструкціях.
Активність АЕ - загальне число імпульсів, віднесене до одиниці часу. Інформативність цього параметра така ж, як і попереднього, але з більшою деталізацією в часі, що дозволяє простежити динаміку процесу руйнування.
Сумарна АЕ - число зареєстрованих перевищень (викидів) АЕ-сигналів встановленого рівня протягом заданого інтервалу часу.
Швидкість рахунку N - число зареєстрованих перевищень АЕ-сигналів встановленого рівня в одиницю часу.
Ця характеристика є похідною сумарної АЕ за часом. Іноді її на-
викликають інтенсивністю АЕ.
Амплітудний розподіл імпульсів АЕ n (A) - функція, яка вказує коліче-
ство імпульсів АЕ, амплітуда яких укладена в малому інтервалі від A до A + dA. від-
несення до цього інтервалу dA.
Якщо за час спостереження зареєстровано N Σ імпульсів, то
N Σ = ∞ ∫ n (A) dA.
У теоретичних роботах широко використовується пов'язана з амплітудним розподілі
ням функція щільності ймовірності амплітуди АЕ-імпульсів w (A). Вона визначає ве-
роятность того, що амплітуда АЕ-імпульсу A 'знаходиться в інтервалі від A до A + dA:
Щільність ймовірності задовольняє умові нормування
Якщо потік стаціонарний, то розподіл інтервалів часу між імпульсами АЕ підпорядковується експоненціальним законом з щільністю ймовірності
причому середнє значення тимчасового інтервалу між імпульсами становить величину τ = 1 ν. а дисперсія σ 2 τ = 1 ν 2.
Справедливо і зворотне твердження - при експоненційному розподілі інтервалів між окремими АЕ-імпульсами, останні розподілені за законом Пуассона. Це вказує на відсутність взаємозв'язку між окремими подіями - джерелами АЕ-сигналів. Останнє саме по собі служить важливою інформацією про характер процесу. Наприклад, про делокалізованних накопиченні дефектів в матеріалі навантаженої конструкції.
Оскільки АЕ-метод дозволяє виявити ранні стадії утворення тріщин, що передують катастрофічного руйнування навантажених конструкцій, було зроблено багато спроб щодо визначення розрахункових співвідношень, що зв'язують параметри АЕ з характеристиками мікро- і макротріщин в матеріалах. Це - досить непросте завдання в повній мірі не вирішена і до теперішнього часу. Були запропоновані різні залежності, що визначають зв'язок параметрів акустичної емісії і характеристик тріщин з динамікою їх зростання. Однак більша їх частина лише в тій чи іншій мірі описує деякі окремі випадки. Найбільш універсальною, на думку багатьох дослідників, слід визнати зв'язок між загальним числом імпульсів дискретної емісії і коефіцієнтом ін-
інтенсивності напружень K I в вершині розвивається тріщини:
де N 0 - постійна, що залежить від властивостей матеріалу конструкції і чутливості ре-
гістрірующей апаратури, показник ступеня m = 4. 11. Встановлено, що параметр m
залежить від безрозмірного комплексу K I 2 c E η. в якому K I c - в'язкість руйнування, E -
модуль Юнга і η - поверхнева енергія матеріалу. Останні співвідношення можна ис
використовувати для оцінки збільшення коефіцієнта інтенсивності напружень розвивається тріщини за даними акустико-емісійних випробувань.
Акустико-емісійне діагностичне обладнання
Вимоги до датчиків АЕ-сигналів
Датчики або первинні перетворювачі інформації для реєстрації АЕ-сигналів є важливою частиною діагностичного обладнання. До них пред'являють ряд вимог, що залежать від умов роботи і особливостей конструкції, що контролюється. Серед основних вимог відзначимо наступні:
- можливість вимірювань в робочих умовах, що діагностується;
- стабільність характеристик датчика при впливі навколишнього середовища, температурна і радіаційна стійкість;
- захищеність від електромагнітних завад, вібрацій і сторонніх акустичних
- забезпечення максимальної чутливості в робочій смузі частот;
- простота і технологічність конструкції датчика;
Для реєстрації АЕ-сигналів найбільшого поширення набули п'єзоелектричні датчики на основі цірконататітаната свинцю (ЦТС) з порівняно високою точкою Кюрі - 400 о С (для ЦТС-21). Така п'єзокераміка зберігає працездатність при штатних температурних режимах водо-водяних ядерних реакторів. Кераміка ЦТС має стійкість до нейтронного і гамма-випромінювання. При флюенса нейтронів 10 18 - 10 22 нейтрон / м 2 і температурах до 200 o C вона практично не змінює своїх властивостей, а облу-
чення гамма-квантами з потужністю дози 1,9 10 5 Р / ч і інтегральної дозою 1,35 10 7 Р також істотно не погіршать її п'єзоелектричних характеристик.
Для визначення робочих характеристик датчиків проводиться їх градуювання (калібрування). При градуюванні визначають ефективність перетворення механічної енергії пружної хвилі в електричну і назад. Розрізняють відносну і абсолютну градуювання.
Якщо визначається відносна зміна амплітуди електричного сигналу при зміні частоти акустичної хвилі, яка реєструється датчиком, кажуть про відносну градуировке.
Істотно більш складною є процедура визначення абсолютних значень коефіцієнта перетворення в широкому частотному діапазоні. Можливий і такий підхід. У смузі частот проводиться відносна градуювання, а на одній обраній частоті - абсолютна. Надалі чутливість датчика на інших частотах розраховується за даними абсолютної градуювання на обраній частоті.
Для градуювання необхідне джерело акустичних сигналів з широким спектром частот. Таким спектром володіють пружні хвилі, що виникають від ударної дії, наприклад удару твердого кульки, падаючого на масивне підставу. Як джерело сигналів можна використовувати допоміжний задає перетворювач, встановлений на масивному металевому підставі на деякій відстані градуйованого датчика. Якщо розміри задає перетворювача менше довжини хвилі, що відповідає верхній межі частотного діапазону градуювання, частотна залежність амплітуди сигналу з випробовується датчика відповідає його амплітудно-частотній характеристиці. Широким частотним спектром володіють акустичні шуми, порушувані струменем піску або дрібного дробу, висипати на поверхню градуйованого датчика.
Для абсолютної градуювання перетворювачів застосовують метод, заснований на реєстрації акустичного імпульсу, що виникає при роздавлюванні скляного капіляра на поверхні масивного блоку з алюмінію. На початковому етапі коливання масивного підстави реєструються ємнісним перетворювачем з відомими метрологічними характеристиками. Надалі він замінюється на градуйованих датчик, і при руйнуванні нового капіляра параметри сигналу, зареєстровані градуйованим датчиком, порівнюються з показниками ємнісного перетворювача. За результатами порівняння визначаються характеристики випробовуваного датчика. Існує модифікація даної методики, коли замість скляного капіляра руйнують тонкий грифель - джерело Су-Нільсена.
Найбільш точним є метод абсолютної градуювання АЕ-датчиків із застосуванням лазерної інтерферометрії. Однак він досить трудомісткий, вимагає спеціального дорогого устаткування і проводиться, головним чином, з метою сертифікації еталонних перетворювачів.
Параметри реєстрованих сигналів залежать не тільки від амплітудно-частотної характеристики датчика, а й способу кріплення датчика до об'єкта контролю, а також передавальної функції всього акустичного тракту, через який поширюється сигнал від джерела АЕ до записуючого устаткування. Тому для підвищення достовірності АЕ вимірюв-
реній слід проводити градуювання датчиків, встановлених безпосередньо на контрольованому об'єкті.
Вимоги до апаратури для АЕ-контролю
В даний час випускається АЕ-апаратура різного функціонального призначення і різного ступеня складності. розрізняють
- багатофункціональні прилади для комплексних досліджень в лабораторних
і виробничих умовах;
- спеціалізовані прилади для вирішення конкретних завдань моніторингу або технологічного контролю.
Багатофункціональна апаратура має широкі можливості і дозволяє реєструвати велике число інформативних параметрів АЕ-сигналів, при цьому обробка даних проводиться за допомогою ЕОМ, що входить до складу обладнання. Для неї характерна велика кількість регулювань і багатопараметричний представлення результатів, що виражається у виведенні великого числа проміжних даних, наприклад, всіляких функцій розподілу параметрів АЕ-сигналів, їх характеристик, координат місця розташування джерел АЕ і т. Д.
Незважаючи на різноманіття випускаються АЕ-систем, призначених для випробувань посудин тиску, трубопроводів та інших енергонапряженності об'єктів і конструкцій, розробники незалежно один від одного прийшли до досить близьким основними технічними характеристиками контрольно-вимірювальної апаратури. Системи різняться, в основному, числом каналів реєстрації сигналів, набором визначених інформативних параметрів АЕ і способом подання інформації. Такі інформаційно-вимірювальні системи мають широкі функціональні можливості і в залежності від призначення забезпечуються тим чи іншим програмним і сервісним забезпеченням. При створенні такої апаратури широко використовується модульний принцип побудови. Він допускає розширення функціональних можливостей апаратури, її вдосконалення і створення нових модифікацій приладів без докорінної зміни їх структурної схеми, наприклад, за рахунок заміни або введення додаткових блоків.
Спеціалізовані прилади створюються за результатами ретельних попередніх досліджень параметрів АЕ, супроводжуючих контрольований процес. Характеристики такої апаратури оптимізують і вибирають так, щоб найкращим чином вирішити окрему конкретну задачу - виявлення витоків рідини або газу,