Акустическая эмиссия

Акустическая эмиссия

 

Акустическая эмиссия (АЭ) — явление возникновения и распространения упругих колебаний (акустических  волн), вовремя деформации напряжённого материала.

Количественно АЭ — критерий целостности материала, который определяется звуковым излучением материала при контрольном его нагружении.

Эффект акустической эмиссии может использоваться для определения образования дефектов на начальной стадии разрушения конструкции. Он же может быть использован для определения степени сейсмической опасности геологических пород; при этом эмиссию можно вызывать искусственно.

 

Основной принцип диагностики инженерных сооружений и конструкций заключается в пассивном сборе информации с множества звуковых (и ультразвуковых) датчиков, и её обработке для последующего определения степени износа конструкции.

 

Преимущества метода акустической эмиссии:

 

Путем установки нескольких датчиков акустической эмиссии может выполняться контроль всего объекта с выявлением мест возникновения и развития дефектов;

Метод используется для контроля недоступных поверхностей;

Метод АЭ-контроля позволяет диагностировать объект, не выводя его из существующего режима эксплуатации;

Высокая чувствительность к растущим дефектам;

Приборы акустической эмиссии могут использоваться для диагностирования крупногабаритных и  высоконагруженных объектов повышенной опасности, а также тех объектов, доступ к поверхности для контроля к которым ограничен;

Универсальность в отношении выбора диагностируемого объекта: бойлерные установки, сосуды под давлением, магистральные и технологические трубопроводы, трубопроводы теплосетей, грузоподъемные механизмы, технологическое оборудование компрессорных и газораспределительных станций, также любые другие объекты, где может быть обеспечено изменение давления.

 

 

В качестве источника акустической эмиссии можно рассматривать расположенный в глубине образца твердого тела элемент объема, испытывающий изменение напряженного состояния. Сигналы акустической эмиссии проявляются в виде колебаний поверхности образца, смещение при которых составляет 10-14ё10-7 м; иногда эти сигналы достаточно сильны и могут восприниматься на слух (например, «крик олова» при пластическом деформировании этого материала). Сигнал эмиссии, распространяясь от источника к поверхности образца, претерпевает существенное искажение вследствие дисперсии скорости звука, трансформации типа и формы волны при отражении, затухании звука и др. Если время затухания сигнала и время переходных процессов в образце меньше промежутка времени между излучаемыми импульсами, эмиссия воспринимается в виде последовательности импульсов и называется дискретной или импульсной. Если же интервал между отдельными актами излучения меньше времени затухания, эмиссия имеет характер непрерывного излучения, в подавляющем большинстве случаев нестационарного, и называется непрерывной или сплошной. Дискретная эмиссия имеет место, например, при образовании трещин, непрерывная - в процессе резания. Частотный спектр акустических эмиссий весьма широк - он простирается от области слышимых частот до десятков и сотен МГц.

 

К основным параметрам, характеризующим акустическую эмиссию, относятся:

• - общее число импульсов дискретной эмиссии за исследуемый промежуток времени; 
• - так называемая суммарная (или интегральная) эмиссия - число превышений сигналом эмиссии установленного уровня за исследуемый промежуток времени; 
• - интенсивность эмиссии - число превышений сигналом эмиссии установленного уровня в единицу времени; 
• - амплитуда эмиссии - максимальное значение сигнала эмиссии в течение заданного промежутка времени; 
• - уровень сигналов эмиссии - среднее квадратичное сигнала за рассматриваемый промежуток времени.

 

 

 

 

 

 Корреляцию этих параметров с развитием дефектов устанавливают при лабораторных испытаниях образцов, в процессе которых регистрируют в функции времени параметры акустической эмиссии и действующую внешнюю силу или деформацию образца (рис. 1). 

 

Зависимость интенсивности акустической эмиссии N и ее амплитуды A на выходе преобразователя от времени при возрастании приложенной к образцу растягивающей силы P 

 

Рис.1 Образец из алюминиевого сплава сечением 30х4 мм2 с надрезом глубиной 10 мм и начальной трещиной. 

 

Если акустическая эмиссия имеет квазистационарный характер, параметром эмиссии, дающим информацию о состоянии материала и о происходящих в нем процессах, может служить ее частотный спектр.

Для регистрации параметров акустической эмиссии, а также для записи формы сигналов и их длительности применяют специальную аппаратуру, которая обеспечивает прием слабых сигналов эмиссии на фоне шумов, обладает необходимым быстродействием (интенсивность эмиссии меняется в пределах от 0 до 105 импульсов в секунду) и малыми собственными шумами. В качестве приемников колебаний в большинстве случаев используются пьезокерамические преобразователи; оптические интерференционные методы измерения колебаний с применением лазерного излучения. Сигналы с датчиков колебаний усиливают и подвергают дальнейшей обработке с помощью электронной аппаратуры. Обычно рабочий диапазон аппаратуры: 1·104 Гцё1·107 Гц.

 

Временные характеристики

Время инициации (log to от -8 до -1);

Время существования (log tc от -7 до 3);

Время деградации (log td от -5 до -1);

Время оптимального проявления (log tk от -6 до 2).

Диаграмма:

Техническая реализация эффекта

Простейшая реализация состоит в помещении под пресс куска прозрачного материала (стекло, оргстекло) и съемке процесса раздавливания на видеопленку. Покадровый просмотр позволяет убедиться в синхронности звуковых импульсов с возникновением и развитием индивидуальных трещин.

Для тех, кто не особенно болеет наукообразием, достаточно сломать палку об колено и сравнить получаемый треск со своими мускульными ощущениями излома.

Применение эффекта

Эффект акустической эмиссии широко используется в информационно-измерительных системах раннего распознавания трещин, при испытаниях материалов на ползучесть, для выявления скрытых дефектов на стадии их зарождения, для исследования коррозии металлов под напряжением, для определения дефектов в металлических и неметаллических композиционных материалах, для локации дефектов и изучения кинетики развития трещин в сварных швах и др. По параметрам эмиссии судят о процессах в кристаллических телах при их нагревании и охлаждении, например регистрируют в металлических материалах фазовые превращения мартенситного типа. Акустическая эмиссия используется также при выборе режимов резания металлов. В производственных условиях методы акустической эмиссии применяются для локализации и определения параметров дефектов и наблюдения за их развитием при испытаниях сосудов высокого давления, элементов конструкции различного типа, в т.ч. элементов ракет и самолетов.

Пример:

Перед тем как начать ломаться, нагружённая ветка дерева издаёт специфический скрип, при этом наблюдается скачкообразный импульс АЭ-сигнала; Затем, если на ветку продолжает действовать достаточная нагрузка, происходит постепенная поломка, а при этом можно слышать звук от пачки импульсов АЭ.