УДК 620.179.17:620.179.143

ВЛИЯНИЕ ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ ЧАСТОТНЫХ ФИЛЬТРОВ НА

ПАРАМЕТРЫ ИМПУЛЬСОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

¹ООО «НИИ Транснефть», Россия 117186 Москва, Севастопольский пр-т, 47а

²Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН), Россия

101990 Москва, Малый Харитоньевский пер., 4

³МНПО «Спектр», Россия 119048 Москва, ул. Усачева, 35а

⁴ООО «Интерюнис-ИТ», Россия 111024 Москва, шоссе Энтузиастов, 20б

Е-mail: ^*vie01@rambler.ru;^**chernovdv@inbox.ru

Поступила в редакцию 16.08.2018; после доработки 08.11.2018;

принята к публикации 30.11.2018

С целью изучения влияния полосы пропускания цифрового фильтра на характер затухания амплитуды импульса

акустической эмиссии (АЭ) и изменение групповой скорости волнового пакета в ближней зоне на расстоянии до 300 мм

от источника излучения проводились исследования на многослойной панели из полимерного композитного материала

(ПКМ) и пластине из алюминиевого сплава АМГ-2 толщиной 6 мм. В ходе проводимых экспериментов было установ-

лено, что сужение полосы пропускания цифрового фильтра с 30—500 до 100—200 кГц существенным образом может

сказаться на точности координатной локации источников излучения событий АЭ, находящихся вблизи от преобразова-

телей АЭ на расстоянии, меньшем 100 мм. По мере сужения полосы пропускания цифрового фильтра и отсечения низ-

кочастотных и высокочастотных компонентов спектра фронт волны регистрируемого импульса становится более поло-

гим, в результате чего возрастает РВП — разность времени прихода импульсов на преобразователи АЭ, и снижается

значение вычисляемой групповой скорости волнового пакета. При этом возникающая погрешность тем больше, чем уже

полоса пропускания применяемого фильтра.

Ключевые слова: акустическая эмиссия, импульс АЭ, волновой пакет, амплитуда, групповая скорость, полоса про-

пускания, цифровой фильтр, частотная фильтрация, порог дискриминации, композитная панель.

DOI:10.1134/S0130308219030023

ВВЕДЕНИЕ

Распространяющийся в анизотропной диспергирующей среде композитного материала импульс

АЭ представляет собой волновой пакет интерферирующих продольных, поперечных, сдвиговых и

поверхностных мод волн, групповая скорость, форма осциллограммы и спектр которого изменя-

ются по мере удаления от источника. Каждая волновая компонента имеет свою скорость распро-

странения волны, несущую частоту и фазу, а, следовательно, обладает свойственным ей максиму-

мом в волновом пакете. Поэтому определение координат источников излучения при помощи

стандартного алгоритма локации по разности времени прихода импульса АЭ на преобразователи

локационной решетки при пороговом способе регистрации сигналов, когда амплитуда приходяще-

го сигнала должна превысить уровень, установленного порогового напряжения (u ), может при-

вести к существенным погрешностям. Особенно погрешность возрастает, когда

для отделения

механических и электромагнитных шумов от «полезных» сигналов, возникающих в процессе

деградации и разрушения структуры композитного материала, применяют цифровые фильтры с

урезанной полосой пропускания.

С целью изучения влияния частотного диапазона фильтрации сигнала на характер затухания

амплитуды и изменение групповой скорости акустической волны импульса АЭ на панели из ком-

позитного материала и пластине из сплава АМГ-2 в ИМАШ РАН были проведены эксперимен-

тальные исследования, рассмотренные в настоящей статье.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В ДИСПЕРГИРУЮЩЕЙ СРЕДЕ

Согласно принципа Гюйгенса, каждая точка тела, вовлеченная в волновое движение, становит-

ся источником новой элементарной волны. Возникающий в результате наложения множества эле-

ментарных волн волновой фронт представляет собой геометрическое место частиц, смещающихся

с одинаковой скоростью перпендикулярно к направлению волнового вектора.

У поверхностных и пространственных волн, распространяющихся из точечного центра воз-

буждения, векторы направлены радиально, а волновые фронты представляют собой окружности и

сферы. В случае плоского или удаленного источника возникают плоские волны, в которых волно-

Н.А. Махутов, И.Е. Васильев, Д.В. Чернов и др.

вые векторы параллельны, а волновые фронты представляют собой плоскости. Расстояние между

соседними волновыми фронтами, колеблющимися с одинаковой фазой, представляет собой длину

волны λ. Если плоскую волну представить в виде гармонической функции

u(r, τ) = sin [2π⋅( r - c⋅τ)/λ],

(1)

которая отражает профиль волны в момент τ на расстоянии r вдоль волнового фронта, движуще-

гося с постоянной скоростью с, то видеорегистратор, перемещаемый с той же скоростью, будет

фиксировать одну и ту же фазу волны [1]

ϕ = 2π⋅ (r - c⋅τ)/λ = const,

(2)

о чем и свидетельствует термин «фазовая скорость». Если в поперечных волнах направление скоро-

сти движения частиц перпендикулярно направлению волнового вектора k = 2π/λ, то в продольных

волнах направление скорости движения частиц и волнового вектора совпадает. Распространение

продольных волн сопровождается попеременным чередованием зон сгущения и разрежения частиц,

тогда как в поперечных волнах происходит последовательное чередование горбов и впадин.

При математическом моделировании волну импульса АЭ удобно рассматривать как интеграл

Фурье для ряда монохроматических синусоидальных составляющих — нормальных мод, которые

имеют свою фазовую скорость распространения, длину и частоту колебаний. Разложение негармо-

нических колебаний на синусоидальные гармоники представляет операцию разложения импульса

по нормальным модам. Волновой анализ состоит в нахождении решений волновых уравнений для

смещений, возникающих в упругой среде (волноводе), гармонически изменяющихся во времени и

удовлетворяющих определенным граничным условиям. При анализе дисперсии необходимо опре-

делить изменения фазовых скоростей нормальных мод импульса АЭ в зависимости от длины

волны или частоты колебаний среды.

В тонкостенной пластине или оболочке источники АЭ возбуждают продольные, поперечные и

поверхностные смещения упругой среды, которые распространяются в виде симметричных и

антисимметричных мод волн Лэмба [5—10], каждая из которых при данных конкретных условиях

имеет свою фазовую скорость, частоту, волновое число. Решения волновых уравнений для фазо-

вых скоростей различных мод симметричных (3) и антисимметричных (4) волн Лэмба, получен-

ные в характеристической форме:

tg(β⋅h)

4⋅k

⋅β⋅ξ

;

(3)

tg(ξ⋅h

)

−β

)

tg(β⋅h

)

−β

)

(4)

tg(ξ⋅h

)

4⋅k

⋅β⋅ξ





для безразмерных квадратичных параметров:

(1−

)

1−

где с_l и с_t — скоро-









сти продольной и поперечной волн в безграничной среде, могут быть найдены с применением

функций Бесселя [5—7]. Результаты таких решений отображаются на графиках в виде дисперси-

онных кривых, которые представляют зависимости соотношений фазовых скоростей различных

мод с/с_l, с/с_t от параметров h/λ или h/k, где h — толщина пластины.

Как показывает анализ дисперсионных кривых, представленных в публикациях [3—10], дис-

персия фазовой скорости возникает, лишь когда толщина диспергирующей среды становится сопо-

ставима с длиной распространяющихся волн, при соотношении h/λ = 0,1—2,0. При соотношении

h/λ<0,1 напряженное состояние по толщине пластины становится однородным и упругие волны

распространяются с постоянной фазовой скоростью, близкой к скорости продольной волны в без-

граничной среде. В случае, если длина волны существенно меньше толщины пластины h/λ >2,0,

напряжения по толщине пластины (за исключением поверхностного слоя) будут распределены

достаточно равномерно. При этом в пластине с обеих сторон возникнут поверхностные волны

Релея, в которых дисперсия отсутствует. Таким образом, дисперсия фазовой скорости мод нор-

мальных волн в тонкостенных пластинах и оболочках возникает лишь в условиях неравномерного

распределения напряжений в поперечном сечении, когда соотношение толщины пластины к длине

волны составляет h/λ = 0,1—2,0.

При распространении импульса АЭ в диспергирующей среде в каждый момент времени воз-

никает цуг интерферирующих между собой мод волн. По мере удаления импульса АЭ от источни-

Дефектоскопия

№ 3

2019

Влияние полосы пропускания частотных фильтров...

ка излучения происходит рассеивание мод волнового пакета, сопровождаемое изменением формы

импульса, фазы и скорости интерферирующих компонентов. Энергия волн Лэмба в основном

локализована в сгустках основных антисимметричных (A₀) и симметричных (S₀) мод волнового

пакета и переносится групповой скоростью, отражающей процесс передачи энергии интерфериру-

ющих мод, длины волн которых близки или совпадают, и представляет собой скорость перемеще-

ния огибающей волнового пакета [1, 9]

V_g= dω/dk = c²·k/ω.

(5)

В общем виде связь между групповой и фазовой скоростями может быть представлена следу-

ющим образом [3—7]:

V_g= с + k⋅(dV_f/dk) или V_g= с - λ⋅(dV_f/dλ) — формула Релея.

(6)

В диспергирующей среде фиксированное значение групповой скорости имеет ограниченный

временной интервал. При распространении импульса в многослойной структуре пакета композит-

ной панели в результате многократных отражений и преломлений на границах скрепления слоев

форма цуга интерферирующих волн существенно изменяется. На осциллограммах рис. 1 показано

3000

200

100

150

2000

100

1000

-50

-20

-1000

-40

-100

-2000

-60

-150

-80

–3000

-200

-100

200

400

600

800 1000

200

400

600

800 1000

200

400

600

800 1000

Время, мкс

100

-10

-20

-10

-20

-40

-30

-20

-60

-40

-30

–80

-50

–40

200

400

600

800 1000

200

400

600

800 1000

200

400

600

800 1000

Время, мкс

Рис. 1. Осциллограммы импульса АЭ, зарегистрированного ПАЭ № 1 (а) и № 2 при ∆L₁= 100 мм (б), ∆L2 = 200 мм (в),

∆L₃ = 300 мм (г), ∆L 4 = 400 мм (д), ∆L 5 = 500 мм (е).

изменение формы волнового пакета импульса АЭ в панели многослойного композита 6 мм по мере

удаления от источника излучения, в качестве которого использовался широкополосный преобразо-

ватель SE-1000H, производства фирмы «Dunegan». Приемниками импульсов АЭ служили резо-

нансные преобразователи R15α фирмы «Mistras». Для регистрации и обработки данных АЭ

использовалась многопараметрическая восьмиканальная система A-line 32D производства

ООО «Интерюнис-ИТ». Схема расположения излучателя сигналов и приемников импульсов АЭ —

ПАЭ № 1 и № 2 на композитной панели показана на рис. 2.

Как следует из рисунка, по мере удаления от источника излучения в результате процессов

диссипации энергии и реверберации интерферирующих мод волн происходит изменение как

формы волны, так и ее групповой скорости, представляющей собой скорость перемещения оги-

бающей, сформировавшегося на данный момент времени в конкретной точке среды волнового

пакета. Начальный компактный импульс расплывается и разделяется на несколько отдельных

цугов, скорость которых определяется динамическими свойствами упругой среды (волновода).

При этом каждая волновая компонента имеет свою скорость распространения, несущую частоту

Дефектоскопия

№ 3

2019

Н.А. Махутов, И.Е. Васильев, Д.В. Чернов и др.

Рис. 2. Схема расположение излучателя импульсов — SE-1000 и

ПАЭ № 1 и № 2 — R15α при измерении групповой скорости и

затухания амплитуды сигналов АЭ на композитной панели и

металлической пластине в интервале ∆L = 20—300 мм.

R15α

и фазу, следовательно, обладает свойственным ей

максимумом в волновом пакете. Таким образом,

единой скорости распространения упругих волн в

диспергирующей среде волновода фактически не

SE-1000

существует.

Преобразователи акустической эмиссии (ПАЭ)

регистрируют моменты прихода различных мод в

зависимости от того, какая из них имеет большую

скорость нарастания переднего фронта и амплитуду.

Это значительно осложняет определение времени

прихода сигналов АЭ на преобразователи локацион-

ной решетки, из-за чего планарная локация, осущест-

вляемая, как правило, по разности времен прихода

импульса на преобразователи, затруднена и приводит

300

к существенным погрешностям при определении

координат источников сигналов.

Как правило, основанием для записи сигнала

является регистрация ПАЭ момента превышения амплитудой импульса АЭ заданного уровня

порога дискриминации сигналов u_th. Порог устанавливается для локационных групп ПАЭ в зави-

симости от уровня шумов (помех), регистрируемых при настройке системы АЭ в условиях испы-

тания или эксплуатации исследуемого объекта. Преобразователи АЭ позволяют регистрировать не

только приход разных мод упругих волн, но и разных фаз этих мод в зависимости от частотного

диапазона ∆f применяемого фильтра и уровня порога u_th, что также влияет на значение вычисляе-

мой скорости групповой волны регистрируемого импульса.

Современные методики определения координат источников событий АЭ основаны на стати-

стической обработке регистрируемых локационных импульсов с использованием специально раз-

работанного программного обеспечения. Например, в [11—13] приведено построение карты зна-

чений РВП, полученных при излучении акустических сигналов на поверхности пластины из ПКМ

с помощью имитатора Су-Нильсена. Такой подход позволяет определить местоположение источ-

ника АЭ по известным значениям РВП без использования дополнительных измерений параметра

групповой скорости. В публикации [14] координаты источников событий АЭ уточняют с примене-

нием функции Гаусса на основании зарегистрированных значений РВП. В ходе проводимых тесто-

вых испытаний оценивается разброс значений РВП и рассчитывается параметр ошибки, применя-

емый для обучения системы АЭ алгоритму локации. Необходимо отметить, что приведенные выше

методики не учитывают дисперсионные свойства акустической среды, спектральные характери-

стики используемых преобразователей и цифровых фильтров системы АЭ, влияние которых суще-

ственным образом может сказаться на результатах проводимых измерений.

ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ

В современном авиастроении активно используются элементы конструкций из алюминиевых

сплавов и композитных материалов, а также сэндвич-панелей и ПКМ с комбинированной струк-

турой, включающей ячеистую структуру из алюминиевых сот с полимерным наполнителем.

Поэтому изучение распространения акустических волн в этих типах конструкционных материа-

лов с учетом явления дисперсии представляет особый интерес на данном этапе развития метода

акустической эмиссии.

Исследования влияния частотного диапазона фильтрации сигнала на характер затухания

амплитуды и изменение величины групповой скорости импульса АЭ проводились в ближней зоне

от источника излучения на расстоянии от 20 до 300 мм на многослойной панели из полимерного

композитного материала (ПКМ) толщиной 6 мм с габаритными размерами 960×600 мм, получен-

ной по технологии инфузионной пропитки слоев, и пластине из алюминиевого сплава АМГ-2

толщиной 6 мм с габаритными размерами 1200×800 мм. Для генерации импульсов АЭ применял-

ся электронный имитатор ООО «Интерюнис», а в качестве излучателя — широкополосный преоб-

Дефектоскопия

№ 3

2019

Влияние полосы пропускания частотных фильтров...

разователь SE-1000 фирмы «Dunegan». Приемниками импульсов АЭ служили резонансные преоб-

разователи R15α фирмы «Mistras». Для регистрации и обработки данных АЭ использовалась

многопараметрическая восьмиканальная система A-line 32D производства ООО «Интерюнис-ИТ».

Схема расположения излучателя сигналов — преобразователя SE-1000 и приемников импульсов

АЭ — преобразователей R15α (ПАЭ № 1 и № 2) на объектах исследования в ходе проводимых

экспериментов приведена на рис. 2.

Ближайший к излучателю преобразователь на схеме обозначен, как ПАЭ № 1, удаленный —

ПАЭ № 2. Для крепления излучателя — преобразователя SE-1000 и приемника — ПАЭ № 1 к

объектам исследования использовались стальные струбцины. Перемещаемый преобразователь

ПАЭ № 2 прижимался к поверхности исследуемых объектов калиброванным грузом весом 20 Н,

что позволяло создать стабильный уровень внешнего давления порядка 0,15 МПа. Для создания

надежного акустического контакта меду ПАЭ и поверхностью исследуемой пластины использова-

лась смазка «Литол».

В ходе экспериментов минимальное расстояние между ПАЭ № 1 и № 2 составляло 20, макси-

мальное — 300 мм. Такой выбор границ интервала проводимых измерений обусловлен тем обсто-

ятельством, что максимальный размер локационной решетки при планарной локации событий АЭ

в элементах конструкций из композитных материалов, при котором возможна надежная локация

источников АЭ составляет не более 300 мм. При дальнейшем увеличении базового размера (L)

локационной решетки, количество регистрируемых событий АЭ резко сокращается (практически

на порядок), а при размерах L > 500 мм источники сигналов АЭ практически не регистрируются.

К тому же при таком удалении ПАЭ от источника излучения на расстояниях L > 300 мм параметры

акустической волны изменяются в значительно меньшей степени, чем в интервале 20—300 мм.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования проводились с использованием цифровых фильтров, полоса пропускания кото-

рых ∆f составляла: 30—100, 100—200, 100—300, 150—300, 200—500 кГц и 30—500 кГц. Согласно

существующих нормативных правил контроля АЭ (см. ПБ 03-593-03), устанавливаемый порог

дискриминации uth должен превышать максимальную амплитуду шумовых сигналов не менее, чем

на 6 дБ. В ходе тестирования условий проведения испытаний максимальная амплитуда помех

составляла 36 дБ, а максимальная амплитуда отраженных импульсов достигала 40 дБ. Поэтому для

исключения влияния помех и отраженных импульсов на результаты проводимых эксперименталь-

ных исследований уровень порога дискриминации был повышен до 42 дБ.

На рис. 3 по данным измерения разности прихода импульсов (РВП) на преобразователи

построены графики изменения групповой скорости акустической волны (V_g) при пошаговом уда-

лении ПАЭ № 2 от ПАЭ № 1 через 10 мм в интервале ∆L = 20—300 мм при использовании циф-

ровых фильтров с полосой пропускания ∆f : 30—100 (1), 100—200 (2), 100—300 (3), 150—300 (4),

200—500 (5), 30—500 кГц (6), полученные на панели из ПКМ (а) и пластине из алюминиевого

сплава АМГ-2 (б) толщиной 6 мм.

Vg^,

мм/мкс

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

40 60

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

ΔL, мм

Рис. 3. Сопоставление изменения групповых скоростей акустической волны (V_g) при пошаговом удалении ПАЭ № 2 от

ПАЭ № 1 через 10 мм в интервале ∆L = 20—300 мм, зарегистрированные при использовании фильтров с полосой про-

пускания ∆f: 30—100 (1), 100—200 (2), 100—300 (3), 150—300 (4), 200—500 (5), 30—500 кГц (6) в панели из ПКМ (а)

и пластине из сплава АМГ-2 (б).

Как следует из графиков рис. 3, характер изменения групповых скоростей на композитной

панели и металлической пластине в интервале 20—300 мм достаточно похож для всех сопостав-

ляемых фильтров. Наибольшие колебания групповой скорости возникают в ближней зоне от

источника излучения, когда расстояние между преобразователями изменяется от 20 до 80 мм.

Дефектоскопия

№ 3

2019

Н.А. Махутов, И.Е. Васильев, Д.В. Чернов и др.

Такой характер изменения скорости волны импульсов АЭ был свойственен для всех фильтров,

использованных при проведении измерений, как на панели из ПКМ, так и на пластине из сплава

АМГ-2. При увеличении расстояния между ПАЭ свыше 100 мм приращение РВП и изменение

групповой скорости импульса АЭ происходит более равномерно. Так, для фильтров при макси-

мальной полосе пропускания сигналов

∆f = 30—500 кГц в интервале 100—300 мм регистриро-

валось достаточно стабильное приращение РВП, составляющее примерно 2 мкс на каждые 10 мм

приращения расстояния между ПАЭ. При этом среднее значение групповой скорости в интервале

∆L = 100—300 мм составляло V_g= 5,76 мм/мкс на панели из ПКМ и V_g= 4,65 мм/мкс на пластине

из АМГ-2. По мере сужения частотного диапазона цифровых фильтров, как следует из рис. 3,

регистрировался рост РВП и снижение значения групповой скорости при увеличении расстояния

между ПАЭ в интервале ∆L = 20—300 мм. Наибольшие изменения групповой скорости при уве-

личении расстояния между ПАЭ от 20 до 300 мм, практически в пять раз, регистрировались при

использовании фильтра с полосой пропускания сигналов ∆f = 100—200 кГц. На фоне представ-

ленных результатов исследования, полученных для фильтров с урезанной полосой пропускания

сигналов, на графиках рис. 3 выделяются кривые 4 изменения групповой скорости импульса АЭ,

полученные при использовании фильтра с полосой пропускания ∆f = 150—300 кГц. Характер

изменения этих кривых также, как и уровень значений групповых скоростей в интервале

∆L = 80—300 мм, наиболее близок к кривым 6, полученным при использовании фильтров с поло-

сой пропускания импульсов ∆f = 30—500 кГц. Максимальные отклонения групповой скорости в

интервале 100—300 мм не превышали 23 % относительно средних значений, составляющих в

панели из ПМК V_g= 3,87 и 3,14 мм/мкс в пластине из сплава АМГ-2.

Применение фильтров с более узкой полосой пропускания приводит к урезанию спектра, в

результате чего высокочастотные и низкочастотные моды не регистрируются, энергия сигнала

снижается, а фронт импульса АЭ становится более пологим. Поэтому при пороговом способе,

когда запись регистрации сигнала происходит при превышении фронтом импульса уровня порога

u_th, наблюдается запаздывание момента его регистрации, что приводит к возрастанию РВП — раз-

ности времени прихода импульсов на преобразователи АЭ, следовательно, снижению вычисляе-

мой скорости волны. В наибольшей степени влияние эффекта сглаживания волны для фильтров с

урезанной полосой пропускания сигналов, как видно из графиков рис. 3, проявляется в ближней

зоне от излучателя при ∆L = 20—80 мм. Такая особенность регистрации сигналов АЭ с урезанным

спектром хорошо просматривается на осциллограммах рис. 4, где сопоставлены моменты пере-

сечения фронтом нарастающей амплитуды импульса уровня порога дискриминации u_th для сигна-

лов, зарегистрированных ПАЭ № 2 на расстоянии 100 мм от ПАЭ № 1 при полосе пропускания

фильтра ∆f: 30—500 (а), 100—200 кГц (б) на пластине из сплава АМГ-2.

u_th

Рис. 4. Моменты превышения фронтом нарастающей амплитуды импульса АЭ уровня порога дискриминации сигналов

(u_th), регистрируемые ПАЭ № 2 на расстоянии 100 мм от ПАЭ № 1 при полосе пропускания фильтра ∆f: 30—500 кГц (а),

100—200 кГц (б) на пластине из сплава АМГ-2.

Дефектоскопия

№ 3

2019

Влияние полосы пропускания частотных фильтров...

Возникающая погрешность при измерении групповой скорости волны тем больше, чем уже

полоса пропускания применяемого фильтра. Так, для фильтра с полосой пропускания сигналов

∆f = 100—200 кГц групповая скорость акустической волны, регистрируемая вблизи излучателя на

расстоянии 20—80 мм от ПАЭ № 1, отличалась от скорости V_g, регистрируемой на расстоянии

240—300 мм, в 3-5 раз. Причем такие результаты были получены не только на панели из ПКМ, но

и пластине из сплава АМГ-2.

В ходе проведенных экспериментов при разности потенциалов U = 60 В, подаваемой электрон-

ным имитатором на излучатель SE-1000, уровень максимальной амплитуды, регистрируемый ПАЭ

№ 1, при использовании применяемых фильтров изменялся в пределах 75—90 дБ. На рис. 5 при-

ведены кривые изменения максимальной амплитуды импульса (u_m), регистрируемые ПАЭ № 2 при

пошаговом удалении от ПАЭ № 1 через 10 мм в интервале ∆L = 20—300 мм, при использовании

цифровых фильтров с полосой пропускания сигналов ∆f: 30—100 (1), 100—200 (2), 100—300 (3),

150—300 (4), 200—500 (5), 30—500 кГц (6).

u_m, дБ

60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

40 60

80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

ΔL, мм

Рис. 5. Сопоставление изменения максимальной амплитуды импульса (u_m), регистрируемые ПАЭ № 2 при пошаговом

удалении от ПАЭ № 1 через 10 мм в интервале ∆L = 20—300 мм, при использовании фильтров с полосой пропускания

∆f: 30—100 (1), 100—200 (2), 100—300 (3), 150—300 (4), 200—500 (5), 30—500 (6) в панели из ПКМ (а) и пластине из

сплава АМГ-2 (б).

Для всех исследованных частотных диапазонов по мере удаления ПАЭ № 2 от ПАЭ № 1 в

интервале ∆L = 20—300 мм наблюдалось снижение максимальной амплитуды регистрируемого

импульса. Как следует из графиков рис. 5, максимальное падение амплитуды регистрировалось в

первом измерении на расстоянии 20 мм от ПАЭ № 1. На этом участке максимальное падение

амплитуды акустической волны, достигающее ∆u_m= 25 дБ на композитной панели и ∆u_m= 15 дБ

на пластине из сплава АМГ-2, регистрировалось для фильтров с полосой пропускания сигналов

∆f: 30—100 и 100—200 кГц. Минимальное затухание амплитуды сигнала, не превышающее

∆u_m= 5—7 дБ на этом участке, регистрировалось при полосе пропускания ∆f = 200—500 кГц.

Характер затухания амплитуды импульсов АЭ по мере удаления ПАЭ № 2 от ПАЭ № 1 в интер-

вале 20—300 мм на композитной панели и металлической пластине достаточно похож для всех

сопоставляемых фильтров. Максимальное затухание амплитуды сигналов в интервале

∆L = 20—300 мм, как видно из графиков на рис. 5, составляло порядка ∆u_m= 25—35 дБ на компо-

зитной панели и ∆u_m= 15—20 дБ на пластине из сплава АМГ-2.

ВЫВОДЫ

1. Проведенные исследования показали зависимость значений вычисляемой групповой скоро-

сти волнового пакета от полосы пропускания цифровых фильтров в ближней зоне от источника

излучения в интервале ∆L = 20—300 мм. В результате сужения полосы пропускания происходит

урезание спектральных характеристик акустических сигналов, вследствие чего передний фронт

импульса АЭ становится более пологим. Поэтому при использовании порогового метода, когда

запись сигнала происходит при превышении амплитудой импульса порога дискриминации u_th,

наблюдается запаздывание момента регистрации, что приводит к росту РВП и снижению значения

групповой скорости волны.

2. Как показали экспериментальные исследования, погрешность построения планарной лока-

ции источников АЭ напрямую зависит от спектральных характеристик используемых фильтров.

При сужении полосы пропускания частотных фильтров до значения ∆f = 100—200 кГц уровень

погрешности может достигать 20—25 % относительно базового размера локационной решетки, то

есть при размере антенной решетки L = 300 мм погрешность измерения составит 60—75 мм от

истинного значения.

Дефектоскопия

№ 3

2019

Н.А. Махутов, И.Е. Васильев, Д.В. Чернов и др.

3. Сужение полосы пропускания цифровых фильтров оказывает существенное влияние не

только на значения групповой скорости распространения акустических сигналов, но и на характер

изменения амплитуды импульсов АЭ в зависимости от координаты излучения. Согласно результа-

там проведенного исследования, наиболее интенсивное падение амплитуды наблюдается в услов-

но ближней зоне на расстоянии 20 мм от источника акустических сигналов. Причем наибольшая

величина падения амплитуды, достигающая ∆u_m= 25 дБ, регистрировалась при использовании

фильтров с наиболее узкой полосой пропускания сигналов ∆f: 30—100 и 100—200 кГц. Для всех

остальных используемых фильтров падение амплитуды импульсов АЭ в этой зоне не превышало

∆u_m= 10—15 дБ. Следует отметить, что в металлической пластине затухание амплитуды импуль-

сов АЭ, зарегистрированных при тестировании всех сопоставляемых фильтров в интервале

∆L = 20—300 мм, происходило менее интенсивно, чем в композитной панели.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения рассмотренной выше экспериментальной работы возникли дополнитель-

ные вопросы, относящиеся к выбору ПАЭ для проведения исследований при мониторинге АЭ

элементов конструкций из ПКМ, определению РВП между преобразователями АЭ в ближней зоне

от источника излучения при ∆L ≤ 100 мм, выбору оптимального частотного диапазона фильтрации

сигнала АЭ, пороговому критерию регистрации импульсов АЭ.

Дальнейшие исследования должны быть направлены на разработку методики, алгоритмов и

программных продуктов, обеспечивающих достижение требуемой точности локации источников

событий АЭ в элементах конструкций из ПКМ, допускающей погрешность не более 10 % от базо-

вого размера локационной решетки. Их актуальность обусловлена отсутствием нормативных

документов, методических разработок и недостаточной теоретической проработкой проведения

контроля АЭ изделий из композиционных материалов.

Главным недостатком стандартного алгоритма локации является отсутствие взаимосвязей

между триангуляционным методом определения координаты источника АЭ и процессами распро-

странения акустических сигналов в многослойных сложноструктурированных пакетах ПКМ,

используемых при изготовлении панелей и оболочек с регулярными или локальными усилениями

жесткости тонкостенных элементов конструкций. Основные проблемы диагностики АЭ таких

изделий связаны с пороговым способом регистрации импульсов АЭ, быстрым затуханием ампли-

туды акустического сигнала в композитных материалах, неравномерным изменением групповой

скорости волнового пакета при нахождении источника АЭ в ближней зоне от ПАЭ.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда, проект № 14-19-00776.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Карлов Н.В., Кириченко Н.А. Колебания, волны, структуры. М.: Изд-во Физматлит, 2003. 496 с.

2. Иванов В.И., Барат В.А. Акустико-эмиссионная диагностика. М.: Изд-во «Спектр», 2017. 368 с.

3. Kolsky H. Stress waves in solids. Oxford: Oxford University Press, 1953. Р. 192.

4. Davies R.M. Stress waves in solids. Cambridge: Cambridge University Press, 1959. Р. 103.

5. Викторов И.А. Физические основы применения ультразвуковых волн Релея и Лэмба в технике.

М.: Изд-во «Наука», 1966. 169 с.

6. Викторов И.А. Звуковые поверхностные волны в твердых телах. М.: Изд-во «Наука», 1981. 287 с.

7. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Изд-во «Наука», 1973. С. 343.

8. Гринченко В.Т., Мелешко В.В. Гармонические колебания и волны в упругих телах. Киев: Наукова

думка, 1981. 283 с.

9. Rose J.L. Ultrasonic Waves in Solid Media. New York. Cambridge University Press, 1999. Р. 296.

10. Zhongqing Su, Lin Ye, Ye Lu. Guided Lamb waves for identification of damage in composite structures:

(A review) // Journal of Sound and Vibration. 2006. V. 295. Р. 753—780.

11. Eaton M.J., Pullin R., Holford K.M. Acoustic emission source location in composite materials using

Delta T Mapping // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2012. V. 43. № 6. Р. 856—863.

12. Baxter M.G., Pullin R., Holford K.M., Evans S.L. Delta T source location for acoustic emission //

Mechanical Systems and Signal Processing. 2007. V. 21. № 3. Р. 1512—1520.

13. Al-Jumaili S.K., Pearson M.R., Holford K.M., Eaton M. J., Pullin R. Acoustic emission source location

in complex structures using full automatic delta T mapping technique // Mechanical Systems and Signal

Processing. 2016. V. 72—73. Р. 513—524.

14. Hensman J., Mills R., Pierce S.G., Worden K., Eaton M. Locating acoustic emission sources in complex

structures using Gaussian processes // Mechanical Systems and Signal Processing. 2010. V.

24. № 1.

P. 211—223.

Дефектоскопия

№ 3

2019