УДК 620.179.17

ПРОБЛЕМЫ ЛОКАЦИИ ИСТОЧНИКОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ

¹Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, Россия 101990 Москва,

Малый Харитоньевский пер., 4

²ЗАО «НИИИН МНПО Спектр», Россия 119048 Москва, ул. Усачева, 35, стр. 1

³ООО «Интерюнис—ИТ», Россия 111024 Москва, шоссе Энтузиастов, 20б

^*Е-mail:vie01@rambler.ru

Поступила в редакцию 18.05.2021; после доработки 15.07.2021

Принята к публикации 10.08.2021

Выполнена оценка точности локации источников акустической эмиссии (АЭ) в зонах концентраторов (централь-

ных отверстий диаметром 5 мм), расположенных на расстоянии 40 мм от приемных преобразователей при испытаниях

на разрыв плоских образцов из стали, алюминиевого сплава и композита с габаритными размерами 550×50×4 мм.

Изучена зависимость расчетной скорости распространения импульсов АЭ от их амплитуды и парциальной энергии

различных мод волн Лэмба. При пороговом методе регистрации сигналов погрешность локации источников АЭ, воз-

никающая при расстоянии между источником АЭ и приемным преобразователем АЭ (ПАЭ) ΔL < 0,1 м, может пре-

вышать 10 % относительно базового размера (В) области локации. Для импульсов АЭ амплитудой um < 60 дБ при

уменьшении расстояния ΔL < 0,05 м уровень погрешности может достигать 20—30 % относительно базового размера

антенной решетки.

Ключевые слова: акустическая эмиссия, локация, пороговый метод, скорость импульса, амплитуда, парциальная

энергия, погрешность измерения.

DOI: 10.31857/S0130308221090049

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время основным методом регистрации событий АЭ является фиксация превы-

шения нарастающим фронтом принимаемого сигнала установленного порога дискриминации —

напряжения u_th на входе системы АЭ контроля [1—5]. Порог дискриминации устанавливается в

зависимости от уровня возникающих помех. При этом необходимо учитывать, что компактный ши-

рокополосный акустический импульс, излучаемый источником АЭ, при прохождении акустическо-

го канала разделяется на несколько мод волн Лэмба в виде цуга отдельных импульсов различной

амплитуды, распространяющихся с разной скоростью [3]. Преобразователи акустической эмиссии

могут регистрировать не только моменты прихода разных мод упругих волн, но и разных фаз этих

мод в зависимости от выбранных настроек АЭ системы, в том числе уровня порога дискриминации

сигналов (u_th) и диапазона частот пропускания цифровых фильтров (Δf). Стандартный алгоритм

расчета скорости распространения импульсов АЭ основан на линейной зависимости между разно-

стью времен их прихода на ПАЭ локационной группы и расстоянием между приемными преобра-

зователями. Такой подход не учитывает многие факторы, влияющие на скорость распространения

импульса в диспергирующей среде акустического канала. Для корректного вычисления скорости

распространения импульсов АЭ вблизи ПАЭ при пороговом методе регистрации импульсов АЭ

необходимо учитывать нелинейные изменения энергетических и частотно-временных параметров

затухающих и расходящихся во времени высокочастотных мод волнового пакета при прохождении

акустического канала с учетом его дисперсионных свойств.

Следовательно, при регистрации импульсов вблизи источника АЭ с использованием порого-

вого метода момент пересечения фронтом сигнала порога дискриминации u_thзависит не только от

уровня энергии основных низкочастотных мод, но и от доли высокочастотных составляющих мод

волнового пакета, создающих дополнительные погрешности при определении разности времени

прихода (РВП) импульсов на ПАЭ антенной решетки.

С целью оценки точности алгоритмов, используемых для локации АЭ событий в наиболее

применяемых системах акустической эмиссии Aline-32D (РФ), PCI-2 (США), Vallen (ФРГ), были

проведены эксперименты по испытанию плоских образцов из стали ст3, алюминиевого сплава

АМг3 и многослойного полимерного композитного материала (ПКМ) на разрыв. Задача насто-

ящих исследований состояла в выявлении основных факторов возможных погрешностей стан-

дартного алгоритма локации источников АЭ, когда их регистрация происходит вблизи ПАЭ при

ΔL < 100 мм.

Ю.Г. Матвиенко, И.Е. Васильев, Д.В. Чернов и др.

ОБРАЗЦЫ, АППАРАТУРА ДЛЯ АЭ ДИАГНОСТИКИ И НАГРУЖАЮЩАЯ УСТАНОВКА

Габаритные размеры испытываемых образцов составляли 550×50×4 мм. На расстоянии 110 мм

от их торцевых поверхностей были просверлены два отверстия диаметром 5 мм, которые служили

концентраторами напряжений при испытаниях образцов на разрыв. При проведении диагностики

АЭ преобразователи акустической эмиссии (ПАЭ) устанавливались на расстоянии 40 мм от кон-

центраторов, так что размер линейной локации составлял В = 360 мм. На рис. 1 показана испытыва-

емый образец (1) — полоса из сплава АМг3 в захватах (2 и 3) нагружающей установки Instron-5982,

на поверхности которого на расстоянии 40 мм от каждого концентратора с применением струбцин

(5) через слой контактной смазки были установлены резонансные преобразователи R15a—SMA (4)

производства фирмы Mistras (США).

Перед проведением испытаний образцов на разрыв определялись оптимальные настройки

АЭ системы, включающие выбор порога дискриминации сигналов uth = 42 дБ, полосы пропу-

скания фильтров Δf_р= 30—500 кГц, средней групповой скорости импульсов АЭ, составившей

V_g= 3300 м/с при максимальном размере зоны локации В = 360 мм. Групповая скорость рас-

пространения импульсов определялась с применением электронного генератора MFG-7210MA

(КНР), оснащенного широкополосным преобразователем UT-1000, выпускаемого фирмой Mistras

(США), при максимальной амплитуде импульсов um = 74 и 80 дБ, регистрируемой преобразовате-

лями R15a — SMA на расстоянии 400 и 40 мм от источника АЭ.

Рис. 1. Образец (1) в захватах (2 и 3) электромеханической установки Instron-5982; преобразователи R15α—SMA (4)

закреплены на образце струбцинами (5).

Испытания образцов проводили на электромеханической установке Instron-5982 (США) при ав-

томатическом повышении нагрузки со скоростью перемещения активной траверсы стенда 1 мм/мин.

Синхронно с регистрацией данных АЭ видеокамерой EOS—60D фирмы Canon (США) осуществля-

ли видеосъемку процесса деформирования и разрушения образцов в зонах концентраторов. Для ис-

ключения шумовых сигналов, возникающих от захватов нагружающего устройства, проводили филь-

трацию значений разности времен прихода импульсов АЭ по условию ∆t < 250 мкс, рассчитанному

исходя из расстояния между приемными преобразователями антенной решетки.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ

В ходе диагностики АЭ при испытаниях образцов на разрыв в зонах концентраторов наблю-

далась неравномерное накопление повреждений, вследствие чего интенсивность процессов раз-

рушения материала в местах расположения верхнего и нижнего отверстия заметно отличалась,

что отражалось на графиках накопления событий АЭ, регистрируемых в зонах концентраторов.

Дефектоскопия

№ 9

2021

Проблемы локации источников акустической эмиссии

Место разрушения

Рис. 2. Картины деформирования и разрушения образцов из алюминиевого сплава АМг-3 (а), стали ст3 (б) и ПКМ (в)

в местах расположения отверстий диаметром = 5 мм.

Образование и развитие доминантных трещин, сопровождаемое потерей несущей способности и

разрушением образцов, также происходило в одном из концентраторов. На рис. 2 приведено срав-

нение картин деформирования материала и разрушения образцов из сплава АМг-3 (а), стали ст3 (б)

и ПКМ (в) в местах расположения отверстий.

В зонах концентраторов, где происходили наиболее интенсивные локальные разрушения струк-

туры материала, должна регистрироваться и максимальная плотность индикаций источников АЭ.

Однако, как показали проведенные эксперименты, максимальная плотность индикаций источников

АЭ, регистрируемая системами PCI-2 и Vallen была смещена относительно расположения концен-

траторов соответственно на 40—65 мм от центра отверстий. Причем система Vallen регистриро-

вала максимальную плотность индикаций источников АЭ уже вне области локации на расстоянии

20—25 мм от ПАЭ.

На графиках рис. 3 приведены результаты локации источников АЭ и графики их накопления,

зарегистрированные системами Aline-32D (а, г), PCI-2 (б, д) и Vallen (в, е), при испытаниях на раз-

рыв образца из стали ст3.

Рис. 3. Результаты локации источников АЭ и графики их накопления, зарегистрированные системами Aline-32D (а, г),

PCI-2 (б, д) и Vallen (в, е), при испытании образца из стали ст3 на разрыв.

Дефектоскопия

№ 9

2021

Ю.Г. Матвиенко, И.Е. Васильев, Д.В. Чернов и др.

Как следует из сравнения графиков (а—в) на рис. 3, локация источников АЭ, регистрируемых с

применением системы Aline-32D в области концентраторов, характеризуется максимальным рассе-

янием плотности их индикаций в интервале ±40 мм относительно центра отверстий, достигающей

в зоне образования трещины 250—270 ед/мм. Наибольшая плотность индикаций источников АЭ,

составляющая соответственно 500 и 800 ед/мм, регистрировалась системой PCI-2 в местах уста-

новки ПАЭ № 3 и № 4 на расстоянии 40 мм от концентраторов (график б на рис. 3). Максимальная

погрешность локации источников АЭ, достигающая 60—65 мм относительно центра отверстий,

как следует из графика (в), регистрировалась системой Vallen. Сопоставление кривых накопления

событий АЭ на графиках (г), (д) и (е) свидетельствует о том, что если тренд их роста, регистрируе-

мый системами Aline-32D и PCI-2, был достаточно близок и отличался лишь количеством событий,

то тренд накопления, регистрируемый системой Vallen, заметно выделялся. При этом количество

событий АЭ, регистрируемое системой Aline-32D при испытаниях всех образцов на разрыв, было

в 3-4 раза большим по сравнению с зарубежными аналогами.

Как правило, расчет координат источников АЭ проводится по стандартной методике [1, 2] с

использованием двух параметров: разности времен прихода импульсов АЭ на преобразователи

антенной решетки (Δt) и скорости распространения акустических сигналов в стенке контролиру-

емого изделия (V_g). Согласно ПБ 03-593-03, групповая скорость V_g акустического импульса опреде-

ляется следующим образом. Посредством источника Су—Нильсена или электронного имитатора,

расположенного вне зоны локации на расстоянии 30—50 мм от одного из преобразователей акусти-

ческой эмиссии, излучают импульсы АЭ. Исходя из известного расстояния между ПАЭ и значений

разности прихода импульсов на преобразователи, рассчитывают скорость их распространения в

диагностируемом изделии.

Стандартно применяемый пороговый алгоритм регистрации импульсов с использованием вы-

числяемого значения скорости V_gне учитывает многих факторов влияющих на точность локации

источника АЭ, когда развивающийся дефект находится в вблизи ПАЭ, где моды волн Лэмба еще не

разошлись и передний фронт импульса АЭ имеет сложную структуру. Одним из таких факторов,

влияющим на точность локации в случае, когда источник АЭ расположен вблизи ПАЭ при по-

роговом методе регистрации сигналов, является погрешность определения момента пересечения

фронтом волны установленного уровня порога дискриминации u_th. Как показали проведенные экс-

перименты, в зависимости от амплитуды принимаемого сигнала эта погрешность может достигать

60 мкс, что оказывает существенное влияние на разность времен прихода (РВП) импульсов АЭ на

приемные преобразователи, а, следовательно, и уровень приведенной погрешности локации ис-

точников АЭ.

На графиках рис. 4 наглядно продемонстрирована зависимость момента t_ф — превышения ам-

плитудой сигнала порогового напряжения u_th, а, следовательно, и времени задержки (Δt_ф) его реги-

страции аппаратурой от крутизны фронта нарастающей волны.

U_и, АЦП

Δt_ф= 11 мкс

U_и, АЦП

389

U_th

179

-31

-241

t_ф

–451

-451

τ, мкс

Рис. 4. Влияние крутизны фронта сигнала АЭ на время его задержки при регистрации по пороговому методу.

Как отмечалось в публикациях [6—9], при малом расстоянии между ПАЭ и источником АЭ

(ΔХ ≤ 100 мм) даже незначительные колебания приращения параметра Δt_ф существенным об-

разом сказываются на вычисляемых значениях V_g. По мере удаления источника АЭ от ПАЭ вы-

сокочастотные гармоники (f = 250—400 кГц) волнового пакета быстро затухают. Анализируя

приведенные на рис. 5 спектрограммы сигналов, зарегистрированные на расстояниях ΔL: 30 (а),

Дефектоскопия

№ 9

2021

Проблемы локации источников акустической эмиссии

1. Вейвлет: Частота, кГц/Время, мкс

f, кГц

400

300

200

100

0,0

125,0

250,0

375,0

τ, мкс

1. Вейвлет: Частота, кГц/Время, мкс

f, кГц

400

300

200

100

0,0

125,0

250,0

375,0

τ, мкс

1. Вейвлет: Частота, кГц/Время, мкс

f, кГц

400

300

200

100

0,0

125,0

250,0

375,0

τ, мкс

Рис. 5. Спектрограммы сигнала АЭ, зарегистрированные на расстоянии 30 мм (а), 90 мм (б) и 120 мм (в) от ПАЭ в ком-

позитной пластине [6].

90 (б) и 120 (в) мм от источника АЭ в композитной пластине [6], можно отметить, что по мере

удаления ПАЭ уровень энергии регистрируемых импульсов заметно снижался за счет быстрого

затухания высокочастотных гармоник. Если принять уровень энергии импульса на расстоянии

ΔL = 30 мм от источника АЭ за 100 %, то, как следует из спектрограмм рис. 5, на расстоянии

90 мм он снижается более, чем в два раза, а на расстоянии 120 мм — практически в пять раз. На

расстояниях, больших 150 мм, высокочастотные моды на спектрограммах фактически отсутство-

вали, а энергия сигналов снижалась более, чем в десять раз.

Быстрое затухание высокочастотных мод на расстояниях ΔL > 100 мм приводит к уменьшению

разброса параметра Δt_ф и, как следствие, росту и стабилизации вычисляемой групповой скорости

импульса по мере удаления от источника АЭ [6—9].

Другим важным фактором, влияющим на погрешность локации источников АЭ, расположен-

ных вблизи ПАЭ, является амплитуда регистрируемых импульсов. На рис. 6 показана гистограм-

ма распределения амплитуды локационных импульсов, зарегистрированных системой Aline-32D,

в ходе рассмотренных выше испытаний стальной полосы при уровне порога u_th = 42 дБ и полосе

пропускания цифровых фильтров Δf = 30—500 кГц.

Как следует из гистограммы распределения максимальных значений амплитуд, практически

99 % всех локационных импульсов имеет уровень u_m в интервале от 45 до 65 дБ. При этом менее

0,01 % из них было с амплитудой u_m> 85 дБ, сопоставимый с той, которая возникает при сломе

грифеля цангового карандаша (источник Су—Нильсена).

Для того, чтобы учесть совместное влияние амплитуды регистрируемых импульсов и высо-

кочастотных гармоник на рассчитанную величину скорости распространения импульса вблизи

источника АЭ при ΔL ≤ 100 мм были проведены экспериментальные исследования с использо-

ванием испытанной на разрыв полосы из стали ст3 с размерами 550×50×4 мм. В ходе экспери-

ментов излучатель UT-1000 генератора импульсов MFG-7210MA и приемные преобразователи

Дефектоскопия

№ 9

2021

Ю.Г. Матвиенко, И.Е. Васильев, Д.В. Чернов и др.

N_л, ед.

8000

6000

4000

2000

40,0 45,0 50,0

55,0

60,0

65,0

70,0

75,0

80,0

85,0

u_m, дБ

Рис. 6. Дифференциальное распределение импульсов АЭ событий (N_л), зарегистрированных при испытаниях стальной

полосы с концентраторами на разрыв при уровне порога u_th = 42 дБ и Δf = 30—500 кГц.

UT-1000

R15α

360

Источник АЭ

ПАЭ № 1

ПАЭ № 2

Рис. 7. Вид стальной полосы и мест расположения на ее поверхности источника АЭ (UT-1000) и приемных преобразо-

вателей (R15a—SMA).

R15a—SMA располагались как показано на рис. 7, а регистрация акустических сигналов осу-

ществлялась при помощи системы Aline-32D.

Расчет групповой скорости распространения импульсов АЭ проводился согласно ПБ 03-593-03.

Для исследования влияния спектральных и энергетических характеристик импульса АЭ на расчет-

ное значение скорости V_g порог дискриминации и полоса пропускания частотных фильтров были

выбраны такими же, как и при испытаниях полосы на разрыв: u_th = 42 дБ и f = 30—500 кГц.

Использование генератора MFG-7210MA и излучателя UT-1000 позволило получать импульсы

АЭ с уровнем максимальной амплитуды и парциальной энергией высокочастотных гармоник, ана-

логичные тем, какие регистрировались при испытаниях стальной полосы на разрыв, а именно, с

уровнем амплитуды u_m= 50—90 дБ и изменением доли парциальной энергии высокочастотных гар-

моник от 6 до 18 % в диапазоне f = 250—400 кГц (H250—400) относительно их полной энергии (H_Σ).

На рис. 8 представлены графики изменения значений расчетной скорости V_gот уровня мак-

симальной амплитуды импульсов (а) и доли парциальной энергии высокочастотных гармоник

V_g, м/с

u_m> 85 дБ

III

5000

u_m= 75—85 дБ

u_m= 60—75 дБ

4000

V_g

u_m= 45—60 дБ

3000

2000

1000

u_m, дБ

χ, %

Рис. 8. Зависимость расчетной скорости распространения импульсов АЭ от амплитуды u_m(а) и доли парциальной энер-

гии высокочастотных гармоник χ=H_250-400/H_Σ (б) сигналов.

Дефектоскопия

№ 9

2021

Проблемы локации источников акустической эмиссии

χ = H250—400/H_Σ (б), зарегистрированные приемным преобразователем R15a—SMA на расстоянии

50 мм от излучателя UT-1000 импульсов АЭ. Построенная по экспериментальным данным зави-

симость V_g= f(u_m, χ), приведенная на рис. 8а, может быть разделена на 4 характерные интервала:

I, II, III, IV.

Как следует из графиков рис. 8, для сигналов АЭ, относящихся к интервалу I, при повы-

шении уровня амплитуды u_m до 60 дБ и доли парциальной энергии высокочастотных гармоник

χ = H250—400/H_Σ от 7 до 16 % наблюдается заметный рост рассчитанного значения групповой ско-

рости импульсов от 1800 до 3000 м/с. Для сигналов интервала II зависимость вычисляемой ско-

рости импульсов от доли парциальной энергии высокочастотных составляющих в спектре сиг-

налов становится особенно наглядной. При повышении амплитуды импульсов от 60 до 75 дБ,

как видно из графика 8а, уровень вычисленной групповой скорости сохраняется практически на

одном уровне V_g= 2750 м/с, когда доля энергии высокочастотных мод χ < 12 %. Для сигналов,

относящихся к интервалу III с амплитудой u_m= 75—85 дБ, рост расчетной групповой скорости до

4250—4750 м/с происходит при повышении доли χ > 12 %. Следует отметить, что для сигналов

IV интервала с амплитудой u_m> 85 дБ, влияние энергия высокочастотных гармоник на расчетную

групповую скорость импульсов, возрастающую от 4750 до 5400 м/с, проявляется когда их уро-

вень уже превышает χ > 14 %.

Таким образом, чем больше доля энергии высокочастотных составляющих в спектре сиг-

нала, тем больше значение расчетной групповой скорости V_g импульсов АЭ, регистрируемых

ПАЭ расположенного вблизи от источника АЭ на расстоянии ΔL < 100 мм. Дальнейшее рас-

пространение импульса в стенке изделия сопровождается снижением энергии высокочастот-

ных мод и их влиянием на крутизну фронта сигнала при пересечении уровня порога дискри-

минации u_th. При этом возрастает влияние основных низкочастотных гармоник. Поэтому для

повышения точности локации источников АЭ, расположенных вблизи ПАЭ, необходимо уста-

новление зависимости V_g= f(u_m, χ), учитывающей не только уровень амплитуды импульсов

от источников, расположенных вблизи ПАЭ, но и долю энергии высокочастотных гармоник в

спектре этих сигналов.

Наблюдаемое на рис. 8а скачкообразное изменение групповой скорости на графике зависи-

мости V_g= f(u_m, χ) с повышением амплитуды импульсов обусловлено быстрым затуханием вы-

сокочастотных гармоник в ближней от источника АЭ зоне при практически неизменном уровне

энергии низкочастотных мод. Вследствие этого задержка регистрации сигналов, определяемая

по времени t_ф, для импульсов АЭ, имеющих разные значения амплитуд, но близкие энергии вы-

сокочастотных мод, может быть практически одинаковой, как и вычисляемая групповая скорость

волнового пакета V_g.

Как следует из гистограммы рис. 6, более 99 % всех зарегистрированных локационных

импульсов имели максимальную амплитуду в интервале u_m= 45—65 дБ. Согласно графика

на рис. 8а их расчетная групповая скорость должна составлять примерно 2750 м/с. На графиках

рис. 9 сопоставлены результаты линейной локации источников АЭ, полученные при расчетной

скорости локационных импульсов V_g = 3300 (а) и 2750 м/с (б).

Как видно из сравнения графиков на рис. 9, при скорости V_g= 2750 м/с наибольшая плот-

ность индикаций источников АЭ, достигающая 350 ед/мм, отмечается непосредственно в ме-

сте образования магистральной трещины, совпадающей с расположением отверстия в сталь-

ной полосе.

N_л, ед.

250

300

200

250

200

150

100

150 200 250

300

350

400 450

X, мм

100

150 200 250

300

350

400 450X, мм

Рис. 9. Сопоставление результатов локации источников АЭ при испытании на разрыв стальной полосы, полученные при

V_g= 3300 м/с (а) и 2750 м/с (б).

Дефектоскопия

№ 9

2021

Ю.Г. Матвиенко, И.Е. Васильев, Д.В. Чернов и др.

ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. Тестовые испытания систем контроля АЭ, включающих Aline-32D, PCI-2, Vallen, выпол-

ненные при испытаниях на разрыв плоских образцов из алюминиевого сплава АМг3, низкоугле-

родистой стали ст3, и ПКМ, показали, что при расположении ПАЭ (R15a—SMA) на расстоянии

40 мм от концентраторов (отверстий диаметром 5 мм), погрешность превышала 10 % относительно

базового размера В = 360 мм. При этом наилучшая кучность результатов (плотность индикаций

источников АЭ событий) была показана системой PCI-2, а уровень погрешности локации источ-

ников АЭ не превышал 11 %. Наибольшая погрешность локации источников АЭ, достигающая

19 %, была получена с использованием системы Vallen. Результаты локации источников АЭ в об-

ласти концентраторов, полученные с применением системы Aline-32D, имели в интервале ±40 мм

относительно центра отверстий значительное рассеяние индикаций с высокой плотностью реги-

страции событий АЭ, а уровень возможной погрешности локации источников АЭ в зонах отвер-

стий не превышал 11 %.

2. Экспериментальные исследования возможных погрешностей локации источников АЭ, воз-

никающих в случае расположении источников АЭ вблизи ПАЭ, проводились на полосе из стали

ст3 при испытании на растяжение. Для генерации сигналов АЭ, аналогичных зарегистрирован-

ным при испытаниях полосы, использовался генератор импульсов MFG-7210MA с подключенным

широкополосным преобразователем UT-1000. Результаты исследований, приведенные на графиках

рис. 4—8, позволили выявить основные факторы, снижающие точность локации источников АЭ,

при их расположении вблизи ПАЭ на расстоянии ΔL < 100 мм.

2.1. При пороговом методе регистрации аппаратурой момента пересечения сигналом уровня

порога u_th время tф зависит от крутизны фронта набегающей волны, определяемой уровнем энергии

высокочастотных гармоник (см. рис. 4, 5). Увеличение доли парциальной энергии высокочастот-

ных составляющих спектра χ > 10 % заметно влияет на крутизну фронта сигнала, что уменьшает

время Δt_ф — задержки его регистрации аппаратурой, а, следовательно, приводит к повышению

расчетной скорости импульсов вблизи источника АЭ.

2.2. Для снижения возможных погрешностей локации источников АЭ, превышающих 10 % от

базового размера антенной решетки и возникающих при расстояниях между ПАЭ и источником

меньшем 100 мм, при определении групповой скорости распространения импульсов в объекте не-

обходимо учитывать уровень максимальной амплитуды импульсов u_m и долю энергии высокоча-

стотных составляющих в спектре сигналов χ = H250—400/H_Σ. Как следует из графиков рис. 8, зависи-

мость V_g= f(u_m, χ) является нелинейной. Если уровень высокочастотных мод снижается достаточно

быстро, то энергия низкочастотных гармоник сохраняется практически неизменной. Поэтому по-

вышение максимальной амплитуды генерируемых импульсов не всегда сопровождается увеличе-

нием их расчетной скорости, так как ее рост зависит не только от уровня u_m, но и доли парциальной

энергии χ высокочастотных гармоник.

2.3. Согласно результатам, приведенным на рис. 6, более 99 % всех импульсов событий АЭ,

зарегистрированных с применением системы Aline-32D при испытаниях стальной полосы на рас-

тяжение (см. рис. 3), имели максимальную амплитуду в интервале u_m= 45—65 дБ. В соответствии

с графиком рис. 8а, их расчетная групповая скорость должна составлять примерно V_g= 2750 м/с.

Сопоставление результатов локации источников АЭ, полученных при значениях расчетной ско-

рости локационных импульсов 3300 м/с и пересчитанных на уровень V_g= 2750 м/с, как видно из

рис. 9, свидетельствует о том, что при этой расчетной скорости наибольшая плотность индикаций

источников событий АЭ регистрируется непосредственно в области концентраторов (отверстий в

стальной полосе).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате явления дисперсии при прохождении акустического канала компактный импульс

«расплывается», разделяясь на волновые пакеты различных мод, каждая из которых имеет свою

длину, частоту и скорость распространения в стенке изделия [3—9]. Следовательно, единой ско-

рости распространения упругих волн в изделиях фактически не существует, а есть лишь набор

разных скоростей для характерных мод волн Лэмба. Поэтому ПАЭ в каждый момент времени

могут регистрировать приход разных мод волнового пакета в зависимости от того, какая из них

менее затухла в акустическом канале при распространении от источника АЭ до приемных преоб-

разователей. Совместное воздействие перечисленных выше факторов влияет на время регистра-

ции импульсов приемными преобразователями, а, следовательно, на вычисление их групповой

Дефектоскопия

№ 9

2021

Проблемы локации источников акустической эмиссии

скорости и разницу времени прихода на ПАЭ, что приводит к погрешностям при локации источ-

ников АЭ. Особенно это проявляется, когда источник АЭ находится вблизи от ПАЭ на расстоянии

ΔL ≤ 100 мм. Вышеперечисленные факторы, влияющие на групповую скорость волнового пакета,

дают основания полагать, что для достижения требуемой точности локации источников АЭ, мень-

шей 10 % относительно базового размера антенной решетки при пороговом методе регистрации

импульсов от источников, расположенных вблизи ПАЭ, необходимо установление зависимости

V_g= f(u_m, χ), учитывающей не только уровень амплитуды регистрируемых импульсов, но и долю

энергии высокочастотных гармоник. Поэтому более корректно групповую скорость распростране-

ния импульса в стенке изделия вычислять не по результатам тестирования с применением источни-

ка Су—Нильсена, а использовать для этого источники с медианным уровнем амплитуды сигналов,

регистрируемых в ходе предварительных экспериментов с учетом доли парциальной энергии вы-

сокочастотных составляющих спектра.

Для повышения точности локации источников АЭ используют различные методики, осно-

ванные на применении метода Δt-mapping [10—14], нейронных сетей [15—18], исследовании ча-

стотно-временных параметров регистрируемых сигналов [19—21]. Такие методики, как правило,

требуют большого количества предварительных исследований. Необходимость их проведения об-

условлена в частности тем, что в изделиях из многослойных сложно структурированных компо-

зитных материалов с локальными усилениями жесткости (стрингерами, нервюрами) имеет место

анизотропия акустических свойств, в связи с чем упругие волны могут распространяться с разны-

ми скоростями на различных участках объекта и в различных направлениях.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 18-19-

00351).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Правила организации и проведения акустико-эмиссионного контроля сосудов, аппаратов, котлов

и технологических трубопроводов (ПБ 03-593-03). Нормативные документы межотраслевого примене-

ния по вопросам промышленной безопасности и охраны недр. Серия 03. Выпуск 38 / Кол. авт. М.: НТЦ

Промышленная безопасность, 2003. 53 с.

2. ГОСТ Р ИСО 22096—2015. Контроль состояния и диагностика машин. Метод акустической эмис-

сии. М.: Стандартинформ, 2019. 8 с.

3. Иванов В.И., Барат В.А. Акустико-эмиссионная диагностика. М.: Спектр, 2017. 368 с.

4. Бигус Г.А., Даниев Ю.Ф., Быстрова Н.А., Галкин Д.И. Основы диагностики технических устройств

и сооружений. M.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2015. 445 с.

5. Серьезнов А.Н., Степанова Л.Н., Кабанов С.И., Кареев А.Е., Лебедев Е.Ю., Кожемякин В.Л.,

Рамазанов И.С., Харламов Б.М. Акустико-эмиссионный контроль авиационных конструкций / Под ред.

Л.Н. Степановой, А.Н. Серьезнова. М.: Машиностроение—Полет, 2008. 440 с.

6. Makhutov N.A., Vasil’iev I.E., Chernov D.V. et al. Influence of The Passband of Frequency Filters

on the Parameters of Acoustic Emission Pulses // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2019. V. 55.

No. 3. P. 173—180. [Махутов Н.А., Васильев И.Е., Чернов Д.В., Иванов В.И., Елизаров С.В. Влияние

полосы пропускания частотных фильтров на параметры импульсов акустической эмиссии // Дефекто-

скопия. 2019. № 3. С. 3—14.]

7. Матвиенко Ю.Г., Иванов В.И., Васильев И.Е., Чернов Д.В., Мищенко И.В. Снижение погрешности

при определении скорости распространения волнового пакета в композиционных материалах // При-

боры и техника эксперимента. 2020. № 1. С. 115—120.

8. Matvienko Yu. G., Vasil’ev I.E., Bubnov M.A. et al. Influence of Dimensions and Shape of Process

Cutouts on the Accuracy of Locating Acoustic Emission Sources // Russian Journal of Nondestructive Testing.

2020. V. 56. No. 2. P. 101—109. [Матвиенко Ю.Г., Васильев И.Е., Бубнов М.А., Чернов Д.В. Влияние

размеров и формы технологических вырезов на точность локации источников акустической эмиссии //

Дефектоскопия. 2020. № 2. С. 3—11.]

9. Матвиенко Ю.Г., Васильев И.Е., Чернов Д.В., Мищенко И.В. Повышение точности линейной ло-

кации источников акустической эмиссии / В сб.: XXXI Международная инновационная конференция

молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС - 2019). Сборник трудов кон-

ференции. 2020. С. 669—672.

10. 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). P. 856—863.

11. 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). P. 1512—1520.

Дефектоскопия

№ 9

2021

Ю.Г. Матвиенко, И.Е. Васильев, Д.В. Чернов и др.

12. 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. P. 513—524.

13. 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.

14. Kundu T. Acoustic source localization // Ultrasonics. 2014. V. 54. No. 1. P. 25—38.

15. Kalafat S., Sause M.G.R. Acoustic emission source localization by artificial neural networks // Structural

Health Monitoring. 2015. V. 14. Is. 6. P. 633—647. DOI: 1475921715607408

16. Grabowski K., Gawronski M., Staszewski W.J., Uhl T., Packo P. Acoustic emission localization through

excitability prediction and dispersion removal technique // Progress in acoustic emission XVIII, JSNDI &

IIIAE-23. December 5—9. 2016. P. 217—220.

17. Kalafat S., Bornschlegl M., Sause M.G.R. Localization of acoustic emission sources in complex three

dimensional fiber composites using artificial neural networks // Progress in acoustic emission XVIII, JSNDI &

IIIAE-23. December 5—9. 2016. P. 221—226.

18. Kurz J. New approaches for automatic three dimensional source localization of acoustic emissions —

Applications to concrete specimens // Ultrasonics. 2016. V. 63. P. 155—162.

19. Sikdar S., Mirgal P., Banerjee S., Ostachowicz W. Damage-induced acoustic emission source monitoring

in honeycomb sandwich composite structure // Composites Part B. 2019. V. 158. P. 179—188.

20. Dong L., Li X., Xie G. An Analytical Solution for Acoustic Emission Source Location for Known

P Wave Velocity System // Mathematical Problems in Engineering. 2014. P. 1—6. DOI: 10.1155/2014/290686

21. Pullin R., Baxter M., Eaton M.J., Holford K.M., Evans S.L, Novel acoustic emission source detection //

J. Acoust. Emiss. 2007. V. 25. P. 215—223.

Дефектоскопия

№ 9

2021