Акустические методы
УДК 620.179.17:539.422.5
ЛОКАЦИЯ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ ОТ УДАРНЫХ
ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ОБРАЗЕЦ ИЗ УГЛЕПЛАСТИКА ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ
АНТЕНН ИЗ ПЬЕЗО- И ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
© 2022 г. Л.Н. Степанова1,*,**, С.И. Кабанов1,**, В.В. Чернова2,**
1ФГУП «Сибирский научно-исследовательский институт авиации имени С.А. Чаплыгина»,
Россия 630051 Новосибирск, ул. Ползунова, 21
2ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет путей сообщения»,
Россия 630049 Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191
E-mail:*aergroup@ngs.ru; **stepanova@ stu.ru
Поступила в редакцию 18.02.2022; после доработки 09.03.2022
Принята к публикации 11.03.2022
Проведены сравнительные испытания, связанные с локацией сигналов акустической эмиссии (АЭ) от ударных
воздействий на образец из углепластика Т700. На образец были установлены пьезоэлектрические преобразователи
акустической эмиссии (ПАЭ) и волоконно-оптические датчики (ВОД), образующие прямоугольные локационные ан-
тенны размерами 360×280 мм. Удары осуществлялись шариками массой 10 и 18,5 г. Были организованы антенны,
состоящие из четырех датчиков ПАЭ и четырех датчиков ВОД, и антенны, состоящей из двух датчиков ПАЭ и двух
датчиков ВОД. При использовании антенны, в которой находились четыре датчика ВОД, ударное воздействие на об-
разец производилось грузом массой 530 г, сбрасываемым с высоты 400 мм.
Сигналы АЭ регистрировались системой СЦАД-16.10 с «плавающими» порогами селекции во время сброса ша-
рика и при его повторных отскоках. Затем формировались кластеры из сигналов АЭ, зарегистрированных при ударных
воздействиях грузов. Времена прихода сигналов АЭ на датчики антенн были рассчитаны пороговым методом, методом
среднего квадратического отклонения (СКО) и двухинтервальным методом. Показано, что максимальная погрешность
локации сигналов АЭ получена при сбросе стального шарика диаметром 16 мм с высоты 300 мм, а минимальная — при
использовании электронного имитатора.
Ключевые слова: углепластик, статика, удар, дефект, акустическая эмиссия, локация, погрешность, пьезоэлектри-
ческий и волоконно-оптический датчики.
DOI: 10.31857/S0130308222040017, EDN: BLAONB
ВВЕДЕНИЕ
В процессе нагружения авиационных конструкций из композиционных материалов (КМ) ис-
следуются влияния ударных повреждений, перегрузок, вызывающих их расслоение, ухудшение
прочностных и жесткостных характеристик. Возникающие при этом дефекты могут приводить к
внезапному разрушению материала углепластика. Опасность представляют собой даже относи-
тельно небольшие по мощности удары, не оставляющие видимых следов на поверхности компози-
ционной конструкции, но приводящие к возникновению внутренних дефектов [1—3].
Мониторинг и оценка развития дефектов от ударов в элементах авиационных конструкций из
углепластика требуют регистрации как процесса соударения, так и последующего контроля мате-
риала в области удара [4—5].
Для контроля конструкций из КМ применяются ультразвуковой (УЗ), рентгеновский, тепло-
визионный, оптический, акустико-эмиссионный (АЭ) и другие методы неразрушающего контроля
(НК). Метод АЭ обладает высокой чувствительностью, позволяет определять степень опасности
дефектов, в режиме реального времени локализует зону разрушения, может оценивать остаточный
ресурс конструкции.
При контроле конструкций из углепластика необходимо учитывать влияние анизотропии на
скорость распространения упругих волн от дефектов, что отражается на точности их локации. На-
личие шумов от нагружающих устройств, сложности в получении оперативной информации об
основных информативных параметрах сигналов АЭ, функционально связанных с процессами раз-
вития дефектов и разрушением конструкции — все это требует дальнейшего анализа и разработки
методов контроля, позволяющих повышать точностные характеристики.
В результатах АЭ исследований, полученных NASA, отмечается, что при регистрации ударов
в аэрокосмических конструкциях микроструктура композита оказывает влияние не только на его
прочность и механические свойства, но и на структуру самих сигналов АЭ [6]. При решении задач
локации дефектов это может приводить к снижению точностных характеристик, осложнять рас-
шифровку и обработку АЭ-информации. При разработке методик контроля, позволяющих опреде-
4
Л.Н. Степанова, С.И. Кабанов, В.В. Чернова
лять координаты, тип дефектов и степень их опасности в композиционных конструкциях, исполь-
зуются такие информативные параметры, как MARSE, структурный коэффициент, плоскостная
локация, энергия удара, амплитудное распределение [7—11].
Известно, что АЭ-системы, в основном, работают с пьезоэлектрическими преобразователями
акустической эмиссии (ПАЭ). Однако в настоящее время как в нашей стране [8, 12—14], так и за
рубежом [15—20] проводятся работы, в которых в антенны при АЭ-контроле включаются воло-
конно-оптические датчики (ВОД). Среди основных преимуществ датчиков ВОД (по сравнению с
датчиками ПАЭ) следует отметить малые габариты и массу, нечувствительность к электромагнит-
ным шумам и помехам, слабая чувствительность к вибрации, линейность амплитудно-частотной
характеристики, возможность при многоточечных измерениях использовать одно оптическое во-
локно, организация на волокне различных типов датчиков, предназначенных не только для работы
с акустическими сигналами, но и для измерения температуры и деформации [12].
Цель работы — анализ результатов локации сигналов АЭ, зарегистрированных в образце из
углепластика от ударных нагрузок с использованием АЭ-системы, работающей с различными ан-
теннами, состоящими из сочетания пьезо- и волоконно-оптических датчиков.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Для проведения испытаний использовался образец из углепластика Т700 размером
800×450×1,2 мм, на который были установлены четыре пьезоэлектрических датчика ПК 01-07
и четыре датчика ВОД Фабри—Перо, образующих прямоугольные локационные антенны раз-
мерами 360×280 мм (рис. 1). При регистрации АЭ-информации в процессе ударного нагружения
образца были организованы четыре вида антенн. Первая антенна состояла из четырех пьезоэ-
лектрических датчиков ПАЭ. Вторая и третья антенны состояли из двух пьезоэлектрических
датчиков ПАЭ и двух датчиков ВОД. В четвертой антенне были включены четыре датчика ВОД.
В результате испытаний определялись погрешности локации сигналов АЭ в процессе сбросов и
отскоках груза.
ПАЭ 3
ПАЭ 2
ВОД 7
ВОД 6
ВОД 0
ВОД 1
ПАЭ 4
ПАЭ 5
Рис. 1. Внешний вид локационной антенны с пьезоэлектрическими и волоконно-оптическими датчиками и отмеченны-
ми местами ударных воздействий на образце из углепластика.
Перед испытаниями в рабочей зоне образца были размечены 16 точек, расстояние между
которыми составляло 80 мм (см. рис. 1). Сначала использовалась первая антенна, состоящая
из четырех пьезоэлектрических датчиков ПАЭ, работающих в частотном диапазоне (100—
700) кГц. Регистрация АЭ-информации осуществлялась АЭ-системой СЦАД-16.10 с «плава-
ющими» порогами селекции (свидетельство Федерального агентства по техническому регули-
Дефектоскопия
№ 4
2022
Локация сигналов акустической эмиссии от ударных воздействий на образец...
5
рованию и метрологии RU.C.27/ 007 A №40707, регистрационный номер в Государственном
реестре средств измерений 45154—10).
Погрешности измерения координат дефектов в композиционных конструкциях, определя-
емые методом АЭ, зависят от погрешностей измерения времени прихода сигнала на датчики
антенны и погрешности определения скорости звука в рабочей зоне [4, 5]. Для измерения скоро-
сти звука в углепластике Т700 была проведена автоматическая калибровка рабочей локационной
зоны образца, при которой каждый датчик ПАЭ поочередно переводился в режим излучения, а
оставшиеся три датчика антенны работали в режиме приема.
По результатам калибровки скорость звука быстрой моды S0, распространяющейся в направ-
лении оси Х между датчиками ПАЭ 4 и ПАЭ 5 (см. рис. 1), составила Vx = 360 мм/72 мкс =
= 5,0 мм/мкс. Скорость распространения быстрой моды S0, проходящей вдоль оси Y от датчика
ПАЭ4 к датчику ПАЭ3, была равна Vy = 280 мм/48 мкс = 5,83 мм/мкс, и в направлении ХY от дат-
чика ПАЭ 4 к датчику ПАЭ 2 она составила Vxy = 456 мм/84 мкс = 5,43 мм/мкс. Таким образом,
для данного образца по скорости звука наблюдалась значительная анизотропия. По результатам
автоматической калибровки были определены координаты датчиков ПАЭ в локационной зоне в
единицах времени (мкс) для быстрой моды S0: ПАЭ4 (0 0); ПАЭ 5 (72,7; 0); ПАЭ2 (72,7; 48,5);
ПАЭ3 (0; 48,5).
Перед началом ударных испытаний в каждую из 16 отмеченных точек на образце (см.
рис. 1) вводились сигналы от имитатора. Использовалось два типа имитаторов. При ра-боте с
имитатором Су—Нильсена в каждой точке выполнялись изломы грифеля карандаша твердостью
2H, диаметром 0,5 мм, под углом 45°. При работе с электронным имитатором в каждую точ-
ку вводились электрические сигналы напряжением 80 В и длительностью 150 мкс. Сигнал с
электронного имитатора поступал на пьезоэлектрический датчик ПАЭ и переводил его в режим
излучения. После работы с имитаторами осуществлялся расчет погрешностей определения коор-
динат в каждой отмеченной точке образца.
Затем выполнялись удары, связанные со сбросом с высоты h1 = 300 мм и h2 = 600 мм сталь-
ных шариков в каждую отмеченную точку образца. Для испытаний использовались шарики диа-
метром d1 = 10 мм и массой 4,5 г, диаметром d2 =16 мм и массой 18,5 г. Точный сброс шариков в
каждую точку образца осуществлялся через трубу длиной 600 мм. Шарик диаметром d2 = 16 мм
сбрасывался с высоты h1 = 300 мм, а шарик диаметром d2 = 10 мм — с высоты h2 = 600 мм.
Энергия удара определялась как [10]
E = mgh,
(1)
где m — масса груза, кг; g —ускорение свободного падения, м/с; h — высота падения груза, м.
Таким образом, энергия при сбросе шарика массой m1 = 4,5 г с высоты h2 = 600 мм определя-
лась по формуле (1) и составила E12 = 0,026 Дж. Энергия удара при сбросе шарика массой m2 =
= 18,5 г с высоты h1 = 300 мм составила E21 = 0, 055 Дж.
Сигналы АЭ регистрировались системой как после сброса шарика, так и во время его повтор-
ных отскоков. Затем формировались кластеры из сигналов АЭ, зарегистрированных при ударных
воздействиях в каждую точку образца [21]. Было сформировано 16 кластеров и для каждого из них
определялись координаты центра как среднее значение координат всех сигналов в кластере. Для
определения координат отмеченных точек на образце выполнялась локация сигналов АЭ. Случай-
ная составляющая погрешности координат рассчитывалась по средним квадратическим отклоне-
ниям (Sxi, Syi) в каждом кластере [22].
При расчете систематическая составляющая погрешности координаты X, Y центра кластера
определялась в единицах разности времен прихода (РВП) в микросекундах и умножалась на ско-
рость быстрой моды S0 по осям X (5,0 мм/мкс) и Y (5,83 мм/мкс). Координаты центра локации
определялись в миллиметрах как [22]
Xi = xРВП × Vx; Yi = yРВП × Vy,
где i — номер точки ударного воздействия (кластера); xРВП, yРВП —координаты датчиков во времен-
ной области, мкс; Xi, Yi — измеренные координаты источника по осям X, Y, мм; Vx, Vy — скорости
распространения быстрой моды S0 по осям X, Y, мм/мкс.
Для определения погрешностей времен прихода сигналов АЭ на датчики ПАЭ проведены рас-
четы при использовании порогового метода, метода среднего квадратического отклонения (СКО) и
двухинтервального метода [7, 10].
Дефектоскопия
№ 4
2022
6
Л.Н. Степанова, С.И. Кабанов, В.В. Чернова
Время прихода по пороговому методу рассчитывалось по моменту превышения сигналом АЭ
некоторого уровня, который определялся шумом в его предыстории. При этом вводилось автомати-
ческое определение порогового уровня, в котором порог задавался как [7]
Uпор= Uшум + U доб.ш,
где Uшум — уровень шума, рассчитанный в области предыстории сигнала; U доб.ш — добавка к уров-
ню шума.
При использовании метода СКО применялось временное «окно» длительностью в несколько
микросекунд, которое накладывалось на оцифровку сигнала АЭ. В «окне» рассчитывался не-
который параметр, реагирующий на локальное изменение структуры сигнала. Данный алгоритм
значительно повышает степень достоверности определения времен прихода сигналов АЭ по
сравнению с методом, основанном на пороговой дискриминации [7]. При передвижении «окна»
по оцифровке для параметра структуры сигнала выбиралось СКО, которое характеризовало уро-
вень энергии [7, 9]:
i=T2
2
(
x
-
x
)
∑
i
ср
i=T1
σ
=
,
j
T
−T
−1
2
1
где Т1, Т2 — номера отсчетов, выполняемых аналого-цифровым преобразователем и соответствую-
щих моментам начала и окончания временного «окна»; хср — среднее значение реализации сигнала
АЭ в «окне»; i — номер точки в массиве СКО.
Преимущество метода проявляется при обработке сложных многомодовых сигналов, когда в
оцифровке присутствует несколько мод акустической волны. Подбором порогового уровня удается
настроиться на определение начала сигнала в выбранной моде [7].
Двухинтервальный метод позволяет определять время прихода сигнала АЭ, совпадающее с мо-
ментом изменения его мощности. Параметр структуры A(t) сигнала АЭ записывается в виде [7]:
t+Tок
At)
=
U t)
⋅
dt
,
∫
t
где U(t) — электрический сигнал АЭ; Tок — размер «окна» для расчета мощности сигнала.
Время прихода сигнала АЭ соответствует максимальному значению модифицированного двух-
интервального коэффициента K(t), который находится как [8]
A(t+T
)
−
A(
t-T
)
ок
ок
K t)
=
A
(t-T
)
ок
Преимущество использования двухинтервального метода состоит в том, что суммирование
параметров структуры сигналов АЭ во временном «окне» практически исключает случайные
выбросы. Это позволяет более точно определять время прихода t0 сигнала АЭ на соответству-
ющий датчик ПАЭ, а, следовательно, уменьшить разброс координат дефектов и определять их
автоматически [8].
Рассчитанные случайные составляющие погрешности для каждой точки ударного воздействия
(см. рис. 1) определялись по формулам [10, 22]:
n
n
2
2
∑
(x
i
−
x
ср
)
∑
(y
i
−
y
ср
)
i=1
i
=1
S
=
;
S
=
,
xi
yi
(n
−1)
(n
−1)
где n — число отсчетов; xi , yi — измеренные значения по осям X, Y; xср, yср — средние значения по
осям X, Y.
Дефектоскопия
№ 4
2022
Локация сигналов акустической эмиссии от ударных воздействий на образец...
7
Результирующая случайная погрешность Sxyi для каждой точки образца находится как [22]
2
2
S
=
(S
+S
),
xyi
xi
yi
где Sxi, Syi — рассчитанные СКО координат по осям X , Y, мм.
Систематическая составляющая погрешности по каждой координате оценивалась как модуль
разности координат центра кластера (Xi, Yi) и координат Xi0, Yi0, измеренных поверенной линейкой:
ΔXi = | Xi - Xi0 |;
ΔYi = | Yi - Yi0 |,
где i — номер точки ударного воздействия (кластера); Xi, Yi — измеренные координаты источ-
ника, мм.
Суммарная систематическая погрешность в каждой точке образца определялась по фор-
муле [22]:
2
2
∆XY
i
=
(∆X
i
+ ∆Y
i
),
где ΔXi, ΔYi — рассчитанные cистематические составляющие погрешности по осям X, Y, мм.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Систематическая и случайная составляющие погрешности расчета координат локации сиг-
налов АЭ при использовании антенны, состоящей из четырех ПАЭ, усреднялись по всем точкам
ударного воздействия. Результаты расчетов приведены в табл. 1, где через S1 и Δ1 обозначены
случайная и систематическая погрешности, полученные при определении координат зоны локации
при использовании электронного имитатора; через S2, Δ2 — при сбросе металлического шарика
диаметром d = 10 мм с высоты h = 600 мм; через S3, Δ3 — при сбросе с высоты h = 300 мм метал-
лического шарика диаметром d = 16 мм.
Таблица
1
Систематическая и случайная погрешности локации для различных методов расчета РВП при использовании
антенны, состоящей из четырех ПАЭ
Метод расчета РВП
S1, мм
Δ1, мм
S2, мм
Δ2, мм
S3, мм
Δ3, мм
1,8
5,4
3,5
6,1
7,7
10,2
СКО
1,0 %
7,7 %
2,5 %
5,7 %
2,4 %
7,7 %
1,7
5,4
4,3
6,1
23,4
22,0
Пороговый
0,6 %
1,9 %
1,6 %
2,2 %
8,4 %
7,9 %
7,2
6,7
9,4
7,9
23,9
15,6
Двухинтервальный
2,6 %
2,4 %
3,0 %
2,7 %
8,6 %
5,6 %
Времена прихода сигналов АЭ для быстрой моды S0 определялись методом СКО [7]. Затем по
триангуляционным формулам рассчитывались значения координат источника сигналов в единицах
РВП.
Для общей оценки погрешности метода измерения координат Х, Y использовалось среднее
значение систематической составляющей погрешности и среднее значение случайной погреш-
ности для двух точек (см. рис. 1) ударного воздействия. Сводные значения погрешностей при-
ведены в табл. 2, где ΔX, ΔY — средние значения систематических погрешностей определения
координат X, Y.
Как следует из табл. 2, систематическая составляющая погрешности увеличивается вместе со
случайной составляющей. Минимальные погрешности получены при использовании электронно-
го имитатора. Сравнивая погрешности локации сигналов АЭ при использовании различных ме-
тодов расчета (см. табл. 1), можно отметить, что наименьшие средние значения систематической
и случайной составляющих погрешности получены методом СКО при сбросе шарика диаметром
Дефектоскопия
№ 4
2022
8
Л.Н. Степанова, С.И. Кабанов, В.В. Чернова
Таблица
2
Усредненные значения систематической и случайной погрешностей определения координат X, Y для различных
имитаторов сигналов АЭ
Вид имитатора сигналов АЭ
ΔX, мм
ΔY, мм
SX, мм
SY, мм
1,4
5,2
1,0
1,5
Электронный имитатор
0,4 %
1,9 %
0,3 %
0,5 %
2,6
6,4
1,8
1,6
Имитатор Су—Нильсена
0,7 %
2,3 %
0,5 %
0,6 %
2,9
5,3
2,6
2,4
Сброс шарика диаметром d =10 мм с высоты h = 600 мм
0,8 %
1,9 %
0,7 %
0,9 %
3,3
5,0
2,9
3,7
Сброс шарика диаметром d =10 мм с высоты h = 300 мм
0,9 %
1,8 %
0,8 %
1,3 %
3,2
6,8
3,7
5,4
Сброс шарика диаметром d =16 мм с высоты h = 600 мм
0,9 %
2,4 %
1,0 %
1,9 %
3,8
9,5
4,5
6,3
Сброс шарика диаметром d =16 мм с высоты h = 300 мм
1,1 %
3,4 %
1,3 %
2,3 %
d = 10 мм с высоты h = 600 мм. Наибольшие погрешности определения координат от ударного воз-
действия получены при сбросе на образец шарика диаметром 16 мм с высоты 300 мм.
Для оценки погрешности измерения времени прихода сигнала АЭ использовался двухинтер-
вальный коэффициент. Для планарной локации сигналов АЭ при использовании антенны, состоя-
щей из трех каналов, выбирался канал с минимальным двухинтервальным коэффициентом, так как
он вносит наибольшую погрешность в расчете времен прихода. Рассчитана корреляция среднего
значения этого коэффициента по точкам ударного воздействия с величиной случайной погрешно-
сти координат. Этот коэффициент соответствует соотношению сигнал/шум во временной области
сигнала, где определяется время прихода.
Форма сигнала АЭ при работе имитатора значительно отличается от формы сигнала, получен-
ного от сброса металлического шарика. При этом уменьшается амплитуда быстрой моды S0, время
прихода которой считается временем прихода сигнала во всех рассматриваемых алгоритмах рас-
чета. Основные отличия при всех методах ударного воздействия на композиционный образец за-
ключаются в изменении соотношения амплитуд быстрой S0 и медленной A0 мод. Также отличия
наблюдаются и в спектре сигналов АЭ, так как при ударных воздействиях энергия в спектре не-
значительно смещается в низкочастотную область (табл. 3).
Таблица
3
Параметры формы и спектра сигналов АЭ, полученных с датчика ПАЭ 3 в точке 6 (см. рис. 1) образца для раз-
личных видов воздействия
Отношение
Отношение
Медианная
Отношение сигнал/
амплитуды
Двухинтервальный
сигнал/ шум
частота
Вид имитатора сигналов АЭ
шум для медленной
медленной моды
коэффициент K(t)
для быстрой
спектра Fмед,
моды S/Na0
к быстрой моде
моды S/Ns0
кГц
Pa0/s0
Электронный имитатор
101,8
106,6
334,3
126
3,13
Имитатор Су—Нильсена
45,6
67,02
348,6
113
5,2
Сброс шарика диаметром
10,88
44,75
400
111
8,94
d =10 мм с высоты h =600 мм
Сброс шарика диаметром
7,4
36,26
420
109
11,58
d =10 мм с высоты h = 300 мм
Сброс шарика диаметром
7,55
28,26
502,2
115
17,77
d =16 мм с высоты h = 600 мм
Сброс шарика диаметром
6,35
36,58
639,58
117
17,48
d =16 мм с высоты h =300 мм
В табл. 3 через K (t) обозначено среднее значение двухинтервального коэффициента по всем
сигналам в точке начала сигнала быстрой S0 моды. Через S/Ns0, S/Na0 обозначено отношение
Дефектоскопия
№ 4
2022
Локация сигналов акустической эмиссии от ударных воздействий на образец...
9
сигнал/шум, определяемое отношением максимального размаха сигнала к размаху шума
в предыстории для быстрой S0 и медленной A0 моды. Через Fмед обозначена медианная частота
спектра сигнала АЭ, а через Pa/s — отношение амплитуды медленной моды к амплитуде быстрой
моды.
Основным отличием сигналов от ударного воздействия стального шарика является увеличение
коэффициента отношения амплитуд (см. табл. 3) медленной и быстрой моды Pa/s и уменьшение
среднего значения двухинтервального коэффициента K(t).
Для оценки погрешности определения координат источника применялась антенна, состоящая
из четырех датчиков ВОД. Регистрацию сигналов АЭ осуществляли восьмиканальным модулем
АЭ-системы СЦАД-16.10, где на четыре канала были подключены пьезоэлектрические датчики
ПАЭ, а на другие четыре канала — датчики ВОД (см. рис. 1). Процесс автокалибровки зоны лока-
ции имел особенность, связанную с тем, что сигнал от датчиков ВОД превышал порог селекции
только от ближайшего излучающего датчика ПАЭ электронного имитатора. При этом скорость
звука по сигналам ВОД в процессе автокалибровки с использованием электронного имитатора
определить не удалось. Скорость звука определяли при калибровке от сброса шарика в точке за
пределами зоны локации на линии между парой датчиков ВОД.
На рис. 2а приведена форма сигнала АЭ при сбросе шарика диаметром 10 мм за пределами
зоны локации между пьезоэлектрическими датчиками ПАЭ 4 и ПАЭ5, а на рис. 2б — форма сиг-
нала АЭ при сбросе этого шарика между датчиками ВОД 0 и ВОД 1. Расстояние между этими дат-
чиками равно 360 мм, скорость звуковой волны быстрой моды S0 по результатам измерения РВП
пьезоэлектрических датчиков ПАЭ 4 и ПАЭ 5 составила Vx = 360 мм/70 мкс = 5,14 мм/мкс.
а
б
Время прихода
Время прихода
Канал 4
Канал 5
Время, мкс
Время, мкс
г
в
Время прихода
T1
Канал 0
Канал 1
Время, мкс
Время, мкс
Рис. 2. Форма сигналов при калибровке зоны локации сбросом шарика диаметром 10 мм: сигнал на выходе датчика
ПАЭ 4 (а); датчика ПАЭ 5 (б); сигнал на выходе датчика ВОД 0 (в); датчика ВОД 1 (г).
Время прихода сигнала АЭ на датчик ВОД 0 находилось надежно (рис. 2в). Время прихода на
датчик ВОД 1 визуально определялось как T1 (рис. 2г). Для времени прихода T1 РВП равно 62 мкс,
а скорость Vx = 350 мм/62 мкс = 5,64 мм/мкс. Калибровка с использованием датчиков ВОД дает
Дефектоскопия
№ 4
2022
10
Л.Н. Степанова, С.И. Кабанов, В.В. Чернова
Таблица
4
Рассчитанные усредненные по точкам ударного воздействия значения систематической и случайной погрешности
определения координат X, Y для четырех зон локации при использовании датчиков ПАЭ и ВОД
Номер зоны
Локализованные
ΔX, мм
ΔY, мм
SX, мм
SY, мм
локации
события, %
4,2
8,6
2,3
3,3
1
98,8
1,2 %
3,1 %
0,6 %
1,2 %
9,7
32,3
8,9
31,7
2
78,1
2,7 %
11,5 %
2,5 %
11,3 %
36,6
62,3
7,3
37,8
3
61,0
10,2 %
22,3 %
2,0 %
13,5 %
64,6
68,2
44,0
56,6
4
53,7
17,9 %
24,4 %
12,2 %
20,2 %
большую погрешность в определении скорости быстрой моды S0, поэтому для расчетов координат
применялись результаты калибровки, полученные пьезодатчиками ПАЭ 4, ПАЭ 5.
Результаты расчетов координат для случая сброса шарика диаметром 10 мм с высоты
600 мм для локационных зон, составленных из комбинаций датчиков ПАЭ и ВОД, приведены в
табл. 4. В данной таблице зона локации 1 составлена из четырех пьезоэлектрических датчиков
ПАЭ (ПАЭ 2, ПАЭ 3, ПАЭ 4, ПАЭ 5). В зону локации 2 были включены два датчика ВОД и два
пьезоэлектрических датчика ПАЭ (ВОД 0, ВОД 1, ПАЭ 2, ПАЭ 3). Зона локации 3 состояла из
двух датчиков ВОД и двух пьезоэлектрических датчиков ПАЭ (ПАЭ 4, ПАЭ 5, ВОД 6, ВОД 7).
Зона 4 состояла из четырех датчиков ВОД (ВОД 0, ВОД 1, ВОД 6, ВОД 7). В процессе организа-
ции различных антенн датчики ПАЭ и ВОД на образце не перемещались.
Погрешности локации в зонах 2, 3 значительно увеличиваются при включении в антенну
двух датчиков ВОД по сравнению с зоной 1 (см. табл. 4). Увеличение погрешности опреде-
ления координат связано с низкой амплитудой сигналов, регистрируемых датчиками ВОД,
вызванной их низкой чувствительностью и погрешностями в определении времени прихода
сигналов.
При использовании антенны, состоящей из четырех ПАЭ и образующей зону 1, были лока-
лизованы все ударные воздействия, наносимые в 16 точках (рис. 3а). Усредненная погрешность
локации по всем точкам в данном случае составила 4,2 мм по оси X и 8,6 мм по оси Y. При этом
локализовано было 98,8 % из всех зарегистрированных (см. табл. 4) сигналов.
Замена двух датчиков ПАЭ на датчики ВОД привела к значительному снижению точности
определения координат локализованных сигналов АЭ. Были проанализированы результаты опре-
деления координат сигналов АЭ для зон локации 2 (рис. 3б) и 3 (рис. 3в).
Точность локации сигналов АЭ в зоне 2 была выше, чем в зоне 3 (см. табл. 4). Системати-
ческая составляющая погрешности по оси X в зоне 2 была в четыре раза меньше, чем в зоне 3
и составила 9,7 мм. По оси Y систематическая погрешность была равна 32,3 мм, что в два раза
меньше, чем в зоне 3. Кроме того, в зоне 2 было локализовано на 18 % сигналов больше, чем в
зоне 3 (см. рис. 3б).
На рис. 3в показаны результаты локации при использовании антенны, образующей зону 3.
При этом доля локализованных сигналов АЭ снизилась до 61 % от всех зарегистрированных,
а погрешности стали составлять 36,6 мм по оси X и 62,3 мм по оси Y (см. табл. 4). Максималь-
ная суммарная амплитуда сигналов, локализованных в зоне 1, была в два раза больше, чем в
зоне 3. Таким образом, включение во вторую и третью антенны различных датчиков ВОД (см.
рис. 3б—в) оказывало влияние на точность результатов локации. Это определяется низкой чув-
ствительностью и разбросом характеристик датчиков ВОД.
При использовании антенны, состоящей из четырех датчиков ВОД, не было получено лока-
ции сигналов АЭ при сбросе стального шарика массой 18,5 г на образец. Поэтому для получе-
ния устойчивой локации сигналов АЭ использовалось ударное воздействие, наносимое грузом
массой m = 530 г с тупым наконечником [10]. Сброс груза выполнялся с высоты h1 = 200 мм и
h2 = 400 мм. Значения энергии от падения груза массой m = 530 г по формуле (1) составили
Дефектоскопия
№ 4
2022
Локация сигналов акустической эмиссии от ударных воздействий на образец...
11
а
б
2,3
1,0
2,1
0,9
1,9
0,8
1,6
0,7
1,4
0,6
1,2
0,5
0,9
0,4
0,7
0,3
0,5
0,2
0,2
0,1
0
0
в
г
1,0
1,2
1,1
0,9
1,0
0,8
0,9
0,7
0,8
0,6
0,7
0,5
0,6
0,5
0,4
0,4
0,3
0,3
0,2
0,2
0,1
0,1
0
0
Рис. 3. Локация сигналов АЭ при использовании пьезоантенн, состоящих из четырех ПАЭ (а); из двух ПАЭ и двух ВОД
(б— в); из четырех ВОД (г).
E1 = 1 Дж при высоте сброса h1 = 200 мм и E2 = 2 Дж при высоте h2 = 400 мм. При этом макси-
мальная амплитуда локализованных сигналов АЭ (рис. 3г) была равна 0,6 В. При сбросе груза
массой m = 530 г в четыре размеченные точки 5, 8, 10 и 11 образца (см. рис. 1) позволило полу-
чить локацию, показанную на рис. 3г.
При нанесении ударного повреждения груз сбрасывался с высоты h2 = 400 мм. В процессе
испытания было зарегистрировано 62 сигнала АЭ, из которых 28 соответствовали ударам, а
остальные — отскокам груза и шумам. Для оценки погрешностей была выполнена фильтрация
и выбраны только полезные сигналы. В табл. 5 приведены результаты расчета систематической
и случайной погрешностей для точек 5, 8, 10, 11, показанных на рис. 1. Наибольшее значения
погрешности определения координат было получено в области локации при ударе в точке 5.
Суммарная систематическая составляющая погрешности составила ΔXY = 54,3 мм, а суммарная
случайная — SXY = 23,2 мм. Наиболее высокая точность наблюдалась при ударе в точке 8. При
этом систематическая и случайная составляющие погрешности были равны ΔXY = 9,7 мм и
SXY = 10,6 мм.
Отмечалось, что при обработке АЭ-информации, зарегистрированной датчиками ВОД, сниже-
ние точности локации было связано с их низкой чувствительностью и как следствие этого — со
сложностями определения времен прихода сигналов АЭ.
Дефектоскопия
№ 4
2022
12
Л.Н. Степанова, С.И. Кабанов, В.В. Чернова
Таблица
5
Рассчитанные значения систематической и случайной погрешности определения координат X, Y при нанесении
ударных повреждений в точках 5, 8, 10, 11 образца и использовании антенны, состоящей из четырех ВОД
Номер точки
ΔX, мм
ΔY, мм
SX, мм
SY, мм
ΔXY, мм
SXY, мм
(см. рис. 1)
22,3
49,5
8,1
21,7
54,9
23,2
5
6,2 %
17,7 %
2,2 %
7,8 %
18,7 %
8,1 %
9,1
3,5
9,0
5,6
9,7
10,6
8
2,5 %
4,4 %
2,3 %
2,0 %
2,8 %
3,2 %
23,7
1,0
7,8
17,6
23,7
19,3
10
6,6 %
0,3 %
2,2 %
6,3 %
6,6 %
6,7 %
8,4
8,8
22,2
7,8
12,1
23,5
11
2,3 %
3,1 %
6,2 %
2,8 %
3,9 %
6,8 %
ВЫВОДЫ
1. Проанализированы методики определения времен прихода сигналов АЭ на датчики антен-
ны. Установлено, что наименьшие погрешности локации от ударов стальным шариком диаметром
10 мм с высоты 600 мм достигаются при использовании антенны, состоящей из четырех ПАЭ с
применением метода СКО при определении времен прихода сигналов АЭ. При этом усредненная
погрешность локации по оси Х составила 4,15 мм, а по оси Y — 8,6 мм (см. табл. 4). Было локали-
зовано 98,8 % из всех зарегистрированных сигналов. Наибольшие погрешности (см. табл. 2) опре-
деления координат от ударного воздействия получены при сбросе на образец шарика диаметром
16 мм с высоты 300 мм.
2. При испытаниях все датчики устанавливались на образец один раз, после чего за счет их раз-
личных сочетаний, были рассмотрены четыре локационные антенны. Это позволило эксперимен-
тально определить погрешности локации при нанесении ударных повреждений для четырех типов
антенн и проанализировать возможности их практического использования.
3. Использование антенны, состоящей из двух датчиков ПАЭ на датчики ВОД привела к сниже-
нию точности определения координат локализованных сигналов АЭ. При этом удары наносились
шариком диаметром 10 мм, сбрасываемым с высоты 600 мм. Доля локализованных сигналов АЭ
снизилась до 61,0 % от всех зарегистрированных, а погрешности стали составлять 36,6 мм по
оси X и 62,3 мм по оси Y.
4. В случае использования антенны, состоящей из четырех датчиков ВОД, из-за их низкой чув-
ствительности удары, наносимые шариками, АЭ-системой не локализовались. Поэтому для ис-
следования возможностей локации энергию удара увеличили и использовали груз массой 530 г,
сбрасываемый с высоты 400 мм. При этом минимальные значения систематической и случайной
погрешности составили ΔXY = 9,7 мм и SXY = 10,6 мм.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фейгенбаум Ю.М., Миколайчук Ю.А., Метелкин Е.С., Батов Г.П. Место и роль неразрушающего
контроля в системе поддержания летной годности композитных конструкций // Научный вестник Гос-
НИИ ГА. 2015. № 9. С. 71—82.
2. Фейгенбаум Ю.М., Дубинский С.В. Влияние случайных эксплуатационных повреждений на проч-
ность и ресурс конструкции воздушных судов // Научный вестник МГТУ ГА. 2013. № 187. С. 83—91.
3. Чернышев С.Л., Зиченков М.Ч., Смотрова С.А., Новоторцев В.М., Музафаров А.М. Технология
обнаружения малозаметных ударных повреждений силовых элементов авиационных конструкций из
полимерных композиционных материалов с использованием ударочувствительных полимерных покры-
тий с оптическими свойствами // Конструкции из композиционных материалов. 2018. № 4. С. 48—53.
4. Барсук В.Е., Степанова Л.Н., Чернова В.В., Кабанов С.И. Локация зон разрушения при прочност-
ных испытаниях фюзеляжа самолета из углепластика // Полет. 2017. № 2. С. 21—26.
5. Барсук В.Е., Серьезнов А.Н., Степанова Л.Н., Чернова В.В. Акустико-эмиссионный контроль де-
фектов кессона крыла самолета из углепластика в процессе статического и ударного нагружения // По-
лет. 2019. № 5. С. 17—24.
Дефектоскопия
№ 4
2022
Локация сигналов акустической эмиссии от ударных воздействий на образец...
13
6. Madaras E. Highlights of NASA’s role in developing state-of-the-art nondestructive evaluation for
composites: NASA Document ID 20050050900 / Presented at the American Helicopter Sosiety Hampton
Roads Chapter Structure Specialist Meeting. Williamsburg, VA, 30 Oct.—1 Nov. 2001.
7. Серьезнов А.Н., Степанова Л.Н., Муравьев В.В., Комаров К.Л., Кареев А.Е., Кабанов С.И., Лебе-
дев Е.Ю., Кожемякин В.Л., Бобров А.Л., Боярркин Е.В., Муравьев М.В., Бехер С.А. Диагностика объек-
тов транспорта методом акустической эмиссии. М.: Машиностроение / Машиностроение—Полет, 2004.
368 с.
8. Серьезнов А.Н., Степанова Л.Н., Кабанов С.И., Рамазанов И.С., Чернова В.В., Кузнецов А.Б. Ло-
кация сигналов акустической эмиссии в образцах из дюралюминия и углепластика с использованием
антенны, состоящей из волоконно-оптических датчиков и пьезопреобразователей // Контроль. Диагно-
стика. 2021. № 2. С. 18—29.
9. Степанова Л.Н., Петрова Е.С., Чернова В.В. Прочностные испытания лонжерона из углепла-
стика с использованием методов акустической эмиссии и тензометрии // Дефектоскопия. 2018. № 4.
С. 24 —30.
10. Степанова Л.Н., Чернова В.В., Милосердова М.А. Акустико-эмиссионный контроль процесса
разрушения образцов и кессона крыла из углепластика от ударных нагрузок // Контроль. Диагностика.
2020. Т. 23. № 9. С. 4—11.
11. Бехер С.А., Попков А.А. Временные характеристики потока сигналов акустической эмиссии при
развитии трещин в стекле при ударном нагружении // Вестник ИжГТУ имени М.Т. Калашникова. 2019.
Т. 22. № 1. С. 62—71.
12. Бочкова С.Д., Волковский С.Д., Ефимов М.Е., Дейнека И.Г., Смирнов Д.С., Литвинов Е.В. Метод
локализации воздействия в композитном материале с помощью волоконно-оптических датчиков аку-
стической эмиссии // Приборы и техника эксперимента. 2020. № 4. С. 73—77.
13. Башков О.В., Ромашко Р.В., Зайков В.И., Панин С.В., Безрук М.Н., Кхун Х.Х.А., Башков И.О.
Детектирование сигналов акустической эмиссии волоконно-оптическими интерференционными пре-
образователями // Дефектоскопия. 2017. № 6. С. 18—25.
14. Федотов М.Ю., Будадин О.Н., Козельская С.О. Особенности технологии оптического нераз-
рушающего контроля композитных конструкций волоконно-оптическими датчиками // Конструкции из
композиционных матеиалов. 2020. № 2. С. 52—55.
15. Yu F., Okabe Y., Wu Q., Shigeta N. Damage type identification based on acoustic emission detection
using a fiber —optic sensor in carbon fiber reinforced plastic laminates / 32-nd European Conference on
Acoustic Emission Testing. Prague, Czech Republic, September 07—09, 2016.
16. Lexmann M., Bueter A., Schwarzaupt O. Structural Health Monitoring of composite aero-space
structures with Acoustic Emission // Journal of Acoustic Emission. 2018. V. 35. P. 172—193.
17. Soman R., Wee J., Peters K. Optical Fiber Sensors for Ultrasonic Structural Health Monitoring:
18. Willberry J. O., Papaelias M., Fernando G. F. Structural Health Monitoring Using Fibre Optic Acoustic
Emission Sensors // Sensors. 2020. V. 20. P. 6369. DOI:10.3390/s20216369
19. Yu F., Okabe Y. Fiber-optic sensor-based remote acoustic emission measurement in a 1000 °C
environment // Sensors. 2017. V. 17. P. 2908.
20. Tada K., Yuki H. Detection of acoustic emission signals with the fabry-perot interferometer type optical
fifiber sensor // Journal of Acoustic Emission. 2017. V. 34. P. S38—S41.
21. Попков А.А., Бехер С.А. Применение пространственной корреляции параметров сигналов аку-
стической эмиссии для решения задач кластеризации источников // Интеллектуальные системы в про-
изводстве. 2020. Т. 18. № 4. С. 30—38. DOI: 10.22213/2410-9304-2020-30-38
22. Гончаров А.А., Копылов В.Д. Метрология, стандартизация и сертификация в строительстве:
учебное пособие. М.: ООО Издательство «КноРус», 2022. 232 с.
Дефектоскопия
№ 4
2022
