Приборы и техника эксперимента, 2020, № 1, стр. 115-120

ВВЕДЕНИЕ

Своевременное и точное определение координат источников акустической эмиссии (а.э.), генерируемой динамической перестройкой структурных связей конструкционного материала в процессе его деформации в местах развивающихся дефектов и повреждений, находящихся в зонах концентраторов напряжений несущих элементов конструкций, является чрезвычайно важной задачей.

Расчет координат источника а.э.-событий осуществляется по двум параметрам: разности времен прихода (р.в.п.) акустического сигнала на преобразователи а.э. антенной решетки и скорости распространения V_g волнового пакета в стенке исследуемого изделия [1]. Согласно нормативному документу [2], значение V_g определяется из предварительных испытаний, а значение порога дискриминации импульсов а.э. (u_th) – из условия u_th≥ u_n + 6 дБ, где u_n – максимальный уровень механических и электромагнитных шумов.

Одной из основных проблем, возникающих при построении координатной локации, является высокая активность шумовых сигналов. Корректная настройка параметров а.э.-системы, в том числе выбор частотных характеристик цифровых фильтров [3], исключает влияние большей части механических и электромагнитных помех на результаты а.э.-диагностики [4, 5], что повышает вероятность выявления развивающихся повреждений.

На результаты вычисления координат а.э.-событий существенное влияние оказывает корректность определения параметра V_g. Стандартный алгоритм расчета скорости распространения акустического сигнала не учитывает такие факторы, как уровень диссипации энергии а.э.-импульса в композитном материале, геометрию изделия, а также явления дисперсии, интерференции и реверберации.

В результате совместного воздействия указанных факторов импульс а.э. в процессе прохождения акустического канала от источника до приемного преобразователя “расплывается”, трансформируясь в волновой пакет различных мод, каждая из которых имеет свою частоту и скорость распространения в стенке объекта [1]. Изменение формы, времени нарастания и амплитуды осциллирующего импульса а.э., регистрация которого осуществляется пороговым методом, приводит к повышению погрешности при расчете параметра V_g, а следовательно, к снижению точности координатной локации источников а.э.-событий.

Одним из возможных способов повышения точности локации источников а.э.-событий является применение методики Δt-mapping [6–8]. Эта методика предусматривает предварительное тестирование исследуемого элемента изделия с применением имитатора Су-Нильсена. По результатам такого тестирования строится корреляционная зависимость, связывающая значения р.в.п. и координат источников а.э.-событий. При этом для корректной работы такого алгоритма и достижения требуемой точности локации на этапе предварительного тестирования необходимо накопить большой объем экспериментальных данных, что существенно повышает трудоемкость и увеличивает время а.э.-контроля.

Задача данной работы заключалась в изучении причин значительных колебаний скорости распространения волнового пакета в ближней зоне от источника излучения при пороговом методе регистрации импульсов преобразователями а.э., а также в разработке способов их минимизации при проведении а.э.-диагностики изделий из композитных материалов.

МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проводились на панели размером 960 × 600 × 6 мм из полимерного композитного материала (ПКМ), полученной по технологии вакуумной инфузии. На рис. 1 показана схема расположения источника а.э.-импульсов и двух приемных преобразователей (ПАЭ₁ и ПАЭ₂), используемая при измерении времени прихода импульсов на ПАЭ и вычислении скорости распространения а.э.-импульса в композитной панели.

Рис. 1.

Схема расположения источника генерации акустических сигналов (преобразователя SE-1000) и приемных преобразователей R15α (ПАЭ₁ и ПАЭ₂) при определении скорости распространения а.э.-импульса.

В качестве источника излучения а.э.-импульсов использовался электронный имитатор “Интерюнис” с широкополосным преобразователем SE-1000 фирмы “Dunegan”, имеющий усеченный конический излучатель диаметром 2 мм. Приемниками а.э.-импульсов служили резонансные преобразователи R15α фирмы “Mistras”. Сбор и обработка регистрируемых а.э.-импульсов осуществлялись с помощью восьмиканальной системы A-line 32D производства ООО “ИнтерюнисИТ ”.

В ходе проводимых экспериментов источник излучения а.э.-импульсов и приемный преобразователь ПАЭ₁ неподвижно закрепляли на поверхности панели, а ПАЭ₂ смещали относительно последнего на 10 мм в каждом новом измерении р.в.п. При измерениях параметра Δt ПАЭ₂ прижимали к поверхности композитной пластины грузом весом 20 Н. Исследования проводили при изменении расстояния между ПАЭ₁ и ПАЭ₂ в интервале от 20 до 300 мм. Такой выбор верхней границы интервала проводимых измерений обусловлен тем, что наибольший размер локационной решетки в условиях проведения планарной локации а.э.-событий в изделиях из ПКМ не превышает 300 мм [3]. При дальнейшем увеличении базового размера (ΔХ) локационной решетки амплитуда основного массива импульсов снижается до порогового уровня u_th, вследствие чего количество регистрируемых а.э.-событий резко сокращается (практически на порядок), а при размерах ΔХ > 500 мм источники а.э.-событий практически не регистрируются.

На рис. 2 представлены графики изменения параметров Δt (рис. 2а) и V_g (рис. 2б) при увеличении расстояния ΔХ между преобразователями от 20 до 300 мм. Экспериментальные данные изменения параметра Δt в интервале ΔХ = 20–300 мм на рис. 2а могут быть аппроксимированы следующей линейной зависимостью:

Рис. 2.

Графики изменения разности времени прихода Δt (а) и скорости распространения волнового пакета V_g (б) при смещении положения ПАЭ₂ относительно ПАЭ₁ в интервале от 20 до 300 мм. 1 – по результатам разделения ближней и дальней зон; 2 – по исходным данным.

Из анализа этих данных следует, что область проводимых измерений ΔХ = 20–300 мм может быть разбита на две зоны: ближнюю к а.э.-источнику – ΔХ ≤ 110 мм и дальнюю – Х ≥ 120 мм. Такое разделение связано с влиянием высокочастотных мод волнового пакета а.э.-импульса на момент пересечения фронтом нарастающего импульса порога дискриминации сигналов. При малом расстоянии между ПАЭ (ΔХ = 20–110 мм) даже незначительные колебания приращения параметра Δt существенным образом сказываются на вычисляемых значениях V_g. Это хорошо прослеживается на графике 1 рис. 2б, где в интервале ΔХ = 20–110 мм наблюдаются флуктуации скорости распространения волнового пакета от V_g = 7.5 мм/мкс при 30 мм до V_g = 5.45 мм/мкс при 110 мм, возникающие вследствие колебаний приращения параметра Δt в пределах 1–2 мм/мкс (см. рис. 2а). Увеличение расстояния между приемными преобразователями, ΔХ ≥ 120 мм, и быстрое затухание высокочастотных составляющих в дальней зоне приводят к снижению колебаний приращения параметра Δt, а следовательно, и к уменьшению флуктуаций скорости в интервале ΔХ = 120–300 мм. Как следует из графика 1 на рис. 2б, в дальней зоне, по мере удаления ПАЭ₂ от источника излучения, значение скорости постепенно возрастает, достигая V_g = 6 мм/мкс и стабилизируясь в интервале 250–300 мм.

Для снижения флуктуаций скорости распространения волнового пакета в области проводимых исследований были применены такие зависимости для аппроксимации зарегистрированных значений р.в.п. в исследуемых зонах, согласно которым переменная составляющая Δt_к колебаний приращений параметра Δt, вызванных воздействием высокочастотных мод а.э.-импульса, при ΔХ → 0 также стремилась к нулю. Линейная аппроксимация зарегистрированных значений р.в.п. в ближней и дальней зонах позволила получить следующие зависимости:

Согласно графику 2 на рис. 2б, разделение исследуемого интервала ΔХ = 20–300 мм на ближнюю и дальнюю зоны позволило заметно улучшить корреляцию замеров параметра Δt за счет снижения влияния переменной составляющей Δt_к колебаний приращения параметра Δt на шагах проводимых измерений и, следовательно, уменьшить флуктуации скорости в исследуемых зонах. При этом расхождение между максимальным и минимальным значениями скорости в ближней зоне не превышало ΔV_g = 6.62–5.57 = 1.05 мм/мкс, т.е. 15% от максимального уровня.

В дальней зоне при ΔХ = 120–300 мм флуктуации скорости распространения волнового пакета не превышали 4.5% от среднего выборочного значения, составляющего V_g = 6.57 мм/мкс. Необходимо отметить, что применение такого способа повышения точности расчета скорости распространения волнового пакета возможно лишь в том случае, когда известны геометрические размеры ближней и дальней зон в стенке исследуемого изделия.

Для подтверждения сказанного на рис. 3 приведены формы волн и вейвлет-спектрограммы импульсов а.э., зарегистрированных ПАЭ₁ и ПАЭ₂ на различных расстояниях от источника излучения – преобразователя SE-1000.

Рис. 3.

Формы волн (а, в, д) и вейвлет-спектрограммы импульсов а.э. (б, г, е), зарегистрированных ПАЭ₂ на расстояниях: 30 мм (а, б), 90 мм (в, г) и 130 мм (д, е) – от источника а.э.

Для сигнала, зарегистрированного на расстоянии 30 мм от источника а.э., характерно сильное влияние высокочастотных мод (рис. 3б), поэтому основная энергия спектра регистрируется в интервале 200–350 кГц. При удалении приемника ПАЭ₂ на расстояние 90 мм от источника а.э. (рис. 3г) доля высокочастотных составляющих спектра заметно снижается. При дальнейшем увеличении расстояния до 130 мм высокочастотные составляющие существенно затухают. Основная энергия импульса а.э., как следует из рис. 3е, регистрируется в диапазоне частот 100–200 кГц.

Следствием такого интенсивного затухания высокочастотных составляющих волнового пакета в композитной пластине является заметно меньшая флуктуация вычисляемых значений скорости, которая на расстоянии 250–300 мм стабилизируется и, как показали проведенные эксперименты, при дальнейшем увеличении расстояния до ΔХ  > 300 мм практически не изменяется.

Как правило, при определении скорости в условиях проведения а.э.-диагностики натурных конструкций из ПКМ геометрические размеры ближней и дальней зон затухания а.э.-импульса могут существенным образом изменяться в зависимости от толщины стенки изделия, наличия и расположения ребер жесткости и многих других факторов. Поэтому рассмотренный выше способ определения скорости распространения волнового пакета имеет достаточно ограниченное применение.

Для уточнения времени прихода импульса на преобразователи а.э. и вычисления скорости распространения волнового пакета применен способ, заключающийся в подборе уровня порога дискриминации сигналов, при котором временные колебания пересечения фронтом нарастающего импульса порога u_th минимальны. На рис. 4 показана схема действия алгоритма такого способа, реализуемого посредством вычисления оптимального уровня порога u_th дискриминации сигнала.

Рис. 4.

Схема уменьшения погрешности измерения р.в.п. за счет выбора оптимального уровня порога дискриминации сигналов а.э.

На первом этапе разработанного алгоритма осуществляется построение огибающей при помощи кусочно-линейной аппроксимации локальных максимумов переднего фронта импульса а.э. Далее вычисляется уровень порога u_th, при котором колебания параметра Δt в ближней зоне от источника будут минимальными. Для этого определяются моменты τ' пересечения аппроксимирующей функцией порога дискриминации при изменении уровня u_th от 30 дБ (30.6 мкВ) до 60 дБ (918.2 мкВ). На основании установленных значений τ' проводится пересчет параметра Δt и рассчитываются новые значения скорости в заданном интервале ΔХ. Статистическая оценка уровня флуктуации вычисляемых значений скорости осуществляется по среднеквадратическому отклонению (с.к.о.) для полученной выборки значений V_g. На рис. 5 показано изменение с.к.о. скорости распространения импульса а.э. (${{S}_{{{{V}_{g}}}}}$) в зависимости от уровня порога дискриминации сигналов.

Рис. 5.

Зависимость изменения с.к.о. скорости распространения ${{S}_{{{{V}_{g}}}}}$ импульса а.э. от уровня порога u_th дискриминации сигналов.

В ходе тестирования разработанного алгоритма значение u_th повышалось от 30 до 60 дБ с шагом 0.5 дБ. Наибольший разброс параметра V_g был зафиксирован при уровне порога u_th = 30 дБмкВ. Этот результат обусловлен тем, что при таком уровне порога регистрируемые импульсы содержат значительную долю высокочастотных составляющих, влияющих на величину приращения параметра Δt. Увеличение уровня порога u_th вызывает снижение переменной составляющей Δt_к, влияющей на приращение параметра Δt на шагах проводимых измерений, и соответственно уменьшает флуктуации значений скорости распространения а.э.-импульса. Минимальный уровень с.к.о., равный ${{S}_{{{{V}_{g}}}}}$ = 0.238 мм/мкс, был получен при величине порога дискриминации u_th = 50.5 дБмкВ.

Рассматриваемая методика, предназначенная для корректного определения групповой скорости волнового пакета, используется на этапе тестовых испытаний при выборе оптимальных настроек акустико-эмиссионной системы перед проведением а.э.-диагностики композитных изделий. При этом следует отметить, что при испытаниях элементов конструкций композитных изделий на разрушение [9, 10] основной массив импульсов а.э.-событий, вызванных нарушением структурных связей в пакете ПКМ, имеет уровень максимальной амплитуды, значительно больший 50 дБмкВ.

На рис. 6 показан результат применения разработанного способа расчета параметра V_g, реализуемого за счет уменьшения колебаний приращения параметра Δt при повышении уровня порога дискриминации сигналов до 50.5 дБмкВ.

Рис. 6.

Флуктуации скорости распространения волнового пакета в интервале ΔХ = 30–300 мм, определенные в ходе пошаговых замеров параметра Δt при уровне порога u_th = 50.5 дБмкВ.

Значение ${{S}_{{{{V}_{g}}}}}$, полученное с применением стандартного порогового алгоритма вычисления р.в.п., составило 0.373 мм/мкс. Повышение уровня порога позволило снизить ${{S}_{{{{V}_{g}}}}}$ до 0.238, что соответствует снижению уровня разброса на 36% относительно среднего выборочного значения V_g = 5.77 мм/мкс.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

В результате проведенных исследований изучены причины разброса значений при вычислении скорости распространения акустического импульса в ближней и дальней зонах относительно источника а.э. Рассмотрены два способа минимизации колебаний приращения параметра Δt, обеспечивающие значительное снижение флуктуаций при вычислении скорости распространения волнового пакета в интервале проводимых измерений на композитной пластине.

Первый способ, применяемый в частном случае, при известных геометрических размерах ближней и дальней зон относительно источника а.э., заключается в раздельном вычислении V_g с применением различных аналитических зависимостей для каждой из зон. Его апробация позволила снизить влияние переменной составляющей Δt_к, вызванной наличием высокочастотных мод а.э.-импульса, на приращение параметра Δt и практически в два раза уменьшить флуктуации V_g в ближней зоне от источника. При этом в дальней зоне флуктуации скорости распространения импульса а.э. не превышали 5% от среднего выборочного значения.

Второй способ заключается в определении уровня порога дискриминации сигналов, при котором регистрируются минимальные колебания приращения параметра Δt, а следовательно, снижается уровень флуктуации при вычислении скорости распространения волнового пакета в интервале проводимых измерений. Его апробация при диагностике исследуемой композитной панели позволила на 36% снизить уровень флуктуаций параметра V_g по сравнению со стандартной методикой расчета [2].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотренные способы снижения флуктуаций скорости регистрируемых акустических импульсов направлены на повышение точности вычисления координатной локации источников а.э.-событий. Дальнейшие исследования, проводимые в ИМАШ РАН в рамках выполнения научного проекта РНФ, связаны с совершенствованием методик, алгоритмов и программных продуктов, позволяющих минимизировать уровень погрешностей, вносимых в ходе локации а.э.-событий при диагностике образцов и изделий из различных конструкционных материалов, в том числе из ПКМ.