Информативные параметры акустической эмиссии при испытании материалов
Чтобы определить критерии оценки качества материала (например, по вязкости разрушения) при лабораторных испытаниях малых образцов и использовать эти данные для прогнозирования поведения изделия в работе, необходимо изучить кинетику разрушения. Для
эффективного применения метода акустической эмиссии с этой целью требуется выбирать наиболее информативный регистрируемый параметр сигнала АЭ (или несколько таких параметров). Чаще всего при изучении кинетики разрушения изделий в качестве информативного параметра используются параметры потока всех получаемых с приемного преобразователя импульсов АЭ. превышающих по амплитуде установленный уровень дискриминации: либо суммарный счет АЭ (∑N) - текущее значение суммы зарегистрированных импульсов, либо скорость счета АЭ (N) - средняя плотность потока импульсов.
Термины и определения основных параметров акустической эмиссии приведены в стандартах по исследованию материалов и изделий с применением методов акустической эмиссии (например, в ГОСТ 27655-88, ASTM и др.). В соответствии с ними основными параметрами АЭ являются:
Акустическая эмиссия (acoustic emission) - испускание объектом контроля (испытаний) акустических волн.
Акустическая эмиссия материала (malerial acoustic emission) - акустическая эмиссия, вызванная локальной динамической перестройкой структуры материала.
Акустико-эмиссионный метод (acoustic emission method) - метод контроля (испытаний), основанный на анализе параметров упругих волн акустической эмиссии.
Источник акустической эмиссии (acoustic emission source) - область объекта испытаний, в которой происходит преобразование какого-либо вида энергии в механическую энергию акустической эмиссии.
Акустический сигнал акустической эмиссии - генерируемое источником АЭ акустическое поле, параметры которого несут информацию об источнике и объекте испытаний.
Электрический сигнал акустической эмиссии - электрическое напряжение или ток отображающие сообщение об акустической эмиссии.
Механизм возбуждения акустической эмиссии (acoustic emission mechanism) - совокупность физических и (или) химических процессов, происходящих в источнике и вызывающих акустическую эмиссию.
Акт акустической эмиссии (acoustic emission event) - единичное действие (срабатывание) источника акустической эмиссии.
Импульс акустической эмиссии (acoustic emission impulse)- сигнал акустической эмиссии, значение которого отлично от нуля в интервале времени, в течение которого оно превышает заданный уровень.
Дискретная акустическая эмиссия - акустическая эмиссия, механические сигналы которой состоят из раздельных различимых импульсов акустической эмиссии.
Непрерывная акустическая эмиссия - акустическая эмиссия, механические сигналы которой представляют собой непрерывное волновое поле или регистрируются как непрерывный сигнал.
Эффект Кайзера - отсутствие акустической эмиссии в материале до тех пор. пока не превышен уровень предыдущего воздействия.
Акустико-эмиссионная аппаратура - устройства, обеспечивающие прием, обработку и регистрацию сигналов акустической эмиссии.
Преобразователь акустической эмиссии (acoustic emission transducer) - устройство, в котором механический сигнал акустической эмиссии преобразуется в электрический сигнал.
Имитатор акустической эмиссии (acoustic emission simulator) - устройство для искусственного возбуждения в объекте акустических волн, моделирующих акустическую эмиссию.
Калибровка акустико-эмиссионной аппаратуры - испытания, проводимые для изучения и (или) регулирования характеристик акустико-эмиссионной аппаратуры.
Антенна акустико-эмиссионная (acoustic emission array) - группа расположенных на объекте преобразователей акустической эмиссии. сигналы от которых обрабатываются совместно.
Помеха акустико-эмиссионная (acoustic emission interference) - акустическая эмиссия, вызванная источниками, выявление которых не входит в цели испытаний.
Фоновый шум объекта (background noise) - акустический сигнал. возникающий в объекте за счет шума окружающей среды.
Нормированный уровень отсчета выбросов акустической эмиссии - относительная величина порогового уровня, равная отношению напряжения порогового уровня к среднему квадратическому значению напряжений собственных шумов.
Число импульсов акустической эмиссии (event count) - число зарегистрированных импульсов дискретной АЭ за интервал времени наблюдения.
Суммарный счет акустической эмиссии (total emission) - число зарегистрированных превышений импульсами акустической эмиссии установленного уровня дискриминации (ограничения) за интервал времени наблюдения.
Активность акустической эмиссии (acoustic emission activity) - число зарегистрированных импульсов акустической эмиссии за единицу времени.
Энергия акустической эмиссии (acoustic emission energy) - энергия. выделяемая источником АЭ и переносимая волнами, возникающими в материале.
Энергия источника акустической эмиссии - энергия механических колебаний, перестройки структуры.
Образ источника акустической эмиссии (acoustic emission signature) - группа параметров сигналов акустической эмиссии, полученная в результате определенного вида испытаний материала (конструкций) с помощью конкретной аппаратуры для регистрации АЭ и при заданных условиях испытаний.
Предельное состояние объекта но показаниям акустической эмиссии - состояние объекта, выявленное по показаниям акустической эмиссии, при котором его дальнейшее применение по назначению недопустимо или нецелесообразно.
Акустико-эмиссионный критерий предельного состояния объекта - значение или совокупность значений параметров акустической эмиссии и параметров нагружения, соответствующие предельному состоянию объекта, установленному в нормативно-технической документации.
Классификация источников акустической эмиссии (acoustic emission source characterization) - разделение источников акустической эмиссии на классы (виды, типы, группы) по тем или иным значениям параметров или набору параметров.
Критерий классификации источников акустической эмиссии (acoustic emission source characterization criteria) - условия, в соответствии с которыми источник АЭ относится к тому или иному классу (виду, типу, группе).
Суммарный счет АЭ (total emission) (ими.) - число зарегистрированных импульсов АЭ. превышающих уровень дискриминации за время измерения. Часто сумма импульсов акустической эмиссии представляется как функция времени наблюдения, что позволяет эффективно выделять, например, этапы кинетики разрушения металла при деформации. Диапазон изменения ∑N может составлять 0... 107 имп. в одном измерении.
Скорость счета АЭ (acoustic emission count rate) N (имп/с)- отношение суммарного счета АЭ к интервалу времени наблюдения (число импульсов акустической эмиссии в единицу времени). Диапазон изменения может составлять 0... 1015(имп/с).
Кроме перечисленных, в технике регистрации и обработки АЭ используются дополнительные определения и параметры, не представленные в списке терминов ГОСТ 27655-88. но используемые в радиоизмерениях электрических сигналов:
Электрический сигнал ЛЭ - электрическое напряжение или ток. получаемые от датчика АЭ при преобразовании сигнала АЭ в электрические колебания.
Параметрами электрического сигнала АЭ от датчика являются: амплитуда АЭ. крутизна переднего фронта, длительность сигнала (или число осцилляций), частота заполнения радиоимпульса (для сигналов взрывной АЭ. представляющих собой затухающие радиоимпульсы).
Спектр АЭ - гармонические частоты, присутствующие в сигнале АЭ. Ширина спектра определяется гармоникой самой высокой частоты в сигнале АЭ. Информативность спектральных характеристик АЭ (табл. I) определяется прямой зависимостью ширины спектра от времени формирования импульса АЭ. т.е. его длительностью. Так, при хрупком разрушении включения диаметром 0,5 мкм время нарастания импульса акустической эмиссии составило -17 нс (ширина спектра ∆f~50МГц). Для хрупких интеркристаллитных трещин длиной Δ-300 мкм измеренная емкостным методом длительность импульса составила Δf-100 нс (Δf-Ι0 МГц). На рис. 3 показаны характерные частотные диапазоны хрупкого и вязкого разрушения металлов, включая композиционные материалы, армированные волокнами.
Рис. 3. Частотные диапазоны сигналов ЛЭ (f) при различных вилах разрушения материалов, размер источников ЛЭ <<f) и частотный диапазон измерительной аппаратуры (разрешение аппаратуры ЛЭ)
Уровень дискриминации (ограничения, отсечки сигнала) - уровень электрического напряжения, относительно которого производится обнаружение (регистрация) электрических сигналов АЭ. В измерительной аппаратуре всегда существует уровень сигнала, меньше которого сигналы нс могут быть зарегистрированы. Часто этот порог чувствительности определяется уровнем собственных шумов (аналоговых или цифровых) электронной аппаратуры. Так, в электронных усилителях уровень шумов всего аналогового тракта чаще всего определяется первым каскадом предварительного усилителя. Уровень шумов оценивается до проведения измерений и вводится оператором как порог срабатывания измерительной системы. Для оценки механических и электромагнитных шумов используется эффект Кайзера: при повторном нагружении образца АЭ не воспроизводится до нагрузок. достигнутых в первом нагружении. На участке повторного нагружения измеряются шумы. Уровень дискриминации может определяться задачей измерений, например требованием разделения сигналов акустической эмиссии при деформации материала от сигналов образования в нем трещин.
Огибающая электрического сигнала ЛЭ - продетектированный электрический сигнал АЭ. Диапазон изменения К)1... К)2 В.
Амплитудное распределение (амплитудный спектр АЭ) - распределение амплитуд импульсов АЭ. зарегистрированных за время измерения.
Длительность электрического сигнала АЭ ∆τс(с) - время нахождения огибающей (часто достаточно сложной формы из-за наложения сигналов) электрического импульса акустической эмиссии над порогом дискриминации. Диапазон его изменения составляет 10-4... 10-8 с и определяется в том числе величиной пиковой амплитуды сигнала.
Время нарастания Δτв(с) - промежуток времени между появлением огибающей импульса акустической эмиссии над порогом дискриминации и достижением огибающей ее максимальной (пиковой) амплитуды.
Энергия электрического сигнала ЛЭ (measured area the rectified signal envelope) Ec (Дж) - площадь под огибающей электрического сигнала АЭ. Диапазон изменения 10-9...10-5Дж.
Регистрируемые параметры АЭ отражают физику процессов, сопровождаемых акустическим излучением. Экспериментально установленные соответствия между параметрами АЭ и типом информации. диапазон изменения параметра АЭ показаны в табл. 1.
Таблица I
Информативность парами ров акустической эмиссии
