CC BY
42
--------------------------------------- © Е.Б. Черепецкая, В.Н. Иньков,
2005
УДК 622.611:620.179.16
Е.Б. Черепецкая, В.Н. Иньков
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОГО ИСКАЖЕНИЯ ФОРМЫ МОЩНЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ИМПУЛЬСОВ ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ ИХ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ*
Яелинейность горных пород начинает проявляться уже при малых деформациях, что связано с дефектностью их структуры и, в первую очередь, с миктрот-рещиноватостью. При этом микротрещиноватость геоматериалов во многом определяет деформационные, прочностные, фильтрационные своиства массивов и слоистых толщ, закономерности размещения месторождении многих полезных ископаемых [1]. Она оказывает существенное влияние на эффективность процессов разрушения и обогащения пород. Изучение трещин помогает восстанавливать геологическую историю массива, смену напряжении и деформации в нем.
К настоящему времени количественная оценка микротрещиноватости чаще всего проводится методом микроструктурного анализа шлифов, которыи позволяет получать параметры трещин путем их прямои визуализации под микроскопом. Значительно реже применяется метод капиллярнои пропитки образцов горных пород люминесци-рующеи под деиствием ультрафиолетового излучения жидкостью с последующим их микроскопическим анализом.
Однако объективная оценка трещиноватости горных пород по образцам приводит к необходимости статистического подхода, связанного с усреднением данных, полученных при исследовании большои серии шлифов. Данный процесс трудоемок, обладает низкой производительностью. С этой точки зрения наиболее эффективными оказываются ультразвуковые методы, в которых наблюдаются устойчивые корреляционные связи параметров трещин горных пород с кинема-
тическими и динамическими характеристиками распространяющихся в них упругих колебаний. При этом наиболее чувствительными к наличию трещин являются ультразвуковые методы проходящих волн, среди которых наибольшее практическое значение имеет велосимметрический метод, основанный на анализе изменения скорости упругих волн в функции от трещиноватости. (Эхо-локация в этом случае будет давать информацию лишь о небольшом количестве приповерхностных трещин [2]). В качестве информативных параметров в данном методе используются скорость распространения упругих волн и коэффициент затухания. Тем не менее, наличие трещин меняет значение скорости ультразвука не более чем на 1%. При измерении коэффициента затухания следует учитывать, что на рассеяние ультразвукового сигнала существенное влияние оказывает не только микротрещиноватость образца, но и присутствие пор, их заполнение, наличие зерен и другие элементы структуры. Данная величина сильно зависит от контактных условий излучатель - образец и образец - приемник. Поэтому выделить вклад в коэффициент затухания, относящийся к системе трещин в образце, в большинстве случаев оказывается невозможным.
В связи с этим в последнее время интенсивно развиваются методы дефектоскопии геоматериалов на основе использования нелинейных эффектов при распространении мощных ультразвуковых сигналов в трещиноватых средах [3]. К таким эффектам относятся генерация высших гармоник, возникновение комбинационных частот, нелиней-
* Работа выполнена при государственной поддержке ведущих научных школ (грант № НШ-1467.2003.5)
Рис. 1. Частотная зависимость коэффициента затухания продольных волн в направлении нагружения образца карельского габбро, испытавшего нагрузки: 1 -
34 МПа, 2 - 68 МПа, 3 - 112 МПа, 4 - 253 МПа, 5 - 280 МПа.
ное затухание ультразвука, сдвиг резонансных частот и т.д.
В настоящей работе методами лазерной ультразвуковой структуроскопии впервые экспериментально исследуется влияние трещиноватости образцов горных пород на нелинейное искажение формы сигналов.
Для исследования нелинейной трансформации акустических импульсов, прошедших через образцы горных пород, использовалась установка “ГЕОСКАН-02М”, описанная в работе [4]. Источником оптических импульсов в данной установке являлся твердотельный лазер, работающий на длине волны X = 1,06 мкм. Длительность лазерного импульса т0 составляла 10 нс, а его максимальное значение энергии равнялось 260 мДж. С помощью светофильтров энергия могла уменьшаться до 20 мДж. Радиус пучка составлял 5 мм. В результате поглощения лазерного импульса в генераторе (он представлял собой пленку из полиэтилена высокого давления) возбуждались импульсы упругих продольных волн, длительностью 100 нс и амплитудой давления до 10 МПа. Для измерения параметров акустических сигналов, прошедших через образец, использовался иммерсионный метод: исследуемые образцы помещались в дистиллированную воду. Сигналы, прошедшие через образец регистрировались широкополосным пленочным пьезоприемником. Последний через предусилитель был соединен с цифровым запоминающим осциллографом Тех1хотх ТББ-220 (аналоговая частота 100 МГц, частота дискретизации 1 ГГц), сигнал с которого поступал на компьютер. Временное разрешение системы регистрации составляло 3-4 нс, отношение сигнал/шум - 30 дБ.
Первая серия измерений была посвящена исследованию влияния дефектности, возникающей при нагружении образцов, на форму и коэффициент затухания импульсов упругих волн. Исследования проводились с изотропными образцами карельского габбро, в которых трещины первоначально отсутствовали. Все образцы подвергались циклическому одноос-
а, пі -1
/, I Ао
ному нагружению а , в направлении которого после снятия нагрузки проводились измерения. Максимальные значения напряжения каждого из пяти циклов нагружения составляли, соответствен-
но, а1 = 34 МПа, а2 = 68 МПа, а3 = 112 МПа, а4 = 253 МПа, а5 = 280 МПа. При дальнейшем нагружении до а6 = 295 МПа происходило разрушение образца.
Были определены частотные зависимости коэффициента затухания продольных упругих волн в диапазоне 1 - 3,5 МГц в образце, предварительно подвергнутом нагружению до а1 = 34 МПа (кривая 1, рис. 1). При дальнейшем увеличении нагрузки до а2 = 68 МПа, наблюдалось уплотнение образца, приводящее к уменьшению значения коэффициента затухания ультразвука во всем частотном диапазоне (кривая 2 на рис. 1). Более того, частоте 3 МГц при увеличении нагрузки от а1 до а2 данное уменьшение составило 17 %. При нагрузке а3 = 112 МПа наблюдалась акустической эмиссии, и на поверхности образца появлялись микротрещины, очерчивающие контуры зерен. Измерения показали, что в этом случае наличие микротрещин приводит к увеличению значения коэффициента затухания (кривая 3 на рис. 1) на 32 % на частоте 3 МГц по отношению к первоначальным значениям (кривая 1). В форме импульсов, прошедших через нагруженные образцы, происходят следующие изменения. Если в зондирующем сигнале присутствовала в основном фаза сжатия, то в акустическом сигнале (кривая 1 на рис. 2), прошедшем через образец после первоначальной на-
г, 1 ей
грузки а1 = 34 МПа, за счет дифракции и рассеяния наблюдается существенное увеличение амплитуды фазы разрежения, и соотношение амплитуд двух фаз становится 1.5:1.
После нагрузок, меньших 112 МПа, сильных искажений в форме импульса не наблюдаются (кривая 2 на рис. 2). Образование микротрещин при и3 = 112 МПа приводит к существенному уменьшению амплитуды фазы разрежения (кривая 3 на рис. 2). Увеличение нагрузки до а4 = 253 МПа вызывало дальнейший рост числа микротрещин и соответствующее уменьшение фазы разрежения. Соотношение амплитуд двух фаз биполярного импульса становилось равным 2:1 (кривая 4 на рис. 2). При нагрузке <у5 = 280 МПа образовалась макротрещина протяженностью более 2 см. В результате прохождения акустического сигнала через данную трещину наблюдалось разделение во времени двух фаз биполярного импульса при дальнейшем уменьшении амплитуды фазы разрежения и увеличении ее длительно-
г, 1 е1
Рис. 2. Временные формы ультразвуковых импульсов продольных волн, прошедших через образец карельского габбро в направлении нагружения при различных нагрузках: 1 - 34 МПа, 2 - 68 МПа, 3 - 112 МПа, 4 -253 МПа, 5 - 280 МПа.
сти (кривая 5 на рис. 2). Данному процессу соответствовало увеличение коэффициента затухания (кривая 5 на рис. 1) во всем исследуемом частотном диапазоне. При нагруз-
ке а6 = 295 МПа произошло механическое разрушение образца.
Во второй серии проводились исследования образцов углей Кузнецкого бассейна. Они представляли собой круглые пластинки толщиной 3-5 мм и диаметром 40 мм, и зондировались ультразвуковыми импульсами продольных волн, приведенными на рис. 3а. Так как при исследовании свойств углей из-за их высокой пористости нельзя использовать иммерсионный метод, то для возбуждения ультразвуковых сигналов в качестве оптико-акустического генератора применялся светофильтр СЗС-22. В результате поглощения лазерного импульса в СЗС-22 возникала последовательность ультразвуковых сигналов продольных волн (рис. 3а), первый из которых соответствовал однократному проходу через светофильтр, а последующие являлись переотраженными от границ СЗС-22. Время задержки каждого последующего импульса равнялось времени двукратного пробега по светофильтру и составляло 1,872 мкс (рис. 3а). Рассматривался акустический трек опорного сигнала с первыми двумя биполярными зондирующими сигналами, длительность которых составляла 50 нс (что соответствует полосе частот 1-25 МГц). Последующие импульсы при прохождении через
образцы угля сильно поглощались. Данные импульсы через тонкий контактный слой вазелина попадали на поверхность образцов угля, которая с целью защиты от проникновения вазелина в поры покрывалась тонким
Рис. 3. Формы акустических сигналов: а - опорный, б, в - прошедшие образцы угля толщиной 3,8 мм и 5 мм, соответственно
слоем защитного лака. Прошедшие через образец сигналы регистрировались широкополосным пьезоприемником и через предусилитель подавались на экран осциллографа. Характерные акустические треки сигналов, прошедших через образцы толщиной 3,8 мм и 5 мм, приведены соответственно на рис. 2б и рис. 2в, из которых видно, что при прохождении сигналов через образец сильно изменяется форма импульса: длительность фазы сжатия по уровню 0,5 становится равной 250 нс, а длительность фазы разрежения более 1,0 мкс. Это означает, что при распространении фазы сжатия через образец проходят частоты вплоть до 4-5 МГц, в то время как при фазе разрежения частотный диапазон ограничен сверху 1 МГц. Нелинейные искажения в форме импульса проявляются также в том, что между фазой сжатия и фазой разрежения в прошедшем через образец импульсе появляется горизонтальный участок (область I рис. 2б, в).
Этот участок свидетельствует о том, что скорости распространения фазы сжатия и разрежения различны (скорость первой больше). Таким образом, при прохождении фазы разрежения происходит раскрытие трещин, приводящее уменьшению скорости распространения ультразвука и поглощению высокочастотной части спектра. Более того, затянувшаяся фаза разрежения свидетельствует о том, что после прохождении второго импульса через такой «полуразвалившийся» образец скорость уменьшается (от 2080 м/с до 1960 м/с). Следует отметить, что затухание в углях велико: при прохождении импульса через образец толщиной 3,8 мм амплитуда фазы сжатия уменьшается в 48 раз.
Таким образом, данные исследования показали, что искажения формы ультразвуковых импульсов, распространяющихся в образцах горных пород, несут информацию о наличии трещин в них.
1. Чернышов С.Н. Трещины горных пород. -
М.: Наука, 1983, 240 с.
2. Иньков В.Н., Черепецкая Е.Б., Шкурат-
ник В.Л., Карабутов А.А., Макаров В.А. Ультразвуковая эхоскопия геоматериалов с использование термооптических источников продольных волн. //
ФТПРПИ, 2004, № 3, с. 16 - 21.
3. Назаров В.Е., Радостин А.В., Островский Л.А., Соустова И.А. Волновые процессы в сре-
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
дах с гистерезисной нелинейностью. Часть 1. // Акуст. ж., 2003, т. 49, № 3, с. 405-415.
4. Белов М.А, Черепецкая Е.Б., Шкурат-
ник В.Л., Карабутов А.А., Макаров В.А., Подымова Н.Б. Количественная оценка размеров минеральных зерен методом лазерной ультразвуковой спектроскопии. // ФТПРПИ, 2003, № 5, с. 3-8.
— Коротко об авторах
Черепецкая Елена Борисовна - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики, Иньков Виктор Николаевич - аспирант кафедры физики,
Московский государственный горный университет.
