CC BY
57
преобразуется в тепло. Отсюда вытекает выбор расстояния /3 , которое равно среднему размеру области дробления пород ударной волной, определяемому, как это показано в [4], выражением (3).
1. Ямщиков В. С. Методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов. - М.: Недра, 1982, 296 с.
2. Азаров Н.Я., Яковлев Д.В. Сейсмоакусти-ческий метод прогноза горно-геологических условий эксплуатации угольных месторождений. - М.: Недра, 1988, 199 с.
Экспериментально установлено, что амплитуда каналовой волны Лява, возбуждаемой описанным способом, не менее, чем на порядок, превышает амплитуду аналогичной волны, возбуждаемой сосредоточенным зарядом ВВ той же массы.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Данилов В. И., Сидоров Е. Е., Ямщиков B.C. Прогноз и контроль нарушений угольных пластов. - м.: МГИ, 1987, 98 с.
4. Ямщиков B.C. Волновые процессы в массиве горных пород. - М.: Недра, 1984, 279 с.
— Коротко об авторах
Шкуратник Владимир Лазаревич - профессор, доктор технических наук, зав. кафедрой «Физикотехнический контроль процессов горного производства», Московский государственный горный университет.
-------------------------------------- © Ю.Н Бауков, С.В. Павлов,
А.Ю. Бауков, 2004
УДК 622.831
Ю.Н. Бауков, С.В. Павлов, А.Ю. Бауков
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗГИБНЫХ КОЛЕБАНИЙ УПРУГИХ ПЛАСТИН ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ОПТИМИЗАЦИИ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ
Семинар №2
Разработанный еще в конце 70-х годов в МГГУ на кафедре ФТКП под руководством проф. В. С. Ямщикова [1] виброакустический метод неразрушающего контроля нашел широкое применение при обнаружении дефектов связи покрытий и плит с основанием в различных областях техники (в горном деле, на транспорте, в строительстве, в гидромелиорации и т.п.) как в России, так и за рубежом [2], [3], [4].
Из различных модификаций данного метода [5] наиболее часто применяется ударный вариант, основанный на спектральном анализе виброакустического импульса, заре-
гистрированного на поверхности исследуемого объекта при его возбуждении механическим ударом.
При проведении неразрушающего контроля с использованием виброакустического метода на различных объектах с изменяющимися конструктивными особенностями (бетонное покрытие на грунтовом основании, металлическое покрытие на бетонном основании, определение расслоений в сплошном жестком основании и т.п.), как правило, применяется одинаковая методика измерений при использовании ограниченного числа типов электроакустических преоб-
разователей для регистрации возбуждаемого виброимпульса. К таким преобразователям относятся: пьезопреобразователи (пьезоакселерометры) на основе толщинных и изгибных колебаний пьезопластины и электродинамические сейсмоприемники.
Однако, как показывают результаты практического применения данного метода, надежность выявления дефектов, а иногда и сама возможность данного процесса, в большей степени зависит от типа используемой приемно-возбуждающей системы и от соответствующей наиболее оптимальной методики обработки и интерпретации получаемых экспериментальных данных. К сожалению, до настоящего времени эта проблема не исследовалась детально, а все предыдущие подобные эксперименты проводились на основе измерений, выполненных в аналоговой форме. Данная работа посвящена экспериментальным модельным исследованиям изгибных колебаний упругих пластин при различных граничных условиях, проведенных с использованием указанных выше типов измерительных преобразователей и цифровой спектральной обработки сигнала на персональных компьютерах и специализированной цифровой аппаратуре виброакустического контроля.
Экспериментальные исследования выполнялись в лабораторных условиях и на натурных объектах.
При лабораторных исследованиях измерения проводились на моделях двух типов:
1) мраморная плита с размерами
600х400х30 мм, свободно лежащая на основаниях с различной акустической жесткостью (песчаном, деревянном и гранитном);
2) мраморная плита с размерами
680х330хБ0 мм, жестко связанная по краям с двумя сплошными мраморными кубами с размерами 2Б3х2Б3х2Б3 мм так, что в центре плиты имел место дефект связи в виде полости с горизонтальными размерами
2Б3х31Б мм. Часть верхней поверхности одного из кубов основания оставалась свободной.
Измерения проводились в трех различных случаях: а) на плите над основанием; б) на плите над дефектом; в) на самом основании.
Точки удара и расположения вибродатчиков выбирались примерно в центре указанных участков модели на разных расстояниях друг от друга (l1 = 4 см; l2 = 8 см; l3 = 16 см )-
Исследования выполнялись как при жестком контакте плиты с основаниями, так и при плохом (частичном) контакте. Измерения виброимпульса производились датчиками трех типов: 1) пьезоаксельрометрами КД-32 (собственная частота 10 кГц, тол-щинные колебания пьезокерамики) и 1ПА-10B (собственная частота 4 кГц, изгибные колебания пьезокерамики); 2) сейсмоприемником CMB-30 (электродинамический, собственная частота 30 Гц).
B каждой точке установки датчика выполнялось от Б до 10 идентичных ударов по поверхности моделей.
Электрический сигнал с выхода соответствующего датчика подавался на стандартную схему АЦП (фирма «Gage», модель CS Б12) и далее на персональный компьютер, где виброакустический импульс визуализировался на экране дисплея и измерялись его характеристики. Спектр каждого виброакустического импульса рассчитывался в среде MATHCAD с использованием программы быстрого преобразования Фурье.
Измерения в натурных условиях проводились на бетонных плитах, лежащих на грунтовом основании с различной степенью контакта между ними: 1) с хорошим сцеплением между основанием и плитой; 2) с наличием протяженного участка при отсутствии контакта; 3) с частичным контактом.
Измерения выполнялись с использованием специализированной цифровой аппаратуры виброакустического контроля «Vibroset», позволяющей на основании встроенных программ визуализировать виброакустический импульс и его спектр и определять их характеристики (частоту и амплитуду спектральных составляющих). B комплект прибора входил серийный пьезоэлектрический вибродатчик (собственная частота 20 кГц, толщинные колебания пьезокерамики).
Bозбуждение плит выполнялось молотками с разным весом: большой молоток (БМ), вес около 1 кг; малый молоток (ММ), вес 300 г. Толщина плит составляла 0,1Б м. B каждой точке возбуждения производилось не менее Б-ти ударов. Bибродатчик располагался на расстоянии 0,4 м от точки возбуждения. B памяти прибора сохранялись лишь качественные и, в частности, идентичные виброимпульсы, что оценивалось непосредственно в процессе измерений по осциллограммам и спектрограммам импульсов.
В дальнейшем результаты измерений переносились на винчестер компьютера и анализировались в лабораторных условиях, в частности проводился статистический анализ характеристик виброимпульсов и их спектров с целью изучения степени идентичности проведенных измерений при каждом варианте условий эксперимента. Такой же статистической обработке подвергались и данные модельных исследований. Статистический анализ позволил сделать вывод о хорошей степени повторяемости результатов измерений как при модельных, так и при натурных исследованиях и возможности вследствие этого делать аналитические выводы об особенностях реализации виброакустического метода в каждом конкретном случае условий проведения контроля.
На основании анализа осциллограмм и спектрограмм, полученных при различных условиях эксперимента, были сделаны следующие основные выводы.
Так при исследовании колебаний мраморной пластины, свободно лежащей на различных основаниях с использованием сейсмоприемника, в случае жестких оснований (гранитного и деревянного), когда плита практически совершает свободные колебания, в спектре виброимпульса четко регистрируется от трех до четырех изгибных мод различных номеров, а так же собственные колебания динамической системы сейсмоприемника. При этом спектр виброимпульса весьма широкий и простирается до 6500 Г ц (рис. 1). При этом форма импульса приближается к классической экспоненциально затухающей синусоиде (рис. 2,а).
При колебаниях пластины на песчаном основании наблюдается эффект демпфирования изгибных колебаний плиты основанием, проявляющийся в резком сужении общего спектра до 3900 Гц, в регистрации только двух изгибных гармоник (1352 и 1976 Гц) и в уменьшении амплитуды этих гармоник от двух до 1,2 раз (рис. 1). Кроме того, в осциллограмме виброимпульса четко проявляются собственные колебания датчика и уменьшается временная зона их модуляции изгибными колебаниями пла-стийэ1 {рига 2 ,б)змерений с использованием пьезодатчиков КД-32 и 1ПА-10В наблюдается эффект изменения длительности виброимпульса Т и временного показателя затухания импульса р при различных граничных условиях. Так величина Т (определяе-
мая на уровне 0,1 Атах) при колебаниях пластины на песке уменьшается в случае датчика КД-32 от двух (относительно колебаний пластины на деревянном основании) до трех раз (относительно гранитного основания), а величина р увеличивается в среднем в 3 раза (рис. 3,а,б). При проведении измерений датчиком 1 ПА-10В изменения величин Т и р значительно меньше, соответственно, от 1,5 до 2 раз для Т и от 1,7 до 2,1 раза для р.
В спектрах виброимпульсов у данных датчиков четко проявляются спектральные выбросы, связанные с несколькими изгибными модами пластины (3 выброса для КД-32 и 2 выброса для 1ПА-10В), и эффект уменьшения их амплитуды при демпфировании колебаний песчаным основанием (от 1,7 до 4 раз для КД-32 и от 1,85 до 2,62 раза для 1ПА-10В). Причем в наибольшей степени демпфирование проявляется в случае датчика КД-32 на третьей гармонике (рис. 4), а для датчика 1ПА-10В - на первой. В случае исследований на объемной модели результаты измерений характеризуются большей изменчивостью как формы виброимпульса, так и его спектральной плотности, что объясняется наличием резонансов различного типа в связи с ограниченными геометрическими размерами модели и вследствие значительной добротности ее элементов, связанной с достаточной жесткостью самой пластины и основания.
Так при измерениях с использованием сейсмоприемника при хорошем контакте плиты с основанием на участках вне полости виброимпульс характеризуется ярко выраженной низкочастотной составляющей, связанной с собственной частотой датчика, и незначительным наложением в его передней части высокочастотных колебаний. При этом в спектре виброимпульса доминирует основной выброс на частоте 40-45 Гц, тогда как его высокочастотная часть имеет незначительную амплитуду (рис. 5). Данная особенность виброимпульса наиболее ярко проявляется на жестком основании.
При измерении над полостью виброимпульс имеет классический вид затухающей синусоиды с видимым периодом, соответствующим высокочастотным составляющим в диапазоне от 800 до 1000 Гц. В этом случае в спектре виброимпульса в диапазоне от 800 до 5000 Гц наблюдается резкое увеличение его общего уровня и прослеживаются четко выраженные амплитудные выбросы на час-
тотах вблизи 800 Гц и 17001900 Гц с одновременным значительным уменьшением амплитуды составляющей спектра на собственной частоте сейсмоприемника (рис. 5).
При плохом контакте плиты с основанием в сейсмоимпульсе в большей степени проявляются низкочастотные колебания, а в спектре, который качественно похож на спектр, полученный над полостью, значительно увеличивается амплитуда выброса на собственной частоте датчика.
Результаты измерений с использованием пьезоакселерометров зависят от типа применяемых вибродатчиков. Так при эксперименте с датчиком 1 ПА-10В наблюдается в случае достаточной силы удара значительное уменьшение длительности виброимпульса Т и небольшое увеличение коэффициента р при переходе от участка с хорошими контактными условиями вне дефекта к участку над дефектом. Тогда как такой четкой зависимости при использовании датчика КД-32 не выявляется. В спектре виброимпульса с выхода датчика 1 ПА-10В вне дефекта хорошо проявляются составляющие вблизи собственной частоты датчика (2200 и 4300 Гц), тогда как низкочастотная область спектра (/<2300 Гц) достаточно равномерна и имеет весьма малую амплитуду (рис. 6). При этом спектр импульса с выхода с датчика КД-32 в низкочастотной области имеет достаточно неравномерный характер со значительным числом небольших спектральных максимумов.
В спектре импульса, полученного над дефектом с помощью датчика 1ПА-10В, наблюдается резкое увеличение амплитуды спектральных составляющих (от 5 до 10 раз) в низкочастотной области и выявляются четко выраженные спектральные максимумы вблизи частоты 1000 Гц, соответствующие основным гармоникам из-
гтооо
\ ^ X'
<1
, А ! V! ’г""2
(4 1* \* * Лг' Л:, л ' '*1
Рас. 6. (пп1|><|<*>
О Гц 3000141 3000 Гц 4000 Гц 6000 Ги йОООГи ЯЗООГц 8000 Г ц
у мСунинУЖ! ЮЙММШ ЩИ*. »!'■ П1Л-10в>. »сч)чстнм» I внг мфппа. 2 «*!.«+
«000 Гц 10000 Гц
А04 =
А 05 = А06= Й07= аоз= АОЭ =
аю=
А11 = А12= Й13= А14= А1Б= А16 =
3 А17 = 3 Й18= 3 Й1Э= 3 Й20= 2 Й21 = 2 Й22 = 2 Й23= 2 А2^ = 2 Й2Б = 2 Й26 = ‘ А27= Й28 = Й2Э = АЗО = АЗ 1 = Й32=
1 033 =
2 03-1 = 2 Й35= 2 ЙЗВ= 2 037= 2 ЙЗВ = 2 ЙЗЭ = 2 Й^О = 2 А^11 = 2 А-42 = 1 А^13 = 1 А-*М = 1 А45 = 1 А48 = 1 0-17 = 1 0-18 =
1 0^19 = 1 А50 =
0 Й51 =
1 Й52= 1 Й53= 1 А5-4 = 1 Й55= 1 Й5Б = 1 057= 1 Й5в = 1 А5Э = 1 060 = 1 061 = 1 Й62 =
1 Й70 =
2 А71 = 2 А72 = 2 А73 = 2 А7-Ч = 2 А75 = 2 А76 = 2 А77 = 1 А78 = О А 79 = О Й0О =
О АЭО= О АЭ1 = О А92 =
2 АЮО= 2 АЮ1 = 2 АЮ2=
2 АЮЗ =
3 АЮ4 = 2 АЮ5= 2 АЮБ = 2 А107 =
2 АЮ8 =
3 АЮЭ = А А1Ю= Б А111 = 7 А112=
7 А117=
8 А118 = 5 А119 = А А120= А А121= А А122= ^ А123= А А12-‘1 = *1 А125= А А12Б= Б А127= 8 А128 =
Рис. 8. Осциллограмма и спектрограмма виброимпульса при натурных исследованиях в случае хорошего контакта плиты с основанием
гибных колебаний пластины, особенно первой моды (рис. 6). В случае датчика КД-32 также имеет место увеличение общего уровня амплитуды спектральных составляющих в низкочастотной области (от 2-х до 10 раз), но форма самого спектра в этом диапазоне имеет сглаженный характер. При этом фиксируется также резкое увеличение амплитуды спектра в диапазоне частот, близком к собственным частотам датчика. В случае плохого контакта плиты с основанием спектр в низкочастотной области у обоих датчиков похож на спектр импульса, полученного над дефектом. При измерениях непосредственно на самом жестком основании оба датчика практически колеблются на собственной частоте и спектр импульса вырождается в одногорбую кривую со спектральным выбросом вблизи собственной частоты датчиков (9022
Гц - дгя КД-32 и 2929 Гц для 1ПА-10В), (рис. 7).
При натурных исследованиях на железобетонных плитах, когда в рабочем диапазоне частот присутствуют только изгибные колебания плиты и колебания, связанные с волновыми процессами, обусловленными ударным импульсом, спектр зарегистрированного виброакустического импульса имеет достаточно простую форму и отражает особенности контактных условий изучаемого объекта. Так при хорошем контакте плиты с грунтовым основанием виброимпульс имеет форму затухающего гармонического колебания с постоянным видимым периодом, соответствующим максимуму его спектральной плотности. В этом случае подъем амплитуды спектральной плотности виброимпульса наблюдается в диапазоне от 810 до 1280 Гц, что соответствует диапазону первого лепестка спектра ударного импульса, и характеризуется амплитудой в 9 условных единиц (рис. 8).
3 АЭЭ =
3 АЮО = А АЮ1 = А АЮ2 = А АЮЗ =
4 АІСМ = А ЙЮ5= А Й1ПБ= А А1 □ 7* —
б)
Рис. 9. Осциллограммы и спектрограммы виброимпульсов при натурных исследованиях в случае плохого контакта: а - средний уровень возбуждения плиты; б - высокий уровень возбуждения плиты В случае плохого контакта плиты с основанием в зависимости от горизонтального размера участка, где отсутствует контакт, спектральный выброс простирается от 10 до 250 Гц (рис 9,а) с максимальной амплитудой Атах = 8 усл. ед. или от 100 до 300 Гц с максимальной амплитудой Атах2 = 4 усл. ед. При значительной силе возбуждения могут проявляться как низкочастотные максимумы (/ті = 180 -200 Гц, Л^ = 7 усё. еа^ так и высокочастотные максимумы (/в = 95о _ юоо Гц
Авчтахусл. ед.), смотри рис. 9,б. При этом виброимпульс в случае плохих контактных условий характеризуется двумя видимыми частотами.
При частичном контакте плиты с основанием помимо спектрального выброса в высокочастотной области, наблюдается промежуточный спектральный выброс в диапазоне частот от 460 до 700 Гц со значительной амплитудой, достигающей 10 усл. ед. При возбуждении плиты легким молотком с малой площадью контактной поверхности на участке с отсутствием дефекта под покрытием регистрируется только высокочастотный спектральный выброс, лежащий на границе верхнего рабочего диапазона прибора (от 1180 до 1280 Гц) с амплитудой Атах = 6 усл. ед. Тогда как амплитуда спектра в диапазоне изгибных колебаний плиты не превышает 2 усл. ед., что говорит о недостаточной энергии удара для возбуждения в плите основной изгибной моды.
На основании полученных результатов исследований можно сделать следующие выводы. Во-первых, еще раз доказана эффектив-ность и работоспособность виброакустического метода контроля. Во-вторых, показана необходимость оптимального выбора измерительных устройств и соответствующей методики и алгоритма проведения измерений на различных объектах контроля.
В-третьих, для повышения надежности контроля и достоверности интерпретации его результатов необходимо применять комплексные критерии наличия дефектов, в частности проводить измерения одновременно с использованием электродинамических сейсмоприемников и пьезоакселерометров.
--------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бауков Ю.Н. Исследование возможности использования вибрационного метода для контроля качества контакта между железобетонными плитами и горной породой. Научные труды, - М.: МГИ, 1977.
2. Бауков Ю.Н. Применение виброакустического метода в практике геоконтроля - Горноинформационный бюллетень - М. МГГУ, 1999, №6.
3. Глушко В. Т., Ямщиков В. С., Яланский А.А.
Геофизический контроль в шахтах и тоннелях. - М.: Недра, 1987.
4. Козлов О. В. Разработка метода динамического отклика для оценки контакта бетон - скала в гидротехнических тоннелях. Автореферат диссертации. - М., 1997.
5. Ямщиков В.С., Бауков Ю.Н., Сидоров Е.Е. Горная геофизика. Виброакустический метод. Учебное пособие. - М. МГИ, 1990.
а)
— Коротко об авторах----------------------------------
Бауков Юрий Николаевич - доцент,
Павлов Сергей Васильевич, Бауков Арсений Юрьевич - студенты, Московский государственный горный университет._______
