Контактные условия пьезопреобразователей с массивом как помеховый фактор при реализации ультразвуковых методов геоконтроля Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 550.3:622.83 В.Л. Шкуратник

КОНТАКТНЫЕ УСЛОВИЯ ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВА ТЕЛЕЙ С МАССИВОМ КАК ПОМЕХОВЫЙ ФАКТОР ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ МЕТОДОВ ГЕОКОНТРОЛЯ

Рассмотрены особенности влияния помех, обусловленных несовершенством контактных условий пьезоэлектрических преобразователей с геосредой, на ультразвуковые измерения в массиве.

Ключевые слова: ультразвуковые методы, геоконтроль, контактные помехи, пьезопреобразователи, синхронное накопление.

ш ж ри решении задач геоконтроля, связанных с исследованием структуры,

А. Л. свойств и состояния горных пород в окрестностях выработок, широкое распространение получили ультразвуковые (УЗ) методы [1]. Их практическая реализация неизбежно сопровождается влиянием помех различной физической природы, которые могут приводить к искажению, а в ряде случаев и полной потере геофизической информации. К наиболее значимым из этих помех относятся так называемые контактные помехи. По характеру проявления последние могут быть разбиты на две группы. Первую из них образуют аддитивные помехи. Они связаны с плохим, но постоянным в течение цикла измерений качеством контактных условий (КУ) пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП) и геосреды в местах их сопряжения, и приводят к частичной потере акустической энергии сигнала, а также определенному подавлению его высокочастотной составляющей. Вторая группа объединяет так называемые модуляционные помехи, связанные с изменением качества КУ в процессе каждого цикла измерений, что приводит к некоррелированным случайным флуктуациям параметров УЗ сигнала.

Если контактные помехи первой группы могут быть скомпенсированы увеличением чувствительности электроакустического тракта УЗ приборов, то борьба с помехами второй группы возможна только на основе статистических методов, например, синхронного накопления, которое теоретически позволяет выделить на фоне помех сколь угодно малые сигналы. В то же время реализация способа накопления сопряжена с увеличением времени измерений и значительным удорожанием аппаратурного обеспечения последних. Поэтому на практике стремятся всячески уменьшить влияние КУ ПЭП с контролируемой средой. Традиционно это достигается использованием специальных контактных смазок, согласующих четвертьволновых протекторов и протекторов из полиуретана и акустической резины в сочетании с избыточным давлением прижатия ПЭП P0. Однако опыт УЗ измерений показывает, что роль последнего в обеспечении надёжных КУ далеко не однозначна и требует отдельного рассмотрения, которому и посвящена настоящая работа.

Граничные условия в месте контактирования акустического преобразователя с поверхностью контролируемой области зависят от испытываемого им прижимного уси-

лия. В работе [2] показано, что для учета этой зависимости в режиме излучения вместо условия ст22 = — Р0 (где Р0 - давление преобразователя, ст22 - вертикальная компонента тензора напряжений) следует использовать условие

где Ц2 - вертикальная компонента смещения в области контакта, Кв - коэффициент

Оценим область давлений РСТ, в пределах которой изменение граничных условий еще достаточно мало, чтобы значимо влиять на параметры излучаемого сигнала. Для этого воспользуемся первой краевой задачей из рассмотренного в [3] итерационного ряда:

0 < г < а 0 < г < а

г - текущее значение цилиндрической координаты для задания граничных условий на поверхности z0.

щения при РСТ = 0, а ст22 - член, учитывающий влияние РСТ ^ 0 .

Представляя в (2) смещения и напряжения в виде интегралов Фурье-Бесселя, аналогично работе [3], получаем, что скалярный потенциал Ф и компонента векторного потенциала ^ имеют вид

ир 8 и Кр 8 - скорости распространения и волновые числа продольных и поперечных волн, соответственно, X- параметр интегрального разложения; /л' - коэффициент Ламе; J0,J1 - цилиндрические функции Бесселя нулевого и первого порядка; % - переменная интегрирования, Кр и К8 - волновые числа продольных и поперечных волн, соответственно.

Используя соотношения (3), (4) и результаты работы [3] (проводя в дальней зоне оценку интегралов методом перевала) получаем смещение продольной волны, распространяющейся в направлении максимума диаграммы направленности

(1)

влияния статического давления

величина прижимающей силы,

a - радиус преобразователя, P0 ~ exp (-i®t) .

(2)

Отметим, что в (2) ст22 и Ц0 - соответственно компоненты напряжения и сме-

(3)

(4)

да

где Q(!) = (!• І• Kb • K2/Ц')^Kp -£2J(£a)V(£,!)• W-1 (£)d£ ,

0

0

V(£,1) = a(£2 -l2)-1 [ J (la) Ji (£a) -1J0 (£a)£ (la)],

где FP = 1 + Q ;

Q --[ V2KB • exp (-ш/4) / u'K^a ]{[ 2п1П (KS • KP/KR ) 2 •^/Ka x

xJ1 (KRa) exp(iKRa) ]/[W'(KR)/KR ]-[ V2kp • J1 (KPa) exp (iKPa)]/ [ aK2 x

x (2Kp /K2 -1) 2 ] - 2л/жр (1 - Kp /K2) J1 (KSa) • exp (iKSa)/aK3S };

R - расстояние до преобразователя; KR - волновое число рэлеевской волны.

Если |Q| < 0,3, то влияние РСТ на граничные условия достаточно мало. При |Q| > 3 граничные условия определяются в основном прижимом.

Численная оценка по формуле (5) проводилась для следующих значений входящих в них параметров:

ир = 4500м/с, uP/uS = 1,8, a = 0,015м, f = 1,5 •105Гц. При этом Q - 8,97 -10-4 (KB / tf )^(1 - i • 0,307),

где KB[Н/м3], U = 5,26-1010Ш м2. Условия слабого нагружения выполняется при (KB / u')< 3,72 •Ю2 1/м.

Из результатов работы [2] следует, что при РСТ < 0,077МПа отношение Kb/(U • Рст ) может быть заменено постоянной величиной K — 3,71 • 10 2м3/Н. Поэтому условие слабого нагружения справедливо при

Рст =( Kb/U • K ) < 104Н/м2 = 0,01МПа . Такое давление, хотя и не требует принятия особых мер по стабилизации КУ, но как правило оказывается недостаточным для обеспечения малого уровня потерь на границе преобразователь-массив.

Увеличение Рст до 0,1 МПа и более приводит к преобладающему влиянию нагрузки на имеющие место граничные условия. В результате наряду с повышением чувствительности тракта увеличивается влияние стабильности контактных условий на уровень акустического сигнала, то есть фактически возрастает уровень модуляционной помехи. Отмеченное можно проиллюстрировать результатами следующего эксперимента.

Было осуществлено УЗ прозвучивание блока тёмно-серого крупнозернистого алевролита базой L= 1,37 м. При этом на одной стороне блока на расстоянии 0,1 м друг от друга размещались два излучающих ПЭП с рабочей частотой 38,5 кГц, первый из которых подключался к выходу УЗ прибора УД2-16, а второй (с полосой частот 40 - 50 кГц) - к генератору шума. Причём амплитуды импульсного сигнала и шумовой помехи (со средним равным нулю) были равны между собой. В УЗ приборе была предусмотрена возможность синхронного накопления принятых сигналов, а его приёмный ПЭП размещался на противоположной стороне блока симметрично относительно излучающих ПЭП.

На рисунке представлены осциллограммы принятых сигналов при изменении числа N реализаций, накопленных в рамках одного цикла измерений.

При этом осциллограммы на рис. 1, а соответствуют случаю, когда КУ первого излучающего ПЭП менялись после каждой из реализаций и при этом соблюдались

Осциллограммы УЗ сигналов при воздействии шумовой помехи и различном числе N накопленных реализаций а условиях слабого (а) и сильного (б) нагружения излучающего ПЭП

условия слабого нагружения. Осциллограммы на рис. 1, б отражают результаты накопления в случае, когда условия слабого нагружения первого ПЭП не соблюдались, то есть при | Q |) 3.

Из сравнения данных на рис. 1, а и 1, б следует, что для надёжного выделения полезного сигнала на фоне шумовой помехи в условиях слабого нагружения ПЭП с геосредой требуется реализовать синхронное накопление примерно в 10 раз меньшего числа сигналов по сравнению с сильным нагружением ПЭП. Физически достигаемый эффект становится вполне понятным, если учесть, что при слабом нагружении уменьшается роль модуляционной помехи и, соответственно, увеличивается синхронность накапливаемых сигналов.

------------------СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шкуратник В. Л. Горная геофизика. Ультразвуковые методы. - М.: МГИ, 1990, с. 103.

2. Кондратьев A.II. Метод приближенного расчета формы ультразвуковых импульсов. - Дефектоскопия, 1985, № 1, с. 53-59.

3. Данилов В.Н. О влиянии статического давления прямого преобразователя на направленность поля излучения. - Дефектоскопия, 1986, № 5, с. 24-28.

4. Ямщиков В.С., Данилов В.Н, Шкуратник В.Л. Особенности возбуждения и приема упругих волн в твердом слое преобразователем прошневого типа. - Дефектоскопия, 1983, № 3, с. 16-23.

— Коротко об авторе -----------------------------------------------------------------------

Шкуратник В.Л. - профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Физикотехнический контроль процесс горного производства»,

Московский государственный горный университет,

Moscow State Mining University, Russia, ud@msmu.ru