Оценка статистических параметров потока событий термоакустической эмиссии по данным датчика интегральной акустики

1.

Актуальные вопросы метода акустической эмиссии
(АПМАЭ-2018)
ТГУ, 28 мая – 01 июня 2018 г.
Оценка статистических параметров потока
событий термоакустической эмиссии по данным
датчика интегральной акустики
н.с. лаб. 301 ИФЗ РАН, к.т.н. Казначеев Павел Александрович,
Майбук З.-Ю.Я., Пономарев А.В., Смирнов В.Б., Бондаренко Н.Б.
Тольятти, ТГУ - 2018

2.

Исследование термических разрушений горных пород:
отслеживание эволюции
• Эволюция разрушения отслеживается по данным об акустической
эмиссии – АЭ (здесь – термоакустической эмиссии, ТАЭ).
• При воздействии высоких температур (более 200°С) затруднен доступ к
образцу для установки массива датчиков АЭ.
• На практике лабораторная установка позволяет установить один или два
датчика, «снимающих» сигнал АЭ с одного или двух торцов
цилиндрического образца.
• Соответственно, невозможна полноценная локация и определение
энергии события АЭ.
→ Возникает задача определения параметров событий ТАЭ по параметрам
импульсов ТАЭ, регистрируемых одиночным датчиком АЭ. Прежде всего,
это касается оценки статистических параметров потока событий по
параметрам потока импульсов – распределения по энергиям, b-value и т.п.

3.

Исследование термических разрушений горных пород:
схема лабораторной установки
1 - исследуемый цилиндрический образец
горной породы;
2 - подставка;
3 - цилиндрический акустический волновод;
4 - корпус печи;
5 - датчик интегральной акустики;
6 - нагревательный элемент;
7 - тепловое излучение (условно);
8 - прослойка из индия.

4.

Факторы, влияющие на параметры потока импульсов ТАЭ
I. Исходный закон распределения
числа событий NE по энергиям E:
-
однозвенный;
-
двухзвенный.

5.

Факторы, влияющие на параметры потока импульсов ТАЭ
I. Исходный закон распределения
числа событий NE по энергиям E:
-
однозвенный;
-
двухзвенный.
инициация температурой и
инициация скоростью изменения
температуры (градиентом)
Температура
Скорость изменения температуры
разные механизмы
генерации событий
Активность ТАЭ

6.

Факторы, влияющие на параметры потока импульсов ТАЭ
I. Исходный закон распределения
числа событий NE по энергиям E:
-
однозвенный;
-
двухзвенный.
разные механизмы
генерации событий
инициация температурой и
инициация скоростью изменения
температуры (градиентом)
неоднородность распределения
событий в радиальном
направлении

7.

Факторы, влияющие на параметры потока импульсов ТАЭ
I. Исходный закон распределения
числа событий NE по энергиям E:
-
однозвенный;
-
двухзвенный.
разные механизмы
генерации событий
инициация температурой и
инициация скоростью изменения
температуры (градиентом)
неоднородность распределения
событий в радиальном
направлении
разные типы микроразрушений:
- развитие межзерновых и
внутризерновых трещин при
разных температурах нагрева;
- разный характер развития
трещин при нагреве и
охлаждении.

8.

Факторы, влияющие на параметры потока импульсов ТАЭ
I. Исходный закон распределения
числа событий NE по энергиям E
(однозвенный и двухзвенный).
II. Затухание акустического импульса:
-
расхождение;
-
поглощение.

9.

Факторы, влияющие на параметры потока импульсов ТАЭ
I. Исходный закон распределения
числа событий NE по энергиям E
в волноводе
(однозвенный и двухзвенный).
II. Затухание акустического импульса:
-
расхождение;
-
поглощение.
в образце

10.

Факторы, влияющие на параметры потока импульсов ТАЭ
I. Исходный закон распределения
числа событий NE по энергиям E
(однозвенный и двухзвенный).
II. Затухание акустического импульса:
-
расхождение;
-
поглощение.
Поглощение энергии упругих
волн в образце в образце
[Васин и др., 2006]

11.

Факторы, влияющие на параметры потока импульсов ТАЭ
I. Исходный закон распределения
числа событий NE по энергиям E
Поглощение энергии упругих
волн в образце в образце
[Васин и др., 2006]
(однозвенный и двухзвенный).
II. Затухание акустического импульса:
-
расхождение;
-
поглощение.
Увеличение коэффициента
удельного поглощения на
~450 дБ/м (!)

12.

Факторы, влияющие на параметры потока импульсов ТАЭ
I. Исходный закон распределения
числа событий NE по энергиям E
(однозвенный и двухзвенный).
II. Затухание акустического импульса:
-
расхождение;
-
поглощение.
Подробная оценка показывает,
что все затухание может быть
учтено линейным законом:
Kосл = β ∙ z
где Kосл [дБ] – суммарный
коэффициент ослабления
энергии импульса,
β [дБ/м] – удельный
коэффициент затухания,
z – расстояние, проходимое
импульсом вдоль оси образца.

13.

Факторы, влияющие на параметры потока импульсов ТАЭ
I. Исходный закон распределения
числа событий NE по энергиям E
(однозвенный и двухзвенный).
II. Затухание акустического импульса
(расхождение и поглощение).
III. Вторичные волны (преломление,
переотражение и интерференция).
импульс АЭ

14.

Факторы, влияющие на параметры потока импульсов ТАЭ
I. Исходный закон распределения
числа событий NE по энергиям E
(однозвенный и двухзвенный).
II. Затухание акустического импульса
Для большинства импульсов АЭ
характерно достижение
максимальной амплитуды
первыми полуволнами
импульс АЭ
(расхождение и поглощение).
III. Вторичные волны (преломление,
переотражение и интерференция).
Эта часть зарегистрированного
импульса соответствует головной
части волны, которая не успевает
исказиться наложением

15.

Факторы, влияющие на параметры потока импульсов ТАЭ
I. Исходный закон распределения
числа событий NE по энергиям E
(однозвенный и двухзвенный).
II. Затухание акустического импульса
Подавляющее большинство
АЭ-систем оценивает энергию
импульса по квадрату
максимальной амплитуды
импульс АЭ
(расхождение и поглощение).
III. Вторичные волны (преломление,
переотражение и интерференция).
Eимп = kпр ∙ A2
поэтому в первом
приближении можно
пренебречь наложением волн

16.

Оценка влияния факторов:
расчетная модель

17.

Оценка влияния факторов:
расчетная модель
образец
закон затухания
амплитуды:
Aрег = a – b ∙ z
однозвенный закон
распределения событий:
lg(N) = a – b ∙ Aрег
амплитуда
регистрируемых
импульсов АЭ
Aрег

18.

Оценка влияния факторов:
расчетная модель
для нахождения распределения
регистрируемых импульсов
по амплитудам, интегрируем
по всему объему вдоль оси образца z

19.

Оценка влияния факторов:
распределение регистрируемых импульсов по амплитудам
исходное распределение событий по энергиям
однозвенный
закон
n = NA / Nmax - относительное распределение импульсов по амплитудам
затухание (β)
0 дБ/м
100 дБ/м
1000 дБ/м
Aрег, дБ

20.

Оценка влияния факторов:
распределение регистрируемых импульсов по амплитудам
исходное распределение событий по энергиям
однозвенный
закон
n = NA / Nmax - относительное распределение импульсов по амплитудам
затухание (β)
наклон соответствует
наклону исходного
распределения и не
зависит от затухания
0 дБ/м
100 дБ/м
1000 дБ/м
Aрег, дБ

21.

Оценка влияния факторов:
распределение регистрируемых импульсов по амплитудам
исходное распределение событий по энергиям
двухзвенный
закон
n = NA / Nmax - относительное распределение импульсов по амплитудам
затухание (β)
0 дБ/м
100 дБ/м
1000 дБ/м
Aрег, дБ
Aрег, дБ

22.

Оценка влияния факторов:
распределение регистрируемых импульсов по амплитудам
исходное распределение событий по энергиям
двухзвенный
закон
n = NA / Nmax - относительное распределение импульсов по амплитудам
затухание (β)
0 дБ/м
100 дБ/м
1000 дБ/м
затухание сильно искажает распределение
импульсов по сравнению с исходным
Aрег, дБ
Aрег, дБ

23.

Анализ экспериментальных данных:
методика оценки характера закона распределения и b-value
• Выявление характера распределения – однозвенный или более сложный
• Оценка b-value
затухание (β)
0 дБ/м
100 дБ/м
1000 дБ/м
Aрег, дБ
Aрег, дБ

24.

Анализ экспериментальных данных:
методика оценки характера закона распределения и b-value
• Выявление характера распределения – однозвенный или более сложный
• Оценка b-value
Целесообразен анализ в двух и более соседних поддиапазонах амплитуд
...
...
затухание (β)
0 дБ/м
100 дБ/м
1000 дБ/м
Aрег, дБ
Aрег, дБ

25.

Анализ экспериментальных данных – примеры:
распределение импульсов за весь эксперимент
, дБ
Aрег
Распределение импульсов по амплитудам за весь эксперимент
|b| = 0.082
|b| = 0.072
|b| = 0.08
|b| = 0.106
T, °С

26.

Анализ экспериментальных данных – примеры:
этапы эксперимента
актив. ТАЭ, имп/сек
T, °С
10
600
1
400
Tem
M Ti
0.1
200
0.01
0
1 10
4
2 10
4
4
3 10
4
4 10
4
5 10
4
6 10
4
7 10
8 10
4
9 10
0
5
1 10
4
t2 M temp _time time_Temp _inter
b-value
T, °С
Н – нагрев;
O-I и О-II – первый и второй этапы остывания;
In-кр – кристаллизация индия.

27.

Анализ экспериментальных данных – примеры:
этапы эксперимента
|b| = 0.076
|blow| = 0.089
|bhigh| = 0.081
b-value
выборочная проверка
(~900 импульсов в
выборке)
T, °С
Н – нагрев;
O-I и О-II – первый и второй этапы остывания;
In-кр – кристаллизация индия.

28.

Анализ экспериментальных данных – примеры:
этапы эксперимента
|b| = 0.082
|blow| = 0.093
|bhigh| = 0.071
|b| = 0.066
|blow| = 0.065
|bhigh| = 0.056
|b| = 0.097
|blow| = 0.112
|bhigh| = 0.087
T, °С
b-value
|b| ≈ 0.072
Н – нагрев;
O-I и О-II – первый и второй этапы остывания;
In-кр – кристаллизация индия.

29.

Анализ экспериментальных данных:
инициация ТАЭ градиентом температуры
актив.
ТАЭ,
имп/сек
T, °С
VT,
°С/сек
T, °С600
0.15
b-value
|blow|
0.1
400
|b|
bNo7
bNo7L
bNo7_Nm
Temp
bNo7H
M Ti
|bhigh|
0.05
О-I
Н
0
3
5 10
3
7.5 10
4
1 10
1.25 10
4
200
4
1.5 10
1.75 10
4
4
2 10
4
2.25 10
2.5 10
4
4
2.75 10
0
4
3 10

30.

Анализ экспериментальных данных:
инициация ТАЭ градиентом температуры
образец – гранит мелкозерн. из скваж. с глуб. 837 м (район Койна-Варна, Индия)
пористость до / после нагрева ~ 0.1 / 1.0 %
b-value
T, °С

31.

Анализ экспериментальных данных:
инициация ТАЭ градиентом температуры
образец – гранит мелкозерн. из скваж. с глуб. 1438 м (район Койна-Варна, Индия)
пористость до / после нагрева ~ 0.1 / 3.0 %
b-value
T, °С

32.

Анализ экспериментальных данных:
инициация ТАЭ градиентом температуры
образец – гранит мелкозерн. из скваж. с глуб. 1013 м (район Койна-Варна, Индия)
пористость до / после нагрева ~ 0.05 / 0.6 %
b-value
T, °С

33.

Анализ экспериментальных данных:
инициация ТАЭ градиентом температуры
образец – гранит мелкозерн. из скваж. с глуб. 829 м (район Койна-Варна, Индия)
пористость до / после нагрева ~ 0.04 / 0.8 %
b-value
T, °С

34.

Выводы
• Затухание (энергии) импульсов ТАЭ в настоящей экспериментальной
установке (и подобной ей установках) может быть представлено в виде
линейного закона поглощения.
• Для однозвенного закона распределения событий ТАЭ по энергиям
затухание не искажает форму распределения импульсов ТАЭ по
амплитудам по сравнению с исходной.
• Для двухзвенного закона распределения событий ТАЭ затухание
существенно искажает вид распределения импульсов, теряется сам
двухзвенный характер распределения.
• Оценка b-value в соседних поддиапазонах амплитуд позволяет сделать
вывод о характере закона распределения событий ТАЭ (одно-,
двухзвенный или более сложный) и оценить b-value, близкое к исходному.
• На экспериментальных данных такая методика показала возможность
различения механизмов генерации ТАЭ, связанных с разными этапами
эксперимента по термическим разрушениям горных пород.
• Обнаружено, что исходное распределение событий ТАЭ может быть
двухзвенным с уменьшением b-value с ростом амплитуды («вогнутым»),
что представляет интерес для дальнейшего изучения.

35.

Спасибо за внимание!

36.

37.

Распределение импульсов по амплитудам
в скользящем окне
Aрег, дБ
актив. ТАЭ,
max( Mohc)
log(имп/сек)
max( Mohc)
|bhigh|
Schc
|blow|
min ( Mohc)
Schc
( Tohc Iohc Mohc)
min ( Mohc)