Глава 1. Основы теории виброакустики и акустоэмиссии

1.1 Пассивные методы акустического контроля и диагностики

К пассивным методам отнесены те, которые не требуют намеренного возбуждения акустических сигналов в объекте контроля. Такие сигналы возникают в самом объекте при его эксплуатации. Наиболее известными на текущий момент являются два таких метода:

• акустико - эмиссионный метод, когда упругие волны возникают за счет энергии, запасенной в среде, металле конструкции, энергоносителе, при силовом взаимодействии отдельных узлов или сред между собой. Наиболее широко используют упругие волны, возникающие при деформировании и разрушении (трещинообразовании) материала конструкции, истечении жидкости или газа через неплотности;

• вибродиагностика, когда определяют параметры колебаний конструкции под воздействием эксплуатационных факторов, в первую очередь динамических нагрузок.

Физика явления акустической эмиссии

Под акустической эмиссией (АЭ) будем понимать возникновение в среде упругих волн, вызванное изменением ее состояния под действием внешних и внутренних факторов. Такое изменение всегда происходит дискретно хотя бы на микроскопическом уровне. Поэтому АЭ явление, сопровождающее едва ли не все физические процессы в твердых телах и на их поверхности, и возможность ее регистрации при протекании большинства процессов определяется чувствительностью аппаратуры. АЭ возникает как в микропроцессах, обусловленных движением мельчайших элементов структуры твердых тел, так и в макроявлениях связанных с разрушением агрегатов и конструкций. Поэтому регистрация АЭ предоставляет широкие возможности для исследования твердых тел, взаимодействия их между собой, с жидкими и газообразными средами, а также для создания контрольно-измерительных устройств и средств диагностики материалов и конструкций в процессе их эксплуатации.

Явление излучения упругих волн твердыми телами известно с середины прошлого столетия в форме «крика олова», возникающего при деформировании олова и слышимого невооруженным ухом, однако в течение многих десятилетий оно не находило практического применения. С 50~x годов 20-го века регистрация акустических сигналов стала применяться на практике для прогнозирования внезапных выбросов в шахтах. Почти одновременно началось систематическое изучение АЭ в конструкционных материалах.

Особенно интенсивно приступили к исследованиям и разработкам в области АЭ в середине 60-х годов в связи с насущной необходимостью создания систем предэксплуатационного и эксплуатационного контроля особо ответственных объектов - корпусов ракет и ядерных реакторов, трубопроводов АЭС других крупных инженерных сооружений. Достоинство систем АЭ - контроля диагностики - возможность регистрации сигналов, возникающих достаточно далеко от преобразователя, что позволяет не проводить сканирования объекта присущего обычным методам контроля. Поэтому АЭ- системы практически безынерционны и потенциально надежны из-за отсутствия перемещения преобразователей. Эти достоинства послужили основой для широкого развертывания работ по созданию АЭ - систем эксплуатационного контроля объектов и связанных с ними методических и аппаратурных разработок и исследований самого явления. Однако само явление АЭ и причины, его порождающие, оказались более сложными, чем считалось в 60-х годах. По-видимому, конец 70-х годов следует рассматривать как начало второго этапа исследований в области АЭ, когда была осознана вся сложность проблем, возникающих при разработке АЭ — систем контроля, создана исследовательская аппаратура, накоплен определенный экспериментальный материал, создана база для оперативной автоматической обработки данных, достаточная для решения как исследовательских, так и технических проблем.

Развитие вычислительной техники и электроники в конце 90-х годов открыли новые возможности в области АЭ - диагностики и дали новое направление развития, в частности, в автомобилестроении.

Наиболее перспективными областями практического применения АЭ считаются обнаружение возникновения и развития растрескивания материалов, в частности, при коррозии под напряжением (стресс - коррозии).

Причины возникновения и характер АЭ

В силу дискретной природы вещества дискретны по своей сути и происходящие в них физические процессы. Кажущаяся непрерывность процесса, например, изменение температуры, отражает факт усреднения результата наблюдения большого числа дискретных элементарных событий. Элементарное событие в твердом теле приводит к деформированию

последнего, но столь незначительному, что оно, как правило, не может быть зарегистрировано известными средствами. Однако большое количество элементарных событий, образующих последовательность (поток) событий, может привести к макроскопическим явлениям в твердом теле, сопровождающимися заметным изменением энергетического состояния тела, причем при освобождении энергии часть ее излучается в виде упругих волн. Возникновение таких волн и есть АЭ.

АЭ может проявляться двояко. Если число элементарных событий, приводящих к возникновению упругих волн, велико, а энергия, освобождаемая при каждом событии, мала, то АЭ - сигналы воспринимаются как слабый непрерывный шум, получивший название непрерывной АЭ. Из-за малости энергии, освобождаемой при единичном акте, энергетическое состояние тела меняется незначительно. Поэтому вероятность осуществления следующего такого акта практически не зависит от наличия предыдущего. Вследствие этого физические характеристики непрерывной АЭ меняются со временем сравнительно медленно, что дает возможность описывать данный вид эмиссии как квазистационарный (почти стационарный) процесс.

Если состояние твердого тела далеко от равновесного, возможны процессы лавинного типа, при которых за малый промежуток времени в процесс вовлекается большое количество элементарных событий. Энергия возникающей упругой волны может на много порядков превосходить энергию упругих волн при непрерывной АЭ. Число отдельных энергетических скачков при этом существенно меньше, влияние каждого предыдущего акта на последующий становится существенным и процесс возникновения упругих волн уже нельзя рассматривать ни как непрерывный, ни как стационарный. Подобная эмиссия, характеризующаяся дискретностью и большой амплитудой регистрируемых событий, получила название дискретной.

В значительной степени разделение АЭ на два вида условно, так как возможность раздельной регистрации АЭ-импульсов зависит от характеристик аппаратуры, включая, преобразователь сигналов, а также от свойств объекта, порождающего АЭ. Например, демпфируя преобразователь и объект и уменьшая, таким образом, постоянную времени затухания их свободных колебаний можно существенно (на порядки) уменьшить длительность фронтов регистрируемых импульсов и, устранив их наложение, формально перейти от регистрации непрерывной АЭ к регистрации дискретной, хотя физическая сущность явления АЭ не изменится.

Оценки показывают, что реально наблюдаемая амплитуда электрических импульсов, порождаемых элементарными АЭ-процессами на микроуровне, связана с большим количеством элементарных актов. Максимальная амплитуда сигналов, обусловленных АЭ, составляет единицы вольт (в отдельных случаях - десятки вольт). Аппаратурные возможности ограничивают минимальную амплитуду и уровень регистрируемых сигналов величиной порядка единиц микровольт, реже - десятыми долями микровольта. При ограничении полосы частот, пропускаемых на регистратор, и, соответственно, более низком уровне аппаратурного шума возможно дальнейшее снижение уровня регистрируемых сигналов, однако, за счет быстродействия измерительной системы. Характерный пример - АЭ, возникающая при распространении трещин в материале. Подрастание трещин, возникающее под действием внешних и внутренних факторов, имеет скачкообразный характер, при котором чередуются периоды стабильного состояния трещины при возможном увеличении пластической деформации у ее вершины, и периоды, когда трещина меняет свою длину с околозвуковой скоростью, переход в новое состояние равновесия. Переход сопровождается упругой волной, регистрируемой преобразователем как сигнал дискретной АЭ.

В промежутки времени между скачками, при накоплении пластической деформации, проявляется характерная для пластического деформирования непрерывная АЭ. Средняя скорость продвижения трещины может не превышать малых долей миллиметра в час, и трещина еще не представляет серьезной опасности для конструкции. Обычно для прогнозирования разрушения используют дискретную составляющую АЭ ввиду простоты регистрации сигналов большой амплитуды. Помимо применения для диагностики состояния конструкций, дискретную АЭ используют при контроле технологических процессов, в ходе которых возможно образование трещин (например, при сварке, закалке и т. д.), а также для исследований и контроля коррозионного растрескивания, прочности, в частности термопрочности, усталостного разрушения материалов, процессов трения и износа. Возникновение непрерывной АЭ связывают с процессами пластического деформирования твердых тел и другими физическими процессами. Общие сведения о причинах возникновения и характере АЭ приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Физические процессы, приводящие к акустической эмиссии, и области ее применения

Физический процесс	Наличие АЭ		Область применения
	непрерывной	дискретной
Пластическая деформация: двойникованием зернограничным скольжением диффузией атомов	Есть Есть Есть Нет	Есть Есть Нет Есть	Исследования по физике прочности, физике твердого тела, материаловедению
Образование и развитие трещин	Есть	Есть	Прогнозирование разрушения конструкций, контроль качества изделий; исследования прочности конструкций; контроль технологических процессов (сварки)
Коррозия: коррозионное растрескивание межкристаллитная коррозия Точечная коррозия	Есть Есть Есть	Есть Есть Есть	Прогнозирование разрушения конструкций; исследования и контроль качества материалов; ускоренные испытания коррозионной стойкости, материалов и конструкций

Продолжение таблицы 1.1

Физический процесс	Наличие АЭ		Область применения
	непрерывной	дискретной
Электрохимические процессы (осаждение и растворение материалов)	Есть	Есть	Контроль технологических процессов
Трение	Есть	Есть	Прогнозирование разрушения конструкций
Электрический пробой	Есть	Есть	Контроль качества изделия

Обоснование выбора метода диагностики

Разработка эффективных систем безразборного контроля параметров технического состояния машин и механизмов в рабочих условиях представляет собой задачу исключительной значимости. Отечественный и зарубежный опыт показывает, что одним из важнейших средств повышения качества, надежности и экономической эффективности использования механического оборудования является применение систем виброакустического и акустического эмиссионного диагностирования, устраняющих демонтаж и разборку оборудования. Требования обеспечения комплексной безразборной оценки технического состояния машин и механизмов в рабочих условиях выдвигают на первый план именно метод виброакустической и акусто-эмиссионной диагностики, как наиболее чувствительный к различного рода отклонениям параметров технического состояния механизма от нормы.

Эффективность этих методов диагностики обусловлена так же возможностью автоматизации процессов съема и обработки многомерной высокочастотной измерительной информации. Это можно реализовать с помощью современной микропроцессорной техники и организации процедур диагностирования на основе математического аппарата теории распознавания образов. Виброакустическая диагностика машин и механизмов, а так же акусто-эмиссионный неразрушающий контроль, являются самостоятельными научными направлениями технической диагностики. Вибродиагностика возникла на стыке акустической динамики машин с теорией сигналов и с теорией распознавания образов.

На данный момент, стало возможным изготовление аппаратуры, которая в автономном режиме (без участия человека) способна оценить техническое состояние объекта, предупредить, и рассчитать время до критического развития дефекта, предотвратив тем самым поломку механизма.

Предметом изучения виброакустической диагностики являются закономерности изменения процессов звукообразования в узлах объекта диагностирования при появлении неисправностей для разработки методов определения параметров технического состояния объекта по косвенным признакам, а также принципов построения и организации использования средств акустического диагностирования. Успех диагностирования в значительной мере обусловлен правильностью построения диагностической модели механизма с учетом его линейных и нелинейных свойств, выбором информативных компонент акустического сигнала, особенно при диагностировании зарождающихся дефектов. Сложное взаимодействие деталей между собой и с внешней средой порождает акустические волны, не поддающиеся точному математическому описанию. Поэтому методы параметрической идентификации, применимые в низкочастотном диапазоне для количественного описания поведения механизма как единого целого, в диапазоне частот от 200 - 300 Гц до 1 - 2 кГц можно использовать лишь для качественного описания изменений виброакустических процессов под действием неисправностей. В диапазоне частот выше 1-2 кГц колебания механизма представляют собой комбинацию различного рода упругих волн, анализ поведения которых следует вести акусто-эмиссионными методами, развитыми для сложных по геометрии и структуре сплошных сред. Если дефекты изготовления и монтажа можно диагностировать по характеристикам колебаний на вынужденных частотах механизма, то зарождающиеся эксплуатационные дефекты, обладающие малой колебательной мощностью, удается диагностировать лишь обращением к высокочастотным акустическим колебаниям в резонансных зонах механической системы в диапазоне частот от l-2 кГц до 200-500 кГц на собственной частоте встроенного преобразователя.

Одна из особенностей виброакустической диагностики состоит в том, что отклонение параметров технического состояния от нормы нужно поставить в соответствие с отклонением параметров акустического сигнала. Это означает, что акустический сигнал в режиме нормального функционирования механизма определяет уровень помех при диагностировании, поэтому, чем сложнее механизм, тем выше уровень его акустической активности и тем труднее выявить информативную, изменяющуюся часть сигнала. Именно поэтому для формирования диагностических признаков, чувствительных к дефектам, используют специальные методы обработки акустических сигналов. Поиск информативных диагностических признаков неисправностей относится к числу наиболее трудно формализуемых операций.