Способ определения частотных характеристик затухания упругих волн в горных породах

 

Изобретение относится к горному делу и м.б. использовано для исследования свойств образцов горных пород (ГП). Цель изобретения - повышение точности определения характеристик затухания при сжатии . Предварительно нагружают измерительную систему вместе с одним из образцов ГП давлением Р, которое выбирают из соотношения Е,-(х,-:1,-), где Б,- - модуль Юнга материала i-ro звена системы; Xi - средняя высота шероховатостей контактных поверхностей i-ro звена; 1, - длина i-ro звена; , 2, ..., п; п - число звеньев; Рм - предел прочности ГП. Попеременно прозвучивают ультразвуковыми импульсами исследуемый образец ГП и эталонный образец с известной частотной характеристикой затухания. Определяют амплитудно-частотный спектр входного сигнала и спектры выходных сигналов для исследуемого и эталонного образцов, по которым судят о частотных затуханиях упругих волн. Измерения проводят с помощью многозвенной измерительной системы. Для эталонных образцов ГП могут быть выбраны вещества , частотные характеристики затухания упругих волн в которых не имеют существенных особенностей в рабочем диапазоне частот и не зависят от давления при гидросжатии. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. I (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„SU„„1384749 А1 (50 4 Е 21 С 39 00

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4! 09350/22-03 (22) 16.06.86 (46) 30.03.88. Бюл.№ 12 (71) Институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта (72) Г. А. Ефимова, И. В. Жуков и В. А. Калинин (53) 622.289 (088.8) (56) Меркулов Л. Г. и Токарев В. А. Физические основы спектрального метода измерения затухания ультразвуковых волн в материалах.— Дефектоскопия, 1970, № 4, с. 3 — 11.

Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник/ Под ред.

В. В. Клюева, М.: Машиностроение, 1976, т. 2, с. 254. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАТУХАНИЯ УПРУГИХ ВОЛН В ГОРНЫХ ПОРОДАХ (57) Изобретение относится к горному делу и м.б. использовано для исследования свойств образцов горных пород (ГП). Цель изобретения — повышение точности определения характеристик затухания при сжатии. Предварительно нагружают измерительную систему вместе с одним из образцов ГП давлением Р, которое выбирают из соотношения Е;(х;:1;)(Р(Р, где Е; — модуль Юнга материала i-го звена системы; х; — средняя высота шероховатостей контактных поверхностей i-го звена; 1; — длина i-ro ; i=1, 2, ..., п; и — число звеньев; Рм — предел прочности ГП.

Попеременно прозвучивают ультразвуковыми импульсами исследуемый образец ГП и эталонный образец с известной частотной характеристикой затухания. Определяют амплитудно-частотный спектр входного сигнала и спектры выходных сигналов для исследуемого и эталонного образцов, по которым судят о частотных затуханиях упругих волн.

Измерения проводят с помощью многозвенной измерительной системы. Для эталонных образцов ГП могут быть выбраны вещества, частотные характеристики затухания упругих волн в которых не имеют существенных особенностей в рабочем диапазоне частот и не зависят от давления при гидросжатии. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1384749

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано при исследовании свойств образцов горных пород.

Цель изобретения — повышение точности определения характеристик затухания при сжатии.

На фиг. 1 представлена многозвенная измерительная система для исследования характеристик затухания упругих волн при сжатии; на фиг. 2 — зависимость амплитуды сигналов от давления; на фиг. 3 и 4— зависимости соответственно спектральной характеристики входного сигнала и коэффициента затухания упругих волн в функции давления и частоты в горной породе.

На фиг. 1 обозначены ультразвуковые преобразователи 1 и 2, наковальни 3, поршни 4 из твердого сплава; оболочка 5 из пластического вещества, ячейка 6 с образцом.

Способ осуществляют следующим образом. 20

В ячейку 6 помещают образец исследуемой горной породы, осуществляют соединение звеньев измерительной системы и нагружают ее до давления Р, затем производят прозвучивание, регистрируя фрагмент выходного импульсного сигнала длительностью т.

Для амплитудно-частотного анализа выбирается фрагмент первого вступления импульсов, соответствующий прямой проходящей волне и не осложненный вступлениями переотраженных интерферирующих волн. 30

В общем виде временной интервал т для частотного анализа оценивают из неравен21 ства т(—, где первая часть определяет с, время запаздывания волны, переотраженной в наиболее тонком звене измерительной системы. Применительно к используемой установке, самыми тонкими звеньями, 1= 2 мм, являются торцовые части пластической оболочки 5. Для свинца время запаздывания переотраженной волны составляет 40 около 2 мкс, Таким образом, при основной частоте датчиков МГц длительность анализируемого фрагмента т 2 мкс, при частоте 2 МГц т 4 мкс, т.е. составляет соответственно до двух и до четырех видимых 45 периодов колебаний. Для сведения к минимуму погрешностей определения спектров за счет анализа неполного импульса рабочую частоту датчиков следует выбирать таким образом, чтобы анализируемый фрагмент включал в себя более трех периодов. Производят разгрузку системы и расстыковку звеньев измерительной системы.

В ячейку 6 помещают эталонный образец, имеющий одинаковые размеры с исследуемым, с известной частотной характеристикой затухания волн, осуществляют соедине- 55 ние звеньев акустического тракта и повторяют цикл нагружения системы, регистрируя фрагмент выходного сигнала при давлении P. Путем спектрального анализа на

ЭВМ зарегистрированных импульсов определяют амплитудные спектры Ьо(ь, P) и

S (а, P) для системы с эталонным и исследуемым образцами соответственно:

Я (цг, P) =S(uf)1(Щ P) xgKp(Qf) (1)

S((o, P)= S((o)L((o, P) аеК(ю, P), (2) где S (о) — спектральная характеристика входного сигнала;

1(а, P) — частотная характеристика потерь во всех элементах системы, включая акустический. тракт, за исключением образцов и контактов образцов с пластической оболочкой, и электрический тракт;

Ко(оз) — известная частотная характеристика затухания волн в эталоне;

К (ь, P) — искомая частотная характеристика затухания волн в горной породе.

Осуществляя компенсацию характеристик S(ю,) и 1 (ю, P), из соотношения (1) к (2) можно выделить искомую характеристику К (в, P) и с учетом выражений

Ко(со) = e — ".<û . К((о, Р) = е определить коэффициент затухания в зависимости от частоты по формуле: а (а, Р) = — (-р — (1 — 1. — — +

So P

1(Р) S((o P) " ж

+ 1о(Р) ао(ь)) (3) где а(а, P) — коэффициент затухания упругих волн в функции давления и частоты в горной породе;

1o(P),1(Р) — длины эталонного и исследуемого образцов в функции давления;

Яо(в, P), S (ь, P) — амплитудно-частотные спектры фрагментов импульсов, зарегистрированных при прозвучивании эталонного и исследуемого образцов соответственно;

1о (оз) — коэффициент затухания .волн в функции частоты в эталонном образце; о, ж — характеристики нескомпенсированных акустических потерь в тракте, содержащем эталонный и исследуемый образцы соответственно.

Для эталонных образцов могут быть выбраны вещества, частотные характеристики затухания упругих волн в которых не имеют существенных особенностей в рабочем диапазоне частот и практически не зависят от давления при гидро- и квазигидростатическом сжатии до 2 ГПа. Таким требованиям удовлетворяют, например, латунь, медь, алю)384749 миний. Характеристики я()(11) для них известны из литературных источников или могут быть определены экспериментально на массивных образцах при атмосферном давлении по известным методикам. 5

Создание надежного акустического контакта между звеньями акустического тракта осуществляется с помощью давления Р, причем критерием правильности выбора минимального давления p= p. при котором можно проводить измерения, является постоянство максимальной амплитуды спектров при дальнейшем увеличении нагрузки, т.е. при Р)Р»- (фиг. 2) . При высоких гидро-и квазигидростатических давлениях изменение динамических характеристик волн !5

7 в том числе и спектров, за счет процессов структурных изменений в горной породе обычно имеет место при давлениях Р)) Р... поэтому наличие участка А= const (А амплитуда основной гармоники спектра)

-указывает на наличие устойчивого контакта. В условиях одноосного сжатия процесс трещинообразования в горных породах начинается при гораздо более низких давлениях, чем в гидростатике, поэтому при определении Р.-. следует руководствоваться 25 неравенством Е,— Р«-, которое выражает

x„ ( условие полного «залечивания» пустот, образованных шероховатостями граничащих друг с другом контактных поверхностей вследствие деформации (сжатия) звеньев акустического тракта под давлением.

Максимальное значение давления P определяется пределом прочности горной породы. Таким образом, величину давления P выбирают из соотношения

Е; 1 РсР,), где х; — средняя высота шероховатостей контактных поверхностей (-го звена, 4р

i=I,2,...,п; и — общее число звеньев;

1; — длина i-го звена;

Е; — модуль Юнга материала i-го звена;

P.- — предел. прочности горной породы.

Благодаря отсутствию контактных склеек, 45 коэффициенты нескомпенсированных потерь и с определяются только акустическими сопротивлениями граничащих сред и средним размером шероховатостей, на которых при х;-Х (A. — длина волны) может происходить частотно-зависимое рассеяние. Во 50 избежание последнего эффекта торцовые контактные поверхности звеньев должны быть тщательно отполированы, чтобы выполнялось условие x;((),. Технологически достаточно легко обеспечить х;= 2 мкм, что позволяет считать границы идеальными при частотах ультразвука О,! — 5,0 МГц.

Таким образом, контактные потери ж о и зе могут быть рассчитаны по формулам для коэффициента прохождения волн через границу двух сред при нормальном падении

4ZpZp 4ZZp (Z Z )2. i (Z Z ) 2 о= ОРО

Z= ср, где со, уо; с, р — скорости распространения упругих волн и плотности в эталонном и исследуемом образцах, определяемые экспериментально в условиях высоких давлений;

Zp — акустическое сопротивление пластической оболочки из свинца или индия.

Формула изобретения.

l. Способ определения частотных характеристик затухания упругих волн в горных породах, включающий попеременное прозвучивание ультразвуковыми импульсами, исследуемого образца горной породы и эталонного образца с известной частотной характеристикой затухания, определение амплитудно-частотного спектра входного сигнала и спектров выходных сигналов для исследуемого и эталонного образцов, по которым судят о частотных характеристиках затухания исследуемого образца, - при этом измерения проводят с помощью многозвенной измерительной системы, отличаюи ийся тем, что, с целью повышения точности определения характеристик затухания при сжатии, предварительно нагружают измерительную систему вместе с одним из образцов давлением Р, регистрируют фрагмент первого вступления выходного сигнала длительностью т(21./с., где )- — толщина самого тонкого звена измерительной системы; с. — скорость распространения упругих волн в нем, и определяют частотную характеристику затухания упругих волн в горной породе по формуле где а(в, P) — коэффициент затухания упругих волн в горной породе в функции давления P и частоты в;

1(Р),1o(p) — длина исследуемого и эталонного образцов в функции давления;

So(, P), S ((o, P) — амплитудно-частотные спектры фрагментов импульсов, регистрируемых для эталонного и исследуемого образцов;

1384749

Ei (P (Рм

1;

7 ае.0, ж где Е;— х

1 =.

Вунсоснсе

ИОа

roo

Фаг.Я

Юп

Л

Г ы,умед, 02 г ю уют

Фаг. Ф

Составитель К. Лыков

Редактор И. Рыбченко Техред И. Верес Корректор И. Муска

Заказ 1117/27 Тираж 459 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 — характеристики иескомпенсированных акустических потерь .с эталонным и исследуемым образцами; ого, (оз) — коэффициент затухания упругих волн в эталонном образце в функции частоты

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величину давления Р выбирают из соотнош(.ния модуль Юнга материала i-го звена системы; средняя высота шероховатостей контактных поверхностей i-ro звена; длина i-ro звена;

1,2,...,п, где и — число звеньев; предел прочности горной породы.

Bvg сжптия-.