Определение оптимальных характеристик низкочастотного оптико-акустического преобразователя для диагностики геоматериалов

Проведен краткий обзор современных методов неразрушающего контроля. Проанализированы их преимущества и недостатки в исследовании крупногабаритных гетерогенных объектов. Установлено, что наиболее информативными при диагностике структуры и свойств таких сложных гетерогенных материалов, как горные породы, являются акустические методы. Рассмотрены современные методы генерации ультразвука и их влияние на характеристики зондирующего сигнала. Подтверждено, что методы лазерной генерации позволяют наилучший контроль над характеристиками зондирующего сигнала. Также проведен анализ средств цифровой обработки, использующихся в совокупности с акустическими методами. Обоснована необходимость оценки влияния характеристик оптико-акустических преобразователей на зондирующий сигнал. Предложено использование «Программы для моделирования распространения гауссовых пучков методом ABCD-матриц» для создания модели и оценки влияния упомянутых выше характеристик. Проведена оценка влияния длительности лазерного импульса, свойств светопоглощения и акустических характеристик генераторной среды на амплитуду и ширину полосы спектра зондирующего сигнала. Обнаружена возможность контроля некоторых характеристик оптико-акустического преобразователя с целью настройки под нужды конкретных исследований. Предложены направления дальнейших исследований с целью упрощения контроля характеристик зондирующего сигнала посредством изменения характеристик оптико-акустического преобразователя.

Пашкин А. И. Определение оптимальных характеристик низкочастотного оптико-акустического преобразователя для диагностики геоматериалов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 4-1. — С. 62—72. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_41_0_62.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-35-90044.

Пашкин Александр Игоревич — аспирант, alexandrill@ya.ru, Национальный Исследовательский Технологический Университет «МИСиС» Горный институт, Москва, Россия.

1. Wallace Wai-Lok Lai, Xavier Dérobert, Peter Annan A review of Ground Penetrating Radar application in civil engineering: A 30-year journey from Locating and Testing to Imaging and Diagnosis // NDT & E International, 2018, Vol. 96, pp. 58—78.

2. Jun Zhang, Chao Zhang, Yaming Lu, Ting Zheng, Yunyi Jia In-situ recognition of moisture damage in bridge deck asphalt pavement with time-frequency features of GPR signal // Construction and Building Materials, 2020, Vol. 24430, a. 118295.

3. Agred K., Klysz G., Balayssac J. -P., Location of reinforcement and moisture assessment in reinforced concrete with a double receiver GPR antenna // Construction and Building Materials, 2018, Vol. 18810, pp. 1119—1127.

4. Вавилов В. П. Тепловидение и тепловой контроль для инженеров — М.: Спектр, — 2017. — 72 с.

5. Чулков А. О., Вавилов В. П., Московченко А. И. Активный тепловой контроль отслоений в теплозащитных конструкциях. // Дефектоскопия, — 2019, — № 3, — c. 58—65.

6. Vavilov V. P., Karabutov A. A., Chulkov A. O., Cherepetskaya E. B., Mironova E. A., Comparative study of active infrared thermography, ultrasonic laser vibrometry and laser ultrasonics in application to the inspection of graphite/epoxy composite parts // Quantitative Infr aRedThermographyJournal, 2020, 17(4), p.p. 235–248, DOI: 10.1080/17686733.2019.1646971.

7. Chaki S., Harizi W., Bourse G., Ourak M. Multi-technique approach for non destructive diagnostic of structural composite materials using bulk ultrasonic waves, guided waves, acoustic emission and infrared thermography. // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2015, Vol. 78, pp. 358—361.

8. Tschegg E. K., Schneemayer A., Merta I., Rieder K. A. Energy dissipation capacity of fibre reinforced concrete under biaxial tension compression load. Part II: Determination of the fracture process zone with the acoustic emission technique // Cement and Concrete Composites, 2015, Vol. 62, pp. 187—194.

9. Ahn S., Jeon E. B., Koh H., Kim S., Park J. Identification of stiffness distribution of fatigue loaded pol-ymer concrete through vibration measurements // Composite Structures, 2016, Vol. 136, pp. 11—15.

10. Chen J. G., Haupt R. W., Buyukozturk O. Operational and defect parameters concerning the acoustic-laser vibrometry method for FRP-reinforced concrete. // NDT & E International, 2015, Vol. 71, pp. 43—53.

11. Castellano A., Fraddosio A., Piccioni M. D. Ultrasonic goniometric immersion tests for the characterization of fatigue post-LVI damage induced anisotropy superimposed to the constitutive anisotropy of polymer composites. // Composites Part B: Engineering, 2017, Vol. 116, pp. 122—136.

12. Zarubin V., Bychkov A., Simonova V., Zhigarkov V., Karabutov, A., Cherepetskaya E. A refraction-corrected tomographic algorithm for immersion laser-ultrasonic imaging of solids with piecewise linear surface profile // Applied Physics Letters, 2018, Vol. 112, № 214102,. DOI: 10.1063/1.5030586.

13. Bychkov A. S., Cherepetskaya E. B., Karabutov A. A., Makarov V. A., Laser optoacoustic tomography for the study of femtosecond laser filaments in air // Laser Physics Letters, 2016, Vol. 13, i. 8, № 085401.

14. Grigoriev, K. S., Kuznetsov, N.Yu., Cherepetskaya, E. B., Makarov, V. A. Second harmonic generation in isotropic chiral medium with nonlocality of nonlinear optical response by heterogeneously polarized pulsed beams // Optics Express, 2017, Vol 25, Issue 6, pp. 6253—6262. DOI: 10.1364/OE.25.006253.

15. Липовко П. О., Логанчук М. Л. Компонентный анализ бинарных сред методом акустической рефлектоимпедансометрии // Компьютерные исследования и моделирование, 2015. — Т. 7. — № 2. — С. 301—313.

16. Shastin V. I., Kargapoltcev S. K., Gozbenko V. E., Livshits A. V. and Filippenko N. G., Results of the Complex Studies of Microstructural, Physical and Mechanical Properties of Engineering Materials Using Innovative Methods, Inter-national Journal of Applied Engineering Research, Vol. 12, 2017, pp. 15269—15272.

17. Жижимонтов И. Н., Степанов С. В., Свалов А. В. «Применение стохастического порового-сетевого моделирования для получения уточненной зависимости пористость — абсолютная проницаемость на примере неокомских отложений месторождения Западной Сибири» // Нефтяное хозяйство, 2017. — C. 96—98.

18. Bilal Saad, Ardi Negara, Syed Shujath Ali Digital Rock Physics Combined with Machine Learning for Rock Mechanical Properties Characterization // Abu Dhabi International Petroleum Exhibition & Conference, 2018, doi: 10.2118/193269-MS.

19. Дучков А. Д., Дугаров Г. А., Дучков А. А., Дробчик А. Н. Лабораторные исследования скорости и поглощения ультразвуковых волн в песчаных образцах, содержащих воду/лед, гидраты метана и тетрагидрофурана // Геология и геофизика. — 2019. — №2. doi: 10.15372/GiG2019015.

20. Mottershead J. E., Friswell M. I., Model updating in structural dynamics: a survey // J. Sound Vib., 1993, Vol. 167, pp. 347–375.

21. Friswell M. I., Mottershead J. E. Finite Element Model Updating in Structural Dynamics. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands, 1995, 286 p.

22. Zou Y., Tong L., Steven G. P. Vibration-based model-dependent damage (delamination) identification and health monitoring for composite structures-a review // J. Sound Vib., 2000, Vol. 230, pp. 357–378.

23. Sinha J. K., Friswell M. I., Edqards S. Simplified models for the location of cracks in beam structures using measured vibration data // J. Sound Vib., 2002, Vol. 251, pp. 13–38

24. Liu G. R., Han X. Computational Inverse Techniques in Nondestructive Evaluation // CRC Press, Boca Raton, FL., 2003., 592 p.

25. Taheri H., Koester L. W., Bigelow T. A., Bond L. J. Thermoelastic finite element modeling of laser generated ultrasound in additive manufacturing materials. // ASNT Annual Conference 2017, 2017, pp. 188–198.

26. Фаворская А. В. Исследование свойств материала пластины лазерным ультразвуком при помощи анализа кратных волн // Компьютерные исследования и моделирование, 2019. — Т. 11. — № 4. — С. 653—673.

27. Sun H., Waisman H., Betti R. A sweeping window method for detection of flaws using an explicit dynamic XFEM and absorbing boundary layers // Internat. J. Numer. Methods Engrg., 2016, Vol. 105, pp. 1014–1040.

28. Gravenkamp H., Natarajan S., Dornisch W. On the use of NURBS-based discretizations in the scaled boundary finite element method for wave propagation problems // Comput. Methods Appl. Mech. Engrg., 2017, Vol. 315, pp. 867–880.

29. Jung J., Jeong C., Taciroglu E. Identification of a scatterer embedded in elastic heterogeneous media using dynamic XFEM // Comput. Methods Appl. Mech. Engrg., 2013, Vol. 259, pp. 50–63.

30. Bychkov A., Simonova V., Zarubin V., Cherepetskaya E.,Karabutov A., The progress in photoacoustic and laser ultrasonic tomographic imaging for biomedicine and industry: A review, Vol. 8, (10), 15, 2018, DOI: 10.3390/app8101931.

31. Potravkin N. N., Cherepetskaya E. B., Perezhogin I. A., Makarov V. A., Ultrashort elliptically polarized laser pulse interaction with helical photonic metamaterial // Optical Materials Express, Vol. 4, (10), 2014, p.p. 2090—2101, DOI: 10.1364/OME.4.002090.

32. Kim J. E., Kim D. S., Ma P. S., Kim Y. Y., Multi-physics interpolation for the topology optimization of piezoelectric systems // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2010, Vol. 199, pp. 3153–3168.

33. Zhai J., Zhao G., Shang L., Integrated design optimization of structural size and control system of piezoelectric curved shells with respect to sound radiation // Structural and Multidisciplinary Optimization, 2017, Vol. 6.

34. Zhai S., Chen H., Ding C., Shen F., Luo C., Zhao X., Manipulation of transmitted wave front using ultrathin planar acoustic metasurfaces // Applied Physics A, 2015, Vol. 120(4), pp. 1283–1289.

35. Gil Ho Y., Hyunggyu C., Shin H., Multiphysics topology optimization for piezoelectric acoustic focuser // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2018, Vol. 332, pp. 600–623.

36. Пашкин А. И., Винников В. А., Моделирование Распространения Лазерноультразвукового Зондирующего Импульса В Слоистой Среде Методом ABCD-Матриц // Горный Информационно-Аналитический Бюллетень. — 2020. — №6. — C. 140—150.

37. Программа для моделирования генерации и распространения оптико-акустических сигналов в слоистых средах методом ABCD-матриц; Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ RU №2020610531/ Пашкин А. И. (RU); заявитель ФГАОУ ВО НИТУ «МИСиС»; заявл. 11.12.2019 №2019666270 (Дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ от 15.01.2020.