Вернуться к результатам поиска

Разработка широкополосного лазерно-ультразвукового преобразователя сдвиговых волн и его апробация на изотропных материалах и образцах горных пород

Представлены теоретические и экспериментальные данные по усовершенствованию современных методов лазерно-ультразвуковой диагностики в части регистрации сдвиговых упругих волн в геоматериалах. На основе численных расчетов и компьютерного моделирования был спроектирован и разработан макет широкополосного лазерно-ультразвукового преобразователя сдвиговых волн (макет ПЛУ-СВ-01). Исследования показали сходимость результатов измерений сдвиговых упругих волн на изотропных модельных образцах из стекла и нержавеющей стали, сгенерированных с помощью классического эхо-режима лазерно-ультразвуковой диагностики и макета ПЛУ-СВ-01. Разница результатов этих измерений составила менее 1%, что находится в пределах погрешности определения скоростей сдвиговых упругих волн. При исследовании горных пород, на примере образцов мрамора, были выявлены недостатки классического эхорежима лазерно-ультразвуковой диагностики. Во-первых, при работе с маленькими по размерам образцами (до 2 мм) возникает проблема в выделении в акустическом треке импульса сдвиговой волны из-за его наложения на импульсы первого и второго отражения продольной волны. Во-вторых, из-за конструкционных особенностей классического преобразователя, приводящих к возникновению паразитных сигналов, один из полезных сигналов может быть расположен вблизи них, что влияет на качество его регистрации. Разработанный макет ПЛУ-СВ-01 устраняет описанные эти недостатки. Также в работе описаны ограничения рабочей области регистрации сдвиговой волны разработанного макета, предложены рекомендации по их устранению для будущих исследований в данном направлении. Полученные результаты показывают перспективность комплексного использования классических методов ЛУД и разработанного широкополосного преобразователя сдвиговых упругих волн при исследовании гетерогенных материалов.

Ключевые слова: лазерно-ультразвуковая диагностика, временная форма сигнала, оптическое стекло, широкополосный преобразователь сдвиговых волн, эхо-режим, компьютерное моделирование, мрамор.
Как процитировать:

Иванов П. Н. Разработка широкополосного лазерно-ультразвукового преобразователя сдвиговых волн и его апробация на изотропных материалах и образцах горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2023. – № 4. – С. 35–47. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_4_0_35.

Благодарности:
Номер: 4
Год: 2023
Номера страниц: 35-47
ISBN: 0236-1493
UDK: 622.33+620.179.16
DOI: 10.25018/0236_1493_2023_4_0_35
Дата поступления: 01.02.2023
Дата получения рецензии: 01.03.2023
Дата вынесения редколлегией решения о публикации: 10.03.2023
Информация об авторах:

Иванов Павел Николаевич аспирант, e-mail: pavelnivanov@mail.ru, Горный институт, НИТУ «МИСиС».

Контактное лицо:
Список литературы:

1. Осипов Ю. В., Кошелев А. Е. Современные способы определения деформационных свойств горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2017. — № 11. — С. 68—75. DOI: 10.25018/0236-1493-2017-11-0-68-75.

2. Baryakh A., Toksarov V., Asanov V., Pankov I., Udartsev A. Monitoring the stress-strain state of marginal saliferous rock mass // Procedia Engineering. 2017, vol. 191. pp. 925—934. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.05.263.

3. Горбацевич Ф. Ф. К проблеме оценки упругой анизотропии горных пород квазиортотропной симметрии // Физика Земли. — 2019. — № 6. — С. 130—139. DOI: 10.31857/ S0002-333720196130-139.

4. Dambly M. L. T., Nejati M., Vogler D., Saar M. O. On the direct measurement of the shear moduli in transversely isotropic rocks using the uniaxial compression test // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2019, vol. 113, pp. 220—240. DOI: 10.1016/j. ijrmms.2018.10.025.

5. Bao Y., Jiang B. Incompatible deformation model of rocks with defects around a thickwalled cylinder // Processes. 2021, vol. 9, no. 12, article 2215. DOI: 10.3390/pr9122215.

6. Шибаев И. А. Определение динамических модулей упругости образцов горных пород при использовании различных методов лазерной ультразвуковой диагностики // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 4-1. — С. 138—147. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_41_0_138.

7. Шибаев И. А., Винников В. А., Степанов Г. Д. Определение упругих свойств осадочных горных пород на примере образцов известняка с помощью лазерной ультразвуковой диагностики // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 7. — С. 125—134. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-7-0-125-134.

8. Винников В. А., Захаров В. Н., Малинникова О. Н., Черепецкая Е. Б. Исследование структуры и упругих свойств геоматериалов с помощью контактной широкополосной ультразвуковой структуроскопии // Горный журнал. — 2017. — № 4. — С. 29—32. DOI: 10.17580/gzh.2017.04.05.

9. Шибаев И. А., Белов О. Д., Сас И. Е. Определение динамических и статических модулей упругости образцов гранитов // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 4-1. — С. 5—15. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_41_0_5.

10. Hong Y.-D., Lin B.-Q., Zhu C.-J., Wang Z., Liu J.-Q., Saffari P., Nie W. Image and ultrasonic analysis-based investigation of coal core fracturing by microwave energy // International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. 2020, vol. 127, article 104232. DOI: 10.1016/j.ijrmms.2020.104232.

11. Dirgantara F., Batzle M. L., Curtis J. B. Maturity characterization and ultrasonic velocities of coals / Society of Exploration Geophysicists International Exposition and 81st Annual Meeting. 2011, pp. 2308—2312. DOI: 10.1190/1.3627668.

12. Cherepetskaya E. B., Sas I. E., Makarov V. A., Kravcov A. N. Studying internal structure of quartz by broadband ultrasonic tomography under cyclic compression // Journal of Physics Conference Series. 2019, vol. 1172, no. 1, article 012100. DOI: 10.1088/1742-6596/1172/1/012100.

13. Zarubin V., Bychkov A., Karabutov A., Simonova V., Cherepetskaya E. A method of laser ultrasound tomography for solid surfaces mapping // MATEC Web of Conferences. 2018, vol. 145, article 05009. DOI: 10.1051/matecconf/201814505009.

14. Kravcov A., Svoboda P., Konvalinka A., Cherepetskaya E., Karabutov A. A., Morozov D. V., Shibaev I. A. Laser-ultrasonic testing of the structure and properties of concrete and carbon fiber-reinforced plastics // Key Engineering Materials. 2016, vol. 722, pp. 267—272. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.722.267.

15. Karabutov A. A., Cherepetskaya E. B., Bychkov A. S., Morozov N. A. Laser-ultrasound imaging for the investigation of heterogeneous media / Lecture Notes in Mechanical Engineeringthis link is disabled. 2017, part F11, pp. 166—172. DOI: 10.1007/978-981-10-3247-9_19.

16. Byun J. H., Lee J. S., Park K., Yoon H. K. Prediction of crack density in porous-cracked rocks from elastic wave velocities // Journal of Applied Geophysics. 2015, vol. 115, no. 2, pp. 110—119. DOI: 10.1016/j.jappgeo.2015.02.020. 

17. Heng Zhang, Fanchang Zhang, Yawei Lu Frequency-dependent energy attenuation and velocity dispersion in periodic layered media // Acta Geophysica. 2019, vol. 67, pp. 799—811. DOI: 10.1007/s11600-019-00294-2.

18. Oloruntobi O., Butt S. The shear-wave velocity prediction for sedimentary rocks // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2020, vol. 76, article 103084. DOI: 10.1016/j. jngse.2019.103084.

19. De Figueiredo J. S., Schleicher J., Stewart R. R., Dayur N., Omoboya B., Wiley R., William A. Shear wave anisotropy from aligned inclusions: Ultrasonic frequency dependence of velocity and attenuation // Geophysical Journal International. 2013, vol. 193, pp. 475—488. DOI: 10.1093/gji/ggs130.

20. Podymova N. B., Karabutov A. A. Conversion of thermooptically excited broadband pulses of longitudinal acoustic waves into pulses of shear waves in an isotropic solid plate in a liquid // Acoustical Physics. 2021, vol. 67, no. 5, pp. 465—473. DOI: 10.1134/S1063771021040114.

21. Varatharajulu V., Pao Y. H. Scattering matrix for elastic waves. I. Theory // The Journal of the Acoustical Society of America. 1976, vol. 60, p. 556.

Наши партнеры

Подписка на рассылку

Раз в месяц Вы будете получать информацию о новом номере журнала, новых книгах издательства, а также о конференциях, форумах и других профессиональных мероприятиях.