автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Разработка комплексного ультразвукового метода выявления трещин в горных породах вблизи обнажений

Государственный комитет СССР по народному образованию

Московский ордена Трудового Красного Знамени горный институт

ЕРМОЛИН Александр Авдеевич

УДК 620,179.16

РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО МЕТОДА ВЫЯВЛЕНИЯ ТРЕЩИН В ГОРНЫХ ПОРОДАХ ВБЛИЗИ ОБНАЖЕНИЙ

Специальность 05.15.11 —«Физические процессы горного производства»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Москва 1991

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени горном институте.

Научный руководитель докт. техн. наук, .проф. ЯМЩИКОВ В. С.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук, проф. НОСОВ В. Н., .канд. техн. наук ЧЕРНЯКОВ А. Б.

Ведущёе предприятие—.Украинский филиал ВНИМИ.

К-053.12.05 в Московском ордена Трудового Красного Знамени горном институте по адресу: 117935, ГСП-1, Москва, Ленинский проспект, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан « . . . » . .. . . . 1991 г.

Защита диссертации состоится ..то

. час. на заседании специализированного

1991 г.

совета

Ученый секретарь специализированного совета

докт. техн. наук, проф. КРЮКОВ Г. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. С каждым годом в народном хозяйстве расширяется производство и потребление изделий из природного камня, используемых в качестве элементов несущих конструкций в промышленном, т; анспортном, монументальном строительстве и в машиностроении.

Как показывает опыт, основной причиной снижения технико-экономических показателей предприятий по добыче и переработке камня и отклонений физико-механических характеристик их продукции от требований ГОСТов является наличие в массиве и блоках горных пород дефектов.

Широкое внедрение на карьерах и камнеобрабатывающих предприятиях методов прогноза й контроля дефектности природного камня, поз воляющих обнаруживать его нарушенные участки, выявлять трещины, включения и другие дефекты в блоках и плитах перед их дальнейшей обработкой и отправкой потребителю, является необходимым условием обеспечения высокого качества продукции.

Среди физических методов контроля, используемых для дефектоскопии природного камня в производственных условиях, центральное место, благодаря своей универсальности и технологичности, занимают акустические методы. Эти методы основаны на взаимосвязи етрук турных особенностей горных пород с акустическими характеристиками распространяющихся в них упругих колебаний.

Дальнейшее'повышение эффективности и надежности акустической дефектоскопии горных пород и блоков связано с решением актуальной ^ научно-технической задачи разработки комплексного ультразвукового метода контроля, обеспечивающего выявление дефектов в виде отдельных трещин вблизи обнажений горных пород.

Целью работы является установление закономерностей распространения упругих ?олн различных частот в нарушенной трещинами

приповерхностной области горных город для разработки акустического метода- интроскопии этой области с использованием режимов эхолокации и поверхностного прозвучивания, позволяющих снизить затраты на оценку пригодности и первичную обработку гранитных блоков.

Идея работы заключается в использовании для выявления и оценки размеров приповерхностных трещин в горних породах особенностей их влияния на параметры импульсных ультразвуковых сигналов двух существенно различающихся частот.

Научные положения, разработайте соискателем.и новизна.

1. Установлены закономерности распространения поверхностных волн Рэлея в горных породах, содержащих трещины, отличающиеся учетом влияния глубины трещины на амплитуду принятого сигнала в зависимости от длины волны и размеров преобразователей. Показано, что оптимальная рабочая частота j-onT при выявлении трещин с использованием рэлеевских волн определяется их скоростью Сц и глубиной щели Н и выбирается из соотношения

0.2Ся/н * feer 4 абС*/ц.

2. Разработан способ выявления трещин, выходящих на поверхность горных пород,и определения их глубины с погрешностью, не превышающей 20%, основанный на использовании в качестве информативного параметра нормированного отношения амплитуд сигналов на двух частотах, верхняя из которых равна f0nT « а нижняя ~ - (0,4-0,5)¿опт ■

3. разработаны принципы построения г оптимизации аппаратуры акустического контроля, новизна которых заключается в управлении параметрами излучаемых импульсов, обеспечивающих максимальное от-т эшение сигнала к уровню структурной помехи на рабочей частоте, применен..и плавной перестройки входного электроакустического тракта в диапазоне частот 20-200 кГц, использовании цифровых методов йормярпъания управляющего сигнала, обеспечивающего точность устрой-

2

ств временной регулировки усиления + 1,5 Л,б.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается сходимостью результатов аналитических расчетов: влияния щелевидных дефектов поверхности на амплитуду прошедших рэлеевских волн с погрешностью до 5%, величины коэффициента затухания продольных упругих волн за счет рассеяния б горных породах с погрешностью до 30% и резонансной частоты приемного электроакустического тракта с погрешностью 2 % с результатами, полученньми экспериментально, схожестью полученных результатов с уже известнши, положительными практическими результатами контроля горных пород и блоков.

Значение работы для науки состоит в установлении закономерностей влияния трещин на информативные параметры распространяющихся в горных породах акустических сигналов, обеспечивающих дальнейшее развитие и совершенствование методов и средств геоконтроля.

Практическое значение работы заключается в разработке с использованием новых алгоритмов методов выбора оптимальных параметров систем акустического контроля, которые также могут быть исполь зованы и при акустической дефектоскопии материалов и конструкций, выборе и обосновании возможных направлений оптимизации аппаратуры контроля, разработке методики контроля гранитных блоков с использованием двухчастотной ультразвуковой аппаратуры, предложены схемные решения основных узлов аппаратуры, основанные на использовании цифровых методов формирования зондирующих импульсов, устройств временной регулировки усиления и обработки сигналов, которые вошлч в техническое задание на разработку ультразвуковой аппаратуры для контроля горных пород и блоков.

Реализация работы. Выводы и рекомендации работы нашли применение при разработке аппаратуры для контроля горных пород и блоков и изделий из природного камня и вошли в "Техническое описпиле

и инструкцию по эксплуатации ультразвуковой двухчастотной аппаратуры УК-ГРАНИТ и методику контроля гранитных заготовок", которые внедрены на НЛО "Ротор" (г. Черкассы) с экономическим эффектом 19,5 тыс.руб. в год.

Результаты работы также вошли в разработанные "Рекомендации по дефектоскопии каменных блоков ультразвуковым комбинированным методом", которые переданы Мытищинскому экспериментальному заводу художественного литья.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на X Всесоюзной научной конференции "Физические процессы горного производства" (Москва, 1991 г.), а также на научных семинарах и совещаниях: на кафедре "Физико-технический контроль производства" Московского горного института, НПО "Ротор" (г.Черкассы).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 10 статей и получено II авторских свидетельств.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 84 наименований, содержит £24 страницы машинописного текста, в том числе 44 рисунка, , 10 таблиц и 2 приложения.

Автор выражает благодарность научному руководителю докт.техн. наук, проф. Ямщикову B.C. за внимание и помощь в процессе выполнения настоящей работы, докт.техн наук Данилову В.Н. за ценные консультации при проведении математических расчетов, канд.техн.наук, доц. Шкуратнику В.Л. за помощь в проведении экспериментальных исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на период до 2000 года указывается, что "главная задача

4

состоит в повышении темпов и эффективности развития экономики на базе ускорения научно-технического прогресса, технического перевооружения и реконструкции производства...."

В горном производстве решение этой задачи неразрывно связано с увеличением добычи полезных искодаемых,снижением себестоимости, улучшением качества продукции,облегчением условий труда и обеспечением безопасности ведения горных работ. Все это основывается на использовании различных геофизических методов и средств при разведке полезных ископаемых, контроле горных пород и исследовании процессов в массиве при ведении горных работ.

Значительный вклад в разработку и внедрение методов и средств исследований и контроля гарных пород внесли советские ученые Во-ларович М.П., Кузнецов 0.JI., Гурвич И.И., Петухов И.М., Ризгичен-ко Ю.В., Ватолин Е.С., Ржевский В.В., Азаров Н.Я., Ямщиков B.C., Шемякин Е.И., Ермолов И.Н. и другие.

Дальнейшее развитие акустических методов пойдет по пути создания новых теоретических разработок и методик, использования более аффективных преобразователей передачи и приема акустических колебаний, разрао'отки новых и усовершенствования имеющихся схемных решений основных узлов электронной аппаратуры, обеспечивающей получение необходимой информации для решения различных практических задач контроля и исследования свойств горных пород.

Вследствие этого в диссертационной работе решаются следующие задачи: исследование особенностей взаимодействия упругих волн с неоднородностью и использование результатов при разработке методик и аппаратуры для решения практических задач контроля; исследование влияния параметров излучаемого импульса на величину мертвой зоны, дальность локации и отношение величины эхо-сигнала к уровню структурной помехи , выбор и обоснование возможных направлений совершенствования схемных решений аппаратуры контроля; разработка

Б

принципов построения к оптимизации элементов аппаратуры, обоснование соответствующих технических требований и создание опытных образцов, промышленные испытания и внедрение разработанных методик и аппаратуры на предприятиях, связанных с добычей и обработкой природного камня,

В первой главе на основании изучения литературных источников сделан анализ современных акустических методов. Проведенный анализ показывает, что выбор метода контроля осуществляется в зависимости от решаемой задачи и условий контроля, а в качестве информативных параметров поч.и все акустические методы используют скорость ультразвуковых колебаний и амплитуду принятых сигналов. Скорость распространения упругих волн определяется путем измерения времени распространения упругого импульса на заданной базе, Существует несколько методик измерения времени распространения, каащая из которых имеет свои преимущества и недоста.'ки. Наиболее часто применяют метод измерения времени по определенному пороговому уровню относительно амплитуды первого вступления, обычно 0,1-0,2 от максимума. Хотя наиболее точным считается измерение по максимуму первого вступления сигнала, но ввиду сложности реализации этот метод в Перенос^ ной аппаратуре широкого распростри нения не получил. Та» что в наст тощее время нет единой методики и аппаратурной реализации измерения времени распространения ультразвуковых колебаний, обеспечивающих необходимую точность и единство намерения.

Для измерения коэффициента затухания существует ряд способов

и методик. Наиболее перспективна является метод, основанный на

л '

изучении в иеследузмый образец акустического импульса и последующем сравнении амплитуд одно- и.двукратно отраженных сигналов. По-икно коэффициента затухания, данный метод поэвотяет одновременно с высокой точностью измерить скорость распространения упругих волн з наследуемом рбразие горной породи.

Горные породы ,как объект контроля, характеризуются рядом особенностей, которые принципиально отличают их от таких конструкционных материалов, как металлы, пластмассы и др. К таким особенностям можно отнести значительную нарушг шость и шероховатость поверхности, большое разнообразие форм и размеров неоднородностей, значительную статистическую неоднородность физико-механических свойств, большой частотно-зависимый коэффициент затуханил, большой диапазон баз контроля. Все это накладывает определенные требования на разработку методик и аппаратуры контроля.

Проведенный анализ встречающихся в горных породах и блоках неоднородностей показывает, что наиболее распространенными из них являются трещины, выходящие на поверхность. При этом искусственные трещины, которые возникают в горных породах при проведении взрывных работ, при работе ударных инструментов и механизмов,имеют небольшие размера простирания - от единицы до десятков сантиметров. Выявление таких трещин является довольно сложной задачей. Техническое решение такой задачи состоит в том, чтобы выбрав метод контроля, рабочую частоту, размеры преобразователей и измерив абсолютные или относительные значения временных и амплитудных характеристик принятых сигналов, по их анализу определить все необходимые параметры трещины. Наиболее подходящими для выявления трещин вблизи обнажений горных пород являются два метода: метод проэ-вучивания поверхностными волнами и эхо-метод. Метод прозвучива-ния в основном используется для выявления трещин как выходящих на поверхность горных пород, так и расположенных вблизи нее. Эхо-метод применяется для выявления : неоднородности на глу-

бине до нескольких десятков, сантиметров.

Во второй главе даются критерии, позволяющие в зависимости от ожидаемой глубины залегания с1 , размеров неоднородности I и расстояния между приемником и излучателем г Г , выбрать

7

метод контроля. При е1 а 0,25 Г целесообразно использо-

вать метод поверхностного профилирования на рэлеевских волнах, а при с1 ¿> 0,25 Г метод локации с использованием раздельных преобразователей. Предполагается, что рабочая частота выбрана так, что размеры неоднородности £ > Яй ( Л £ - длина волны продольной или рэлеевской).

Ранее упоминалось, что одним из наиболее часто встречающихся дефектов в горных породах является выходящая на поверхность трещина. При этом задача выявления такого дефекта сводится к нахождению амплитуды прошедших через трещину поверхностных волн. В данной работе-получено аналитическое выражение дЛя, расчета относительной величины давления Рхе на приемный преобразователь прямой рэлеевской волны.

р\я * ,У*г(Кй) *

х ' ¡фМ,ф(кла„)1е^ ( г )

Кц

где йи,ап - радиусы излучающего и приемного преобразователей;

^ ^ - коэффициент влияния статического давления прижима преобразователей Ю контролируемой поверхности, \/ир(Кц) -

модуль коэффициента прохождения поверхностной волны при наличии дефекта, <р (К е. (Хи,п) - функция направленности излучающего и приемного преобразователей, «¿д - коэффициент затухания рэлеевской волны, который задается через коэффициенты затухания продольных и поперечных волн ■

формула ( I ) по^воляе" рассчитать параметры акустического тракта пру выявлеши щелеиидных дефектов повэрхности с использованием рэлеер".кпх волн. Из формулы (I) слегп/ет, что величина регистрируемого сигнала зависит от коэффициента К к , харак-

теризующего влияние статического давления прижима преобразователе. Поэтому били определены оптимальные значения величины прижимающего усилия для излучающего и приемного преобразово.телей в диапазоне? рабочих частот 20 - 100 кГц, которые соответственно равны 0,07 и 0,3 MI 1а.

Так как отражающие Гранины различных неоднородностей, резко отличающихся по акустическому импедансу от окружающей среди, пропускают лишь незначительную часть энергии акустических волн, то дальность эхо-локации в определенном направлении в большинстве случаев ограничивается расстоянием до ближайшей неоднородности. Ср-: ди различных видов неоднородностей, встречающихся в горных породах, можно выделить достаточно протяженную (бесконечную относительно длины волны зондирующего сигнала) плоскость ослабления. Поэтому при проведении расчетов предельно возможной дальности локации в качестве модели был рассмотрен случай, когда трещина, расстояние до которой необходимо измерить, расположена параллельно поверхности и ее линейные размеры много больше длины волны зондирующего сигнала. При этом для величины относительного давления SPorp однократно отраженных от слоя толщиной d волн расчеты проводили-;' с учетом давления продольных и поперечных волн, возбуждаемых дисковым излучателем конечных размеров, а также с учетом давления только продольных волн и в приближении скалярной модели, результаты расчетов совпадают в пределах 10%. Поэтому для оценки величины относительного давления S Porp можно пользоваться выражением

где а - радиус преобразователя, , 2г

импедансм основной горной породы и заполнителя трепани.

Ввиду того что реальны;! контроль горк'-х пород всегда впдзгг-

9

(2)

■й поверхности ограниченных размеров, было проанализировано влияние боковых граней на эффективность контроля объемными и поверхностными волнами. При этом оценка помехового сигнала при контроле поверхностными волнами проводилась по формуле (I). Численные оценки показывают, что величина коэффициента отражения поверхностных рэлеевских волн от боковой грани довольно значительна и составляет ¡^тр (Чц)]^ 0,6 - 0,7. Это в свою очередь накладывает определенные требования на методику контроля блоков вблизи боковых граней. Оценка относитель ного давления продольных волн, отраженных от боковой грани дает величину а л 1/^е' г~*'г , где оп - радиус преобразователя,

Г - расстояние от центра преобразователя до боковой грани.

Одним из постоянно действующих факторов, снижающих эффективность метода локации, являются структурные поиски. Именно они определяют минимально регистрируемую величину эхо-сигнала. Для оценки уровня структурной помехи необходимо знать коэффициент затухания

8ре вследствие рассеяния упругих волн на структурных элеыен-тах горной породы. При длине волны Хе > ■£> , большей средне-х'о размера зерен породы,было получено следующее выражение для £рв

8,1 - о,о а (I * <¡1, Не х

Сх* ■ _ (3)

иа-КсЯ) - 1)] у

еде Се.ъ - скорости продольной и поперечной волн, Л» - среднее расстояние между рассеивающими элементами

и IX) = I при ?> о ; и&) =0 при % <0,

Для проведения : эличественных оценок коэффициента затухания

по формуле (3) использовались значения для трех образцог

из гранита Янцевского, Токовского и Медвежегорского месторождений.

I еэультяти расчетов приведены в таблЛ^где также приведены значе-

1.0

ния граничного размера = 1/кй рэлеевского рассенпип

для основной рабочей частоты {■ = 4,4>ДО® Гц, отношения ®АХ и значения и. е , $ ¡> <? полученные экспериментальна путем.

Таблица I

№ образца ЯА мм Vtfft Spt ± ' п тлор. зкеп. .¿г -fc зкеп.

I 1,55 0,63 0,84 0,52 3,3

2 1,95 0,97 3,55 4,2 5,3

3 1,77 0,82 2,46 3,7 5,6

Оценка коэффициента затухания проводилась на основ»

определения отношения амплитуд сигналов, испытавших одно- ( ßi ) и двукратное ( fit ) отражение от границ образцов толщиной d Отличие экспериментальных величин от расчетных объясняется как погрешностью эксперимента, так и отсутствием учета разброса размеров зерен и использованием при расчетах упругих моделей усредненных значений упругих параметров.

В третьей главе теоретически обоснована возможность определения акустического импеданса неоднородности по данным геоакустического локатора. Для этого необходимо проанализировать отношение величин давления для однократно отразившихся от границы слоя волн Porp I и испытавших двукратное отражение Porp г . Значения Porp /, г можно выразить через напряжение на внходе приемного усилителя. Ut*yi.i = ^ V Porp i.i > где - коэф-

фициент усиления приемного усилителя, У — чувствительность прирч ного преобразояателя. При этом,используя формулу (2), мочено записать

Uj_ „ Zi * 2 г Uz - г«

züed

Следовательно, для того чтобы определить величину акустического импеданса неоднородности, находящейся за слоем толщиной

Л , достаточно измерить напряжение на выходе приемного усилителя, которое получается от импульса, отразившегося от границы слоя один и два раза. Для большинства практических задач нет необходимости знать точную величину акустического импеданса неоднородности, а вполне достаточно определить "жесткое" это включение < или же "мягкое" (полость, раскрытая трещина) ¿4. > ¿г. . Как следует из выражения (4), для "жесткого" включения '¿х < 2г. напряжения и 1 и Иг. на выходе приемного усилителя будут в протива-фазе, а для "мягкого" •?< > 2г - в фазе.

Из анализа выражения (I) для амплитуды прошедших через щель поверхностных волн видно, что на некоторой частоте величина принятого сигнала для данного типа горных пород и размеров щели максимальна. Поэтому,если эту частоту выбрать в качестве эталонной (на которую влияние дефекта в виде трещины на проходящий сигнал минимально), а вторую частоту (рабочую) выбрать в зависимости от требований, предъявляемых к объекту контроля (в основном это минимальная глубина выявляемых трещин), то на основании сравнения отношения сигналов на этих двух частотах можно принять решение о наличии трещины и ее глубине. При этом,если использовать для излучения и приема на обеих частотах одну и ту же пару перестраиваемых по частоте преобразователей, то можно полностью исключить влияние непостоянства контактных условий на результаты контроля.

Выбор частот производится в зависимости от параметров аппаратуры и характеристик ирной породы по формуле (I). С целью исследования возможности применения полученного выраженш (I) для расчета акустического тракта было проведено сравнение расчетных и оксн^риментально полученных результатов. Исследования проводились на дьух граштшх блоках размерами 300 х 200 х 150 мл, один Янцевс

12

Korciдругой Токовского месторождений. В блоках были сделаны пропилы глубиной 12, 16, 27 и 35 мм, частоты,на которых проводились испытания,были равны 26,64,9В и 152 кГц. Проведенные исследования показывают, что для уверенного выявления трещин, выходящих на поверхность, рабочая частота должна выбираться из соотношения 0,2 ^ JpQà é о,6 c'/ti , где - скорость рэлеев-

ской волны, /I - глубина трещины. Эталонная частота при этом равна f-iT = (0,4 - 0,5) f раб.

При контроле горных пород эхо-методом минимально регистрируемая величина сигнала отраженного от неоднородности в основном ограничивается уровнем шумов, определяющими из которых являются собственные шумы электроакустических преобразователей и ревербераци онный шум. Для надежного выявления неоднородностей необходимо, чтобы полезный сигнал в несколько раз превышал уровень помех. Для расчета отношения мощностей сигнал/шум W на входе приемного тракта в диапазоне частот 20 - 200 кГц с учетом влияния структурных помех и собственных шумов преобразователя получено следующее выражение

где . - рабочая частота, dL - экспоненциальный коэффи-

те £ , при этом знаменат_ль в (5) достигает своего минимума при некотором оптимальном п :ачении величины Д = . Получешше в результате расчетов по формуле '5) значения для . / = ^/д опт. и соответса^ующие им величины V/ для ряда частот приведены в табл. 2.

W

6,6 10*//

( 5 )

циент затухания колебаний излучаемого импульса. Максим).л отношения мощностей сигнал/шум V/ достигаете" на некоторой часто

Таблица 2

СО 75 ВО Ь5 125 150 0,756 0,594 0,557 0,524 0,366 0,308 3007 3131 3135 3125 2829 2418

Как видно из результатов,приведенных в табл.2,на высоких частотах, когда преобладающими являются структурные шумы, для увеличения необходимо уменьшать длительность импульса, т.е. увеличивать Л, . Прл снижении рабочей частоты / влияние структурных помех уменьшается, а доля собственных шумов возрастает. Для повышения чувствительности необходимо в этом случае уменьшать эффективную полосу сигнала.

В четвертой главе рассматриваются основные параметры, характеризующие ультразвуковую аппаратуру для контроля и исследования свойств горных пород. Повышение эффективности аппаратуры предполагает оптимизацию ее основных параметров и схемных решений. Оптимизация рабочих пара\гетров (частоты, длительности зондирующих импульсов, базы контроля, размеры преобразователей и т.д.) производится при расчете акустического тракта на основе априорной информации о скорости упругих волн в горных породах, коэффициенте затухания, а также требуемой дальности обнаружения неоднородностей заданных размеров. Оптимизация схемных решений аппаратуры предполагает реализацию принципов оптимизации ее рабочих параметров в виде элементов аппаратуры, обеспечивающих автоматическую или оперативную перестройку рабочих частот излучающего и приемного тракта, амплитуды и формы зондирующих импульсов, обработку принятых сигналов при воздействии различного вида помех и т.д. Основные направления оптимизации приведены.:

£ кГц Л опт

И/

"АХ

30 1,77

1790

Рассмотрены способы частотной перестройки входного электроакустического тракта. При этом наиболее перспективным будет применение фильтров с синтезируемой на операционном усилителе индуктивностью. Резонансные частоты при этом можно рассчитать по формуле

А г =

r-c'/Ci

гДе h . - частота антирезонанса резонансная частота фильтра,

(б)

Ко <¿4- {

отношение статической и динамической емкости преобразователя, - сопротивление в цепи обратной связи операционного усилителя, Ка -коэффициент усиления с разомкнутой обратной связью, иЗа - частота среза. Так как частота j-0 является постоянной для каждого конкретного преобразователя, а частота /э зависит только от сопротивления обратной связи Roc , то частоту, на которой коэффициент передачи достигает максимальных значений, можно изменять в широких пределах всего одним сопротивлением Roc .В табл.3 приведены рассчитанные по формуле (6) и полученные экспериментально величины резонансных частот приемного электроакустического тракта.

Таблица 3

fi

h

: 0,96 1,34 1,75 2,58 5,47 11,8 45,5

теор. 93,9 30,6 71,7 61,4 49,6 45,4 ¿3,6

эксп. 93,5 79,3 71,2 62,7 51,4 47,1 47, V

теор. 37,0 36,5 35,9 34,5 29,3 21,В 11,6

эксп. 36,7 36,1 35,6 34,3 29,2 21,8 11,7

Как видно из табл. 3,расхождение экспериментальных результатов с тео-

рстичоскими составляет не более 2°'.

Для уменьшения мертвой зоны, увеличения надежности обнаружения неоднорояностсй и снижения аппаратурных ошибок при определении расстояния до неоднородности все современные ультразвуковые приборы лспользупцис эхо-метод, снабжены устройствами временной регулировки усиления (ВРУ). В качестве формирователей управляющего напряжения применяется устройства с использованием заряда или разряда КС цепочек, а в качестве регулирующих элементов лампы или полевые транзисторы.

Такие простейшие устройства ВРУ не могут обеспечить компенсацию затухания амплитуды эхо-сигналов даже в небольшом диапазоне расстояний, тем более они неприемлемы когда приходится вести контроль на больких базах в горных породах с изменяющимся в гироких пределах коэффициентом затухания продольных волн J.e . Ргзрабатываемые в последнее время приборы с цифровой индикацией расстояния до неоднородности позволяют разработать устройства ВРУ, которые наиболее точно компенсируют затухание упругих волн в исследуемых горных породах. При этом используется принцип компенсации затухания в точках с постоянным и'агом й% . В разработанном устройстве ВРУ с цифровым управлением коэ(Т*?шшент усиления задается так, что точная компенсация влияния затухания на амплитуду отраженного сигнала приходится на середину интервала ,пра этом удалось получить, что на расстояниях свыше 5 см от контролируемой поверхности ошибка компенсации составляет менее + 1,5 дб. В качестве регулирующих элементов были использованы оптроны, применение которых обеспечило большой диапавон изменения ВРУ (до 120 дб) и полную электрическую развязку цепей регулируемого и управляющего сигналов.

Приемные преобразователи представляют собой, как правило, высокодобротные резонансные системы, поэтому для достижения максимальной чувствительности их необходимо в процессе работы подстрз-

ивать по частоте. В работе предложено устройство,реализующее автоматическую настройку приемного электроакустического тракта на оптимальную частоту.

Разработанная и изготовленная аппаратура для контроля гсрных пород эхо-методом была испытана с совмещенным преобразователем на рабочую частоту 440 кГц. При этом отраженный гл..пульс уверенно фи к си-' ровался через 12 мкс.что для пород из гранита эквивалентно расстоянию в 6 - 10 см. То есть величина мертвой зоны составляет 3 - 5 см.

Для выявления выходящих не поверхность горных пород трещин был разработан двухчастотный ультразвуковой прибор УК-ГРАНИТ. В прибора используется способ последовательного анализа сигналов на двух частотах, который заключався в том, что вначале излучается сигнал на низкой (эталонной) частоте,и в зависимости от величины принятого сигнала автоматически устанавливается коэффициент усиления высокочастотного (измерительного) канала. После этого происходят излучение .". прием высокочастотного сигнала той же самой парой перестраиваемых по частоте преобразователей. Заключение о состоянии контролируемого участка принимается по относительному'изменению амплитуд сигналов на обеих частотах. Такой принцип работы полностью исключает влияние контакта условий на результаты контроля. Прибор позволяет выявлять трещины глубиной болей 15 мы, при этот до глубин 30 мм возможно довольно точно определить размеры трещгны. Выбор рабочей а эталонной частот проводится по формуле (I) в ваьисимости от параметров контролируемых горных пород, а так»е базы контроля , размеров излучающего и приемного преобразователей и чинимальнои глубины треии.ны, которую необходимо выявлять.

Технические ха;актгоистики прибора УК-ГРАНИТ

Рабочие члстоты, кГц Фиксированная база контроля, мм

30, 60 150

Амплитуда зондирующего импульса, В Чувствительность усилителя, МкВ Напряжение питания, В Потребляемый ток, мА Габаритные размеры, мм Масса прибора с источником питания (6 эл. - А343), кг

30 - 250

170 х 65 х 150

1,5 9

45

1,3

В пятой главе изложены результаты промышленных испытаний разработанной аппаратуры и методик, которые проводились на Мытищинском экспериментальном заводе художественного литья (г.Мытищи), на комбинате облицовочных и строительных материалов (г.Ленинград), НПО "Ротор" (г.Черкассы) и Бабановском месторождении гранита.

Для выявления трещин,расположенных вблизи от поверхности или выходящих на нее,использовался двухчастотный ультразвуковой прибор УК-ГРАНИТ. Методика предусматривает ведение контроля в два этапа. На первом этапе осуществляется контроль по выявлению трещин глубиной более 70 мм. При этом работа ведется на низкой частоте ( Ае = 10 - 15 "м) по необработанной поверхности. На втором этапе осуществляется контроль по выявлению трещин глубиной более 15 мм по предварительно обработанной поверхности. При этом работа ведется на двух частотах. Заключение о наличии трещины и ее размерах принимается на основании анализа отношения амплитуд сигналов на низкой и высокой частотах. Проведенные промышленные испытания показали, что разработанные методика и аппаратура позволяют уверенно выявлять трещины, выходящие на поверхность, глубиной более 15 мм.

В диссертационной работе дано решение актуальной научно-технической задачи разработки комплексного ультразвукового метода

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

выявления трещин в горных породах вблизи обнажений.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Установлены закономерности распространения поверхностных волн Рэлея в горных породах, отличающиеся учетом влияния глубины трещины, рабочей частоты и размеров преобразователей на амплитуду прошедшего сигнала и позволяющие дать количественную оценку такого влияния, а также обосновать методику выявления трещин с требуемой достоверностью.

2. Разработан двухчастотный способ выявления трещин,выходящих на поверхность горных пород, отличающийся использованием в качестве информативного параметра нормированного отношения амплитуд сигналов на двух частотах, при этом нижняя частота выбирается из условия наименьшего ослабления сигнала для данной величины коэффициента затухания горных пород и размера преобразователей, а верхняя из условия наибольшей чувствительности и разрешающей способности

по минимальной глубине выявляемой трещины.

3. Разработаны и обоснованы возможные направления оптимизации аппаратуры акустического контроля горных пород: электронная перестройка рабочей частоты приемного электроакустического тракта, управление, параметрами излучаемых сигналов, применение цифрового способа формирования управляющего сигнала для устройств временной регулировки усиления, оценка акусот.зского импеданса заполнителя трещины на основе сравнения фаз одно-и дв, кратно отраженных сиг-га лов.

4. По."учены зависимости величины помехового сигнала при конт-роче горных пород за счет рассеяния продольных упругих волн на структурных неоднородностях, а также за счет отражения повер<сност-

I ных и объемных волн от боковой грани контролируемого блока. Уке-, занние зависимости позволяют оптимально выбрать методику контроля

и параметры излучаемого импульса для достоверного выявления трещин.

5. На основании выполненных в работе теоретических и экспериментальных исследований при непосредственном участии автора разработан и изготовлен двухчастотный прибор УК - ГРАНИТ для контроля горных пород и блоков, который прошел испытания на комбинате облицовочных и строительных материалов /г.Ленинград/ и внедрен на НПО "Ротор" с экономическим эффектом 19,5 тыс.руб. в год.

Материалы диссертации изложен! в следующих работах:

1. Ямщиков B.C., Данилов В.Н., Шкуратник В.Л., Ермолин A.A. Возбуждение упругой волны в слое дисковым излучателем конечных размеров. Дефектоскопия, 1982, I? 2, с.78-84.

2. Данилов В.Н., Шкуратник В.Л., Ермолин A.A. Некоторые особенности решения дифракционных задач геоакустической локации//Физические и химические процессы горного производства. М.: МГИ, 1982, с.39-42.

3. Ямщиков B.C., Данилов В.Н., Шкуратник В.Л., Ермолин A.A. Отражение продольных упругих волн, возбуждаемых дисковым излучателем от шаровой неоднородности в полупространстве. Дефектоскопия, 1983, № 4, с.76-83.

4. Данилов В.Н., Шкуратник В.Л., Ермолин A.A. О некоторых особенностях возбуждения продольной упругой волны при акустической локации массива // Проблемы физики горных пород. М.: МГИ, 1984, с.36-39.

5. Ямщиков B.C., Данилов В.Н., Шкуратник В.Л., Ермолин A.A. Оценка чувствительности акустической локации массива горных пород. Изв.вузов. Горный журнал, 1985, № I, с.3-7.

6. Ямщиков B.C., Шкуратник В.Л., Данилов В.Н., Ермолин A.A.

!

Об одном способе перестройки частотной характеристики приемного

электроакустического тракта. Дефектоскопия, 1985, !? I, с.39-44.

7. Шкуратник В.Д., Ермолин A.A. О повышении чувствительности ультразвуковой локации горных пород при высоком уровне структурных помех//Проблемы физики процессов в горном деле. М.: МГИ, 1988,

с.169-173.

8. Данилов В.Н,, Ермолин A.A. К оценке затухания продольных упругих волн вследствие рассеяния в горных породах. Изв.вузов. Горный журнал, 1989, № II, с.4-8.

9. Данилов В.Н., Ермолин A.A. Работа акустического тракта при контроле блоков природного камня поверхностными волнами. Изв.вузов. Горный журнал, 1991, А' 8, с.4-8.

10. Ермолин A.A., Данилов В.Н. Оценка параметров двухчастот-ного метода выявления дефектов с использованием поверхностного проэвучивания на волнах Рэлея//Физические процессы горного производства. М.: МГИ, 1991.

11. A.c. 974896 СССР МКИ4 С 01 № 29/04. Устройство для акустического контроля качества материалов/ В.Л.Шкуратник, B.C. Ямщиков, А.А.Ермолин, В.Н.Данилов.

12. A.c. 1037163 СССР МКИ 4 С 01 It 29/04. Устройство для ультразвукового контроля качества материалов/ В.С.Ямщиков, В.Л. Шкуратник, А.А.Ермолин, В.Н.Данилов.

13. A.c. I037I7I СССР МКИ4 С 01 № 29/04. Ультразвуковое устройство для контроля качества материалов/ В.С.Ямщиков, В.Л.Шкуратник, А.А.Ермолин, В.Н.Данилов.

14. A.c. 11335i4 СССР ШИ 4 J Ol » 29/04. устройство для ультразвукового контроля качества материалов/ В.С.Ямщиков, В.Л. Шкуратник, А.А.Ермолин, В.Н.Данилов, Д.Н.Сирота.

15. A.c. II74846 СССР МКИ4 С 01 № 29/04. Ультразвуковое устройство для контроля качества материалов/ В.Л.Шкуратник, B.C. Ямщиков, А.А.Ермолин, В.Н.Данилов.

21

16. A.c. 1254370 СССР.ШШ4 С 01 № 29/04. Ли ",'.звуковое устройство для контроля качества материалов/ В.С.Ямщиков, В.Л. Шкуратник, А.А.Ермолин, В.Н.Данилов.

17. A.c. 1295236 СССР. МКИ 4 С 01 № 29/04. Ультразвуковое устройство для контроля качества материалов/ В.JI.Шкуратник, A.A. Ермолин, В.Н.Данилов.

IB. A.c. I5I8782 СССР. МКИ4 С 01 № 29/04. Ультразвуковой генератор /В.Л.Шкуратник, А.А.Ермолин.

19. A.c. I597719 СССР МКИ 4 С 01 »29/04. Способ контроля акустического контакта между пьезоизлучателем и изделием и устройство для его осуществления/В.Л.Шкуратник, В.С.Ямщиков, Д.Н. Сирота, А.А.Ермолин.

20. A.c. 1597720 СССР МКИ4 С Ol J? 29/04. Ультразвуковое устройство для контроля качества материалов /А.А.Ермолин, В.Л.Шкуратник, В.С.Ямщиков.

21. A.c. I60329I СССР МКИ4 С Ol I,» 29/04. Акустический способ контроля качества изделий/В.Л.Шкуратник, В.С.Ямщиков, А.А.Ермолин.

Подписано в печать 3.09.1991 г. формат 60х90'16

Объём I леч.л. Тивд 100 ЭК8. 8акаэ й ^

Типография Московского горного института. Ленинский

проспект, б