Акустическая эмиссия

Акустическая эмиссия ( АЭ ) — явление излучения акустических (упругих) волн в твердых телах, возникающее, когда материал претерпевает необратимые изменения в своей внутренней структуре, например, в результате образования трещин или пластической деформации из-за старения, температурных градиентов или внешние механические силы. ^{[ 1 ]}

В частности, АЭ возникает при процессах механического нагружения материалов и конструкций, сопровождающихся структурными изменениями, генерирующими локальные источники упругих волн . ^{[ 2 ]} Это приводит к небольшим поверхностным смещениям материала, вызванным упругими волнами или волнами напряжения. ^{[ 3 ]} возникает, когда накопленная упругая энергия в материале или на его поверхности быстро высвобождается. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}

Механизм излучения первичного упругого импульса АЭ (действия или события АЭ) может иметь различную физическую природу. На рисунке показан механизм действия (события) АЭ при зарождении микротрещины вследствие прорыва скопления дислокаций ( дислокация – линейный дефект кристаллической решетки материала) через границу в металлах с телом -центрированная кубическая (ОЦК) решетка при механическом нагружении, а также временные диаграммы потока актов (событий) АЭ (1) и потока регистрируемых сигналов АЭ (2). ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}

Метод АЭ позволяет изучать кинетику процессов на самых ранних стадиях микродеформации, зарождения дислокаций и накопления микротрещин. Грубо говоря, каждая трещина словно «кричит» о своем росте. Это позволяет по сопутствующему АЭ диагностировать сам момент возникновения трещины. При этом для каждой уже возникшей трещины существует определенный критический размер, зависящий от свойств материала. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} До этого размера трещина растет очень медленно (иногда десятилетиями) за счет огромного количества мелких дискретных скачков, сопровождаемых АЭ-излучением. После достижения трещиной критического размера происходит катастрофическое разрушение, поскольку дальнейший ее рост идет уже со скоростью, близкой к половине скорости звука в материале конструкции. Взяв с помощью специальной высокочувствительной аппаратуры и измерив в простейшем случае интенсивность dNa/dt (количество в единицу времени), а также общее число актов (событий) АЭ, Na, можно экспериментально определить оценить скорость роста, длину трещины и спрогнозировать близость разрушения по данным АЭ. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}

Волны, генерируемые источниками АЭ, представляют практический интерес в мониторинге работоспособности конструкций (SHM), контроле качества, обратной связи с системами, мониторинге технологических процессов и других областях. В приложениях SHM AE обычно используется для обнаружения, локализации и ^{[ 7 ]} и охарактеризовать ^{[ 8 ]} повреждать.

Явления

Акустическая эмиссия — это переходные упругие волны внутри материала, вызванные быстрым высвобождением энергии локализованного напряжения. Источник события — это явление, которое выделяет упругую энергию в материал, которая затем распространяется как упругая волна. Акустическая эмиссия может быть обнаружена в диапазоне частот ниже 1 кГц и зарегистрирована на частотах до 100 МГц, но большая часть выделяемой энергии находится в диапазоне от 1 кГц до 1 МГц. События быстрого снятия стресса генерируют спектр волн стресса, начинающийся с 0 Гц и обычно спадающий на частоте нескольких МГц.

Тремя основными применениями методов AE являются: 1) местоположение источника – определение мест, где произошел источник события ; 2) механические характеристики материалов – оценивают и характеризуют материалы и конструкции; 3) мониторинг работоспособности – контроль за безопасной эксплуатацией сооружения, например, мостов, резервуаров под давлением, трубопроводов и т. д.

Более поздние исследования были сосредоточены на использовании АЭ не только для обнаружения, но и для характеристики механизмов источника. ^{[ 8 ]} такие как рост трещин, трение, расслоение, растрескивание матрицы и т. д. Это даст AE возможность сообщить конечному пользователю, какой механизм источника присутствует, и позволит ему определить, необходим ли структурный ремонт.

Использование правильной обработки и анализа сигналов позволяет получить более глубокое понимание сигналов упругих волн и их связи с процессами, происходящими внутри структур.

Значительное расширение возможностей и повышение достоверности метода диагностики АЭ обеспечивается применением статистических методов анализа случайных потоков событий (например, модели случайного потока Пуассона ). ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}

быстрого преобразования Представление сигнала в частотной области, полученное с помощью Фурье (БПФ), предоставляет информацию о величине и частотном составе сигнала. ^{[ 9 ]}

АЭ может быть связано с необратимым выделением энергии. Он также может возникать из источников, не связанных с разрушением материала, включая трение , кавитацию и удар.

Использование

Применение акустической эмиссии для неразрушающего контроля материалов обычно происходит в диапазоне частот от 20 кГц до 1 МГц. ^{[ 10 ]} В отличие от обычного ультразвукового контроля , инструменты АЭ предназначены для мониторинга акустической эмиссии, создаваемой материалом во время разрушения или напряжения, а не для контроля воздействия материала на внешне генерируемые волны. Неисправность детали может быть задокументирована в ходе автоматического мониторинга. Мониторинг уровня активности АЭ во время нескольких циклов нагрузки составляет основу многих методов проверки безопасности АЭ, которые позволяют проверяемым деталям оставаться в эксплуатации. ^{[ 11 ]}

Этот метод используется, например, для изучения образования трещин во время процесса сварки, а не для обнаружения их после образования сварного шва с помощью более известного метода ультразвукового контроля.

В материалах, находящихся под активным напряжением, например в некоторых компонентах самолета во время полета, датчики, установленные в определенной зоне, могут обнаружить образование трещины в момент ее начала распространения. Группу преобразователей можно использовать для записи сигналов, а затем определять точную область их происхождения, измеряя время, в течение которого звук достигает разных преобразователей.

Долгосрочный непрерывный мониторинг акустической эмиссии полезен для обнаружения трещин, образующихся в сосудах под давлением. ^{[ 12 ]}^{[ 13 ]} и трубопроводы, транспортирующие жидкости под высоким давлением. Стандарты использования акустической эмиссии для неразрушающего контроля сосудов под давлением разработаны ASME , ISO и Европейским сообществом.

Этот метод используется для оценки коррозии железобетонных конструкций. ^{[ 11 ]}^{[ 14 ]}

В настоящее время метод АЭ активно применяется в задачах мониторинга и диагностики объектов атомной энергетики, авиационной, ракетно-космической техники, железнодорожного транспорта, исторических артефактов (например, Царь -колокола в Московском Кремле), а также другая продукция и предметы ответственного назначения. ^{[ 15 ]}

АЭ-зондирование потенциально может быть использовано для мониторинга состояния литий-ионных батарей, особенно при обнаружении и характеристике паразитных механо-электрохимических явлений, таких как электродов электрохимическое измельчение , фазовые переходы и выделение газа . Пьезоэлектрический датчик используется для приема акустических сигналов, испускаемых материалами батареи во время работы. ^{[ 16 ]}

Помимо неразрушающего контроля, мониторинг акустической эмиссии находит применение в контроле технологических процессов . Приложения, в которых успешно используется мониторинг акустической эмиссии, включают обнаружение аномалий в псевдоожиженном слое и конечных точках периодической грануляции.

См. также

Ссылки

^ Акустическая эмиссия . Балтимор: ASTM, STP-505. 1972. стр. 1–337.
^ Данеган Х.Л., Харрис Д.О., Татро, Калифорния (1968). «Анализ разрушения с помощью акустической эмиссии». англ. Фрак. Мех. (1): 105–122. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
↑ Веб-сайт pacuk.co.uk. Архивировано 27 декабря 2011 г. в Wayback Machine . Проверено 5 декабря 2011 г.
^ Сотириос Дж. Вахавиолос (1999). Акустическая эмиссия: обновление стандартов и технологий . Том. СТП-1353. Филадельфия, Пенсильвания: ASTM International (публикация). п. 81. ИСБН 978-0-8031-2498-1 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Буйло С.И. Физические, механические и статистические аспекты акустико-эмиссионной диагностики // Физика и механика новых материалов и их применение, Нью-Йорк: Nova Science Publishers, 2013. С. 171—183. https://www.researchgate.net/publication/290591153_Physical_mechanical_and_statistical_aspects_of_acoustic_emission_diagnostics
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Буило, С.И. (2017). Физико-механические, статистические и химические аспекты акустико-эмиссионной диагностики (PDF) (на русском языке). Ростов-на-Дону: Издательство СФУ. п. 184. ИСБН 978-5-9275-2369-6 .
^ Итон, MJ; Пуллин, Р.; Холфорд, КМ (июнь 2012 г.). «Расположение источника акустической эмиссии в композитных материалах с использованием карты Delta T». Композиты. Часть A: Прикладная наука и производство . 43 (6): 856–863. doi : 10.1016/j.compositesa.2012.01.023 .
^ Jump up to: ^а ^б МакКрори, Джон П.; Аль-Джумайли, Сафаа Х.; Кривелли, Давиде; Пирсон, Мэтью Р.; Итон, Марк Дж.; Фезерстон, Кэрол А.; Гуальяно, Марио; Холфорд, Карен М.; Пуллин, Рис (январь 2015 г.). «Классификация повреждений композитов из углеродного волокна с использованием акустической эмиссии: сравнение трех методов» . Композиты. Часть B: Инженерия . 68 : 424–430. doi : 10.1016/j.compositesb.2014.08.046 . hdl : 11311/890355 .
^ Попп, Хартмут; Коллер, Маркус; Ян, Маркус; Бергманн, Александр (1 декабря 2020 г.). «Механические методы определения состояния литий-ионных аккумуляторных батарей: обзор» . Журнал хранения энергии . 32 : 101859. Бибкод : 2020JEnSt..3201859P . дои : 10.1016/j.est.2020.101859 .
^ Бенавидес, Самуэль (2009). Борьба с коррозией в аэрокосмической промышленности . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 978-1-84569-553-8 . OCLC 456184838 .
^ Jump up to: ^а ^б Блиц, Джек; Г. Симпсон (1991). Ультразвуковые методы неразрушающего контроля . Спрингер-Верлаг Нью-Йорк, ООО. ISBN 978-0-412-60470-6 .
^ Стюарт Хьюердин, изд. (1993). Оценка целостности предприятия методом акустической эмиссии (2-е изд.). Регби, Великобритания: Институт инженеров-химиков . ISBN 978-0-85295-316-7 .
^ А.А. Анастасопулос; Д.А. Курусис; П.Т. Коул (октябрь 2008 г.). Акустико-эмиссионный контроль сферических металлических сосудов под давлением . 2-я Международная конференция по техническому контролю и неразрушающему контролю (TINDT2008). Тегеран, Иран.
^ Оценка коррозии железобетона электрохимическими методами и акустической эмиссией, журнал передовых технологий бетона, вып. 3, № 1, 137–144, февраль 2005 г.
^ Буйло С.И., Буйло Б.И., Колесников В.И., Верескун В.Д., Попов О.Н. Применение метода акустической эмиссии в задачах диагностики транспортных средств, Физический журнал: Серия конференций. 2020. том. 1636. 012006. https://www.researchgate.net/publication/346164546_Application_of_the_acoustic_emission_method_in_problems_of_vehicle_diagnostics
^ Хуан, Цзяцян; Боулс, Стивен Т.; Тараскон, Жан-Мари (23 марта 2022 г.). «Ощущение как ключ к сроку службы и устойчивости батареи» . Устойчивость природы . 5 (3): 194–204. Бибкод : 2022NatSu...5..194H . дои : 10.1038/s41893-022-00859-y . S2CID 247623256 .

Внешние ссылки и дальнейшее чтение

История Латиноамериканской рабочей группы по акустической эмиссии
Вольфганг Саксе, Кусуо Ямагути, Джеймс Роже, AEWG (Ассоциация) book.google.co.uk 100 записей страниц по критериям поиска: AE в этом тексте ( ISBN 0-8031-1389-7 )
Кристиан У. Гросс; Масаясу Оцу, ред. (2008). Тестирование акустической эмиссии . Спрингер Верлаг. ISBN 978-3-642-08937-4 .
Коул, ПТ (1988). Серия: Возможности и ограничения неразрушающего контроля. Часть 7. Акустическая эмиссия (INST087) . Британский институт неразрушающего контроля . ISBN 978-0-903132-08-4 .
Разработка Китайского научно-исследовательского института акустической эмиссии

[1] Акустическая эмиссия . Балтимор: ASTM, STP-505. 1972. стр. 1–337.

[2] Данеган Х.Л., Харрис Д.О., Татро, Калифорния (1968). «Анализ разрушения с помощью акустической эмиссии». англ. Фрак. Мех. (1): 105–122. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[3] Веб-сайт pacuk.co.uk. Архивировано 27 декабря 2011 г. в Wayback Machine . Проверено 5 декабря 2011 г.

[4] Сотириос Дж. Вахавиолос (1999). Акустическая эмиссия: обновление стандартов и технологий . Том. СТП-1353. Филадельфия, Пенсильвания: ASTM International (публикация). п. 81. ИСБН 978-0-8031-2498-1 .

[:0-5] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Буйло С.И. Физические, механические и статистические аспекты акустико-эмиссионной диагностики // Физика и механика новых материалов и их применение, Нью-Йорк: Nova Science Publishers, 2013. С. 171—183. https://www.researchgate.net/publication/290591153_Physical_mechanical_and_statistical_aspects_of_acoustic_emission_diagnostics

[:1-6] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Буило, С.И. (2017). Физико-механические, статистические и химические аспекты акустико-эмиссионной диагностики (PDF) (на русском языке). Ростов-на-Дону: Издательство СФУ. п. 184. ИСБН 978-5-9275-2369-6 .

[7] Итон, MJ; Пуллин, Р.; Холфорд, КМ (июнь 2012 г.). «Расположение источника акустической эмиссии в композитных материалах с использованием карты Delta T». Композиты. Часть A: Прикладная наука и производство . 43 (6): 856–863. doi : 10.1016/j.compositesa.2012.01.023 .

[sciencedirect.com-8] Jump up to: ^а ^б МакКрори, Джон П.; Аль-Джумайли, Сафаа Х.; Кривелли, Давиде; Пирсон, Мэтью Р.; Итон, Марк Дж.; Фезерстон, Кэрол А.; Гуальяно, Марио; Холфорд, Карен М.; Пуллин, Рис (январь 2015 г.). «Классификация повреждений композитов из углеродного волокна с использованием акустической эмиссии: сравнение трех методов» . Композиты. Часть B: Инженерия . 68 : 424–430. doi : 10.1016/j.compositesb.2014.08.046 . hdl : 11311/890355 .

[9] Попп, Хартмут; Коллер, Маркус; Ян, Маркус; Бергманн, Александр (1 декабря 2020 г.). «Механические методы определения состояния литий-ионных аккумуляторных батарей: обзор» . Журнал хранения энергии . 32 : 101859. Бибкод : 2020JEnSt..3201859P . дои : 10.1016/j.est.2020.101859 .

[10] Бенавидес, Самуэль (2009). Борьба с коррозией в аэрокосмической промышленности . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 978-1-84569-553-8 . OCLC 456184838 .

[UltrasonicMethods-11] Jump up to: ^а ^б Блиц, Джек; Г. Симпсон (1991). Ультразвуковые методы неразрушающего контроля . Спрингер-Верлаг Нью-Йорк, ООО. ISBN 978-0-412-60470-6 .

[12] Стюарт Хьюердин, изд. (1993). Оценка целостности предприятия методом акустической эмиссии (2-е изд.). Регби, Великобритания: Институт инженеров-химиков . ISBN 978-0-85295-316-7 .

[13] А.А. Анастасопулос; Д.А. Курусис; П.Т. Коул (октябрь 2008 г.). Акустико-эмиссионный контроль сферических металлических сосудов под давлением . 2-я Международная конференция по техническому контролю и неразрушающему контролю (TINDT2008). Тегеран, Иран.

[14] Оценка коррозии железобетона электрохимическими методами и акустической эмиссией, журнал передовых технологий бетона, вып. 3, № 1, 137–144, февраль 2005 г.

[15] Буйло С.И., Буйло Б.И., Колесников В.И., Верескун В.Д., Попов О.Н. Применение метода акустической эмиссии в задачах диагностики транспортных средств, Физический журнал: Серия конференций. 2020. том. 1636. 012006. https://www.researchgate.net/publication/346164546_Application_of_the_acoustic_emission_method_in_problems_of_vehicle_diagnostics

[16] Хуан, Цзяцян; Боулс, Стивен Т.; Тараскон, Жан-Мари (23 марта 2022 г.). «Ощущение как ключ к сроку службы и устойчивости батареи» . Устойчивость природы . 5 (3): 194–204. Бибкод : 2022NatSu...5..194H . дои : 10.1038/s41893-022-00859-y . S2CID 247623256 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]