Повышение информативности акустополяризационного метода

ПОВЫШЕНИЕ ИНФОРМАТИВНОСТИ АКУСТОПОЛЯРИЗАЦИОННОГО
МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ УПРУГИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГОРНЫХ ПОРОД
СОДЕРЖАНИЕ
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ................................. 6
ВВЕДЕНИЕ...................................................................................8
1. АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД......19
1.1. Геология горных пород, как предмет применения акустических
методов исследования..................................................................19
1.1.1. Свойства основных породообразующих минералов...................22
1.1.2. Минеральная основа упругой анизотропии горных пород............23
1.2. Методы измерения акустических характеристик твердых
тел............25
1.2.1. Интерферометрические методы определения скорости звука.......29
1.2.2. Импульсные методы измерения скорости звука........................31
1.2.3. Акустополяризационный метод............................................49
1.3. Выбор и обоснование направления исследования...........................50
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УПРУГИХ ВОЛН В
АНИЗОТРОПНЫХ СРЕДАХ............................................................52
2.1. Основные закономерности распространения ультразвуковых волн в
анизотропных средах...................................................................52
2.2. Упругие волны в пьезокристаллах.............................................55
2.3. Физические основы метода акустополяризационных
измерений.........59
2.3.1. Виды поляризации упругих колебаний...................................59
2.3.2. Распространение упругих колебаний в поперечно-изотропной
среде.....................................................................................61
2.3.3. Особенности акустополяриграмм изотропных и анизотропных
образцов.................................................................................66
2.4. Эффект линейной акустической анизотропии поглощения...............69
3. АППАРАТУРА ДЛЯ АКУСТОПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ... 73
3.1. Требования к приборам и материалам
акустополярископии..............73
3.2. Общая схема аппаратуры для исследования упругих характеристик
горных пород акустополяризационным методом...........75
3.3. Конструкция акустополярископа с автоматизированным приводом
поворотной платформы................................................................79
3.4. Проектирование, описание и принцип работы прибора УЗИС-ГЭТУ...88
3.4.1.
3.4.2.
3.4.3.
3.4.4.
Проектирование прибора УЗИС-ГЭТУ...................................88
Конструкция прибора УЗИС-ГЭТУ.......................................92
Акустическая система........................................................92
Электронный блок............................................................93
3.4.5. Особенности процесса измерений скоростей прибором
УЗИС-ГЭТУ...........................................................................95
3.5. Конструкция контроллера вывода данных в параллельный порт
ЭВМ........................................................................................96
Выводы по разделу 3...................................................................99
4. АКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ ДЕМПФИРОВАННЫХ
ПЛАСТИНЧАТЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ
КОНСТРУКЦИИ.........................................................................101
4.1. Общие требования к источникам и приемникам
колебаний.............101
4.2. Теоретический анализ демпфированных пластинчатых
преобразователей повернутых срезов..............................................103
4.2.1. Постановка задачи...........................................................103
4.2.2. Работа преобразователя в режиме излучения..........................106
4.2.3. Работа преобразователя в режиме приема..............................109
4.2.4. Алгоритм расчета частотных характеристик...........................113
4.3. Разработка акустической системы.............................................115
4.3.1. Результаты численного анализа..........................................115
4.3.2. Конструкция акустического датчика....................................120
Выводы по разделу 4..................................................................122
5. ПОРЯДОК, ОРГАНИЗАЦИЯ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
АКУСТОПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ.................................123
5.1. Общие требования к методике
измерений......................................................................123
5.2. Порядок проведения акустополяризационных
измерений..............................124
5.3. Определение величин скоростей распространения упругих
колебаний................................................................................129
5.3.1. Технология измерения скоростей в анизотропных средах.........129
5.3.2. Особенности «матриц» квазипродольных и квазипоперечных
скоростей Vi j...........................................................................130
5.3.3. Анализ матрицы скоростей распространения упругих УЗК.........131
5.4. Определение типа симметрии и модулей упругости анизотропных
сред.......................................................................................134
5.4.1. Определение модулей упругости в слабоанизотропных средах... 134
5.4.2. Расчет модулей упругости ортотропных сред..........................136
5.4.3. Системы упругой симметрии горных пород...........................138
5.5. Обработка результатов акустополяризационных
измерений.............139
5.6. Результаты изучения анизотропии метаморфизированных архейских
пород......................................................................................144
5.6.1. Особенности акустополяризационных диаграмм.....................144
5.6.2. Анизотропия упругих свойств горных пород по разрезу Кольской
Сверхглубокой скважины (СГ-3)................................................149
5.6.3. Практическое применение результатов акустополярископии при
контроле качества материалов и изделий.......................................156
Выводы по разделу 5..................................................................158
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................160
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................163
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Коэффициенты РЧХП.......................................... 170
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Программа для расчета коэффициентов
РЧХП............172
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Схема электрическая принципиальная УЗИС-ГЭТУ.....180
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Программа прошивки процессора УЗИС-ГЭТУ...........181
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Схема электрическая принципиальная контроллера
передачи данных..........................................................................187
ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Программа прошивки процессора контроллера передачи
данных......................................................................................188
ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Распечатка текста программного кода ПО
A^stpol......191
ПРИЛОЖЕНИЕ 8. Плотность и показатели упругости некоторых образцов
разреза СГ-3...............................................................................201
ПРИЛОЖЕНИЕ 9. Показатели анизотропии и константы упругости
образцов пород разреза СГ-3...........................................................202
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
ВП - векторы преобразователей параллельны.
ВС - векторы преобразователей скрещены.
ОВП - ориентация вектора поляризации.
ОС - операционная система;
ПО - программное обеспечение.
РЧХП - расчетные частотные характеристики преобразователя.
УЗК - ультразвуковые колебания.
ЭВМ - электронно-вычислительная машина.
ЭЛААП - эффект линейной акустической анизотропии поглощения.
ЭЛТ - электронно-лучевая трубка.
В - показатель силы акустического двулучепреломления анизотропной
среды;
Су - модуль упругости, Па;
G - модуль сдвига;
Ею - модуль Юнга;
Sij - модуль упругой податливости;
Za - акустическое сопротивление среды;
а - магнитострикционная постоянная;
dij - постоянные электромеханического преобразования - пьезомодули;
а - коэффициент затухания;
в - угол поворота образца, град.;
8 - разность фаз, град.;
е - коэффициент анизотропии для продольных волн;
Y - коэффициент анизотропии для поперечных волн;
ф - фаза колебаний, град.;
X - длина волны, м.;
V - скорость ультразвуковых колебаний, М/С;
0 - угол между осью поляризации и плоскостью пьезопластины, град.;
КГ / 3
р - плотность образца, /М ;
о - коэффициент Пуассона;
т - время прохождения акустического импульса через образец в одном
направлении, сек.;
и - коэффициент Пуассона;
w - круговая частота;
АТ - критерий, который определяет тип симметрии анизотропной среды
(псевдогексагональная, ортотропная) [33];
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Физическая акустика, бурно развивающаяся в
последние
годы,
является
мощным
инструментом
исследования
газообразных, жидких и твердых сред. Она открыла широкие возможности
для таких технических применений ультразвука, как дефектоскопия
материалов и изделий, медицинская диагностика, определение постоянных
вещества, получение информации о макро- микроструктуре твердых тел,
создание акустоэлектронных приборов для накопления и переработки
информации и др. [1].
Физические основы многих из указанных выше применений ультразвука
были заложены фундаментальными исследованиями С.Я.Соколова в области
ультразвуковой дефектоскопии, он же впервые указал на целесообразность
использования упругих колебаний для изучения макроструктуры металлов
[2-4].
Дальнейшие исследования, проведенные Л.Г.Меркуловым, позволили
установить количественную связь коэффициента затухания со средней
величиной зерен (кристаллитов) в изучаемом твердом теле и их упругой
анизотропией [5-7]. Впоследствии эти работы получили всеобщее признание
и явились основой современной ультразвуковой структурометрии.
С.Я. Соколов и, созданная им, научная школа оказали большое
стимулирующее воздействие на расширение объема работ по изучению
акустическими методами твердых сред. Так, исследования, проведенные в
нашей стране и за рубежом в 60-е годы, открыли широкие перспективы
применения акустических волн для изучения микроструктуры твердых тел
[8-10]. Здесь стоит отметить такие возможности [11]:
а) изучение процессов диффузии и атомных перестроек в кристаллах;
б) изучение дислокационной структуры твердых тел;
в) изучение взаимодействий акустических волн с электронами и
атомными ядрами;
г) исследование характера внутрикристаллических сил, действующих
между атомами и ионами;
д) исследование доменной структуры ферромагнитных материалов и
сегнетоэлектриков.
Среди такого рода исследований весьма перспективным является
изучение дефектов кристаллической решетки и особенно дислокаций [10].
Глубокий интерес, проявляемый физиками и металловедами, к изучению
этих вопросов объясняется тем, что как прочностные характеристики
конструкционных
материалов,
так
и
электрические
полупроводников тесно связаны с дефектами решетки.
свойства
Поскольку получаемая информация об изучаемом теле основана на
измерении скорости и затухания ультразвука, развитие акустических методов
исследования
вещества
потребовало
также
глубокого
изучения
закономерностей распространения и отражения упругих волн в твердых
телах, методов их возбуждения и приема [9]. Результатом этих работ явилось
открытие возможностей создания новой элементной базы радиоэлектроники.
Так возникло новое научное направление, лежащее на стыке акустики
твердого
тела,
физики
полупроводников
и
радиоэлектроники
акустоэлектроника. По определению одного из создателей этого направления
Ю.В.Гуляева, «понимаемая в широком смысле акустоэлектроника изучает
возбуждение, распространение и прием высокочастотных ультразвуковых
(акустических) волн в твердых телах, взаимодействие этих волн с
электромагнитными полями и электронами проводимости, а также
возможности новых твердотельных приборов на основе возникающих здесь
явлений» [12]. Следует отметить, что трудами советских и зарубежных
ученых акустоэлектроника достигла высокого уровня развития и получила
широкое распространение в радиоэлектронике. Важный вклад в становление
этого направления в нашей стране внесли Ю.В.Гуляев, И.А.Викторов,
В.Е.Лямов, С.В.Богданов, И.Б.Яковкин, В.С.Бондаренко, С.С.Каринский,
Г.К.Ульянов, С.В.Кулаков, В.Б.Акпамбетов и др. Среди разработанных и уже
внедренных акустоэлектронных устройств можно указать линии задержки,
полосовые
фильтры,
фазовращатели,
резонаторы,
генераторы
на
поверхностных акустических волнах (ПАВ), устройства формирования и
согласованной фильтрации ЛЧМ сигналов в приемном тракте РЛС и др. [13,
14].
В настоящее время особый интерес представляет изучение и
определение закономерностей прохождения ультразвуковых волн через
анизотропные среды, какими являются, в частности минералы и горные
породы [15]. Акустические методы исследования горных пород все чаще
находят широкое распространение и применение в самых различных
областях науки и техники. Все эти методы базируются на тесной связи
скорости и затухания звука с физическими свойствами и структурой
вещества [16-19]. Интенсивное развитие ультразвуковых методов и
внедрение их в контрольно-измерительную технику обусловлено их
широкими возможностями и такими свойствами, как точность, малая
инерционность, относительная простота аппаратуры.
Информативность акустических методов тем выше, чем выше точность
определения скорости распространения ультразвуковых колебаний и ее
коэффициента затухания в изучаемом твердом теле. По этой причине
большое внимание уделяется совершенствованию методик акустических
измерений и соответствующих ультразвуковых приборов. С другой стороны,
для широкого практического использования, аппаратура должна обладать
такими характеристиками как удобство применения,
надежность
получаемой
информации,
широта
возможностей.
оперативность и
функциональных
Физическая анизотропия играет очень большую роль в природе.
Наиболее полно ее значение и особенности проявились при изучении
минералов. Еще с начала Х1Х века после введения в микроскоп
поляризаторов, стали известны методы оптической полярископии.
Оптические методы заняли важнейшее место при изучении минералов.
Внутренние законы их построения позволили Е.С.Федорову создать
законченную классификацию 230 пространственных точечных групп
симметрии, связанную с анизотропией оптических, диэлектрических,
магнитных, упругих, термических и др. свойств. Среди них изучение
анизотропии упругих свойств наиболее важно, так как с этими свойствами
связано поведение под нагрузкой большого числа разнообразных элементов
конструкций, природных объектов и материалов. Теория упругой
анизотропии сред основательно разработана в трудах А.Лява, В.Фойгта,
Дж.Ная, Ф.И.Федорова, С.Г.Лехницкого, Г.И.Петрашеня и других [20-25].
Значительно худшее положение наблюдается в области экспериментальных
методов ее изучения. Использование для этой цели оптических
поляризационных методов с одной стороны ограничено тем, что оптические
постоянные упругости среды описываются тензором не выше второго
порядка, в то время как постоянные упругости среды низшей симметрии тензором четвертого порядка. С другой стороны, область изучения
оптическими методами многих объектов, в частности горных пород,
ограничена их непрозрачностью.
Потребность в разработке методов изучения упругой анизотропии
горных пород очень значительна - без них не может быть более точно
осуществлена интерпретация данных геофизической разведки, сейсмики и
сейсмологии. Данными здесь являются объем проб горных пород, которые
как правило, определяются задачами исследования и требованиями к степени
надежности результатов. Требования к числу образцов и проб в выборке
определяются обоснованной надежностью результатов и стандартом [26].
Для составления обзора всех типов симметрии горных пород, их
классификации и выявлении связи с текстурно-структурными особенностями
необходим
лабораторный
метод,
аналогичный
оптическому
поляризационному, однако пригодный и для непрозрачных сред. При
исследовании
горных
пород
к
методу
необходимо
применить
дополнительные требования. Метод должен быть производительным и,
соответственно, основан на регистрации параметров распространения
упругих волн в анизотропных средах. При этом следует использовать теорию
и накопленный опыт наблюдений прохождения колебаний в анизотропных
средах.
Из известных, как наиболее производительный и точный, пригоден
динамический ультразвуковой метод, быстрое совершенствование которого
стало возможным благодаря работам С.Я.Соколова, Д.С.Шрайбера,
Н.Н.Силаевой,
О.Г.Шаминой,
Б.П.Беликова,
К.С.Александрова,
Т.В.Рыжовой, И.Н.Ермолова и других [27-30].
Использованию поляризованного ультразвука посвящено также много
работ. Например, методы определения внутренней упругой анизотропии,
возникающей при приложении напряжений, описаны в работах В.Фойгта,
Р.Лукаса, А.Нура, Р.Симмонса, Р.Т.Смита и других [31,32]. Однако
недостатком этих методов является то, что разработанные методы не
обладают необходимой общностью их применения. Например, они не
годятся для всех типов анизотропных сред. В отношении горных пород до
сих пор не ясно, преимущественно какой сингонией и типами симметрии они
описываются, какие типы связаны с тем или иным генезисом, процессами
вторичных преобразований, изменениями под воздействием палео- и
современных напряжений и др. Одним из акустических методов контроля
при помощи которого существовала бы возможность определять
вышеперечисленных параметры является метод акустополяризационных
измерений, основателей которого является Горбацевич Ф.Ф. Метод основан
на изучении особенностей распространения упругих колебаний в
анизотропных средах, в частности горных пород. На сегодняшний день
акустополяризационный метод эффективно используется для определения
упругой анизотропии горных пород. В сравнении с другими методами,
основанными на измерении скорости УЗК, акустополяризационный метод
является более информативным. Он позволяет определять: наличие
анизотропии упругих свойств материалов; наличие эффекта линейной
акустической анизотропии поглощения; пространственную ориентацию
элементов упругой симметрии среды. Однако основным недостатком метода
является недостаточно высокая точностью определения пространственной
ориентации элементов симметрии исследуемых образцов (±100). Кроме того
методика исследования предполагает проведения достаточно большого числа
измерений для каждого образца (от 432 до 4320 в зависимости от шага
сканирования). При этом фиксация результатов и последующая их обработка
осуществляется вручную. Для преодоления, возникающих в этом случае
проблем, необходимо изменять методику контроля и предлагать новые
измерительные приборы.
Акустические исследования могут преследовать цель не только
определения упругих характеристик, но и их изменения под действием
различных внешних факторов. Такие измерения во-первых, связаны со
значительными временными затратами, а во-вторых, могут приводить к
разрушению образца. Поэтому весьма актуальной становится задача
разработки эффективных акустических систем, позволяющих производить
параллельные определения скоростей квазипродольных и квазипоперечных
волн [16].
Целью работы является повышение информативности методики
исследования внутренней структуры горных пород, за счет внедрения нового
программно-аппаратного комплекса, работающего в автоматическом режиме.
Основные задачи работы:
1. Усовершенствование существующей конструкции акустополярископа в
направлении его автоматизации с использованием элементов прогрессивных
аппаратно-программных средств ЭВМ.
2. Разработка
физических
основ
функционирования
и
устройства
двумодового пластинчатого преобразователя, эффективно возбуждающего
различные типы волн в заданном диапазоне частот и создающего
предпосылки для создания стабильного акустического контакта при
шероховатости поверхности естественных образцов.
3. Усовершенствование
акустополяризационных
производительностью.
методики
измерений
и
с
организации
проведения
высокой
оперативностью
и
4. Доказательство эффективности разработанных программно-аппаратных
средств для экспериментальных исследований упругой анизотропии на
образцах горных пород.
Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе,
состоит в следующем:
1. На основе теоретического анализа распространения УЗК в двумодовых
пластинчатых пьезокристаллах найден угол среза, при котором наблюдаются
оптимальные соотношения коэффициента передачи для продольной и
поперечной волн. Для исследования упругой анизотропии горных пород в
конструкции
акустической
системы
использованы
демпфированные
преобразователи с повернутым срезом пьезоэлемента и двойным
демпфированием: конусом и буферным стержнем из плавленого кварца.
2. Сформулированы технические требования к новым конструкциям
приборов: ультразвуковой датчик; ультразвуковой измеритель скорости
УЗИС-ГЭТУ; акустополярископ. Разработаны меры обеспечения стабильного
акустического контакта между исследуемым образцом и преобразователями
в конструкции акустической системы. Для исследования упругих
характеристик
горных
пород
акустополяризационным
методом
использовался автоматизированный программно-аппаратный комплекс
3. Предложен и подтвержден экспериментально метод быстрого и
надежного исследования на ЭВМ упругой анизотропии и других
акустических характеристик образцов горных пород с произвольной
симметрией. Обеспечено увеличение чувствительности и точности до 1 0
определения пространственного положения элементов упругой симметрии.
4. Обнаружен ЭЛААП в минеральных образцах полевых шпатов
(микроклин, олигоклаз, ортоклаз). Экспериментально доказано, что породы
по разрезу Кольской сверхглубокой скважины на глубинах от 800 до 8690
метров анизотропны. Показано изменение ЭЛААП на различной глубине
залегания породы, что позволило определить распределение степени упругой
анизотропии, изменение ЭЛААП и тем самым природу тектонических
структур земной коры по разрезу скважины.
Практическая значимость работы:
Рассчитанные
и
построенные
на
ЭВМ
акустополяриграммы
представляют собою основу базы данных общего справочника упругих
характеристик горных пород. Повышение производительности снизило
трудозатраты обслуживающего персонала и стоимость затрат на проведение
акустополяризационных измерений. Полученные отдельные результаты
диссертации могут быть рекомендованы для использования в учебном
процессе
подготовки
специалистов
соответствующих
направлений.
Внедрение.
Автоматизированный программно-аппаратный комплекс успешно
применяется в Геологическом институте Кольского научного центра РАН с
2000г. для определения пространственного положения элементов упругой
симметрии
таких
поликристаллических
анизотропных
сред,
как
горнообразующие минералы и горные породы (акт о внедрении приведен в
Приложении
к
диссертационной
работе).
Основные научные положения, выносимые на защиту
• При усовершенствовании акустополяризационного метода измерений
упругих характеристик горных пород доказана целесообразность повышения
его информативности путем внедрения созданного программно-аппаратного
комплекса
в
составе:
автоматизированного
акустополярископа
с
электроприводом;
ультразвукового
измерителя;
ультразвукового
дефектоскопа; контроллера обмена данными; персонального компьютера и
программного пакета «A^stpol ©», позволяющих осуществлять определение
числа и величины упругих констант, наличия и степень проявления эффекта
линейной акустической анизотропии поглощения. Кроме увеличения
номенклатуры и точности измеряемых упругих характеристик доказано
снижение трудоемкости работы на автоматизированном комплексе, по
сравнению с ручными измерениями, примерно в 14 раз.
• Акустополяризационные измерения с повышенной информативностью
целесообразно
осуществлять
ультразвуковыми
преобразователями
с
использованием двумодового пьезоэлемента и составного демпфера,
элементами которого являются буферный стержень и конусная тыльная
нагрузка из плавленого кварца. Конструкция преобразователя обеспечивает
наилучшую эффективность энергетического преобразования продольных и
поперечных волн в заданной полосе частот от 0.5 до 2 МГц при угле среза от
450 до 500 и контактного слоя из эпоксидной смолы с максимальной
вязкостью при толщине 20-30 мкм. Доказана нецелесообразность
применявшегося ранее уменьшения толщины контактного слоя.
• При повышения метрологических характеристик акустополярископа
показана
эффективность
использования
автоматизированного
высокостабильного привода поворотной платформы, что в сочетании с
вычислительными возможностями программного пакета «A^stpol ©»
обеспечивает
повышение
точности
определения
пространственного
0
положения элементов упругой симметрии до 1 , и исключает погрешность 4
г0
- 6 , которую создавала предыдущая схема измерения.
• Исследования ряда образцов кристаллических горных пород ВочеЛамбинского полигона и Кольской сверхглубокой скважины, выполненные с
применением автоматизированного программно-аппаратного комплекса,
было
показано
наличие
упругой
анизотропии
разной
степени
(квазиизотропные менее 0,05, слабоанизотропные от 0.05 до 0.15 и сильно
анизотропные более 0.15) и типа симметрии (поперечно-изотропные,
ортотропные). Глубинные образцы, извлеченные из Кольской сверхглубокой
скважины показали высокую степень проявления ЭЛААП (до 0.82). Впервые
выявлено наличие ЭЛААП в породообразующих минералах, таких как
микроклины, олигоклазы, ортоклазы.
Аппробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались
следующих семинарах и конференциях:
и
обсуждались
на
- Elastic Wave Effect on the fluid in the porous media, conference is conducted
as a satellite scientific event for International Symposium on Nonlinear Acoustics,
ISNA-16, Moscow, Russia, august 2002;
- XI сессии Российского Акустического общества, Москва, ноябрь 2001 г;
- Акустическая научная сессия, проводимая в рамках 6-ой научной
конференции ННГУ по радиофизике, посвященной 100-летию со дня
рождения профессора М.Т.Греховой, Нижний Новгород, май 2002г.;
- Х, Х^ ХП научные молодежные конференции, посвященной памяти
К.О.Кратца «Геология и полезные ископаемые Северо-Запада и Центра
России»: Апатиты, май 1999г.; Петрозаводск, май 2000г.; Санкт-Петербург,
апрель 2001г.;
- годичной
научно-технической
конференции
общества РАН, Санкт-Петербург, май 1998г.;
Минералогического
- научно-технических
конференциях
профессорско-преподавательского
состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» им. Ульянова (Ленина), Санкт-Петербург:
февраль 2000, февраль 2001гг.
Личный вклад автора
Все результаты в работе получены в ходе проведения эксперимента
лично автором. Личный вклад автора является определяющим при передаче
данных в ЭВМ и при обработке экспериментальных данных. Все
теоретические результаты, разработанные конструкции приборов, получены
автором совместно с Яковлевым Л. А., Шевелько М.М., Перегудовым А.Н.,
Горбацевичем
Ф.Ф.
и
Головатой
О.
С.
Публикации по теме диссертации
Материалы диссертационной работы опубликованы в 6 печатных
трудах,
опубликованных в научных журналах и тезисах докладов на конференциях.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных
на 169 страницах основного машинописного текста, содержит 65 рисунков, 5
таблиц, список используемой литературы из 90 наименований и девять
приложений.. Общий объем диссертации 202 страницы.
Благодарности
При написании диссертационной работы хотелось бы выразить особую
благодарность своему научному руководителю д.т.н., профессору Яковлеву
Л.А. и научному консультанту д.т.н., профессору Горбацевичу Ф.Ф. за
постоянное внимание, ценные советы и многочисленные консультации в
изучении теоретичеких основ акустоэлектроники и акустополярископии.
Также хотелось бы отметить коллектив преподавателей кафедры ЭУТ
СПБГЭТУ «ЛЭТИ» зав. каф., к.т.н., доцента Павроса С.К, д.т.н., профессора,
Аббакумова К.Е., к.т.н., доцента Шевелько М.М. и к.т.н., доцента Перегудова
А.Н. за оказание помощи в написании диссертации и освоении целого ряда
вопросов, касающихся электронной и микропроцессорной техники.
1. АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД
1.1. Геология горных пород, как предмет применения акустических
методов исследования
Непрерывное
развертывание
фронта
геологоразведочных
работ,
возрастающее внимание к исследованию земных глубин, быстрое
расширение
масштабов
горных
разработок,
совершенствование
существующих и развитие новых способов добычи полезных ископаемых
вызывает необходимость всестороннего и детального изучения физических
свойств горных пород. Знание свойств горных пород требуется: для выбора
наиболее эффективного метода и определения оптимальных параметров
разрушения пород; при ведении разнообразных видов горных и инженерногеологических работ; при оценке устойчивости выработок и сооружений,
создаваемых в массивах пород. Недостаточность сведений о свойствах пород
часто приводит к неоправданно высоким расчетным запасам, принимаемым
при проектировании, и влекущим излишние экономические затраты,
неоптимальным техническим решениям, просчетам в сторону занижения
объективно необходимых затрат на освоение месторождения, строительстве
того или иного объекта. Поэтому детальное и систематическое изучение
физических свойств горных пород все чаще выдвигается как одна из
основных задач фундаментальной части горной науки - механики горных
пород и других смежных дисциплин. Впервые она была отчетливо
сформулирована в решении Всесоюзного совещания по вопросам
исследования физико-механических свойств пород применительно к задачам
горного давления (18-20 апреля 1961 г.) [34].
В настоящее время накоплен обширный экспериментальный материал
определений свойств горных пород и руд по различным месторождениям
Российской Федерации.
Опыт комплексного изучения свойств и структурных особенностей
массивов пород в целом, по крупным месторождениям, до настоящего
времени весьма ограничен. Руды и породы уникального Хибинского
щелочного массива, являющегося крупнейшей базой горно-химического
комбината «Апатит», представляют большой интерес для изучения. Они
отличаются разнообразием и составом строения, вследствие чего его
свойства изменяются в весьма широком диапазоне. Поэтому Хибинский
массив был принят в качестве первоочередного для детального изучения
свойств руд и пород.
Хибинский
щелочной
массив
и
приуроченные
к
нему
апатитонефелиновые месторождения расположены в центральной части
Кольского полуострова. Это единственная в мире щелочная интрузия
(внедрение магматического материала) с которым связаны грандиозные по
масштабам месторождения апатита. Площадь массива 1300 км .
Апатит в Хибинском массиве широко развит как акцессорный минерал,
то есть содержание его в минерале меньше 5%, в самых разнообразных
магматических комплексах [34]. Основная же масса промышленных
апатитонефелиновых месторождений пространственно связана с интрузией
ийолит-уртитов. Ийолит-уртиты - это Хибинские породы с малым
содержанием минерала кварца и большим - полевых шпатов. Общая
протяженность этой интрузии 80 км, средняя мощность 250-300 м.
Породы
ийолит-уртитового
ряда
являются
разновозрастными
образованиями. Они разделяются на две группы пород: ийолит-уртитов,
образовавшихся до формирования апатитонефелиновых тел (дорудные), и
ийолит-уртитов, более молодых по отношению к апатитонефелиновым
породам (пострудные). Формирование каждой из этих групп было сложным
и происходило в несколько этапов. Ийолит-уртиты указанных групп
отличаются друг от друга и разделяются на макроскопические и
микроскопические. Пострудные ийолит-уртиты обогащены полевым шпатом
В
Хибинском
массиве
различают
две
генетические
группы
апатитонефелиновых месторождений - магматические и метасоматические.
Магматические приурочены к крупным коническим разломам и имеют
сложную двухэтапную историю формирования. Наиболее богатые апатитом
промышленные месторождения магматического типа располагаются в югозападной части Хибинского массива.
Залегают рудные тела преимущественно по контакту ийолит-уртитов с
рисчорритами. Строение верхнего контакта сложное, что обусловлено
присутствием пород, обогащенным призматическим сфеном, как в эндо-, так
и в экзоконтакте. Образование сфеновой зоны следует рассматривать как
результат проявления процессов более позднего наложения метасоматоза.
Мощность зоны колеблется от 0 до 80 м.
Структурно-геологическое изучение этих пространственно разобщенных
месторождений показало, что строение рудных тел в них одинаковое.
Нижние части сложены бедными апатитовыми рудами, мощность которых в
среднем составляет 150-200 м ( в раздуве до 500 м), верхние - богатыми
апатитовыми рудами мощностью 50 м, т. е. зона богатых руд занимает в
рудных телах значительно меньший объем. Установлено, что раньше
образовалась зона бедных руд, позднее - зона богатых руд.
Богатые апатитовые руды имеют пятнистые и пятнисто-полосчатые
текстуры, бедные - линзовидно-полосчатые, сетчатые, крупно- и
мелкоблоковые. Каждый тип руд занимает в пределах рудных тел вполне
определенное положение. Для всех структур рудных тел характерна
апатитовая брекчия, в которой обломки представлены апатитовыми
породами, а цемент - апатит содержащим полевошпатовым уртитом
(ювитом), внедрившимся после консолидации рудного тела по тектонической
трещине в виде жилы.
В
отличие
от
апатитонефелиновые
представляют собой
700 м и мощностью
магматических
месторождений
метасоматические
месторождения имеют подчиненное значение. Они
небольшие жилоподобные тела протяженностью до
3-4 м. Приурочены они к локальным зонам дробления.
Апатитонефелиновые породы этих тел обогащены полевым шпатом со
структурами замещения. Это по сути дела рисчорриты, в различной степени
замещенные апатитом вдоль зон повышенной трещиноватости.
1.1.1. Свойства основных породообразующих минералов
Ранее использовались комплексные определения механических свойств
породообразующих
минералов
с
учетом
анизотропии
кристаллов.
Физические
характеристики
минералов
усреднялись
по
всем
кристаллографическим направлениям [34]. Так, модули упругости Е, G, и К
вычисляются по данным ультразвуковых испытаний и усредняются в
соответствии с методом Фойгта-Реусса [27].
Рассмотрим свойства минералов, на примере минерала апатита. Модуль
деформации определен с помощью тензометрических датчиков при
нагружении образцов под прессом. Прочностные характеристики измерены
путем раскалывания пластин с последующим сжатием образцов, полученных
при раскалывании.
АПАТИТ Саю(Р04)б(Р, OH)2.
Апатит относится к классу фосфатов, является солью фосфорной
кислоты. Сингония гексагональная, вид симметрии гексагональнопирамидальный - C6h—6L3/m (L6CP). Форма кристаллов - игольчатая или
правильные короткостолбчатые призмы. В хибинских апатитовых рудах
кристаллы апатита размером 0.1-1 мм образуют мелкозернистые агрегаты,
реже встречаются кристаллы до 10 мм в диаметре. Цвет разнообразный, чаще
минерал бывает голубого, зеленого и фиолетового цвета, иногда совсем
бесцветный.
Для
хибинского
апатита
характерна
бледно-зеленая
идиохроматическая окраска различных оттенков. Чаще всего встречается
желтовато-зеленый апатит, реже синевато-зеленый, изредка бледно-желтый и
синий до фиолетового. Блеск стеклянный, на изломе жирный. Спаянность
несовершенная до (0001), по ней часто развивается отдельность [34].
Минерал хрупкий, легко поддается дроблению и накапливается в мелких
классах. Структура кристаллическая. В основе структуры апатита лежат
изолированные фосфорно-кислородные тетраэдры, которые объединяются с
помощью кальция. Ионы кальция образуют параллельно оси симметрии
непрерывные цепочки (колонки), в которых каждый ион кальция связан с
девятью ионами кислорода. Такие цепочки соединяются друг с другом с
помощью тетраэдров (PO4).
В условиях земной поверхности мелкокристаллический апатит
Хибинских месторождений дробится, перетирается и затем растворяется
грунтовыми водами.
1.1.2. Минеральная основа упругой анизотропии горных пород
Явление упругой анизотропии проявляется в самых различных
масштабах: от дифференциации Земли на кору, мантию и ядро, до строгих
форм сингоний породообразующих минералов. Причем, наиболее низкие
виды упругой симметрии наблюдаются у минералов. Из них наиболее
сложный вид может быть описан при помощи 21 упругой постоянной.
Горные породы представляют собой гетерогенные системы, чаще всего
сложенные из разноориентированных кристаллов. В соответствии с
обобщенным принципом Неймана [20] горные породы должны относится к
более высокосимметричным, чем кристаллы, видам сред.
Поэтому большой практический интерес представляет собой решение
проблемы: к какой системе упругой симметрии принадлежит та или иная
поликристаллическая порода, какой матрицей постоянных описывается ее
упругая анизотропия.
Конечно, минеральная основа поликристаллических пород не целиком
обусловливает анизотропию их упругих свойств. Известно, что в
формировании физических свойств горных пород известную роль играют
микротрещины [35], расположенные на границе минеральных зерен и по
плоскостям спайности некоторых минералов. Минеральная основа и
микропоровое
пространство
в
образовании
упругой
анизотропии
поликристаллической породы может заметно изменяться. Примером
подобных пород, широко представленных в земной коре и, в частности, на
Кольском полуострове являются биотитовые гнейсы, плагиоклазовые
граниты,
диабазы,
габбро,
амфиболиты,
базальты,
сланцы,
апатитонефелиновые породы и др. Их основными породообразующими
минералами являются ортоклаз, микроклин, олигоклаз, кварц, пироксен,
амфибол (роговая обманка), авгит, мусковин, оливин, гранат и др. [35].
В
табл.1.1
приведены
показатели
упругости
некоторых
породообразующих минералов различных типов сингоний. Здесь VM максимальная скорость распространения квазипродольных волн в м/с. Если
не учитывать микропористость некоторых породообразующих минералов, то
наибольшей "скоростной анизотропией" обладают минералы микроклин
(триклинная сингония), биотит (моноклинная сингония) [27].
Таблица 1.1
№
п/п
Константы
упругости
(Сар в 1010 Па)
Наименова
ние
минерала
Сингон
ия
Сц
С
22
С
3
1
Ортоклаз
моноклинная
5.96
15.58
11
2
Микроклин
триклинная
24.95
7.05
9.
3
Биотит
моноклинная
18.6
-
5.
4
Кварц
тригональная
8.68
8.68
10
5
Гранат
кубичес
19.7
кая
19.7
19
Оливин
6
(форстерит
)
7
Апатит
ромбическая
32.4
19.8
24
гескагональн.
13.52
13.52
17
Разница в величинах скорости распространения квазипродольных
колебаний вдоль разных осей микроклина и биотита может достигать 50%.
Несколько меньше, до 38%, эта разница у ортоклаза. Минералы апатит и
кварц наименее анизотропны - v11/vm=0.89-0.9. Еще более значима разница в
величинах скорости распространения квазипоперечных колебаний и
сдвиговых модулях [27] - до 15 раз (биотит). Соответственно, следует
ожидать, что породы, сложенные в основном слюдами, микроклином,
ортоклазом, могут проявлять более существенную анизотропию, чем те,
которые состоят из кварца и апатита.
Трудности, возникающие на пути определения суммарной анизотропии
поликристаллической
структуры,
очень
существенны,
даже
если
рассматривать правильный контакт двух минеральных зерен, например,
микроклина и биотита. При этом в рассмотрение условий, определяющих
деформацию и напряжение по этому контакту, должно быть вовлечено
распределение сил и деформаций по всем другим поверхностям кристалла с
учетом всех констант их упругой анизотропии. Также, как сказано выше,
следует учесть вероятность наличия микротрещин по этим контактам и по
плоскостям спайности биотита. Задача в такой постановке является
аналитически неразрешимой. Без выделения анизотропии полиминеральных
структур, она решается методами Фойгта, Реусса, Хилла [27]. Полное
решение пока может быть найдено лишь экспериментальным способом,
путем использования метода, объективно усредняющего все взаимодействия
на
правильных
и
неправильных
контактах,
микротрещинах,
неоднородностях, структуре и текстуре полиминеральной породы в целом.
В связи с этим возникает необходимость разработки таких методов,
приборов, способов расчета данных, с помощью которых можно определить
классы симметрии горных пород, их констант упругости.
1.2. Методы измерения акустических характеристик твердых тел
Знание акустических свойств различных сред и материалов бывает
необходимо в самых различных областях народного хозяйства машиностроении, судостроении, геологии и особенно в строительстве.
Газообразные и жидкие среды исследуются в стандартных измерительных
объемах, главным образом в трубах (пробирках). Что касается твердых тел
(горных пород), то исследования производятся с образцами, форма и размеры
которых должны выбираться с учетом особенностей возбуждения и
распространения в них звуковых колебаний [36].
Акустическими характеристиками сред и материалов являются: скорость
звука V, модули упругости Су, модуль Юнга Ею, модуль сдвига G,
коэффициент Пуассона о, упругие податливости Sj, коэффициент затухания
а, акустическое
сопротивление Za, постоянные
электромеханического
преобразования - пьезомодули dj, магнитострикционная постоянная а и
некоторые другие характеристики, как правило, производные от
перечисленных [33].
Скорость звука сама по себе является важной акустической
характеристикой вещества, а кроме того, определяет его упругие модули,
поэтому наибольшее внимание посвящено разработке точных измерений
скорости звука.
В настоящее время в литературе описано большое количество
различных методов измерения скорости звука в твердых телах. Каждый из
этих методов имеет свое преимущество и недостатки. Нашей целью является
найти такой из них, который бы оптимально сочетал в себе точность
измерений и простоту используемой аппаратуры. Таким образом, возникает
необходимость в анализе существующих методов измерений.
Наиболее распространенны следующие методы измерения скорости
звука в твердых средах:
- интерферометрические, основанные на взаимодействии звуковых волн в
исследуемой среде (измеряется длина звуковой волны при известной
частоте колебаний).;
- оптические, основанные на взаимодействии световой и звуковой волн в
веществе (также определяется длина волны при известной частоте
колебаний);
- импульсные, основанные на измерении промежутка времени, в течении
которого звуковая волна проходит известное расстояние;
- резонансные,
основанные
на
измерении
собственных
частот
исследуемого образца, представляющего собой колебательною систему с
распределенными параметрами.
Сразу же следует оговорить, что из всех методов наиболее точными
являются резонансные и импульсные. Для резонансных методов расчет
колебательной системы с распределенными параметрами очень сложен,
поэтому форму образца выбирают, исходя из условия возбуждения только
одного заданного типа колебаний [37]. Различают низкочастотные и
высокочастотные резонансные методы.
Низкочастотные резонансные методы применяются для определения
упругих постоянных и внутреннего трения в твердых телах. Эти методы
позволяют сочетать высокую точность измерений с простотой аппаратуры. С
их помощью удается исследовать материалы с большим затуханием
ультразвука, однако, точность этих измерений скорости уменьшается при
увеличении потерь в образце.
В то же время низкочастотные резонансные методы непригодны для
измерений скорости в образцах малых размеров и не позволяют изучать
свойства какого-либо конкретного образца в различных направлениях.
Оценивая высокочастотный резонансный метод необходимо отметить
следующее:
1. Метод пригоден для измерения скорости упругих волн в образцах малых
размеров. Возможны измерения в различных направлениях в одном и том
же образце.
2. Схемы измерительных
промышленных приборов.
установок
просты
и
состоят
из
серийных
3. По точности метод несколько уступает импульсно-фазовым методам, т.к.
погрешность измерений зависит от величины затухания ультразвуковых
волн в образце и обычно лежит в пределах от 0.01 до 0.001%.
4.
Применение
резонансных
методов
затрудняется,
монокристаллическом образце возможно распространение
типов волн с разными скоростями.
когда
в
различных
Импульсные методы являются наиболее удобными, точными и
пригодны для исследований в твердых средах. Одним из главных достоинств
является то, что энергетические характеристики исследуемого вещества не
меняются в процессе проведения измерений. При этом достигается
повышение точности измерения, так как в этом случае к преобразователю
можно подводить более высокое электрическое напряжение. Импульсные
методы можно разделить на абсолютные и относительные [36].
К абсолютным относятся:
1. Методы прямого отсчета времени
сигнала на известное расстояние.
распространения
ультразвукового
2. Метод, использующий возникновение стоячих волн в отдельных частях
объема, в котором распространяются колебания.
3. Метод суперпозиции импульсов, основанный на измерении частоты
повторения импульсов, ориентированных так, что запуск каждого
следующего пакета импульсов начинается в момент прихода отраженного
пакета импульсов.
4. Иммерсионные методы, основанные на измерении критических углов
отражения для образца, погруженного в жидкость с известными
свойствами.
5. Метод кольцевых автоколебательных схем, основанный на самозапуске
импульсной системы с положительной обратной связью. При этом
частота следования импульсов определяет измеряемую скорость.
Относительные методы заключаются в сравнении времени распространения
ультразвуковых волн в исследуемом образце и эталонной линии, скорость
звука, в которой известна.
К относительным методам относятся:
1. Импульсно-фазовые методы;
2. Метод наложения импульсов;
3. Метод сравнения.
Представляет интерес остановиться более подробно на некоторых из этих
методов.
1.2.1. Интерферометрические методы определения скорости звука
Основой этих методов служит явление образования в испытуемом
веществе стоячих волн в результате наложения двух плоских волн,
двигающихся
в
противоположных
направлениях.
Пространственное
распределение
звукового
давления
или
колебательной
скорости
периодически повторяется через половину длины волны звука в веществе.
Определив частоту колебаний f и расстояние между соответствующими
точками стоячей волны, скорость звука V находят из формулы
V = 2f .
Для повышения точности можно использовать несколько периодов стоячих
волн, тогда
l -1
V_2 f
m-n,
где lm и ln - расстояния между двумя периодами, обозначенными m и n,
причем (m - n) указывает число периодов внутри измеренного промежутка.
Существует
большое
количество
типов
интерферометров,
отличающихся по режиму работы (работающие на непрерывных колебаниях
и импульсах), характеру излучения и приема (с одним и двумя
электроакустическими преобразователями), характеру звукового поля (с
неизменным и с изменяющимся звуковым полем) и т.д. Однако физическая
сущность метода сохраняется - измеряются явления, связанные с
интерференцией двух плоских волн. Можно рассмотреть физикоматематическую основу метода.
Картина, устанавливающаяся в цилиндре на расстоянии l от излучателя
(рис.1.1) в случае наличия двух плоских волн, движущихся в среде с
затуханием в противоположных направлениях, описывается выражением
[37].
pe = eJwt (лгв(a + jk )y + Лге-(A + jk )y )
где y = L -1 - расстояние от отражателя (точка p,); Л, - амплитуда падающей
волны в точке L; Лг - амплитуда отраженной волны в точке L.
Если отражатель идеальный, то Л, = Лг, в других случаях Л, = РЛГ, где в комплексный коэффициент отражения.
Структурная схема установки интерферометрического типа с неизменным
звуковым полем и фазовым методом измерения показана на рис.1.2.
Излучатель и отражатель передвигаются совместно. Сигнал с микрофона
после усиления поступает на вертикальные пластины осциллографа, а
сигнал, возбуждающий излучатель - на горизонтальные. Если фигура
Лиссажу представляет прямую линию, то это свидетельствует о равенстве
фаз или сдвиге на 1800 между ними. При передвижении излучателя вместе с
отражателем измеряемая микрофоном фаза периодически изменяется.
Разница между двумя переходами от прямой к эллипсу и снова к прямой
составляет половину длины волны звука в исследуемой среде. Момент
совпадения фаз по фигурам Лиссажу может быть проконтролирован с
точностью порядка одного градуса (для этого амплитуду сигналов на экране
увеличивают до максимально возможного значения, тогда переход от прямой
к эллипсу заметен уже при расхождении сигналов по фазе на 0.5-10.
В современной метрологической практике используются цифровые
интерферометры,
причем
расстояние,
проходимое
отражателем,
отсчитывается тоже с помощью интерференции, но уже световых волн, что
позволяет существенно повысить точность результатов измерений.
Точность измерений скорости звука оценивается отношением AV/V.
Если, например, AV = 0.3 м/с, а V = 1500 м/с, то — = 2 • 10-4.
V
Это
значение
получить
только
образцах
аппаратуры.
точностях
надо
температуру
и
давление.
Большие
предъявляются
к
параллельности
отражателя
и
стабильности
частоты
Необходимо учитывать
дифракционные
эффекты.
и
Для
тех
отсутствует
звука, нашли применение
интерферометры
длиной
интерференционные
выявляются
частоты.
можно
на
лучших
При
таких
стабилизировать
статическое
требования
соосности
и
поверхностей
излучателя,
к
колебаний.
волновые
веществ,
дисперсия
в
с
пути,
Рис.1.1. Определение звукового поля в
камере отражающего интерферометра.
в
при
которых
скорости
неизменной
которых
картины
изменении
1 - излучатель; 2 - корпус;
3 - подвижный отражатель.
Рис. 1.2. Структурная схема
интерферометрической установки с
неизменным звуковым полем.
1 - привод системы излучательотражатель; 2 - отражатель.
1
1.2.2. Импульсные методы измерения скорости звука
Существует большое число разновидностей импульсных методов
измерения скорости звука. Существуют абсолютные и относительные
методы.
Абсолютные методы. Из них следует выделить: методы прямого
отсчета времени распространения звукового импульса на известное
расстояние; методы суперпозиции импульсов, связанные с наложением друг
на друга нескольких сигналов, из распространяющихся в измеряемом объеме.
Типовая схема для измерения скорости звука импульсным методом
прямого подсчета показана на рис.1.3. Генератор видеоимпульсов частоты
повторения 1 (для повышения стабильности, состоящий из опорного
генератора высокой частоты, делителя частоты и ограничителя) возбуждает
генератор импульсов высокой частоты 2 (тоже, как правило, состоящий из
нескольких блоков, например генератора высокой частоты и импульсного
модулятора), обеспечивающий необходимую частоту заполнения, форму и
длительность
импульсов,
которые
возбуждают
электроакустический
преобразователь (излучатель-приемник) 3. Звуковой сигнал, излучаемый
преобразователем, распространяется в образце и может быть принят тем же
преобразователем после отражения от противоположной грани образца или
дополнительным приемником звука 7. Выбор определяется положением
переключателя 5. После усилителя сигнал поступает на осциллограф. На
горизонтальные пластины осциллографа подается пилообразное напряжение
развертки, а на управляющий электрод - калибровочные метки для более
точного отсчета промежутка времени.
Для облегчения визуального отсчета применяется электронная лупа
времени - растягивание на экране осциллографа небольшого временного
участка. Основная трудность в методе прямого отсчета - отсутствие опорных
точек импульса в связи с тем, что происходит неизбежный процесс
установления импульсного сигнала (на преобразователе-излучателе, а в
среде, на преобразователе-приемнике).
Измерение
скорости
методом
суперпозиции, т.е.
наложением
последовательных отраженных сигналов один на другой без установления
объемных стоячих волн в образце.
На рис .1.4 показана структурная схема установки, использующей принцип
суперпозиции. Работа ее заключается в следующем: генератор видеоимпульсов
синхронизированно с частотой сети подает на модулятор кратковременный
прямоугольный импульс и одновременно запускает второй генератор
видеоимпульсов (по существу играющий линию задержки), который с
заданным временем запаздывания подает второй кратковременный
прямоугольный импульс на модулятор. В результате на преобразователь
поступают с малой частотой следования (50 Гц) два высокочастотных
импульса, разделенных между собой на время 2т (т - время прохождения
импульса через образец). На вход усилительной части поступают как сигналы
возбуждающие образец, так и многократно отраженные сигналы, принятые
преобразователем в режиме приема. Усилительная часть после перегрузки
быстро восстанавливается благодаря малым постоянным переходных цепей в
установке.
Необходимы специальные меры, чтобы получить точность измерения
порядка 10-4-10-5. Длина образца измеряется оптическим длинномером (с
погрешностью ~10- мм). Образец тщательно обрабатывается, непараллельность
торцов не должна превышать 20. Толщина промежуточного слоя (из
трансформаторного масла или салола), составляет не более 1-3 мкм, для чего
преобразователь притирается к поверхности.
Измерение скорости звука способом оптического наложения. В этом
способе, предложенном Э.Пападакисом (США), для определения промежутка
времени между двумя отраженными сигналами использовано изменение
частоты развертки осциллографа таким образом, чтобы наблюдать на экране
наложение друг на друга двух соответствующих отражений (рис.1.5). При этом
процесс наложения является мнимым и не сопровождается суперпозицией.
Момент совпадения определяется в районе осевой линии экрана осциллографа,
так как амплитуда отраженных сигналов не равна между собой [27].
Погрешность визуального определения момента совмещения составляет 1-20.
Измерение скорости звука кольцевым методом. Этот метод позволяет
определять без перестройки зависимость скорости звука от температуры,
статического давления, времени и широко распространен при измерении
распределения скорости звука по глубине в море.
На рис.1.6 представлена схема кольцевого метода (также называемого
методом синхрокольца, ре-циркуляционным, sing-around и т.д.), представ-
Рис .1.3. Структурная схема
методом прямого подсчета.
измерения
скорости
звука
импульсным
1 - генератор видеоимпульсов частоты повторения; 2 - генератор
импульсов высокой частоты; 3 - излучатель-приемник ультразвука; 4
- образец; 5 - переключатель; 6 - усилитель; 7 - приемник звука; 8 осциллограф; 9 - генератор развертки; 10 - генератор калибровочных
меток.
Рис.1.4.
Структурная
методом суперпозиции.
схема
1,2
генераторы
импульсов
высокой
частоты);
часть; 6 - осциллограф.
Рис.1.5.
Структурная
методом оптического наложения.
установки
видеоимпульсов;
4
-
схема
1
формирователь;
3
излучатель;
4
7 - частотомер.
3
пре
установки
1
генератор
развертки;
2
излучатель-приемник
ультразвука;
4
видеоимпульсов
частоты
повторения;
генератор калибровочных меток; 8 - осциллограф.
Рис.1.6.
Структурная
звука кольцевым методом.
для
схема
2
исследуемая
для
генератор
-
6
установки
среда;
ляющего собой самобалансирующуюся электронно-акустическую схему.
Генератор импульсов работает в режиме автозапуска, т.е. создает импульсы
заданной частоты только при поступлении на его вход запускающего
импульса от приемника. Таким образом, излучатель при возбуждении
посылает импульс в исследуемую среду, спустя промежуток времени т
импульс достигает приемника, преобразуется в электрический, для лучшего
запуска
подвергается
формированию
(пропускается
через
каскад,
формирующий короткий импульс) и запускает генератор, после чего
5
описанный процесс повторяется. Частотомер фиксирует частоту повторения
периодических сигналовf Скорость звука определяется из выражения:
где l расстояние,
проходимое
звуком
в
исследуемой
среде;
tcl,tsl - акустическая и электрическая задержки, связанные с прохождением
звуком промежуточных слоев между преобразователем и средой и временем
срабатывания элементов электронной схемы. Точность кольцевых схем
находится на уровне 1-(10-3 - 10-4).
Относительные
методы заключаются
в
сравнении
времени
распространения ультразвуковых волн в исследуемом образце и эталонной
линии, скорость звука, в которой известна. Представляет интерес
остановиться более подробно на некоторых из этих методов.
Импульсно-фазовый метод Мак-Скимина. Метод был предложен МакСкимином в 1950 году и предназначен для измерения скорости
ультразвуковых волн в малых образцах с длиной порядка нескольких
миллиметров [38].
С целью выяснения особенностей данного метода рассмотрим схему
измерительной установки (рис.1.7).
Кварцевый
преобразователь Пр возбуждается
радиоимпульсом,
сформированным модулятором из непрерывного гармонического сигнала
генератора высокой частоты. Ультразвуковой импульс проходит через
буферный стержень Бс, частично отражается от его нижнего торца, а
частично проходит в образец О, где претерпевает многократные отражения
(рис.1.8,а). Эхо-сигналы усиливаются, детектируются и попадают на вход
электронно-лучевого осциллографа. Буферный стержень был использован
Мак-Скимином для внесения задержки по времени, чтобы восстановить
работу усилителя после перегрузки его сигналом.
При длительности импульса, меньшей времени прохождения
ультразвуком двойной длины образца, на экране осциллографа наблюдается
серия
экспоненциального
убывающего
по
амплитуде
импульсов,
соответствующих отраженным сигналам (рис.1.8,б). Если длительность
импульса увеличивается, то отдельные отражения перекроют друг друга.
Форма результирующего сигнала в данном случае зависит от соотношения
фаз высокочастотных колебаний в перекрывающихся эхоимпульсах. Изменяя
частоту генератора, можно добиться такого положения, когда все эхосигналы складываются в фазе, и на экране осциллографа появляется
характерная картина в виде лестницы (рис.1.8,в).
Частоты, соответствующие
удовлетворяют уравнению [39]:
синфазному
сложению
эхо-сигналов,
где V - скорость распространения ультразвуковой волны в образце;
[астота соответствующая синфазному сложению эхо- сигналов; L
- длина образца; фп - угол фазового сдвига при отражении ультразвуковой
волны от грани образца, контактирующей с буферным стержнем; n - целое
число полуволн, укладывающихся на длине образца.
Из уравнения (1.1) имеем:
Частоты fn измеряются
электронным
частотомером
с
высокой
точностью. Целое число n, входящее в выражение (1.2), должно быть точно
известно даже в случае приближенных измерений; величина ф необходима
только для точных расчетов. Значение n находится по формуле [39]:
Основные трудности связаны с определением величины ф. Появление
фазового сдвига при отражении ультразвуковой волны от границы
"буферный стержень - образец" объясняется образованием стоячей волны в
контактном слое. Величина ф определяется волновой толщиной этого слоя и
удельными акустическими сопротивлениями материалов буферного стержня,
слоя и образца. Мак-Скимином было предложено несколько способов
повышения точности и улучшения методики измерений. Так, например,
метод баланса фаз позволяет более точно определить момент совпадения фаз
[39]. Фазовый сдвиг можно найти по отношению амплитуд двух импульсов,
отраженных от стенки буферного стержня и от дальней стенки образца.
Однако точность определения в целом не очень высока (0.1%), особенно при
большом затухании звука в контактном слое. С другой стороны
достоинством является то, что высокие частоты измерений (обычно более 20
МГц) практически исключают дифракционные эффекты. Методика
достаточно
сложна
и
плохо
поддается
автоматизации
(трудно
алгоритмизировать процесс получения нарастающих ступенек).
Метод наложения импульсов. Этот метод был предложен Мак-Скимином
[40] и усовершенствован Мэйем [41] и Пападакисом [42]. В отличие от
рассмотренных он основан на непосредственном измерении времени
распространения ультразвуковых импульсов в образце.
Суть метода заключается в следующем (рис.1.9). Пьезопреобразователь излучает в образец акустические импульсы с периодом повторения Т, кратным
Рис.1.7. Схема измерительной установки, реализующей метод Мак-Скимина.
рис.
1.8.
принцип
б)
серия
импульсов; в) - сложение сигналов в фазе.
действия
схемы:
экспоненциального
временному интервалу между соседними эхо-сигналами. Регулируя частоту
повторения f=1/T, можно добиться такого положения, когда вершины
колебаний складывающихся эхо-сигналов совпадают по времени. Тогда
амплитуда результирующего сигнала максимальна, а период Т определяется
выражением [40]:
(1.4)
где т - время прохождения акустического импульса через образец в одном
направлении; р - целое положительное число, показывающее, во сколько раз
период повторения Т больше временного интервала между соседними эхосигналами; ф - угол фазового сдвига при отражении ультразвуковой волны
от пьезопреобразователя; f - частота ультразвуковых колебаний в импульсах;
ф/2к[ - временная задержка, обусловленная фазовым сдвигом при одном акте
отражения; n = 0,±1,±2... - целое число периодов частоты f на которое
сдвинуты
друг
относительно
друга
складывающиеся
импульсы.
Непосредственно измеряемой величиной является частота повторения f
Число р - задано. Интересующую нас скорость ультразвука в образце можно
найти, если определить ф, n, и f С этой целью проводят измерения ряда
значений Т, соответст-
Рис .1.9. Схема метода наложения импульсов.
вующих различным n, p, и f. Затем на основании довольно трудоемких
вычислений строят теоретическую зависимость временной ошибки от
толщины контактного слоя для данного образца и находят значение Т=То
соответствующее (ff=0 и n=0. Тогда
То=2рт, (1.5)
откуда искомая скорость ультразвуковых волн в образце:
v = L/т = 2pL/To = 2pLFo, (1.6)
где L - длина образца; Fo = 1/To - частота повторения импульсов [40,41].
Схема измерительной установки показана на рис.1.10. Непрерывный
гармонический сигнал от задающего генератора поступает на схему
формирования, где ограничивается и дифференцируется. На выходе схемы
формирования получается последовательность коротких импульсов, которые
запускают генератор высокочастотных импульсов.
Стробирующий каскад позволяет на некоторое время прерывать эту
последовательность, что необходимо для наблюдения эхо-сигналов, если
период повторения импульсов, возбуждающих преобразователь Пр, равен
временному интервалу между соседними эхо-сигналами. В противном случае
возбуждающие импульсы маскировали бы принятые сигналы. Режим,
соответствующий р=1, используется в сочетании с другими режимами (р=2,
р=3) для
однозначного
определения То.
Отметим основные достоинства и недостатки метода.
1. Данный метод позволяет реализовать высокую точность измерений
скорости ультразвука (до 1-10-4).
2. Учитывается влияние акустического контакта преобразователя с
образцом.
В основе метода лежит предположение, что фазовый сдвиг между всеми
соседними эхо-сигналами постоянен и определяется лишь временной задерж
кой акустического импульса в образце и отражением от преобразователя.
Реально существует дополнительный фазовый сдвиг, обусловленный
дифракци-
Ри с . 1 .1 0 . Сх е м а из м ер итель н о й у стан о в ки р е ализую щ е й м етод
наложения импульсов.
онными эффектами и спектральными искажениями и импульса,
распространяющегося в среде с частотно-зависимым затуханием [43,44].
Величина этого фазового сдвига зависит от расстояния, пройденного
импульсом в образце и, следовательно, исходное предположение не
выполняется. Кроме того, в процессе многократных отражений сильно
меняется форма огибающей акустического импульса. Поскольку в данном
методе суммарный сигнал формируется из большого числа эхоимпульсов,
рассмотренные эффекты должны привести к дополнительным неучтенным
погрешностям.
3. Другой существенный недостаток метода - сложность расчета скорости
и длительность процесса измерений. Необходимо измерять временной
интервал Т на разных частотах и при нескольких значениях.
4. Известные
трудности
вызывает
измерение
частоты
заполнения
импульса.
Метод
основан
на
использовании
некогерентных
возбуждающих импульсов, поэтому их невозможно формировать из
непрерывного гармонического сигнала.
Импульсно-фазовый метод Вильямса и Лэмба.
Для измерения скорости звука Вильямс и Лэмб использовали
акустическую систему, изображенную на рис.1.11. Недемпфированная
пластина излучает в образец импульс 4, который отражается от
противоположного торца образца и снова приходит на излучатель. В этот
момент в образец излучается второй импульс 5 (импульсы 4 и 5 получаются
«вырезанием» из непрерывной синусоиды). В дальнейшем импульсы 4 и 5
распространяются совместно. Результат наложения импульсов превращается
приемной пьезопластиной в электрический сигнал. Для режима
установившихся колебаний (средней части принятых импульсов) этот сигнал
можно выразить следующим образом:
(1.7)
где 4*1 и " углы фазового сдвига при отражении волны от излучателя и
приемника. При выводе (1.7) предполагалось, что амплитуды сравниваемых
импульсов равны. Суммарный сигнал, определяемый выражением (1.7),
равен нулю, если
Рис.1.11. Схема, реализующая метод Вильямса-Лэмба
(1.8)
При этом колебания в импульсах находятся в противофазе. Условие (1.8)
выполняется на частотах "компенсации"
(19)
Нечетное
число (2n-1), имеющее
смысл
количества
полуволн,
укладывающихся на двойной длине образца (2L), определяется выражением
(1.9) для двух соседних частот компенсации:
Вильямс и Лэмб впервые показали, что фазовый угол ¥ равен нулю на
резонансной частоте пьезопреобразователя f0. В окрестности f0 частотная
зависимость f) линейна и определяется выражением:
(1.11)
где Znp и Zcp - соответственно акустические сопротивления материалов
пьезопреобразователя и образца. Кроме того, авторы метода указали, что
влияние контактных слоев минимально на частотах, близких к f0. Здесь
полезно отметить, что Вильямс и Лэмб под f понимали частоту,
определяемую из условия [45]
(1.12)
Если воспользоваться терминологией пьезорезонаторов применительно
к пластинам, совершающим квазипродольные или квазипоперечные
колебания,
то f0=V/2d является
частотой
антирезонанса fa. Тогда
как
резонансная частота определяется соотношением [46]:
(1.13)
где kt - коэффициент пьезоэлектрической связи. С учетом (1.11) выражение
(1.10) можно свести к виду:
(114)
Вычисленное с помощью (1.14) значение (2n-1) округляется до
ближайшего нечетного числа. Дальнейшие расчеты проводятся по формуле
(1.9).
В.Е.Иванов, работая на кафедре электроакустики и ультразвуковой
техники (ЛЭТИ им. Ульянова/Ленина), видоизменил метод Вильямса -
Лэмба, использовав преобразователь как в режиме излучения, так и в режиме
приема [47]. Это позволило уменьшить вдвое погрешность, вносимую
преобразователями. Схема распространения акустических импульсов в этом
случае показана на рис.1.12, а расчетные формулы имеют следующий вид
[48]:
где f - частота нулевого фазового сдвига.
В заключение следует отметить, что предельные возможности четырех
рассмотренных методик измерения скорости примерно одинаковы и
ограничиваются фазовыми сдвигами при отражении волн от границы раздела
"образец - контактный слой". Однако метод Вильямса-Лэмба технически весьма
просто реализовать. Кроме того, в нем используется наиболее точный ком-
Рис.1.12.
усовершенствованная Ивановым [47].
Схема,
Вильямса-Лэмба,
пенсационный способ отсчета показаний. Поэтому при
исследований предпочтение в основном отдается этому методу.
проведении
Метод
сравнения. Этот
метод
реализует
фазовый
способ
измерения временного интервала. В отличие от описанных ранее методов
процедура измерений в этом случае значительно проще. Поэтому реализация
на его основе экспресс-исследования образцов в ряде случаев
предпочтительнее. Этот же метод лежит в основе работы ультразвукового
измерителя скорости УЗИС-ЛЭТИ. Измерение скорости ультразвуковых
волн основано на определении времени их прохождения в измерительной
линии ИЛ - с образцом и без образца - по известной скорости в жидкостной
эталонной линии ЭЛ. Структурная схема прибора показана на рис.1.13.
Импульсы, вырабатываемые генератором, одновременно подаются на
излучающие пьезопластины обеих линий. В ЭЛ имеется микрометрический
винт, с помощью которого, изменяя расстояние между излучателем и
приемником, можно совмещать на экране осциллографа импульсы,
прошедшие через ИЛ и ЭЛ. В момент совмещения импульсов берется отсчет
по шкале микрометра.
Значение длины образца и скорости звука в эталонной линии можно
определить с достаточной точностью, поэтому точность метода определяется
погрешностью, с которой фиксируется положение микрометрического винта,
и влиянием контактных слоев между буферным стержнем и образцом.
Анализ систематической погрешности был проведен в работе [49], где
было показано, что при прямом прохождении ультразвуковой волны через
систему "буферный стержень - образец" (рис.1.14) имеет место изменение
фазы волны на величину
где 12, и 12' - толщины контактных слоев при наличии образца и без него;
Z1, Z2, Z3
- удельные
акустические
сопротивления
преобразователя,
контактного слоя и образца; k2 - волновое число для материала контактного
слоя.
Измеряемое в эксперименте время: t = т + 2At1 - At2.
Схема измерений поясняется на рис.1.14. С учетом полученных
выражений для фазовых сдвигов, поправку во времени можно записать:
Рис. 1.13. Структурная схема, реализующая метод сравнения.
Ри с . 1 . 1 4 . Пр и нцип р е ализаци и сх ем ы м ето да сравнения: 1 - излучатель;
2,6 - буферные стержни; 3, 5, 8 - контактные слои; 4 - образец; 7 приемник, т - время прохождения звука через образец; 2At1 - время
прохождения через слои 3, 5; At2 - время прохождения звука через слой 8.
Тогда погрешность скорости, обусловленная влиянием контакт.ных слоев:
где vyз - истинная скорость распространения ультразвука; vy..^ - измеренная
скорость.
Видно, что величина погрешности зависит от величины контактных
слоев, длины исследуемого образца и соотношения сопротивлений.
С целью оптимизации системы были проведены расчеты, которые
показали, что при определенных параметрах погрешность меняет знак и
может быть уменьшена [50]. Например, при оптимальной толщине слоев и
при Z1>Z2 происходят
компенсация
фазовых
сдвигов
2ф1 и ф2, и
систематическая погрешность, вносимая контактными слоями, существенно
уменьшается. Общая погрешность измерений достаточно мала (~ 0.1-0.5%),
что удовлетворяет практическим потребностям в большинстве случаев.
В целом метод очень прост и удобен, имеет хорошую
воспроизводимость
результатов
измерений;
в
силу
однократного
прохождения звука через образец позволяет исследовать материалы с
большим звукопоглощением. Но он имеет ряд недостатков:
1. Необходимость смены акустической системы при изменении типа
используемых волн.
2. Отсчетное устройство реализовано на основе микрометрического
винта.
3. Зависимость
жидкости.
результатов
измерений
от
параметров
эталонной
4. Невозможность автоматизации измерений.
5. Разный спектр сигналов через жидкость и твердый образец.
Стремление устранить перечисленные недостатки и явилось причиной
разработки прибора УЗИС-ГЭТУ (см. п/р. 3.4).
1.2.3. Акустополяризационный метод
Акустополяризационный метод исследования горных пород основан на
регистрации амплитуды и времени прохождения квазипоперечных УЗК через
образец при разной ориентации вектора поляризации излучателя и
приемника. Акустополяризационный метод может быть применен для
исследования характеристик не только обычных конструкционных
материалов, но также и для исследования характеристик упругости
анизотропных сред.
Для проведения исследований метод предусматривает наличие
специальной конструкции акустической системы - акустополярископ [33]. В
состав акустополярископа входят два преобразователя, расположенные на
противоположных сторонах исследуемого образца. Наблюдения проводятся
при
параллельных
и
при
скрещенных
векторах
поляризации
преобразователей, что является, по сути, методом амплитудного
суммирования двух фаз квазипоперечных волн. Аппаратура позволяет
проводить измерения в пределах
Рис.1.15. Общий вид акустополярископа с поворотной платформой.
Вариант с одной стойкой.
полного угла поворота образца относительно вектора
преобразователей. Фото прибора приведено на рис. 1.15.
поляризации
Полная характеристика упругости анизотропной среды может быть
получена в результате последовательных этапов измерений, определений и
расчетов. На первом этапе проводятся акустополяризационные измерения,
определяют число, вид и направленность элементов симметрии среды.
Определяют наличие и степень проявления эффекта линейной акустической
анизотропии
поглощения
или
акустического
дихроизма
(эффект
рассматривается ниже) [33]. На этом этапе, в соответствии с выявленными
элементами
симметрии
проводят
измерения
величин
скорости
распространения квазипродольных и квазипоперечных волн, а затем еще и в
дополнительных направлениях. На третьем этапе вычисляют все константы
упругости Сар, коэффициенты анизотропии е1133, £2233, Y1213, Yrn3, ЛТ. На
четвертом этапе определяют тип упругой симметрии, разграничивают
породы на слабо- и сильно анизотропные, проводят анализ полученных
данных.
1.3. Выбор и обоснование направления исследования
Ультразвуковые
методы
определения
свойств
и
структуры
анизотропных материалов, в том числе горных пород, отличает возможность
получения результатов высокой точности и надежности. Разнообразные
методы отличаются по различным своим характеристикам: величине
погрешности, производительности, возможным типам контролируемых
материалов, сложности обработки результатов измерений. Особо широкие
возможности открывает применение акустополяризационных явлений,
сопровождающих распространение квазипоперечных колебаний.
Весьма нетребовательный к аппаратуре измерительного стенда, метод
может применяться только со специальной конструкцией акустической
системы. Особого внимания требует и обработка результатов. До настоящего
времени результаты измерений горных пород акустополяризационным
методом обрабатываются с помощью ЭВМ программой, написанной на языке
Basic. Эта программа имеет некоторые существенные недостатки. Например,
ввод результатов осуществляется путем введения данных в саму программу;
вывод акустополяриграмм происходит сразу в трех проекциях без
нахождения элементов осей и плоскостей симметрии образцов; вычисление
акустического дихроизма или ЭЛААП происходит вручную; определение
скоростей прохождения ультразвука в материале по всем трем
взаимоперпендикулярным направлениям осуществляется вручную.
Значительный объем
трудоемкость
измерений
ручных операций и связанная
определяет
необходимость
с этим
создания
автоматизированного аппаратного комплекса с выводом данных в порт
ввода-вывода ЭМВ. Также возникает необходимость модернизации
программного обеспечения с учетом указанных недостатков. Кроме того,
замена
программного
обеспечения
для
обработки
результатов
акустополяризационных измерений может позволить повысить точность
обработки результатов эксперимента.
Таким образом, акустополяризационный метод исследования твердых
сред сложной структуры, к которым относятся и горные породы, является
перспективным из-за его повышенной информативности (возможность
работы с материалами с априорно неизвестной симметрией). Однако на пути
его практического использования основным препятствием является высокая
трудоемкость метода. В связи с этим представляется обоснованным
остановить свой выбор метода исследований горных пород на
акустополяризационном методе и разработать предложения по аппаратной
модернизации и совершенствованию методов обработки результатов
измерений с учетом возможностей современной вычислительной техники.
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УПРУГИХ ВОЛН В
АНИЗОТРОПНЫХ СРЕДАХ
2.1. Основные закономерности распространения ультразвуковых волн в
анизотропных средах
Уравнение, которое описывает движение однородной среды при
плоском упругом возмущении (без учета затухания), непосредственно
следует из общего уравнения движения
(2.1)
••
где р - плотность кристалла; Uj - компоненты вектора ускорения (i=1,2,3);
Oik - компоненты тензора напряжений (k=1,2,3), xk - декартова координата.
Связь между напряжениями oik и компонентами тензора деформации Ulm
определяется обобщенным законом Гука:
(2.2)
где Ciklm - компоненты тензора модулей упругости четвертого ранга. Для
малых амплитуд колебаний в звуковой волне:
(2.3)
Так как процесс распространения звука в первом приближении можно
считать адиабатическим, в уравнении (2.2) следует использовать
адиабатические значения упругих модулей. Связь между адиабатическими и
изотермическими модулями имеет вид [46]:
(2.4)
где A,ik = Pim 'CiklmU3; - pik - компоненты тензора теплового расширения;
Т-температура, 0К; Cv - удельная теплоемкость при постоянном объеме.
Разница между адиабатическими и изотермическими значениями модулей
для большинства анизотропных сред весьма мала и при практических
расчетах ее обычно не учитывают.
Подставляя (2.2) и (2.3) в уравнение движения (2.1) получаем:
Для плоской монохроматической волны решение уравнение уравнения (2.5)
будем искать в виде:
точки волнового фронта, W - круговая частота, V(n) - скорость перемещения
фронта волны (скорость по нормали).
После подстановки (2.6) и (2.5) находим:
где 1к - направляющие косинусы волнового вектора. Вследствии симметрии
тензора Сщт относительно перестановки индексов i и к, l и m, ik и lm, тензор
Qim - симметричен. Последнее обозначает, что Qim = Qmi. Так как компоненты
Qim часто используются при численных расчетах, приведем их развернутые
значения:
В уравнении (2.9) мы используем матричную форму записи упругих модулей
CJn. Индексы Cjn соответствуют индексам тензора Cikim, если произвести
замену 11 - 1; 22 - 2; 33 - 3; 23 - 4; 13 - 5; 12 - 6.
•9)
Система однородных уравнений (2.8) имеет отличные от нуля решения,
если ее определитель равен нулю:
(2.10)
Выражение (2.10) представляет собой уравнение третьей степени
относительно V(n) . Это означает что вдоль любого направления возможно
распространение трех упругих волн с тремя различными скоростями. И
только в некоторых направлениях, а также в случае изотропных сред
скорости двух волн оказываются одинаковыми. Определив скорость
распространения волны, находим направляющие косинусы вектора
смещений с помощью системы уравнений
(2.11)
и условия нормировки
(2.12)
Анализ выражения показывает, что в общем случае вектор смещения не
совпадает и не ортогонален направлению распространения волны. Волна,
вектор смещения которой имеет минимальный угол с направлением
волновой нормали, называется квазипродольной, две другие волны квазипоперечными.
Умножив рк на ак и произведя суммирование по всем «к», получаем
(2.15)
Уравнение (2.15) эквивалентно выражению (2.10) и определяет поверхность
нормальных скоростей, которая в общем случае является сложной
четырехлепестковой фигурой. Положив в уравнении (2.15) lk = 0, нетрудно
найти
сечение
этой
поверхности
соответствующей
координатной
плоскостью.
2.2. Упругие волны в пьезокристаллах
При
исследовании
распространения
ультразвуковых
волн
в
пьезоэлектриках необходимо исходить из общих уравнений пьезоэффекта
[46]
(2.16)
(2.17)
используя дополнительные условия divD =0 и rotE =0.
Здесь CihiJ1 - модули упругости при постоянном поле; Dp - компоненты
вектора электрической индукции; Eq - компоненты электрического поля; ejik
- пьезоэлектрические постоянные, симметричные относительно
7E
перестановки индексов i и
постоянной деформации.
k; epq -
диэлектрические
проницаемости
при
Из уравнения (2.16) видно, что модули упругости отвечают определенным
электрическим условиям (в данном случае постоянству поля). В
пьезокристаллах часто используются также модули упругости при
постоянной индукции ClkimD. Связь между ClkimE и ClkimD легко установить,
положив в (2.17) Dp=0 и подставив компоненты Eq в уравнение (2.16). Тогда
после несложных преобразований получаем [46]
(2.18)
Отсюда
следует,
что
все
выводы,
сделанные
пьезокристаллов.
Разница
состоит
лишь
в
действующих
упругих
модулей
необходимо
можно
пояснить
на
примере
распространения
звука
(2.20) выражение для Qim имеет вид:
Несложные алгебраические вычисления с помощью формул (2.21) и (2.10)
позволяют найти значения скоростей в различных частных случаях.
Ось Х:
Из полученных формул видно, что в рассмотренных случаях скорости
определяются модулями при постоянном поле, либо при постоянной
индукции. Здесь тип модулей зависит от поля пьезоэлектрической реакции,
создаваемой упругой волной. Если пьезореакция направлена вдоль
распространения волны, то действующие модули соответствуют постоянству
индукции; если перпендикулярно - постоянству поля. Как следует из
уравнения (2.17), первый случай реализуется у квазипродольной волны,
идущей по оси Х, и квазипоперечной - по У (деформация Uxx связана с Ex, Uxy
c Ey). Случай E11 отвечает квазипоперечным волнам, идущим вдоль оси Х,
Z, а также квази-волнам по У. Квазипродольная волна вдоль оси Z вообще не
^ E s-i D
связана с полем, поэтому С33 = C33 .
В более сложных случаях действующие модули упругости не сводятся
ни к модулям при постоянной индукции, ни к модулям при постоянном поле.
В
качестве
примера
можно
привести
квазипоперечную
волну,
распространяющуюся в произвольном направлении в плоскости (100) кварца.
Скорость звука такой волны определяется
Анализ выражений (2.28) и (2.18) показывает, что пьезопоправку нельзя
включить в модули СЕ, получив при этом модули С. Для двух других волн,
распространяющихся в этом же направлении, скорости по-прежнему
определяются модулями при постоянном поле:
так как Q22 , Q33 и Q23 оказываются не связанными с пьезопоправками.
В кварце численные значения пьезопоправок невелики - порядка
процента. Однако у широко применяемых титаната бария, сегнетовой соли и
ряда других материалов они весьма значительны и должны учитываться в
расчетах
Следует отметить, что полученные формулы (2.22^2.29), могут быть
использованы для определения не только модулей упругости, но и
пьезоэлектрических постоянных по измеренным значениям скоростей
упругих волн.
2.3. Физические основы метода акустополяризационных измерений
2.3.1. Виды поляризации упругих колебаний
В анизотропных средах в одном направлении, как правило,
наблюдается распространение трех изонормальных объемных волн. Одна из
них, имеющая наибольшую скорость распространения, является
квазипродольной, две другие квазипоперечные.
Квазипоперечные волны, как и поперечные, характеризуются наличием
поляризации, то есть формой и направленностью смещения частиц среды в
пространстве. Определенные формы траектории связаны с типом
поляризации. Наиболее часто наблюдается линейная поляризация. Но в
результате взаимодействия разных типов волн существует эллиптическая
поляризация (рис.2.1). При этом типе поляризации траектория движения
частиц среды представляет собой эллипс. Величина и направленность
вектора, описывающего движение среды в волне, выражается уравнением:
где a,b - большая и малая оси эллипса, соответственно;
w - круговая частота колебаний;
t - время.
Движение вектора может
траектории огибающей. В этом
циркулярной.
совершаться слева-верх-направо по
случае поляризация является право-
Если вектор движется справо-верх-налево, поляризация называется левоциркулярной. Эллиптическая поляризация описывается параметром
Рис.2.1. Параметры
левоциркулярной волны сдвиговых колебаний.
эллиптической
Эллиптическая поляризация, как более общий тип, может переходить в
линейную и круговую. В первом случае Кэ = 0, b = 0, а угол а, определяющий
направленность смещения среды в волне, может принимать любые значения.
В случае круговой поляризации a = b, параметр эллиптичности Кэ = 1, угол
а теряет смысл.
2.3.2. Распространение упругих колебаний в поперечно-изотропной среде
Как было показано выше, распространение упругих колебаний в
анизотропных средах в общем виде описывается уравнением (2.8) ГринаКристоффеля.
Для относительно простой, но практически широко представленной
поперечно-изотропной среды компоненты Qim (2.9) примут значения [53].
(2.30)
Эти значения Qim могут быть подставлены в уравнение (2.8) и тем
самым получено полное уравнение Грина-Кристоффеля для поперечноизотропной среды. Собственные значения тензора Кристоффеля определят
три независимых решения - три величины скорости распространения
упругих колебаний в одном направлении.
Самыми простыми решениями волновых уравнений (без учета
поглощения, для гармонических стационарных колебаний) являются
выражения [33]:
где х - расстояние; ф0 - начальный фазовый сдвиг.
Будем считать, что в образец, изготовленный из поперечно-изотропной
среды, колебания передаются от излучателя линейно-поляризованных
стационарных гармонических квазипоперечных колебаний (рис.2.2). В этом
случае возмущения, возникающие в образце, будут описывается
суперпозицией
амплитуд As1 и
As2.
Вид
поляризации
суммарной
квазипоперечной волны будет зависеть от положения вектора А по
отношению к элементам симметрии среды и пути распространения волны х.
Если вектор А будет совпадать с направлением [010], то фаза волны вдоль
этого направления будет описываться выражением:
Рис.2.2.
Схема
регистрации
анизотропный
образец
при
поляризации (ОВП) излучателя и приемника колебаний.
квазисдвиговой
произвольн
За счет разности фаз 8 вдоль пути распространения будет наблюдаться
смена вида поляризации суммарной квазипоперечной волны. Если задать
вектору А (рис.2.2) угол в = 450 , 1350, то при разности фаз 0<8<п/2
поляризация волны перейдет из линейной в эллиптическую правую, с
ориентацией большой оси эллипса, совпадающей с ориентацией вектора
поляризации (ОВП) при величине 8 = 0. Когда разность фаз достигнет
значения 8=п/2, будет наблюдаться круговая правая поляризация.
При разности фаз п/2 < 8 < п поляризация снова станет эллиптической.
Однако теперь большая ось эллипса будет повернута на угол 900 по
сравнению с ОВП при 8 = 0. Далее, при 8 = п поляризация станет линейной,
причем ориентация вектора поляризации также составит угол 900 по
отношению к ОВП при 8 = 0.
Рис.2.3. Смена
вида
сдвиговых колебаний в анизотропном образце.
поляризации
пр
В пределах разности фаз п < 8 < 2п наблюдается переход к левому
вращению вектора поляризации. Вид и параметры поляризации одинаковы
для 8 = 5п/4 и 8 = 3п/4 (эллиптическая), для 8 = 7п/4 и 8 = п/4 (эллиптическая),
для 8 = 3п/2 и 8 = п/2 (круговая). Вид поляризации, направление вращения и
ориентировка вектора поляризации не дают возможности отличить
анизотропный образец от изотропного, что следует из рис.2.3,.
Рассмотрим процесс распространения квазипоперечной волны в
анизотропном образце при произвольной ОВП излучателя и приемника
колебаний (рис.2.2). Колебания возбуждаются и принимаются линейнополяризованным
преобразователем.
Вектор
поляризации
излучателя
составляет угол в с осью [010] образца, амплитуда вектора равна Аи.
Ориентация вектора поляризации приемника колебаний составляет угол у с
осью [010], амплитуда сигнала на входе приемника равна Аи. Выполнив
разложение вектора поляризации А излучателя по осям [010] и [100], а на
расстояние х сложение проекций на направление В, получим, что без учета
затухания колебаний в материале образца их амплитуда Ар , регистрируемая
приемником, будет равна:
Проследим
изменение
амплитуды Ар при
направления [001]
. Если
ориентация
векторов
совпадает,
то
есть
векторы
поляризации
параллельны (положение ВП), то из (2.33) получим:
Если векторы поляризации излучателя и приемника направлены под прямым
углом, скрещены (положение ВС), то из (2.33) получим:
Как следует из уравнений (2.34) , (2.35) амплитуды АВП и АВС зависят
от длины образца х, угла поворота В относительно оси [100] и текущей фазы
колебаний Wt. В общем случае при В Ф 0 колебания получают фазовый сдвиг.
Величина фазового сдвига зависит от угла В и величины разности фаз Ь.
Решая уравнения (2.34) и (2.35) при АВП = 0, АВС = 0 найдены значения
этого фазового сдвига для положения ВП (wtn0) и для ВС (wtc0) [33].
Так как АВП = 0, то можно найти выражение для wtn0 (рис. 2.4).
Уравнения (2.34) и (2.35) описывают мгновенные значения амплитуд
гармонических колебаний в момент времени t. Регистрация амплитуд АВП и
АВС, особенно на высоких частотах, возможна при помощи измерительной
аппаратуры как высокого разрешения по времени, так и по величине сигнала.
Более удобно наблюдать изменение максимальных амплитуд (огибающих) в
процессе поворота анизотропного образца при параллельных (АВПМ) и
скрещенных (АВСМ) векторах поляризации преобразователей (рис.2.5).
Как следует из работы [52] , значения АВПМ , АВСМ зависят от величины
угла поворота в и разности фазы 5. Уравнение изменения максимальных
амплитуд стационарных гармонических колебаний от величины в и 5 при
параллельных векторах поляризации преобразователей имеет вид:
Рис.2.4.
Зависимость
величины
поворота
образца
в
и
величины
излучателя
и
приемника.
Расчет
помощью математического пакета Mathcad.
фазового
разности
зависимости
На рис.2.5 с шагом 8 = п/4 приведены конфигурации огибающих АВП и АВС,
наблюдаемые при разности фазы в пределах 0-2п .
2.3.3. Особенности акустополяриграмм изотропных и анизотропных образцов
Согласно рис.2.5, независимо от угла поворота изотропного образца (8 = 0) при
положении ВП линейно-поляризованных преобразователей квазипоперечных
колебаний будет регистрироваться одна и та же амплитуда огибающей,
равная АВПМ. При положении ВС в аналогичных условиях амплитуда
Рис.2.5.
параллельных
Изменение
(сплошная
максимальных
линия)
а
и
поляризации
преобразователей
образца в и разности фаз 8.
в
зависимост
АВСМ = 0.
Конфигурация огибающих АВПМ и АВСМ , полученная при вращении
анизотропных образцов, в значительной степени зависит от величины
разности фаз. Например, в положении ВП конфигурация АВПМ постепенно
изменяет
форму
от
круга (8 =
0,
2п, 4п ...)
к
симметричной
четырехлепестковой
фигуре (8). Причем
независимо
от
величины 8
наибольшие амплитуды АВПМ наблюдаются при совпадении ориентации осей
[010] и [100] с ОВП излучателя и приемника. При этой ориентации величина
АВПМ (без учета затухания) не зависит от разности фаз 8. Минимумы
амплитуд АВПМ будут зарегистрированы при углах поворота в=45° ± пп/2,
АВПМ = 0 и разности фаз 8 = пп, где п=1,3,5...
Конфигурация огибающих АВСМ (рис.2.5) при вращении анизотропного
образца между преобразователями в положении ВС представляет собой,
независимо от разности фаз 8, симметричную четырехлепестковую фигуру,
описываемую функцией Ам sin2р. В зависимости от величины в изменяется
лишь максимум АВСМ, наблюдаемый при углах поворота pm = 45°± пп/2.
Наибольшее
значения АВСМ (P=Pm
будет
зарегистрировано
при
8 = п, 3п, 5п ...(2п-1)п. Причем
достигаемое
значение АВСМ равно АВПМ при
8=0. По значению АВСМ можно вычислить разность фаз 8 по формуле:
где п=0,1,2,3...
Независимо
от
величины 8 максимумы АВСМ наблюдаются
при
ориентации осей [010] , [100], совпадающей с ОВП излучателя или
приемника колебаний. Таким образом, прямые, проведенные через
минимумы угловой зависимости амплитуды принятой волны при
скрещенной ориентации векторов поляризации излучателя и приемника АВСМ,
всегда укажут пространственное положение осей или плоскостей симметрии
анизотропной среды, из которой изготовлен образец.
2.4. Эффект линейной акустической анизотропии поглощения
Эффект линейной акустической анизотропии поглощения (ЭЛААП)
аналогичен явлению, сопровождающему прохождению света через
прозрачные среды и называемого дихроизмом [33]. ЭЛААП состоит в
различном поглощении пучка лучей квазипоперечных колебаний при
повороте его вектора поляризации относительно структурных элементов
среды. Среда, в которой проявляется ЭЛААП или акустический дихроизм,
действует на проходящий пучок квазипоперечных лучей как линейный
поляризатор. В кристаллических горных породах ЭЛААП регистрируется
довольно часто. Причем направление "наибольшего" и "наименьшего"
пропускания колебаний в горных породах, как правило, связано с
ориентировкой линейных, вытянутых вдоль одного направления кристаллов.
Явление акустического дихроизма накладывается на проявляющиеся при
измерениях
поляризационные
эффекты.
Воздействие
ЭЛААП
на
поляризационные эффекты мало изучено. Поэтому рассмотрим совместное
воздействие акустического дихроизма и анизотропии среды на теоретические
акустополяриграммы образца при разности фаз
8 в нем 0.
Представим, что среда, из которой изготовлен анализируемый образец,
изотропна и идеально проявляет ЭЛААП. Такой образец действует как
линейный поляризатор и полностью поглощает квазипоперечные колебания
при их векторе поляризации, направленном перпендикулярно направлению
наибольшего "пропускания" (НП). Тогда из уравнения (2.34) для амплитуды
принимаемых колебаний при параллельных векторах поляризации
излучателя и приемника колебаний (положение ВП) получим:
где Аи - амплитуда колебаний, излучаемых излучателем; Ап - величина
наибольшей чувствительности приемника; Анп - коэффициент
пропускания анализатора в направлении НП; j - угол между направлением
векторов поляризации преобразователей направлением НП; ю - круговая
частота колебаний; х - длина образца; ф0 - начальный фазовый сдвиг.
В уравнении [2.39] учтено, что 8 = 2 п x (1/А,1 - 1/А,2) = 0
При скрещенных векторах поляризации (ВС) из уравнения (2.33) по-
Рис. 2.6. Круговые диаграммы изменения амплитуды сдвиговых
колебаний, прошедших изотропную среду при разной степени
проявления эффекта линейной акустической анизотропии поглощения.
1 - Д=1.0; 2 - Д=0.5; 3 - Д=0.25; 4 - Д=0.
лучим АВС = 0 при любых углах поворота образца, так как при 5 = 0, А,1=А,2.
На рис.2.6 приведены теоретические акустополяриграммы образцов
при разности фазы 5 = 0, 2п, 4п ... и разной степени дихроизма.
Как видно из сравнения рис.2.5 (при 5 = 0) и 2.6, влияние акустического
дихроизма проявляется в возникновении минимума АВПМ = 0 при j= 90°+ nn.
Если среда проявляет несовершенный дихроизм, то множитель (Адсоб^
следует изменить на (Ад cos j + Адс ). Тогда при совпадении ОВП с
направлением наибольшего "пропускания" амплитуда колебаний будет равна
Анп=Адп+Адс , а при ОВП, перпендикулярной НП, Анс=Адс. В этом случае
степень акустического дихроизма можно выразить следующим показателем
[54]
Согласно уравнению (2.40) , среда, проявляющая совершенный
дихроизм, имеет степень, равную 1, при отсутствии дихроизма Д=0.
Помимо упругой анизотропии и эффекта линейной акустической
анизотропии поглощения на форму акустополяриграмм могут оказать
влияние и иные эффекты. Один из них - распространение пучка лучей
квазипоперечных колебаний под углом к нормали, проведенной к свободной
поверхности, через которую в среду передаются колебания. При наличии
такого
эффекта
максимальная
амплитуда
прошедших
колебаний
регистрируется в образце с плоскопараллельными торцами при смещении
оси
одного
преобразователя
относительно
другого.
На
форму
акустополяриграмм этот эффект оказывает влияние, сходное ЭЛААП. Как
правило, эффект отклонения пучка колебаний от нормали наблюдается при
направлении прозвучивания, не совпадающем с направленностью элементов
симметрии в сильно анизотропных средах. Его можно, например, наблюдать
в кристаллах микроклина [35]. Метод акустополяризационных измерений
позволяет наблюдать также и другие эффекты [54].
Эффект линейной акустической анизотропии поглощения возникает в
средах при взаимодействии линейно-поляризованных квазипоперечных
колебаний
с
ориентированными
вдоль
линий
или
плоскостей
неоднородностями.
Это
могут
быть
ориентированные
трещины,
заполненные, например жидкостью, или не заполенные. Заполнение трещин,
например жидкими углеводородами может существенно увеличить
показатель ЭЛААП.
Акустополяриграммы
образцов
среды,
проявляющей
ЭЛААП,
позволяют
определить
направления
наибольшего
и
наименьшего
"пропускания" квазипоперечных колебаний, а также показатель степени
проявления ЭЛААП.
Влияние ЭЛААП проявляется наиболее значимо в изменения
конфигурации акустополяриграмм, полученных в положении ВП излучателя
и приемника. При отсутствии разности фазы 5 и совершенном дихроизме
акустополяриграмма ВП представляет собой функцию АД cosj. По мере
увеличения разности фаз в пределах 0-п акустополяриграмма ВП
анизотропного образца становится более вытянутой, на ней проявляются
дополнительные минимумы [33].
Эффект линейной анизотропии поглощения приводит лишь к
некоторому искажению конфигурации акустополяриграмм, полученных в
положении ВС [33].
3. АППАРАТУРА ДЛЯ АКУСТОПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
3.1. Требования к приборам и материалам акустополярископии
Как выше отмечено, при акустополяризационных измерениях
необходимо определять амплитуду и время прошедших через образец
ультразвуковых колебаний. В настоящее время приборы, специально
предназначенные для такого рода измерений, промышленностью не
выпускаются. Для проведения измерений можно применять серийно
изготовляемые импульсные ультразвуковые приборы типа УС-12ИМ, УЗИ13, УД2-12 и другие, с осциллографической - на электронно-лучевой трубке
(ЭЛТ) и цифровой индикацией, частотой повторения зондирующих
импульсов выше 25 Гц, коэффициентом усиления не менее 80 дБ, при его
ступенчатой регулировке через 1 дБ в пределах от 0 до 60 дБ. Полоса
пропускания прибора находится в пределах 0.2-10.0 МГц. Точность
определения времени пробега импульса УЗК должна составлять не менее
0.1*10-6 с, а длительность развертки - в пределах (100-200)* 10-6 с на экран
[33].
Указанной точности определения времени позволяет достичь схема,
предусматривающая подключение частотомера (Ч3-33, Ч3-34, Ч3-36, Ч3-47А,
Ч3-64 и др.), используемого в режиме счета времени, к ультразвуковым
дефектоскопам. При этом, импульс от генератора импульсов прибора
подается на вход частотомера и запускает начало отсчета времени, а импульс
с приемника УЗК, усиленный усилителем прибора (или строб-импульс),
употребляют
Рис.3.1.
Схема
качестве хронометра, к прибору УД2-12.
подключения
для остановки счета частотомером. На рис.3.1 приведена конкретная схема
подключения частотомера Ч3-33 к прибору УД2-12. Точность отсчета
времени прохождения УЗК через образец может быть повышена до +0.01
мкс.
Для акустополяризационных измерений и измерения скорости
распространения
поперечных
УЗК
необходимы
преобразователи,
излучающие интенсивные, линейно-поляризованные чисто поперечные
колебания.
В
наибольшей
степени
этим
требованиям
отвечают
преобразователи, конструкция которых рассматривается ниже (рис.4.11).
Основная
частота
колебаний
преобразователей
определяется
собственной частотой пъезопластины и может составлять f0 = 0.2-10.0 МГц.
Для измерений необходимо иметь пару преобразователей поперечных
колебаний, как показали расчеты, с собственной частотой 0.6 МГц. На
част
корпусе преобразователей должна находиться
ориентации вектора поляризации (ОВП).
отметка
направления
Как известно, для эффективной передачи квазипродольных колебаний от
преобразователей к образцу пригодны вода, минеральные смазки, глицерин.
При необходимости проведения измерений на большом числе образцов на
контактные площадки преобразователей наклеиваются пластины из
вакуумной резины толщиной 3-5 мм, которые служат контактной средой.
Аналогичной контактной средой может быть полиуретан. При использовании
жидкостного контактного слоя передача поперечных волн связана с
определенными трудностями.
В соответствии с физическим смыслом, жидкости, т.е. среды, которые
занимают форму того сосуда, куда они помещены, не обладают сдвиговой
упругостью и не могут проводить поперечные колебания. Пользоваться
способом приклейки преобразователей к образцу твердеющими клеями очень
трудоемко [58]. В результате серии опытов было установлено [33], что более
других подходят жидкости со свойствами полимеров, обладающие низкой
сдвиговой упругостью на низких частотах воздействия и высокой сдвиговой
упругостью на частотах УЗК. К средам с необходимыми свойствами
относятся, например, неотвержденные эпоксидные смолы. Однако
эпоксидные смолы токсичны, с трудом удаляются с образца при помощи
агрессивных жидкостей, таких как ацетон.
Для передачи поперечных колебаний в качестве контактной среды
может использоваться высоковязкий раствор не кристаллизирующихся
полисахаридов [33]. Такой раствор можно приготовить, например, из
искусственного меда. Путем выпаривания кипячением раствор доводится до
высокой вязкости. Вязкость раствора проверяют при комнатной температуре.
Раствор, набранный на какой-либо стержень, не должен с него стекать.
Приготовленная таким образом контактная среда эффективно проводит
поперечные колебания при частотах 0.5 МГц и ниже, допускает вращение
преобразователей относительно образца со скоростью около 1 об/минуту,
легко удаляется водой.
3.2. Общая схема аппаратуры для исследования упругих характеристик
горных пород акустополяризационным методом
Для определения упругих характеристик горных пород используется
схема (рис.3.2), состоящая из следующих устройств:
• Акустополярископ (устройство, служащее для определения элементов
упругой
симметрии
анизотропных
сред).
Включает
в
себя:
акустическую систему; платформу с градуировочной шкалой, на
которую устанавливается образец; устройство для изменения угла
между
векторами
поляризации
излучающего
и
приемного
преобразователями;
• Дефектоскоп (устройство, служащее для генерации
импульсов, прошедших через исследуемый образец);
и
регистрации
• Совмещенный ультразвуковой измеритель скорости;
• Переключатель вида работ (устройство, служащее дли переключения
типа ультразвуковой волны);
Рис.3.2. Схема установки для определения упругих характеристик горных
пород акустополяризационным методом.
При помощи схемы на рис.3.2, исследование упругих характеристик
анизотропных сред с априорно неизвестной направленностью элементов
симметрии осуществляется в шесть этапов:
1. Определение изменения амплитуды проходящих импульсов через
образец, при вращении его относительно оси преобразователей, на угол
от 0 до 3600. Регистрация изменения амплитуды осуществляется через
каждые 100. Показания результатов записываются в журнал.
2. По
специальной
методике
обработки
результатов
акустополяризационных
измерений
осуществляется
построение
акустополяриграмм, по которым определяются проекции элементов
симметрии исследуемой среды [61].
3. Предварительное определение скоростей прохождения ультразвуковых
волн, согласно выявленной пространственной ориентации элементов
симметрии исследуемой среды.
• Электронно-счетный частотомер.
4. Согласно найденным проекциям элементов симметрии производят
дополнительную обработку образца, так чтобы грани образца были
параллельны и перпендикулярны, выявленным элементам симметрии.
5. Далее стандартными ультразвуковыми методами определяют значения
скоростей
прохождения
трех
ультразвуковых
волн
(одна
квазипродольная, две - квазипоперечные) через образец. По каждому
направлению строятся матрицы скоростей.
6. По
матрицам
скоростей
определяются
(модуль упругости, модуль сдвига, оценка
коэффициент анизотропии и др.)
упругие
ЭЛААП,
характеристики
модуль Юнга,
Более подробно выполнение всех пунктов описано в книге Ф.Ф.Горбацевича
«Акустополярископия горных пород» [33].
Вышеупомянутая схема позволяет осуществлять фиксацию изменения
амплитуды, проходящего сигнала через исследуемую среду, с погрешностью
±10. При этом поворот платформы акустополярископа [33], на которой
установлен образец осуществляется вручную. По методике проведения
измерения необходимо осуществлять два раза для каждой грани образца, на
что необходимо времени приблизительно 20^25 минут, в зависимости от
состояния утомления оператора, проводящего исследование. Результаты при
этом записываются в журнал.
Обработка результатов изменения амплитуды сигнала осуществляется
по специальной методике [54]. Так как методика обработки результатов
достаточно трудоемка, то существует возможность использования
программного обеспечения, написанного на языке программирования Basic.
При этом результаты исследования переносятся из журнала в ЭВМ, путем
добавления их в файл данных. Погрешность обработки результатов при
помощи существующего программного обеспечения составляет порядка
=4^6° [60].
Схема на рис.3.2 предполагает наличия двух акустических систем.
Одна акустическая система включена в состав акустополярископа, а вторая
необходима для измерения скорости распространения ультразвуковых волн
через образец. Необходимость второй акустической системы обусловлено
тем, что она предполагает наличия двух совмещенных преобразователей
(излучатель и приемник), которые при различном положении переключателя
вида работ могут излучать либо продольную, либо поперечную волну. В
следствии этого образец необходимо устанавливать и притирать между
преобразователями два раза.
Исходя из вышеперечисленных соображений можно предположить что
возможно создать комплекс, который смог бы и увеличить точность
результатов измерений, но и также смог бы уменьшить влияние
человеческого фактора, роль которого, для схемы на рис.3.2, составляет для
каждого образца примерно 3 часа 40 мин. Это время определенно без учета
пунктов 5 и 6 (см. выше). Примером подобной схемы может быть схема,
предложенная на рис. 3.3.
Основным отличием схемы, показанной на рис.3.3 от схемы на рис.3.2,
является наличие акустической системы, которая включает два двумодовых
преобразователя (см. п.4.3.2), что позволяет использовать одну акустическую
систему.
Схема на рис.3.3 предполагает наличия следующих элементов:
1. УЗИС
ГЭТУ
(ультразвуковой
Рассматривается в подразделе 3.4;
измеритель
скорости
звука).
2. Дефектоскоп (стандартный прибор типа УД2-12 или УЗИ-13);
3. Акустополярископ
с
автоматизированным
приводом
платформы
(акустический
прибор,
при
помощи
определяется
пространственная
ориентация
элементов
исследуемой среды). Рассматривается в подразделе 3.3;
4. Контроллер
(используется
акустополяризационных
измерений
Рассматривается в подразделе 3.5.
поворотной
которого
симметрии
для
ввода-вывода
в
параллельный
порт
данных
ЭВМ).
5. Компьютер
(используется
для
ввода
результатов
через
параллельный порт ввода-вывода и обработки их при помощи
нового
программного
обеспечения.
Рассматривается
в
подразделе
5.5.
Рис.3.3. Схема
определения
методом.
автоматизированного
упругих
характеристик
программно-ап
горных
3.3. Конструкция акустополярископа с автоматизированным приводом
поворотной платформы
Особенности проведения акустополяризационных измерений требуют
особо тщательного контроля положения образца по отношению к
направлению вектора поляризации преобразователей поперечных волн.
Стандартная аппаратура не обеспечивает точной установки и контроля
величины этого параметра. Поэтому в работе было уделено особое внимание
акустической системы. Для фиксации образцов относительно акустических
датчиков, обеспечения возможности точных и плавных поворотов образцов и
для контроля величины этих поворотов была разработана специальная
конструкция акустической системы акустополярископа. Сразу стоит
отметить, что новая конструкция акустополярископа, также как и все
предыдущие конструкции, разрабатывалась, проектировалась и собиралась в
лаборатории глубинной геологии и геодинамики Геологического Института
Кольского Научного Центра Российской Академии Наук.
Акустополярископ
относится
к
ультразвуковым
средствам
неразрушающего контроля. Он может быть использован при определении
свойств упругости изотропных или анизотропных сред, например, горных
пород, бетонов, пластмасс, керамики, дерева и др. Таким образом,
акустополярископ может быть использован в геологии и геофизике, в горной,
строительной и др. отраслях промышленности.
Известно
устройство
для
измерения
скорости
распространения
ультразвуковых колебаний и акустополяризационных характеристик горных
пород [61], которое содержит основание, укрепленную на нем стойку, а на
стойке - кронштейн. Через втулку кронштейна проходит подвижной шток.
На верхнем конце штока имеется грузовая площадка. На нижнем конце
штока находится гнездо, в котором закреплен верхний ультразвуковой
преобразователь. Соосно с ним в гнезде расположенном на основании,
закреплен
второй,
нижний
ультразвуковой
преобразователь.
Для
синхронного поворота верхнего и нижнего преобразователя относительно
образца имеется подвижная рукоять. Образец закрепляется неподвижно
относительно основания и между преобразователями при помощи держателя
образца. В свою очередь держатель образца закрепляется зажимом на стойке.
Поворотная рукоять имеет указатель, а на основании закреплена
градуированная в градусах круговая шкала - для отсчета угла поворота
преобразователей относительно образца. В описанной конструкции имеется
механизм, позволяющий приводить в контакт преобразователи и образец.
Имеется держатель образца и конструкция, обеспечивающая синхронный
поворот преобразователей относительно образца. Однако наличие держателя
образца на пути движения подвижной рукояти образует некоторую мертвую
зону. Для проведения измерений в пределах мертвой зоны приходится
переустанавливать держатель образца, что снижает производительность и
точность измерений.
Также известен акустополярископ для измерения упругости образцов
твердых пород (авторское свидетельство № 1281993, кл. G 01 N 29/04, 1987),
содержащий основание, с закрепленной на нем опорой на которой
установлены прижимной механизм, дополнительная платформа, также
закреплен неподвижно кронштейн поворотной платформы; и две обоймы
ультразвуковых преобразователей, одна из которых закреплена на основании,
а вторая на дополнительной платформе [62]. Опора выполнена по
двухстоечной схеме: одни концы стоек закреплены на основании, а вторые
соединены между собой траверсой. Дополнительная платформа выполнена с
возможностью перемещения вдоль стоек опоры. Поворотная платформа
оснащена держателем образца, на ней нанесена шкала отсчета углов, которые
определяются посредством указателя закрепленного на опоре. На
дополнительной опоре закреплен пружинный механизм, состоящий из
основания, закрепленного на дополнительной платформе, в котором
размещена пружина, и на наружной поверхности которого нанесена
градуировка для контроля сжатия пружины; и крышки свободно
перемещающейся вдоль оси основания при этом торец стенки крышки
служит указателем сжатия пружины. Крышка соединена с винтовым штоком,
который имеет возможность перемещения относительно траверсы
посредством закрепленной на ней втулки с резьбой, охватывающей винтовой
шток. Обоймы ультразвуковых преобразователей снабжены двумя
стаканами: одни неподвижно закреплены на основании и дополнительной
платформе, а вторые с возможностью поворота в первых посредством
штифтов, закрепленных на подвижных стаканах и размещенных в
соответствующих пазах неподвижных стаканов.
Однако в известном устройстве поворот платформы с закрепленным на
ней образцом производится вручную и угол поворота контролируется по
риске на указателе, что снижает точность задаваемого угла поворота и
требует много времени на поворот платформы на заданный угол и в целом на
серию измерений. Кроме того, при двухстоечной опоре создается ряд
неудобств при эксплуатации акустополярископа: штифты поворота
ультразвуковых преобразователей в крайних положениях располагаются
близко к стойкам, в определенных положениях поворотной платформы
затруднен доступ к держателям образца и сам поворот платформы неудобен
при наличии стоек опоры.
Вследствие этого возникло предложение о создании новой конструкции
акустополярископа (рис.3.4) [63]. Цель создания новой конструкции состоит
в повышении производительности при измерении упругих свойств горных
пород и других твердых материалов.
Поставленная цель достигается тем, что поворотная платформа 3
оснащена приводом, одним из вариантов которого в предполагаемой
конструк- ции рассматривается червячный редуктор 6, червячное колесо 16
которого закреплено на поворотной платформе 3, а червяк 18 установлен с
возможностью
вращения
в
опорах
червячного
редуктора
19,
закрепленных на основании 1. Применение червячного редуктора 6 снижает
усилие при повороте поворотной платформы 3 и благодаря большому
передаточному числу позволяет более точно фиксировать угол поворота
платформы при помощи указателя углов поворота 21 и тем самым
уменьшить время на поворот ее. При соединении червяка 6 с
электроприводом 7 обеспечивается возможность дистанционного управления
поворотом платформы 3 и дополнительного снижения времени на поворот
платформы с образцом и тем самым повысить производительность при
измерении упругих свойств твердых материалов. Применение червячного
редуктора 6, обуславливает необходимость выхода обода поворотной
платформы за пределы кронштейна на котором она установлена (в случае
конструкции с поворотной платформой), кроме того, установка червячного
редуктора усугубляет вышеизложенные неудобства. Поэтому целесообразно
опоры поворотной платформы и прижимного механизма 5
Ри
с.3.4.
Конструкция
акустополярископа
приводом поворотной платформы.
с
автоматизированным
1 - основание акустополярископа; 2 - опора основания; 3 - поворотная
платформа; 4 - опора; 5 - прижимной механизм; 6 - червячный редуктор;
7 - электродвигатель;. 8 - стойки опоры; 9 - дополнительная платформа;
10 - консоль; 11 - обойма преобразователя; 12 - ультразвуковой
преобразователь; 13 - обойма преобразователя; 14 - ультразвуковой
преобразователь; 15 - держатели образца; 16 - червячное колесо; 17 шкала угловых размеров; 18 - червяк; 19 - опоры червячного редуктора;
20 - зубчатое зацепление; 21 - указатель углов поворота.
Рис.3.5. Конструкция
поворотной
рис.3.4).
3
- поворотная
стойки опоры; 23 - кольцо.
опоры
платформы 3 (см.
платформа; 22
-
Рис.3.6. Конструкция
прижимного
механизма 5 (см.
рис.3.4)
.
4
- опора; 9
- дополнительная
платформа; 24
- основание; 25
пружина; 26
- крышка; 27
- шток;
28
- резьбовая
втулка; 29
траверса; 30 - фиксатор.
Рис.3.7. Конструкция
ультразвукового
(см. рис.3.4)
обоймы
преобразователя 11
12,14 - ультразвуковые
преобразователи; 31
стаканы; 32
- подвижные
33
- ручка - фиксатор; 34
метка
у
верхнего
УЗП; 36
нижнего УЗП.
- неподвижные
стаканы;
- паз; 35
- метка
у
выполнить раздельно. С целью сохранения достаточной устойчивости опора
поворотной платформы выполнена трехстоячной (рис.3.5), одни концы стоек
22 закреплены на основании 1 (рис.3.4), а вторые соединены кольцом 23
(рис.3.5), на которое с возможностью скольжения установлена охватывающая
его поворотная платформа 3. Такая конструкция поворотной платформы
обеспечивает свободный доступ ко всем механизмам: штифтам поворота
ультразвуковых преобразователей, к держателям образца 15 (рис.3.4), к
указателю угла поворота 21 и червячному редуктору 6.
Создание удобств при обслуживании акустополярископа обуславливает
вынос за пределы поворотной платформы 3 прижимного механизма 5,
который установлен на двухстоечной опоре 8, а дополнительная платформа 9
имеет консоль 10 для крепления обоймы 11 верхнего ультразвукового
преобразователя 12. Наличие консоли 10 на дополнительной платформе 9
позволяет выставить верхний ультразвуковой преобразователь 12 на ось
вращения образца и совместить с осью нижнего ультразвукового
преобразователя 14.
На рис.3.6 показана конструкция прижимного механизма. Механизм
состоит из основания 24, закрепленного на дополнительной платформе 9,
пружины 25, крышки 26, соединенной со штоком 27, имеющем возможность
перемещения относительно резьбовой втулки 28, закрепленной на траверсе
29 опоры 4 и фиксатора 30. Основание 24 оснащено шкалой для измерения
величины сжатия пружины (величины прилагаемого усилия).
Ультразвуковые преобразователи устанавливаются в обоймы (рис.3.7),
которые состоят из неподвижных стаканов 31, закрепленных к основанию
(на консоли 10 дополнительной платформы на рис.3.4) и подвижных, с
возможностью вращения, стаканов 32. В стаканах 32 закрепляются
ультразвуковые преобразователи 12, 14 и ручка - фиксатор 33, проходящий
через паз 34 неподвижного стакана 31 для осуществления поворота
ультразвукового преобразователя совместно со стаканом 32 на угол 900 На
внешней стороне неподвижных стаканов 31 у паза 34 нанесены метка 35 у
верхнего и метка 36 у нижнего ультразвуковых преобразователей,
отмечающих положение вектора поляризации.
Акустополярископ для измерения упругой
твердых материалов работает следующим образом.
анизотропии
образцов
Перед проведением измерений на рабочие поверхности верхнего 12 и
нижнего 14 ультразвуковых преобразователей наносят слой контактной
среды. Затем нижний преобразователь 14 ручкой - фиксатором 33
устанавливается в крайнее, например, правое положение и фиксируется в
этом положении той же ручкой 33. Фиксатором 33 освобождают верхний
преобразователь 12, совмещают метку 35 ВП с меткой 36 ВП и с помощью
того же фиксатора 33 осуществляют закрепление верхнего преобразователя
12 в этом положении. Фиксатором 30 освобождают резьбовую втулку 28 и
выводят ее из взаимодействия со штоком 27, после чего перемещением вверх
штока 27 совместно с дополнительной платформой 9 и обоймой 11, подают
верхний преобразователь 12 вверх на расстояние, большее, чем высота
контролируемого образца. На второй преобразователь 14 по центру
центрального
отверстия
поворотной
платформы
3
устанавливают
контролируемый образец и закрепляют его держателями 15. Освобождают
фиксатор 30, выводят откидную часть втулки 28 и взаимодействия со штоком
27, после чего шток 27 совместно с дополнительной платформой 9, обоймой
11 и верхним преобразователем 12 подают вниз до контакта преобразователя
12 с образцом. При этом не происходит взаимного нарушения положения
меток ВП 33 и 34. Вводят откидную часть втулки 28 во взаимодействие со
штоком 27 и фиксируют ее фиксатором 30, после чего вращая шток 27 с
помощью прижимного механизма 5 устанавливают необходимую нагрузку на
контактные поверхности преобразователей 12, 14 и образца. Силу сжатия
пружины 25 прижимного механизма контролируют при помощи шкалы на
основании 24.
Первый поворот образца выполняют
установления слоя контактной среды.
без
снятия
измерений
для
Первый цикл измерений выполняют при так называемых параллельных
векторах поляризации излучателя и приемника [64]. При повороте
платформы 3, отсчитывают показания круговой шкалы 17 относительно
указателя углов 21 и наблюдают за амплитудой проходящий сдвиговых
колебаний по ультразвуковому прибору. Измерения выполняют в пределах
угла поворота поворотной платформы 3, равного 3600. Затем освобождают
ручку - фиксатор 33 в обойме 12 нижнего ультразвукового преобразователя
14, переводят ручку - фиксатор до упора на право и закрепляют ее,
осуществляя тем самым поворот второго ультразвукового преобразователя
точно на 900.
Аналогично выполняют второй цикл измерения
векторах поляризации излучателя и приемника.
при
скрещенных
После завершения испытаний освобождают фиксатор 30, выводят откидную
часть втулки 28 из взаимодействия со штоком 27, после чего перемещением
вверх штока 27 совместно с дополнительной платформой 9 и обоймой 11
подают верхний преобразователь 12 вверх, держателями 15 образца,
освобождают контролируемый образец.
В заключение стоит добавить, что предлагаемое устройство повышает
производительность и точность измерения степени упругой анизотропии
образцов твердых материалов. По сравнению с прототипом, она
увеличивается за счет устранения операций, связанных с тем, что при
измерениях образец укрепленный на поворотной платформе поворачивается
дискретно оператором с шагом 1-5, 10 градусов относительно указателя
закрепленного на дополнительном кронштейне. При этом оператором не
может быть выдержан точно шаг угла поворота поворотной платформы
относительно указателя, что снижает точность измерения амплитуды
проходящих колебаний, проходящих через образец в соответствующих
точках отсчета. Оператор также не может осуществлять равномерное
вращение поворотной платформы, что также снижает точность измерений.
Неравномерное движение от одной точки снятия показаний к другой могут
приводить к срыву акустического контакта между ультразвуковыми
преобразователями и образцом. Кроме того, трудоемкость измерений с
шагом 1 градус чрезвычайно велика. Например, для проведения полного
цикла измерений при параллельных и скрещенных векторах поляризации
необходимо зафиксировать, обработать и представить в графическом виде
4320 значений амплитуд колебаний, проходящих через образец, этот процесс
может занимать у оператора до 30 часов, а в некоторых случаях и свыше того
времени.
3.4. Проектирование, описание и принцип работы прибора УЗИС-ГЭТУ
УЗИС-ГЭТУ - прибор, призванный устранить недостатки прототипа УЗИС-ЛЭТИ. Разработка находится в стадии испытаний, поэтому также не
свободна от некоторых несовершенств. Для определения подходов к
решению
возникающих
проблем
надо
рассмотреть
принцип
функционирования прибора и его конструктивные особенности. Этот анализ
и дальнейший анализ формируемых в измерителе сигналов позволит
определить направления модернизации цифровой части ультразвукового
измерителя скорости.
3.4.1. Проектирование прибора УЗИС-ГЭТУ
Ультразвуковой
измеритель
скорости
распространения
звука
(УЗИС-ГЭТУ) разрабатывался, проектировался и собирался в лаборатории
Электроакустики
и
Ультразвуковой
Техники
Санкт-Петербургского
Государственного
Электротехнического
университета.
Прибор
разрабатывался с учетом недостатков предыдущей версии прибора УЗИСЛЭТИ. Постановка задачи ставила цель чтобы новый прибор обладал
следующими возможностями:
• Изменение периода следования импульса;
• Изменение длительности импульса;
• Изменение частоты заполнения импульса (переключатель типов
волны). Диапазон изменения частоты от 0,6 до 2 МГц;
• Изменение задержки строба. Определяет точность измеренных
показаний;
• Изменение длительности строба;
• Плавная регулировка частоты генератора шкалы меток задержек
строба;
• Достаточно мощный выходной сигнал (100 - 120 В).
Рис.3.8. Функциональная схема УЗИС - ГЭТУ.
ГВЧ
генератор
высокой
формирования
длительности
ГНЧ
генератор
низкой
усилитель низкой частоты.
частоты;
строба;
частоты;
Для
построения
прибора,
требованиям
была
построена
принципиальная схема приводится в Приложении 3.
БлС
СФИм
ИндКл
-
который
удовлетво
функциональная
Автогенератор ГВЧ, построен по схеме из двух инверторов [65]. Из рисунка
(рис.3.9) показана схема автогенератора, в котором положительная обратная
связь через конденсатор охватывает два элемента DD1.1 и DDI.2,
причем DD1.1 выведен в линейный,
усилительныи
резистора
связи
R1
применяется
чтобы
на час-
-
режим
с
отрицательной
=
213
Ом.
Элемент
здесь
как
уменьшить
влияние
помощью
обратной
DD1.3
буферный,
нагрузки
БлС представляет собой 3 четырехразрядных двоичных счетчиков с
синхронной предустановкой и асинхронным сбросом на микросхеме
КР1554ИЕ10 [66]. В качестве CPU используется микроконтроллер ATMEL
AT89C51 [67]. Это класс 8-разрядных однокристальных микро-ЭВМ 51-й
серии, который широко, на сегодняшний день, применяется в различных
областях промышленности. Генератор низкой частоты ГНЧ выполнен на
основе генератора, частота которого управляется напряжением, на базе
микросхемы КР531ГГ1 [65]. Генератор содержит два мультивибратораавтогенератора, у каждого из которых имеются входы управления частотой и
диапазоном частот. Выходная частота рассчитывается
конденсатор CT подключается между выводами 4,5 (или 12,13) микросхемы
КР531ГГ1. Схема формирования длительности строба СФДСт состоит еще из
одно счетчика КР1554ИЕ10 и микросхемы КР1554ТМ2, которая
представляет собой два D-триггера с управлением положительным фронтом
с входами сброса и установки [66]. Для формирования импульса
используется схема формирования импульса СФИм
(рис.3.10), которая представляет собой логический элемент 2И-НЕ
открытым коллекторным входом (К155ЛА9) и два резистора, один из
с
которых
образует
отрицательную
обратную
связь,
а
второй
подключен
к
питанию
5
В
[68].
Перемещение
строба
и
этим
самым
визуально
наблюдать
изменение
задержки
строба
можно
при
помощи
клавиш
и
терминала
ИндКл.
Терминал
представляет
собой
четыре
семи
сегментных
индикатора LDD4062-20 [69]. Клавиатура состоит из трех клавиш, а
усилитель низкой частоты УНЧ выполнен по стандартной схеме (см.
Приложение 3).
Блок счетчиков
тоту автогенератора. Частота автогенерации
Принцип
работы
элементов
схемы
При включении питания ГВЧ, вырабатывает гармонический сигнал частотой
24 МГц, который подается на CPU и на БлС. CPU запускается и
обрабатывает, заложенную в нем, программу (распечатка программы
приводится в приложении 4). Далее синхронизировано формируется импульс
и строб.
Формирование
строба
После того как ГВЧ вырабатывает тактовые импульсы, на БлС и СФДСт
поступает с CPU сигнал низкого уровня (Н-сигнал или логического 0)
разрешения загрузки данных, которые находятся в CPU и данные
загружаются в счетчики. Далее счетчики ожидают сигнала высокого уровня
(В-сигнал или логической 1) разрешения счета. Модулирующий сигнал,
формируемый CPU, поступая на вход первого D-триггера (КР1554ТМ2)
устанавливает на его выходе В-сигнал, который запускает счетчики БлС.
После окончания счета на выходе БлС появляется положительный импульс,
который одновременно поступает на два канала. По первому каналу импульс
идет снова на первый D-триггер, сбрасывая его своим положительным
фронтом, в следствии чего на выходе триггера формируется Н-сигнал,
который останавливает работу счетчиков. По второму канала импульс через
инвертор (КР1533ЛН1) [70] поступает на второй D-триггер (КР1554ТМ2) и
своим отрицательным фронтом запускает его, в следствии чего на выходе
этого триггера появляется В-сигнал, который запускает счетчик СФДСт.
После окончания счета, на выходе счетчика появляется положительный
импульс. Далее с выхода счетчика импульс поступает на второй D-триггер, с
выхода которого уже идет В-сигнал, и сбрасывает его, формируя
окончательно строб.
Формирование импульса несущей частоты.
С выхода CPU формируется модулирующий сигнал низкого уровня, который
запускает ГНЧ (К531ГГ1). Формируется Н-сигнал, частота заполнения
которого определяется изменением входного напряжения ГНЧ. Далее этот
сигнал инвертируется и поступает на вход СФИм (рис.3.10). После СФИм
сигнал становится двуполярным и подается на УНЧ и далее на акустическую
систему.
Если нажать на одну из клавиш ИндКл, то CPU это зафиксирует и
будет задействована функция обработки этой клавиши, что будет видно на
экране терминала. При этом установка частоты следования импульса,
длительности импульса, изменение задержки и длительности строба
производится также программно при помощи CPU.
3.4.2. Конструкция прибора УЗИС-ГЭТУ
В состав изделия входят два основных компонента: акустическая
система (АС) и электронный блок (ЭБ). Также в состав установки входит не
рассматриваемый в данном разделе сетевой блок питания (БП).
Для проведения акустополяризационных измерений необходим
комплект со стандартным дефектоскопом типа УД2-12 и электронным
частотомером (рис.3.1).
3.4.3. Акустическая система
Акустическая система прибора УЗИС-ГЭТУ (рис.3.11) представляет
собой совокупность двух идентичных электроакустических преобразователей
и подъемно-прижимного устройства. В качестве преобразователей
применяются пьезоэлектрические пластины, которые приклеиваются к
буферным стержням из плавленого кварца и закрепляются в цилиндрических
корпусах
1.
Конструкция
одного
из
корпусов
предусматривает
незначительные перемещения преобразователя для самоустановки соосности
при прижиме. Этотпреобразователь располагается в основании 2, т.е. в
неподвижной части прижимного устройства. Другой преобразователь
закрепляется в верхнюю прижимную планку 3. На корпусах закреплены
разъемы 4 для подключения вы-
3
1
4
2
Подъемно-опускной
механизм
предусматривает:
возможность
перемещения верхнего преобразователя для установки образца и прижима
датчика к его торцам; соединение торцов буферных стержней
преобразователей (измерения без образца). Силу прижима можно
контролировать по выдвижению в верхней планке оси пружинного упора
верхнего
преобразователя.
Предусмотрена
фиксация
положения
акустических датчиков.
3.4.4. Электронный блок
Конструкция электронного блока представляет собой корпус с
размещенной внутри электронной платой (см. Приложение 3). На рис.3.12,а
показан внешний вид прибора, передняя панель (рис.3.12,б) и задняя панель
(рис.3.12,в). На верхней панели корпуса расположено окно цифрового
индикатора 1 для отображения информации о задержки строба, клавиши
дискретной перестройки времени задержки строба 3, а также переключатель
частоты генерируемых импульсов 2, изменяющий тип возбуждаемых волн
(продольные или поперечные). На задней панели ЭБ имеются четыре
высокочастотных разъема:
Рис.3.11. Акустическая система прибора УЗИС-ГЭТУ.
сокочастотных кабелей. Внутри корпусов размещены катушки
индуктивности, необходимые для электрического согласования
преобразователей.
«Ч» - выход сигнала тактирования меток строба на электронный
частотомер;
«В» - выходной сигнал электрического импульса, подаваемый на
акустическую систему;
«СТ» - сигнал строба;
«С» - сигналы синхронизации
подключения блока питания.
развертки;
а
также
разъем
для
Плавная регулировка частоты генератора шкалы меток задержек строба
осуществляется с помощью потенциометра 4.
Рис.3.12. Прибор
УЗИС-ГЭТУ:
передняя панель; в) - задняя панель.
а)
-
в)
3.4.5. Особенности процесса измерений скоростей прибором УЗИС-ГЭТУ
Принцип действия измерителя основан на сравнении времени
прохождения сигнала через акустическую линию со временем задержки
вырабатываемого электронным блоком (ЭБ) строба. Измерительный стенд
собирается в соответствии с рис.3.13. В акустическую систему посылается
радиоимпульс с заданной частотой заполнения (~0,6 или ~1,2 МГц,
соответственно поперечные и продольные волны). Принятый приемным
преобразователем сигнал подается на вход (Y1) двухканального
осциллографа. На другой вход осциллографа Y2 подается импульс строба,
вырабатываемый ЭБ на выходе «СТ». Синхронизация осуществляется
синхроимпульсами, формируемыми ЭБ на выходе «С».
Рис.3.13. Схема измерительного стенда: ЭБ - электронный блок; АС акустическая система; БП - блок питания; Ч - частотомер; Осц С помофщью клавиш дискретной перестройки времени задержки строба
3 и ручки потенциометра 4 для плавной регулировки времени задержки
строба (рис.3.13), на экране осциллографа достигают совмещения строба с
одной из полуволн принятого из АС сигнала. Время задержки строба тх будет
соответствовать произведению числа n (значение, фиксируемое на цифровом
табло 1 ЭБ) на период T=1/f, где f - частота шкалы меток, измеряемая с
помощью электронного частотомера, т.е. Tx=n/f.
Полученное время тх будет соответствовать задержке во всех участках
тракта, включающего акустическую линию. Для нахождения времени
распространения акустического сигнала через исследуемый образец следует
произвести два аналогичных измерения - с образцом и без образца. Тогда
время распространения сигнала через образец
т
обр тас с обр-Тас без обр
.
Выбор типа возбуждаемых волн определяется частотой заполнения
генерируемых импульсов. Для нахождения скорости распространения
ультразвуковых волн через образец V, можно воспользоваться известной
формулой V = —обр, где Lo6p - предварительно измеренная длина образца, а
обр
т
тобр - полученная в результате эксперимента время распространения сигнала
через образец.
Точность определения времени прохождения сигнала через образец
зависит прежде всего как от самого УЗИС-ГЭТУ, так и от используемого
электронного частотомера (рис.3.13). Точность фиксации положения строба
определяется высокочастотным генератором ГВЧ (рис.3.8) и будет
соответствовать одному полупериоду сигнала. Так как тактовая частота
сигнала 24 МГц, то точность будет составлять ~ ± 40 нсек.
3.5. Конструкция контроллера вывода данных в параллельный порт
ЭВМ
Для
того
чтобы
передать
предварительные
данные
акустополяризационных измерений, т.е. изменение максимальной амплитуды
проходящего через образец сигнала в компьютер (рис.3.3) необходимо их
оцифровать. Это означает то, что сигнал, проходящий через образец,
является аналоговым и его надо преобразовать в последовательность единиц
и нулей. Для этого в радиотехнике используют так называемые аналогоцифровые преобразователи - АЦП [71]. Но для того, чтобы передать сигнал в
порт компьютера этого недостаточно, т.к. когда и в какой момент времени
необходимо этот сигнал передавать сам компьютер «не знает». Для этого
необходим сигнал запуска, так называемый сигнал «старт» и сигнал
остановки, так называемый сигнал «стоп». Следовательно необходимо такое
устройство, которое могло бы все время сохранять оцифрованный сигнал и в
момент прихода сигнала «старт» могло бы передать его в порт компьютера.
В качестве схемы преобразования сигнала из аналогового в цифровой можно
использовать схему встроенную в дефектоскоп УД2-12. Остается разработать
схему, которая будет считывать этот оцифрованный сигнал, запоминать и,
когда придет сигнал «старт», выдавать его в порт компьютера. Схема такого
устройства представлена на рис.3.14. Схема электрическая принципиальная
приведена в Приложении 5.
Рис .3.14. Функциональная схема контроллера вывода данных в
параллельный порт компьютера: CPU - однокристальная микро-ЭВМ 51-й
серии (КР18169206ВЕ51); LPT-порт - параллельный порт ввода/вывода
данных ЭВМ; АТ - аттенюатор УД2-12; СП - сенсорный переключатель
УД2-12: ЦИ - цифровой индикатор УД2-12.
Элементы
схемы
электрической
принципиальной
Схема контроллера передачи данных в параллельный порт компьютера
построена на базе микроконтроллера КР18169206ВЕ51 (см. Приложение 5).
Этот класс 51-серии микроконтроллеров уже рассматривался в конструкции
УЗИС-ГЭТУ (п/р.3.4). Схема организована по принципу работы
микропроцессора с внешней памятью программ. В качестве внешней памяти
программ используется постоянно-запоминающее устройство (ПЗУ) в виде
интегральной микросхемы M2764AF1. КР1533ИР2 - 8-разрядный буферный
регистр с защелкой и тремя состояниями на выходе. Используется в качестве
магистрального
формирователя.;
К561ИР9
четырехразрядный
последовательно-параллельный регистр (на схеме DD14). К561ЛЕ5 - 4
элемента 2ИЛИ - НЕ (на схеме DD20). К561ИЕ14 - четырехразрядный
двоичный/двоично-десятичный реверсивный счетчик (на схеме DD22).
Последние три микросхемы расположены в блоке цифрового отсчета БЦО
дефектоскопа УД2-12 [72]. К561ЛН1 - шесть логических элементов НЕ с
блокировкой и запретом. Используется для инверсии сигналов (в нашем
случае из 1 в 0), а также для согласования с ТТЛ схемами. К561ПУ4 - шесть
преобразователей уровня. Применяется для согласования КМОП- и ТТЛсхем.
Работа
контроллера
Схема контроллера представляет собой печатную плату размером
90 х 63 мм, которая прикреплена к несущей конструкции дефектоскопа
УД2-12 с внутренней стороны. При включении питания дефектоскопа
напряжение 5В подается на все элементы схемы контроллера. Так как
микропроцессор организован по схеме с внешней памятью данных, то
происходит считывание программы из внешнего ПЗУ (распечатка программы
на Ассемблере приведена в Приложении 6). Контроллер находится в
состоянии «ожидания» сигнала «старт» от параллельного порта ввода/вывода
компьютера.
Одновременно
происходит
фиксация
информации
с
аттенюатора, сенсорного переключателя и цифрового индикатора на выводах
микропроцессора, но обработки ее не происходит. Сигналы «старт» и «стоп»
создаются специальным программным обеспечением (п/р.5.5 «Обработка
результатов измерений»). После прихода сигнала «старт», начинается
считывание микроконтроллером данных с аттенюатора, сенсорного
переключателя и цифрового индикатора и выдача одного бита данных через
универсальный
асинхронный
приемопередатчик
(АСПП)
[67]
в
параллельный порт ввода/вывода компьютера [71]. Так происходит до тех
пор пока не будет переслано 8 бит (1 байт) информации. В параллельный
порт компьютера передается объем информации размером четыре байта.
Первый и второй байты соответствуют информации, считанной с цифрового
индикатора дефектоскопа, т.е. информации о самом сигнале. Третий несет
информацию о нажатой сенсорной кнопке дефектоскопа УД2-12, т.е. к какой
области относится информация (децибелы, микросекунды, толщина и т.д.). В
случае определения акустополяризационных измерений используются
децибелы. И четвертый байт определяет положение аттенюатора
дефектоскопа УД2-12 (само изменение амплитуды в децибелах). Таким
образом происходит полностью перенос всей цифровой информации с
дефектоскопа УД2-12 в компьютер для последующей обработки
программным обеспечением.
Такая конструкция контроллера обеспечивает точную и быструю
передачу данных. Точность в данном случае определяется точностью
определения амплитуды сигнала в самом дефектоскопе УД2-12.
Быстродействие определяется встроенным кварцевым генератором, частота
которого составляет 13,4 МГц и объемом самой программы, находящейся в
ПЗУ контроллера. Время передачи данных из контроллера в параллельный
порт компьютера составляет = 270мкс.
Выводы по разделу 3
1. При
помощи
новой
конструкции
акустополярископа
с
автоматизированным
приводом
поворотной
платформы
обеспечен
стабильный акустический контакт между исследуемым образцом и
излучающим, приемным преобразователями, и повысило возможность
увеличить точность определения амплитуды сигнала. Кроме того, наличие
подобной конструкции позволяет увеличить производительность при
измерении упругих характеристик горных пород на 1400 % (для шага
1 0\
сканирования 1 ).
2. Конструкция
ультразвукового
измерителя
скорости
УЗИС-ГЭТУ
допускает проводить измерение времени распространения ультразвуковых
колебаний с погрешностью ± 0,04 мкс. Устройство позволяет: определять
величину задержки импульса при помощи перемещения строба; изменять
частоту следования импульсов; изменять длительность импульса; изменять
частоту заполнения импульса; изменять длительность строба; осуществлять
плавную регулировка частоты генератора шкалы меток задержек строба;
изменять тип используемых для исследования колебаний (продольные и
поперечные).
3. Собрана конструкция контроллера передачи данных в параллельный
порт компьютера в реальном режиме времени. Быстродействие контроллера
определяется встроенным кварцевым генератором, частота которого
составляет 13,4 МГц и самой программой, находящейся в ПЗУ контроллера.
Конструкция обеспечивает точную и быструю передачу данных за время
= 270мкс. Точность измерения результатов определяется точностью
определения амплитуды сигнала дефектоскопа УД2-12, в корпусе которого
установлен контроллер.
4. АКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ ДЕМПФИРОВАННЫХ
ПЛАСТИНЧАТЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ КОНСТРУКЦИИ
4.1. Общие требования к источникам и приемникам колебаний
Для реализации метода акустополярископии измерительная аппаратура
должна включать в себя преобразователи поперечных линейнополяризованных колебаний.
Исходя из особенностей рассмотренных методов измерения скорости
ультразвука (раздел 1), можно отметить, что с точки зрения оперативности и
простоты применения метод сравнения является наилучшим. Несмотря на
относительную неточность, в большинстве случаев это не является
серьезным недостатком, так как удовлетворяет требованиям к допустимым
погрешностям. Именно поэтому последние работы, проводимые на кафедре
ЭУТ (СПбГЭТУ), были нацелены на модернизацию и усовершенствование
методики измерений и аппаратуры, реализующей данный метод [55].
Для измерения величин фазовой скорости в анизотропных средах
следует применять импульсные источники [33], излучающие волны с
локально
плоскими
фронтами
и
достаточно
узкой
диаграммой
направленности, изготовленный в виде диска с диаметром d»X, где X - длина
преобладающей волны, элементы которого колеблются синхронно.
Большое затухание в горных породах заставляет выбирать наиболее
низкую частоту импульсных источников и приемников колебаний. С другой
стороны, параметры направленности излучения должны быть таковыми,
чтобы боковые отражения от граней образца не оказывали влияния на форму
переднего фронта и амплитуду импульса, принимаемого приемником.
Для
оценки
преобладающей
частоты f0 импульсе,
излучаемом
преобразователем диаметром d через кубический образец толщиной l,
используется геометрический способ [33]. В сохранных горный породах
средняя скорость распространения квазипоперечных колебаний составляет
VS ~3000 м/с [56]. Следовательно, например при d = 3 см и l = 4 см величина
f0 > 0.412 Мгц. Наблюдения, опыт которых изложен в работе [27] показали,
что удовлетворительные условия измерения достигаются при f0 ~ 0.5 МГц
или отношении > 5.
Однако, главным требованием к источникам и приемникам колебаний
является их высокая эффективность, необходимая, для определения величин
скоростей распространения упругих колебаний в сильно поглощающих
горных породах.
Так ранее было предложено использовать повернутые срезы
пьезокристаллов для возможности одновременного возбуждения продольных
и поперечных волн. Были рассчитаны и разработаны конструкции
двумодовых преобразователей на основе недемпфированных полуволновых
пьезопластин повернутых срезов (LiNbO3) и пьезокерамики.
В процессе изготовления преобразователей для акустической системы
прибора типа УЗИС-ГЭТУ были выявлены некоторые недостатки
конструкции. Так, в процессе изготовления преобразователей из повернутых
срезов пьезокерамики возникла сложность металлизации пластины. Это
связано с тем, что для изготовления повернутых срезов, готовый образец
пьезокерамики необходимо разрезать под требуемым углом. При этом
рабочие грани неметаллизированны. Для возобновления металлизации,
можно воспользоваться одним из следующих возможных технологических
процессов:
1. Вжигание серебра,
2. Вакуумное напыление металлом пластинки,
3. Химическое осаждение серебра (реакция "серебряного зеркала").
Все методы имеют недостатки. В первых двух случаях необходим
нагрев металла, что может привести к частичной располяризации керамики.
Для третьего метода основная проблема связана с очисткой поверхности
(пористость материала, следовательно, трудно удалить загрязнения).
Возможным путем преодоления данной проблемы, может служить
использование проводимости сред, контактирующих с пьезопластиной. Так
со стороны образца пьезопластина контактирует с буферным стержнем. Он
может быть изготовлен из металла (сталь, титан), либо металлизированных
диэлектрических материалов (плавленый кварц). С тыльной же стороны
пластины можно использовать демпфер. Однако тыльная нагрузка изменяет
характеристики работы пьезопластины. Поэтому такой метод решения
проблемы (вариант конструкции) требует дополнительного анализа работы
демпфированных двурезонансных преобразователей и оптимизации на
основе выполненных расчетов конструкции преобразователей акустической
системы.
4.2. Теоретический анализ демпфированных пластинчатых
преобразователей повернутых срезов
4.2.1. Постановка задачи
Полагаем, как обычно, поперечные размеры преобразователя
значительно превышающими длину звуковой волны. Это дает возможность
решать задачу в одномерном приближении, используя волновой метод (т.е.
рассматриваем колебания в системе, как совокупность встречно
распространяющихся волн различных типов).
Рассматриваемый преобразователь представляет собой пластину,
выполненную из пьезокерамики (например, ЦТС-19). Модули упругости,
пьезоэлектрические
постоянные
и
диэлектрические
проницаемости
пьезокерамики описываются следующими матрицами :
Пластина поляризована в направлении оси Z, которая является осью
симметрии порядка ^ . Параллельная этой оси плоскость YZ является
плоскостью симметрии.
Пространственная ориентация пластины показана на рис.4.1. Задачу
будем решать в новой системе координат X'Y'Z' которая связана с прежней
следующей табл.4.1 направляющих косинусов:
табл. 4.1.
При
этом
вид
диэлектрических проницаемостей примет вид:
матриц
упругости,
Считая колебания пластины одномерными и учитывая геометрию
задачи, приходим к следующим выражениям для деформаций и
напряженностей электрического поля:
В режиме излучения причиной колебаний пластины является
компонента электрического поля Е3, поэтому видно, что деформация U5, не
связанная с электрическим полем, не возникает (U5=0). В режиме приема
причиной колебаний является падающая на пластину волна, однако и здесь
всегда можно сориентировать пластину так, чтобы деформация U5 не
возникла. z
X, X'
Рис.4.1. Пространственная ориентация пластины.
Преобразуем
выражение
(4.1)
разность потенциалов V, приложенная к пьезопластине:
таким
образо
Подставляя (4.2) в выражение для о3 и о4, получаем:
4.2.2. Работа преобразователя в режиме излучения
Система волн в режиме излучения представлена на рис.4.2. Здесь AL, AT,
BL, BT- амплитуды колебательных скоростей продольных и поперечных волн,
распространяющихся в средах.
Рис.4.2. Схема
работы
преобразователя
пьезопластина; 2,4 - акустический контакт; 3 - буферный стержень; 5 Кфолебательные скорости в волнах могут быть записаны в виде
где 4- амплитуда, k(n) и p(.n)- соответственно волновое число и
направляющие косинусы вектора колебательной скорости для n-ой волны,
Г - единичный вектор.
(4.4)
С учетом этого выражение для колебательной скорости в среде имеет
вид:
Таким образом, используя (4.3), находим:
для деформаций:
Скорости и направления векторов смещения в пьезопластине
рассчитаем с помощью соотношений теории Кристоффеля [57]:
в
Подставив значение 0im в (4.5) и (4.6), имеем:
Решая систему уравнений (4.7), находим:
Дополним уравнение (4.7) условиями нормировки векторов смещения:
откуда:
Таким образом, в результате мы получили систему уравнений, которая
определяет работу преобразователя в режиме излучения:
Подход к решению задачи в режиме приема аналогичен, однако в этом
случае имеется ряд особенностей. Система волн в режиме приема приведена
на рис.4.3. Отличие от режима излучения состоит в наличии падающей
волны (продольной или поперечной).
Рис.4.3. Схема работы преобразователя в режиме приема. 1 пьезопластина; 2,4 - акустический контакт; 3 - буферный стержень; 5 1
Хотя амплитуда падающей волны известна, однако, в режиме приема не
известно электрическое напряжение, развиваемое пьезопластиной на
внешней электрической нагрузке. Поэтому количество уравнений в режиме
приема на единицу больше, чем в режиме излучения. Следовательно, для
решения задачи необходимо еще одно уравнение. В качестве этого
уравнения будем использовать выражение для тока, протекающего через
пьезопластину:
(4.11)
Очевидно, что: |ln| = |V '• 7|,
где 7 - проводимость внешней цепи.
С учетом (4.10), (4.11) и наличия продольной падающий волны система
уравнений для режима приема приобретает следующий вид:
(Значения коэффициентов aiyj , Zl приведены в приложении 1).
Переходя к относительным амплитудам во всех волнах системы можно
переписать эту систему положив Б(3 )=1.
Аналогично с учетом (4.10), (4.11) и наличия поперечной падающий
волны система уравнений для режима приема приобретает следующий вид:
(Значения коэффициентов ay , Zt приведены в приложении 1).
Переходя к относительным амплитудам во всех волнах системы можно
переписать эту систему положив Б(3 )=1.
Таким образом, в результате проведенных расчетов были получены
системы уравнений для режима излучения и режима приема.
4.2.4. Алгоритм расчета частотных характеристик
Для
расчёта
частотных
характеристик,
преобразователей и анализа влияния параметров
характеристики акустической системы измерительного
предложен алгоритм и составлена программа на языке С++
Схема алгоритма представлена на рис.4.4.
разрабатываемых
конструкции на
устройства, был
(Borland С++ 3.1).
Программа включает в себя несколько основных модулей:
- блок пересчёта параметров пьезокерамики в повёрнутую систему
координат. При этом выполняются матричные преобразования тензоров
модулей упругости C.^, пьезоэлектрических постоянных epq и
диэлектрических проницаемостей еrs в новую систему, повёрнутую
относительно кристаллографической системы координат на заданный
угол (вокруг оси Х). Выбором угла поворота можно подобрать
оптимальные срезы для одновременного возбуждения как продольных,
так и поперечных волн. В этом же блоке вычисляются характеристики
квазипродольной и квазипоперечной волны в пьезокерамике, скорости
блок
расчета
коэффициентов
граничных
уравнений.
При
этом
используются выражения, полученные в п/р.4.2 (подробно формулы
приведены
в
приложении 1). Отдельно
анализируются
режимы
излучения и приема. Размерность получаемых систем в режиме
излучения - 16х16, в режиме приема - 17х17. Итоговый коэффициент
передачи является произведением полученных коэффициентов для двух
режимов.
блок
решения
системы
линейных
алгебраических
уравнений
с
комплексными коэффициентами. Для решения системы использовался
метод Гаусса. Блок реализован в виде подпрограммы, входными
данными
которого
является
размерность
решаемой
системы
и
указатели на мас-
Рис.4.4. Алгоритм расчета частотных характеристик преобразователя.
сивы коэффициентов системы линейных уравнений и векторы свободных
членов
В программе предусмотрен цикл расчета при изменении рабочей
частоты (задается начальная, конечная частота и шаг изменения).
Входные данные для расчета получаются из файла
параметров пьезоматериала и при вводе оператором с клавиатуры.
исходных
Результаты расчета выводятся на экран монитора и в файлы K_iz.dat результаты
излучения, K_pr.dat результаты
приема, K_pered.dat коэффициент преобразования продольных и поперечных волн.
Для представления результатов анализа в графической форме, файлы
данных можно экспортировать, например, в программу пакета Microsoft
Excel.
Программа,
приложении 2.
реализующая
приведенный
алгоритм
приведена
в
4.3. Разработка акустической системы
4.3.1. Результаты численного анализа
На основе составленной программы (см. приложение 2) был проведен
численный анализ частотных зависимостей коэффициента передачи для
продольных и поперечных волн при различных параметрах конструкции
элементов акустической системы.
Требуемые резонансные частоты для поперечной и продольной волны
(соответственно 0.6 и 1.2 МГц), достигаются при толщине пьезопластины
(керамика ЦТС - 19) d=1.5 мм. На рис.4.5, 4.6 и 4.7 представлены
сравнительные зависимости коэффициентов передачи при различных углах
поворота пьезопластины: 30° - рис.4.5, 450 - рис.4.6 и 600 - рис 4.7.
На гра-
с углом среза 30 градусов.
Рис.4.6. График зависимости для повернуто
с углом среза 45 градусов
Рис.4.7. 1 рафик зависимости для повернутого преобразователя
с углом среза 60 градусов.
Рис.4.8. Влияние толщины контактного
стержень - плавленный квар
Рис.4.9. График зависимости для буферного стержня из титана.
Рис.4.10. Влияние толщины контактного слоя(буферный
стержень -титан).
фиках кривые 1 и 2 - частотные зависимости передачи продольных и
поперечных волн недемпфированной пьезопластины, 3 и 4 - частотные
зависимости передачи продольных и поперечных волн для демпфированного
преобразователя (материал буферного стержня и демпфера - плавленый
кварц) при нулевой толщине контактного слоя, 5 и 6 - те же зависимости при
толщине контактных слоев 5 мкм.
Можно видеть, что в случае угла поворота среза пьезопластины 450
получаются наиболее оптимальные характеристики. Для угла поворота 60 0
слабый коэффициент передачи продольных волн, для угла поворота 300 мало
соотношение эффективностей возбуждения при работе на поперечной моде.
Также из графиков видно, что демпфирование приводит к
уменьшению коэффициентов передачи и расширению резонансной кривой,
особенно для продольной волны, что ухудшает разделение мод при работе на
поперечной волне.
Рис.4.8 иллюстрирует влияние толщины контактного слоя на
получаемые характеристики, на котором кривые 1 и 2 - соответствуют
толщине контактного слоя 5 мкм, 3 и 4 - соответствуют толщине контактного
слоя 15 мкм, 5 и 6 - соответствуют толщине контактного слоя 30 мкм. Можно
сказать, что увеличение толщины слоя приводит к обострению резонансных
кривых и повышению коэффициента передачи, а следовательно и
улучшению разделения мод. Это является положительной тенденцией, т.е.
при изготовлении преобразователя не стоит стремиться к уменьшению
толщины контактного слоя.
Для проверки возможности использования других материалов буферных
стержней были выполнены расчеты конструкции буферного стержня из
титана. Соответствующие зависимости представлены на рис.4.9, где кривые 1
и 2 - продольные и поперечные волны, в случае недемпфированной
пьезопластины, 3 и 4 - продольные и поперечные волны при демпфировании
плавленым кварцем (толщина слоя 5 мкм).
Возможности улучшения характеристик (титанового буферного
стержня) проверены путем расчета в более широком диапазоне контактных
слоев рис.4.10, где кривые 1 и 2 - продольная и поперечная волна при
толщине слоя 5 мкм, 3 и 4 - продольная и поперечная волна при толщине
слоя 15 мкм, 5 и 6 - продольная и поперечная волна при толщине слоя 30
мкм. Увеличение толщины контактного слоя улучшает зависимости, однако
сравнение с аналогичными характеристиками для плавленого кварца
(рис.4.8) свидетельствует о том, что буферный стержень изготовленный из
плавленого кварца является более предпочтительным.
4.3.2. Конструкция акустического датчика
На кафедре ЭУТ была разработана похожая конструкция акустического
датчика, прибор УЗИС-ГЭТУ, конструкция которого изображена на рис.4.11,
но в ней использовались не одна, а две пьезопластины (одна для возбуждения
и приема продольных, другая поперечных волн). Недостаток такой системы необходимость работы с однородными образцами больших размеров. В
нашей работе решается задача о пьезопластине, которая может быть
использована для возбуждения и приема как продольных, так и поперечных
волн.
Параметры конструкции выбирались исходя из требований к
измеряемым образцам, заданного частотного диапазона и оптимального
режима возбуждения как продольной, так и поперечной волны. Исходя из
требований к размеру исследуемого образца, выбираются параметры
буферного стержня:
- диаметр буферного стержня (определяется
контактирующей площадки буферного стержня
избежать падения на боковые грани) - 20 мм;
- диаметр буферного стержня
контактного образца) - 15 мм;
Рис.4.11.
акустической системы:
(определяется
исходя
и его
из диаметра
длины, чтобы
поперечными
Конструкция
размерами
датчика
1 - пьезокерамическая пластина;
2 - демпфер;
3кварца;
буферный
стержень
из
плавленого
4 - держатель буферного стержня;
5 - стальной стакан;
6 - стальная крышка;
7 - высокочастотный разъем.
- длина буферного стержня (определяется длиной контролируемого
образца,
длительностью
импульса,
зондирующий
импульс
при
переотражении не должен образовывать стоячую волну ти < 2lc) - 20мм
Пьезопластина 1 является активным элементом акустического датчика,
изготовляется из пьезокерамики. В предложенной конструкции используется
пьезокерамика ЦТС-19 (обладает достаточно высоким пьезоэффектом и
стабильностью параметров). Возможность работы в двух резонансных
режимах определяется углом поворота среза пьезопластины относительно
кристаллографических осей. Как показали приведенные расчеты, наиболее
оптимальный режим достигается при угле повороте порядка 45 0 - 500 при
этом погрешности в углах поворота оказывают несущественное влияние на
характеристики датчика.
Материалом демпфера 2 является предварительно металлизируемая
пирамида из плавленого кварца, боковые грани которой обладают
шероховатостью для рассеяния ультразвуковых волн. Буферный стержень 3,
пьезопластина и демпфер соединены между собой с помощью эпоксидной
смолы ЭД - 5, толщина слоя может быть достаточно существенна, порядка
20-30 мкм (расчеты показали, что при увеличении толщины слоя
характеристики
преобразователя
улучшаются).
Вся
конструкция
расположена в металлическом корпусе, состоящем из элементов 4,5,6.
Электрический сигнал подводится через разъем 7. Толщина пьезопластины
определяется рабочими частотами измерителя скорости. В разрабатываемой
конструкции, для частот 0.6, 1.2 МГц, соответственно для поперечной и
продольных волн, толщина пьезопластины должна быть приблизительно
1,5 мм.
Выводы по разделу 4
1. Возможность работы в двухрезонансном режиме определяется углом
среза
пьезопластины
(керамика
ЦТС
19)
относительно
кристаллографических
осей.
Как
показали
приведенные
расчеты,
оптимальный режим, для возбуждения продольных и поперечных волн,
достигается при угле среза порядка 450 - 500. При этом погрешности в
определении угла среза оказывают несущественное
влияние
на
характеристики датчика.
2. Материалом демпфера преобразователя является предварительно
металлизируемая пирамида из плавленого кварца, боковые грани которой
обладают большой шероховатостью для рассеяния ультразвуковых волн.
3. Составные части преобразователя: буферный стержень, пьезопластина
и демпфер соединены между собой с помощью эпоксидной смолы ЭД - 5,
толщина слоя которой может быть достаточно существенна, порядка 20-30
мкм. При этом расчеты показали, что при увеличении толщины слоя
характеристики преобразователя улучшаются.
Толщина пьезопластины определяется рабочими частотами измерителя
скорости. В разработанной конструкции, для частот 0.6, 1.2 МГц,
соответственно для поперечной и продольных волн, толщина пьезопластины
составляет 1.5 мм, а диаметр 30 мм.
5. ПОРЯДОК, ОРГАНИЗАЦИЯ И ОБРАБОТКА
РЕЗУЛЬТАТОВ АКУСТОПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
5.1. Общие требования к методике измерений
Требования к точности и общему объему измерений определяются той
целью, которую преследуют задачи исследования. Если предполагается
изучение упругих свойств горных пород, то порядок проведения работ
должен включать отбор проб, их разделку и подготовку образца к
испытаниям, получение акустополяризационных диаграмм и построение
пространственного положения элементов упругой симметрии, определение
величин скорости распространения упругих колебаний (квазипродольных и
квазипоперечных) вдоль выявленных элементов и под определенными
углами к ним.
Получение акустополяриграмм при прозвучивании образца в каком
либо одном направлении позволяет получить только одну проекцию
элемента (оси или плоскости) упругой симметрии среды. Кроме этого,
например, измерения, выполненные в среде гексагональной симметрии, в
направлении, перпендикулярном оси симметрии, не позволяют отличить этот
тип симметрии, даже при наличии сильной анизотропии, от изотропной [22,
59].
Диагностика сред псевдогексагональной симметрии возможна лишь на
основе использования двух неэквивалентных проекций. Построение
пространственного положения элемента симметрии любой среды возможно
на основе не менее двух проекций. Таким образом, предпочтительной
формой
образца,
подготовленного
для
испытаний
является
куб
(параллелепипед). Измерения, выполненные перпендикулярно третьей паре
граней,
позволяют
проконтролировать
правильность
измерений,
выполненных по двум другим. Это контрольное измерение позволяет
увеличить надежность определений.
Конечным итогом комплекса измерений является определение
пространственного положения элементов упругой симметрии среды, типа ее
симметрии, степени анизотропии и величин констант упругости (жесткости)
[73].
5.2. Порядок проведения акустополяризационных измерений
Целью проведения поляризационных измерений горных пород является
определение наличия упругой анизотропии, эффекта линейной анизотропии
поглощения, пространственной ориентации элементов упругой симметрии
среды. На рис.5.1 представлен автоматизированный программно-аппаратный
комплекс для определения результатов акустополяризационных измерений.
Рис.5.1. Автоматизированный программно-аппаратный комплекс для
определения упругих характеристик анизотропных сред (без УЗИС-ГЭТУ).
Сами определения проводятся при наличии акустополярископа
автоматизированным приводом поворотной платформой (рис.5.2)
с
При использованием акустополярископа с автоматизированным
приводом поворотной платформой преобразователи поперечных колебаний
подключают к ультразвуковому прибору таким образом, чтобы верхний
преобразователь
был
излучающим.
Затем
подвижную
платформу
устанавливают на нулевую отметку углов гониометра. Отметки векторов
поляризации преобразователей совмещают по одной линии. Смазывают
контактные поверхности преобразователей, рабочие грани образца
контактной средой и совмещают их. За счет того, что конструкция
акустополярископа предусматривает специ-
Рис.5.2.
поворотной платформы.
Акустополярископ
с
альную верхнюю площадку с подпружиниванием, давления от контактных
площадок преобразователей на грани образца распределяется равномерно.
При этом следует следить, чтобы контактная среда равномерно без разрывов
и пузырей, покрывала контактные поверхности преобразователей и образца.
Для того чтобы контактная среда образовала тонкий равномерный слой в
зазоре между преобразователем и образцом необходимо образец один раз
прокрутить при помощи автоматического привода. Время затрачиваемое при
этом составляет 8 минут 45 секунд, чего вполне достаточно для получения
стабильного акустического контакта. Только после этого можно проводить
исследование. Измерения заключаются в автоматизированном передвижении
поворотной платформы с шагом сканирования 10, 50 или 10° и фиксации
амплитуды импульсов Авсм , проходящих через образец квазипоперечных
колебаний. Передача зафиксированного изменения амплитуды сигнала и
дальнейшая
обработка
результатов
осуществляется
программным
обеспечением (п/р.5.5). Методика измерения предусматривает сначала
регистрацию амплитуды сигнала в положении ВП [74]. При этом для
уменьшения
погрешности
результатов
поворотную
платформу
акустополярископа поворачивают два раза. Измерения заканчивают когда
указатель гониометра на поворотной платформе будет 3500, 3550 или 3590,
соответственно для углов поворота 100, 50 и 10. При этом программное
обеспечение информирует оператора звуковым сигналом и предложением
повернуть векторы поляризации преобразователей на 900. Далее
освобождают фиксатор и один из преобразователей поворачивают на угол
900. Таким образом векторы поляризации преобразователей находятся в
скрещенном положении (ВС). Измерения повторяют с тем же углом
поворота.
После
наблюдения
изменений
амплитуд Авпм ,
построение акустополяриграмм в следующем порядке:
Авсм производят
1) находят максимальное (Амах) по величине значение Авпм (в децибелах)
в пределах углов 0-3590 (в зависимости от шага сканирования)
2) производят вычитание каждого Авпм из значения Амах;
вп Амах - Авпм,
В
Д^
3) производят вычитание Авсм из значения Амах;
вс Амах - Авсм,
В
Д^
4) пользуясь таблицей перевода децибел в относительные амплитуды
по значениям Ввп , Ввс , находят соответствующие амплитуды Авпм, Авсм,
которые являются исходными для построения акустополяриграмм.
Построение акустополяриграмм осуществляется в полярных координатах.
Точки Авпм соединяют сплошными линиями, Авсм - пунктиром. Фигура,
очерченная
сплошной линией является
акустополяриграммой ВП,
очерченная пунктиром - ВС (рис.5.3).
По акустополяриграмме ВП определяют степень ЭЛААП среды Д и угол
наибольшего
"пропускания"
ад (НП)
(рис.5.3).
степень
ЭЛААП
рассчитывается по формуле (2.40). Угол ад определяется между осью
координат, а также прямой, проведенной через полярную ось и
противостоящие максимумы Авмп1 и Авпм2.
Рис.5.3.
Акустополяриграмма
(сплошная
линия)
и
проявлением
ЭЛААП,
ад "про пускания" и гранью образца.
Рис.5.4.
Акустополяриграмма
си
мметрии;
pi,
Р2
симметрии и гранью образца.
образца,
скрещенных
угол
-
образца.
углы
п
(пункти
между
1,2
между
На акустополяриграмме ВС через полярную ось и противостоящие
минимумы огибающей Авсм проводят линии рис.5.4. Эти линии являются
проекциями осей и плоскостей симметрии среды образца. Углы р1 и р2 между
осью координат и проведенными прямыми позволяют зафиксировать
положение проекции элементов симметрии относительно граней образца. На
конечном этапе проекции элементов симметрии переносят на грани образца.
Рис.5.5. Проекции элементов упругой симметрии нанесенные по
данным акустополяризационных измерений на грани образца.
1,2,3 - ориентировка граней образца (направления прозвучивания);
а,б,в - проекции элементов симметрии на грани 3,2,1 соответственно.
2
В результате проведения измерений на гранях кубического образца
наносят все проекции элементов упругой симметрии, рис.5.5. Они
характеризуют особенности упругой анизотропии среды в трех взаимно
перпендикулярных направлениях.
В том случае, если выявленные элементы симметрии расположены не
параллельно граням образца, для дальнейших измерений на образце
вырезают плоскости , ориентированные вдоль выявленных элементов.
Например, на рис.5.5 линией абв показана плоскость, образованная прямыми
проекций элементов симметрии (жирная линия). Вырезание плоскостей,
параллельных абв, а также перпендикулярных им производят таким образом,
чтобы снова получить кубический образец или параллелепипед.
5.3. Определение величин скоростей распространения упругих
колебаний
5.3.1. Технология измерения скоростей в анизотропных средах
Необходимые измерения производят на образце, грани которого
образованны параллельно и перпендикулярно выявленным элементам
симметрии.
Ультразвуковой
измеритель
скорости
распространения
квазипродольных и квазипоперечных колебаний, рассмотренный в
подразделе 3.4 позволяет выполнить измерения с требуемой для практики
точностью и производительностью. Для измерения образец помещают между
преобразователями, совмещая его центр с центром контактных площадок.
При измерении vS векторы поляризации преобразователей совмещают с
проекцией элемента симметрии среды, нанесенной на грани. В процессе
измерений
определяют
время
прохождения
квазипродольных tp и
квазипоперечных ts1 , ts2 колебаний в образце. Для повышения достоверности
определения точки первого вступления квазипоперечных колебаний,
поворачиваем верхний преобразователь на некоторый угол от положения
совпадения его ОВП с ОВП нижнего преобразователя. Все полупериоды,
принадлежащие искомому импульсу, синхронно с поворотом изменяют свою
амплитуду, а в точке первого вступления наблюдается перелом фазы
колебаний. В том случае, если разница между ts1 и ts2 настолько мала, что она
сравнима с ценой деления измерительного прибора, определяют лишь ts1.
Скорости распространения квазипродольных и квазипоперечных волн
вычисляют по формулам:
(5.1)
где L - расстояние между преобразователями по линии прозвучивания, мм;
tps - время распространение импульса УЗК от излучателя до приемника, мкс;
n - число на индикаторе прибора; T - период колебания сигнала; tg - время
задержки импульса в цепях прибора и преобразователях, мкс. Для прибора
УЗИС-ГЭТУ tg = 2 нсек.
Следует помнить, что формула (2.38) дает ряд значений углов:
8,2п-8, 2п+8, 4п-8 и так далее. При наличии ЭЛААП формула (2.38) дает
пониженные значения 8. Обычно, для расчета величины 8 берут значения
АВСМ в относительных единицах, в точках, составляющих угол пп/4 с
ориентацией элементов симметрии среды.
5.3.2. Особенности «матриц» квазипродольных и квазипоперечных скоростей
Рис.5.6.
Индексация
колебаний в кубическом образце.
величин
На образце, грани которого образованы параллельно выявленным
элементам симметрии, в направлении 1-Г, 2-2\ 3-3Л производят измерения
величин скорости распространения квазипродольных и квазипоперечных
колебаний (рис.5.6). При этом удобно использовать следующий порядок
индексации измеряемых величин:
V11 - скорость распространения квазипродольных колебаний,
измеренная в направлении 1-Г;
V22 - та же в направлении 2-2Л;
V33 - та же в направлении 3-3Л;
v12 - скорость распространение квазипоперечных колебаний ,
измеренная в направлении 1-1 при ориентировке ВП в
направлении 2-2Л;
v13 - та же в направлении 1-Г при ВП в направлении 3-3 .
Аналогично обозначают v21, v23, v31, v32 .
Измеренные величины представляются в форме прямоугольной таблицы
(матрицы данных):
(5.2)
Данная форма представления результатов необходима для анализа типа
упругой симметрии среды. Таким образом, изложенный выше порядок или
система проведения измерений позволяет выявить:
- число элементов симметрии в любом из желаемых сечений образца,
их взаимное расположение, определить наличие анизотропии;
скорост
- пространственное положение элементов симметрии среды, в том
числе азимут и угол падения в образце;
- наличие ЭЛААП;
Также предусматривается проведение измерений величин скорости
распространения упругих колебаний в направлениях, совпадающих с
ориентацией элементов упругой симметрии среды и других направлениях.
Приведенных данных, в целом, достаточно для диагностики типов
симметрии и определении констант упругости анизотропных сред.
5.3.3. Анализ матрицы скоростей распространения упругих УЗК
При анализе данных матрицы (5.2) могут наблюдаться следующие
виды неравенств характеризующие симметрию рассматриваемого образца:
1. vn < v22 = v33 , v12 = v13 = v21 = v31 < v23 = v32 (5.3)
В этом случае среда является поперечно-изотропной, ее ось симметрии
лежит в направлении 1-1.
2. V22 < V11 = V33 , V12 = V21 = V23 = V32 < V13 = V31 (5.4)
Здесь ось симметрии поперечно-изотропной среды лежит в
направлении 2-2\
3. V33 < V11 = V22 , V13 = V23 = V31 = V32 < V12 = V21 (5.5)
В этом случае ось симметрии поперечно-изотропной среды лежит в
направлении 3-3\
Дополнительным признаком, позволяющим отнести изучаемую среду к
поперечно-изотропной, является получение по одной из пар граней
акустополяриграммы (ВП и ВС), близкой к круговой. Акустополяриграммы
по двум другим парам граней должны показывать наличие элементов
упругой симметрии.
Как отмечено в работе [74], имеются модели трансверсальноизотропных сред, для которых наблюдается соотношение Vi3 = V23 = V3i = V32
> V12 = V31. Однако, в работе [75] показано, что подавляющее большинство
экспериментальных данных свидетельствуют о верности вышеприведенного
правила.
При выделении проекций плоскости симметрии можно пользоваться
правилом: величина скорости распространения квазипоперечной волны с
вектором поляризации, ориентированным в направлении плоскости
симметрии в подавляющем большинстве случаев выше, чем та же скорость с
вектором поляризации, ориентированным в направлении оси симметрии.
Следует учитывать, что в средах со случайными неоднородностями, к
которым, как правило, относятся горные породы, равенства соблюдаются
лишь приблизительно [33].
Если величины, представленные в виде матрицы (5.2) , не
подчиняются системе неравенств (5.3)-(5.5), то изучаемая среда относится к
более низкосимметричной. Она может принадлежать, например, к классу
ортотропных сред. В этом случае будут наблюдены следующие виды
неравенств
1. V11 > V22 > V33 , V12 = V21 > V13 = V31 > V23 = V32 (5.6)
При соблюдении этого условия в среде можно выделить две,
расположенные под прямым углом, плоскости упругой симметрии.
Плоскость, соответствующая более сильной анизотропии, располагается
вдоль направлений 1,2 (рис.5.6). Плоскость более слабой анизотропии лежит
вдоль направления 1,3.
Плоскость более сильной анизотропии считается такая плоскость,
содержащая направления, вдоль которых величины скорости упругих
колебаний принимают наибольшие значения.
2. V11 > V33 > V22 , V13 = V31 > V12 = V21 > V23 = V32 (5.7)
Здесь плоскость более сильной анизотропии лежит вдоль направлений
1,3; плоскость более слабой - вдоль 1,2.
3. V22 > V11 > V33 , V12 = V21 > V23 = V32 > V13 = V31 (5.8)
Плоскость более сильной анизотропии лежит вдоль направлений 1,2;
более слабой - вдоль 2,3.
4. V22 > V33 > V11 , V23 = V32 > V12 = V21 > V31 = V13 (5.9)
Плоскость более сильной анизотропии лежит вдоль направлений 2,3;
более слабой - вдоль 1,2.
5. V33 > V11 > V22 , V13 = V31 > V23 = V32 > V12 = V21 (5.10)
Плоскость более сильной анизотропии лежит вдоль направлений 1,3;
более слабой - вдоль 2,3.
6. V33 > V22 > V11 , V23 = V32 > V13 = V31 > V12 = V21 (5.11)
Плоскость более сильной анизотропии лежит вдоль направлений 2,3;
более слабой - вдоль 1,3.
Если элементы матрицы (5.2). не подчиняются неравенствам
(5.3)-(5.5), а также (5.6)-(5.11), то исследуемая среда представлена еще более
низкосимметричной типом симметрией, чем поперечно-изотропная или
ортотропная.
Перед определением констант упругости сред следует, если это
необходимо, произвести переориентировку направлений, в образце таким
образом, чтобы для поперечно-изотропной среды были соблюдены условия
(5.5), таким образом, чтобы ось симметрии поперечно-изотропной среды
лежала в направлении 3-3', а плоскость симметрии проходила через
направление 1,2.
В случае ортотропной среды переориентировку направлений в образце
производят таким образом, чтобы плоскость более сильной анизотропии
проходила через направление 1,2; а более слабой - через 1,3 и соблюдалось
условие (5.6).
Переориентировку направлений в образце (рис.5.5) с соответствующим
перемещением значений скорости в матрице (5.2) можно выполнить
используя нижеприведенные схемы.
1. Перемещение направления 3 на направление 1 выполняется путем
перестановки значений скорости Vij в матрице (5.2) на места указанные
в схеме:
5.4. Определение типа симметрии и модулей упругости анизотропных
сред
5.4.1. Определение модулей упругости в слабоанизотропных средах
Большое число наблюдений, выполненных на образцах [27, 33], а также
сейсмическими методами в протяженных геологических телах [53,75]
показал, что горные породы, в основном слабоанизотропны. Среди
203
Рис.
5.7.
упругости трансверсально-изотропной среды.
Образец
Определение констант упругости производится при помощи образца, грани
которого образованы параллельно выявленным элементам симметрии
(рис.5.6). Индексы граней направления в образце присваиваются таким
образом, чтобы были соблюдены условия (5.5), а ось симметрии прошла в
направлении 3-3'. Для этого дополнительно под углом 450 к направлениям 33' и 2-2' образовывают две параллельные площадки (рис.5.7), нормаль к
для
которым составляет направление [203]. Через образованные площадки
определяются величины: скорость распространения квазипродольных v23P,
квазипоперечных
колебаний v23S1, при
векторе
поляризации
преобразователей, ориентированном в плоскости, проходящей через
направления 2-3. В итоге, совместно с ранее определенными, для расчета
используют следующие величины:
v
11
= v12 = v2b v13 = v23 = v31 = v32 , v23Р, v23S1.
Изучаемая среда относится к слабоанизотропной, если соблюдены
следующие неравенства [33, 75]:
слабоанизотропных,
часто.
поперечно-изотропные
среды
встречаются
наиболее
где е, у, K - коэффициенты анизотропии соответственно для продольных и
поперечных волн.
Если согласно (5.15) среда является слабоанизотропной поперечноизотропной, то расчет упругих постоянных производят с использованием
упрощенных формул, которые получены на основе уравнений о слабой
упругой анизотропии [75].
5.4.2. Расчет модулей упругости ортотропных сред
Если по анализу акустополяриграмм, а также по условиям (5.6) - (5.11)
показана принадлежность образца к классу ортотропных сред, определение
констант упругости производится при помощи образца, главные грани
которого также образованы параллельно выявленным элементам симметрии.
Индексы граней и направления в образце присваиваются таким образом,
чтобы величины скорости матрицы (5.2) подчинялись неравенству: V11 > V22 >
V33
.
Дополнительно на образце под углом 45 0 к направлениям 1-1, 2-2\ а
также к направлениям 1-Г, 3-3Л и к направлениям 2-2Л и 3-3Л отрезают и
пришлифовывают три пары параллельных друг другу площадок таким
образом, чтобы нормали к ним составили направления [102], [103] и [203]
(рис.5.8). И через образованные площадки, по направлениям [102], [103] и [203]
определяют величины скорости распространения продольных волн V12p, V13^ V23^
Компоненты
матрицы
упругих
постоянных
ортотропной
среды,
рассчитывают, используя данные матрицы (5.2) и следующие выражения [33,
64]:
где 0 - угол между нормалью к фронту равных фаз и плоскостью
анизотропии ортотропной среды. Угол отсчитывается от направления 2-2Л
вдоль плоскости сильной анизотропии, проходящей через направление 1,2.
Угол 02 отсчитывается от направления 3-3Л вдоль плоскости слабой
анизотропии, проходящей через направление 1,3. Угол 03 отсчитывается от
направления 3-3Л в плоскости через направление 2,3.
5.4.3. Системы упругой симметрии горных пород
В подразделе 5.2 изложен порядок расчета констант упругости
ортотропной среды (ромбическая симметрия). Константы ромбической
системы представляют в виде матрицы [20]:
(5.20)
Так как C12 = C2i, C13 = C13, C23 = C32, матрица (5.20) содержит 9 постоянных.
Анализируемая среда принадлежит к ромбической системе только тогда,
когда все 9 постоянных матрицы представлены вещественными, не равными
нулю и не равными друг другу величинами. Однако в результате расчетов
может быть выявлено равенство или зависимость между отдельными
величинами констант. Определенный вид таких равенств или соотношений
позволяет диагностировать другие, более простые системы упругой
симметрии.
• Тетрагональная симметрия (классы 422, 4mm, 4/mmm, 42 m, см. [20]). В
этом случае Cn = C22, C44 = C55, C13 = C23. Не равными другим
являются константы C33, Ci2, C66 . Число независимых констант равно
6.
• Гексагональная
(поперечно-изотропная)
или
трансверсальноизотропная симметрия. Константы C11 = C22, C13 = C23, C44 = C55, C12 =
C11 - 2С66. Не равными другим являются константы C33, C66 . Число
независимых констант равно 5.
• Кубическая симметрия. Константы C11 = C22 = C33, C12 = C13 = C23, C44
= C55 = C66. Число независимых констант равняется 3.
Упругая симметрия кристаллических горных пород, на самом деле не
исчерпывается
перечисленными
выше
системами.
Более
сложные
(низкосимметричные) среды (рис.5.14,в), чем ромбическая, описываются
числом упругих постоянных, больше девяти. Способ их определения, ввиду
сложности соотношений между величинами скорости распространения
упругих колебаний и константами упругости, пока не разработан. На
принадлежность
горной
породы
к
низкосимметричным
системам
(тригональной,
моноклинной,
тетрагональной)
может
указывать
обнаружение при акустополяриметрии в каком-либо сечении среды более
чем двух элементов симметрии, их неортогональность. Подбор класса
упругой симметрии таких сред может быть выполнен путем поиска аналогии
с соответствующим классом симметрии кристаллов. Пример, указывающий
такую возможность, приведен на рис.5.14,в.
Также следует учитывать, что в неоднородных, поглощающих
упругие колебания поликристаллических горных породах величины скорости
распространения упругих колебания, как правило, экспериментально не
могут быть точно определены, даже если применена измерительная
аппаратура высокого класса. Этому способствует, в первую очередь,
неоднородности - вариации состава и строения такой среды. Причем, чем
более низкий класс симметрии среды образца, тем выше неопределенность
при расчетах его констант. Поэтому представительность определений
констант и класс упругой симметрии какой-либо геологической отдельности
должна быть подтверждена параллельными измерениями на других образцах
[33].
5.5. Обработка результатов акустополяризационных измерений
До
настоящего
времени
проведение
полного
комплекса
акустополяризационных измерений требовало существенных затрат времени
и труда (п/р.5.2 «Порядок проведения акустополяризационных измерений»).
Эти затраты были обусловлены значительным объемом ручных операций и
необходимостью ручного ввода полученных данных в персональный
компьютер
для
их
последующей
обработки
и
построения
акустополяриграмм. Кроме того существующая программа для обработки
результатов, написанная на языке программирования Basic имеет ряд
существенных недостатков [77].
Значительный объем ручных операций и связанная с этим
трудоемкость
измерений
определили
необходимость
модернизации
программного обеспечения (ПО) с учетом указанных недостатков. Кроме
того, замена программного обеспечения для обработки результатов
акустополяризационных измерений позволила повысить точность обработки
результатов эксперимента. При этом точность определения проекций
элементов симметрии исследуемого образца увеличилась до 1.0 - 1.30.
Обработка
результатов
акустополяризационных
измерений
осуществлялась при помощи ПО A^stpol ©. Более подробно работа с ПО
Acustpol © рассматривается в методических рекомендациях автора,
рассматриваемой диссертационной работы [76]. Приведем лишь основные,
необходимые для дальнейшего понимания, выдержки.
ПО Acustpol © написано на языке программирования Borland C++ v. 3.1
(распечатка текста программного кода с комментариями приведена в
приложении
7 диссертационной работы). ПО соответствует современным требованиям, как по
внешнему интуитивно-понятному интерфейсу, как по стилю написания
исходного
кода, так и по передаче данных в реальном режиме времени. Также ПО не
требовательно к аппаратной части персонального компьютера. Эта программа
может работать на любом PC (процессор 80286 и выше), на котором установлена
операционная система (ОС) MS-DOS или ОС с
tie ад аиплигиды 1
поддержкой MS-DOS - режима [78].
Удачно созданный интерфейс системы ввода-вывода, интерактивное
меню помогают пользователю значительно сократить время, занимаемое на
подготовку и оформление журнала, в который записываются и выводятся
результаты измерений согласно показаниям прибора (УД2-12 или УЗИ-13).
Ввод результатов осуществляется в отдельные ячейки (рис.5.9), которые
соответствуют показаниям указателя угла поворотов акустополярископа. В
программе A^stpol создан интуитивно-понятный интерфейс, который
содержит четкую однозначную последовательность действий вследствие чего
программа усваивается оператором за несколько минут. Четкая
последовательность действий включает в себя: ввод имени документа
(файла); ввод названия обQ123456789 10 11
29 . 4 | 29 . 3
I 29 . 2 | 29 . 2 I 29 . 1 | 29 . О I 29 28 . 9 I 28 . 9 | 28 . 8 I 28 . 8 | 28 . 8
12 13 14 15 16 17 18 19 ЯП 21 32 23
24 25 26 27 28 29 ЗО 31 32 33 34 35
36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47
48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59
60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 7D 71
Рис.5.9. Интерфейс ввода изменения амплитуды прохождения
сигнала через образец.
Рис.5.10. Изменение максимальной амплитуды огибающих
(акустополяриграмма) образца с шагом сканирования 10 по трем сторонам.
Рис.5.11. Изменение максимальной амплит
(акустополяриграмма) образца с шагом сканирован
- без определения элементов симметрии; б - с оп
симметрии.
разца;
выбор
используемого
прибора
(используются
УД2-12
и
УЗИ-13)
[76]
и
выбор
шага
с
Далее
программа
предоставляет
возмож
направление
прозвучивания
исследуемого
снимаемых
данных
в
соответствии
с
поряд
(УД2-12
или
УЗИ-13).
Ввод
результатов
ос
(рис.5.9),
которые
соответствуют
положениям
акустополярископа (см. фиг. 21, рис.3.4).
После ввода всех показаний изменения амплитуды проходящего
сигнала через исследуемую анизотропную среду программа предоставляет
возможность осуществить просмотр акустополяриграммы как по всем
(рис.5.10), так и по каждому отдельному направлению (рис.5.11,а). Жирной
линией помечаются изменения максимальной амплитуды огибающих при
векторах поляризации преобразователей в положении ВП, тонкая линия
соответствует положению ВС. При нажатия клавиши «Tab» программа
определяет угол, который соответствует углу между векторами поляризации
преобразователей в положении ВС и проекцией элемента симметрии
исследуемой среды (рис.5.11,б). На этот угол необходимо повернуть
преобразователи, чтобы определить время прохождения сигнала через
образец по направлению элемента упругой симметрии среды. Согласно этому
оператору не стоит дополнительный раз извлекать образец, чтобы нанести на
него проекции несмываемым маркером [33]. Достаточно сразу после
проведения комплекса измерений по одному направлению, в ручную
повернуть образец на необходимый угол и продолжать измерять скорость
распространения ультразвука через исследуемую среду.
При
использовании
автоматического
режима
программа, по
умолчанию, начинает работать с прибором УД2-12, внутри которого
установлен контроллер для передачи данных в Lpt-порт компьютера (п/р.3.5).
Согласно выбранному углу сканирования (10, 50 или 10°) программа выбирает
необходимую величину задержки для снятия показаний с цифрового табло
дефектоскопа УД2-12 в реальном режиме времени. Далее данные
обрабатываются согласно методике [73] и выводятся на экран компьютера
(рис.5.10,5.11). Как в процессе работы, так и после вывода на экран
акустополяриграмм результаты можно всегда записать в отдельный файл.
Если работа была внезапно остановлена, то для окончания серии измерений
есть возможность продолжить работу путем выбора соответствующего
пункта в пользовательском интерфейсе.
Ранее был накоплен большой объем акустополяризационных
измерений, полученных на образцах твердых материалов (керамики,
минералов, горных пород). Данные получены при исследовании образцов
керна Кольской сверхглубокой скважины СГ-3. Так как эти результаты
вводились и обрабатывались программой, написанной на языке
программирования Basic, возникла необходимость совместимости двух
программных продуктов. В комплекс ПО Akustpol © входит дополнительный
конвертер [76], при помощи которого можно просмотреть и отредактировать
данные набранные в ранее, написанном программном обеспечении.
Автоматизированный программно-аппаратный комплекс позволяет
повысить точность измерений, а также увеличить производительность.
Точность измерений увеличилась до 1.0 - 1.30. Производительность, в
зависимости от используемого шага сканирования (1 , 5 , 10 ) изменяется
согласно табл.5.1.
Табл. 5.1
Шаг
Кол-во
сканиров
измере-
ания
ний
время регистрации данных для одного направлен
прозвучивания (час,
Basic
Использование Acus
ручной
ручной
10°
36*4
3 ч. 40 мин
3 ч. 10 мин
50
72*4
18 ч. 20 мин
15 ч. 50 мин
10
360*4
36 ч. 40 мин
31 ч. 40 мин
Из табл.5.1 видно, что при максимальной точности измерений (шаг
сканирования 10) время регистрации данных уменьшилось с 36 ч. 40 мин до 2
ч. 25, что соответствует увеличению производительности на 1400 %.
5.6. Результаты изучения анизотропии метаморфизированных архейских
пород
5.6.1. Особенности акустополяризационных диаграмм
В диссертационной работе проводились исследования на образцах
Воче-Ламбинского полигона, расположенного в центральной части
Кольского полуострова [79, 80] и на образцах керна Кольской сверхглубокой
скважины (СГ-3) [81]. Как известно, Кольская сверхглубокая скважина (СГ3) является самой глубокой скважиной в мире и, на сегодняшний день,
достигла предельной глубины 12261 м. Определение упругих характеристик
горных пород проводилось также на Уральской сверхглубокой скважины
(СГ-4) и Воче-Ламбинском
полуострова).
полигоне
(центральная
часть
Приведем примеры некоторых акустополяризационных
образцов горных пород, относящиеся к различному типу сред.
Кольского
диаграмм
Акустополяриграмма,
полученная
при
параллельных
векторах
поляризации (ВП), представлена сплошной линией, при скрещенных
векторах (ВС) - пунктиром. На акустополяриграммах в виде прямых линий
представлены проекции элементов упругой симметрии среды образца,
именованные как [1] - [1'], [2] - [2'], [3] - [3'], указывающие, на какую грань
образца они выходят.
По характеру очертания акустополяриграмм представляемые образцы
можно разбить на три группы: слабой, заметной и сильной анизотропии.
В группе пород слабой анизотропии (рис.5.12) акустополяриграммы ВП
имеют форму близкую к кругу. Акустополяриграммы ВС имеют малый
размер
относительно
размера
диаграммы
ВП.
Из-за
влияния
неоднородностей и погрешностей измерений, их форма часто не позволяет
выделить минимумы АВСМ и точно определить направленность элементов
упругой среды. По этим
Рис.5.12.
Акустополяриграммы
образцов
(сплошная линия - векторы параллельны; пунктир - векторы скрещенны).
а) - силикатное стекло;
б) - мрамор (F-1, s. 94);
в) - обсидиан (CG-3-8, s. 2, O-19).
признакам к слабо анизотропным средам относятся, из приведенных:
силикатные стекла (рис.5.12,а), базальты, мрамор (рис.5.12,б),, а также
вулканогенные породы типа обсидиана (рис.5.12,в). Как правило, слабо
анизотропные породы рассеяны в пределах известных данных, для примера,
сравнительно равномерно по разрезу скважины, от глубин H = 356.8 м до
Н=2643.2 м [33].
Рис.5.13.
Акустополяриграммы
образцов
(сплошная линия - векторы параллельны; пунктир - векторы скрещенны).
а) - кварцевая жила в минерале плагиоклаза (CG-3-8, s. 6, I-M-8);
б) - нефрит (CG-3-8, s. 6, Ne-3);
в) - ортоклаз (кальциевый полевой шпат, СG-3-8, s. 7, XIX-1-b).
Акустополяриграммы ВП пород заметной анизотропии имеют, в
среднем, отличия от круговой формы, в некоторых случаях очень
заметные
(рис.5.13, а, б, в), обусловленные как наличием анизотропии, так и ЭЛААП.
Акустополяриграммы ВС позволяют достаточно точно выявить
пространственную направленность элементов упругой симметрии, так как
минимумы
Рис.5.14.
анизотропией (сплошная
Акустополяриграммы
линия
скрещенны).
а) - текстолит (F-1, s. 93);
б) - гранито-гнейс (СО-3-8, s. 2, G-5-1);
образцов
-
векторы
па
в) - исландский шпат (F-1 s 98)
диаграмм
четкие,
а
теоретически
предсказанной
равномерно
распределены
глубины Н=2866 м [33].
их
по
форма
(рис.2.5).
всем
четырех
Породы
толщам
Акустополяриграммы ВП пород сильной анизотропии (рис.5.14, а, б, в)
имеют формы близкие к предсказанным теоретически, при условии
совместного проявления чисто упругих эффектов - анизотропии и неупругих
- линейной анизотропии поглощения. Акустополяриграммы ВП и ВС чаще
всего представляют собой четырех лепестковые розетки, причем размер ВС
сравним с размерами ВП. Четкие минимумы амплитуд на линиях ВС
позволяют довольно точно определить пространственную направленность
элементов симметрии среды с погрешностью не выше 1 .
Все породы, проявляют сильную анизотропию, их видимая структура
не позволяют отличить их от пород со слабой анизотропией. Сильно
анизотропные породы сконцентрированы в интервале Н=2867.8-3068 м.
5.6.2. Анизотропия упругих свойств горных пород по разрезу Кольской
Сверхглубокой скважины (СГ-3)
Изучение физических, в том числе упругих, параметров скважины СГ-3
открыло возможность представить реальную модель изменений свойств и
состояния кристаллических пород верхней и средней части земной коры.
Разрез такой глубины позволяет выполнить анализ геологических и
геофизических объектов, таких как минералы, геологические толщи, свиты,
комплексы и др. Получен большой набор данных по всему разрезу скважины.
Результаты, полученные в последнее время, позволяют составить
общее представление об упруго-анизотропных свойствах кристаллических
пород, извлеченных из больших глубин. Ниже приведены результаты
исследований упруго-анизотропных свойств керна пород Кольской
сверхглубокой скважины, на основе последних усовершенствований метода
и приборов для определения упругих свойств [33].
Целью исследования являлось определение упругой анизотропии и
других характеристик глубинных образцов разного генезиса. Исследование
проводилось на 10 образцах керна скважины, взятых с разных точек глубин
(0.8 - 8.7 км). Образцы sg3-2140, sg3-8896, sg3-18202 относятся к
изверженным породам (рис.5.15,а, в, г). Образец sg3-5868 относится к
осадочным породам (рис.5.15,б). Остальные образцы относятся к
метаморфизованным породам.
В результате исследования все 10 образцов метаосадочных,
изверженных и метаморфизованных пород проявляют упругую анизотропию.
Плотность и показатели упругости, а также показатели анизотропии и
константы упругости образцов приведены соответственно в Приложение 8 и
в Приложении 9. Круговые диаграммы изменения амплитуды прошедших
через образец колебаний (акустополяриграммы) изображены на рис.5.155.17.
Анализ показал, что на акустополяриграммы, как правило, влияют
четыре, встречающихся в различных сочетаниях и степени, фактора: упругая
анизотропия, ЭЛААП, микротрещиноватость и неоднородность. По
результатам, приведенным в Приложении 8, 9 заметно изменение
характеристик горных пород с увеличением глубины от 0.8 км до 8.7 км. С
увеличением глубины наблюдается увеличение объемной плотности
образцов (Приложение 8), что свидетельствует о большем объемном
содержании темноцветных минералов. Для некоторых образцов объемная
плотность имеет меньшую величину (обр. sg3-29371, sg3-30170, sg3-30548b,
sg3-30656). Это, вероятно, связано с так называемым эффектом
дезинтеграции [33].
Как правило, проекции элементов симметрии четко выделяются на
всех трех гранях образцов. Показатель эффекта линейной акустической
анизотропии поглощения Д изменяется во всем спектре возможных
значений. Для первых трех образцов (обр. sg3-2140, обр. sg3-5868, обр. sg38896), в направлении, совпадающем с осью скважины (направление 3-3")
зафиксирована большая однородность образцов (рис.5.15, Приложение 8). По
двум другим направлениям отмечается явление упругой анизотропии,
наблюдаются четырехлепестковые фигуры акустополяриграмм, полученных
при положении ВС (рис.5.15). На грани 1-1" образца sg3-8896 проявляется
ЭЛААП.
На
образцах sg3-18202,
sg3-21975а,
sg3-24822 и sg3-29371
наблюдается увеличенные
Рис. 5.15. Акустополяриграммы образцов:
а - туф (обр. sg3-2140); б - алевролит (обр. sg3-5868); в - габбро-диабаз
(обр . sg3-8896); г - туффит (обр. sg3-18202)
сплошные линии - векторы параллельны (ВП);
пунктирные линии - векторы скрещены (ВС).
Рис.5.16. Акустополяриграммы образцов:
а - амфиболовый сланец (обр. sg3-21975a); б - амфиболит (обр. sg3-24822);
в - оталькованный сланец (обр. sg3-29371); г - эпидотовый гнейс (обр.
sg3-30170).
сплошные линии - векторы параллельны (ВП);
пунктирные линии - векторы скрещены (ВС).
Рис.5.1 7. Акустополяриграммы образцов:
а - эпидотовый гнейс (обр. sg3-30548b); б - амфиболовый гнейс (обр. sg3-30656).
сплошные линии - векторы параллельны (ВП);
пунктирные линии - векторы скрещены (ВС).
значения ЭЛААП (Приложение 8). Заметна неоднородность образцов, что
отмечается по неправильной форме акустополяриграмм, полученных при
параллельных векторах поляризации (ВП) (рис.5.15,5.16). ЭЛААП
проявляется в этих образцах по всем трем граням. Так же как и первые три
образца, образцы эпидотового гнейса (рис.5.16,5.17, обр. sg3-30170, sg3305486) по одному из трех направлений проявляют изотропные свойства, но
они, судя по акустополяриграммам, являются неоднородными. Сильно
анизотропным, с высоким коэффициентом ЭЛААП является обр. sg3-30656
(рис.5.17,б). Тут также преобладает влияние неоднородностей и
микротрещиноватости.
Обзор матриц Vij (приложение 8) показывает, что каждая из скоростных
характеристик
пород
содержит
некоторую
определенную
(детерминированную) и случайную (флуктуационную) составляющие. Из
выборки, прошедшей предварительный комплекс измерений, только 5
образцов показали поперечно-изотропный тип симметрии (рис.5.15 - обр.
sg3-2140, sg3-5868, sg3-8896; рис.5.16 - обр. sg3-30170; рис.5.17 - обр. sg330548b). Причем два из них представляют редкую разновидность этого
типа, - в направлении оси симметрии скорость распространения продольных
волн максимальна, а в направлении плоскости - минимальна. Примером
пород этого типа может служить обр. sg3-29371 (рис.5.16) и обр. sg3-30548b
(рис.5.17) (приложение 8). Условно такой тип упругой симметрии можно
представить моделью, состоящей из параллельных цилиндрических
стержней. Пространство между стержнями может занимать изотропная среда
с отличающимися от материала стержней упругими свойствами. Такая
модель является линейно-плоскостной [33]. Другие два образца (рис.5.15 обр. sg3-18202; рис.5.16 - обр. sg3-30170) представляют собой другой тип
изотропной среды - плоскостную модель. Что касается других образцов, то
их симметрия относится к орторомбическому типу.
На основе данных (Приложение 8), по формулам (5.16)-(5.19) выполнен
расчет модулей упругости Cij. По формуле (5.15) определены коэффициенты
анизотропии £ш2, £2233, Y1213, Yrn3. Также введен коэффициент ЛТ, который
позволяет предложить критерий, с помощью которого можно определить
породы, симметрия которых ближе к псевдогексагональной [33]:
ЛТ = 2(1133-£ 223) (5.21)
181133 +е 2233 )
Принято [33], что, если 0 S ЛТ S 0.25 или 1.75 S ЛТ S 2.00, то породу следует
отнести к псевдогексагональной. При ЛТ = 0.25 - 1.75 по упругим свойствам
следует
считать
ее
принадлежащей
к
ромбической
симметрии.
Соответственно, в приложении 9 породы псевдогексагональной симметрии
отмечены буквой «Г», а ромбической «Р».
По результатам определений может быть рассчитан показатель силы
акустического двулучепреломления анизотропной среды в направлении
прозвучивания [82]:
распространения поперечных колебаний соответственно на этой грани
образца на которой определен показатель Д.
Показатель В, как и показатель силы оптического двулучепреломления в
отношении кристаллов [83] может служить диагностическим признаком
пород, имеющих ориентированные текстуры: слоистую, сланцеватую,
линейную и др. Этот показатель может отражать степень гнейсовидности,
гранитанизации, амфиболизации, серпентинизации и др. горных пород.
Результаты В по разрезу Кольской сверхглубокой скважины приведены в
приложении 9.
Сравнительно широко распространены так называемые технические
упругие
постоянные [84]. Например,
орторомбическая
система
характеризуется девятью независимыми постоянными: тремя модулями
Юнга (Е], Е2, Е3), тремя коэффициентами Пуассона (v2i, и23, и12, или Vi2, и13,
и32) и тремя модулями сдвига (G12, G23, G]3). Переход от констант Sj (Cj к
техническим для орторомбической системы осуществляется по формулам:
В качестве окончательных выводов по разрезу Кольской сверхглубокой
скважины СГ-3 можно сказать, что:
• все образцы кристаллических пород, определения параметров которых
выполнены, являются анизотропными;
• породы, залегающие на сравнительно неглубоких горизонтах (глубина
менее 2,3 км) являются более однородными;
• породы, расположенные на глубине более 2,3 км, ввиду переменного
характера по направлению и величине воздействия тектонических сил,
включающих процессы сжатия и сдвига, как правило неоднородны.
Этот вывод следует из анализа неправильных форм акустополяриграмм
• в породах, извлеченных с глубины до 2,3 км, эффект линейной
акустической анизотропии поглощения практически не проявляется. В
то же время у пород, залегающих глубже, чем 4,8 км его проявление
очень существенно.
Также при помощи акустополяризационного метода было проведено
исследование полевых шпатов, к которым относятся микроклин, олигоклаз,
ортоклаз на наличие ЭЛЛАП [79,80]. И было установлено, что полевые
шпаты проявляют ЭЛААП и причем достаточно ярко, несмотря на то, что
микроклин обладает типом упругой симметрии не выше орторомбического
[79]. Наиболее вероятным объяснением наблюдаемого ЭЛААП является
наличие в кристаллах микроклина, олигоклаза, ортоклаза совершенной
спайности. И кроме всего, проявление ЭЛААП и плеохроизма в этих
минералах не связаны между собой, поскольку полевые шпаты практически
не проявляют дихроизм и плеохроизм.
Акустополярископия синтетического кварца, природных кристаллов
апатита и других минералов показала, что акустополяризационный метод
позволяет с точностью до 1 проводить определения пространственного
положения элементов упругой симметрии минералов, относящихся к
низкосимметричным [79].
5.6.3. Практическое применение результатов акустополярископии при
контроле качества материалов и изделий
Характеристика упругих свойств горных пород определяется видом и
числом элементов, величиной констант и определенной системой симметрии,
показателями линейной акустической анизотропии поглощения и силы
двулучепреломления, конечно, намного сложнее пока существующей
практики, включающей определение величины скорости распространения
квазипродольных, а в иных случаях и квазипоперечных колебаний. Причем
последние, как правило, определяются в случайном по отношению к
элементам упругой симметрии, направлениям.
Однако
затраченные
усилия
на
проведение
комплекса
вышеизложенных определений будут оправданы тем, что наряду с
вещественными,
минералогическими,
геохронологическими
данными,
характеристика горной породы становится более полной. В связи с этим,
акустополяриметрия, как метод, позволяющий устанавливать связи между
структурой, текстурой и упругой симметрией пород, можно рассматривать
как некоторый вид петрографии - акустическую петрографию. Накопленный
опыт показывает, что возможно со временем метод позволит заменить часть
структурных определений, выполняемых визуально на шлифах при помощи
акустополярископа. Соответственно, трудоемкость акустополяризационных
определений по сравнению с оптическими может быть снижена в десятки
раз.
Выполнение акустополяризационных измерений на различных рабочих
частотах позволяет проследить строение сложнодифференцированной
анизотропной горной породы на разных структурных уровнях. По
показателю силы акустического двулучепреломления и другим данным
возможна разработка диагностической таблицы кристаллических горных
пород (аналогичной таблице Мишель-Леви, употребляемой в оптической
минералогии [83]).
Правильная интерпретация результатов геофизических исследований
во многом зависит от модели среды, положенной в основу расчетов, т. к.
распространение упругих волн, например, в изотропных и анизотропных
средах, обладает рядом принципиальных отличий. Систематизация классов
упругой симметрии наиболее типичных разновидностей горных пород,
выполненная методом акустополяриметрии, позволяет наиболее обоснованно
выбрать модель и выполнять построение геологического разреза.
Полная характеристика упругих свойств также очень важна тогда,
когда горная порода используется как инженерно-геологический элемент или
часть несущей конструкции скальных оснований плотин, в подземных
сооружениях, выработках рудников и шахт, стволах и скважин. Данная
характеристика позволяет установить точное соответствие деформаций
приложенным напряжениям.
Метод акустополярископии может быть, как модификация метода
акустоупругости, применен для определений напряжения в горных породах,
бетоне, металлах, конструкционных материалов и др. При этом может быть
использован эффект перехода изотропной среды в анизотропное состояние
под действием напряжений. В непрозрачных конструкциях этим методом
возможно наблюдение семейства изолиний напряжений, аналогично методу
фотоупругости.
Выводы по разделу 5
1. Программное обеспечение Acustpol© в отличие от существующего
ранее программного продукта обладает целым рядом возможностей: выбора
типа прибора (УД2-12, УЗИ-13); изменения шага сканирования (10, 50, 10°);
выбора
режима
исследования
(ручной,
полуавтоматический
и
автоматический); ввода поправки угла образца по отношению к
используемой системе координат; просмотра акустополяриграмм как по
каждому, так и по всем направлениям; определять угол отклонения
пространственной ориентации элементов симметрии от направления
прозвучивания; записи результатов в отдельный файл; совместимость с
предыдущим программным продуктом.
2. При помощи ПО Acustpol© достигнуто управление контроллером, что
обеспечивает
своевременную
передачу
результатов
измерения
в
параллельный порт ввода-вывода компьютера в реальном режиме времени.
Замена ранее существующего программного продукта новым (Acustpol ©)
позволило повысить точность оценки результатов эксперимента. При этом
точность определения проекций элементов симметрии исследуемого образца
увеличилась до 1.0 - 1.30 и исключило существующую погрешность (4-60)
при построении акустополяриграмм предыдущим программным продуктом.
3. Автоматизированный программно-аппаратный комплекс позволил
повысить не только точность измерений, но и увеличил производительность
работ. При максимальной точности измерений (шаг сканирования 10) время
регистрации данных уменьшилось с 36 ч. 40 мин до 2 ч. 25, что соответствует
увеличению производительности в 14 раз.
4. При исследовании упругих характеристик горных пород по разрезу
Кольской
сверхглубокой
скважины
получено,
что
все
образцы
кристаллических пород являются анизотропными. Породы, залегающие на
сравнительно неглубоких горизонтах (глубина менее 2,3 км) являются более
однородными. При этом эффект линейной акустической анизотропии
поглощения практически не проявляется. Породы, расположенные на
глубине более 2,3 км как правило неоднородны, и на глубине более чем 4,8
км проявление эффекта линейной акустической анизотропии поглощения
очень существенно.
5. При
определении
упругих
характеристик
полевых
шпатов
акустополяризационным методом было установлено, что полевые шпаты
проявляют ЭЛААП и причем достаточно ярко. Наиболее вероятным
объяснением наблюдаемого ЭЛААП является наличие в кристаллах полевых
шпатов совершенной спайности. И кроме всего, проявление ЭЛААП и
плеохроизма в этих минералах не связаны между собой, поскольку полевые
шпаты практически не проявляют дихроизм и плеохроизм.
6. Результаты, полученные при исследовании представительного набора
образцов керна, позволили составить общее представление об упругоанизотропных свойствах кристаллических пород, извлеченных из больших
глубин Кольской Сверхглубокой скважины СГ-3.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1. В диссертации рассмотрены кинематические и динамические
ультразвуковые методы определения акустических характеристик твердых тел:
резонансные, импульсные, интерференционные и др. Обосновано направление
и выбор исследования упругих характеристик горных пород на
акустополяризационном методе. Показана необходимость совершенствования
методов обработки результатов измерений с учетом возможностей современной
вычислительной техники.
2. Рассмотрены основные закономерности распространения продольных
и поперечных ультразвуковых колебаний в анизотропных средах, в том числе и
пьезокристаллах.
Рассмотрены
физические
основы
нового
акустополяризационного метода определения упругих характеристик
анизотропных сред. Более подробно проанализировано распространение
поперечных колебаний, смена вида поляризации в поперечно-изотропной среде.
Описаны физические основы эффекта линейной акустической анизотропии
поглощения колебаний.
3. Приведены общие схемы установок для определения упругих
характеристик минералов и горных пород акустополяризационным методом.
Проанализированы существующие конструкции акустополярископа. Показаны
недостатки конструкции с поворотной платформой и достоинства конструкции
с автоматизированным приводом поворотной платформы. Приведена
конструкция автоматизированного акустополярископа. Описана методика
работы акустополярископа с автоматизированным приводом поворотной
платформы.
Конструкция
ультразвукового
измерителя
скорости
распространения ультразвуковых колебаний УЗИС-ГЭТУ выполнена на
современной элементной базе (микропроцессор, высокоскоростная логика).
Определены возможности прибора, описана функциональная схема работы
основных узлов. Анализируется акустическая система с парой демпфированных
пластинчатых преобразователей повернутых срезов. Определены особенности
процесса измерений скоростей прибором УЗИС-ГЭТУ. Для передачи
результатов в параллельный порт ввода-вывода персонального компьютера в
реальном режиме времени в автоматизированном программно-аппаратном
комплексе используется контроллер. Описаны основные детали процесса
передачи, показана схема и работа контроллера. Контроллер соединен с
внутренней схемой дефектоскопа УД2-12 и встроен в его корпус.
4. Проанализированы
особенности
излучателей
и
приемников
ультразвука для определения величин скорости распространения колебаний.
Определены требования к источникам и приемникам ультразвуковых
колебаний, в том числе и для измерения амплитуды прошедшего образец
сигнала. Обоснована необходимость выбора низкой частоты колебаний,
излучаемых излучателем, при определении характеристик сильнопоглощающих
сред. Обоснованы оптимальные соотношения размеров преобразователей и
образцов. Выполнен теоретический анализ демпфированных пластинчатых
преобразователей с косым срезом и рассмотрена их работа, как в режиме
излучения так и в режиме приема. Получены основные соотношения и
коэффициенты, определяющие режим преобразования. Приведен алгоритм
расчета
частотных
характеристик
Рассмотрен
расчет
двумодовых
преобразователей и показаны зависимости возбуждения продольных и
поперечных волн от величины угла среза. Рассмотрены зависимости влияния
различного типа буферных стержней на общую характеристику возбуждения
продольных и поперечных колебаний. Показано влияние толщины контактного
слоя на работу преобразователя. Приведены основные расчетные графики
зависимости. Определены основные параметры устройства и разработана
конструкция акустического преобразователя. Показаны основные достоинства
и недостатки преобразователей с косым срезом.
5. Указаны общие требования к методике измерения. Описана полная
последовательность
проведения
акустополяризационных
измерений.
Разработано новое программное обеспечение Acustpol ©, предназначеное для
обработки результатов акустополяризационных измерений. Предлагается
алгоритм и разработка программы ввода обработки и представления
результатов
акустополяризационных
исследований
Показаны
новые
возможности работы программы и отличительные особенности перед
предыдущим программным продуктом. Программа связана с контроллером
ввода данных в параллельный порт компьютера. Рассмотрена технология
измерения скоростей распространения колебаний в анизотропных и
неоднородных средах; анализ особенностей и квазиматриц квазипродольных и
квазипоперечных скоростей. Приводится описание и приемы определения
основных типов симметрии, а также расчет констант упругости сред различных
типов упругой анизотропии. Приведены основные расчетные формулы и
соотношения.
6. Исследованы характеристики ряда образцов породообразующих
минералов и горных пород различных типов упругой анизотропии (изотропные,
слабо и сильно анизотропные). Для образцов Воче-Ламбинского полигона и
керна Кольской сверхглубокой скважины СГ-3, извлеченного из различной
глубины получены акустополяриграммы и определены их упругие
характеристики. Показано влияние различного рода эффектов: упругой
анизотропии, эффекта линейной акустической анизотропии поглощения,
микротрещиноватости и неоднородности. По результатам измерений
определены упругие характеристики горных пород, такие как: показатель
ЭЛААП Д; показатель двулучепреломления В; модули упругости C;
коэффициенты анизотропии как для квазипродольных е так и для
квазипоперечных
колебаний
у;
определен
параметр АТ. Указанные
характеристики приведены в соответствующие таблицы. Исследование
акустополяризационным методом было выполнено на минералах кварца и
полевых шпатов. Обнаружено проявление ЭЛААП в образцах полевых шпатов.
Результаты акустополярископии синтетического кварца (он относится к
низкосимметричному типу симметрии) позволяют сделать вывод, что
акустополяризационный метод пригоден для определения, с высокой
точностью, пространственного положения элементов упругой симметрии в
этих типах минералов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мэзон У. Предисловие к монографии «Физическая акустика». - В кн.:
Методы и приборы ультразвуковых исследований / Под ред. У. Мэзона. М.: Мир, т.1, ч. А, 1966. с.10-11.
2. Соколов С.Я. Ультразвуковые методы изучения свойств закаленной стали
и определения внутренних пороков металлических изделий. - ЖТФ, т. 2,
1941. с.160-169.
3. Соколов С.Я. Применение ультразвуковых колебаний для наблюдения
физико-химических процессов. - ЖТФ, 1946, т.16, с. 784-790.
4. Соколов С.Я. Поглощение ультразвуковых колебаний твердыми телами. ДАН СССР, 1948, т. 26, с. 64-75.
5. Меркулов Л.Г. Исследование рассеяния ультразвука в металлах. ЖТФ,
1955, т. 26, с.64-75.
6. Меркулов Л.Г. Поглощение и диффузное
металлах. ЖТФ, 1957, т. 27, с.1045-1050.
рассеяние
ультразвука
в
7. Меркулов Л.Г. Применение ультразвука для исследования структуры
сталей. ЖТФ, т. 27, 1957. с.1386-1391.
8. Меркулов
Л.Г.,
Яковлев
Л.А.
Ультразвуковые
исследования
деформированных кристаллов NaCl. - Акуст. ж., 1960, т.6, вып.2, с.244251.
9. Труэлл Р., Эльбаум Ч., Чик Б. Ультразвуковые методы в физике твердого
тела. - М.: Мир, 1972. 307 с.
10. Гранато А., Люкке К. Струнная модель дислокации и дислокационное
поглощение звука. - В кн.: Физическая акустика / под ред. У. Мезона. М.: 1969, т.4, ч.А.
11. Меркулов Л. Г., Харитонов А. В. Взаимодействие упругих волн с
дислокациями. - В кн.: Ультразвуковые методы исследования дислокаций
/ Под ред. Л.Г. Меркулова. - М.: ИЛ, 1963.
12. Гуляев Ю.В. Предисловие редактора перевода к тематическому выпуску:
Поверхностные акустические волны - устройства и применения. ТИИЭР, 1976, т.64, вып.5, с.3-6.
13. Каринский С.С. Устройства обработки сигналов на ультразвуковых
поверхностных волнах. - М.: Сов. Радио, 1975.
14. Речицкий В.И. Акустоэлектронные радиокомпоненты. - М.: Сов. Радио,
1980.
15. Ямщиков В.С. Методы и средства исследования и контроля горных пород
и процессов. М.: Недра, 1982. 296 с.
16. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. М.: Изд-во
ИЛ, 1957. 726 с.
17. Почтовик Г.Я., Злочевский А.Б., Яковлев А.И. Методы и средства
испытания строительных конструкций. М.: Высшая школа, 1972. 160 с.
18. Джонс Р., Фэкэоару И. Неразрушающие методы испытания бетонов. М.:
Стройиздат, 1974. 292 с.
19. Голубев И. А. Методы неразрушающего контроля древесных плит. М.:
Лесная промышленность, 1982. 152 с.
20. Най Дж. Физические свойства кристаллов. М.: Изд-во ИЛ, 1960. 385 с.
21. Voigt W. Lehrbuch der Kristallphysik. Leipzig: Verl. Von B.G.Teubner. 1910.
964 s.
22. Федоров Ф.И. Теория упругих волн в кристаллах. М.: Наука, 1965. 384 с.
23. Петрашень Г.И. Распространение волн в анизотропных упругих средах.
Л.: Наука, 1980. 280 с.
24. Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела. М.: Гостехиздат,
1957. 343 с.
25. Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела. М.: Наука, 1977.
416 с.
26. ГОСТ 21153.0-75. Отбор проб и общие требования к методам физических
испытаний. М.: Изд-во Стандартов, 1975. 3 с
27. Беликов Б.П., Александров К.С., Рыжова Т.В. Упругие свойства
породообразующих минералов и горных пород. М., «Наука», 1970. 276 с.
28. Александров К.С. Акустическая кристаллография
современной кристаллографии. М.: Наука, 1975. с. 327-345.
//
Проблемы
29. Шрайбер Д.С. Ультразвуковая дефектоскопия. М.: Металлургия, 1965.
395 с.
30. Ермолов И.Н. Методы ультразвуковой дефектоскопии. М.: Изд-во МГИ,
1967. 267 с.
31. Lucas R. Mesure an moyen d'ondes ultrasonores polarisees des variations des
constants elastique dans les solides souneis a des contraintes// Comptes rendes
de l'Academie des sciences. 1961. Vol.252. No. 25. p. 3937-3939.
32. Smith R.T. Stress-induced anisotropy in solids - the acoustoelastic affect //
Ultrasonics. 1963. Vol. 1. p. 135-147.
33. Горбацевич Ф.Ф. Акустополярископия горных пород. Апатиты: КНЦ,
1995. 204 с.
34. Атлас
физических
свойств
минералов
и
месторождений. Изд-во «Наука», Ленингр. отд., Л., 1975.
пород
Хибинских
35. Горбацевич Ф.Ф. Нелинейности деформирования скальных горных пород
при статическом нагружение. Инж. Геология. 1979. № 4. с.49-59.
36. Колесников А. М. Акустические измерения М.: Наука, 1985. 254 с.
37. Мак-Скимин Г. Ультразвуковые методы измерения механических
характеристик жидкостей и твердых тел //В книге: Физическая акустика
/Под редакцией У. Мэзона - М.: Мир, 1966.
38. Mc Skimin H.J., JASA, 1950, 22, №4.
39. Mc Skimin H.J., JASA, Trans. On Ultrasonics Eng., PGUE - 5, aug. 1957.
40. Mc Skimin H.J., JASA, 33, 1, 1963.
41. May J.E. JRE Notl.Conv.Rec. 1958, 6, P. 2.
42. Papadakis E.P., JASA, 42, №5.
43. Меркулова В.М. О точности импульсного метода измерения затухания и
скорости ультразвука //Акустический журнал, 1966, XII, вып.4.
44. Меркулова В.М. Искажения прямоугольного акустического импульса в
среде с затуханием. В сб. "Применение ультраакустики к исследованию
вещества". Вып.ХХ1, МОПИ, М.: 1965.
45. William J., Lamb J., JASA, М.: 1951.
46. Мезон У. Пьезоэлектрические
ультраакустике. М, 1952.
кристаллы
и
их
применение
в
47. Иванов В.Е. Разработка прецизионных методов измерения скорости
распространения ультразвуковых волн в твердых телах /Автореферат
диссертации на соискание ученой степени к.т.н. 1970 год, ЛЭТИ.
48. Яковлев Л.А. О возможностях импульсно-фазового метода измерений
скоростей распространения ультразвуковых волн в твердых телах. Изв,
ЛЭТИ. - Л., 1977, вып.221.
49. Щукин В.А., Яковлев Л.А. О влиянии контактных слоев на точность
измерения скорости звука в твердых телах //Акустический журнал, Т.1Х,
вып.3, 1963.
50. Меркулова В.М., Павлюки В.П., Третьяков В.Л. Методы измерения
скорости и затухания ультразвуковых волн /Учебное пособие по курсу
"Акустические измерения", Таганрог, 1976.
51. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. , Электродинамика сплошных сред. М.,
ГИТТЛ, 1957.
52. Методические рекомендации по применению поляризационного метода
сейсмической разведки. Алма-Ата: Изд-во Каз. ВИРГ, 1984. 184 с.
53. Чесноков Е.М. Сейсмическая анизотропия верхней мантии Земли. М.:
Наука, 1977. 144 с.
54. Акустополяризационные измерения характеристик анизотропии горных
пород. Методические рекомендации. Составитель Горбацевич Ф.Ф.
Апатиты: Изд-во Кольского филиала АН СССР, 1985. 32 с.
55. Яковлев Л.А., Работы кафедры ЭУТ в области высокочастотных
пластинчатых преобразователей //Известия ГЭТУ, вып.505, 1997.
56. Справочник (кадастр) физических свойств горных пород. М.: Недра, 1975.
279 с.
57. Яковлев Л. А. Распространение и отражение упругих
звукопроводах акустоэлектронных устройств /ЛЭТИ. - Л., 1980.
волн
в
58. Меркулов В.М. Поглощение ультразвуковых волн в горных породах в
области частот 10-160 кгц //Изв. АН СССР. Физика Земли. 1968. No 6.
с.24-31.
59. Шаскольская М.П. Кристаллография. М.: Высшая школа, 1984. 376 с.
60. Ковалевский М.В. К вопросу о совершенствовании обработки
результатов исследований упругих характеристик горных пород методом
акустополярископии.// РАН РФФИ Геология и полезные ископаемые
Северо-запада и Центра России. Апатиты, 1999г., 166-169.
61. Определение скорости распространения продольных и поперечных
колебаний в образцах горных пород. Методические рекомендации.
Составитель Горбацевич Ф.Ф. Апатиты: Изд-во Кольского филиала АН
СССР, 1982. c. 6-7.
62. Акустополярископ для измерения упругости образцов твердых сред.
Горбацевич Ф.Ф. А.С. 1281993, СССР, МКИ G01 N 29/04. Бюлл. Изобр.,
1987. №1.
63. Ковалевский М.В., Головатая О.С., Горбацевич Ф.Ф. Автоматический
акустополярископ для измерения упругих и неупругих параметров
твердых сред. М: Геос, Сборник трудов Х1 сессии РАО, т.2, 2001. с. 117121
64. Горбацевич Ф.Ф. Акустополяризационный метод изучения анизотропии
горных пород. Физика Земли № 11, 1986, с. 74-79
65. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. Справочник. 2-е изд.,
Челябинск, «Металлургия», 1989. 350 с.
66. Петровский И.И., Прибыльский А.В., Троян А.А., Чувелев В.С.
Логические ИС КР 1533, КР1554. Справочник, часть 2. М.: «БИНОМ»,
1993. 497 с.
67. Однокристальные микро-ЭВМ. Справочник. М.: «БИНОМ», 1994.
68. Буреев Л.В., Дудко А.Л., Захаров В.Н. Простейшая микро-ЭВМ.
Проектирование. Наладка. Использование. М.: Энергоатомиздат. 1989.
216 с.
69. Интегральные микросхемы. Справочник, под редакцией Тарабрина Б.В.
М.: Энергоатомиздат. 1985.
70. Петровский И.И., Прибыльский А.В., Троян А.А., Чувелев В.С. Логиские
ИС КР 1533, КР1554. Справочник, часть 1. М.: «БИНОМ», 1993. 497 с.
71. Скот Мюллер. Модернизация и ремонт персональных компьютеров. М:
«БИНОМ», 1997. 886 с.
72. Документация на использование ультразвукового дефектоскопа УД2-12.
73. Акустополяриметрия и определение упругой симметрии горных пород.
Методические
рекомендации.
Составители:
Ф.Ф.Горбацевич,
В.В.Балаганский, Н.Г.Иванова. Апатиты: Изд-во Кольского филиала АН
СССР, 1990. 83 с.
74. Lyakhovitsky F.M. Problems of seismic research on heterogeneous geological
media. J. of Geodinamics. 1986. No 5. P.205-220.
75. Thomsen L. Week elastic anisotropy. Geophysics. 1986. Vol. 51, No 10. P.137.
76. Программный пакет Acustpol © для определения пространственной
ориентации
проекции
элементов
симметрии
анизотропных
сред
акустополяризационным
методом.
Методические
рекомендации.
Составитель Ковалевский М.В. Апатиты: Изд-во Кольского филиала АН
СССР, 2001. 30 c. (рукопись).
77. Ковалевский М.В. К вопросу о совершенствовании обработки
результатов исследований упругих характеристик горных пород методом
акустополярископии.//
РАН
РФФИ
Геология
и
геоэкология
Фенноскандии, Северо-запада и центра России. Петрозаводск, 2000. с.
167-171
78. Шиб Йорг. MS-DOS 6.22. М.: БИНОМ. 224 с.
79. Горбацевич Ф.Ф., Ильченко В.Л., Ковалевский М.В., Шпаченко А.К.
Акустополярископия некоторых породообразующих минералов. Записки
ВМО, № 4, 1999г. с. 88-92.
80. Горбацевич Ф.Ф., Ильченко В.Л., Ковалевский М.В., Шпаченко А.К.
Акустический аналог оптического плеохроизма у полевых шпатов и
других минералов. Тезисы годичной научно-технической конференции
Минералогического общества РАН, Санкт-Петербург, 1998г. с. 50-51
81. Ковалевский М. В. Акустополярископия некоторых осадочных и
изверженных пород по разрезу Кольской сверхглубокой скважины. РАН
РФФИ Геология и геоэкология Фенноскандинавского щита, восточноевропейской платформы и их обрамления. Санкт-Петербург, 2001.
с.133-136
82. Clark A.V., Mignigva R.B., Sanford R.Y. Acoustoelastic measurement of stress
and stress intensity factors around crack tips. - Ultrasonics, March, 1983, p.57-64
83. Лучицкий В.И. Петрография. М.-Л. Госгеоиздат, 1947, 332с.
84. Адамеску Р.А., Гельд П.В., Митюшов Е.А. Анизотропия физических
свойств металлов. М.: Металлургия, 1985. 136с.
85. Лямов В.Е. Поляризационные эффекты и анизотропия взаимодействия
акустических волн в кристаллах. М.: Изд-во МГУ, 1983. 224 с.
86. Волков А.С., Гребенников В.С. Об использовании сдвиговых
ультразвуковых
волн
с
горизонтальной
поляризацией
прим
дефектоскопии изделия // Дефектоскопия. 1988. No 5. C.94-95.
87. Алешин Н.П., Вадковский Н.Н., Медведев В.А. О вводе сдвиговых волн в
контролируемое изделие // Дефектоскопия. 1968. No 7. C.35-40.
88. Геоакустика. Раздел: Упругие волны в неоднородном массиве. М.: МГИ,
1973. 156 с.
89. Волкова Е.А. Поляризационные измерения. М.: Изд-во стандартов, 1974.
156 с.
90. Бюллетень ВАК России. - 2000.- № 4. (Положение о диссертационном
совете и некоторые другие документы).
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Коэффициенты РЧХП
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Программа для расчета коэффициентов РЧХП
#include<stdio.h>
#include<conio.h>
#include<iostream .h>
#include<fstream .h>
#include<iomanip.h>
#include<math.h>
#include<stdlib.h>
#include "crist_cl.cpp"
#include <complex.h>
void vyvod(int n, complex **a, complex *d) //ввывод матрицы n*n, и
//вектора d, размером n
{int i,j;
puts(":((");
cout.precision(4);
for(i=0;i<n;i++)
{printf("|");
for(j=0;j<n;j++)
cout<<*(*(a+i)+j);
cout<<" | "<<d[i]<<endl;
}
return;
}
int gauss(int n, complex **a,complex* d) //метод Гаусса решения системы
//линейных уравнений размерности n
{
int
double
complex
for(k=0;k<=n-1;k++)
k,l,i,imax;
amax;
temp;
{amax=norm(a[k][k]);imax=k;
for(i=k;i<n;i++)
{if(norm(a[i][k])>amax)
{imax=i;
amax=norm(a[i] [k]);
}
}
if(amax<1e-10)
{cout<<amax<<"одна из волн не участвует в системе!!!^";
return k;
}
if(k!=imax) // обмен строк
{
for(l=0;l<n;l++)
{temp=a[k][l];
a[k][l]=a[imax][l];
a[imax][l]=temp;
}
temp=d[k];
d[k]=d[imax];
d[imax]=temp;
}
if(norm(a[k][k])<1e-10)
cout<<" gauss";
d[k]/=a[k][k];
for(l=n-1;l>=k;l--)
{a[k][l]/=a[k][k];}
if(k==n-1)
{goto end;}
for(i=k+1 ;i<=n-1;i++)
{d[i]-=d[k]*a[i][k];
for(l=n-1 ;l>=k;l—)
a [i ] [l ] -=a[i ] [k] * a[k] [l ];
}
end:
}
//vyvod(n,a,d);
for(k=n-1;k>=0;k--)
{
for(l=k-1;l>=0;l--)
{
d[l]-=d[k]*a[l][k];
//a[l][k]-=a[l][k]; //для решения лишнее действие
}
}
//vyvod(n,a,d);
return 0;
} //результат в векторе свободных членов
void vyvc(int n, int m, float *M) //вывод двумерного массива n*m
{int i,j;
cout<<endl;
cout.precision(4);
for(i=0;i<n;i++)
{forG=0;j<m;j++)
cout<<setw(12)<<*(M+i*m+j);
cout<<endl;
}
}
//_
void main()
{
char o;
int i,k,l;
char *f_dat;
float ugx,ugr;
float vl,vt,p2p3,p3p2;
cristal cer;
nach:
clrscr();
f_dat=new char[128]; //работала и без этой команды выделения памяти
cout<<"введите имя файла с данными пьезокристалла ";
cin>>f_dat;
if(cer.vvc(f_dat))
{ шиК^^акою файла нет. Будем вводить данные? (y/n)\n";
cin>>o;
if(o!='y'&&o!='Y'&&o!='н'&&o!='Н') goto nach; //для Windows надо добавить
//русские буквы
else
{printf("введите параметры керамики^");
cer.vvc();
vyvc(6,6,(float*)cer.C);
vyvc(3,6,(float*)cer.e);
vyvc(3,3,(float*)cer.eps);
cout<<cer. ro<<endl;
cout<<"записать в файл "<<f_dat<<"- ?(y/n) ";
cin>>o; //cout<<o;
if(o=='y' ||o=='Y' ||с=='н' ||с=='Н')
{cout<<"save data to - "<<f_dat<<endl;
if(cer. sohr_par(f_dat))
cout<<"такой файл не создать\n";
}
//cout<<"---------сохранение-----";
}
}
else
{vyvc(6,6,(float*)cer.C);
vyvc(3,6,(float*)cer.e);
vyvc(3,3,(float*)cer.eps);
cout<<cer.ro<<endl;
}
getch();
ofstream dv("par_voln.dat");
if(!dv)
{cout<<"не открыть файл для вывода параметров волн -par_voln.dat\n";
exit(1);
}
dv<<"_\n";
cout<<"_\n";
dv<<" ug vl p2/p3 vt p3/p2 \n";
cout<<" ug vl p2/p3 vt p3/p2 \n";
for(ugx=0;ugx<=180;ugx=ugx+10)
{
ugr=ugx*M_PI/180.;
cer.povorot(0.,ugr,0.);
if(cer.dve_volny(&vl,&p2p3,&vt,&p3p2))
exit(1);
cout<<setw(4)<<ugx<<setw(12)<<vl<<setw(10)<<180/M_PI*atan(p2p3);
cout<<setw(12)<<vt<<setw( 10)<<180/M_PI*atan(p3p2)<<endl;
//in file
dv.precision(4); //precision
dv<<setw(4)<<ugx<<setw(12)<<vl<<setw(10)<<180/M_PI*atan(p2p3);
dv<<setw(12)<<vt<<setw(10)<<180/M_PI*atan(p3p2)<<endl;
}
dv.close();
^^^^введите угол поворота вокруг оси Х - ";
fflush(stdin);
cin>>ugx;
ugx*=M_PI/180.;
cer.povorot(0.,ugx,0.);
// cout<<"\n результат преобразования - press any key\n";
clrscr();
vyvc(6,6,(float*)cer.Cp);
vyvc(3,6,(float*)cer.ep);
vyvc(3,3,(float*)cer.epsp);
cer.sohr_par();
if(cer.dve_volny(&vl,&p2p3,&vt,&p3p2))//парамет.волн для данного угла поворота
exit(1);
float Q22,Q23,Q33,de22,de33,de23;
Q22=cer.Q22;Q23=cer.Q23;Q33=cer.Q33;
//cout<<" Q22="<<Q22; cout<<" Q23="<<Q23; cout<<" Q33="<<Q33<<endl;
de22=cer.de22;de23=cer.de23;de33=cer.de33;
// cout<<" de22="<<de22; cout<<" de23="<<de23; cout<<" de33="<<de33<<endl;
getch();
float d,Zl,Zt;
float S=0.0001,Y=0;
float Kil,argKil,Kit,argKit;
float Kpl,argKpl,Kpt,argKpt;
float Kl, argKl ,Kt, argKt;
clrscr();
cout<<"\n введите толщину пьезопластины (мкм) - ";cin>>d;
//дополнительные параметры для системы со слоями и демпфером
float l1,l2; //толщины слоев
float vls,vts,rs,Zsl,Zst,Zdl,Zdt;
cout<<"\n введите толщину слоев (мкм) - ";cin>>l1;l2=l1;
cout<<"\n введите скорость продольной волны в слое (м/с) ";cin>>vls;
cout<<"\n введите скорость поперечной волны в слое (м/c) ";cin>>vts;
cout<<"\n введите плотность материала слоя (кг/м3) ";cin>>rs;
Zsl=rs*vls*1e-9;Zst=rs*vts*1e-9;
cout<<"\n опеределите характеристики демпфера^"
"волновое сопротивление для продольной волны Zdl*(10A-6) - ";
cin>>Zdl; Zdl=Zdl*0.001;
cout<< "волновое сопротивление для поперечной волны Zdt*(10A-6) - ";
cin>>Zdt; Zdt=Zdt*0.001;
cout<<"\n
опеределите
"волновое
сопротивление
cin>>Zl; Zl=Zl*0.001;
характеристики
для
продольной
среды
волны
распространения^"
Zl*(10A-6)
";
cout<< "волновое сопротивление для поперечной волны Zt*(10A-6) - ";
cin>>Zt; Zt=Zt*0.001;
float f,fn,fk,sf;
do
{clrscr();
cout<<"\nчастотный диапазон расчета в мГ^^начальная частота fn - ";cin>>fn;
cout<<" конечная частота fk - ";cin>>fk;
cout<<"шаг изменения по частоте - ";cin>>sf;
}while(fk<fn||sf<0);
complex **a,vd[17],**as,vds[17];
complex sklp,sklm,sktp,sktm,elp,elm,etp,etm;
complex elms,elps,etms,etps,elms1,elps1,etms1,etps1,elms2,elps2,etms2,etps2;
complex j=complex(0,1);
float w,dew22,dew23,dew33,dw,kld,ktd,kls,kts;
//изменение размеров массивов переменных для записи матрицы правой части сист.
a=new complex*[17]; //cout<<a<<' ';
*a=new complex[289]; //cout<<*a<<' ';
for(i=0;i<17;i++)
{*(a+i)=*a+i*17; //cout<<*(a+i)<<' ';
}
as=new complex*[17];// cout<<endl<<as<<' ';
*as=new complex[289]; //cout<<*as<<' ';
for(i=0;i<17;i++)
{*(as+i)=*as+i*17; //cout<<*(as+i)<<' ';
}
//_
dv.open("K_iz.dat");
//ofstream mat("mat1.dat");
ofstream dv1("K_pr.dat");
ofstream dv2("K_pered.dat");
//_________________________
for(f=fn;f<=fk;f+=sf) //получение частотной зависимости преобразования
{
w=2*M_PI*f; dw=w*d; kld=dw/vl; ktd=dw/vt; kls=w/vls; kts=w/vts;
//новые перемменные для слоев (экспоненты)
dew22=de22/dw; dew23=de23/dw;dew33=de33/dw;
elp=exp(j*kld); elm=exp(-j *kld); etp=exp(j*ktd); etm=exp(-j*ktd);
//cout<<elp<<' '<<elm<<' '<<etp<<' '<<etm;
elms=exp(-j*kls*d); elps=exp(j*kls*d); etms=exp(-j*kts*d);
etps=exp(j*kts*d);
//cout<<elms<<' '<<elps<<' '<<etms<<' '<<etps;
elms1=exp(-j*kls*(l1+d)); elps1=exp(j*kls*(l1+d));
etm s 1=exp(-j * kts * (l 1 +d)); etps1=exp(j*kts*(l1+d));
//cout<<elmsl<<' '<<elpsl<<' '<<etmsl<<' '<<etpsl;
elms2=exp(-j *kls*(-l2)); elps2=exp(j *kls*(-l2));
etms2=exp(-j *kts*(-l2)); etps2=exp(j*kts*(-l2));
//cout<<elms2<<' '<<elps2<<' '<<etms2<<' '<<etps2;
sklp=elp-1; sklm=elm-1; sktp=etp-1; sktm=etm-1;
//cout<<sklp<<' '<<sklm<<' '<<sktp<<' '<<sktm;
//обнуление коэффициентов
//вычисление коэффициетов системы в режиме излучения
for(i=0;i<17;i++)
{ for (k=0; k< 17; k++)
a[i][k]=0;
vd[i]=0;
}
//граничные уравнения по смещению
a[0][0]=elm;a[0][1]=elp;a[0][2]=etm*p3p2;a[0][3]=etp*p3p2;
a[0][4]=-elms;a[0][5]=-elps;
a[ 1 ] [0]=elm*p2p3;a[1] [ 1 ]=elp*p2p3 ;a[1 ] [2]=etm;
a[1][3]=etp;a[1][6]=-etms;a[1][7]=-etps;
a[2][4]=elms1;a[2][5]=elps1;a[2][8]=-1;
a[3][6]=etms1;a[3][7]=etps1;a[3][9]=-1;
a[4][0]=1;a[4][1]=1;a[4][2]=p3p2;a[4][3]=p3p2;a[4][10]=-1;a[4][11]=-1;
a[5][0]=p2p3;a[5][1]=p2p3;a[5][2]=1;a[5][3]=1;a[5][12]=-1;a[5][13]=-1;
a[6][10]=elms2;a[6][11]=elps2;a[6][14]=-1;
a[7][12]=etms2;a[7][13]=etps2;a[7][15]=-1;
//граничные уравнения по напряжению
a[8][0]=-(Q33+p2p3*Q23)/vl+j*sklm*(dew33+dew23*p2p3);
a[8][1]=(Q33+p2p3*Q23)/vl+j*sklp*(dew33+dew23*p2p3);
a[8][2]=-(p3p2*Q33+Q23)/vt+j*sktm*(dew33*p3p2+dew23);
a[8][3]=(p3p2*Q33+Q23)/vt+j*sktp*(dew33*p3p2+dew23);
a[8][10]=Zsl;
a[8][11]=-Zsl;
vd[8]=cer.ep[2][2]/d*0.001;
a[9][0]=-(Q23+p2p3*Q22)/vl+j*sklm*(dew23+dew22*p2p3);
a[9][1]=(Q23+p2p3*Q22)/vl+j*sklp*(dew23+dew22*p2p3);
a[9] [2]=-(p3 p2 * Q23+Q22)/vt+j*sktm*(dew23*p3p2+dew22);
a[9][3]=(p3p2*Q23+Q22)/vt+j*sktp*(dew23*p3p2+dew22);
a[9][12]=Zst;
a[9][13]=-Zst;
vd[9]=cer.ep[2][3]/d*0.001;
a[10][8]=Zl;
a[10][4]=-Zsl*elms1;
a[10][5]=Zsl*elps1;
a[n][6]=-Zst*etms1;
a[n][7]=Zst*etps1;
a[11][9]=Zt;
a[12][0]=-elm*(Q33+p2p3*Q23)/vl+j*sklm*(dew33+dew23*p2p3);
a[12][1]=elp*(Q33+p2p3*Q23)/vl+j*sklp*(dew33+dew23*p2p3);
a[12][2]=-etm*(p3p2*Q33+Q23)/vt+j*sktm*(dew33*p3p2+dew23);
a[12][3]=etp*(p3p2*Q33+Q23)/vt+j*sktp*(dew33*p3p2+dew23);
a[12][4]=Zsl*elms;
a[12][5]=-Zsl*elps;
vd[12]=cer.ep[2][2]/d*0.001;
a[13][0]=-elm*(Q23+p2p3*Q22)/vl+j*sklm*(dew23+dew22*p2p3);
a[ 13 ] [ 1 ]=elp * (Q23 +p2p3 * Q22)/vl+j * sklp * (dew23+dew22 *p2p3 );
a[ 13 ] [2]=-etm * (p3 p2 * Q23+Q22)/vt+j * sktm * (dew23 *p3 p2+dew22);
a[13][3]=etp*(p3p2*Q23+Q22)/vt+j*sktp*(dew23*p3p2+dew22);
a[13][6]=Zst*etms;
a[13][7]=-Zst*etps;
vd[13]=cer.ep[2][3]/d*0.001;
a[14][10]=-Zsl*elms2;
a[14][11]=Zsl*elps2;
a[14][14]=-Zdl;
a[15][12]=-Zst*etms2;
a[15][13]=Zst*etps2;
a[15][15]=-Zdt;
for(i=0;i<16;i++)
for(k=0;k<16;k++) //дублироввание а в as
as[i][k]=a[i][k];
/*for(i=0;i<16;i++) //вывод значений большой матрицы по частям
{ for(k=0; k< 16; k++)
{mat<<i<<", "<<k<<" "<<a[i][k]<<" ";if(!((k+1)%3))mat<<endl;}
mat<<endl<<vd[i]<<endl;
//getch();
}
mat<<"-------------"<<endl;*/
//vy vod( 17,(complex* *)a,vd);
//изменяем размерость решаемой системы
l=gauss(16,a,vd);
// cout<<"izl - done"<<endl;
if (l!=0)
{cout<<"режим излучения - сбой на волне "<<l<<endl;
exit(EXIT_F AILURE);}
//vy vod(6, (complex* *)a,vd);
//сменить индекс соответствующий решению
Kil=sqrt(norm(vd[8]));Kit=sqrt(norm(vd[9]));
argKil=arg(vd[8]);argKit=arg(vd[9]);
cout.precision(8);dv.precision(8);
cout<<f<<" l "<<Kil<<" "<<argKil;
cout<<" t "<<Kit<<" "<<argKit<<" "<<endl;
dv<<f<<"\t"<<Kil<<"\t"<<argKil;
dv<<" \t "<<Kit<<"\t"<<argKit<<"\t"<<endl;
//режим приема
for(i=0;i<16;i++)
for(k=0;k<16;k++) //дублироввание а в as
a[i][k]=as[i][k];
a[0][16]=as[0][16]=0;
a[1][16]=as[1][16]=0;
a[2][16]=as[2][16]=0;
a[3][16]=as[3][16]=0;
a[4][16]=as[4][16]=0;
a[5][16]=as[5][16]=0;
a[6][16]=as[6][16]=0;
a[7][16]=as[7][16]=0;
a[8] [ 16]=as[8] [ 16]=-cer. ep[2] [2]/d*0.001;
a[9][16]=as[9][16]=-cer.ep[2][3]/d*0.001;
a[10][16]=as[10][16]=0;
a[11][16]=as[11][16]=0;
a[12][16]=as[12][16]=-cer.ep[2][2]/d*0.001;
a[13][16]=as[13][16]=-cer.ep[2][3]/d*0.001;
a[14][16]=as[14][16]=0;
a[15][16]=as[15][16]=0;
vd[0]=vds[0]=0;
vd[1]=vds[1]=0;
vd[2]=1;vds[2]=0;
vd[3]=0;vds[3]=1;
vd[4]=vds[4]=0;
vd[5]=vds[5]=0;
vd[6]=vds[6]=0;
vd[7]=vds[7]=0;
vd[8]=vds[8]=0;
vd[9]=vds[9]=0;
vd[10]=Zl;vds[10]=0;
vd[11]=0;vds[11]=Zt;
vd[12]=vds[12]=0;
vd[13]=vds[13]=0;
vd[14]=vds[14]=0;
vd[15]=vds[15]=0;
vd[16]=vds[16]=0;
a[ 16] [0]=as[ 16][0]=sklm*(cer.ep[2][2]+cer.ep[2][3]*p2p3);
a[16][1]=as[16][1]=sklp*(cer.ep[2][2]+cer.ep[2][3]*p2p3);
a[16][2]=as[16][2]=sktm*(cer.ep[2][2]*p3p2+cer.ep[2][3]);
a[16][3]=as[16][3]=sktm*(cer.ep[2][2]*p3p2+cer.ep[2][3]);
a[ 16][ 16]=j *w*cer.epsp[2][2]*8.85* 1 e-6;//f-в МГц -> 10л6*10л-12=10л6
a[16][16]=a[16][16]+Y*d*1e-6/S; //множитель т.к. d задается в мкм
as[16][16]=a[16][16];
//vy vod( 17,(complex* *)a,vd);getch();
l=gauss(17,a,vd);
if (l!=0)
{cout<<"режим приема 1 - сбой на волне "<<l<<endl;
exit(EXIT_F AILURE);}
//vy vod( 16,(complex* *)a,vd);
Kpl=sqrt(norm(vd[ 16]));
argKpl=arg(vd[16]);
//vy vod( 16,(complex* *)as,vds);getch();
l=gauss(17,as,vds);
if (l!=0)
{cout<<"режим приема 2 - сбой на волне "<<l<<endl;
exit(EXIT_F AILURE);}
Kpt=sqrt(norm(vds[16]));
argKpt=arg(vds[ 16]);
cout<<" l "<<Kpl<<" "<<argKpl;
cout<<" t "<<Kpt<<" "<<argKpt<<" "<<endl;
dv1<<f<<"\t"<<Kpl<<"\t"<<argKpl;
dv1<<" \t "<<Kpt<<"\t"<<argKpt<<"\t"<<endl;
Kl=Kil*Kpl; Kt=Kit*Kpt;
argKl=argKil+argKpl; argKt=argKit+argKpt;
dv2<<f<<"\t"<<Kl<<"\t"<<argKl;
dv2<<" \t "<<Kt<<"\t"<<argKt<<"\t"<<endl;
cout<<"_l "<<Kl<<" "<<argKl;
cout<<"_t "<<Kt<<" "<<argKt<<" "<<endl;
}
dv.close();
dv1.close();
dv2.close();
//mat.close();
getch();
}
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Схема электрическая принципиальная УЗИС-ГЭТУ
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Программа прошивки процессора УЗИС-ГЭТУ
Rot_1 Segment Data
RSeg Rot_1
B_it: DS 1
;B_it DATA
Izm buk DATA 024H
Schet1 data
020h
Schet2 data
021h
cseg
ORG
00H
LJMP
PROG
LJMP
PRER_
INT0
NOP
NOP
NOP
LJMP
PRER_
T0
NOP
NOP
NOP
LJMP
PRER_
INT1
NOP
NOP
NOP
LJMP
PRER_
T1
NOP
NOP
NOP
LJMP
PRER_
TIRI
Schet1, #0h
Schet2, #0h ;счетчики для кнопок
R1, #0H ;начальное положение курсора в первой позиции
R2, #0H ;[R2,B]-двухбайтовая временная переменная
Izm buk,#0AH
R6, #0H ; начальная задержка равна 020D
R7, #020H ;где R6-старший байт
025H, #0H ;установка старшего байта длительности импульса
026H, #02H ;установка младшего байта длительности импульса
027H, #0H ;установка старшего байта периода следования
028H, #01H ;установка младшего байта периода следования
PSW.4 ;банк 2 длительности строба
R7, #05H ;установка длительности строба
CLR PSW.4 ;банк 0 установка для задержки
MOV P3, #00EH ;все стробы записи в счетчики выключены
P2, #0FFH ;все биты порта 2 установлены в 1
TMOD, #1
TCON, #010H
MOV
MOV
MOV
MOV
SETB EA
SETB ET0
PROG01: LCALL
MOV A,
ANL A,
ORL A,
MOV P0,
LCALL KEYB
MOV A, R7
SWAP A
SP, #030H ;установка указателя стека
KEYB
R7
#0FH
#070H
A ;младшую тетраду R7 в первый разряд индикатора
; вызов обработчика клавиатуры
PROG:
mov
mov
MOV
MOV
MOV
MOV
MOV
MOV
MOV
MOV
MOV
SETB
MOV
ANL A, #0FH
ORL A, #0B0H
MOV P0, A ;старшую тетраду R7 во второй разряд индикатора
LCALL KEYB
MOV A, R6
ANL A, #0FH
ORL A, #0D0H
MOV P0, A ; младшую тетраду R6 в третий разряд индикатора
LCALL KEYB
MOV A, Izm_buk
ANL A, #0FH
ORL A, #0E0H
MOV P0, A ;букву в четвертый разряд индикатора
LCALL KEYB
LJMP PROG01
KEYB: ;обработка клавиатуры
;в [R6,R7] текущее значение задержки
;R6-старший байт
MOV R2, #0H ;[R2,B]-двухбайтовая временная переменная
MOV B, #1 ;Я2-старший байт
;R1-номер редактируемого разряда
R1
; R1 R2 B
;
;
2
3 0h 1h буква
MOV A,
RRC A
JNC LL0
MOV B,
RRC A
JNC LL1
MOV B, #01H
LJMP LL1
LL0: MOV A, R1
RRC A
RRC A
JNC LL1
0
1
0h
0h
1h
1h
10h
00h
MOV R2, #1
MOV B, #0H
LL1:
MOV 02FH, 02EH
MOV 02EH, P2
;а по адресу 2EH новое
jb 02EH.0, forw0 ; состояние клавиши "jnb 02fh.0, forw0 ;состояние клавиши "-"
CJNE R1, #2, K04
LJMP K03
K04: CJNE R1, #3, K05
LJMP PER1
K05: CLR C
MOV A, R7
SUBB A, B
MOV 02CH, PSW ;Хранение psw
CLR C
MOV R2, #0
JNB 02CH.6, K00
#010H
;по
адресу
; состояние клавиатуры (порта 2),
2FH
записано
SUBB A, #6H
K00: JNB 02CH.7, K01
SUBB A, #60H
MOV R2, #1
K01: MOV R7, A
K03:
CLR
C
MOV
A,
SUBB
A,
JNB
AC,
старое
CLR
C
SUBB
A,
ANL
A,
K02: MOV R6, A
LCALL CPEC
LJMP F0RW0
PER1: MOV A, Izm_buk
DEC A
CJNE A, #09H, PEREH1
MOV A, #0DH
PEREH1: MOV Izm_buk,A
LCALL BANK
FORW0: JB 02EH.1, FORW1 ;состояние клавиши "+"
JNB 02FH.1, FORW1
CJNE R1, #2, KK04
CLR C
LJMP KK03
KK04: CJNE R1, #3, KK05
LJMP PER2
KK05: CLR C
MOV A, R7 ;то к [R6,R7] прибавляется [R2,B]
ADDC A, B
DA A
MOV R7, A
KK03: MOV A, R6
ADDC A, R2
DA A
ANL A, #0FH
MOV R6, A
LCALL CPEC
LJMP FORW1
PER2: MOV A, Izm_buk
INC A
CJNE A, #0EH, PEREH2
MOV A, #0AH
PEREH2: MOV Izm_buk,A
LCALL BANK
FORW1: JB 02EH.2, FORW2 ;состояние клавиши "изменение разряда"
JNB 02FH.2, FORW2
CLR C
INC R1 ;если была нажата "третья" клавиша (P2.2)
MOV A, R1 ;то курсор сдвигается влево на одну позицию
SUBB A, #4
JNZ FORW2
MOV R1, #0H
FORW2:
RET
PRER_INT0: ; начало процесса
RETI
PRER_T0: ; обработка прерывания
PUSH PSW
MOV PSW, #00H ;банк 0 установка для задержки
SETB P3.2 ;порт запуска ждущего генератора 1-стоп,0-пуск
CLR P3.3 ;очистка ECT и ECR счетчиков и останов счета
CLR P3.4
LAB02: MOV A, R6 преобразование в десятичное
ANL
A,
#0FH ;отброс старшей тетрады старшего членом числа
MOV B,
#0AH ; копировать в В 10d
MUL AB
;перемножить
MOV B,
A
; копировать А в В
MOV A,
R7
;загрузка А младшим членом числа
; обмен тетрадами
SWAP A
ANL
A,
#0FH ;отброс старшей тетрады старшего членом числа
ADD
A,
B
;просуммировать А и B с сохранением в А
MOV B,
#0AH ; копировать в В 10d
MUL AB
;перемножить
MOV R4, B
MOV R5, A
MOV A,
R7
ANL
A,
#0FH
ADD
A,
R5
MOV R5, A
MOV A,
R4
ADDC A,
#0H
MOV R4, A
CLR
C
CLR
A
SUBB A,
R5
MOV R5, A
MOV A,
#010H
SUBB A,
R4
MOV R4, A
; PERECOD END
MOV P1, R5
;установка младшего байта задержки в порт
CLR
;загрузка из порта в счетчик
P3.0
SETB P3.0
; счетчик готов для счета (ожидает сигнала Р3.3)
MOV P1, R4
;установка старшего байта задержки в порт
CLR
;загрузка из порта в счетчик
P3.1
SETB P3.1
; счетчик готов для счета (ожидает сигнала Р3.3)
LCALL DLITEL ;установка длительности строба
Установка длительности импульса низкой частоты
MOV PSW, #018H ;банк 3
MOV A, 025H ;длительности импульса низкой частоты
CLR P3.2 ;запуск генератора и разрешение счета
SETB P3.3 ; сигнал синхронизации
PERE1: MOV R3,
PERE2: DJNZ R3,
SUBB A, #1
JNC PERE1
SETB P3.2
LCALL PERIOD
POP PSW
RETI
; Выбор банков
BANK: MOV A, Izm_buk
CJNE A, #0AH, BANK1 ;задержка
MOV PSW, #00H
LJMP BANKEND
BANK1: CJNE A, #0BH,
MOV PSW, #18H
MOV R6, 027H
MOV R7, 028H
LJMP BANKEND
BANK2: CJNE A, #0CH,
MOV PSW, #018H
MOV R6, 025H
MOV R7, 026H
LJMP BANKEND
BANK3: CJNE A, #0DH
MOV PSW, #010H
BANKEND:MOV R1, #03H
RET
026H
PERE2
;стоп генератор
;установка банка до прерывания
BANK2 ;период сл. импульса
BANK3
;банк 3
;длительность
BANKEND длительность строба
; Установка длительности строба
DLITEL: MOV PSW, #010H
CLR C
mov
a,
swap
a
anl
a,
#0fh
mov
b,
#0ah
mul
ab
mov
r5,
a
mov
a,
r7
anl
a,
#0fh
add
a,
r5
mov
r5,
a
mov
a,
#0fh
subb a, r5
MOV P1, A
CLR P3.5
SETB P3.5
RET
; Установка периода следования импульса
PERIOD: MOV PSW, #18H ;банк 1
MOV A, #02H
r7
импульса
PUSH B
MOV B, 028H
MUL AB
;загрузка
;готовность для счета
MOV B, A
MOV A, #0FFH
CLR C
SUBB A, B
MOV TL0, #0H
MOV TH0, A ;установка периода следования импульсов
POP B
RET
CPEC: ; для сохранения в адресах (длительность и период сл. импульса)
MOV A, Izm_buk
CJNE A, #0BH, PROH
MOV 028H, R7
MOV 027H, R6
PROH: CJNE A, #0CH, PROH1
MOV 026H, R7
MOV 025H, R6
PROH1: CJNE A, #0DH, PROH2
MOV R6, #0H
CJNE R7, #016H, PROH3
MOV R7, #0H
LJMP PROH2
PROH3: JC PROH2
MOV R7, #015H
PROH2:
RET
del: mov B_it, #01h ;устранение дребезга клавиш 1 сек
LOOPO1: MOV A, #0c0H
LOOPO2: subb A, #1
JNZ LOOPO2
mov a, B_it
subb A, #1
mov B_it, a
JNZ LOOPO1
RET
PRER_INT1: ;2ND WIRE
RETI
PRER_T1: ;OVERFLOW
RETI
PRER_TIRI: ;EXTERNAL
RETI
end
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Схема электрическая принципиальная контроллера
передачи данных
ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Программа прошивки процессора контроллера
передачи данных
org
0
ljmp
X000d
ljmp
X00d7
org
0dh
X000d:
mov r0,#7fh
mov
a,#0
X0011:
mov @r0,a
djnz
r0,X0011
mov
@r0,a
mov
pcon,#0
clr
a
mov
tmod,#25h
mov
th0,a
mov
tl0,a
mov
scon,#40h
mov
th1,#0e3h
setb
tr1
setb
it0
setb
ex0
setb
ea
jb
int1,X0070
X0031:
jb p1.0,X0031
clr
ea
acall
X00a5
mov
r0,#4
mov
r1,#30h
jb
p1.2,X0044
mov
pcon,#80h
sjmp
X0047
X0044:
mov pcon,#0
X0047:
jnb 20h.0,X0069
mov
r3,#13h
acall
X00d0
mov
sbuf,@r1
X0050:
jbc ti,X0055
sjmp
X0050
X0055:
nop
jb
p1.0,X0060
inc
r1
djnz
r0,X0047
clr
20h.0
sjmp
X0047
X0060:
mov r3,#11h
acall
X00d0
jnb
p1.0,X0055
setb
20h.1
X0069:
setb ea
jnb p1.0,X006b
sjmp
X0031
:
mov r0,#4
mov
r1,#30h
X006b:
X0070:
jb p1.0,X0074
X0074:
nop
jb
p1.0,X0074
clr
ea
acall
X00a5
:jnb
p1.0,X007f
nop
jnb
p1.0,X007f
:
mov r2,#8
jb p1.0,X0088
mov
a,@r1
rr
a
mov
@r1,a
jnb
acc.7,X0095
setb
txd
sjmp
X0097
clr txd
jnb p1.0,X0097
djnz
r2,X0088
inc
r1
djnz
r0,X0086
clr
20h.0
setb
ea
sjmp
X0070
:mov
dptr,#Xffff
movx
a,@dptr
cpl
a
anl
a,#0fch
mov
32h,a
mov
a,p1
anl
a,#2
add
a,32h
rr
a
mov
32h,a
mov
a,p1
anl
a,#0f8h
rr
a
rr
a
cpl
a
anl
a,#3eh
mov
33h,a
clr
c
mov
a,31h
rlc
a
mov
31h,a
mov
a,30h
rl
a
addc
a,#0
mov
30h,a
ret
X00d0:
mov r4,#0ffh
X00d2:
djnz r4,X00d2
djnz
r3,X00d0
ret
X00d7:
clr ea
clr
tr0
mov
30h,th0
mov
31h,tl0
clr
a
mov
th0,a
mov
tl0,a
setb
20h.0
setb
ea
setb
tr0
reti
Xffff equ
end
0ffffh
ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Распечатка текста программного кода ПО A ^stpol
Начало
Подключение
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define
Функция возвращения ошибки
CLIP_ON
void error( char *msg )
{
printf(" >> %s", msg );
exit( 1 );
}
Функция главная
void main()
{
int a=0,a1=0,gm, gd = DETECT, ErrorCode;
int r,A[360],B[360],C[360],D[360];
int b=0;
int qq; // Элементы массива векторы параллельны (ВП)
int pp; // Элементы массива векторы скрещены (ВС)
int mes,LL[3]; // Высота
int i,ll,vv=0;
int vs[3];
char o,*sou,x;
char filename[10];
float MIK[36][3]; // массив ВС
float CIK[36][3]; // массив ВП
FILE *name;
программы
библиотек
<graphics.h>
<conio.h>
<stdio.h>
<stdlib.h>
<math.h>
<string.h>
<dos.h>
15
hoh: //Метка
clrscr();
// Установка текстового режима
textbackground(4);
clrscr();
// Меню выбора ввода
window(20,10,50,13);
textcolor(BLACK);
textbackground(WHITE);
clrscr();
cprintf(" 1 - Новый файл^^");
cprintf(" 2 - Открыть файл\r\n");
cprintf(" 3 - ВЫХОД\Г\П");
x=getch();
// Выбор параметров
switch(x)
{ case '1':
goto pap;
case '2':
clrscr();
cprintf("Введите название файла ");
cscanf("%s", filename);
if ((name = fopen(filename, "r")) == NULL)
{
clrscr();
textbackground(RED);
cprintf("Файл не найден\r");
delay(2000); goto hoh;
}
else {clrscr();
clrscr();
textb ackground(GREEN);
cprintf("Файл открыт успешно^^");
delay(2000);
clrscr();
window(1,1,80,25);
textcolor(0);
textbackground(15);
float MI[36][3], CI[36][3];
int c;
for(c=0; c< 10; c++)
{ ll=0;
fscanf(name,"%0.2f %0.2f %0.2f %0.2f %0.2f %0.2f", &CI[c][ll], &MI[c][ll],
&CI[c][ll+1], &MI[c][ll+1], &CI[c][ll+2], &MI[c][ll+2]);
}
}
default: clrscr(); goto hoh;
case '3': clrscr(); goto tt;
}
pap: //Метка
clrscr();
// Окно ввода названия файла
window(20,10,50,12);
textcolor(BLACK);
textbackground(WHITE);
printf("Введите название файла ");
scanf("%s", filename);
//Инициализация графического режима
initgraph( &gd, &gm, "" );
ErrorCode = graphresult();
if ( ErrorCode )
{printf("\nGraphics error : %s", grapherrormsg( ErrorCode ) );
exit( 1 );
}
vs[1]=0;vs[2]=0;vs[0]=0; // параметры массива присваивания
setviewport(0, 0, getmaxx(), getmaxy(), CLIP_ON);
setfillstyle(1,7);
bar(0, 0, getmaxx(), getmaxy());
mail: //Метка
//Установка главного меню пользователя
setviewport(0, 0, getmaxx(), getmaxy(), CLIP_ON);
setfillstyle(1,7);
bar(0, 0, getmaxx(), getmaxy());
setviewport(30,20, 300, 50, CLIP_ON);
setfillstyle(1,0);
bar(0, 0, 270, 30);
outtextxy(25, 10, "Главное меню пользователя");
setviewport(10,30, 330, 150, CLIP_ON);
setfillstyle(1,0);
bar(10, 30, 330, 150);
outtextxy(15, 40, "1 - Ввод экспериментальных данных");
outtextxy(15, 65, "2 - Обработка и вывод результатов");
outtextxy(15, 85, "3 - Выход из главного меню");
a=getch();
// выбор параметров Главного меню пользователя
switch(a)
{ case '1':
do
{ goto mikle;
interfase: //Метка
// Интерфейс ввода данных
cleardevice();
setviewport(0, 0, getmaxx(), getmaxy(), CLIP_ON);
setfillstyle(1,7);
bar(0, 0, getmaxx(), getmaxy());
setviewport(120,10, 425, 40, CLIP_ON);
setfillstyle(1,1);
bar(0, 0, 305, 30);
if(ll==0) outtextxy(30, 10,"Прозвучивание в направлении 1-1");
if(ll==1) outtextxy(30, 10,"Прозвучивание в направлении 2-2");
if(ll==2) outtextxy(30, 10,"Прозвучивание в направлении 3-3");
setviewport(480,10, 600, 70, CLIP_ON);
setfillstyle(1,0);
bar(0, 0, 120, 60);
outtextxy(10, 10,"Enter - Ввод данных ");
outtextxy(10, 35,"Esc - отказ");
setviewport(80,50, 220, 70, CLIP_ON);
setfillstyle(1,5);
bar(0, 0, 140, 45);
outtextxy(10, 8," Высота (мм)");
ball: //Метка
setviewport(260,50, 300, 70, CLIP_ON);
setfillstyle(1,5);
bar(0, 0, 40, 20);
//Ввод значения высоты образца
char des[25];
char *source;
des[0] = '\0';
do
{*source=getch();
if(*source==8)
{clearviewport(); goto ball;
}
if(*source!=13)
// Проверка на ввод только цифр
if( (*source>= '0') && (*source<= '9') || (*source)=='.' )
{strncat(des, source, 1);
strncat( des, '\0', 0);
outtextxy(8,5, des);}
else
{setviewport(270,80, 470, 110, CLIP_ON);
setfillstyle(1,4);
bar(0, 0, 200, 20);
outtextxy(5, 8,"Вводите пожалуйста цифры");
delay(1500); goto ball;
}
}
while(*source!=13); mes = atof(des); LL[ll] = mes;
//Векторы параллельны
setviewport(100,80, 350, 110, CLIP_ON);
setfillstyle(1,12);
bar(0, 0, 250, 20);
outtextxy(20, 8,"Векторы параллельны ");
int i,j,z,g,p;
char rr[100];
дд=0;//присвоение начального адреса массива ВП
j=0;
forG=j;j<=80;j=j+40)
{ z=0;g=110;p=230;i=0;
kall: //Метка
for(i=i;i<=550;i=i+50)
{ setviewport(i+35, j+106, i+75, j+124, CLIP_ON);
setfillstyle(1,7);
bar(0, 0, 40, 20);
if(j==40) {g=g+10; z=g;}
if(j==80) {p=p+10; z=p;}
itoa(z,rr,10);
outtextxy(3, 8,rr);
z=z+10;
vall: //Метка
setviewport(i+30, j+125, i+70, j+145, CLIP_ON);
setfillstyle(1,2);
bar(0, 0, 40, 20);
//Ввод значения амплитуды
char res[25];
char *fource;
res[0] = '\0';
do
{*fource=getch();
if(*fource!=13)
//Проверка на ввод только цифр
if( (*fource>= '0') && (*fource<= '9') || (*fource == '.') )
{strncat(res, fource, 1);
strncat( res, '\0', 0);
outtextxy(5,5, res);
}
if(*fource==27)
{setviewport(i+30, j+106, i+70, j+145, CLIP_ON);
setfillstyle(1,7);
bar(0, 0, 40, 60);
i=i-50; z=z-20; g=g-20; p=p-20; j=j;
CIK[qq][ll] = 0; qq=qq-1;
if((z<0) || (i<0))
{z=0;i=0; goto kall;}
goto kall;
}
//Проверка на забой стринга
if(*fource==8)
{clearviewport();
goto vall;
}
}
while(*fource!=13);
CIK[qq][ll] = atof(res);
qq++; //увеличение номера массива
}
}
//Векторы скрещены
setviewport(100,270, 350, 290, CLIP_ON);
setfillstyle(1,12);
bar(0, 0, 250, 20);
outtextxy(20, 8," Векторы скрещены ");
pp=0;//присвоение начального адреса массива ВС
j=0;
forG=j;j<=80;j=j+40)
{z=0;g=110;p=230;i=0;
zall: //Метка
for(i=i;i<=550;i=i+50)
{ setviewport(i+35, j+296, i+75, j+314, CLIP_ON);
setfillstyle(1,7);
bar(0, 0, 40, 20);
if(j==40) {g=g+10; z=g;}
if(j==80){p=p+10; z=p;}
itoa(z,rr,10);
outtextxy(3, 8,rr);
z=z+10;
lall: //Метка
setviewport(i+30, j+315, i+70, j+335, CLIP_ON);
setfillstyle(1,2);
bar(0, 0, 40, 20);
//Ввод
char
char
qes[0]
*qource
do
значения
=
=
амплитуды
qes[25];
*qource;
'\0';
'\0';
{*qource=getch();
if(*qource==27)
{setviewport(i+30, j+296, i+70, j+335, CLIP_ON);
setfillstyle(1,7);
bar(0, 0, 40, 60);
i=i-50; z=z-20; g=g-20; p=p-20; j=j;
MIK[pp][ll] = 0; pp=pp-1;
if((z<0) || (i<0)) {z=0;i=0; goto zall;}
goto zall;
}
if(*qource==8)
{clearviewport(); goto lall;
}
if(*qource!=13)
if( (*qource>= '0') && (*qource<= '9') || (*qource== '.') )
{strncat(qes, qource, 1);
strncat( qes, '\0', 0);
outtextxy(5,5, qes);}
else goto lall;
}
while(*qource!=13);
MIK[pp][ll] = atof(qes);
pp++; //Увеличение номера массива
}
}
vv=1; vs[ll]=1;
name = fopen(filename, "w+");
for(qq=0; qq<=3 5; qq++)
{ if(ll==0) {
CIK[qq][0] = CIK[qq][ll];
MIK[qq][0] = MIK[qq][ll];
}
if(ll==1) {
CIK[qq][1] = CIK[qq][ll];
MIK[qq][1] = MIK[qq][ll];
}
if(ll==2)
{
// Запись данных в файл
fprintf(name,"%0.2f\t%0.2f\t %0.2f\t %0.2f\t %0.2f\t %0.2f\n",
CIK[qq][0],MIK[qq][0],CIK[qq][1 ],MIK[qq][1],CIK[qq][ll],MIK[qq][ll] );
}
}
fclose(name); // Закрытие файла
setviewport(30,440, 570, 460, CLIP_ON);
setfillstyle(1,3);
bar(0, 0, 540, 20);
outtextxy(5, 8, "Параметры введены. Нажмите любую клавишу для ввода
новых данных");
while(!kbhit());
cleardevice();
goto qall;
// Меню ввода экспериментальных данных
mikle: //Метка
goto rall;
qall: //Метка
setviewport(0, 0, getmaxx(), getmaxy(), CLIP_ON);
setfillstyle(1,7);
bar(0, 0, getmaxx(), getmaxy());
ra11://Метка
setviewport(50,80, 400, 300, CLIP_ON);
setfillstyle(1,0);
bar(50, 80, 400, 300);
outtextxy(60, 90,"Ввод экспериментальных данных");
outtextxy(55, 125," 1 - Прозвучивание в направлении 1-1");
outtextxy(55, 145," 2 - Прозвучивание в направлении 2-2");
outtextxy(55, 165," 3 - Прозвучивание в направлении 3-3");
outtextxy(55, 185," Esc - Выход в меню");
a1=getch();
//Выбор параметров меню ввода экспериментальных данных
switch(a1)
{case '1':
ll = 0; goto interfase;
case '2':
ll = 1; goto interfase;
case '3':
ll = 2; goto interfase;
default:
cleardevice(); goto mail;
}
}
while (getch()!=27);
printf("\n Выход в меню"); goto mail;
case '2':
//Обработка экспериментальных данных
if(vv==0)
{pop: //Метка
setviewport(150,170, 400, 220, CLIP_ON);
setfillstyle(1,5);
bar(0, 0, 250, 50);
//Проверка на существование данных
if(ll==0)
{ outtextxy(5,8,"Данных по направлению 1-1 нет");
getch(); goto nan;}
if(ll==1)
{ outtextxy(5,8,"Данных по направлению 2-2 нет");
getch(); goto nan;}
if(ll==2) {outtextxy(5,8,"Данных по направлению 3-3 нет");
getch(); goto nan;}
outtextxy(5,8,"Данных для обработки нет");
outtextxy(5,20,"Нажмите любую клавишу");
getch(); goto mail;
}
// Меню обработки и вывода результата
nan: //Метка
setviewport(50,80, 400, 300, CLIP_ON);
setfillstyle(1,0);
bar(50, 80, 400, 300);
outtextxy(60,
outtextxy(55,
outtextxy(55,
outtextxy(55,
outtextxy(55,
b = getch();
90,"Обработка
125,"
1
145,"
2
165,"
3
185,"
4
и
-
вывод
результатов");
Направление
1-1");
Направление
2-2");
Направление
3-3");
Выход
в
меню");
//Выбор параметров меню обработки и вывода результата
switch(b)
{case '1':
ll=0;
if(vs[ll]==0) goto pop;
goto obrabotka;
case '2':
ll=1;
if(vs[ll]==0) goto pop;
goto obrabotka;
case '3':
ll=2;
if(vs[ll]==0) goto pop;
goto obrabotka;
case '4':
cleardevice(); goto mail;
default: goto nan;
}
//Обработка и вывод результатов
obrabotka: //Метка
cleardevice();
setviewport(0, 0, getmaxx(), getmaxy(), CLIP_ON);
setfillstyle(1,7);
bar(0, 0, getmaxx(), getmaxy());
settextstyle(0,0,1);
if(ll==0)
outtextxy(50, 15," Акустополяриграмма образца в направлении 1-1");
if(ll==1)
outtextxy(50, 15," Акустополяриграмма образца в направлении 2-2");
if(ll==2)
outtextxy(50, 15," Акустополяриграмма образца в направлении 3-3");
//Нахождение максимального значения
float max[3],max1[3];
int oo;
max[ll]=CIK[0][ll]; max1[ll]=MIK[0][ll];
oo=qq; oo=pp;
for(oo=1;oo<=35;oo++)
{if((CIK[oo][ll]>=max[ll])) max[ll]=CIK[oo][ll];
CIK[oo][ll] = CIK[oo][ll];
if((MIK[oo][ll]>=max1[ll])) max1[ll]=MIK[oo][ll];
MIK[oo][ll] = MIK[oo][ll];
}
for(oo=0;oo<=35;oo++)
{CIK[oo][ll]=max[ll]-CIK[oo][ll]; //Вычитание от мах ВП
//Пересчет в децибеллы ВП
CIK[oo][ll]= 1 / pow(10, (CIK[oo][ll] / 20));
MIK[oo][ll]=max1[ll]-MIK[oo][ll]; //Вычитание от мах ВС
//Пересчет в децибеллы ВС
MIK[oo][ll]= 1 / pow(10, (MIK[oo][ll] / 20));
}
int xoffset=200; //координата Х
int yoffset=200; //координата Y
r=100; //Увеличение
//Координатная сетка
setlinestyle(1,1,1);
line( xoffset-(r+20), yoffset, xoffset+r+20, yoffset);
line( xoffset, yoffset-(r+20), xoffset, yoffset+r+20);
outtextxy(xoffset-(r+40), yoffset-5,"180" );
outtextxy(xoffset+r+25, yoffset-5,"0" );
outtextxy(xoffset-8, yoffset-(r+25), "90");
outtextxy(xoffset-8, yoffset+r+25, "270");
circle(xoffset, yoffset,r/2);
circle(xoffset, yoffset,r);
A[0]=r*cos(0*3.14/180.);
B[0]=r*sin(0*3.14/180.);
C[0]=r*cos(0*3.14/180.);
D[0]=r*sin(0*3.14/180.);
int step = 10; //шаг угла
oo=0;
for(i=1;i<=360/step;i++)
{A[i]=r*CIK[oo][ll]*cos(step*i*3.14/180.);
B[i]=r*CIK[oo][ll]*sin(step*i*3.14/180.);
C[i]=r*MIK[oo][ll]*cos(step*i*3.14/180.);
D[i]=r*MIK[oo][ll]*sin(step*i*3.14/180.);
setlinestyle(0,0,3);
line( (A[i-1]+xoffset) , (yoffset-B[i-1]), (A[i]+xoffset) , (yoffset-B[i]) );
setlinestyle(0,0,1);
line( (C[i-1]+xoffset) , (yoffset-D[i-1]), (C[i]+xoffset) , (yoffset-D[i]) );
oo++;
}
line(
line(
getch();
(A[0]+xoffset),
(C[0]+xoffset),
(yoffset-B[0]),
(yoffset-D[0]),
(A[i-1]+xoffset),
(C[i-1]+xoffset),
(yoffset-B[i-1])
(yoffset-D[i-1])
cleardevice();
goto nan;
// Выход из системы
case '3':
setviewport(150,170, 470, 220, CLIP_ON);
setfillstyle(1,2);
bar(0, 0, 320, 50);
sall:
settextstyle(0, 0, 1);
outtextxy(5, 8," Вы действительно хотите выйти? (y/n)");
o=getch();
if(o=='y' || O=='K')
{cleardevice();
break;}
if(o=='n' || o=='т') goto mail;
else goto sall;
default: goto mail;
}
closegraph(); //Закрытие графического режима
tt: //Метка
}
ПРИЛОЖЕНИЕ 8. Плотность и показатели упругости некоторых
образцов разреза СГ-3
№
п/
п
Показате
Плот
Матрица
Степень ль
Глуб ность
величин
ЭЛААП,
Наименование Номер
ина
скоростей
породы
образца
двулучеп
Н, м P'
Vij'
3
Д
реломлен
км/с
г/см3
ия, B
);
);
6.15 3.46
3.47
1.
Туфы
sg32140
0.00
0.03
0.39
0.003
0.003
0.00
1750 2.86
6.29 3.14
3.17
0.00
3.12 5.59
0.00
3.19
0.03
3.16 3.17
5.39
0.009
0.022
0.003
2290 2.87
6.05 3.40
3.14
0.24
3.41 5.66
0.03
3.22
0.03
3.19 3.20
5.49
801
2.85
3.47 6.11
3.48
3.48 3.48
6.01
2.
3.
4.
5.
Алевролиты
Габбродиабазы
Туффиты
Амфиболито
вые сланцы
sg35868
sg38896
0.08
0.057
0.003
4825 2.93
3.26 2.32
2.03
0.03
2.28 3.16
0.17
1.96
0.54
2.07 2.05
2.24
0.133
0.151
0.01
sg36540 2.95
21975a
5.26 2.46
2.22
0.54
2.44 3.42
0.02
1.86
0.04
2.26 1.89
2.59
0.103
0.27
0.178
4.90 3.04 0.04
2.73
3.03 3.71
0.4
2.36
2.65 2.43
0.24
3.13
0.107
0.249
0.087
sg318202
6.
Амфиболиты
sg324822
7.
Оталькован
ные сланцы
sg329371
7620 2.99
8120 2.77
5.19 2.72 0.02
0.38
2.65
2.78 3.42 0.21
2.18
0.026
0.242
0.183
2.68 2.23
3.37
8.
Эпидотовые г sg3нейсы
30170
3.12 1.65
1.73
0.41
1.66 3.93
0.48
2.03
0.82
1.70 1.98
3.71
8620 2.63
3.06 1.79
1.56
9.
10
Эпидотовые
гнейсы
Амфиболито
вые гнейсы
sg38650 2.61
30548b
sg330656
0.24
1.75 2.77
0.18
1.58
0.08
1.56 1.56
2.49
3.14 1.92
1.67
0.80
1.95 3.04
0.41
1.85
0.23
1.71 1.86
2.42
8690 2.61
0.047
0.201
0.152
0.137
0.102
0.00
0.139
0.053
0.084
ПРИЛОЖЕНИЕ 9. Показатели анизотропии и константы упругости
образцов пород разреза СГ-3
№
Наименова
ние
п/п
С11
С
22
С
33
С
44
С55
С
66
^1133 ^2233
У1213 У1223 АТ
породы
тип
упруго
й
симмет
рии
0.33
Р
11.32 8.94 8.31
2.91 2.87 2.82 0.167 0.037 0.011 0.016 1.27
Р
sg3-8896
10.51 9.19 8.65
2.98 2.83 3.32 0.102 0.031 0.076 0.061 1.068
Г
4.
sg3-18202
3.11 2.93 1.47
1.13 1.21 1.58 0.455 0.411 0.122 0.147 0.103
Г
5.
sg3-21975a 8.16 3.45 1.98
1.02 1.45 1.79 1.031 0.32 0.094 0.307 1.05
Р
6.
sg3-24822
1.66 2.23 2.76 0.565 0.185 0.128 0.267 1.013
Р
1.
sg3-2140
10.78 10.64 10.29 3.45 3.43 3.41 0.023 0.017 0.003 0.04
2.
sg3-5868
3.
7.18 4.12 2.93
7.
sg3-29371
7.46 3.24 3.15
1.32 1.95 2.05 0.54 0.015 0.032 0.247 1.893
Г
8.
sg3-30170
2.56 4.06 3.62
1.08 0.79 0.72 0.159 0.059 0.035 0.175 2.00
Г
9.
sg3-30548b 2.44 2.00 1.62
0.65 0.64 0.84 0.229 0.112 0.135 0.127 0.68
Р
10
sg3-30656
0.89 0.73 0.96 0.298 0.256 0.145 0.043 0.149
Г
2.57 2.41 1.53
Примечания: 1. Показатели Сар даны в 1010 Па
2. Наименования пород см. в Приложении 8