Ввиду малого значения предела упругости криогенных пород их упругие свойства следует определять при небольших механических напряжениях и кратковременных сило-ных воздействиях. Наиболее подходящими в этом случае оказываются динамические (акустические методы изучения свойств, основанные на возбуждении в среде различных видов механических колебаний и измерении скорости их распространения, затухания, резонансных частот и т. п., по которым могут быть рассчитаны модули упругости и характеристики несовершенной упругости материала.

Основными акустическими методами исследования физико-механических свойств образцов криогенных пород являются резонансный и импульсный ультразвуковой.

Сущность резонансного метода заключается в нахождении частоты собственных колебаний \о стержня, призмы (бруска) или пластины, изготовляемых из исследуемого материала. Для нахождения Vрез в образце материала возбуждают вынужденные продольные, изгибные, а иногда крутильные колебания и, меняя частоту внешнего воздействия, по максимуму амплитуды находят состояние резонанса, а следовательно, и Vо. Затем, путем несложных расчетов [11, 129] определяют модули упругости исследуемого материала. В частности, при возбуждении в стержне продольных колебаний при условии закрепления его посередине модуль упругости определяется из соотношения

где /V — номер гармоники; / — длина стержня; Ур — скорость продольных колебаний; р — плотность материала.

Эта формула справедлива при малых соотношениях

где й — поперечное сечение стержня:

При соотношении — порядка единицы необходимо учитывать зависимость скорости распространения упругих волн и от коэффициента Пуассона у. С учетом такой поправки, введенной Релеем, выражение для резонансной частоты имеет вид:

Так как для криогенных пород у«0,2ч-0,4, формулу (1У.41)

нужно применять при значениях — ^0,4—0,5.

Аппаратура резонансного метода измерений весьма проста. Обычно она состоит из генератора звукового диапазона частот, электромеханических преобразователей — излучателя и приемника и усилителя с индикатором амплитуды колебаний образца (вольтметр, электронный осциллограф). Отсчет резонансной частоты Vрез производится по шкале лимба звукового генератора. Применение резонансного метода наиболее целесообразно для изучения материалов, характеризующихся, во-первых, небольшими коэффициентами поглощения механических колебаний и, во-вторых, достаточной простотой изготовления цилиндрических (призматических) образцов правильной формы и точных размеров. С помощью этого метода некоторые авторы изучали модули упругости монокристаллов льда и определенных разновидностей поликристаллического пресного льда и мерзлых пород, однако широкого распространения этот метод, не получил.

Импульсный ультразвуковой метод. В последнее время значительное распространение при изучении физико-механических свойств различных материалов, в том числе и криогенных образований, получил импульсный ультразвуковой метод. Сущность его заключается в периодическом возбуждении в изучаемой среде (образце) короткого импульса механических колебаний и регистрации времени его распространения на участке известной длины и изменения динамических характеристик регистрируемого сигнала — амплитуды, формы, периода, фазы и др. По измеренному времени определяется скорость распространения соответствующего типа упругих волн, а по динамическим характеристикам — поглощающие и диссипативные свойства изучаемого материала. Далее по значениям скорости разных типов волн можно рассчитать модули упругости исследуемого материала (см. § 1 главы III).

Обычно при импульсных ультразвуковых исследованиях определяется групповая скорость, а чаще искаженная групповая скорость, т. е. некоторая скорость распространения сигнала.

Важной характеристикой распространения упругих колебаний в неоднородных средах помимо скорости является акустическое сопротивление ря, так как оно определяет возможность перехода упругой волны из одной среды в другую, т. "е. отражение и прохождение упругих волн на границах раздела.

Для оценки неупругих и структурных особенностей среды весьма важно знать искажение формы регистрируемого сигнала и его период (частоту).

Импульсный сигнал при распространении в упруго-вязко-пластичной среде претерпевает искажение формы. Это происходит вследствие дисперсии скорости и затухания упругой волны. Высокочастотные составляющие импульсного сигнала затухают более интенсивно в результате того, что их распространение сопровождается повышенным влиянием внутреннего трения (вязкости) среды. Кроме того, высокочастотные составляющие претерпевают интенсивное рассеяние на зернах, их агрегатах и других неоднородностях. В итоге акустический импульс, а следовательно, и регистрируемый сигнал подвергаются изменению формы, проявляющемуся в сглаживании кривой сигнала. При этом первое вступление становится нечетким, расплывчатым, что сильно снижает точность измерений скорости. Однако степень искажения (сглаживания) формы сигнала, т. е. изменение периода регистрируемого сигнала, содержит информацию о строении дисперсной среды и, в частности, о структурных ее особенностях, например о зернистости (размерах зерен). Одним из средств повышения чувствительности и разрешающей способности акустического импульсного метода к изменению зернистости и неупругих свойств среды является разработка методики количественного учета степени искажения первоначальной формы сигнала, т. е. регистрации изменения его спектра при прохождении через среду.

Рис. 73. Блок-схема ультразвуковой установки: К — база измерения; т—время распространения импульса

В комплект аппаратуры для импульсного ультразвукового метода должны входить: генератор импульсов, электромеханические преобразователи (излучатель и приемник) и электронный микросекундомер с усилителем.

Блок-схема импульсной ультразвуковой установки приведена на рис. 73.

Имеется много вариантов решений такого рода радиоэлектронной аппаратуры, в особенности микросекундомеров [75, 81, 91].

Важное значение при выполнении ультразвуковых измерений на образцах криогенных пород приобретает подбор (изготовление) соответствующих электромеханических преобразова-вателей. Для обеспечения более широкого диапазона частот в спектре акустического сигнала, что необходимо при изучении поглощающих свойств, а также для повышения разрешаемое™ различных волн на осциллограммах, требуется выполнение ряда условий при конструировании преобразователей.

Наиболее подходящими в данном случае являются пьезоэлектрические преобразователи с керамическими вибраторами из титаната бария либо цирконата-титаната свинца (ЦТС), которые необходимо специально демпфировать. Удобны конструкции преобразователей с демпфированием пьезоэлементов из керамики ЦТ|С смесями порошков свинцовых соединений с полимеризирующимися материалами, состав которых необходимо подбирать экспериментально. Большое значение при измерениях имеет обеспечение хорошего акустического контакта преобразователя с образцом. При изучении криогенных пород это осуществляется обычно примораживанием пьезодат-чйка к образцу или применением тонкой прослойки из вязкого машинного масла, вазелина, фреона между пьезодатчиком и выровненной поверхностью образца.

Практическое применение импульсного ультразвукового метода может быть осуществлено различными способами. Из них наиболее распространенными являются:

1. сквозное прозвучивание («просвечивание»), когда приемник и излучатель находятся на разных гранях исследуемого образца или натурного объекта;

2. продольное профилирование, когда приемник и излучатель колебаний находятся на одной из граней и один из них перемещается вдоль фиксированной линии — профиля наблюде-дения;

3. эхо-метод, или метод отраженных волн.

Импульсный ультразвуковой метод в той или иной модификации получил довольно широкое применение при изучении физико-механических свойств твердых тел [81, 115] и, в частности, криогенных пород [11, 29, 37, 82, 90—93, 102, 141 и др.].

Наиболее просто измерения производятся способом сквозного прозвучивания образцов. Однако для определения модулей упругости материала по одному образцу в этом случае необходимо измерять время распространения по крайней мере двух типов (продольных и поперечных) упругих волн, излучение и регистрацию которых, чаще всего приходится осуществлять с помощью различных пьезопреобразователей. При регистрации только продольных волн необходимо изготовлять образцы разных размеров, обеспечивающих измерения скорости в стержне и в массиве (или пластине), по которым рассчитывают модули упругости (111.14 — 111.17), что замедляет и усложняет процесс измерений.

Большая производительность может быть получена при применений метода продольного профилирования. В этом случае можно регистрировать два-три типа волн: продольные Р и поверхностные /?, а в некоторых случаях и поперечные 5. Этот

метод по сравнению с методами прозвучивания позволяет получить корреляционную картину осциллограмм, соответствующих различным базам наблюдения вдоль профиля — сводную сейсмограмму. При этом возможно более достоверно определить скорость распространения различных типов волн на основе многоточечных измерений и корреляции фаз. Кроме того, измерения производятся с пьезодатчиками одного типа и могут многократно осуществляться по любой из поверхностей образца, что позволяет получать хорошо воспроизводимые результаты.

Схема измерений для всех образцов обычно унифицирована:.излучатель устанавливается неподвижно на одном конце профиля наблюдений, а приемник колебаний перемещается через интервалы длины, равные 1—1,5 см, с тем, чтобы на каждом профиле было не менее 10 установок приемника. 

Рис. 74. Пример годографов различных типов выделенных волн (а) и совмещенной сейсмограммы (б): »_, V , » и Т_р, Т , Т — скорости распространения и периоды регистрируемого

сигнала, соответствующие продольной (Р), поверхностной (Я) и поперечной (5) волнам

 

При установке приемника каждый раз производится фотографирование волновой картины с экрана ЭЛТ измерительного прибора. Для обеспечения большей надежности регистрации первого вступления (волна Р)_у амплитуда которого обычно невелика, фотографирование волновой картины можно выполнять дважды для одного и того же кадра при разных коэффициентах усиления прибора.

Рис. 75. Номограмма для определения модулей Е и у по значениям скоростей Vр и V_я

 

По каждому профилю наблюдений составляется совмещенная с началом отсчета времени волновая картина из отдельных осциллограмм для последовательных интервалов наблюдения— сводная сейсмограмма (рис. 74).

На этих сейсмограммах производятся идентификация и прослеживание фаз различных типов волн, на основании чего строятся временные годографы продольных, поверхностных, а в некоторых случаях и поперечных волн. Тангенс угла наклона годографа определяет скорость распространения упругих волн. По значениям плотности породы и скоростей у_р и о_к или у_р и у₈ при помощи специальной номограммы (рис. 75) определяют модули Е и у, по которым можно рассчитать (см. § 1 главы III) другие модули упругости. Кроме того, для каждого профиля наблюдения целесообразно оценивать преобладающий период Т зарегистрированного колебания определенного типа волны. Этот период характеризует трансформацию импульса при распространении его в несовершенно упругом материале и несет информацию о поглощении и рассеянии энергии упругих колебаний.

Погрешность в определении скорости упругих волн при таких измерениях составляет 1—1,5%. С учетом погрешности определения объемной массы, которая в среднем равна 2—3%, погрешность в определении модулей упругости составляет около 10%. В зависимости от соотношения ——  ошибки в определении модулей, в особенности коэффициента Пуассона, изменяются, возрастая с увеличением а.

Метод продольного ультразвукового профилирования, по-видимому, наиболее приемлем при изучении упругих свойств криогенных пород.

Возможно также и применение эхо-метода, особенно при изучении затухания способом многократных отражений, однако при этом возникает и ряд трудностей, связанных, в частности, с необходимостью учета дифракции. Обширная библиография по методике и аппаратуре ультразвуковых измерений приведена в работах [10, 11, 45,"бЗ, 81, 115].

 

 

{AF template=default colorize=ee77bb width=100% bgcolor=77ee44 ratio=30}

Спонсор материала магазин радиоэлектроники и сопутствущих товаров, который предлагает вам приобрести уникальный преобразователь 24/12 - ведь именно этот преобразователь напряжения будет настящей находкой и верным помощником в пути любого автомобилиста, да и простых туристов. Почуствуйте удобство и комфорт вдали от дома с преобразователем напряжения  24/12, ведь это так просто!

 

 

{/AF}