Акустическая эмиссия ( АЭ ) — явление излучения акустических (упругих) волн в твердых телах, возникающее, когда материал претерпевает необратимые изменения в своей внутренней структуре, например, в результате образования трещин или пластической деформации из-за старения, температурных градиентов или внешние механические силы.
В частности, АЭ возникает при процессах механического нагружения материалов и конструкций, сопровождающихся структурными изменениями, генерирующими локальные источники упругих волн . Это приводит к небольшим смещениям поверхности материала, вызванным упругими волнами или волнами напряжения [1] , возникающими при быстром высвобождении накопленной упругой энергии в материале или на его поверхности. [2] [3] [4]
Механизм излучения первичного упругого импульса АЭ (действия или события АЭ) может иметь различную физическую природу. На рисунке показан механизм действия (события) АЭ при зарождении микротрещины вследствие прорыва скопления дислокаций ( дислокация – линейный дефект кристаллической решетки материала) через границу в металлах с телом -центрированная кубическая (ОЦК) решетка при механическом нагружении, а также временные диаграммы потока актов (событий) АЭ (1) и потока регистрируемых сигналов АЭ (2). [3] [4]
Метод АЭ позволяет изучать кинетику процессов на самых ранних стадиях микродеформации, зарождения дислокаций и накопления микротрещин. Грубо говоря, каждая трещина словно «кричит» о своем росте. Это позволяет по сопутствующему АЭ диагностировать сам момент возникновения трещины. При этом для каждой уже возникшей трещины существует определенный критический размер, зависящий от свойств материала. [3] [4] До этого размера трещина растет очень медленно (иногда десятилетиями) за счет огромного количества мелких дискретных скачков, сопровождаемых АЭ-излучением. После достижения трещиной критического размера происходит катастрофическое разрушение, поскольку дальнейший ее рост идет уже со скоростью, близкой к половине скорости звука в материале конструкции. Взяв с помощью специальной высокочувствительной аппаратуры и измерив в простейшем случае интенсивность dNa/dt (количество в единицу времени), а также общее число актов (событий) АЭ, Na, можно экспериментально определить оценить скорость роста, длину трещины и спрогнозировать близость разрушения по данным АЭ. [3] [4]
Волны, генерируемые источниками АЭ, представляют практический интерес в мониторинге работоспособности конструкций (SHM), контроле качества, обратной связи с системами, мониторинге технологических процессов и других областях. В приложениях SHM AE обычно используется для обнаружения, локализации [5] и характеристики [6] повреждений.
Акустическая эмиссия — это переходные упругие волны внутри материала, вызванные быстрым высвобождением энергии локализованного напряжения. Источник события — это явление, которое выделяет упругую энергию в материал, которая затем распространяется как упругая волна. Акустическая эмиссия может быть обнаружена в диапазоне частот ниже 1 кГц и зарегистрирована на частотах до 100 МГц, но большая часть выделяемой энергии находится в диапазоне от 1 кГц до 1 МГц. События быстрого снятия стресса генерируют спектр волн стресса, начинающийся с 0 Гц и обычно спадающий на частоте нескольких МГц.
Тремя основными применениями методов AE являются: 1) местоположение источника – определение мест, где произошел источник события ; 2) механические характеристики материалов – оценивают и характеризуют материалы и конструкции; 3) мониторинг работоспособности – контроль за безопасной эксплуатацией сооружения, например, мостов, резервуаров под давлением, трубопроводов и т. д.
Более поздние исследования были сосредоточены на использовании AE не только для обнаружения, но и для характеристики механизмов источника [6], таких как рост трещин, трение, расслоение, растрескивание матрицы и т. д. Это дало бы AE возможность сообщить конечному пользователю, какой механизм источника присутствует и позволяет им определить, необходим ли структурный ремонт.
Использование правильной обработки и анализа сигналов позволяет получить более глубокое понимание сигналов упругих волн и их связи с процессами, происходящими внутри структур.
Значительное расширение возможностей и повышение достоверности метода диагностики АЭ обеспечивается применением статистических методов анализа потоков случайных событий (например, модели случайного потока Пуассона ) [3] [4]
Представление сигнала в частотной области , полученное с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ), предоставляет информацию о величине и частотном составе сигнала. [7]
АЭ может быть связано с необратимым выделением энергии. Он также может возникать из источников, не связанных с разрушением материала, включая трение , кавитацию и удар.
Применение акустической эмиссии для неразрушающего контроля материалов обычно происходит в диапазоне частот от 20 кГц до 1 МГц. [8] В отличие от обычного ультразвукового контроля , инструменты АЭ предназначены для мониторинга акустической эмиссии, создаваемой материалом во время разрушения или напряжения, а не для контроля воздействия материала на внешне генерируемые волны. Неисправность детали может быть задокументирована в ходе автоматического мониторинга. Мониторинг уровня активности АЭ во время нескольких циклов нагрузки составляет основу многих методов проверки безопасности АЭ, которые позволяют проверяемым деталям оставаться в эксплуатации. [9]
Этот метод используется, например, для изучения образования трещин во время процесса сварки, а не для обнаружения их после образования сварного шва с помощью более известного метода ультразвукового контроля.
В материалах, находящихся под активным напряжением, таких как некоторые компоненты самолета во время полета, датчики, установленные в определенной области, могут обнаружить образование трещины в момент ее начала распространения. Группу преобразователей можно использовать для записи сигналов, а затем определять точную область их происхождения, измеряя время, в течение которого звук достигает разных преобразователей.
Длительный непрерывный мониторинг акустической эмиссии ценен для обнаружения трещин, образующихся в сосудах под давлением [10] [11] и трубопроводах, транспортирующих жидкости под высоким давлением. Стандарты использования акустической эмиссии для неразрушающего контроля сосудов под давлением разработаны ASME , ISO и Европейским сообществом.
Этот метод используется для оценки коррозии железобетонных конструкций. [9] [12]
В настоящее время метод АЭ активно используется в задачах мониторинга и диагностики объектов атомной энергетики, авиационной, ракетно-космической техники, железнодорожного транспорта, исторических артефактов (например, Царь- колокола в Московском Кремле), а также другая продукция и предметы ответственного назначения. [13]
АЭ-зондирование потенциально может быть использовано для мониторинга состояния литий-ионных батарей, особенно при обнаружении и характеристике паразитных механо-электрохимических явлений, таких как электрохимическое измельчение электродов , фазовые переходы и выделение газа . Пьезоэлектрический датчик используется для приема акустических сигналов, испускаемых материалами батареи во время работы. [14]
Помимо неразрушающего контроля, мониторинг акустической эмиссии находит применение в контроле технологических процессов . Приложения, в которых успешно используется мониторинг акустической эмиссии, включают обнаружение аномалий в псевдоожиженном слое и конечных точках периодической грануляции.