Разработка лазерного ультразвукового метода диагностики структуры и свойств горных пород на образцах

Черепецкая, Елена Борисовна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка лазерного ультразвукового метода диагностики структуры и свойств горных пород на образцах
ВАК РФ 25.00.16, Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр

Автореферат диссертации по теме "Разработка лазерного ультразвукового метода диагностики структуры и свойств горных пород на образцах"

На правахрукописи

Черепецкая Елена Борисовна

УДК621611.4:620.179.16

РАЗРАБОТКА ЛАЗЕРНОГО УЛЬТРАЗВУКОВОГО МЕТОДА ДИАГНОСТИКИ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД НА ОБРАЗЦАХ

Специальность 25.00.16 - «Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва 2005

Работа выполнена в Московском государственном горном университете. Научный консультант доктор технических наук, профессор Шкуратник Владимир Лазаревич Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ермолов Валерий Александрович

доктор технических наук, член-корреспондент РАН, профессор Рубан Анатолий Дмитриевич

доктор технических наук, профессор Яковлев Дмитрий Владимирович Ведущая организация - Институт горного дела СО РАН.

Защита диссертации состоится « 6 » апреля 2005 г. в 13 час. на заседании диссертационного совета Д-212.128.04 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, д.6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан марта 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, докт. техн. наук, проф.

Ю.В. Бубис

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Наличие надежной информации о структуре, свойствах и состоянии геологической среды на различных масштабных уровнях является необходимым условием эффективного и безопасного ведения горных работ, строительства и эксплуатации подземных сооружений. Для получения указанной информации широкое распространение получили методы горной геофизики, основанные на изучении природы структуры, пространственной неоднородности и временной изменчивости искусственных и естественных физических полей в массиве и на образцах.

Каждый из многочисленных методов горной геофизики имеет свои достоинства, недостатки и приоритетные области применения. В частности, при решении задач, связанных с исследованием относительно небольших объемов горных пород и требующих высокой точности, детальности и разрешающей способности контроля, наиболее перспективны активные ультразвуковые (УЗ) методы. Суть этих методов заключается в возбуждении упругих волн с частотой, превышающей десятки кГц, которые в процессе своего распространения в геоматериале взаимодействуют с его различными первичными полями, становясь при этом носителями искомой геофизической информации. Извлечение последней сводится к измерениям параметров принятого УЗ сигнала современными радиоэлектронными средствами и последующей интерпретации этих измерений с использованием законов геоакустики, физических эффектов, сопровождающих распространение упругих волн, а также соответствующих корреляционных связей.

Начиная с 50-х годов прошлого века, когда стали проводиться систематические исследования геосреды с использованием ультразвука, и вплоть до настоящего времени, УЗ методы постоянно совершенствовались. Тем не менее, еще и сегодня приходится констатировать, что их значительные потенциальные возможности на практике реализуются далеко не полностью. Последнее обусловлено прежде всего тем, что традиционно используемые в геоконтроле пьезоэлектрические источники ультразвука обеспечивают возбуждение относительно узкополосных, маломощных зондирующих сигналов, возможности управления параметрами которых

принципиально ограничены. Все это в конечном счете снижает информативность, надежность и помехоустойчивость УЗ измерений в горных породах, а также ограничивает круг решаемых с помощью таких измерений задач.

Отмеченное предопределяет актуальность проведения теоретических и экспериментальных исследований, направленных на создание метода диагностики структуры и свойств геоматериалов на основе принципов ультразвуковой спектроскопии с использованием возбуждаемых лазерным излучением широкополосных, мощных упругих зондирующих импульсов с управляемыми параметрами.

Исследования, результаты которых представлены в настоящей диссертационной работе, осуществлялись при финансовой поддержке Совета по грантам Президента РФ для поддержки ведущих научных школ (НШ-1467.2003.5). Они были проведены в рамках темы «Теоретическое и экспериментальное обоснование изучения структуры, свойств и состояния горных пород на основе принципов ультразвуковой эхоскопии» в соответствии с планом научно-исследовательских работ МГТУ, проводимых в 2002 - 2004 гг. по заданию Федерального агентства по образованию (номер госрегистрации 01200304882).

Идея работы заключается в использовании эффектов термооптического возбуждения мощных коротких ультразвуковых импульсов и закономерностей их распространения в геоматериалах для исследования структуры и свойств последних.

Цель работы - установление закономерностей лазерного возбуждения и распространения ультразвуковых импульсов в горных породах, а также взаимосвязей измеряемых параметров этих импульсов с искомыми характеристиками объектов исследования для разработки на этой основе лазерного ультразвукового метода диагностики их структуры и свойств.

Указанная цель предполагает решение следующих основных задач: 1. Разработать теоретическую модель для расчета спектров и временных профилей импульсов продольных, сдвиговых и поверхностных волн, возбуждаемых при поглощении лазерного излучения на поверхности

образцов горных пород и рассмотреть возможности управления их параметрами.

2. Теоретически и экспериментально обосновать возможность решения с помощью лазерной ультразвуковой спектроскопии таких задач геоконтроля, как определение физико-механических свойств горных пород, оценка геометрических параметров элементов их структуры и степени анизотропии, выявление и идентификация структурных неоднородностей и дефектов в виде трещин, пор и других, в том числе на образцах малых размеров.

3. Теоретически и экспериментально установить реально достижимые метрологические и эксплуатационные характеристики метода.

4. Разработать принципы аппаратурного и методического обеспечения лазерного ультразвукового метода диагностики структуры, свойств и состояния геоматериалов.

Методы исследований: - аналитические методы решения уравнения Гельмгольца для скалярного и векторного потенциалов: метод отражения для учета граничных условий, метод стационарной фазы для расчета акустического поля в дальней волновой зоне, квазиоптическое приближение для учета дифракции;

численное моделирование на основе теоретических расчетов для получения временных профилей сигналов упругих волн, их спектров и диаграмм направленности;

экспериментальные исследования процессов термооптического возбуждения импульсов упругих волн и процессов их распространения в образцах горных пород.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная на базе несвязанной нестационарной теории термоупругости теоретическая модель, описываемая системой волновых уравнений для скалярного и векторного потенциалов и уравнения теплопроводности, позволяет рассчитывать параметры ультразвуковых импульсов продольных, сдвиговых и поверхностных волн, возбуждаемых в результате поглощения лазерного излучения в

приповерхностном слое горной породы при произвольных параметрах лазерного излучения.

2. Спектр импульсов упругих волн каждого типа, возбуждаемых лазерным излучением в горных породах, определяется произведением трех спектров, первые два из которых задают продольное и поперечное распределения источников тепла, третий задается Фурье-образом временной огибающей интенсивности светового импульса. При использовании коротких лазерных импульсов характерная длительность сигналов продольных волн, возбуждаемых в горных породах, по крайней мере, на порядок меньше, чем соответственно поперечных и поверхностных.

3. Изменение параметров оптического пучка позволяет управлять такими параметрами ультразвуковых сигналов, как амплитуда, длительность, спектр и диаграмма направленности. Лазерное возбуждение упругих импульсов продольных волн в горных породах через промежуточный слой оптически прозрачной среды с высоким значением волнового сопротивления приводит к увеличению амплитуды не менее чем на порядок и смещению спектра в низкочастотную область. Фокусировка оптического пучка приводит к увеличению амплитуды импульсов сдвиговых и поверхностных волн и уменьшению их длительности.

4. Генерация упругих импульсов может осуществляться либо при поглощении лазерного излучения на поверхности образца горной породы, либо через промежуточную генераторную среду. При этом в первом случае излучаются как продольные, так и поперечные волны, параметры которых зависят от коэффициента поглощения светового излучения в приповерхностной зоне геоматериала. Во втором случае излучаются преимущественно импульсы продольных волн, амплитуда давления которых может достигать чрезвычайно больших значений вплоть до 100 МПа и регулироваться за счет выбора генераторной среды с определенными теплофизическими свойствами.

5. Лазерный метод возбуждения упругих волн позволяет достичь амплитуд давления упругих импульсов, генерируемых в горных

породах без нарушения их структуры, до 10 МПа в частотном диапазоне до 40 МГц. Реализуемые на практике амплитуды давления упругих импульсов позволяют исследовать во всем рабочем диапазоне частот образцы горных пород с затуханием, достигающим 30 см'1. При этом длины волн указанных сигналов оказываются соизмеримыми с характерными размерами неоднородностей в образцах горных пород, либо могут быть больше или меньше этих размеров, что создает предпосылки для оценки масштабов элементов зернистой структуры, пористости, микротрещин, дефектов и других неоднородностей.

6. Создаваемые в горных породах с помощью лазерного возбуждения упругие импульсы имеют длительность менее 100 нс, что обеспечивает высокую лучевую разрешающую способность, величину мертвой зоны менее 0,4 мм и позволяет исследовать образцы толщиной от 3 мм и более.

7. Использование принципов лазерной ультразвуковой спектроскопии горных пород во всем реализуемом диапазоне частот позволяет, применяя частотозависимое затухание в качестве информативного параметра контроля, не менее чем в три раза повысить чувствительность выявления анизотропии по сравнению с контролем на основе стандартных кинематических параметров акустического сигнала.

8. Достигаемые при лазерном возбуждении высокие амплитуды давления зондирующих упругих импульсов достаточны для проявления нелинейных эффектов при их взаимодействии с дефектной геосредой, что приводит к искажениям формы указанных импульсов, которые могут быть использованы в качестве информативных признаков контроля микротрещиноватости. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и

рекомендаций подтверждаются:

достаточным объемом экспериментальных исследований, проведенных на образцах различных горных пород;

совпадением форм импульсов упругих волн, полученных из теоретической модели, и наблюдаемых экспериментально; использованием широко апробированных и хорошо себя зарекомендовавших при решении задач оптики, акустики и неразрушающего контроля геоматериалов методов исследования; хорошей сходимостью результатов определения свойств и структуры горных пород на образцах, полученных методом лазерной УЗ спектроскопии и наиболее эффективными традиционными методами; использованием при проведении экспериментов уникального аппаратурного обеспечения с высокими метрологическими характеристиками и современных компьютерных программ для обработки полученных экспериментальных данных; хорошей воспроизводимостью установленных закономерностей информативных параметров при многократных измерениях.

Научная новизна работы заключается в разработке теоретической модели, описывающей процесс лазерного возбуждения ультразвуковых импульсов продольных, сдвиговых и поверхностных волн в горных породах;

получении аналитической зависимости параметров данных импульсов от основных характеристик оптического излучения и поглощающих свет свойств геосреды;

экспериментальном установлении зависимости параметров ультразвуковых импульсов от пространственного и временного распределения интенсивности оптического пучка, а также от поглощающих свет свойств геоматериала;

теоретическом и экспериментальном установлении зависимости амплитуды генерируемых с помощью лазера импульсов упругих волн от теплофизических свойств поглощающей оптическое излучение геосреды;

установлении возможности увеличения амплитуды сигналов на порядок и более при лазерном возбуждении сигналов упругих волн через оптически прозрачную среду с высоким значением акустического импеданса;

установлении возможности проведения исследований с помощью упругих импульсов, возбуждаемых лазером в геосреде, на образцах горных пород малых размеров с толщиной не менее 3 мм; установлении закономерностей лазерной ультразвуковой эхо-локации образцов горных пород при диагностике пор, микротрещин и других неоднородностей;

установлении закономерностей в описании анизотропии горных пород в результате введения нового динамического параметра: частотной зависимости коэффициента затухания во всем реализуемом диапазоне вплоть до 40 МГц;

установлении закономерностей нелинейных искажений формы мощных ультразвуковых импульсов продольных волн при их распространении в образцах горных пород.

Научное значение работы заключается в разработке теоретической модели и установлении закономерностей процесса лазерного возбуждения в геосреде мощных коротких импульсов продольных, сдвиговых и поверхностных волн, а также обосновании принципов использования данных импульсов для диагностики свойств и структуры горных пород, что будет способствовать развитию научного направления, связанного с использованием лазерной ультразвуковой спектроскопии для решения задач геоконтроля.

Практическое значение работы заключается в разработке «Методики оценки структуры и свойств горных пород методом лазерной ультразвуковой спектроскопии», внедрение которой позволит значительно повысить точность и надежность информации о геологической среде, необходимой для эффективного и безопасного ведения горных работ, а также управления процессами переработки и обогащения минерального сырья.

Реализация результатов работы. Выводы и рекомендации, сформулированные в рамках работы, нашли отражение в «Методике оценки структуры и свойств горных пород методом лазерной ультразвуковой спектроскопии», которая передана в научно-исследовательские институты, вузы и другие организации, ведущие работы по созданию и практическому использованию новых методов исследования геоматериалов.

Апробация работы. Основные результаты работы в период выполнения докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях, симпозиумах, совещаниях и семинарах: V Всесоюзном совещании лст нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1981), XI Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Москва, 1982), II Всесоюзном симпозиуме по физике акусто-гидродинамических явлений и оптоакустике ( Москва, 1982 ), XII Международной научной школе им. академика С.А Христиановича (Симферополь, 2002), XIII, XIV сессиях Российского акустического общества (Москва, 2003; Нижний Новгород, 2004), Международной конференции «Горная геология, геомеханика и маркшейдерия» (Донецк, 2004), Международной конференции «Физические проблемы разрушения горных пород» (Москва, 2004), V Всероссийской научно-технической конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (Бийск, 2004), V Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (Сочи, 2004), симпозиумах «Неделя горняка -2004,2005».

Публикации. По теме диссертации опубликована 31 научная работа.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и заключения; содержит 77 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 249 наименований.

Автор выражает искреннюю благодарность и признательность научному консультанту Владимиру Лазаревичу Шкуратнику и Александру Алексеевичу Карабутову, без постоянного внимания которых эта работа не была бы сделана. Выполнение работы едва ли стало бы возможным без теплого отношения, постоянной поддержки и участия со стороны всех сотрудников кафедры ФТКП MГГУ. Автор благодарен Инькову В.Н. за техническую помощь при постановке экспериментов и Панасьян Л.Л. за предоставленные для исследований образцы и плодотворное обсуждение результатов.

Основное содержание работы

Первая глава посвящена анализу современного состояния методов и средств ультразвуковой диагностики структуры и свойств геоматериалов, а также месту, которое эти методы и средства занимают в горной геофизике.

Объективная потребность в качественном улучшении информационного обеспечения горных работ и сложившиеся в последние десятилетия научно-технические предпосылки обусловили широкое внедрение в практику геоконтроля методов горной геофизики. Значительный вклад в развитие этих методов внесли ученые ОИФЗ РАН, ИПКОН РАН, ГИ УО РАН, ИГД УО РАН, ИГД СО РАН, ГИ КНЦ РАН, ВНИМИ, ННЦ ГП -ИГД им. A.A. Скочинского, МГГУ, Куз.ГТУ и др.

К важнейшим задачам горной геофизики относятся такие, как исследование состава, свойств, состояния горных пород; выявление структурных неоднородностей в них; оценка процессов, протекающих в массиве при различных природных и техногенных воздействиях, и др. В тех случаях, когда при решении указанных задач необходимо обеспечить исследование относительно небольших объемов горных пород, а также высокое разрешение и точность получаемых оценок, наиболее перспективными являются ультразвуковые методы. Это обусловлено прежде всего их диапазоном частот и тем фактом, что параметры упругих колебаний и волн тесно связаны с важнейшими физико-техническими свойствами и состоянием горных пород.

Высокий уровень теоретических разработок в области УЗ измерений в массиве и на образцах, а также соответствующего аппаратурного и методического обеспечения во многом предопределен трудами таких ученых, как Ватолин Е.С., Воларович М.П., Глушко В.Т., Горбацевич Ф.Ф., Данилов В.Н., Кузнецов О.Л., Меркулова В.М., Носов В.Н., Продайвода Г.Т., Рубан А.Д., Савич А.И., Силаева О.И., Тютюнник П.М., Шкуратник ВЛ, Якобашвили О.П., Ямщиков B.C., Biot MA, Castanga J.P., Clark VA, Murphy W.F., Nur A., Vernik L., White J.E., Winkler KW. и др.

Несмотря на то, что первые исследования в данной области относятся к 50-м годом прошлого столетия, развитие лазерной физики, микроэлектроники и вычислительной техники привело к тому, что УЗ

методы к настоящему времени по-прежнему являются одними из наиболее динамично развивающихся. Однако потенциальные возможности УЗ методов на практике до сих пор полностью не реализуются. Это связано, во-первых, с тем, что для диагностики образцов геоматериалов, характеризующихся высокими значениями частотозависимого затухания, необходимы мощные источники ультразвука. Во-Еторых, наличие разномасштабных неоднородностей в горных породах с характерными размерами 1 см - 10 мкм требует применения коротких импульсов упругих волн со спектром от 100 кГц до 50 МГц. В-третьих, при УЗ измерениях на образцах еще недостаточно используются информативные параметры, связанные с амплитудными и фазовыми спектрами сигналов.

Таким образом, прогресс в УЗ диагностике свойств и структуры горных пород, обладающих сильным затуханием и разномасштабными неоднородностями, неразрывно связан с созданием генераторов мощных коротких ультразвуковых импульсов. С этой точки зрения в геоакустике перспективно использование лазерного возбуждения ультразвука на основе оптико-акустического эффекта.

Оптико-акустический эффект - эффект возбуждения звука в среде, поглощающей переменный световой поток, был открыт Беллом в 1880 г., но реально начал использоваться лишь в 70-е годы XX столетия с появлением лазеров. Амплитуда давления оптико-акустического сигнала пропорциональна переменной части светового потока, коэффициенту поглощения света на данной длине волны и температурному коэффициенту объемного расширения. Поскольку лазеры импульсного действия обладают высокой мощностью, а длительность их излучения может меняться от миллисекунд (в режиме свободной генерации) до пикосекунд (в режиме синхронизации мод), то данный способ позволяет возбуждать мощные широкополосные ультразвуковые импульсы упругих волн в диапазоне частот 10 кГц - 100 МГц с амплитудами давления до 10 МПа.

Первое наблюдение импульсов продольных волн, возбуждаемых в жидкости и металлах с помощью лазера, относится к 1963 г. (Аскарьян Г.А., Прохоров A.M., Гантурия Г.Ф., Шипуло ГЛ.; White R.M.). Существенный вклад в развитие данного направления внесли Бункин Ф.В., Егерев СВ.,

Есипов И.Б., Карабутов A.A., Наугольных К.А., Лямшев Л.М., Михалевич В.Г., Пеливанов И.М., Подымова Н.Б., Руденко О.В., Bresse L.F., Bushnell J.S., Dewhurst R.J., Doyle P.A., McCIoskey DJ., Palmer S.B., Royer D., Felix M.P. и др.

Ранее автором совместно с A.A. Карабутовым и О.В. Руденко был разработан метод передаточных функций, позволяющий теоретически описывать акустические поля продольных волн при произвольной временной зависимости светового потока и неоднородно-поглощающих средах. В работах последних лет проводились исследования с помощью лазерных источников ультразвуковых импульсов продольных волн свойств композитов, либо металлов. Теоретические оценки параметров ультразвуковых импульсов продольных, сдвиговых и поверхностных волн, возникающих в результате поглощения лазерного излучения на поверхности твердого тела, рассмотрены лишь для частных случаев, когда временная огибающая лазерного импульса может быть описана Ö - функцией, и не учитывались геометрические размеры области тепловыделения. Все это приводило к невозможности корректного описания временных профилей и спектров возбуждаемых с помощью лазера импульсов упругих волн, что является ключевым моментом для последующего применения их в УЗ спектроскопии геоматериалов.

Таким образом, проведенный анализ показал, что до настоящего времени не существовало единого подхода к описанию процесса лазерного возбуждения ультразвуковых импульсов продольных, поперечных и поверхностных волн в геоматериалах, а также не решен ряд других задач теоретического, экспериментального, методического и аппаратурного характера, связанного с созданием лазерного метода УЗ спектроскопии горных пород. •

Во второй главе разработана теория лазерного возбуждения упругих волн ультразвукового диапазона частот в. геоматериалах. Исследована несвязанная нестационарная задача термоупругости, описываемая системой волновых уравнений для скалярного и векторного потенциалов и уравнения теплопроводности, которая позволяет рассчитывать параметры ультразвуковых импульсов продольных, сдвиговых и поверхностных волн,

возбуждаемых при поглощении лазерного излучения на поверхности горной породы.

Пусть из воздуха на плоскую границу изотропного твердого тела, занимающего полупространство 2 > О, падает световой импульс с характерной длительностью Гд.. Выразим скорость частиц среды в

продольной и поперечной волнах через скалярный и векторный

потенциалы: К, = ^а<Л(р,У,=го1\р.

Тогда для однородной изотропной среды уравнения Ламе сводятся к системе:

б (р ы1

2к._0оКдТ д2у/

р0 дГ 81г

-с,'йр = ———, —с(2Д{? = 0.

(1)

Здесь Д - оператор Лапласа, с1 = + р9 и с,-р0 -скорости продольных и поперечных волн, - время,

р - коэффициент объемного расширения, р0 - плотность, // - модуль сдвига, - модуль всестороннего сжатия. В плоской постановке

Вызванное поглощением лазерного импульса изменение температуры Т в среде при слабом влиянии теплопроводности описывается известным уравнением:

& Ра и.

ехр(-аг)/

(2)

где - коэффициент поглощения света в среде; - теплоемкость среды;

- распределение интенсивности света в поперечном сечении с амплитудным значением 10, Ь - ширина оптического пучка по оси х (предполагалось, что по оси у размеры пучка много больше, чем по х); /а/г0) - временная огибающая светового импульса с характерной длительностью .

С учетом граничных условий для компонент тензора напряжений на свободной границе можно найти выражения для в виде интегралов

Фурье и, следовательно, определить скорости частиц. Для рэлеевской волны,

амплитуда которой экспоненциально убывает с глубиной, спектральные компоненты <p{cc),z,x) И у/у(б},г,х) (<й - циклическая частота) удобно

представить в виде Фурье-преобразования по х:

<Р = ~

V, -

ЛУ(0)]ф(£,дГ(И)[(2*2 -к,1)1 -Aiak^k' -k'\dk,

-т

Nf(co)]ф(к,к,)Г(кЬ){2к1 -к2){-Ша+4kyjk2 -kl)dk.

(3)

Здесь N = ары, /р?с}ср, к= ©/с,,, Дю), Г(й) - Фурье-образы /(*/г0) и ^(хМ) соответственно, Ф{к,ки) = ехр(}кх+к^к2и -к2 )0'\к2-к1 +аг)'\ где И = (2к2 -к,2)г + 4к2^¡к2-к2^к'-к2.

Поверхностным акустическим волнам соответствуют полюсы кя = ±с0 / ся, являющиеся корнями уравнения Б = Q. В дальнейшем интересно поведение рэлеевских волн на поверхности образца 2 = 0, так как смещение частиц может быть измерено только здесь. Интегрируя по А и производя обратное преобразование Фурье по а,, найдем выражения для колебательных скоростей частиц в поверхностной акустической волне:

коэффициенты а^сц/с^а^сц/с, определяются скоростями поверхностных, продольных и сдвиговых волн.

Полученное решение представляет собой разложение рэлеевских волн по плоским монохроматическим волнам. Спектр генерируемой поверхностной волны определяется произведением трех спектров. Первый из них - Г(©6/сй) - задается пространственным распределением источников тепла по х Второй - Н(б>) - связан с поглощением света горной породой и

определяется распределением тепловых источников по г.. Наконец, третий -/(о) - является Фурье-образом временной огибающей интенсивности светового импульса. Наиболее перспективным для ультразвуковой диагностики горных пород представляется использование лазеров, работающих в режиме модуляции добротности и дающих наносекундные импульсы. В этом случае значения /(ю) достигают десятков мегагерц. Более того, так как в видимом и инфракрасном диапазонах коэффициент поглощения горных пород имеет порядок то значения

также достигают десятков мегагерц и возникающий импульс рэлеевской волны задается только поперечным распределением интенсивности светового пучка:

Ух(т,0) , , ^,0) - МГ'Ь) (5)

скад

с1т

сяад

йх

Из выражений (5) следует, что возникающий импульс поверхностной волны всегда является биполярным, состоящим из фаз сжатия и разрежения. Расчет временных профилей и спектров поверхностных волн проведен для светового пучка с гауссовым пространственным распределением у = Щ>(-х2/Ь2). Результаты вычислений представлены в безразмерных параметрах для нормированных скоростей

Гх = Гхскас[щ\ + в/2 )Г. К = " а?)]"' на рис. 1 (кривая 1 -

<7=1, 2 - £7=0,4). Соответствующие данным временным профилям амплитудные спектры представлены на рис.2 (здесь £) = ФТ0).

Рис.1. Временной профиль поверхностной волны

Рис. 2. Спектр поверхностной волны

Таким образом, на основе метода передаточных функций показано, что временной профиль возникающего при лазерном возбуждении импульса поверхностной волны в большинстве случаев определяется только пространственным распределением интенсивности светового пучка. Характерная длительность сигнала поверхностной акустической волны имеет

порядок ts~—, что при фокусировке пучка в полосу шириной Ъ = 1 мм

соответствует длительности каждой из фаз, равной 250 нс, а спектр такого сигнала по уровню 0,5 составляет 0,5 -5-8 МГц.

Аналогично на основе метода передаточных функций проведен расчет временных профилей для продольной и сдвиговой волн, распространяющихся в глубь среды. При учете граничных условий на свободной границе и условия излучения, можно получить выражения для скоростей частиц в продольной и поперечной волнах. Следует учитывать, что при термооптическом возбуждении звука тепловые источники генерируют только продольную волну. Поперечная волна появляется лишь при ее отражении от нагреваемой границы. Поэтому в случае, когда поперечные размеры светового пятна велики по сравнению с длиной продольной волны, эффективность возбуждения сдвиговой волны низка. Можно считать, что возбуждается только продольная волна, форма импульса которой задается выражением:

Это выражение получается как частный случай при предельном переходе, когда ширина пучка Ъ велика по сравнению с глубиной области тепловыделения, равной и в среде возбуждаются только продольные волны. При использовании твердотельных лазеров, работающих в режиме модуляции добротности при и сильнопоглощающих сред

(каковыми являются горные породы с выполняется условие

actt0 < 1, и зависимость интенсивности /(f) лазерного импульса от времени можно аппроксимировать 5 - функцией. Временной профиль возникающего сигнала имеет универсальный вид:

Т, = | = ехр(-ас;). (7)

Спектр и форма возникающей при этом волны определяются только распределением источников тепла по глубине. Длительность переднего фронта возникающего биполярного симметричного сигнала, состоящего из фазы сжатия и фазы разрежение, определяется произведением коэффициента поглощения света а горной породой и скорости продольных волн с, в среде, резкий спад при переходе от фазы сжатия к фазе разрежения имеет длительность порядка длительности лазерного импульса. По переднему фронту, таким образом, может быть рассчитан коэффициент поглощения света на данной длине волны геоматериалом. Характерная длительность каждой из фаз такого сигнала при использовании наносекундных лазерных импульсов составляет 25 нс.

При использовании условия излучения и метода стационарной фазы были получены следующие выражения для компонент скоростей в поперечной и в продольной волнах при малых углах

относительно перпендикуляра к поверхности геосреды в дальней волновой зоне:

где

Здесь введены полярные координаты (р,в)'. г= рсоъв, х= р$тв. Видно, что временной профиль возникающих импульсов продольных и поперечных волн, как и рэлеевских, рассмотренных выше, определяется

произведением трех спектров: Фурье-образом временной огибающей интенсивности /(<м) светового импульса, пространственным

распределением источников тепла по оси х и спектром определяющим распределение источников тепла по глубине (вдоль оси z). Формулы, определяющие скорости частиц в продольной и поперечной волнах, получены для произвольной формы временной огибающей лазерного импульса и произвольного распределения интенсивности вдоль оси х. Эти выражения как предельный переход содержат частный случай гармонически модулированного по интенсивности излучения, когда

Для исследования временных профилей и амплитудных спектров генерируемых сигналов продольных и поперечных волн оказывается удобным ввести два безразмерных параметра. Первый q — <XC¡T¡¡ задается

отношением длительности лазерного импульса г0 к характерному времени пробега импульса продольной волны вдоль области тепловыделения.

Более того, этот же параметр определяет эффективность преобразования свет-звук. При границе раздела воздух-твердое тело наиболее эффективная генерация наблюдается при q~\. Второй параметр r = ab определяется соотношением поперечных размеров лазерного пучка и продольного распределения источников тепла. Данный параметр определяет в основном эффективность возбуждения поперечных волн.

Расчет временных профилей и амплитудных спектров возникающих ультразвуковых импульсов продольных и поперечных волн проводился для гауссова пучка: Для продольных

волн рассматривались импульсы, распространяющиеся вдоль оси В

этом направлении и остается только компонента. На рис.3

приведены зависимости нормированных скоростей частиц

от безразмерного времени при

различных значениях параметра

Рис 3 Временной профиль продольной волны Рис 4. Спектр продольный волны

Соответствующие данным импульсам нормированные амплитудные спектры = ат0) для тех же значений q представлены на рис. 4. Для

продольных волн наблюдается несимметричная трехполярная форма импульсов, характерная для дальней волновой зоны. Видно, что при уменьшении значений параметра q от 1 до 0,3 амплитуды возбуждаемых импульсов также уменьшаются, а спектр сдвигается в область низких частот. Так как для каждой горный породы скорость распространения продольных волн имеет вполне определенное значение, а коэффициент поглощения а слабо зависит от длины волны используемого лазерного излучения, то управлять эффективностью возбуждения и спектром продольных волн можно в основном за счет изменения длительности лазерного импульса Т0> а также за счет граничных условий, когда возбуждение в геоматериале реализуется через оптически прозрачную пластинку с большим значением акустического сопротивления.

Для дальней волновой зоны были получены временные профили поперечных волн и соответствующие им амплитудные спектры. Расчет выполнен для гауссова пучка и различных значений параметра который определяется в основном шириной светового пучка так как коэффициент поглощения света данной длины волны есть фиксированная величина. На рис. 5 представлены зависимости нормированной компоненты колебательной скорости частиц в поперечной волне от

нормированного времени Т =т,/т0 для направления наблюдения, близкого к

оси при и трех значениях параметра

(кривая 1), г= 4 (кривая 2), г = 1 (кривая 3). В данном направлении эффективность возбуждения второй компоненты мала: Соответствующие данным импульсам нормированные амплитудные спектры п приведенынарис. 6(^ = 0,8; 1-г = 2;2-г = 4; 3-г = 7)как функции нормированной частоты П = йг0. Поскольку импульс поперечной волны возникает при отражении от границы импульса продольной волны, то их полярности противоположны (рис. 5). При увеличении ширины пучка (параметра ) уменьшается эффективность генерации сдвиговых волн (амплитуда сигнала, рис. 5) и увеличивается соответственно длительность импульса, что приводит к смещению максимума амплитудного спектра в область низких частот и уменьшению рабочей полосы (рис. 6). В предельном случае г оо поперечная волна исчезает. Таким образом, управлять основными параметрами поперечной волны можно, изменяя ширину светового пучка.

Рис. 5. Временной профиль сдвиговой волны Рис.б. Спектр сдвиговой волны

В этой же главе теоретически исследуется возможность обнаружения дефектов в оптически прозрачных минералах с помощью лазерно-ультразвуковой эхоскопии. При этом импедансы данных сред могут иметь как близкие значения, так и сильно различаться.

В минералах горных пород матрица и включения имеют различный химический состав, а следовательно, и различные спектры поглощения.

Используя, например, лазер на красителях, длина волны излучения которого изменяется в широком диапазоне, можно подобрать частоту таким образом, чтобы для дефекта данная частота соответствовала спектру поглощения, а для матрицы образца - области пропускания. Будем считать, что дефект представляет собой сферу радиуса для которой выполнены следующие условия:

Я>>4%*о> «~1>^/rгo> Д«с0г0, аЯ«1.

Здесь х - температуропроводность дефекта, г0 - длительность лазерного импульса, - скорость распространения продольных волн в материале дефекта, - коэффициент поглощения света дефектом на данной длине волны. Два первых условия означают, что за время действия лазерного импульса влияние теплопроводности достаточно мало, и им можно пренебречь. Используя третье соотношение, считаем, что в пределах поглощающей частицы можно пренебречь релаксацией механических напряжений. И, наконец, последнее неравенство говорит о том, что прогрев по объему частицы однороден. Эти все условия выполняются при значениях коэффициентов поглощения а ~ 10'2 10 см'1 и для радиусов частиц 5 -50мкм. В этом случае приращение температуры Т и давление р в сферической акустической волне, возникающей при расширении нагретой частицы, имеют вид:

где - амплитуда и временная огибающая интенсивности лазерного

излучения, - плотность и удельная теплоемкость материала дефекта, - расстояние от центра дефекта до точки наблюдения, - плотность матрицы. Изменение объема V поглощающей частицы связано с температурой Т соотношением: . Здесь

Р - коэффициент объемного расширения дефекта. Окончательное выражение для давления в акустической волне имеет вид:

Таким образом, при поглощении лазерного излучения на дефекте возникает сферическая волна, временной профиль которой определяется производной от временной огибающей лазерного импульса, сигнал состоит из фазы сжатия и фазы разрежения. Для получения информации о дефекте, необходимо регистрировать ту часть энергии сигнала, которая распространяется в направлении, противоположном направлению распространения лазерного излучения.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию параметров упругих волн ультразвукового диапазона частот, возбуждаемых в геоматериалах. Исследовалось лазерное возбуждение в геоматериалах как продольных, так и поперечных волн. Для того чтобы можно было сопоставить теоретические расчеты с экспериментально наблюдаемыми формами сигналов, необходимо было знать коэффициент поглощения а оптического излучения исследуемыми геоматериалами на длине волны 1= 1,06 мкм. Поскольку таких данных в литературе нет, для определения а был предложен алгоритм, базирующийся на следующем: при использовании наносекундных лазерных импульсов передний фронт возбуждаемого сигнала продольной волны определяется экспоненциальной зависимостью, из которой можно найти коэффициент поглощения света геоматериалом на данной длине волны. Однако, проходя через образец, ультразвуковой импульс испытывает рассеяние на неоднородностях и дифрагирует. Передний фронт волны искажается, и экспериментально полученная форма акустического сигнала не несет нужной информации о коэффициенте поглощения света. Для восстановления его значения из экспериментальных данных необходимо проделать следующие шаги.

На первом этапе возбуждаются ультразвуковые импульсы в сильно поглощающей свет стандартной генераторной среде, для которой в широком диапазоне частот известен коэффициент затухания ультразвука. Данные сигналы принимаются пьезоприемником и являются опорными. Используя быстрое фурье-преобразование, находят спектр опорных импульсов.

Затем между генератором и пьезоприемником помещается исследуемый образец, и на пьезоприемник поступает сигнал, рассеянный на неоднородностях образца. Зная спектр Фурье сигнала, прошедшего

через образец, и спектр опорного сигнала а также соотношение

акустических сопротивлений генераторной (р]^) и исследуемой сред,

можно найти коэффициент ослабления каждой гармоники:

После этого поглощение лазерного излучения происходит непосредственно в образце. Принимаемый пьезоприемником сигнал опять раскладывается в спектр Фурье, делится для каждой гармоники на коэффициент ослабления, и производится обратное Фурье преобразование. Таким образом, восстанавливается форма нерассеянного сигнала, и определяется коэффициент поглощения света образцом для каждой длины волны. Был определен коэффициент поглощения света на длине волны Л= 1,06 мкм для железистого кварцита, габбро, гранитогнейса, известняка и других геоматериалов. Значения а лежали в пределах 50 -100 см-1.

Экспериментально исследована возможность управления параметрами возбуждаемых в горных породах ультразвуковых импульсов продольных, поперечных и поверхностных волн. Показано, что управлять параметрами продольных волн при удобнее всего за счет

изменения граничных условий: при свободной границе возникает биполярный импульс, спектр которого сдвинут в высокочастотную область, при жесткой границе (возбуждение ведется через оптически прозрачную пластинку с большим значением акустического сопротивления) возбуждается однополярный импульс, спектр которого смещен в низкочастотную область. Эффективность преобразования в последнем случае выше.

Поскольку сдвиговые волны возникают при отражении продольных волн на границе раздела двух сред с различными импедансами, то управление параметрами поперечных волн осуществлялось в основном за счет изменения поперечного распределения оптического пучка.

Четвертая глава посвящена разработке аппаратурного и методического обеспечения лазерной ультразвуковой диагностики геоматериалов в режимах прозвучивания и эхолокации. Совместно с Международным лазерным центром МГУ им. М.В. Ломоносова была создана установка «Геоскан - 02М», блок-схема которого приведена на рис. 7. В данной установке в качестве источника лазерных импульсов используется импульсный Nd:YAG лазep, работающий в режиме модуляции добротности. Максимальная энергия в импульсе 260 мДж, их длительность - 10 нс. Оптический пучок первоначально падал на рассеиватель 4, который служил для формирования равномерного по поперечному сечению распределения интенсивности. Затем системой светофильтров 5 могла вариироваться энергия лазерного импульса.

4 5

Рис.7. Блок-схемаустаноеки

Сформированный оптический пучок попадал либо на низкочастотную 1, либо высокочастотную 2 оптико-акустические ячейки. Низкочастотная ячейка представляла собой кювету, в которую заливалась иммерсионная жидкость (обычно использовалась дистиллированная вода). В нее погружался генератор б акустических импульсов. В данной ячейке генератором служила пленка из полиэтилена высокого давления, акустический импеданс которой был близок к акустическому импедансу иммерсионной жидкости (в качестве последней использовалась вода). Поэтому в результате поглощения в пленке лазерного импульса и последующего ее расширения возбуждался однополярный импульс сжатия, длительность переднего фронта которого составляла 50 нс, что

соответствовало рабочей полосе частот от 100 кГц до 12 МГц, амплитуда давления ~ 10 МПа, рабочая апертура - до 20 мм. Сигнал регистрировался задемпфированным широкополосным пьезоприемником 7 на основе ПФДФ пленки толщиной 110 мкм. Оценки показали, что полоса пропускания идеально задемпфированного пьезоэлемента, определяемая его толщиной h и скоростью продольных волн с1 в данном пьезоэлектрике, по уровню 0,5 составляет и при использовании ПВДФ пленки

ПВДФ) толщиной ПО мкм составляла 8 МГц. Приемник был совмещен с предусилителем и рабочая полоса частот всего приемного тракта составляла 0.3 - 8 МГц. При этом диаметр приемной апертуры был равен 53 мм. Порог детектирования широкополосного пьезоэлемента в режиме холостого хода определялся шумовым зарядом его емкости и составлял 5 Па. Поэтому динамический диапазон данной части установки был равен 60 дБ.

Образец помещался в кювету в специальном зажимном устройстве 8, позволяющем вращать его вокруг вертикальной оси. Сигнал с пьезоприемника подавался на запоминающий осциллограф 9. Поскольку лазер работал в импульсно-периодическом режиме, то проводилось усреднение по 128 реализациям, что позволяло увеличить отношение сигнал/шум, по крайней мере, на порядок. Усредненный сигнал подавался на персональный компьютер 10. С помощью пакета программ, написанных в среде «ММкЬ» и использующих быстрое Фурье-преобразование, находились амплитудный спектр сигналов (по нему рассчитывался коэффициент затухания в данном частотном диапазоне) и фазовый спектр, по которому исследовалась, соответственно, дисперсия скорости звука.

Вторая часть установки работала либо как высокочастотная ячейка 2, либо служила для диагностики образцов геоматериалов малых размеров, когда возбуждение ультразвука происходит в результате поглощения лазерного излучения непосредственно на поверхности образца. В этом случае в образце возникают импульсы как продольных, так и сдвиговых волн, и по времени задержки данных импульсов относительно лазерного можно рассчитать скорости распространения продольных и поперечных волн, проводя измерения на образцах толщиной от 3 мм и более. В высокочастотной ячейке в качестве стандартного генератора II был выбран

светофильтр СЗС-22. В этом случае при свободной границе возникает биполярный импульс с длительностью переднего фронта менее 50 нс и спектральным диапазоном 2-45 МГц. Рабочая апертура генератора достигает 30 мм. Приемником 12 служил кристалл Ь1№03 толщиной 7 мм, что соответствовало спектральному диапазону 2-100 МГц. Вторую ячейку удобнее использовать для пористых сред, когда иммерсионный метод неприменим.

На установке «Геоскан-02М» исследования могут быть проведены в режиме проходящих волн. При одностороннем доступе к образцу режим эхолокации может быть реализован на разработанной при участии автора установке, блок-схема которой приведена ниже (рис.8), а принцип действия заключается в следующем. Импульс лазера 1 с помощью системы доставки излучения в виде волоконно-оптического кабеля 2 и линзы-расширителя 3 оптического пучка подводится к оптико-акустическому преобразователю 4 (выполненному, например, в виде непрозрачного полимерного экрана).

к решетке преобразователей, регистрируется приемной системой и используется как опорный. Импульс, распространяющийся к исследуемому образцу горной породы 9, рассеивается на неоднородностях 10 его структуры, и рассеянные назад ультразвуковые сигналы регистрируются решеткой пьезоприемников 5. Для регистрации этих сигналов с высоким временным разрешением каждый пьезоэлемент решетки снабжен отдельным предусилителем 6, обеспечивающим широкий диапазон принимаемых

Рис. 8Блок-схемаустановки

8 *

5 4 9

Система облучения создает на поверхности оптико-акустического преобразователя широкое пятно. При поглощении лазерного импульса в оптико-акустическом преобразователе 4 за счет нестационарного теплового расширения излучаются акустические импульсы, распространяющиеся в противоположные стороны от преобразователя. Импульс,

распространяющийся по направлению

ультразвуковых частот, и отдельным аналого-цифровым преобразователем 7, обеспечивающим преобразование сигналов в цифровую форму с требуемой точностью и временным разрешением. Для построения двумерных картин неоднородностей исследуемого объекта используется компьютер 8, находящийся на линии с аналого-цифровыми преобразователями и использующий специальное программное обеспечение.

При длительности оптического импульса г = 15 не и максимальноой энергии в импульсе £ = 2-10"' Дж длительность ультразвуковых сигналов не превышает 100 нс, что с учетом реальных скоростей распространения акустических сигналов в горных породах, соответствует пространственной протяженности менее 0,5 мм. Диаметр возбуждаемого в образце ультразвукового пучка равен диаметру светового, падающего на поверхность оптико-акустического генератора, и составляет 5 мм.

Пятая глава посвящена теоретическому и экспериментальному обоснованию лазерных методов диагностики структуры, свойств и состояния геоматериалов. Здесь исследовано распределение зерен по размерам на образцах железистого кварцита. Согласно теоретической модели рассеяния продольных волн в частотном спектре затухания ультразвука в зависимости от соотношения длины волны Xf и среднего размера неоднородностей (пор,

зерен, кристаллитов) в образце D выделяют три характерные области: рэлеевского рассеяния где коэффициент затухания продольных

волн ар~ f* (/ - частота), стохастического р а с с е я^-ий), в пределах которой и диффузного (или геометрического, где

ар & const и не зависит от частоты. Максимальный размер неоднородностей в образце оценивается по частоте при которой наблюдается переход от рэлеевского типа к стохастическому, и вычисляется из соотношения: - скорость продольных ультразвуковых волн в образце. Установлено, что частота /, соответствующая середине спектрального диапазона, для которого характеризует средний

размер зерен D и имеет место зависимость 2JtfDlcp ~ 1.

Экспериментальные исследования распределения зерен по размерам проводились на установке «Геоскан-02М». При поглощении лазерного излучения в стандартном оптоакустическом генераторе формировались ультразвуковые импульсы со спектром от 100 кГц до 6 МГц. Акустический контакт генератора с поверхностью образца осуществлялся с помощью иммерсионной жидкости, толщина соединительных слоев которой не превышала 0.5 мм. Через нее ультразвуковой сигнал попадал в образец и после его прохождения регистрировался широкополосным пьезоприемником, на основе ниобата лития с верхней граничной частотой 100 МГц.

Спектральный анализ сигналов осуществлялся с помощью пакета программ, включающего быстрое преобразование Фурье, учет амплитудных коэффициентов отражения ультразвуковой волны на границе раздела сред и дифракции звукового пучка в квазиоптическом приближении.

Частотная зависимость коэффициента затухания продольных акустических волн определялась делением модуля комплексного

спектра ультразвукового импульса, прошедшего образец, на модуль

калибровочного спектра S0(f): ap{f) = (I _ толщина

образца); в качестве калибровочного St(f) выбирался спектр импульса, прошедшего через пластину из кварцевого стекла той же толщины, что и исследусмый образец. Выбор кварцевого стекла обусловлен тем, что коэффициент поглощения ультразвука в нем пренебрежимо мал. Низкочастотные спектральные гармоники импульсов на выходе из образцов толщиной 5-10 мм испытывают сильную дифракцию и имеют из-за этого малую величину. Наличие кварцевого стекла позволяет исключить влияние дифракции, так как при равной толщине стекла и образца дифракционные искажения сигналов в них одинаковы, а также учесть потери энергии в иммерсионных слоях. При расчетах учитывалось уменьшение амплитуды сигнала в результате отражения на границах раздела генератор - образец и образец - пъезоприемник из-за несогласованности их акустических импедансов.

Рис. 9. Зависимости aplf2= F(f2): а- образец 1,6- образец II ■

Частотные зависимости коэффициента затухания ультразвука в нормированных координатах Др//2 =-f(/2) для образцов железистого

кварцита приведены на рис. 9 (о - образец I, б - образец II). Частота перехода от рэлеевского типа рассеяния к стохастическому для образца I /q ~ 3.7 МГц, II - 4.2 МГц. Скорости распространения продольных

упругих волн для образца I составили 6.03 км/с, II —5.75км/с. Рассчитанный максимальный размер зерен для образца I— 260 мкм, II—220 мкм. Резкий спад в диапазоне от /0 ~ 3.7 до ~ 12 МГц (область перехода от рэлеевского типа к стохастическому) для образца I свидетельствует о том, что размеры значительной части зерен — D ~ 260 - 80 мкм. Для образца II аналогичный спад наблюдается от ~ 4.2 до — 11 МГц, соответственно D ~ 220 - 80 мкм, область от до /2 - область стохастического рассеяния. Тот факт, что она наблюдается до /2 - 20 МГц для образца I и /2 ~ 30 МГц — для II, говорит о том, что в образце I присутствуют в достаточном количестве рассеиватели размером до 50 мкм, в II — до 30 мкм. Выявление более мелких неоднородностей не представляется возможным из-за сильного поглощения образцами более высоких частот. Полученные результаты находятся в хорошем соответствии с данными оптической микроскопии.

Для образцов из известняка, мрамора и железистого кварцита толщиной 3 - 5 мм были проведены измерения скоростей распространения продольных и сдвиговых волн на той же установке. Первоначально образцы мрамора и известняка представляли собой кубики с ребром а =30 мм. Такие

размеры позволяли предварительно провести измерения скоростей продольных С/ и сдвиговых с, волн и с помощью серийного дефектоскопа УД2-16. Полученные таким образом значения для скоростей в обоих методах лежали в пределах ошибки, составляющей 2%. Образцы разрезались на пластины толщиной 3-6 мм, которые вновь подвергались лазерному воздействию. С помощью дефектоскопа провести измерения на таких пластинах оказалось невозможным. Возникающие при лазерном возбуждении импульсы длительностью 100 нс (для продольных волн) и 250 нс (для поперечных ) позволили провести измерения и на образцах столь малых размеров.

Использование лазерного излучения для возбуждения импульсов упругих волн дает еще одно преимущество. Если на стандартных дефектоскопах типа УД2-16 при широких пучках можно определять лишь усредненные по объему значения скорости упругих волн, то фокусировка оптического пучка приводит к возможности определения локального значения скоростей. Проведенное сканирование по поверхности образца с шагом 5 мм показало, что значения скорости продольных и сдвиговых волн менялись в пределах 10%.

Методом лазерной ультразвуковой спектроскопии исследовалась анизотропия горных пород. Для оценки акустической анизотропии чаще всего используют методику, предлагающую измерение скоростей распространения продольных волн е1 в трех ортогональных направлениях х,у,1, одно из которых согласовано с видимыми текстурными признаками исследуемого геоматериала. По полученным значениям вычисляют коэффициент анизотропии:

Так как значения с„ определяют главным образом упругие свойства геоматериалов, то анизотропию именно этих свойств отражает данный коэффициент. В то же время, как показывает опыт, по отношению к анизотропии, обусловленной структурной упорядоченностью (связанной с размерами и ориентацией зерен породообразующих минералов, различными

видами дефектности и другими факторами), коэффициент (12) мало информативен. Поэтому был введен и проанализирован коэффициент анизотропии по затуханию для каждой частоты

где в соответствии со значениями скоростей аг/г >аг/х,. Исходя из

результатов экспериментальных измерений, проведенных с образцами гранитогнейсов, слюдистых сланцев и интрузивных пород, можно сделать следующие выводы. Во-первых, этот коэффициент сильно зависит от частоты, а, во-вторых, его численное значение существенно больше (в 3- 7 раз), чем значение коэффициента анизотропии для скоростей продольных волн. Кроме того, по частотной зависимости коэффициента затухания можно судить о характерных размерах зерен в данном направлении. Так, более резкое увеличение коэффициента затухания ультразвука с частотой в одном направлении по сравнению с другим свидетельствует о том, что число

рассеивателей с характерными масштабами, равными

скорость распространения продольных волн), в данном направлении больше.

Как отмечалось выше, при использовании оптико-акустических генераторов возбуждаются импульсы продольных упругих волн длительностью менее 100 нс (что соответствует их пространственной протяженности не более 0,5 мм) и амплитудой давления до 10 МПа, которые могут быть применены в системах ультразвуковой эхоскопии геоматериалов, где совмещены функции оптико-акустической генерации зондирующих упругих импульсов и пьезоэлектрического приема сигналов, отраженных от искомых дефектов.

Исследования, проведенные в режиме эхо-локации, позволяют по разнице времен прихода на пьезоприемник опорного и

донного сигналов, а также известному значению толщины образца

определить скорость распространения продольных упругих волн:

Расстояние дефекта ^ от поверхности находится из соотношения — временной интервал между приходом на пьезоприемник опорного и отраженного от дефекта сигналов (рис 10,6)

А,отн ед

Рис 10 Акустические треки опорного (а) и прошедшего через образец (б) сигналов

Погрешность вычисления ср и определяется погрешностями

измерения h и соответствующих временных интервалов и составляет около 2%.

Малая длительность зондирующего сигнала, возбуждаемого ОАГ, позволяет выявлять дефект на глубине от 0.3 - 0,5 мм, т. е. минимизировать "мертвую" зону контроля. Кроме того, по соотношению полярностей опорного и отраженного от дефекта импульсов представляется возможным оценить соотношение акустических импедансов дефектов и вмещающего геоматериала. Если полярности указанных импульсов одинаковы, то дефект структуры обладает большим импедансом, чем вмещающая среда, в противном случае—меньшим.

С помощью описанного метода проведены исследования степени однородности и дефектности структуры образцов вулканической породы различного возраста и измерены в них скорости распространения продольных упругих волн.

В шестой главе исследованы возможности использования нелинейных эффектов для диагностики структурных свойств и состояния

и ДО "<1 ~сР^Г

где

геоматериалов лазерным ультразвуковым методом. Лазерное возбуждение мощных импульсов упругих волн с амплитудой давления до 10 МПа дает возможность исследовать процессы нелинейного взаимодействия данных импульсов с дефектами геоматериала. Для этих целей использовались образцы габбро, которые были разделены на две группы. К первой группе были отнесены образцы, в которых методом эхо-локации были обнаружены и локализованы микротрещины, ко второй - бездефектные образцы. На установке «Геоскан - 02М» проводилось ультразвуковое прозвучивание различных областей образцов первой группы. Ниже приведены результаты исследований для одного из наиболее типичных образцов данной группы.

Опорный импульс, прошедший через кювету с дистиллированной водой, состоял из фазы сжатия и разрежения с соотношением амплитуд 5:1; спектр такого сигнала простирался вплоть до 10 МГц. В данную кювету помещался образец таким образом, что первоначально опорный сигнал проходил область без трещин. Дифракция и рассеяние на неоднородностях образца приводили к уменьшению амплитуды фазы сжатия и к заметному увеличению амплитуды фазы разрежения по отношению к фазе сжатия (соотношение амплитуд фазы сжатия и разрежения становится равным 2.5:1), а также увеличению длительности импульса в 3 раза в связи с рассеянием высокочастотной части спектра. В спектре оставались частоты не выше 3 МГц. Поскольку локализация трещины была известна, вторая область прозвучивания выбиралась так, что ультразвуковым пучком частично захватывалось начало трещины. В этом случае происходила нелинейная трансформация формы импульса, проявляющаяся в первую очередь в резком уменьшении амплитуды фазы разрежения (в 2.7 раз) при увеличении ее длительности т от первоначального значения тх = 0.348 мкс в сигнале, прошедшем через область без трещины, до значения г2 = 0.446 мкс. При этом амплитуда фазы сжатия уменьшалась всего лишь в 1.5 раза, а ее длительность практически не изменялась по сравнению с сигналом, прошедшим через цельную часть образца. При. прохождении опорного сигнала непосредственно через середину трещины на фоне резкого уменьшения амплитуды фазы разрежения наблюдалось разделение во времени двух фаз биполярного импульса. Наличие горизонтального участка

в акустическом треке подтверждает тот факт, что фазы сжатия и разрежения распространяются с различными скоростями.

Вторая серия измерений была посвящена исследованию влияния дефектности, возникающей при нагружении образцов, на форму, скорость распространения и коэффициент затухания импульсов упругих волн. Исследования проводились с изотропными образцами карельского габбро, в которых трещины первоначально отсутствовали. Все образцы подвергались циклическому одноосному нагружению в направлении которого после снятия нагрузки проводились измерения. Максимальные значения напряжения каждого цикла составляли: при первом - СГ[ = 34 МПа, втором -сг2 = 68 МПа, третьем - Oj =112 МПа, четвертом - С4 = 253 МПа, пятом -ст5 = 280 МПа. При дальнейшем нагружении до = 295 МПа произошло разрушение образца.

Первоначально были определены частотные зависимости коэффициента затухания и скорости распространения продольных волн в диапазоне 1 - 3,5 МГц в образце, предварительно подвергнутом нагружению до =34 МПа. При нагружении до = 68 МПа наблюдалось увеличение скорости ультразвука на 1 % , что было связано с уплотнением образца в направлении прозвучивания; дисперсия скорости во всем исследуемом диапазоне частот незначительна. Отмеченное увеличение скорости может быть зафиксировано также и по уменьшению времени распространения импульса по образцу на 0.15 мкс. Наиболее чувствительным к уплотнению образца является коэффициент затухания, который на частоте 3 МГц при увеличении нагрузки от уменьшается на 17% . При нагрузке

0*3 = 112 МПа наблюдалась акустическая эмиссия, и на поверхности образца появлялись микротрещины, очерчивающие контуры зерен. Измерения показали, что в этом случае скорость уменьшается на 3 %, а коэффициента затухания соответственно увеличивается на 32% по отношению к первоначальным значениям. При этом в форме импульсов, прошедших через нагруженные образцы, происходят следующие изменения. Опорный сигнал, как и в предыдущем случае, состоит в основном из фазы сжатия. В акустическом сигнале, прошедшем через образец после первоначальной

нагрузки с, =34МПа, за счет дифракции и рассеяния соотношение амплитуд фаз становится 1.5:1, т.е. происходит существенное увеличение амплитуды фазы разрежения. После нагрузок, меньших 112МПа, сильных искажений в форме импульса не наблюдается. Образование микротрещин (сгз = 112 МПа) приводит к существенному уменьшению амплитуды фазы разрежения. Увеличение одноосного нагружения до ет4 = 253 М1 1а приводило к росту числа микротрещин и соответствующему уменьшению фазы разрежения. Соотношение амплитуд двух фаз биполярного импульса равнялось 2:1. При нагрузке сг5 =280 МПа образовалась макротрещина протяженностью более 2 см. В результате прохождения акустического сигнала через данную трещину наблюдалось разделение во времени двух фаз биполярного импульса при дальнейшем уменьшении амплитуды фазы разрежения и увеличении ее длительности. Данному процессу соответствовали уменьшение скорости распространения продольных волн и увеличение коэффициента затухания во всем исследуемом частотном диапазоне. При нагрузке сг6 = 295 МПа произошло механическое разрушение образца.

Исследование образцов карельского габрро показало, что в результате прохождения через «их короткого биполярного импульса упругих продольных волн нелинейность такой среды проявляется в искажении формы данного сигнала. При наличии трещин с глубиной раскрыва ~ 100 мкм и более нелинейное искажение проявляется в том, что фаза сжатия и фаза разрежения распространяются с различными скоростями, то есть происходит разделение во времени двух данных фаз.

Заключение

лазерной ультразвуковой спектроскопии, обеспечивающего повышение информативности и надежности прогноза и контроля свойств и структуры геологической среды на образцах.

Основные выводы и результаты диссертационной работы, полученные лично автором, заключаются в следующем:

Разработана теоретическая модель для описания процесса лазерного возбуждения в горных породах ультразвуковых импульсов продольных, сдвиговых и поверхностных волн, позволяющая определять формы и спектры данных импульсов при произвольных параметрах оптического пучка.

Установлено, что спектр импульсов акустических волн каждого из трех типов волн, возбуждаемых при поглощении лазерного излучения в приповерхностном слое горной породы, есть произведение трех спектров, два из которых задаются продольным и поперечным распределением интенсивности света в среде, а третий представляет спектр временной огибающей лазерного импульса. Установлено, что лазерное возбуждение импульсов продольных волн в горных породах через промежуточный слой оптически прозрачной среды с высоким значением волнового сопротивления приводит к увеличению амплитуды не менее, чем на порядок, и смещению спектра в низкочастотную область, а фокусировка оптического пучка определяет направление максимума диаграммы направленности; для сдвиговых и поверхностных волн фокусировка лазерного излучения обеспечивает уменьшение длительности импульсов и расширение их спектра. - Показано, что выбор промежуточной генераторной среды с низкой теплоемкостью и высоким коэффициентом теплового расширения, а также большим значением коэффициента поглощения света позволяет увеличить амплитуду генерируемых импульсов продольных волн, по крайней мере, на порядок вплоть до 100 МПа.

Экспериментально установлено, что лазерный метод возбуждения упругих волн позволяет достичь амплитуд давления ультразвуковых импульсов, генерируемых в горных породах без нарушения их структуры, до 10 МПа в частотном диапазоне до 40 МГц, что создает

предпосылки для исследования горных пород с высоким затуханием ультразвука, достигающим 30 см"1.

Разработаны принципы построения и создан опытный образец аппаратуры лазерной УЗ спектроскопии «Геоскан-02М». Установлено, что по экспериментально полученной зависимости коэффициента затухания упругих волн в диапазоне от 300 кГц до 40 МГц и с использованием теоретической модели, учитывающей рэлеевское, стохастическое и диффузное рассеяние на зернах, можно определить их характерные размеры в пределах от 1 мм до 20 мкм. Установлено, что минимальная длительность возбуждаемых с помощью оптического излучения упругих импульсов составляет -100 нс, что обеспечивает высокую лучевую разрешающую способность и позволяет исследовать образцы толщиной от 3 мм практически при отсутствии мертвой зоны. Реализована возможность выявления и идентификации дефектов структуры при одностороннем доступе к объекту контроля. Экспериментально доказано, что, применяя в качестве информативного параметра контроля коэффициент затухания во всем реализуемом диапазоне частот, можно повысить чувствительность выявления анизотропии не менее чем в три раза по сравнению с контролем на основе стандартных кинематических параметров акустического сигнала. Установлен эффект нелинейного взаимодействия возбуждаемых оптическим излучением мощных ультразвуковых импульсов с дефектной геосредой, проявляющийся в детерминированных искажениях формы указанных импульсов, заключающихся в превалирующем затухании фазы разрежения и появлении временного сдвига между фазой сжатия и фазой разрежения.

Основные положения и научные результаты опубликованы в следующих печатных работах:

1. Черепецкая Е.Б. К теории термооптической генерации продольных и сдвиговых ультразвуковых волн в горных породах. - Горный информационно-аналитический бюллетень (ГИАБ). - 2002. - №10. - С. 3335.

2. Черепецкая Е.Б. Расчет параметров приемного пьезоэлектрического преобразователя для широкополосной лазерной акустической диагностики состояния геоматериалов - ГИАБ. - 2002. -№11.- С.38-39.

3. Черепецкая Е.Б. Математическая модель лазерного возбуждения упругих импульсов при ультразвуковой структуроскопии неоднородных материалов.

- Обозрение прикладной и промышленной математики (ОПиПМ).- Т. 10. -2003.- №3.-С. 774-775.

4. Белов М.А., Карабутов A.A., Макаров ВА., Шкуратник ВЛ., Черепецкая Е.Б., Подымова Н.Б. Количественная оценка размеров минеральных зерен методом лазерной ультразвуковой спектроскопии. - Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых (ФТПРПИ). - 2003. - №5. -С.3-8.

5. Карабутов A.A., Макаров В.А., Шкуратник В.Л., Черепецкая Е.Б. Теоретическая оценка параметров ультразвуковых импульсов, возбуждаемых в геоматериалах лазерным излучением. - ФТПРПИ. - 2003. -№4.-С.11-18.

6. Иньков В.Н., Черепецкая Е.Б. Возможности выявления микродефектов в образцах горных пород лазерным ультразвуковым методом. - ГИАБ. - 2004.

- №4. - С. 104-107.

7. Иньков В.Н., Черепецкая Е.Б. Расчет параметров мощных широкополосных оптико-акустических генераторов для задач контроля геоматериалов. -ОПиПМ. -Т.11.-2004.-№1.-С. 117-118.

8. Черепецкая. Расчет диаграмм направленности продольнных и поперечных волн при лазерном возбуждении ультразвука в геоматериалах. - ОПиПМ. -Т. П.-2004.-№2.-С.427-428.

9. Белов М.А., Пеливанов И.М., Черепецкая Е.Б. О возможности оценки пористости геоматериалов по измеренным значениям скоростей упругих волн. - ОПиПМ. - Т. 11- 2004.. - № 2. - С. 297.

10. Иньков В.Н., Черепецкая Е.Б., Шкуратник ВЛ., Карабутов A.A., Макаров В.А. Оценка параметров акустических сигналов, возникающих при поглощении лазерного излучения на дефектах оптически прозрачных минералов. - ОПиПМ. - Т. 11. - 2004.- № 4. - С. 959.

11. Черепецкая Е.Б., Коваленко С.А О возможности управления параметрами ультразвуковых сигналов, возбуждаемых лазерными импульсами в геоматериалах. - ОПиПМ.. - Т. И - 2004. - № 4. - С. 958-959.

12. ИньковЕШ., Черепецкая Е.Б. Экспериментальное исследование влияния тепловой нелинейности на параметры лазерно-ультразвуковых сигналов, возбуждаемых в геоматериалах. - ГИАБ. - 2004. - №10. - С. 34-36.

13. Черепецкая Е.Б., Белов М.А. Об особенностях измерений акустических характеристик горных пород на образцах малых размеров. - ГИАБ. - 2004. -№10.-С. 31-34.

14. ИньковВ.Н., Черепецкая Е.Б., Шкуратник В Л., Карабутов A.A., Макаров В.А. Ультразвуковая эхоскопия геоматериалов с использованием термооптических источников продольных волн. - ФТПРПИ. - 2004. - . Х»3.-С. 16-21.

15. Способ лазерно-акусгаческого контроля твердых материалов и устройство для его осуществления. МА.Белов, ААКарабутов, ВАМакаров, В.Л.Шкуратник, Е.Б.Черепецкая - Патент RU 2232983 С2, 20.07.2004. -Бюл.№20.

16. Черепецкая Е.Б., Шкуратник В Л. Методика оценки структуры и свойств горных пород на образцах методом лазерной ультразвуковой спектроскопии. - Препринт. - Приложение к ГИАБ. - 2005. - 23 С.

17. Черепецкая Е.Б. Способ лазерно-акустического контроля твердых материалов и устройство для его осуществления. - ГИАБ. - 2004. - №12. - С. 233-235.

18. Белов М.А., Черепецкая Е.Б. Алгоритм расчета коэффициента поглощения оптического излучения в геоматериалах по параметрам упругих волн при термооптическом возбуждении ультразвука. - ОПиПМ. - Т. П. - 2004. -№4.-С. 756.

19. ЧерепецкаяЕ.Б., ИньковВ.Н. Экспериментальные исследования анизотропии горных пород с помощью аппаратуры лазерного ультразвукового струкгуроскопа «ГЕОСКАН - 02М». - ГИАБ. - 2005. -№1.- С.53-55.

20. ИньковВЛ., Черепецкая Е.Б., Шкуратник В.Л., Карабутов A.A., Макаров В.А. Использование эффекта тепловой нелинейности при лазерном возбуждении ультразвуковых сигналов в геоматериалах. - Прикладная механика и техническая физика. - Т. 46. - 2005. - № 2. - С. 179-186.

21. Иньков В . Н., Черепецая Е.Б. Экспериментальное исследование нелинейного искажения формы мощных импульсов при распространении в горных породах. - ГИАБ. - 2005. - № 3. - С. 41-45.

22. Руденко О.В., Черепецкая Е.Б. Исследование термооптического возбуждения объемных акустических в металлах. // Тезисы докладов пятою Всесоюзного совещания по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом, Л., 1981, с. 373-374.

23. О.В. Руденко, Е.Б. Черепецкая. Исследование термооптического вобуждекия коротких акустических импульсов в металлах. // Тезисы докладов одиннадцатой Всесоюзной конференции по когерентной и нечинейной опгике. - М, 1982. - С.546-547.

24. Карабутов A.A., Портнягин А.И., Руденко О.В., Черепецкая Е.Б. Теоретическое и экспериментальное исследование нелинейной и дифракционной эволюции широкополосных сигналов при термооптическом возбуждении.// Труды второго Всесоюзного симпозиума по физике акусто-гидродинамических явлений и оптоакустике. - М.: Наука, 1982. - С.73-77.

25. Черепецкая Е.Б. Термооптическое возбуждение звука в неоднородно-поглощающих средах.// Труды второго Всесоюзного симпозиума по физике акусто-гидродинамических явлений и оптоакустике. - М.: Наука, 1982. -С.96 -97.

26. Белов МА., Карабутов A.A., Макаров В.А., Шкуратник В.Л., Черепецкая Е.Б., Возможности лазерно-ультразвуковой томографии в диагностике горных пород. / Техническая механика // Межведомственный сборник научных трудов. - Симферополь, 2002. - Вып. 34. - С. 53-57.

27. Белов МА., Карабутов A.A., Макаров В.А., Шкуратник В.Л., Черепецкая Е.Б. О возможностях акусто-оптической спектроскопии геоматериалов. // Сборник трудов XIII сессии Российского акустического общества. - М.: ГЕОС.-2003.-Т.2.-С.55-58.

28. Белов М.А., Карабутов A.A., Макаров В.А., Шкуратник В.Л., Черепецкая Е.Б.,. Использование лазерного излучения для измерения скоростей распространения упругих волн на образцах геоматериалов малых размеров. // Сборник трудов XIII сессии Российского акустического общества. - М.: ГЕОС.-2003.-Т.2.-С.59-61.

29. Иньков В.Н., Черепецкая Е.Б., Шкуратник В Л., Панасьян Л.Л.,. Карабутов A.A., Макаров ВА.. Исследование анизотропии геоматериалов с использованием ультразвукового метода. / Физическая акустика. Распространение и дифракция волн. Геоакустика.// Сборник трудов XV сессии РАО. -.Н-Новгород. - 2004. - С. 269-272.

30. Черепецкая Е.Б., Шкуратник В.Л., Иньков В.Н., Коваленко СА. Карабутов A.A., Макаров В. А. Особенности распространения ультразвуковых импульсов в трещиноватых горных породах, связанные с гистерезисной нелинейностью // Сборник научных докладов конф. «Горная

геология, геомеханика и маркшейдерия»,- 4.1. - Донецк. - 2004. - С. 280 -284.

31. Черепецкая Е. Б, ИньковВ.Н., Карабутов А. А. Метод калибровки пьезоэлектрических датчиков акустической эмиссии с использованием лазерной ультразвуковой спектроскопии. // Межвузовский сборник / Под ред. ГВЛеонова, Бинск, АПУ. - 2004. - С. 285 -287.

Подписано в печать 09.02.05. Формат 60x90/1 б Объем 2,0 пл. Тираж 100 экз. Заказ 315

Типография Московского государственного горного университета Москва, Ленинский проспект, 6

Z5.00

2 2 '""Й

m 7

; i г '

Содержание диссертации, доктора технических наук, Черепецкая, Елена Борисовна

Введение.

Глава 1. Современное состояние и проблемы ультразвуковой диагностики структуры, свойств и состояния горных пород.

1.1. Сущность и классификация ультразвуковых методов геоконтроля. Задачи, решаемые данными методами.

1.2. Источники упругих волн, используемые для ультразвуковой диагностики геоматериалов.

1.3. Физические принципы работы опто-акустических генераторов.

1.4. Современное состояние техники и технологии изготовления лазерных ультразвуковых генераторов.

1.5. Особенности геоматериалов как объектов лазерной ультразвуковой диагностики.

1.6. Выводы и постановка задач исследований.

Глава 2. Разработка теории лазерного возбуждения упругих волн ультразвукового диапазона частот в геоматериалах.

2.1. Расчет параметров поверхностных упругих волн, возбуждаемых при лазерной генерации ультразвука.

2.2. Особенности термооптического возбуждения продольных и сдвиговых волн в геоматериалах.

2.3. Теоретическое исследование возможности управления параметрами ультразвуковых сигналов, возбуждаемых в геоматериалах.

2.4. Расчет диаграмм направленности продольных и поперечных волн при лазерном возбуждении ультразвука в геоматериалах.

2.5. Оценка параметров акустических сигналов, возникающих при поглощении лазерного излучения на дефектах оптически прозрачных минералов

2.6. Выводы.

Глава 3. Экспериментальное исследование параметров упругих волн ультразвукового диапазона частот, возбуждаемых в геоматериалах.

3.1. Схема установки и методы приема упругих волн.

3.2. Временные профили импульсов продольных и сдвиговых волн, возбуждаемых лазером в металлах и геоматериалах.

3.3. Экспериментальная проверка возможности управления параметрами ультразвуковых сигналов, возбуждаемых в геоматериалах.

3.4. Выводы.

Глава 4. Разработка аппаратурного и методического обеспечения лазерной ультразвуковой диагностики геоматериалов в режимах прозвучивания и эхолокации.

4.1. Методическое и аппаратурное обеспечение лазерной ультразвуковой спектроскопии геоматериалов.

4.2. Расчет параметров преобразователя на основе ПВДФ пленки в виде решетки пьезоэлементов для широкополосной лазерной акустической диагностики.

4.3. Теоретические вопросы методического и аппаратурного обеспечения лазерно-ультразвукового контроля геоматериалов в режиме эхо-локации.

4.4. Выводы.

Глава 5. Теоретическое и экспериментальное обоснование лазерных методов диагностики структуры и свойств геоматериалов.

5.1. Структуроскопия геоматериалов.

5.2. Ультразвуковая эхоскопия геоматериалов с использованием термооптических источников продольных волн\.

5.3. Изучение структуры, свойств и состояния геоматериалов на образцах малых размеров.

5.4. Определение упругих свойств геоматериалов.

5.5. Изучение анизотропии геоматериалов.

Глава 6. Исследование возможности использования нелинейных эффектов для диагностики структурных свойств и состояния геоматериалов лазерным ультразвуковым методом.

6.1. Теоретические модели для описания нелинейных эффектов, возникающих при взаимодействии упругих волн с геосредой.

6.2. Исследование нелинейной эволюции импульсов упругих волн при распространении в геоматериалах.

6.3. Исследование нелинейной эволюции импульсов упругих волн при распространении в углях.

6.4. Использование эффекта тепловой нелинейности при лазерном возбуждении ультразвуковых сигналов в геоматериалах.

6.5. Экспериментальное исследование влияния тепловой нелинейности на параметры лазерно-ультразвуковых сигналов, возбуждаемых в геоматериалах.

6.4. Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка лазерного ультразвукового метода диагностики структуры и свойств горных пород на образцах"

Наличие надежной информации о структуре, свойствах и состоянии геологической среды на различных масштабных уровнях является необходимым условием эффективного и безопасного ведения горных работ, строительства и эксплуатации подземных сооружений. Для получения указанной информации широкое распространение получили методы горной геофизики, основанные на изучении природы структуры, пространственной неоднородности и временной изменчивости искусственных и естественных физических полей в массиве и на образцах.

Начиная с 50-х годов прошлого века, когда стали проводиться систематические исследования геосреды с использованием ультразвука, и вплоть до настоящего времени УЗ методы постоянно совершенствовались. Тем не менее, еще и сегодня приходится констатировать, что их значительные потенциальные возможности на практике реализуются далеко не полностью. Последнее обусловлено прежде всего тем, что традиционно используемые в геоконтроле пьезоэлектрические источники ультразвука обеспечивают возбуждение относительно узкополосных, маломощных зондирующих сигналов, возможности управления параметрами которых принципиально ограниченны. Все это, в конечном счете, снижает информативность, надежность и помехоустойчивость УЗ измерений в горных породах, а также ограничивает круг решаемых с помощью таких измерений задач.

Исследования, результаты которых представлены в настоящей диссертационной работе, осуществлялись при финансовой поддержке Совета по грантам Президента РФ для поддержки ведущих научных школ (НШ-1467.2003.5). Они были проведены в рамках темы «Теоретическое и экспериментальное обоснование изучения структуры, свойств и состояния горных пород на основе принципов ультразвуковой эхоскопии» в соответствии с планом научно-исследовательских работ МГГУ, проводимых в 2002 - 2004 гг. по заданию Федерального агентства по образованию (номер госрегистрации 01200304882).

В рамках настоящей работы автором защищаются следующие основные научные положения:

2. Спектр импульсов упругих волн каждого типа, возбуждаемых лазерным излучением в горных породах, определяется произведением трех спектров, первые два из которых задают продольное и поперечное распределения источников тепла, третий задается Фурье-образом временной огибающей интенсивности светового импульса. При использовании коротких лазерных импульсов характерная длительность сигналов продольных волн, по крайней мере, на порядок меньше, чем соответственно поперечных и поверхностных.

3. Изменение параметров оптического пучка позволяет управлять такими параметрами ультразвуковых сигналов как амплитуда, длительность, спектр и диаграмма направленности. Лазерное возбуждение упругих импульсов продольных волн в горных породах через промежуточный слой оптически прозрачной среды с высоким значением волнового сопротивления приводит к увеличению амплитуды не менее чем на порядок и смещению спектра в низкочастотную область. Фокусировка оптического пучка приводит к увеличению амплитуды импульсов сдвиговых и поверхностных волн и уменьшению их длительности.

4. Генерация упругих импульсов может осуществляться либо при поглощении лазерного излучения на поверхности образца горной породы, либо через промежуточную генераторную среду. При этом в первом случае излучаются как продольные так и поперечные волны, параметры которых зависят от коэффициента поглощения светового излучения в приповерхностной зоне геоматериала. Во втором случае излучаются преимущественно импульсы продольных волн, амплитуда давления которых может достигать чрезвычайно больших значений вплоть до 100

МПа и регулироваться за счет выбора генераторной среды с определенными теплофизическими свойствами.

5. Лазерный метод возбуждения упругих волн позволяет достичь амплитуд давления упругих импульсов, генерируемых в горных породах без нарушения их структуры, до 10 МПа в частотном диапазоне до 40 МГц. Реализуемые на практике амплитуды давления упругих импульсов позволяют исследовать во всем рабочем диапазоне частот образцы горных пород с затуханием, достигающем 30 см"1. При этом длины волн указанных сигналов оказываются соизмеримыми с характерными размерами неоднородностей в образцах горных пород, либо могут быть больше или меньше этих размеров, что создает предпосылки для оценки масштабов элементов зернистой структуры, пористости, микротрещин, дефектов и других неоднородностей.

6. Создаваемые в горных породах с помощью лазерного возбуждения упругие импульсы имеют длительность менее 100 не, что обеспечивает высокую лучевую разрешающую способность, величину мертвой зоны менее 0,4 мм и позволяет исследовать образцы толщиной от 3 мм и более.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- большим объемом экспериментальных исследований, проведенных на образцах различных горных пород;

- совпадением форм импульсов упругих волн, полученных из теоретической модели и наблюдаемых экспериментально;

- значительным объемом сравнительного анализа динамических и кинематических характеристик ультразвуковых сигналов в частотном диапазоне вплоть до 40 МГц, полученных с помощью разработанных современных экспериментальных методов и аппаратуры, с известными результатами;

- хорошей воспроизводимостью установленных закономерностей информативных параметров при многократных измерениях;

- использованием современных компьютерных программ для обработки экспериментальных данных.

Научная новизна работы заключается:

- в разработке теоретической модели, описывающей процесс лазерного возбуждения ультразвуковых импульсов продольных, сдвиговых и поверхностных волн в горных породах;

- в получении аналитической зависимости параметров данных импульсов от основных характеристик оптического излучения и свойств геосреды, определяющих поглощение света;

- в экспериментальном установлении зависимости параметров ультразвуковых импульсов от пространственного и временного распределения интенсивности оптического пучка, а также от поглощающих свет свойств геоматериала;

- в теоретическом и экспериментальном установлении зависимости амплитуды генерируемых с помощью лазера импульсов упругих волн от теплофизических свойств поглощающей оптическое излучение геосреды;

- в установлении возможности увеличения амплитуды сигналов на порядок и более при лазерном возбуждении сигналов упругих волн через оптически прозрачную среду с высоким значением акустического импеданса;

- в установлении возможности проведения исследований с помощью упругих импульсов, возбуждаемых лазером в геосреде, на образцах горных пород малых размеров с толщиной не менее 3 мм;

- в установлении закономерностей лазерной ультразвуковой эхолокации образцов горных пород при диагностике пор, микротрещин и других неоднородностей;

- в установлении закономерностей в описании анизотропии горных пород в результате введения нового динамического параметра: частотной зависимости коэффициента затухания во всем реализуемом диапазоне вплоть до 40 МГц;

- в установлении закономерностей нелинейных искажений формы мощных ультразвуковых импульсов продольных волн при их распространении в образцах горных пород.

Научное значение работы заключается в разработке теоретической модели и установлении закономерностей процесса лазерного возбуждения в геосреде мощных коротких импульсов продольных, сдвиговых и поверхностных волн, а также в обосновании принципов использования данных импульсов для диагностики свойств и структуры горных пород, что будет способствовать развитию научного направления, связанного с использованием лазерной ультразвуковой спектроскопии для решения задач геоконтроля.

Реализация результатов работы. Выводы и рекомендации, сформулированные в рамках работы, нашли отражение в «Методике оценки структуры и свойств горных пород методом лазерной ультразвуковой спектроскопии», которая может быть использована в научно-исследовательских институтах, вузах и других организациях, ведущих работы по созданию и практическому использованию новых методов исследования геоматериалов.

Благодарности

Автор выражает искреннюю благодарность и признательность научному консультанту Владимиру Лазаревичу Шкуратнику и Александру Алексеевичу Карабутову, без постоянного внимания которых эта работа не была бы сделана. Выполнение работы едва ли стало бы возможным без теплого отношения, постоянной поддержки и участия со стороны всех сотрудников кафедры ФТКП МГГУ. Автор благодарен Инькову В.Н. за техническую помощь при постановке экспериментов и Панасьян JI.JI. за предоставленные для исследований образцы и плодотворное обсуждение результатов.

Заключение Диссертация по теме "Горнопромышленная и нефтегазопромысловая геология, геофизика, маркшейдерское дело и геометрия недр", Черепецкая, Елена Борисовна

Основные выводы и результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

- Разработана теоретическая модель для описания процесса лазерного возбуждения в горных породах ультразвуковых импульсов продольных, сдвиговых и поверхностных волн, позволяющая определять формы и спектры данных импульсов при произвольных параметрах оптического пучка.

- Установлено, что спектр импульсов акустических волн каждого из трех типов волн, возбуждаемых при поглощении лазерного излучения в приповерхностном слое горной породы, есть произведение трех спектров, два из которых задаются пространственным и временным распределением оптического пучка, а третий определяется поглощающими свойствами геосреды.

- Установлено, что лазерное возбуждение импульсов продольных волн в горных породах через промежуточный слой оптически прозрачной среды с высоким значением волнового сопротивления приводит к увеличению амплитуды не менее, чем на порядок, и смещению спектра в низкочастотную область, а фокусировка оптического пучка определяет направление максимума диаграммы направленности; для сдвиговых и поверхностных волн фокусировка лазерного излучения обеспечивает уменьшение длительности импульсов и расширение их спектра. Показано, что выбор промежуточной генераторной среды с низкой теплоемкостью и высоким коэффициентом теплового расширения, а также большим значением коэффициента поглощения света позволяет увеличить амплитуду генерируемых импульсов продольных волн, по крайней мере, на порядок вплоть до 100 МПа.

Установлено, что минимальная длительность возбуждаемых с помощью оптического излучения упругих импульсов составляет 100 не, что обеспечивает высокую лучевую разрешающую способность и позволяет исследовать образцы толщиной от 3 мм практически при отсутствии мертвой зоны. Реализована возможность выявления и идентификации дефектов структуры при одностороннем доступе к объекту контроля. Экспериментально доказано, что, применяя в качестве информативного параметра контроля коэффициент затухания во всем реализуемом диапазоне частот, можно повысить чувствительность выявления анизотропии не менее чем в три раза по сравнению с контролем на основе стандартных кинематических параметров акустического сигнала. Установлен эффект нелинейного взаимодействия возбуждаемых оптическим излучением мощных ультразвуковых импульсов с дефектной геосредой, проявляющийся в детерминированных искажениях формы указанных импульсов, заключающихся в превалирующем затухании фазы разрежения и появлении временного сдвига между фазой сжатия и фазой разрежения.

Заключение

В диссертации, представляющей собой законченную научную работу, содержащую результаты исследования закономерностей лазерного возбуждения и распространения ультразвуковых импульсов продольных, сдвиговых и поверхностных волн в горных породах, разработаны теоретические положения, которые можно квалифицировать как крупное достижение, связанное с созданием нового метода горной геофизики лазерной ультразвуковой спектроскопии, обеспечивающего повышение информативности и надежности прогноза и контроля свойств и структуры геологической среды на образцах.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Черепецкая, Елена Борисовна, Москва

1. Ржевский В.В., Новик Г.Я. Основы физики горных пород. М., Недра. 1978, с. 389.

2. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. / Под ред.И.П. Голяминой. М. Сов. Энциклопедия, 1979, с. 400.

3. Ямщиков B.C., Бауков Ю.Н. Геоакустика. Упругие волны в неоднородном массиве. М.: МГИ, 1973, с. 87.

4. Ямщиков B.C. Методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов. М., Недра, 1982, с. 295.

5. Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник. / Под ред. В.В.Клюева. М., Машиностроение, 2003, с. 656.

6. Ямщиков B.C., Шкуратник B.JI. Акустическая спектроскопия массива горных пород. ФТПРПИ, 1978, №2, с. 216.

7. Турчанинов И.А., Панин В.И. Геофизические методы определения и контроля напряжений в массиве. JL Наука, 1976, с. 163.

8. Шкуратник B.JL Горная геофизика. Ультразвуковые методы. М. МГИ, 1990, с. 103.

9. Аджимамудов Э.Б., Акопян Е.А. О характере зависимости скорости распространения упругих волн от плотности горных пород. Ученые записки Ереванского университета, Естественные науки, 1981, №7, с. 161.

10. Ямщиков B.C. Введение в геоакустику, М., МГИ, 1968, с.275.

11. Ляховский Ф.М. О соотношении упругих и прочностных свойств горных пород. В сб. "Геофизические исследования". М.: Изд-во МГУ, 1964, с. 58.

12. Kunigelis V., Senulis М. Acoustic Investigation of Air-Filled Porous Materials. // Acta Acustica, 2002, v. 88, p. 14-18.

13. Asmani M., Kermel С., Leriche A., Ourak M. Influence of porosity on Young's modulus and Poisson's ratio in alumina ceramics. // J. of European Ceramic Society, 2001, v.21, p. 1081-1086.

14. Ляв А. Математическая теория упругости. M.: ОНТИ, 1935, с. 674.

15. Акустополяризациоииые измерения характеристик анизотропии горных пород, Методические рекомендации. Составители Горбацевич Ф.Ф., Балаганский В.В., Иванова Н.Г. Апатиты, изд. Кольского научного центра АН СССР, 1990, 83 с.

16. Горбацевич Ф.Ф. Акустополяризационный метод оценки упругой анизотропии горных пород. В кн.: Геофизические и геодинамические исследования на северо-востоке Балтийского щита. Апатиты, изд. Кольского филиала АН СССР, 1982, с. 112-124.

17. Александров К.С., Продайвода Г.Т. Анизотропия упругих свойств минералов и горных пород. // Новосибирск, Изд. СО РАН, 2000, с. 353.

18. Маньков В.Н., Стефурак Л.А. Исследование механических и физических свойств грунтов ультразвуковым методом. В сб. "Труды ВНИИ по строительству магистральных трубопроводов", 1975, вып.31, с.109.

19. Савич А.И., Коптев В.И., Михайлов В.Д. Применение геофизических методов для изучения и состояния массивов горных пород. В сб." Труды Всесоюзного проектно-изыскательского и научно-исследовательского института "Гипопроект". М., 1981, №76, с. 91.

20. Ватолин Е.С. Некоторые динамические свойства и природа деформирования горных пород. -М.: Наука, 1966, с. 120.

21. Адибеков Г.И. Зависимость коэффициента теплопроводности от скорости сейсмических волн. В сб. "Влияние физических процессов на калий-аргоновый возраст минералов". Махачкала, 1981, с. 154.

22. Denis A., Panet М., Toureng С. L'identification des roches par l'indice de continuite. 4th Internationale Congres Rock Mech., Montreux 1979, p. 95.

23. Ризниченко Ю.В., Силаева О.И., Шамина О.Г. и др. Сейсмические методы изучения напряженного состояния горных пород на образцахи в массиве. В сб.'Труды Геофизического института АН СССР", м.: Изд. АН СССР, 1956, №34, с.176.

24. Мамбетов Ш.А. Геоакустический контроль состояния массива пород вблизи горных выработок. Фрунзе: Илим, 1972, с. 172.

25. Ямщиков B.C., Тютюнник П.М., Блок А.В., Экспериментальное изучение пространственной неоднородности массива вблизи горной выработки методом ультразвукового прозвучивания. ФТПРПИ, 1974, №3, с. 3.

26. Силаева О.И., Замахаев A.M., Терентьев В.А. О долговременных наблюдениях за параметрами ультразвуковых волн в массиве горных пород. В сб. "Измерение напряжений в массиве горных пород" -Новосибирск, 1976, с. 79-83.

27. Кажис Р.-И. Ультразвуковые информационно-измерительные системы. // Вильнюс, "Мокслас", 1986, с.216.

28. Беспалько А.А., Геринг Г.И. Акустические эффекты в твердых телах под воздействием электронных пучков. В кн.: Высокоэнергетическая электроника твердого тела. Новосибирск, Наука, 1982, с. 207-215.

29. Беспалько А.А., Геринг Г.И. Генерация упругих волн напряжений в твердых телах электронными пучками большой плотности. Письма в ЖТФ, 1977, №4, с. 207-215.

30. Лямшев JI.M., Седов JI.B. Оптическая генерация звука в жидкости. Тепловой механизм (обзор). Акуст. ж., 1981, т.27, №1, с. 5-29.

31. Лямшев Л.М., Челноков Б.И. Генерация звука в твердом теле проникающим излучением. Акуст. ж., 1983, т.29, №4, с. 372-381.

32. Sh.-Ch. Wooh, Q.Zhou. Behavior of laser-induced ultrasonic waves radiated from a wet surface. // J. of Appl. Phys., 2001, v.89, №6, p. 3469-3476.

33. D. Ronis. Microscopic theory of photoacoustic pulse generation. //Phys. Rev.A, 1984, v.29, №6, p. 3370-3378.34,35

Информация о работе

Черепецкая, Елена Борисовна
доктора технических наук
Москва, 2005
ВАК 25.00.16

Диссертация

Разработка лазерного ультразвукового метода диагностики структуры и свойств горных пород на образцах - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы