Автореферат Повышение информативности акустополяризационного метода определения упругих характеристик горных пород

На правах рукописи

Ковалевский Михаил Васильевич

ПОВЫШЕНИЕ ИНФОРМАТИВНОСТИ АКУСТОПОЛЯРИЗАЦИОННОГО
МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ УПРУГИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГОРНЫХ

ПОРОД

Специальности: 01.04.06. - «акустика»;

05.11.13. - «методы и приборы контроля природной среды,
веществ, материалов и изделий».

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Санкт-Петербург-2002

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном
электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Яковлев Л.А.
Научный консультант - доктор технических наук Горбацевич Ф.Ф.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Сидоренко В.М.

кандидат физико-математических наук, стар. н. сотрудник Богданов В.Н.

Ведущая организация - Горный институт Кольского Научного Центра РАН

Защита диссертации состоится «_»_2002 г. в час.

на заседании диссертационного совета Д 212.238.06 Санкт-Петербургского
государственного электротехнического университета «ЛЭТИ»
им. В.И.Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург,
ул. Проф. Попова, 5.

Юлдашев З.М.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан «_»_2002 г.

Ученый секретарь
диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Физическая анизотропия играет очень большую
роль в природе. Наиболее полно ее значение и особенности проявились при
изучении минералов. Теория упругой анизотропии сред, а также методы оп-
ределения внутренней упругой анизотропии основательно описаны в трудах
А.Лява, В.Фойгта, Дж.Ная, Ф.И.Федорова, Г.И.Петрашеня и других. Однако
недостатком этих методов является то, что разработанные методы не обла-
дают необходимой общностью их применения. Во всех основных методах
контроля свойств, основанных на измерении скорости распространения ульт-
развуковых колебаний (УЗК) считается заранее известной ориентация эле-
ментов симметрии исследуемых образцов. В этом случае легко можно вы-
числить упругие характеристики материалов.

Горные породы относятся к анизотропным средам, причем зачастую
ориентация осей и плоскостей симметрии в таких средах неизвестна. Это об-
стоятельство приводит к определенным особенностям при проведении изме-
рений. Таким образом, представляет особый интерес изучение и определение
закономерностей прохождения УЗК через анизотропные среды, какими яв-
ляются, в частности минералы и горные породы.

Одним из акустических методов контроля при помощи которого реали-
зована возможность определять вышеперечисленных параметры является ме-
тод акустополяризационных измерений, основателем которого является Гор-
бацевич Ф.Ф. Метод основан на особенности распространения упругих коле-
баний разных типов и поляризаций в анизотропных средах, в частности гор-
ных породах. На сегодняшний день акустополяризационный метод использу-
ется для определения упругой анизотропии горных пород. В сравнении с
другими методами, основанными на измерении скорости УЗК, акустополяри-
зационный метод является более информативным. Он позволяет определять:
наличие анизотропии упругих свойств материалов; наличие эффекта линей-
ной акустической анизотропии поглощения (ЭЛААП); пространственную
ориентацию элементов упругой симметрии среды. Однако основным недос-
татком метода является недостаточно высокая точностью определения про-
странственной ориентации элементов симметрии исследуемых образцов
(±100). Кроме того, методика исследования предполагает проведения доста-
точно большого числа измерений для каждого образца (в среднем от 430 до
4300 в зависимости от шага сканирования). При этом фиксация результатов и
последующая их обработка осуществлялась, как правило, вручную. Для пре-
одоления, возникающих в этом случае недостатков необходимо изменять ме-
тодику контроля и устройства в направлении их усовершенствования.

Акустические исследования могут преследовать цель не только опре-
деления статических упругих характеристик, но и их изменения под действи-
ем различных внешних факторов. Такие измерения во-первых, связаны со
значительными временными затратами, а во-вторых, могут приводить к раз-
рушению образца. Поэтому актуальной становится задача разработки эффек-
тивных акустических систем, позволяющих производить параллельные опре-
деления скоростей квазипродольных и квазипоперечных волн, распростра-
няющихся в анизотропных средах.

Целью работы является повышение информативности методики исследова-
ния внутренней структуры горных пород, за счет внедрения нового про-
граммно-аппаратного комплекса, работающего в автоматическом режиме.

Для достижения поставленной цели предполагается решение следую-
щих задач:

1. Усовершенствование существующей конструкции акустополяри-
скопа в направлении его автоматизации с использованием элементов про-
грессивных аппаратно-программных средств ЭВМ.

2. Разработка физических основ функционирования и устройства дву-
модового пластинчатого преобразователя, эффективно возбуждающего раз-
личные типы волн в заданном диапазоне частот и создающего предпосылки
для создания стабильного акустического контакта при шероховатости по-
верхности естественных образцов.

3. Усовершенствование методики и организации проведения акусто-
поляризационных измерений с высокой оперативностью и производительно-
стью.

4. Доказательство эффективности разработанных программно-
аппаратных средств для экспериментальных исследований упругой анизо-
тропии на образцах горных пород.

Объектами исследования в работы являются процессы измерения упругих
характеристик образцов минералов и горных пород (типа полевых шпатов и
др.) Воче-Ламбинского полигона, керна Кольской сверхглубокой скважины
(СГ-3), распределенные по глубине извлечения в пределах от 800 до 8690 м.
Все образцы изготовлены в Геологическом институте Кольского научного
центра РАН (Апатиты).

Основные методы исследования. Для измерения скорости УЗК используется
метод сравнения с применением теневого метода прохождения УЗК в иссле-
дуемой среде. На основе теории распространения УЗК в анизотропных сре-
дах используется акустополяризационный метод с усовершенствованной
специальной методикой измерения.

Научная новизна

1. На основе теоретического анализа распространения УЗК в двумодо-
вых пластинчатых пьезокристаллах найден угол среза, при котором наблю-
даются оптимальные соотношения коэффициента передачи для продольной и
поперечной волн. Для исследования упругой анизотропии горных пород в
конструкции акустической системы использованы демпфированные преобра-
зователи с повернутым срезом пьезоэлемента и двойным демпфированием:
конусом и буферным стержнем из плавленого кварца.

2. Сформулированы технические требования к новым конструкциям
приборов: ультразвуковой датчик; ультразвуковой измеритель скорости
УЗИС-ГЭТУ; акустополярископ. Разработаны меры обеспечения стабильного
акустического контакта между исследуемым образцом и преобразователями
в конструкции акустической системы. Для исследования упругих характери-
стик горных пород акустополяризационным методом использовался автома-
тизированный программно-аппаратный комплекс

3. Предложен и подтвержден экспериментально метод быстрого и на-
дежного исследования на ЭВМ упругой анизотропии и других акустических

характеристик образцов горных пород с произвольной симметрией. Обеспе-

1 о

чено увеличение чувствительности и точности до 1 определения простран-
ственного положения элементов упругой симметрии.

4. Обнаружен ЭЛААП в минеральных образцах полевых шпатов (мик-
роклин, олигоклаз, ортоклаз). Экспериментально доказано, что породы по
разрезу Кольской сверхглубокой скважины на глубинах от 800 до 8690 мет-
ров анизотропны. Показано изменение ЭЛААП на различной глубине залега-
ния породы, что позволило определить распределение степени упругой ани-
зотропии, изменение ЭЛААП и тем самым природу тектонических структур
земной коры по разрезу скважины.

Практическая значимость работы: Рассчитанные и построенные на ЭВМ
акустополяриграммы представляют собою основу базы данных общего спра-
вочника упругих характеристик горных пород. Повышение производитель-
ности снизило трудозатраты обслуживающего персонала и стоимость затрат
на проведение акустополяризационных измерений. Полученные отдельные
результаты диссертации могут быть рекомендованы для использования в
учебном процессе подготовки специалистов соответствующих направлений.

Основные положения, выносимые на защиту

• При усовершенствовании акустополяризационного метода измерений уп-
ругих характеристик горных пород доказана целесообразность повышения
его информативности путем внедрения созданного программно-
аппаратного комплекса в составе: автоматизированного акустополяриско-
па с электроприводом; ультразвукового измерителя; ультразвукового де-
фектоскопа; контроллера обмена данными; персонального компьютера и
программного пакета «A^stpol ©», позволяющих осуществлять опреде-
ление числа и величины упругих констант, наличия и степень проявления
эффекта линейной акустической анизотропии поглощения. Кроме увели-
чения номенклатуры и точности измеряемых упругих характеристик дока-
зано снижение трудоемкости работы на автоматизированном комплексе,
по сравнению с ручными измерениями, примерно в 14 раз.

• Акустополяризационные измерения с повышенной информативностью
целесообразно осуществлять ультразвуковыми преобразователями с ис-
пользованием двумодового пьезоэлемента и составного демпфера, эле-
ментами которого являются буферный стержень и конусная тыльная на-
грузка из плавленого кварца. Конструкция преобразователя обеспечивает
наилучшую эффективность энергетического преобразования продольных
и поперечных волн в заданной полосе частот от 0.5 до 2 МГц при угле
среза от 450 до 500 и контактного слоя из эпоксидной смолы с максималь-
ной вязкостью при толщине 20-30 мкм. Доказана нецелесообразность
применявшегося ранее уменьшения толщины контактного слоя.

• При повышения метрологических характеристик акустополярископа пока-
зана эффективность использования автоматизированного высокостабиль-
ного привода поворотной платформы, что в сочетании с вычислительны-
ми возможностями программного пакета «A^stpol ©» обеспечивает по-
вышение точности определения пространственного положения элементов
упругой симметрии до 10, и исключает погрешность 4 - 6
0, которую соз-
давала предыдущая схема измерения.

• Исследования ряда образцов кристаллических горных пород Воче-
Ламбинского полигона и Кольской сверхглубокой скважины, выполнен-
ные с применением автоматизированного программно-аппаратного ком-
плекса, было показано наличие упругой анизотропии разной степени (ква-
зиизотропные менее 0,05, слабоанизотропные от 0.05 до 0.15 и сильно
анизотропные более 0.15) и типа симметрии (поперечно-изотропные, ор-
тотропные). Глубинные образцы, извлеченные из Кольской сверхглубокой
скважины показали высокую степень проявления ЭЛААП (до 0.82). Впер-
вые выявлено наличие ЭЛААП в породообразующих минералах, таких
как микроклины, олигоклазы, ортоклазы.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на сле-
дующих семинарах и конференциях:

- Elastic Wave Effect on the fluid in the porous media, conference is con-
ducted as a satellite scientific event for International Symposium on Nonlinear
Acoustics, ISNA-16, Moscow, Russia, august 2002;

- XI сессии Российского Акустического общества, Москва, ноябрь
2001г;

- Акустическая научная сессия, проводимая в рамках 6-ой научной
конференции ННГУ по радиофизике, посвященной 100-летию со дня рожде-
ния профессора М.Т.Греховой, Нижний Новгород, май 2002г.;

- Х, Х^ ХП научные молодежные конференции, посвященной памяти
К.О.Кратца «Геология и полезные ископаемые Северо-Запада и Центра Рос-
сии»: Апатиты, май 1999г.; Петрозаводск, май 2000г.; Санкт-Петербург, ап-
рель 2001г.;

- годичной научно-технической конференции Минералогического об-
щества РАН, Санкт-Петербург, май 1998г.;

- научно-технических конференциях профессорско-преподавательского
состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» им. Ульянова (Ленина), Санкт-Петербург: фев-
раль 2000, февраль 2001гг.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, из них 5 статей и
тезисы к одному докладу на научно-технической конференции.
Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных
на 169 страницах основного машинописного текста, содержит 65 рисунков, 5
таблиц, список используемой литературы из 90 наименований и девять при-
ложений. Общий объем диссертации 202 страницы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, указыва-
ются цели, задачи и научная новизна работы, сформулированы научные по-
ложения, выносимые на защиту.

Первая глава диссертационной работы имеет обзорный характер. Рас-
сматривается предмет геологии горных пород, как объект применения аку-
стических методов исследования. По итогам обобщения теоретических и
практических материалов произведена оценка проблемы, на основе которой
осуществлялся выбор и обоснование направления исследования. Показана
необходимость совершенствования методов обработки результатов измере-
ний с учетом возможностей современной вычислительной техники.

Известно, что горные породы представляют собой гетерогенные систе-
мы, чаще всего сложенные из разноориентированных кристаллов. Большой
практический интерес представляет собой решение проблемы: к какой сис-
теме упругой симметрии принадлежит та или иная поликристаллическая по-
рода, какой матрицей постоянных описывается ее упругая анизотропия. Для
определения упругих модулей вещества используется акустическая характе-
ристика как скорость звука, описанию известных методов измерения которой
уделено повышенное внимание. Из наиболее распространенных использо-
вался метод сравнения, который входит в категорию импульсных методов и
основан на сравнении измерения промежутка времени, в течение которого
звуковая волна проходит известное расстояние в образце и без образца.

Правильная оценка скорости звука в анизотропных средах возможна
только тогда, когда известна их ориентация элементов упругой симметрии,
для определения которой использовался акустополяризационный метод. Ме-
тод основан на регистрации амплитуды прохождения квазипоперечных УЗК
через образец при разной ориентации вектора поляризации (ОВП) излучателя
и приемника (параллельная и скрещенная) и предусматривает использование
линейно-поляризованных излучателя и приемника УЗК.

Полная характеристика упругости анизотропной среды может быть по-
лучена в результате последовательных этапов измерений, определений и рас-
четов. Сначала проводятся акустополяризационные измерения, определяют
число, вид и направленность элементов симметрии среды. Затем определяют
наличие и степень проявления ЭЛААП. В соответствии с выявленными эле-
ментами симметрии проводят измерения величин скорости распространения
продольных и поперечных волн. Далее вычисляют все константы упругости
Сар, коэффициенты анизотропии
33, 822зз, Ушз, Ушз, AT. На последнем этапе
определяют тип упругой симметрии, разграничивают породы на слабо- и
сильно анизотропные, проводят анализ полученных данных.

Во второй главе представлены основные закономерности распростране-
ния УЗК в анизотропных средах. Описываются физические основы метода
акустополяризационных измерений. Представляется эффект линейной аку-
стической анизотропии поглощения.

В анизотропной среде наблюдается распространение трех типов объемных

волн. Распространение упругих ко-
лебаний в анизотропных средах, в
общем виде описывается тензорным
уравнением Грина-Кристофеля:

Если рассмотреть процесс распро-
странения поперечной волны в ани-
Рис.1. зотропном образце при произволь-

ной ОВП излучателя и приемника колебаний (рис.1) и выполнить разложение
вектора поляризации
А излучателя по осям, то без учета затухания колебаний
в материале образца амплитуда сигнала, регистрируемая приемником опре-
деляется формулой:

Рис.2.

В случае отличия скоростей и соответствующих длин поперечных волн
для разноориентированных векторов поляризации возникнет разность фазы,
которая зависит как от разности скоростей, так и от проходимого ультразву-
ком путей. Возникает известный эффект вращения плоскости поляризации.

В процессе поворота анизо-
тропного образца наблюдает-
ся диаграмма изменения ам-
плитуды огибающей, которая
называется акустополяри-
граммой. На рис.2 с шагом
разности фазы 8= п/4 в пре-
делах 0-2п, приведены кон-
фигурации огибающих ам-
плитуд при параллельных
(сплошная линия) и скрещен-
ных (пунктирная линия) векторах поляризации. Независимо от величины
разности фаз 8 минимумы амплитуды при скрещенных векторах поляризации
наблюдаются, если ориентация осей [010], [100], совпадает с ОВП излучателя
и приемника колебаний. При этом прямые, проведенные через минимумы уг-
ловой зависимости амплитуды принятой волны при скрещенной ОВП излу-
чателя и приемника АВСМ, всегда укажут пространственное положение про-
екций осей или плоскостей симметрии на грани образца.

При распространении УЗК через образец, возможно, наблюдать
ЭЛААП. Суть эффекта состоит в различном поглощении пучка поперечных
колебаний при повороте вектора поляризации относительно структурных
элементов среды. ЭЛААП регистрируется в случае параллельных векторов
поляризации. Визуально эффект исказит форму соответствующей акустопо-
ляриграммы. По степени этого искажения можно определить направления
наибольшего и наименьшего "пропускания" поперечных колебаний, а также
показатель степени проявления ЭЛААП.

Третья глава посвящена усовершенствованию и разработке аппаратуры
для проведения акустополяризационных измерений. Цель работы достигает-
ся тем, что разработан новый автоматизированный программно-аппаратный
комплекс, который повышает точность измерений, чувствительность метода,
а также производительность работы. Комплекс состоит из измерителя скоро-
сти распространения ультразвука УЗИС-ГЭТУ; дефектоскопа; акустополяри-
скопа; контроллера передачи данных; частотомера и компьютера с установ-
ленным программным обеспечением «Aсustpol ©».

Электронный блок УЗИС-ГЭТУ, выполнен на базе однокристальной
микро-ЭВМ ATMEL 89С51 и обладает следующими возможностями: изме-
нение периода следования импульса; изменение длительности импульса; пе-
реключатель типов волны; изменение времени задержки строба; изменение

длительности строба. Также существует
плавная регулировка частоты генератора
шкалы меток задержек строба. Частота
импульсов регистрируется частотомером.

Далее сигнал поступает на излу-
чающий преобразователь акустической
системы. В акустополяризационном ме-
тоде используется специальная конструк-
ция акустической системы, которая назы-
вается акустополярископом (рис.3). В ра-
боте разработана конструкция акустопо-
лярископа с автоматизированным приво-

дом вращения поворотной платформы. Кубический образец устанавливается
между преобразователями и крепится на поворотной платформе, которая
приводится в движение при помощи механизма, подключенного к электро-
двигателю. В качестве механизма используется червячный редуктор. Вра-
щение поворотной платформы осуществляется равномерно по часовой
стрелке. Сигнал, проходя через образец, принимается приемным преобразо-
вателем акустической системы и поступает на приемный вход дефектоскопа.
В комплексе используется стандартный дефектоскоп УД2-12. Одновременно
с излучением сигнала в акустическую систему на вход дефектоскопа посту-
пает сигнал строба и сигнал синхронизации. Для дальнейшей передачи ин-
формации об изменении амплитуды сигнала в реальном режиме времени ис-
пользуется, разработанный контроллер передачи данных. Сигнал передается
в параллельный порт ввода-вывода компьютера и далее обрабатывается соз-
данным программным обеспечением «Асш1ро1©». После проведения полно-
го цикла измерений программное обеспечение осуществляет построение аку-
стополяриграммы. Так как необходимо провести исследование по трем гра-
ням кубического образца, то существует возможность просмотра акустопо-
ляриграмм как по всем трем направлениям прозвучивания, так и по каждому
направлению. При этом имеется возможность автоматического определения
проекций пространственного положения элементов симметрии образца.

В четвертой главе для возможности одновременного возбуждения про-
дольных и поперечных волн описывается разработка конструкции демпфи-
рованного пластинчатого преобразователя с повернутым срезом.

Для определения угла среза и расчета частотных характеристик преобра-
зователя был проведен теоретический анализ работы преобразователя в ре-
жимах излучения и приема. Получены системы уравнений для этих режимов.
режим приема:

Для расчёта частотных характеристик, разрабатываемых преобразователей
была составлена программа на языке С++, на основе которой был проведен
численный анализ частотных зависимостей коэффициента передачи для про-
дольных и поперечных волн при различных параметрах конструкции элемен-
тов акустической системы. На рис.4 представлены сравнительные зависимо-
сти коэффициентов передачи при различных углах среза пьезопластины: 300,
450 и 600. Волна, соответствующая более высокой частоте является про-
дольной, более низкой - поперечной. Как видно оптимальное соотношение
наблюдается при угле среза 450. Но при этом заметно уменьшение коэффи-
циента передачи и расширение резонансной кривой. Дальнейшие расчеты
были направлены на увеличение коэффициента передачи путем использова-
ния различных материалов, из которых изготовлялся буферный стержень и
демпфер, а также влияние толщины контактного слоя (рис.5). Из графиков
видно, что увеличение толщины слоя приводит к обострению резонансных
кривых и повышению коэффициента передачи. Это является положительной
тенденцией, т.к. при изготовлении преобразователя не стоило стремиться к
уменьшению толщины слоя. Для проверки возможности использования дру-
гих материалов буферных стержней были выполнены расчеты конструк-
ции буферного стержня из титана.

Рис.4. Продольные и поперечные волны соответственно:
1,2 - недемпфированной пьезопластины;

демпфированный преобразователь (материал буферного стержня и

демпфера - плавленый кварц):

3,4 - при нулевой толщине контактного слоя,

5,6 - при толщине контактных слоев 5 мкм.

0,35 0,60 0,85 1,10 1,35 1,60. ,.,-1,85

Частота, МГц

буферный стержень - титан; демпфер - плавленный кварц

Рис.5. Продольные и поперечные волны соответственно:
1,2 - толщина контактного слоя 5 мкм;
3,4 - толщина контактного слоя 15 мкм;
5,6 - толщина контактного слоя 30 мкм.

На основании указанных выводов была разработана конструкция акустиче-
ского датчика (рис.6). Параметры конструкции выбирались исходя из требо-
ваний к измеряемым образцам (ГОСТ 21153.0-75),
заданного частотного диапазона и оптимального
режима возбуждения как продольной, так и попе-
речной моды. Размеры элементов конструкции оп-
ределялись размерами исследуемого образца и ра-
бочими частотами. Пьезопластина 1 является ак-
тивным элементом акустического датчика, изготов-
лялась из пьезокерамики ЦТС-19. Возможность
работы в двурезонансном режиме определялась
углом поворота среза пьезопластины относительно
Рис6. кристаллографических осей. Как показали приве-

денные расчеты, оптимальный режим достигается при угле повороте прибли-
зительно 45°-50°, при этом небольшие погрешности (±30) в углах поворота
оказывают несущественное влияние на характеристики датчика. Материалом
демпфера 2 является предварительно металлизируемая пирамида из плавле-
ного кварца, боковые грани которой обладают большой шероховатостью для
рассеяния ультразвуковых волн. Буферный стержень 3, пьезопластина и
демпфер соединены между собой с помощью эпоксидной смолы ЭД-5, тол-
щина слоя может быть достаточно существенна, порядка 20-30 мкм. Вся
конструкция расположена в металлическом корпусе. Электрический сигнал
подводится через разъем 7. Большое затухание в горных породах заставляет
выбирать наиболее низкую частоту импульсных источников и приемников
колебаний. Поэтому в разрабатываемой конструкции были приняты частоты
0.6, 1.2 МГц, соответственно для продольных и поперечных волн при толщи-
не пьезопластины ~1,5 мм и диаметре 30 мм.

В пятой главе описана методика и порядок проведения измерений, оп-
ределение величин скоростей, типа симметрии и модулей упругости анизо-
тропных сред.

Для более точного нахождения направленности элементов симметрии и
определения упругих характеристик горных в диссертации была усовершен-
ствована методика измерения, которая заключается в последовательном вы-
полнении следующих этапов:

• Регистрируется изменение амплитуды сигнала прошедшего образец, при
вращении его относительно оси преобразователей, на угол от 0 до 3600;

• Обработка результатов и построение акустополяриграмм осуществляется
при помощи программного обеспечения;

• По каждому направлению прозвучивания определяются проекции элемен-
тов симметрии;

• Предварительно определяются скорости прохождения УЗК;

• Согласно найденным проекциям элементов симметрии производят допол-
нительную обработку образца, так чтобы грани образца были параллель-
ны и перпендикулярны, выявленным элементам симметрии.

• определяют значения скоростей прохождения трех ультразвуковых волн
(одна - квазипродольная, две - квазипоперечные) через образец. По каж-
дому направлению строятся матрицы скоростей.

• По матрицам скоростей определяются упругие характеристики (модуль
упругости, модуль сдвига, показатель ЭЛААП, модуль Юнга, коэффици-
ент анизотропии и др.).

В работе проводились исследования на образцах Воче-Ламбинского по-
лигона, расположенного в центральной части Кольского полуострова и на
образцах керна Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3).

На акустополяриграмме ВС можно достаточно точно выявить простран-
ственную направленность элементов упругой симметрии (рис.6).

Рис.6. Акустополяриграмма образца: ортоклаз (кальциевый полевой
шпат, СО-3-8, s. 7, XIX-1-b).
Также при помощи акустополяризационного метода было проведено иссле-
дование полевых шпатов, к которым относятся микроклин, олигоклаз, орток-
лаз на наличие ЭЛЛАП. И впервые было установлено, что полевые шпаты
проявляют ЭЛААП и, причем достаточно ярко.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Автоматизированный программно-аппаратный комплекс в составе:
автоматизированного акустополярископа с электроприводом; ультразвуково-
го измерителя; ультразвукового дефектоскопа; контроллера обмена данными;
персонального компьютера и программного пакета «A^stpol ©», позволяет
осуществлять полную обработку данных с определением проекций элемен-
тов упругой симметрии исследуемого образца и выдачу результатов на бу-
мажный носитель.

2. Конструкция ультразвукового измерителя скорости (УЗИС-ГЭТУ) до-
пускает проводить измерение времени распространения УЗК с погрешностью
не более
± 0,04 мксек. В нем предусматривается плавная подстройка частоты
меток задержек стробирующего импульса.

3. Новая конструкция акустополярископа с автоматизированным приво-
дом поворотной платформы обеспечивает стабильный акустический контакт
между исследуемым образцом и излучающим, приемным преобразователями.
Автоматизация привода поворотной платформы способствует равномерному
режиму отсчета показаний, что приводит к существенному повышению точ-
ности определений.

4. Разработана электронная схема контроллера передачи данных в па-
раллельный порт компьютера. Быстродействие контроллера определяется
встроенным кварцевым генератором (частота генератора составляет 13,4
МГц) и самой программой, прошитой в ПЗУ контроллера. Электронная схема
обеспечивает точную и быструю передачу данных со скоростью 3,7 кБит/сек.

5. При использовании автоматизированного программно-аппаратного
комплекса достигнуто увеличение производительности измерений. Напри-
мер, при максимальной точности измерений (шаг сканирования 10) время ре-
гистрации данных уменьшается с 36 ч. 40 мин до 2 ч. 25, что соответствует
увеличению производительности работы в ~14 раз.

6. Разработана конструкция демпфированного пластинчатого ультразву-
кового преобразователя с повернутым срезом. Оптимальный режим, обеспе-
чивающий возбуждение продольных и поперечных волн, достигается при уг-
ле среза порядка 450-500. При этом погрешности в определении угла среза
оказывают несущественное влияние на характеристики датчика.

7. Усовершенствование акустополяризационного метода измерения уп-
ругих характеристик образцов твердых сред произведено путем разработки
специального программного обеспечения «Arastpol ©», которое принимает
данные из измерительного прибора, обрабатывает их, затем представляет их
в цифровом и графическом виде (в виде акустополяриграмм). Оно также по-
зволяет осуществить автоматическое определение пространственного поло-
жения элементов упругой симметрии изучаемой среды. Разработанная мето-
дика, в отличие от используемой ранее, позволяет: производить измерения со
следующим набором шагов 10, 50, 10°; отменить дискретную фиксацию изме-
рений в точках отсчета; исключить использование двух акустических систем.

8. В целом, предлагаемая методика позволяет существенно снизить чис-
ло операций, выполняемых оператором. Действия оператора включают толь-
ко операции по установке образца и включении автоматического привода по-
воротной платформы.

9. При исследовании упругих характеристик горных пород по разрезу
Кольской сверхглубокой скважины получено, что все образцы кристалличе-
ских пород являются анизотропными. Породы, залегающие на глубине менее
2,3 км являются более однородными и при этом ЭЛААП практически не
проявляется. Породы, расположенные на глубине более 2,3 км, как правило,
неоднородны, и на глубине более чем 4,8 км проявление ЭЛААП очень су-
щественно. При определении упругих характеристик полевых шпатов аку-
стополяризационным методом было установлено, что полевые шпаты прояв-
ляют ЭЛААП и, причем достаточно ярко.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Горбацевич Ф.Ф., Ильченко В.Л., Ковалевский М.В., Шпаченко А.К.
Акустический аналог оптического плеохроизма у полевых шпатов и других
минералов. Тезисы годичной научно-технической конференции Минералоги-
ческого общества РАН, Санкт-Петербург, 1998г. с. 50-51.

2. Ковалевский М.В. К вопросу о совершенствовании обработки ре-
зультатов исследований упругих характеристик горных пород методом аку-
стополярископии.// РАН РФФИ Геология и полезные ископаемые Северо-
запада и Центра России. Апатиты, 1999г., 166-169.

3. Горбацевич Ф.Ф., Ильченко В.Л., Ковалевский М.В., Шпаченко А.К.
Акустополярископия некоторых породообразующих минералов. Записки
ВМО, № 4, 1999г. с. 88-92.

4. Ковалевский М.В. К вопросу о совершенствовании обработки ре-
зультатов исследований упругих характеристик горных пород методом аку-
стополярископии.// РАН РФФИ Геология и геоэкология Фенноскандии, Се-
веро-запада и центра России. Петрозаводск, 2000. с. 167-171.

5. Ковалевский М.В. Акустополярископия некоторых осадочных и из-
верженных пород по разрезу Кольской сверхглубокой скважины. РАН РФФИ
Геология и геоэкология Фенноскандинавского щита, восточно-европейской
платформы и их обрамления. Санкт-Петербург, 2001. с.133-136

6. Ковалевский М.В., Головатая О.С., Горбацевич Ф.Ф. Автоматиче-
ский акустополярископ для измерения упругих и неупругих параметров
твердых сред. М: Геос, Сборник трудов Х! сессии РАО, т.2, 2001. с. 117-121.