Повышение информативности акустополяризационного метода определения упругих характеристик горных пород тема диссертации и автореферата по ВАК 01.04.06, 05.11.13, кандидат технических наук Ковалевский, Михаил Васильевич

Диссертация и автореферат на тему «Повышение информативности акустополяризационного метода определения упругих характеристик горных пород». disserCat — научная электронная библиотека.
Автореферат
Диссертация
Артикул: 141407
Год: 
2002
Автор научной работы: 
Ковалевский, Михаил Васильевич
Ученая cтепень: 
кандидат технических наук
Место защиты диссертации: 
Санкт-Петербург
Код cпециальности ВАК: 
01.04.06, 05.11.13
Специальность: 
Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий
Количество cтраниц: 
202

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ковалевский, Михаил Васильевич

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД.

1.1. Геология горных пород, как предмет применения акустических методов исследования.

1.1.1. Свойства основных породообразующих минералов.

1.1.2. Минеральная основа упругой анизотропии горных пород.

1.2. Методы измерения акустических характеристик твердых тел.

1.2.1. Интерферометрические методы определения скорости звука.

1.2.2. Импульсные методы измерения скорости звука.

1.2.3. Акустополяризационный метод.

1.3. Выбор и обоснование направления исследования.

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УПРУГИХ ВОЛН В АНИЗОТРОПНЫХ СРЕДАХ.

2.1. Основные закономерности распространения ультразвуковых волн в анизотропных средах.

2.2. Упругие волны в пьезокристаллах.

2.3. Физические основы метода акустополяризационных измерений.

2.3.1. Виды поляризации упругих колебаний.

2.3.2. Распространение упругих колебаний в поперечно-изотропной среде.

2.3.3. Особенности акустополяриграмм изотропных и анизотропных образцов.

2.4. Эффект линейной акустической анизотропии поглощения.

3. АППАРАТУРА ДЛЯ АКУСТОПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ.

3.1. Требования к приборам и материалам акустополярископии.

3.2. Общая схема аппаратуры для исследования упругих характеристик горных пород акустополяризационным методом.

3.3. Конструкция акустополярископа с автоматизированным приводом поворотной платформы.

3.4. Проектирование, описание и принцип работы прибора УЗИС-ГЭТУ.

3.4.1. Проектирование прибора УЗИС-ГЭТУ.

3.4.2. Конструкция прибора УЗИС-ГЭТУ.

3.4.3. Акустическая система.

3.4.4. Электронный блок.

3.4.5. Особенности процесса измерений скоростей прибором УЗИС-ГЭТУ.

3.5. Конструкция контроллера вывода данных в параллельный порт

Выводы по разделу 3.

4. АКУСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ ДЕМПФИРОВАННЫХ ПЛАСТИНЧАТЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОЙ КОНСТРУКЦИИ.

4.1. Общие требования к источникам и приемникам колебаний.

4.2. Теоретический анализ демпфированных пластинчатых преобразователей повернутых срезов.

4.2.1. Постановка задачи.

4.2.2. Работа преобразователя в режиме излучения.

4.2.3. Работа преобразователя в режиме приема.

4.2.4. Алгоритм расчета частотных характеристик.

4.3. Разработка акустической системы.

4.3.1. Результаты численного анализа.

4.3.2. Конструкция акустического датчика.

Выводы по разделу 4.

5. ПОРЯДОК, ОРГАНИЗАЦИЯ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ АКУСТОПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ.

5.1. Общие требования к методике измерений.

5.2. Порядок проведения акустополяризационных измерений.

5.3. Определение величин скоростей распространения упругих колебаний.

5.3.1. Технология измерения скоростей в анизотропных средах.

5.3.2. Особенности «матриц» квазипродольных и квазипоперечных скоростей Vij. 13 О

5.3.3. Анализ матрицы скоростей распространения упругих УЗК.

5.4. Определение типа симметрии и модулей упругости анизотропных сред.

5.4.1. Определение модулей упругости в слабоанизотропных средах.

5.4.2. Расчет модулей упругости ортотропных сред.

5.4.3. Системы упругой симметрии горных пород.

5.5. Обработка результатов акустополяризационных измерений.

5.6. Результаты изучения анизотропии метаморфизированных архейских пород.

5.6.1. Особенности акустополяризационных диаграмм.

5.6.2. Анизотропия упругих свойств горных пород по разрезу Кольской

Сверхглубокой скважины (СГ-3).

5.6.3. Практическое применение результатов акустополярископии при контроле качества материалов и изделий.

Выводы по разделу 5.

Введение диссертации (часть автореферата) На тему "Повышение информативности акустополяризационного метода определения упругих характеристик горных пород"

Актуальность проблемы. Физическая акустика, бурно развивающаяся в последние годы, является мощным инструментом исследования газообразных, жидких и твердых сред. Она открыла широкие возможности для таких технических применений ультразвука, как дефектоскопия материалов и изделий, медицинская диагностика, определение постоянных вещества, получение информации о макро- микроструктуре твердых тел, создание акустоэлектрон-ных приборов для накопления и переработки информации и др. [1].

Физические основы многих из указанных выше применений ультразвука были заложены фундаментальными исследованиями С.Я.Соколова в области ультразвуковой дефектоскопии, он же впервые указал на целесообразность использования упругих колебаний для изучения макроструктуры металлов [2-4].

Дальнейшие исследования, проведенные Л.Г.Меркуловым, позволили установить количественную связь коэффициента затухания со средней величиной зерен (кристаллитов) в изучаемом твердом теле и их упругой анизотропией [5-7]. Впоследствии эти работы получили всеобщее признание и явились основой современной ультразвуковой структурометрии.

С.Я. Соколов и, созданная им, научная школа оказали большое стимулирующее воздействие на расширение объема работ по изучению акустическими методами твердых сред. Так, исследования, проведенные в нашей стране и за рубежом в 60-е годы, открыли широкие перспективы применения акустических волн для изучения микроструктуры твердых тел [8-10]. Здесь стоит отметить такие возможности [11]: а) изучение процессов диффузии и атомных перестроек в кристаллах; б) изучение дислокационной структуры твердых тел; в) изучение взаимодействий акустических волн с электронами и атомными ядрами; г) исследование характера внутрикристаллических сил, действующих между атомами и ионами; д) исследование доменной структуры ферромагнитных материалов и сегнетоэлектриков.

Среди такого рода исследований весьма перспективным является изучение дефектов кристаллической решетки и особенно дислокаций [10]. Глубокий интерес, проявляемый физиками и металловедами, к изучению этих вопросов объясняется тем, что как прочностные характеристики конструкционных материалов, так и электрические свойства полупроводников тесно связаны с дефектами решетки.

Поскольку получаемая информация об изучаемом теле основана на измерении скорости и затухания ультразвука, развитие акустических методов исследования вещества потребовало также глубокого изучения закономерностей распространения и отражения упругих волн в твердых телах, методов их возбуждения и приема [9]. Результатом этих работ явилось открытие возможностей создания новой элементной базы радиоэлектроники. Так возникло новое научное направление, лежащее на стыке акустики твердого тела, физики полупроводников и радиоэлектроники — акустоэлектроника. По определению одного из создателей этого направления Ю.В.Гуляева, «понимаемая в широком смысле акустоэлектроника изучает возбуждение, распространение и прием высокочастотных ультразвуковых (акустических) волн в твердых телах, взаимодействие этих волн с электромагнитными полями и электронами проводимости, а также возможности новых твердотельных приборов на основе возникающих здесь явлений» [12]. Следует отметить, что трудами советских и зарубежных ученых акустоэлектроника достигла высокого уровня развития и получила широкое распространение в радиоэлектронике. Важный вклад в становление этого направления в нашей стране внесли Ю.В.Гуляев, И.А.Викторов, В.Е.Лямов, С.В.Богданов, И.Б.Яковкин, В.С.Бондаренко, С.С.Каринский, Г.К.Ульянов, С.В.Кулаков, В.Б.Акпамбетов и др. Среди разработанных и уже внедренных акустоэлектронных устройств можно указать линии задержки, полосовые фильтры, фазовращатели, резонаторы, генераторы на поверхностных акустических волнах (ПАВ), устройства формирования и согласованной фильтрации JI4M сигналов в приемном тракте PJIC и др. [13, 14].

В настоящее время особый интерес представляет изучение и определение закономерностей прохождения ультразвуковых волн через анизотропные среды, какими являются, в частности минералы и горные породы [15]. Акустические методы исследования горных пород все чаще находят широкое распространение и применение в самых различных областях науки и техники. Все эти методы базируются на тесной связи скорости и затухания звука с физическими свойствами и структурой вещества [16-19]. Интенсивное развитие ультразвуковых методов и внедрение их в контрольно-измерительную технику обусловлено их широкими возможностями и такими свойствами, как точность, малая инерционность, относительная простота аппаратуры.

Информативность акустических методов тем выше, чем выше точность определения скорости распространения ультразвуковых колебаний и ее коэффициента затухания в изучаемом твердом теле. По этой причине большое внимание уделяется совершенствованию методик акустических измерений и соответствующих ультразвуковых приборов. С другой стороны, для широкого практического использования, аппаратура должна обладать такими характеристиками как удобство применения, оперативность и надежность получаемой информации, широта функциональных возможностей.

Физическая анизотропия играет очень большую роль в природе. Наиболее полно ее значение и особенности проявились при изучении минералов. Еще с начала XIX века после введения в микроскоп поляризаторов, стали известны методы оптической полярископии. Оптические методы заняли важнейшее место при изучении минералов. Внутренние законы их построения позволили Е.С.Федорову создать законченную классификацию 230 пространственных точечных групп симметрии, связанную с анизотропией оптических, диэлектрических, магнитных, упругих, термических и др. свойств. Среди них изучение анизотропии упругих свойств наиболее важно, так как с этими свойствами связано поведение под нагрузкой большого числа разнообразных элементов конструкций, природных объектов и материалов. Теория упругой анизотропии сред основательно разработана в трудах А.Лява, В.Фойгта, Дж.Ная, Ф.И.Федорова, С.Г.Лехницкого, Г.И.Петрашеня и других [20-25]. Значительно худшее положение наблюдается в области экспериментальных методов ее изучения. Использование для этой цели оптических поляризационных методов с одной стороны ограничено тем, что оптические постоянные упругости среды описываются тензором не выше второго порядка, в то время как постоянные упругости среды низшей симметрии - тензором четвертого порядка. С другой стороны, область изучения оптическими методами многих объектов, в частности горных пород, ограничена их непрозрачностью.

Потребность в разработке методов изучения упругой анизотропии горных пород очень значительна - без них не может быть более точно осуществлена интерпретация данных геофизической разведки, сейсмики и сейсмологии. Данными здесь являются объем проб горных пород, которые как правило, определяются задачами исследования и требованиями к степени надежности результатов. Требования к числу образцов и проб в выборке определяются обоснованной надежностью результатов и стандартом [26]. Для составления обзора всех типов симметрии горных пород, их классификации и выявлении связи с текстурно-структурными особенностями необходим лабораторный метод, аналогичный оптическому поляризационному, однако пригодный и для непрозрачных сред. При исследовании горных пород к методу необходимо применить дополнительные требования. Метод должен быть производительным и, соответственно, основан на регистрации параметров распространения упругих волн в анизотропных средах. При этом следует использовать теорию и накопленный опыт наблюдений прохождения колебаний в анизотропных средах.

Из известных, как наиболее производительный и точный, пригоден динамический ультразвуковой метод, быстрое совершенствование которого стало возможным благодаря работам С.Я.Соколова, Д.С.Шрайбера, Н.Н.Силаевой, О.Г.Шаминой, Б.П.Беликова, К.С.Александрова, Т.В.Рыжовой, И.Н.Ермолова и других [27-30].

Использованию поляризованного ультразвука посвящено также много работ. Например, методы определения внутренней упругой анизотропии, возникающей при приложении напряжений, описаны в работах В.Фойгта, Р.Лукаса, А.Нура, Р.Симмонса, Р.Т.Смита и других [31,32]. Однако недостатком этих методов является то, что разработанные методы не обладают необходимой общностью их применения. Например, они не годятся для всех типов анизотропных сред. В отношении горных пород до сих пор не ясно, преимущественно какой сингонией и типами симметрии они описываются, какие типы связаны с тем или иным генезисом, процессами вторичных преобразований, изменениями под воздействием палео- и современных напряжений и др. Одним из акустических методов контроля при помощи которого существовала бы возможность определять вышеперечисленных параметры является метод акустополяризационных измерений, основателей которого является Горбацевич Ф.Ф. Метод основан на изучении особенностей распространения упругих колебаний в анизотропных средах, в частности горных пород. На сегодняшний день акустополяризационный метод эффективно используется для определения упругой анизотропии горных пород. В сравнении с другими методами, основанными на измерении скорости УЗК акустополяризационный метод является более информативным. Он позволяет определять: наличие анизотропии упругих свойств материалов; наличие эффекта линейной акустической анизотропии поглощения; пространственную ориентацию элементов упругой симметрии среды. Однако основным недостатком метода является не достаточно высокая точностью определения пространственной ориентации элементов симметрии исследуемых образцов (±10°). Кроме того методика исследования предполагает проведения достаточно большого числа измерений для каждого образца (от 432 до 4320 в зависимости от шага сканирования). При этом фиксация результатов и последующая их обработка осуществляется вручную. Для преодоления, возникающих в этом случае проблем необходимо изменять методику контроля и предлагать новые измерительные приборы.

Акустические исследования могут преследовать цель не только определения упругих характеристик, но и их изменения под действием различных внешних факторов. Такие измерения во-первых, связаны со значительными временными затратами, а во-вторых, могут приводить к разрушению образца. Поэтому весьма актуальной становится задача разработки эффективных акустических систем, позволяющих производить параллельные определения скоростей квазипродольных и квазипоперечных волн [16].

Целью работы является повышение информативности методики исследования внутренней структуры горных пород, за счет внедрения нового программно-аппаратного комплекса, работающего в автоматическом режиме.

Основные задачи работы:

1. Усовершенствование существующей конструкции акустополярископа в направлении его автоматизации с использованием элементов прогрессивных аппаратно-программных средств ЭВМ.

2. Разработка физических основ функционирования и устройства двумодо-вого пластинчатого преобразователя, эффективно возбуждающего различные типы волн в заданном диапазоне частот и создающего предпосылки для создания стабильного акустического контакта при шероховатости поверхности естественных образцов.

3. Усовершенствование методики и организации проведения акустополяризационных измерений с высокой оперативностью и производительностью.

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

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, состоит в следующем:

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

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

3. Предложен и подтвержден экспериментально метод быстрого и надежного исследования на ЭВМ упругой анизотропии и других акустических характеристик образцов горных пород с произвольной симметрией. Обеспечено увеличение чувствительности и точности до 1° определения пространственного положения элементов упругой симметрии.

4. Обнаружен ЭЛААП в минеральных образцах полевых шпатов (микроклин, олигоклаз, ортоклаз). Экспериментально доказано, что породы по разрезу Кольской сверхглубокой скважины на глубинах от 800 до 8690 метров анизотропны. Показано изменение ЭЛААП на различной глубине залегания породы, что позволило определить распределение степени упругой анизотропии, изменение ЭЛААП и тем самым природу тектонических структур земной коры по разрезу скважины. Практическая значимость работы:

Рассчитанные и построенные на ЭВМ акустополяриграммы представляют собою основу базы данных общего справочника упругих характеристик горных пород. Повышение производительности снизило трудозатраты обслуживающего персонала и стоимость затрат на проведение акустополяриза-ционных измерений. Полученные отдельные результаты диссертации могут быть рекомендованы для использования в учебном процессе подготовки специалистов соответствующих направлений. Внедрение.

Автоматизированный программно-аппаратный комплекс успешно применяется в Геологическом институте Кольского научного центра РАН с 2000г. для определения пространственного положения элементов упругой симметрии таких поликристаллических анизотропных сред, как горнообразующие минералы и горные породы (акт о внедрении приведен в Приложении к диссертационной работе).

Основные научные положения, выносимые на защиту

• При усовершенствовании акустополяризационного метода измерений упругих характеристик горных пород доказана целесообразность повышения его информативности путем внедрения созданного программно-аппаратного комплекса в составе: автоматизированного акустополярископа с электроприводом; ультразвукового измерителя; ультразвукового дефектоскопа; контроллера обмена данными; персонального компьютера и программного пакета «Acustpol ©», позволяющих осуществлять определение числа и величины упругих констант, наличия и степень проявления эффекта линейной акустической анизотропии поглощения. Кроме увеличения номенклатуры и точности измеряемых упругих характеристик доказано снижение трудоемкости работы на автоматизированном комплексе, по сравнению с ручными измерениями, примерно в 14 раз.

Акустополяризационные измерения с повышенной информативностью целесообразно осуществлять ультразвуковыми преобразователями с использованием двумодового пьезоэлемента и составного демпфера, элементами которого являются буферный стержень и конусная тыльная нагрузка из плавленого кварца. Конструкция преобразователя обеспечивает наилучшую эффективность энергетического преобразования продольных и поперечных волн в заданной полосе частот от 0.5 до 2 МГц при угле среза от 45° до 50° и контактного слоя из эпоксидной смолы с максимальной вязкостью при толщине 20-30 мкм. Доказана нецелесообразность применявшегося ранее уменьшения толщины контактного слоя.

• При повышения метрологических характеристик акустополярископа показана эффективность использования автоматизированного высокостабильного привода поворотной платформы, что в сочетании с вычислительными возможностями программного пакета «Acustpol ©» обеспечивает повышение точности определения пространственного положения элементов упругой симметрии до 1°, и исключает погрешность 4 - 6 которую создавала предыдущая схема измерения.

• Исследования ряда образцов кристаллических горных пород Воче-Ламбинского полигона и Кольской сверхглубокой скважины, выполненные с применением автоматизированного программно-аппаратного комплекса, было показано наличие упругой анизотропии разной степени (квазиизотропные менее 0,05, слабоанизотропные от 0.05 до 0.15 и сильно анизотропные более 0.15) и типа симметрии (поперечно-изотропные, ортотропные). Глубинные образцы, извлеченные из Кольской сверхглубокой скважины показали высокую степень проявления ЭЛААП (до 0.82). Впервые выявлено наличие ЭЛААП в породообразующих минералах, таких как микроклины, олигокла-зы, ортоклазы.

Аппробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях:

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

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

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

- X, XI, ХП научные молодежные конференции, посвященной памяти К.О.Кратца «Геология и полезные ископаемые Северо-Запада и Центра России»: Апатиты, май 1999г.; Петрозаводск, май 2000г.; Санкт-Петербург, апрель 2001г.;

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

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

Личный вклад автора

Все результаты в работе получены в ходе проведения эксперимента лично автором. Личный вклад автора является определяющим при передаче данных в ЭВМ и при обработке экспериментальных данных. Все теоретические результаты, разработанные конструкции приборов, получены автором совместно с Яковлевым Л.А., Шевелько М.М., Перегудовым А.Н., Горбаце-вичем Ф.Ф. и Головатой О.С. Публикации по теме диссертации

Материалы диссертационной работы опубликованы в 6 печатных трудах, опубликованных в научных журналах и тезисах докладов на конференциях.

18

Структура и объем работы

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

Заключение диссертации по теме "Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий", Ковалевский, Михаил Васильевич

Выводы по разделу 5

1 Программное обеспечение Acustpol© в отличие от существующего ранее программного продукта обладает целым рядом возможностей: выбора типа прибора (УД2-12, УЗИ-13); изменения шага сканирования (1°, 5°, 10°); выбора режима исследования (ручной, полуавтоматический и автоматический); ввода поправки угла образца по отношению к используемой системе координат; просмотра акустополяриграмм как по каждому, так и по всем направлениям; определять угол отклонения пространственной ориентации элементов симметрии от направления прозвучивания; записи результатов в отдельный файл; совместимость с предыдущим программным продуктом.

2 При помощи ПО Acustpol© достигнуто управление контроллером, что обеспечивает своевременную передачу результатов измерения в параллельный порт ввода-вывода компьютера в реальном режиме времени. Замена ранее существующего программного продукта новым (Acustpol ©) позволило повысить точность оценки результатов эксперимента. При этом точность определения проекций элементов симметрии исследуемого образца увеличилась до 1.0 -5-1.3° и исключило существующую погрешность (4-=-6°) при построении акустополяриграмм предыдущим программным продуктом.

3 Автоматизированный программно-аппаратный комплекс позволил повысить не только точность измерений, но и увеличил производительность работ. При максимальной точности измерений (шаг сканирования 1°) время регистрации данных уменьшилось с 36 ч. 40 мин до 2 ч. 25, что соответствует увеличению производительности в 14 раз.

4 При исследовании упругих характеристик горных пород по разрезу Кольской сверхглубокой скважины получено, что все образцы кристаллических пород являются анизотропными. Породы, залегающие на сравнительно неглубоких горизонтах (глубина менее 2,3 км) являются более однородными. При этом эффект линейной акустической анизотропии поглощения практически не проявляется. Породы, расположенные на глубине более 2,3 км как правило неоднородны, и на глубине более чем 4,8 км проявление эффекта линейной акустической анизотропии поглощения очень существенно.

5 При определении упругих характеристик полевых пшатов акустополя-ризационным методом было установлено, что полевые шпаты проявляют ЭЛААП и причем достаточно ярко. Наиболее вероятным объяснением наблюдаемого ЭЛААП является наличие в кристаллах полевых шпатов совершенной спайности. И кроме всего, проявление ЭЛААП и плеохроизма в этих минералах не связаны между собой, поскольку полевые шпаты практически не проявляют дихроизм и плеохроизм.

6 Результаты, полученные при исследовании представительного набора образцов керна, позволили составить общее представление об упруго-анизотропных свойствах кристаллических пород, извлеченных из больших глубин Кольской Сверхглубокой скважины СГ-3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В диссертации рассмотрены кинематические и динамические ультразвуковые методы определения акустических характеристик твердых тел: резонансные, импульсные, интерференционные и др. Обосновано направление и выбор исследования упругих характеристик горных пород на акустополяри-зационном методе. Показана необходимость совершенствования методов обработки результатов измерений с учетом возможностей современной вычислительной техники.

2. Рассмотрены основные закономерности распространения продольных и поперечных ультразвуковых колебаний в анизотропных средах, в том числе и пьезокристаллах. Рассмотрены физические основы нового акустополяриза-ционного метода определения упругих характеристик анизотропных сред. Более подробно проанализировано распространение поперечных колебаний, смена вида поляризации в поперечно-изотропной среде. Описаны физические основы эффекта линейной акустической анизотропии поглощения колебаний.

3. Приведены общие схемы установок для определения упругих характеристик минералов и горных пород акустополяризационным методом. Проанализированы существующие конструкции акустополярископа. Показаны недостатки конструкции с поворотной платформой и достоинства конструкции с автоматизированным приводом поворотной платформы. Приведена конструкция автоматизированного акустополярископа. Описана методика работы акустополярископа с автоматизированным приводом поворотной платформы. Конструкция ультразвукового измерителя скорости распространения ультразвуковых колебаний УЗИС-ГЭТУ выполнена на современной элементной базе (микропроцессор, высокоскоростная логика). Определены возможности прибора, описана функциональная схема работы основных узлов. Анализируется акустическая система с парой демпфированных пластинчатых преобразователей повернутых срезов. Определены особенности процесса измерений скоростей прибором УЗИС-ГЭТУ. Для передачи результатов в параллельный порт ввода-вывода персонального компьютера в реальном режиме времени в автоматизированном программно-аппаратном комплексе используется контроллер. Описаны основные детали процесса передачи, показана схема и работа контроллера. Контроллер соединен с внутренней схемой дефектоскопа УД2-12 и встроен в его корпус.

4. Проанализированы особенности излучателей и приемников ультразвука для определения величин скорости распространения колебаний. Определены требования к источникам и приемникам ультразвуковых колебаний, в том числе и для измерения амплитуды прошедшего образец сигнала. Обоснована необходимость выбора низкой частоты колебаний, излучаемых излучателем, при определении характеристик сильнопоглощающих сред. Обоснованы оптимальные соотношения размеров преобразователей и образцов. Выполнен теоретический анализ демпфированных пластинчатых преобразователей с косым срезом и рассмотрена их работа, как в режиме излучения так и в режиме приема. Получены основные соотношения и коэффициенты, определяющие режим преобразования. Приведен алгоритм расчета частотных характеристик Рассмотрен расчет двумодовых преобразователей и показаны зависимости возбуждения продольных и поперечных волн от величины угла среза. Рассмотрены зависимости влияния различного типа буферных стержней на общую характеристику возбуждения продольных и поперечных колебаний. Показано влияние толщины контактного слоя на работу преобразователя. Приведены основные расчетные графики зависимости. Определены основные параметры устройства и разработана конструкция акустического преобразователя. Показаны основные достоинства и недостатки преобразователей с косым срезом.

5. Указаны общие требования к методике измерения. Описана полная последовательность проведения акустополяризационных измерений. Разработано новое программное обеспечение Acustpol ©, предназначеное для обработки результатов акустополяризационных измерений. Предлагается алгоритм и разработка программы ввода обработки и представления результатов акустополяризационных исследований Показаны новые возможности работы программы и отличительные особенности перед предыдущим программным продуктом. Программа связана с контроллером ввода данных в параллельный порт компьютера. Рассмотрена технология измерения скоростей распространения колебаний в анизотропных и неоднородных средах; анализ особенностей и квазиматриц квазипродольных и квазипоперечных скоростей. Приводится описание и приемы определения основных типов симметрии, а также расчет констант упругости сред различных типов упругой анизотропии. Приведены основные расчетные формулы и соотношения.

6. Исследованы характеристики ряда образцов породообразующих минералов и горных пород различных типов упругой анизотропии (изотропные, слабо и сильно анизотропные). Для образцов Воче-Ламбинского полигона и керна Кольской сверхглубокой скважины СГ-3, извлеченного из различной глубины получены акустополяриграммы и определены их упругие характеристики. Показано влияние различного рода эффектов: упругой анизотропии, эффекта линейной акустической анизотропии поглощения, микротрещинова-тости и неоднородности. По результатам измерений определены упругие характеристики горных пород, такие как: показатель ЭЛААП Д\ показатель двулучепреломления В; модули упругости С; коэффициенты анизотропии как для квазипродольных 8 так и для квазипоперечных колебаний у; определен параметр Л Т. Указанные характеристики приведены в соответствующие таблицы. Исследование акустополяризационным методом было выполнено на минералах кварца и полевых пшатов. Обнаружено проявление ЭЛААП в образцах полевых шпатов. Результаты акустополярископии синтетического кварца (он относится к низкосимметричному типу симметрии) позволяют сделать вывод, что акустополяризационный метод пригоден для определения, с высокой точностью, пространственного положения элементов упругой симметрии в этих типах минералов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ковалевский, Михаил Васильевич, 2002 год

1. Мэзон У. Предисловие к монографии «Физическая акустика». В кн.: Методы и приборы ультразвуковых исследований / Под ред. У. Мэзона. - М.: Мир, т. 1, ч. А, 1966. с.10-11.

2. Соколов С.Я. Ультразвуковые методы изучения свойств закаленной стали и определения внутренних пороков металлических изделий. ЖТФ, т. 2, 1941. с. 160-169.

3. Соколов С.Я. Применение ультразвуковых колебаний для наблюдения физико-химических процессов. ЖТФ, 1946, т. 16, с. 784-790.

4. Соколов С.Я. Поглощение ультразвуковых колебаний твердыми телами. -ДАН СССР, 1948, т. 26, с. 64-75.

5. Меркулов Л.Г. Исследование рассеяния ультразвука в металлах. ЖТФ, 1955, т. 26, с.64-75.

6. Меркулов Л.Г. Поглощение и диффузное рассеяние ультразвука в металлах. ЖТФ, 1957, т. 27, с. 1045-1050.

7. Меркулов Л.Г. Применение ультразвука для исследования структуры сталей. ЖТФ, т. 27, 1957. с. 1386-1391.

8. Меркулов Л.Г., Яковлев Л.А. Ультразвуковые исследования деформированных кристаллов NaCl. Акуст. ж., 1960, т.6, вып.2, с.244-251.

9. Труэлл Р., Эльбаум Ч., Чик Б. Ультразвуковые методы в физике твердого тела. М.: Мир, 1972. 307 с.

10. Гранато А., Люкке К. Струнная модель дислокации и дислокационное поглощение звука. В кн.: Физическая акустика / под ред. У. Мезона. - М.: 1969, т.4, ч.А.

11. Меркулов Л. Г., Харитонов А. В. Взаимодействие упругих волн с дислокациями. В кн.: Ультразвуковые методы исследования дислокаций / Под ред. Л.Г. Меркулова. -М.: ИЛ, 1963.

12. Гуляев Ю.В. Предисловие редактора перевода к тематическому выпуску: Поверхностные акустические волны устройства и применения. -ТИИЭР, 1976, т.64, вып.5, с.3-6.

13. Каринский С.С. Устройства обработки сигналов на ультразвуковых поверхностных волнах. -М.: Сов. Радио, 1975.

14. Речицкий В.И. Акустоэлектронные радиокомпоненты. М.: Сов. Радио, 1980.

15. Ямщиков B.C. Методы и средства исследования и контроля горных пород и процессов. М.: Недра, 1982. 296 с.

16. Бергман JI. Ультразвук и его применение в науке и технике. М.: Изд-во ИЛ, 1957. 726 с.

17. Почтовик Г.Я., Злочевский А.Б., Яковлев А.И. Методы и средства испытания строительных конструкций. М.: Высшая школа, 1972. 160 с.

18. Джонс Р., Фэкэоару И. Неразрушающие методы испытания бетонов. М.: Стройиздат, 1974. 292 с.

19. Голубев И.А. Методы неразрушающего контроля древесных плит. М.: Лесная промышленность, 1982. 152 с.

20. Най Дж. Физические свойства кристаллов. М.: Изд-во ИЛ, 1960. 385 с.

21. Voigt W. Lehrbuch der Kristallphysik. Leipzig: Verl. Von B.G.Teubner. 1910. 964 s.

22. Федоров Ф.И. Теория упругих волн в кристаллах. М.: Наука, 1965. 384 с.

23. Петрашень Г.И. Распространение волн в анизотропных упругих средах. Л: Наука, 1980. 280 с.

24. Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела. М.: Гостехиздат, 1957. 343 с.

25. Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела. М.: Наука, 1977. 416 с.

26. ГОСТ 21153.0-75. Отбор проб и общие требования к методам физических испытаний. М.: Изд-во Стандартов, 1975. 3 с

27. Беликов Б.П., Александров К.С., Рыжова Т.В. Упругие свойства породообразующих минералов и горных пород. М., «Наука», 1970. 276 с.

28. Александров К.С. Акустическая кристаллография // Проблемы современной кристаллографии. М.: Наука, 1975. с. 327-345.

29. Шрайбер Д. С. Ультразвуковая дефектоскопия. М.: Металлургия, 1965. 395 с.

30. Ермолов И.Н. Методы ультразвуковой дефектоскопии. М.: Изд-во МГИ, 1967.267 с.

31. Lucas R. Mesure an moyen d'ondes ultrasonores polarisees des variations des constants elastique dans les solides souneis a des contraintes// Comptes rendes del'Academie des sciences. 1961. Vol.252. No. 25. p. 3937-3939.

32. Smith R.T. Stress-induced anisotropy in solids the acoustoelastic affect // Ultrasonics. 1963. Vol. 1. p. 135-147.

33. Горбацевич Ф.Ф. Акустополярископия горных пород. Апатиты: КНЦ, 1995. 204 с.

34. Атлас физических свойств минералов и пород Хибинских месторождений. Изд-во «Наука», Ленингр. отд., JL, 1975.

35. Горбацевич Ф.Ф. Нелинейности деформирования скальных горных пород при статическом нагружение. Инж. Геология. 1979. № 4. с.49-59.

36. Колесников А. М. Акустические измерения М.: Наука, 1985. 254 с.

37. Мак-Скимин Г. Ультразвуковые методы измерения механических характеристик жидкостей и твердых тел //В книге: Физическая акустика /Под редакцией У. Мэзона- М.: Мир, 1966.

38. Мс Skimin H.J., JASA, 1950, 22, №4.

39. Мс Skimin H.J., JASA, Trans. On Ultrasonics Eng., PGUE 5, aug. 1957.

40. Mc Skimin H.J., JASA, 33,1, 1963.

41. May J.E. JRE Notl.Conv.Rec. 1958, 6, P. 2.

42. Papadakis E.P., JASA, 42, №5.

43. Меркулова В.М. О точности импульсного метода измерения затухания и скорости ультразвука //Акустический журнал, 1966, ХП, вып.4.

44. Меркулова В.М. Искажения прямоугольного акустического импульса в среде с затуханием. В сб. "Применение ультраакустики к исследованию вещества". Вып.ХХ1, МОПИ, М.: 1965.

45. William J., Lamb J., JASA, M.: 1951.

46. Мезон У. Пьезоэлектрические кристаллы и их применение в ультраакустике. М, 1952.

47. Иванов В.Е. Разработка прецизионных методов измерения скорости распространения ультразвуковых волн в твердых телах /Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.т.н. 1970 год, ЛЭТИ.

48. Яковлев Л.А. О возможностях импульсно-фазового метода измерений скоростей распространения ультразвуковых волн в твердых телах. Изв, ЛЭТИ.-Л., 1977, вып.221.

49. Щукин В.А., Яковлев Л.А. О влиянии контактных слоев на точность измерения скорости звука в твердых телах //Акустический журнал, T.IX, вып.З, 1963.

50. Меркулова В.М., Павлюки В.П., Третьяков В.Л. Методы измерения скорости и затухания ультразвуковых волн /Учебное пособие по курсу "Акустические измерения", Таганрог, 1976.

51. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. , Электродинамика сплошных сред. М., ГИТТЛ, 1957.

52. Методические рекомендации по применению поляризационного метода сейсмической разведки. Алма-Ата: Изд-воКаз. ВИРГ, 1984. 184 с.

53. Чесноков Е.М. Сейсмическая анизотропия верхней мантии Земли. М.: Наука, 1977. 144 с.

54. Акустополяризационные измерения характеристик анизотропии горных пород. Методические рекомендации. Составитель Горбацевич Ф.Ф. Апатиты: Изд-во Кольского филиала АН СССР, 1985. 32 с.

55. Яковлев JI.А., Работы кафедры ЭУТ в области высокочастотных пластинчатых преобразователей//Известия ГЭТУ, вып.505, 1997.

56. Справочник (кадастр) физических свойств горных пород. М.: Недра, 1975. 279 с.

57. Яковлев Л.А. Распространение и отражение упругих волн в звукопроводах акустоэлектронных устройств /ЛЭТИ. Л., 1980.

58. Меркулов В.М. Поглощение ультразвуковых волн в горных породах в области частот 10-160 кгц //Изв. АН СССР. Физика Земли. 1968. No 6. с.24-31.

59. Шаскольская М.П. Кристаллография. М.: Высшая школа, 1984. 376 с.

60. Ковалевский М.В. К вопросу о совершенствовании обработки результатов исследований упругих характеристик горных пород методом акустополя-рископии.// РАН РФФИ Геология и полезные ископаемые Северо-запада и Центра России. Апатиты, 1999г., 166-169.

61. Определение скорости распространения продольных и поперечных колебаний в образцах горных пород. Методические рекомендации. Составитель Горбацевич Ф.Ф. Апатиты: Изд-во Кольского филиала АН СССР, 1982. с. 6-7.

62. Акустополярископ для измерения упругости образцов твердых сред. Горбацевич Ф.Ф. А.С. 1281993, СССР, МЕСИ G01 N 29/04. Бюлл. Изобр., 1987. №1.

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

64. Горбацевич Ф.Ф. Акустополяризационный метод изучения анизотропии горных пород. Физика Земли № 11,1986, с. 74-79

65. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. Справочник. 2-е изд., Челябинск, «Металлургия», 1989. 350 с.

66. Петровский И.И., Прибыльский А.В., Троян А.А., Чувелев B.C. Логические ИС КР 1533, КР1554. Справочник, часть 2. М.: «БИНОМ», 1993. 497 с.

67. Однокристальные микро-ЭВМ. Справочник. М.: «БИНОМ», 1994.

68. Буреев Л.В., Дудко А.Л., Захаров В.Н. Простейшая микро-ЭВМ. Проектирование. Наладка. Использование. М.: Энергоатомиздат. 1989. 216 с.

69. Интегральные микросхемы. Справочник, под редакцией Тарабрина Б.В. М.: Энергоатомиздат. 1985.

70. Петровский И.И., Прибыльский А.В., Троян А.А., Чувелев B.C. Логиские ИС КР 1533, КР1554. Справочник, часть 1. М.: «БИНОМ», 1993. 497 с.

71. Скот Мюллер. Модернизация и ремонт персональных компьютеров. М: «БИНОМ», 1997. 886 с.

72. Документация на использование ультразвукового дефектоскопа УД2-12.

73. Акустополяриметрия и определение упругой симметрии горных пород. Методические рекомендации. Составители: Ф.Ф.Горбацевич, В.В.Балаганский, Н.Г.Иванова. Апатиты: Изд-во Кольского филиала АН СССР, 1990. 83 с.

74. Lyakhovitsky F.M. Problems of seismic research on heterogeneous geological media. J. of Geodinamics. 1986. No 5. P.205-220.

75. Thomsen L. Week elastic anisotropy. Geophysics. 1986. Vol. 51, No 10. P.l-37.

76. ШибЙорг. MS-DOS 6.22. М.: БИНОМ. 224 с.

77. Горбацевич Ф.Ф., Ильченко B.JL, Ковалевский М.В., Шпаченко А.К. Аку-стополярископия некоторых породообразующих минералов. Записки ВМО, № 4,1999г. с. 88-92.

78. Clark А. V., Mignigva R.B., Sanford R.Y. Acoustoelastic measurement of stress and stress intensity factors around crack tips. Ultrasonics, March, 1983, p. 57-64

79. ЛучицкийВ.И. Петрография. М.-Л. Госгеоиздат, 1947, 332c.

80. Адамеску P.A., Гельд П.В., Митюшов Е.А. Анизотропия физических свойств металлов. М.: Металлургия, 1985. 136с.

81. Лямов В.Е. Поляризационные эффекты и анизотропия взаимодействия акустических волн в кристаллах. М.: Изд-во МГУ, 1983. 224 с.

82. Волков А.С., Гребенников B.C. Об использовании сдвиговых ультразвуковых волн с горизонтальной поляризацией прим дефектоскопии изделия //Дефектоскопия. 1988. No 5. С.94-95.

83. Алешин Н.П., Вадковский Н.Н., Медведев В.А. О вводе сдвиговых волн в контролируемое изделие // Дефектоскопия. 1968. No 7. С.35-40.169

84. Геоакустика. Раздел: Упругие волны в неоднородном массиве. М.: МГИ, 1973. 156 с.

85. Волкова Е.А. Поляризационные измерения. М.: Изд-во стандартов, 1974. 156 с.

86. Бюллетень ВАК России. 2000,- № 4. (Положение о диссертационном совете и некоторые другие документы).

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания.
В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.

Автореферат
200 руб.
Диссертация
500 руб.
Артикул: 141407