RU2816673C1 - Method of detecting latent defects in composite materials by standing waves - Google Patents

Method of detecting latent defects in composite materials by standing waves Download PDF

Info

Publication number
RU2816673C1
RU2816673C1 RU2023136349A RU2023136349A RU2816673C1 RU 2816673 C1 RU2816673 C1 RU 2816673C1 RU 2023136349 A RU2023136349 A RU 2023136349A RU 2023136349 A RU2023136349 A RU 2023136349A RU 2816673 C1 RU2816673 C1 RU 2816673C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
noise
defects
fragments
composite materials
acoustic
Prior art date
Application number
RU2023136349A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Олег Константинович Марилов
Константин Владимирович Федин
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ)
Application granted granted Critical
Publication of RU2816673C1 publication Critical patent/RU2816673C1/en

Links

Abstract

FIELD: measurement.
SUBSTANCE: use for detection of latent defects of composite materials. Essence of the invention consists in the fact that on the analysed article made of composite material, noise records are recorded with a sampling frequency of 20 Hz, noise recording is divided into blocks, which consist of a certain number of readings, then each block is divided into fragments with duration of 65536 counts and the amplitude spectra of these fragments are calculated and accumulated, then for each observation point the amplitude spectra of all fragments are averaged, the presence of standing waves is established, wherein variation of compression-expansion modes indicates presence of defects in composite material.
EFFECT: enabling detection of hidden defects in composite materials with high accuracy and speed of measurements without preliminary treatment of the surface of the analysed material and without using artificial seismoacoustic noise.
3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области геофизических методов качественной оценки, диагностики и локализации скрытых дефектов в композиционных материалах.The invention relates to the field of geophysical methods for qualitative assessment, diagnosis and localization of hidden defects in composite materials.

В настоящее время композиционные материалы играют важную роль в различных отраслях промышленности. Благодаря своим уникальным свойствам, таким как прочность, долговечность, устойчивость к коррозии и воздействию окружающей среды, они нашли широкое применение в производстве всех видов транспорта, строительстве, биомедицинских изделий и др. Однако, несмотря на все преимущества, композиционные материалы подвержены возникновению дефектов, которые могут существенно снизить их эффективность и надежность. Примерами дефектов могут являться трещины, расслоения, инородные включения, полости и т.д. Поэтому актуальной задачей является разработка методов обнаружения подобных дефектов, а также исследование их влияния на свойства материала. Currently, composite materials play an important role in various industries. Due to their unique properties, such as strength, durability, resistance to corrosion and environmental influences, they are widely used in the production of all types of transport, construction, biomedical products, etc. However, despite all the advantages, composite materials are susceptible to defects that can significantly reduce their efficiency and reliability. Examples of defects can be cracks, delaminations, foreign inclusions, cavities, etc. Therefore, an urgent task is to develop methods for detecting such defects, as well as studying their effect on the properties of the material.

Уровень техники.State of the art.

На этапе тестирования прочностных характеристик при циклически повторяемой нагрузке на изделия из композиционного материала существует проблема неоднородности получаемых результатов: ряд изделий ломается, выдерживая нагрузку в количестве ~ 1 000 000 повторений, ряд – на порядок меньше. Так как каждая конкретная деталь изготавливается небольшими партиями из пластов, вмещающих в себя порядка 50 изделий, столь существенные различия в показателях выдерживаемой нагрузки на этапе тестирования на прочность могут говорить о проблемах, существующих в технологической цепочке и приводящих к подобным неоднородностям в результатах. At the stage of testing strength characteristics under cyclically repeated loads on products made of composite materials, there is a problem of heterogeneity of the results obtained: a number of products break, withstanding a load of ~ 1,000,000 repetitions, a number - an order of magnitude less. Since each specific part is manufactured in small batches from layers containing about 50 products, such significant differences in the load-bearing indicators at the strength testing stage may indicate problems existing in the technological chain and leading to such inhomogeneities in the results.

Данная проблема может быть озвучена как проблема диагностики изделий на всех этапах их изготовления с целью выявления и локализации возможных дефектов, визуально неразличимых невооружённым глазом, для обеспечения требований к качеству и безопасности их эксплуатации.This problem can be voiced as a problem of diagnosing products at all stages of their manufacture in order to identify and localize possible defects that are visually indistinguishable to the naked eye, in order to ensure the requirements for the quality and safety of their operation.

Для обнаружения дефектов в композиционных материалах возможно использование различных методов неразрушающего контроля: акустические, оптические, тепловые, радиационные, магнитные и др. To detect defects in composite materials, it is possible to use various non-destructive testing methods: acoustic, optical, thermal, radiation, magnetic, etc.

Оптико-акустический метод неразрушающего контроля основан на принципе преобразования акустической энергии в оптическую и обратно. Он включает в себя три основных этапа: генерация источником звука акустических волн, проникающие в исследуемый объект, преобразование акустической энергии в тепловую, что приводит к локальному изменению температуры, которое в свою очередь вызывает изменение показателя преломления материала, детектирование изменений показателя преломления оптической системой, вызванные акустическими волнами, и преобразование их в электрический сигнал. Либо, в свою очередь, используются лазерные импульсы для генерации акустических волн. В этих системах короткий лазерный импульс фокусируется на поверхности материала, и часть энергии импульса преобразуется в тепловую энергию, которая создает акустическую волну. Эта акустическая волна затем распространяется внутри материала и может быть обнаружена с помощью оптической системы, которая измеряет изменения показателя преломления, вызванные волной. Оптико-акустический метод имеет ряд преимуществ: оптическая система позволяет точно определить местоположение дефекта, так как она может регистрировать изменения показателя преломления с высокой точностью, оптическая система может работать в широком диапазоне температур и влажности, что делает её весьма универсальной, сюда также можно отнести отсутствие необходимости в прямом контакте с объектом, простоту использования и возможность интеграции с автоматизированными системами.The optical-acoustic method of non-destructive testing is based on the principle of converting acoustic energy into optical energy and vice versa. It includes three main stages: generation of acoustic waves by a sound source that penetrate into the object under study, conversion of acoustic energy into thermal energy, which leads to a local change in temperature, which in turn causes a change in the refractive index of the material, detection of changes in the refractive index by the optical system caused by acoustic waves and converting them into an electrical signal. Or, in turn, laser pulses are used to generate acoustic waves. In these systems, a short laser pulse is focused on the surface of the material, and part of the pulse energy is converted into thermal energy, which creates an acoustic wave. This acoustic wave then propagates within the material and can be detected using an optical system that measures the changes in refractive index caused by the wave. The optical-acoustic method has a number of advantages: the optical system allows you to accurately determine the location of the defect, since it can record changes in the refractive index with high accuracy, the optical system can operate in a wide range of temperatures and humidity, which makes it very universal, this also includes the absence the need for direct contact with the object, ease of use and the ability to integrate with automated systems.

Однако, у этой системы есть и недостатки. Один из них - высокая стоимость оборудования. Кроме того, оптико-акустическая система требует определенных навыков и опыта для правильной настройки и использования [Бойцов Б. В., Васильев С. Л., Громашев А. Г., Юргенсон С. А. Методы неразрушающего контроля, применяемые для конструкций из перспективных композиционных материалов // Труды МАИ. 2011. №49.; Соколовская Ю. Г., Подымова Н. Б., Карабутов А. А. Лазерный оптико-акустический метод количественной оценки пористости углепластиков на основе измерения их акустического импеданса //Акустический журнал. – 2020. – Т. 66. – №. 1. – С. 86-94.]However, this system also has disadvantages. One of them is the high cost of equipment. In addition, the optical-acoustic system requires certain skills and experience for proper configuration and use [Boytsov B.V., Vasilyev S.L., Gromashev A.G., Yurgenson S.A. Non-destructive testing methods used for structures made of promising composite materials // Proceedings of MAI. 2011. No. 49.; Sokolovskaya Yu. G., Podymova N. B., Karabutov A. A. Laser optical-acoustic method for quantitative assessment of the porosity of carbon fiber reinforced plastics based on measuring their acoustic impedance // Acoustic Journal. – 2020. – T. 66. – No. 1. – pp. 86-94.]

К недостаткам методов относятся: высокая стоимость оборудования, непостоянство обеспечения высокой точности измерений, в особенности при работе с образцами, имеющими сложную геометрию или высокую пористость, необходимость высокой квалификации и специальной подготовки персонала, необходимость проведения калибровки оборудования, что требует дополнительных затрат времени и ресурсов, возможная ограниченная мобильность, а также зависимость эффективности методов от температуры, влажности и других внешних факторов.The disadvantages of the methods include: high cost of equipment, inconsistency in ensuring high accuracy of measurements, especially when working with samples with complex geometry or high porosity, the need for highly qualified and special training of personnel, the need to calibrate equipment, which requires additional time and resources, possible limited mobility, as well as dependence of the effectiveness of methods on temperature, humidity and other external factors.

Известен акустико-эмиссионный способ диагностирования изделий из композиционных материалов на основе углепластика и устройство для его осуществления (патент РФ №2599327 (С1), публикация от 0.10.2016). Акустико-эмиссионный способ включает установку на изделие акустических преобразователей, работающих в режиме приема и излучения, калибровку, прием, регистрацию и оценку сигналов акустической эмиссии, оцифровку сигналов, их предварительную обработку, фильтрацию помех, определение временных интервалов между приходом каждого сигнала на акустические преобразователи, определение по разности времен прихода координат источников сигналов акустической эмиссии. В зоне контроля устанавливают пьезоантенну из преобразователей, разбивают зону на секторы, в которые последовательно устанавливают акустический преобразователь имитатора сигналов по дуге окружности радиусом не менее половины минимального расстояния между акустическими преобразователями, задают минимальную амплитуду генератора имитатора, определяют времена прихода сигналов акустической эмиссии для построения годографа скоростей, после чего по годографу строят матрицу разностей времен прихода, рассчитывают погрешности локации сигналов имитатора Δux, Δuy в соответствии с выражениями. An acoustic-emission method for diagnosing products made of composite materials based on carbon fiber and a device for its implementation are known (RF patent No. 2599327 (C1), publication dated 0.10.2016). The acoustic-emission method includes installation of acoustic transducers on the product, operating in reception and emission modes, calibration, reception, registration and evaluation of acoustic emission signals, digitization of signals, their pre-processing, filtering interference, determining the time intervals between the arrival of each signal at the acoustic transducers, determination by the difference in arrival times of the coordinates of sources of acoustic emission signals. In the control zone, a piezo antenna is installed from transducers, the zone is divided into sectors, into which an acoustic transducer of the signal simulator is sequentially installed along an arc of a circle with a radius of at least half the minimum distance between the acoustic transducers, the minimum amplitude of the simulator generator is set, and the arrival times of the acoustic emission signals are determined to construct a velocity hodograph , after which a matrix of arrival time differences is constructed using the hodograph, and the location errors of the simulator signals Δux, Δuy are calculated in accordance with the expressions.

где xлок, yлок - координаты калибровочных сигналов акустической эмиссии, рассчитанные по матрице разностей времен прихода;
xp, yp - реальные координаты места установки акустического преобразователя имитатора,
причем при превышении погрешности допустимой величины увеличивают амплитуду сигналов генератора имитатора до тех пор, пока погрешность локации не будет находиться в пределах допустимой величины, затем по зарегистрированной амплитуде сигналов акустической эмиссии в каждом канале устанавливают их пороги селекции, после чего объект контроля нагружают, зарегистрированные при этом времена прихода сигналов акустической эмиссии сравнивают с матричными значениями и по наиболее близким из них судят о координатах источников дефектов.
where x loc , y loc are the coordinates of the acoustic emission calibration signals, calculated from the matrix of arrival time differences;
x p , y p - real coordinates of the installation location of the simulator acoustic transducer,
Moreover, if the error exceeds the permissible value, the amplitude of the simulator generator signals is increased until the location error is within the permissible value, then, based on the recorded amplitude of the acoustic emission signals in each channel, their selection thresholds are set, after which the test object is loaded, registered at the same time the arrival times of acoustic emission signals are compared with matrix values and the coordinates of defect sources are judged from the closest of them.

К недостаткам способа относятся: требование к использованию дорогостоящего оборудования, необходимость высокой квалификации и специальной подготовки персонала, возможная ограниченная мобильность, сложность интерпретации данных, ограниченность в использовании в условиях сильных шумов или вибраций, которые могут создавать помехи для измерений, а также отсутствие однородной методики определения типа дефекта по параметрам сигналов акустической эмиссии, что в ряде случаев может приводить к невозможности обнаружения всех типов дефектов, в особенности тех, которые малы по размеру или имеют специфическую форму.The disadvantages of the method include: the requirement for the use of expensive equipment, the need for high qualifications and special training of personnel, possible limited mobility, difficulty in interpreting data, limited use in conditions of strong noise or vibration that can interfere with measurements, and the lack of a uniform determination method type of defect according to the parameters of acoustic emission signals, which in some cases can lead to the impossibility of detecting all types of defects, especially those that are small in size or have a specific shape.

Известен Способ акустико-эмиссионного контроля дефектов в композиционных конструкциях на основе углепластика (патент РФ №2674573 (С1), публикация от 11.12.2018). Способ включает установку на образец акустических преобразователей, работающих в режиме приема и излучения, калибровку, статическое нагружение образцов со ступенчатым изменением нагрузки, локацию источников сигналов акустической эмиссии, по которым судят о наличии и координатах дефектов в образце. Первоначально осуществляют ступенчатое статическое нагружение нескольких образцов из углепластика с одинаковым концентратором напряжений до их полного разрушения, фиксируют на каждой ступени нагружения значения медианы амплитуд сигналов из области концентратора и их структурных коэффициентов и рассчитывают пороговые значения для данных параметров по формуламThere is a known method for acoustic-emission monitoring of defects in composite structures based on carbon fiber (RF patent No. 2674573 (C1), publication dated December 11, 2018). The method includes installing acoustic transducers on the sample, operating in receiving and emitting modes, calibration, static loading of the samples with a stepwise change in the load, locating sources of acoustic emission signals, which are used to judge the presence and coordinates of defects in the sample. Initially, stepwise static loading of several carbon fiber samples with the same stress concentrator is carried out until they are completely destroyed, the values of the median amplitudes of signals from the concentrator region and their structural coefficients are recorded at each loading step, and the threshold values for these parameters are calculated using the formulas

где - соответственно максимальные и минимальные значения структурных коэффициентов при минимальной и максимальной нагрузке, определяемые по формулеWhere - respectively maximum and minimum values of structural coefficients at minimum and maximum load, determined by the formula

где m - число зарегистрированных сигналов при i-м интервале нагружения; D2, D3 - наборы коэффициентов вейвлет-разложения 2-го и 3-го уровней детализации, полученные при частоте дискретизации исходного сигнала where m is the number of recorded signals at the i-th loading interval; D2, D3 - sets of wavelet decomposition coefficients of the 2nd and 3rd levels of detail, obtained at the sampling frequency of the original signal

SMed=[Med(a)max-Med(a)min]⋅0,1,SMed=[Med(a)max-Med(a)min]⋅0.1,

где Med(a)max, Med(a)min - максимальное и минимальное значение медианы амплитуды сигналов акустической эмиссии при максимальной и минимальной нагрузке, а затем осуществляют статическое нагружение испытываемой конструкции из углепластика, фиксируют значения медианы амплитуд сигналов и структурных коэффициентов, сравнивают их с пороговыми значениями и при одновременном снижении структурного коэффициента и увеличении медианы амплитуды данной группы сигналов судят о наличии дефекта и его координатах. where Med(a)max, Med(a)min are the maximum and minimum values of the median amplitude of acoustic emission signals at maximum and minimum loads, and then static loading of the tested carbon fiber structure is carried out, the values of the median amplitudes of signals and structural coefficients are recorded, and they are compared with threshold values and with a simultaneous decrease in the structure coefficient and an increase in the median amplitude of a given group of signals, the presence of a defect and its coordinates are judged.

Недостатками данного способа являются: необходимость использования нескольких образцов из углепластика с одинаковым концентратором напряжений для их полного разрушения при ступенчатом статическом нагружении, что требует значительных временных и материальных затрат, а также создаёт дополнительные сложности при обработке и анализе данных.The disadvantages of this method are: the need to use several carbon fiber samples with the same stress raiser for their complete destruction under stepwise static loading, which requires significant time and material costs, and also creates additional difficulties in data processing and analysis.

Известны технические решения, в которых присутствует доказанное предположение о том, что шумовые колебания могут нести полезную информацию. Ограниченные тела, как известно, характеризуются некоторым набором собственных частот. Если в среде присутствуют вынужденные гармонические колебания, то при совпадении их частоты с одной из собственных частот исследуемого объекта наблюдаются резонансные явления, которые могут быть использованы, например, для решения задач контроля и диагностики изделий из композиционных материалов, где под воздействием шумов, если в них присутствуют спектральные составляющие, совпадающие с какими-либо собственными частотами объекта, в последнем может формироваться поле стоячих волн, частота каждой из которых совпадает с одной из собственных частот. Несмотря на относительно небольшую амплитуду этих волн, разработана методика, позволяющая выделять их из шумового поля [Колесников Ю. И. и др. О диагностике состояния конструктивных элементов сооружений по шумовому полю (по данным физического моделирования) //Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 2012. – №. 1. – С. 3-11; Федин К. В., Каргаполов А. А., Колесников Ю. И. Влияние щелевидных дефектов на поле стоячих волн, формирующихся в закрепленной балке под действием акустических шумов //Интерэкспо Гео-Сибирь. – 2012. – Т. 1. – №. 2. – С. 88-92.; Колесников Ю. И., Федин К. В., Каргаполов А. А. Об определении собственных частот и форм колебаний трубопроводов по акустическим шумам //Интерэкспо Гео-Сибирь. – 2012. – Т. 1. – №. 2. – С. 158-162.; Колесников Ю. И. и др. О диагностировании потери устойчивости опор трубопроводов по акустическим шумам //Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 2012. – №. 4. – С. 59-67.; Федин К. В., Климонтов В. В. Способ определения плотности костной ткани на основе выделения стоячих волн из микросейсм периферического скелета. – 2021].There are known technical solutions in which there is a proven assumption that noise vibrations can carry useful information. Bounded bodies, as is known, are characterized by a certain set of natural frequencies. If there are forced harmonic oscillations in the medium, then when their frequency coincides with one of the natural frequencies of the object under study, resonance phenomena are observed, which can be used, for example, to solve problems of monitoring and diagnostics of products made of composite materials, where under the influence of noise, if in them If there are spectral components that coincide with any natural frequencies of the object, a field of standing waves can be formed in the latter, the frequency of each of which coincides with one of the natural frequencies. Despite the relatively small amplitude of these waves, a technique has been developed that allows them to be isolated from the noise field [Yu. I. Kolesnikov et al. On diagnosing the state of structural elements of structures using the noise field (according to physical modeling data) //Physical and technical problems of mineral development . – 2012. – No. 1. – P. 3-11; Fedin K.V., Kargapolov A.A., Kolesnikov Yu.I. Influence of slot-like defects on the field of standing waves formed in a fixed beam under the influence of acoustic noise // Interexpo Geo-Siberia. – 2012. – T. 1. – No. 2. – P. 88-92.; Kolesnikov Yu. I., Fedin K. V., Kargapolov A. A. On determining the natural frequencies and vibration modes of pipelines based on acoustic noise // Interexpo Geo-Siberia. – 2012. – T. 1. – No. 2. – P. 158-162.; Kolesnikov Yu. I. et al. On diagnosing the loss of stability of pipeline supports using acoustic noise //Physical and technical problems of mineral development. – 2012. – No. 4. – P. 59-67.; Fedin K. V., Klimontov V. V. A method for determining bone tissue density based on the isolation of standing waves from microseisms of the peripheral skeleton. – 2021].

К недостаткам метода относится следующее: требование к наличию специализированного оборудования и программного обеспечения, необходимость обучения персонала, что может потребовать дополнительного обучения и практики, кроме того, данная методика может быть ограничена в применении в зависимости от типа исследуемого объекта и характеристик шума, а также результаты, полученные с помощью данной методики, могут иметь некоторую погрешность или неопределённость, что может ограничивать их использование в некоторых приложениях.The disadvantages of the method include the following: the requirement for specialized equipment and software, the need to train personnel, which may require additional training and practice, in addition, this technique may be limited in application depending on the type of object under study and noise characteristics, as well as the results , obtained using this technique may have some error or uncertainty, which may limit its use in some applications.

Раскрытие сущности изобретения.Disclosure of the invention.

Проблема, на решение которой направлен заявленный способ, состоит в разработке метода неразрушающего контроля, основанном на использовании стоячих волн, возникающих в шумовом поле, регистрируемом соответствующей аппаратурой и размещённой на поверхности изделия из композиционного материала. The problem that the claimed method is aimed at solving is in the development of a non-destructive testing method based on the use of standing waves arising in a noise field, recorded by appropriate equipment and placed on the surface of a composite material product.

Техническим результатом является разработанный способ, позволяющий выявлять скрытые дефекты в композиционных материалах с высокой точностью и скоростью измерений, не требующий предварительной обработки поверхности исследуемого материала и без использования искусственного сейсмоакустического шума.The technical result is a developed method that makes it possible to identify hidden defects in composite materials with high accuracy and speed of measurements, which does not require pre-treatment of the surface of the material under study and without the use of artificial seismic-acoustic noise.

Способ определения скрытых дефектов композиционных материалов по акустическим шумам, состоящий в том, что на исследуемом изделии регистрируют шумовые записи с высокой частотой дискретизации - составляет 65536 отсчётов на блок. Запись шума разбивается на блоки. Блок — это отрезок записи шума, который используется для анализа. Каждый блок состоит из определённого количества отсчётов. Затем каждый блок разбивается на фрагменты, которые используются для вычисления амплитудного спектра. Вычисляют амплитудные спектры, затем для каждой точки наблюдений производят усреднение амплитудных спектров всех фрагментов, устанавливают наличие стоячих волн, при этом изменение мод типа сжатия-расширения свидетельствует о наличии дефектов в исследуемом изделии. A method for determining hidden defects in composite materials by acoustic noise, which consists in recording noise records with a high sampling frequency on the product under study - 65536 samples per block. The noise recording is divided into blocks. A block is a segment of noise recording that is used for analysis. Each block consists of a certain number of samples. Each block is then divided into fragments, which are used to calculate the amplitude spectrum. The amplitude spectra are calculated, then for each observation point the amplitude spectra of all fragments are averaged, the presence of standing waves is established, and a change in compression-expansion type modes indicates the presence of defects in the product under study.

Шумовые записи разбивают на фрагменты длительностью по 65536 отсчётов и проводят вычисление и накопление амплитудных спектров этих фрагментов. Накопление спектров — это процесс, который используется в обработке сигналов для улучшения разрешения по частоте и точности определения амплитуды спектральных компонент. В основе накопления спектров лежит разделение исходного сигнала на несколько фрагментов (блоков) и выполнения преобразования Фурье на каждом из них. Затем результаты этих преобразований объединяются, что позволяет получить более точную информацию о спектре сигнала. Также регистрируют вертикальную компоненту сейсмического шума мод сжатия-расширения детальным профилированием на локализованном участке, уточняют местоположение дефектов. Noise recordings are divided into fragments of 65,536 counts each, and the amplitude spectra of these fragments are calculated and accumulated. Spectral stacking is a process used in signal processing to improve the frequency resolution and amplitude accuracy of spectral components. The accumulation of spectra is based on dividing the original signal into several fragments (blocks) and performing the Fourier transform on each of them. The results of these transformations are then combined to provide more accurate information about the spectrum of the signal. The vertical component of seismic noise of compression-expansion modes is also recorded by detailed profiling in a localized area, and the location of defects is clarified.

Вычисление амплитудных спектров производится с помощью специальных алгоритмов обработки сигнала (преобразование Фурье). Усреднение амплитудных спектров проводится для того, чтобы получить более точную картину распределения амплитуд в шуме. Если в исследуемом изделии есть дефекты, то это может проявляться в виде изменения мод типа сжатия-расширения, что и позволяет обнаружить данный метод. Преобразование Фурье используется для перехода от временного представления сигнала к частотному. The amplitude spectra are calculated using special signal processing algorithms (Fourier transform). Averaging of amplitude spectra is carried out in order to obtain a more accurate picture of the distribution of amplitudes in noise. If there are defects in the product under study, this can manifest itself in the form of a change in compression-expansion type modes, which is what this method allows us to detect. The Fourier transform is used to move from a time representation of a signal to a frequency representation.

Формула преобразования выглядит следующим образом: The conversion formula is as follows:

где F(ω) - частотный спектр сигнала, f(t) - временной сигнал, ω - частота.where F(ω) is the frequency spectrum of the signal, f(t) is the time signal, ω is the frequency.

Дополнительно может быть использован расчёт мощности зарегистрированного сигнала путем интегрального суммирования его спектра за фиксированный интервал времени. Фиксированный интервал времени — это произвольный заранее определённый промежуток времени, который выбирается в зависимости от задачи (1 секунда и т.д.). Формула для расчёта мощности сигнала через интегральное суммирование амплитудного спектра выглядит следующим образом: Additionally, the power of the recorded signal can be calculated by integral summation of its spectrum over a fixed time interval. A fixed time interval is an arbitrary predetermined period of time, which is selected depending on the task (1 second, etc.). The formula for calculating signal power through the integral summation of the amplitude spectrum is as follows:

P = df,P= df,

где P - мощность сигнала, S(f) - спектральная плотность сигнала, f1 и f2 - начальная и конечная частоты диапазона суммирования спектра.where P is the signal power, S(f) is the spectral density of the signal, f 1 and f 2 are the initial and final frequencies of the spectrum summation range.

Заявленный способ не требует предварительной обработки поверхности исследуемого материала и использования каких-либо искусственных источников (колебаний, излучения и т.д), что делает предлагаемый метод универсальным по отношению к исследуемым объектам, высокопроизводительным и безопасным для оператора. The claimed method does not require pre-treatment of the surface of the material under study and the use of any artificial sources (oscillations, radiation, etc.), which makes the proposed method universal in relation to the objects under study, highly productive and safe for the operator.

Фиг. 1. Исследуемый объект (деталь стопы протеза) с пьезокерамическим датчиком.Fig. 1. The object under study (prosthetic foot part) with a piezoceramic sensor.

Фиг. 2. «Сетка» измерений перемещаемого датчика.Fig. 2. “Grid” of measurements of the moving sensor.

Фиг.3. Сравнение амплитудно-частотных спектров для целого образца и образца с трещинойFig.3. Comparison of amplitude-frequency spectra for a whole sample and a sample with a crack

Фиг. 4. Приведены амплитудно-частотные спектры для целого образца и образца с трещиной (единичный экземпляр).Fig. 4. The amplitude-frequency spectra are shown for the whole sample and a sample with a crack (single specimen).

Осуществление изобретения.Implementation of the invention.

В качестве объектов исследования была задействована партия деталей стоп протезов для ног, изготовленная из композиционных материалов. В описываемой серии экспериментов регистрация сейсмоакустических шумов проводилась в лаборатории. A batch of prosthetic leg parts made from composite materials was used as research objects. In the described series of experiments, recording of seismoacoustic noise was carried out in the laboratory.

Регистрируют вертикальные компоненты сейсмоакустического шума на точке измерений. В качестве источника шума были задействованы колонки, на которые подавался тип сигнала «белый шум» до 20 кГц, что ускоряет процесс сбора данных, однако, применение колонок не является обязательным для методики. Амплитудно-частотная характеристика колонок по паспорту работает до 20 кГц.The vertical components of seismoacoustic noise at the measurement point are recorded. Columns were used as a noise source, to which a “white noise” signal type was supplied up to 20 kHz, which speeds up the data collection process; however, the use of columns is not mandatory for the technique. The amplitude-frequency response of the speakers according to the passport works up to 20 kHz.

Затем на передвижном приёмнике, в основе которого задействуется диск из пьезокерамики ЦТС-19 диаметром 2 мм и толщиной 1 мм, регистрируют шумовое поле (фиг. 1). Приёмник перемещают по исследуемому объекту из композиционного материала следующей «сеткой» измерений: 2 продольные дорожки с 10-ю точками проходились вдоль с шагом 2 см и 2 поперечной дорожки с 3-мя точками – с шагом 1 см (фиг. 2). Сигналы с датчика передаются на один канал двухканального цифрового осциллографа В-421, затем в цифровом виде записывают на жёсткий диск персонального компьютера для последующей обработки. Then, the noise field is recorded on a mobile receiver, which is based on a TsTS-19 piezoceramic disk with a diameter of 2 mm and a thickness of 1 mm (Fig. 1). The receiver is moved over the object under study made of composite material with the following “grid” of measurements: 2 longitudinal tracks with 10 points were passed along in increments of 2 cm and 2 transverse tracks with 3 points were passed in increments of 1 cm (Fig. 2). Signals from the sensor are transmitted to one channel of a two-channel digital oscilloscope B-421, then digitally recorded on the hard drive of a personal computer for subsequent processing.

Суть метода - накопление большого числа амплитудных спектров шумовых записей, в результате чего на усредненных (или накопленных) спектрах появляются последовательности пиков, соответствующие семействам стоячих волн разных типов.The essence of the method is the accumulation of a large number of amplitude spectra of noise recordings, as a result of which sequences of peaks corresponding to families of standing waves of different types appear on the averaged (or accumulated) spectra.

Метод диагностики стоячими волнами заключался в следующем:The standing wave diagnostic method was as follows:

1. Регистрация шумовых записей на исследуемом объекте для выделения в них стоячих волн с использованием перемещаемого по «сетке» измерений пьезокерамического датчика. «Сетка» измерений — это система координат, которая используется для описания, в каком ключе поточечно снимались измерения с исследуемого объекта. Она представляет собой набор точек на исследуемом объекте, где каждая точка имеет свои координаты (к примеру, x и y), в нашем случае это 2 продольные дорожки с 10-ю точками вдоль с шагом 2 см и 2 поперечные дорожки с 3-мя точками с шагом 1 см;1. Registration of noise records on the object under study to identify standing waves in them using a piezoceramic sensor moved along the measurement “grid”. A measurement “grid” is a coordinate system that is used to describe in what manner point-by-point measurements were taken from the object under study. It is a set of points on the object under study, where each point has its own coordinates (for example, x and y), in our case these are 2 longitudinal tracks with 10 points along with a step of 2 cm and 2 transverse tracks with 3 points in increments of 1 cm;

2. Разбиение шумовых записей на блоки по 65536 отсчётов (максимальное количество отсчётов в осциллографе В-421). Запись шума разбивается на множество фрагментов, каждый из которых содержит 65536 отсчётов. “Отсчёт” означает процесс измерения или регистрации данных, в данном контексте это означает, что для каждого фрагмента шума был произведен замер его амплитуды и фазы;2. Dividing noise records into blocks of 65536 samples (the maximum number of samples in the B-421 oscilloscope). The noise recording is divided into many fragments, each of which contains 65536 samples. “Sampling” means the process of measuring or recording data, in this context it means that for each piece of noise, its amplitude and phase have been measured;

3. Преобразование Фурье для каждого блока и усреднение полученных амплитудно-частотных спектров путём их суммирования;3. Fourier transform for each block and averaging of the resulting amplitude-frequency spectra by summing them;

4. Построение и сравнение суммарных спектров дефектных и целых образцов с целью выявления смещения амплитудно-частотного спектра и образования новых резонансных пиков в качестве оценки наличия дефектов. 4. Construction and comparison of the total spectra of defective and intact samples in order to identify a shift in the amplitude-frequency spectrum and the formation of new resonance peaks as an assessment of the presence of defects.

Соответствие выделенных регулярных пиков стоячим волнам вертикального сжатия-растяжения изделий из композиционного материала, а не стоячим волнам других типов (например, сдвиговым), обусловлено применением датчиков, регистрирующих преимущественно вертикальную компоненту акустического шума на точке измерений (Фиг.3). The correspondence of the identified regular peaks to standing waves of vertical compression-tension of products made of composite material, and not to standing waves of other types (for example, shear), is due to the use of sensors that record predominantly the vertical component of acoustic noise at the measurement point (Figure 3).

На примере сравнения суммарных спектров целого образца и образца с трещиной в единичном экземпляре можно наблюдать возникновение дополнительных пиков, соответствующих резонансным частотам дефектного изделия, что говорит о появлении дополнительных границ отражения вследствие возникновения разрывов в его структуре. На примере сравнения суммарных спектров целого образца и образца с трещиной можно сделать вывод, что смещение значений резонансных частот в меньшую сторону у одного из них может быть связано с тем, что данный образец обладает более низкой добротностью в сравнении с другим, что указывает на то, что в объекте могут присутствовать дефекты, которые могут вызывать потери энергии и ухудшать способность исследуемого изделия её сохранять, что, в свою очередь, может привести к пониженной прочности изделия (Фиг.4). By comparing the total spectra of a whole sample and a sample with a crack in a single specimen, one can observe the appearance of additional peaks corresponding to the resonant frequencies of the defective product, which indicates the appearance of additional reflection boundaries due to the occurrence of breaks in its structure. Using the example of comparing the total spectra of a whole sample and a sample with a crack, we can conclude that a downward shift in the resonance frequencies of one of them may be due to the fact that this sample has a lower quality factor compared to the other, which indicates that that the object may contain defects that can cause energy loss and impair the ability of the product under study to retain it, which, in turn, can lead to reduced strength of the product (Figure 4).

Полученные экспериментальные результаты показали, что метод стоячих волн может с успехом применяться для диагностирования скрытых дефектов в композиционных материалах. Стоячие волны могут быть выделены из шумового поля с помощью накопления большого числа амплитудных спектров шумовых сигналов. Получены карты амплитудно-частотных распределений. The experimental results obtained showed that the standing wave method can be successfully used to diagnose hidden defects in composite materials. Standing waves can be separated from a noise field by accumulating a large number of amplitude spectra of noise signals. Maps of amplitude-frequency distributions were obtained.

В качестве конечного результата обследования предполагается предоставление амплитудно-частотного распределения низших мод для всего изделия. Время на проведение полевых работ и интерпретацию данных зависит от детальности измерений. Предположительно обследование одной детали данной методикой с получением конечного результата будет занимать не более 1 часа.The final result of the examination is expected to provide the amplitude-frequency distribution of the lowest modes for the entire product. The time required to conduct field work and interpret data depends on the detail of the measurements. Presumably, examining one part using this technique to obtain the final result will take no more than 1 hour.

Таким образом, была продемонстрированная принципиальная возможность использования методики выделениях упругих стоячих волн из сейсмоакустического шума на исследуемых объектах из композиционного материала.Thus, the fundamental possibility of using the technique of separating elastic standing waves from seismoacoustic noise on the studied objects made of composite material was demonstrated.

Claims (6)

1. Способ выявления скрытых дефектов композиционных материалов по акустическим шумам, заключающийся в том, что на исследуемом изделии из композиционного материала регистрируют шумовые записи с частотой дискретизации 20 Гц, запись шума разбивается на блоки, которые состоят из определённого количества отсчётов, затем каждый блок разбивается на фрагменты длительностью по 65536 отсчётов и проводят вычисление и накопление амплитудных спектров этих фрагментов по формуле 1. A method for identifying hidden defects in composite materials by acoustic noise, which consists in recording noise records with a sampling frequency of 20 Hz on the test product made of composite material, the noise record is divided into blocks, which consist of a certain number of samples, then each block is divided into fragments with a duration of 65536 counts and calculate and accumulate the amplitude spectra of these fragments according to the formula где F(ω) - частотный спектр сигнала, f(t) - временной сигнал, ω – частота,where F(ω) is the frequency spectrum of the signal, f(t) is the time signal, ω is the frequency, далее для каждой точки наблюдений производят усреднение амплитудных спектров всех фрагментов, устанавливают наличие стоячих волн, при этом изменение мод типа сжатия-расширения свидетельствует о наличии дефектов в композиционном материале. then, for each observation point, the amplitude spectra of all fragments are averaged, the presence of standing waves is established, and a change in compression-expansion type modes indicates the presence of defects in the composite material. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предварительно регистрируют вертикальную компоненту сейсмического шума мод сжатия-расширения детальным профилированием на локализованном участке, уточняют местоположение дефектов.2. The method according to claim 1, characterized in that the vertical component of the seismic noise of the compression-expansion modes is pre-registered by detailed profiling in a localized area, and the location of the defects is specified. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что может быть дополнен путём расчёта мощности зарегистрированного сигнала путем интегрального суммирования его спектра за фиксированный интервал времени.3. The method according to claim 1, characterized in that it can be supplemented by calculating the power of the recorded signal by integral summation of its spectrum over a fixed time interval.
RU2023136349A 2023-12-30 Method of detecting latent defects in composite materials by standing waves RU2816673C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2816673C1 true RU2816673C1 (en) 2024-04-03

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2407581A2 (en) * 2011-06-14 2013-06-13 Delphi Diesel Systems S.L. Automatic detection of defects in high pressure injection pumps by acoustic noise analysis. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)
FR2996917A1 (en) * 2012-10-15 2014-04-18 Airbus Operations Sas Method for determining appearance of defect in composite material panel during drilling operation, involves determining appearance of chipping and/or delamination at emerging end of hole based on acoustic waves detected during drilling
CN105738481A (en) * 2016-02-29 2016-07-06 上海交通大学 Method for predicting cutting defects of carbon fiber reinforced composites
RU2674573C1 (en) * 2017-06-14 2018-12-11 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет путей сообщения" (СГУПС) Method of acoustic-emission control of defects in composite structures based on carbon
RU2774101C1 (en) * 2021-10-04 2022-06-15 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) Method for flaw detection of metals by acoustic noise

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2407581A2 (en) * 2011-06-14 2013-06-13 Delphi Diesel Systems S.L. Automatic detection of defects in high pressure injection pumps by acoustic noise analysis. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding)
FR2996917A1 (en) * 2012-10-15 2014-04-18 Airbus Operations Sas Method for determining appearance of defect in composite material panel during drilling operation, involves determining appearance of chipping and/or delamination at emerging end of hole based on acoustic waves detected during drilling
CN105738481A (en) * 2016-02-29 2016-07-06 上海交通大学 Method for predicting cutting defects of carbon fiber reinforced composites
RU2674573C1 (en) * 2017-06-14 2018-12-11 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет путей сообщения" (СГУПС) Method of acoustic-emission control of defects in composite structures based on carbon
RU2774101C1 (en) * 2021-10-04 2022-06-15 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) Method for flaw detection of metals by acoustic noise

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Jiri Behal and Pavel Zdenek, Effect of interlaminar flaw on composite panel behaviour under acoustic loading, MATEC Web of Conferences, Volume 188, 2018, 5th International Conference of Engineering Against Failure (ICEAF-V 2018), c. 1-8. *
Л.А.Оглезнева, А.Н.Калиниченко, АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ, Часть II, Издательство Томского политехнического университета 2009, с. 169. А.А.Хлыбов, А.Л.Углов, Об использовании параметров структурного шума при контроле поверхностными акустическими волнами рэлея стали 20ГЛ в процессе упругопластического деформирования, Дефектоскопия, N 7, 2021. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Konstantinidis et al. The temperature stability of guided wave structural health monitoring systems
Kaphle Analysis of acoustic emission data for accurate damage assessment for structural health monitoring applications
Ohtsu Elastic wave methods for NDE in concrete based on generalized theory of acoustic emission
Shirole et al. Damage monitoring in rock specimens with pre-existing flaws by non-linear ultrasonic waves and digital image correlation
CN106198727A (en) A kind of non-linear guided circumferential method for metal circular tube Damage Evaluation
Heinlein et al. Blind trial validation of a guided wave structural health monitoring system for pipework
Chakraborty et al. Embedded ultrasonic transmission sensors and signal processing techniques for structural change detection in the Gliwice bridge
CN111678988A (en) Nonlinear ultrasonic evaluation device and method for concrete material surface damage
RU2816673C1 (en) Method of detecting latent defects in composite materials by standing waves
CN103954628A (en) Ensemble empirical mode decomposition (EEMD) and approximate entropy combined steel tube damage monitoring method
Tan et al. Structural health monitoring of bridges using acoustic emission technology
CN116026921A (en) Intelligent grouting sleeve system with built-in annular ultrasonic sensor array
Zohora Evaluation of material crack using acoustic emission technique
RU2734724C1 (en) Vibroacoustic method of assessing technical condition of conducting engineering utilities
CN114002327A (en) Method for detecting integrity degree of steel strand
CN109298076B (en) Lamb wave-based active valve internal leakage damage detection system and method
Zhitluhina et al. Characterisation of steels with microdefects using a laser interferometry technique
Donskoy et al. N-scan: New vibromodulation system for detection and monitoring of cracks and other contact-type defects
Bassim et al. Time and frequency analysis of acoustic emission signals
BAYOUMI et al. Approaches Combining Multiple Paths to Establish the Probability of Detection of a Guided Wave-based Structural Health Monitoring System
Marin-Cortes Ultrasonic Coda Wave Comparison for Quality Control of Manufactured Parts: Proof of Feasibility
RU2774101C1 (en) Method for flaw detection of metals by acoustic noise
Yu et al. Dual mode sensing of crack growth in steel bridge structures
RU2674573C1 (en) Method of acoustic-emission control of defects in composite structures based on carbon
Zhong et al. Application of Acoustic Emission for the Inspection of Fiber-Reinforced Composite Materials