Акустические методы в механике движения ледников

Мезо-, нано-, биомеханика и механика природных процессов Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (2), с. 427-429

УДК 551.324.5:551.321:620.179.17

АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ В МЕХАНИКЕ ДВИЖЕНИЯ ЛЕДНИКОВ © 2011 г. В.П. Епифанов1, А. Ф. Глазовский2

'Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН, Москва 2Институт географии РАН, Москва

evp@ipmnet.ru

Поступила в редакцию 16.06.2011

Изучаются волновые явления, которые происходят в процессе деформирования природного льда и отражаются в его акустических характеристиках. Выполнен комплекс исследований, необходимых для расшифровки сигналов акустической эмиссии в активных участках ледникового покрова. В основу положены данные измерений реологических и акустических характеристик (количество, амплитуда и спектральный состав сигналов акустической эмиссии, а также скорость и поглощение ультразвука) в ультразвуковом диапазоне частот при сжатии, осесимметричном сдвиге и растяжении (в условиях стеснения) и ударе. Рассмотрены возможные источники излучения упругих волн в леднике (трение, нарушение сплошности и т. д.) и их отличительные спектральные характеристики.

Ключевые слова: лед, акустическая эмиссия, пластическая деформация, ледник, физическое моделирование.

Акустический мониторинг

деформационных процессов во льду

Применение акустических методов в механике дефрмирования и разрушения льда основано на установлении корреляционной связи между акустическими характеристиками и деформационными изменениями его структуры, которые происходят на определенных стадиях пластических деформаций и изменяют его акустические свойства.

Параметры сигналов акустической эмиссии в интервале от 20 Гц до 20 кГц и параметры ультразвуковых импульсов (0.5-80 МГ ц), которыми про-звучивали образцы природного льда с помощью импульсно-фазового ультразвукового метода, синхронно определяли непосредственно в процессе механических испытаний [1, 2].

Контрольные измерения показали, что при напряжениях менее 50 кПа, создаваемых упругой волной, во льду реализуется амплитудно-независимый механизм и выполняется квадратичная зависимость поглощения от частоты. Потери акустической энергии определяются ее рассеиванием на межкристаллитных поверхностях (79%) и дислокационными потерями (21%). Рассчитаные значения плотности дислокаций (105-106 м-2) и их длины (10-5 м) соответствуют динамической теории распространения ультразвука в поликристал-лических средах. Это подтверждает пригодность измерительных средств и методики измерений для исследования конечных деформаций во льду.

Результаты испытаний на сжатие, растяжение, сдвиг и удар

На рис. 1 представлены зависимости коэффициента поглощения 1, продольной 2 и поперечной 4 деформации, скорости ультразвука 3 и амплитуды сигналов акустической эмиссии от напряжения при сжатии, а на рис. 2 — зависимости напряжений 1, избыточного коэффициента поглощения

2, скорости продольной волны 3 и параметра дефектности 4 от деформации при растяжении.

о 02. 0,4 0,6 0.8 1 О

Рис. 1

По характерным изменениям поглощения звука на деформационной кривой, полученной при испытаниях на сжатие (10-2-10-5 с-1), выделены отрезки, соответствующие упругим и необратимым деформациям (см. рис. 1), опре-

делены параметры дислокаций вблизи пределов истиной упругости и текучести.

жения. При сдвиге в условиях стеснения переход от одной к другой стадии пластических деформаций сопровождается не только дефицитом упругого модуля от одного до трех порядков его значения в недеформированном состоянии, но и существенными изменениями характеристик акустической эмиссии. Согласно теории подобия, полученные данные испытаний на сдвиг могут быть применены, по крайней мере, до линейного размера в несколько метров.

Механизм амплитудно-зависимых потерь упругого деформирования льда обусловлен трением, а не отрывом, и адекватно отражается моделью дислокационного гистерезиса — петлей Давиденкова. Эффективное сечение деформационных трещин изменяется почти на порядок, при этом поглощение ультразвука увеличивается на 300%. Найдена корреляция между параметрами сканирующего импульса и сечением рассеяния трещины. Если дилатансия не превышает 2%, то лед рассматривается «акустически макрооднородным».

Смена механизмов пластических деформаций сопровождается существенным изменением количества и размеров деформационных дефектов (кривая 4 на рис. 2). Стадийный характер увеличения дефектности учтен в определяющем реологическом соотношении (растяжение с боковым стеснением). Хрупкому отрыву при растяжении предшествует формирование зоны разрушения, размер которой больше, чем следует из теории. Особенности формирования этой зоны отражены на фрактограммах разрушения и характеристиках сигналов акустической эмиссии (АЭ).

Процесс удара количественно исследован с помощью пьезоэлектрического акселерометра. Найден параметр физического подобия деформационных процессов и построены обобщенные зависимости среднего мгновенного напряжения от приведенной скорости удара (около 2 м/с). Синхронная запись деформационной кривой и эффективной энергии акустических импульсов при ин-дентировании показала хорошую корреляцию акустических параметров выделяющейся упругой энергии с реологическими процессами [3].

На рис. 3 изображены зависимости эффективной энергии акустических импульсов (кривая 1) и силы сдвига (кривая 2) от времени нагру-

Рис. 3

Физическое моделирование источников сигналов АЭ в ледниках

На ледяном покрове естественного водоема искусственно вызывали процессы, которые в первом приближении соответствовали процессам в ледниках (трещинообразованию, трению на ложе и при камнепаде) и записывали сигналы АЭ. На рис. 4 приведена осциллограмма сигнала АЭ при ударе с отражениями от бортов (амплитуда—время, в мс).

Рис. 4

Сигналы от соударения индентора со льдом показывают кратковременные всплески в узком диапазоне частотного спектра, а сигналы, которые генерируются при скольжении льда по грунту, характеризуются монотонным увеличением интенсивности их спектральных характеристик

во времени. Установленные закономерности взяты за основу для расшифровки акустических характеристик при движении льда в ледниках.

Выполненные исследования показали, что акустические характеристики льда являются функциями его термодинамического состояния и могут быть использованы для дистанционного мониторинга процессов, наблюдаемых в зонах сжатия и растяжения ледника, например, для определения перехода от накопления дефектов к локальной подвижке [4]. Разработан экспресс-метод определения динамической твердости льда и предложен способ прогнозирования лавинной опасности [5].

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (проект 10-05-01146).

Список литературы

1. Воронина ИЮ., Епифанов В.П. // Акустический журнал. 1980. Т. 26. Вып. 3. С. 371—376.

2. Епифанов В.П. // Докл. РАН. 2007. Т. 412, №1. С. 39—43.

3. Гольдштейн Р.В., Епифанов В.П., Осипенко Н.М. // Актуальные проблемы механики. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 2009. С. 35—55.

4. Епифанов В.П., Глазовский А.Ф. // Научный журнал Криосфера Земли. 2010. Т. XIV, №4. С. 42—55.

5. Епифанов В.П. Механика деформируемого льда. Гляциология. М.: ВИНИТИ АН СССР. 1991. Т. 8. 204 с.

ACOUSTIC METHODS IN MECHANICS OF THE MOTION OF GLACIERS V.P. Epifanov, A.F. Glazovsky

Possible sources of elastic wave radiation in a glacier (friction, discontinuity formation, etc.) and their distinctive spectral characteristics are discussed. A combined research required to interpret the signals of acoustic emission in the active glacier areas has been implemented. It is based on the studies of wave phenomena that occur during deformation of natural ice and are reflected in its acoustic characteristics, as well as on physical modeling of acoustic emission sources. The experimental data is used to evaluate the possibility of determining the transition from the stage of accumulation of deformation defects in the glacier body up to its local advance.

Keywords: ice, acoustic emission, plastic deformation, glacier, physical modeling.