СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ВОЛНЫ В КРУПНОГАБАРИТНЫХ БЕТОННЫХ ИЗДЕЛИЯХ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ
METHOD OF DETERMINING ACOUSTIC WAVE VELOCITY IN LARGE CONCRETE OBJECTS WITH IRREGULAR SHAPE

Изобретение относится к области неразрушающих испытаний акустическими методами и может быть использовано в строительстве для определения скорости распространения акустической волны в изделиях из бетона, преимущественно крупногабаритных и с большим затуханием звука.
Известен эхо-способ определения скорости распространения акустической волны, заключающийся в том, что на поверхности контролируемого изделия располагают излучающий и приемный электроакустические преобразователи, излучающим электроакустическим преобразователем ударно возбуждают зондирующий акустический сигнал, приемным электроакустическим преобразователем регистрируют эхо-сигнал, измеряют время Т задержки эхо-сигнала относительно зондирующего сигнала, а скорость C распространения акустической волны рассчитывают в соответствии со следующим выражением C=2H/T, где H - толщина контролируемого изделия [см. Джонс Р., Фэкэоару И. Неразрушающие методы испытаний бетонов. М.,: Стройиздат, 1974 г., 292 с.].
Недостатком известного способа является низкая точность определения скорости распространения акустической волны в крупногабаритных изделиях из бетона, обусловленная сильным, частотно-зависимым затуханием акустических колебаний, и, как следствие, искажением формы эхо-сигнала, зависящим от толщины H контролируемого изделия.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения скорости распространения акустической волны в протяженных изделиях геометрически простой формы типа "плита", известный как импакт-эхо метод, и основанный на возбуждении в контролируемом изделии собственных свободно-затухающих колебаний, описанный в Carino N.J. "The impact-echo method: an overview", Proceedings of the 2001 Structures Congress & Exposition, May 21-23, 2001, Washington, D.C., American Society of Civil Engineers, Reston, Virginia, Peter C. Chang, Editor, 2001. 18 p. Способ заключается в том, что на поверхности контролируемого изделия располагают приемный электроакустический преобразователь, в контролируемом изделии коротким механическим ударом по его поверхности возбуждают собственные акустические свободно-затухающие колебания, регистрируют приемным электроакустическим преобразователем возбужденные акустические колебания, определяют спектральную характеристику контролируемого изделия, фиксируют значение резонансной частоты f, соответствующей максимуму амплитуды спектральной характеристики, а значение скорости распространения акустической волны вычисляют по следующей формуле:
где H - толщина объекта контроля;
k=0,96 - коэффициент коррекции скорости продольной волны.
Значение коэффициента коррекции скорости продольной волны справедливо для плит, у которых одновременно значение длины и ширины превышает значение толщины не менее чем в 5 раз.
Недостатком известного способа является низкая точность определения скорости акустических колебаний в бетонных изделиях сложной формы. Это связанно с тем, что однозначное определение значения частоты f по максимуму спектральной характеристики объекта контроля возможно только для изделий геометрически простой формы типа "плита", у которой значение длины и ширины превышает значение толщины не менее чем в 5 раз. При исследовании более компактных изделий, во-первых, на регистрируемой амплитудно-частотной спектральной характеристике появляются паразитные резонансные пики значительной амплитуды, соответствующие другим резонансным модам и затрудняющие идентификацию информативного резонансного пика, во-вторых, значение частоты, соответствующей максимуму информативного пика, вследствие геометрической дисперсии скорости распространения акустической волны в изделии изменяется при изменении соотношения длины (ширины) изделия и толщины.
Технической задачей изобретения является повышении точности определения скорости акустической волны в компактных изделиях из бетона с произвольным соотношением длины (ширины) изделия и толщины.
Техническая задача достигается тем, что в известном способе определения скорости распространения акустической волны в протяженных изделиях, при котором на поверхности контролируемого изделия располагают приемный электроакустический преобразователь, в контролируемом изделии коротким механическим ударом по его поверхности возбуждают собственные акустические свободно-затухающие колебания, регистрируют приемным электроакустическим преобразователем возбужденные акустические колебания, определяют экспериментальную спектральную характеристику контролируемого изделия, методом численного моделирования для значений скорости акустической волны в диапазоне от минимально до максимально возможного рассчитывают N спектральных характеристик модели контролируемого изделия, для каждой рассчитанной спектральной характеристики и экспериментальной спектральной характеристики контролируемого изделия определяют N коэффициентов их взаимной корреляции, где N - целое число и N≥2, по максимуму значения которого определяют истинное значение скорости акустической волны.
Предложенный способ реализуется следующим образом.
Устанавливают на поверхности контролируемого объекта приемный электроакустический преобразователь. С помощью ударного приспособления возбуждают в объекте собственные акустические затухающие колебания. Приемным преобразователем регистрируют эти колебания, электрическая копия которых после аналого-цифрового преобразования подается на блок быстрого преобразования Фурье, сигнал на выходе которого представляет собой экспериментальную спектральную характеристику контролируемого изделия. Спектральная характеристика модели контролируемого изделия рассчитывается методом конечных элементов. Для этого геометрическую модель, соответствующую контролируемому изделию, разбивают на максимально возможное количество элементов, состоящих из некоторого количества узлов. С учетом граничных условий для каждого из узлов решают основное уравнение движения, имеющее вид
где:
[M] - матрица массы;
[C] - матрица затухания;
[K] - матрица упругости;
{u} - узловой вектор перемещения;
- узловой вектор скорости;
- узловой вектор ускорения;
a
{F} - вектор приложенной силы.
min
При расчете используют значение скорости распространения акустической волны C, минимально возможное в данном материале. Результаты расчета представляются в виде матрицы, один из столбцов которой содержит набор частот спектра, а другой - значения амплитуд спектра на этих частотах. Выполняется N итераций, N - целое число и N≥2, в ходе каждой из которых столбец частот исходной расчетной спектральной характеристики умножается на коэффициент m
max
где C - максимально возможное значение скорости в данном материале, а n=0, 1, 2 … N-1 - номер текущей итерации. Для каждой итерации вычисляется коэффициент взаимной корреляции расчетной и экспериментальной характеристик и номер соответствующей итерации запоминается. По завершению цикла выполняется поиск значения n, соответствующего максимуму значения коэффициента взаимной корреляции, а истинная скорость акустической волны определяют по формуле
Пример. Определенное способом, выбранным в качестве прототипа, значение скорости распространения акустических колебаний в строительной конструкции типа "бетонная стеновая панель" (габаритные размеры 800×500×300 мм) составило величину 4746 м/с. Истинное значение скорости распространения акустических колебаний, определенное с помощью предлагаемого способа, составило величину 3722 м/с, что соответствует значению скорости распространения акустических колебаний, определенному эхо-способом (3781 м/с).
Использование изобретения позволяет повысить точность определения скорости распространения акустических колебаний в крупногабаритных сложноструктурных изделиях произвольной по формы, выполненных из различных материалов, в том числе с большим затуханием.