К вопросу метрологической оценки метода акустической эмиссии как инструмента контроля процесса импрегнирования пористых материалов

УДК 620.179.17-715.6

К вопросу метрологической оценки метода акустической эмиссии

как инструмента контроля процесса импрегнирования пористых материалов

В. Л. Гапонов, Д. М. Кузнецов, Е. С. Черунова*, М. С. Захарова

(Донской государственный технический университет,

*Донской филиал Центра тренажеростроения)

Рассмотрена возможность использования метода акустической эмиссии (АЭ) для изучения процессов импрегнирования тканых материалов. В частности установлено, что кривая суммарного счёта АЭ независимо от размера образца может быть описана уравнением общего вида. Экспериментально установлена постоянная времени релаксации для хлопчатобумажной ткани.

Ключевые слова: акустическая эмиссия, процесс импрегнирования, тканые материалы, амплитуда сигналов, суммарный счёт сигналов.

Введение. Осуществление производственной деятельности человека в условиях жидких агрессивных сред в процессе эксплуатации связано с модифицированием свойств тканей защитной одежды. Модифицирование свойств текстильных материалов достигается, в первую очередь, их импрегнированием определённой жидкостью. Импрегнирование как процесс изменения свойств пористых тел при заполнении их пустот импрегнатом различного вида находит в настоящее время всё более широкое применение, а текстильные материалы, в свою очередь, представляют собой классический пример пористых тел [1].

Основная часть. Для полного представления о кинетике импрегнирования текстильных материалов необходимо изучить их капиллярные свойства, что позволит получить данные о процессах загрязнения их в результате контакта с агрессивными жидкостями, в том числе с нефтью, которая сопровождает профессиональную деятельность по нефтедобыче. Текстильные материалы способны поглощать жидкость при соприкосновении, под воздействием сил поверхностного натяжения и сорбции, что относится к разряду капиллярных явлений. К капиллярным явлениям, как правило, относят явления в жидкостях, которые вызваны искривлением их поверхности, граничащей с другой жидкостью, газом, собственным паром или твёрдым телом.

Возможность фиксирования таких сложных для улавливания деформаций, которые происходят не только на первой стадии проникновения жидкости по одному из каналов на обратную сторону текстильного материала, но и до момента полного насыщения текстильной структуры (простой и многослойной), в настоящей работе установлена при использовании акустикоэмиссионного метода [2, 8].

Метод акустической эмиссии (АЭ) при пропитке основан на фиксации акустических колебаний, возникающих в жидкости в результате образования, движения и последующего схлопыва-ния газовых пузырьков. Газовые пузырьки образуются в результате заполнения пор и пустот в материале импрегнатом. Методика регистрации сигналов АЭ в жидкой среде описана в ряде публикаций [2—10], поэтому целью настоящей работы являлся, в первую очередь, анализ полученных экспериментальных данных.

Достоверно установлено, что с момента погружения образца пористого текстильного материала в жидкость регистрируется индуцирование акустических сигналов, причём их характеристики, в частности амплитуда, энергия и длительность, с самого начала свидетельствуют об индивидуальности процесса в зависимости от вида выбранной ткани.

Сумма импульсов АЭ/ Время,с

Ампліггудп, дБ Время, с

тс °

Плотность энергии, (Дж*1е-26/кГц)Л 1/2/Частота. кГц

» 40

6)

Осцилограф: Шкаля АЦП/Время,мкс

95

76

57 1 1 ІІі і

38 .1 ні ІІІІ1І 1.1 її ііііі. 1. і, II1 II 1, і ІІі і і .і і . п.. і,

ПИТ ''И'И'ТГГ' 1 ,|^№ иттатерта

в)

Плотность анергии, (Дж*1е-26 кГц)" 1/2 Частота, кГц

250

200

1Ь0

100

50 0^ 0 ни 160 240 г32й

Осцилограф: Шкала АЦП Время,мкс

Рис. 1. Динамика пропитки хлопчатобумажной ткани водой, отражаемая в сигналах акустической эмиссии: а — изменение суммы импульсов АЭ; 6 — изменение амплитуды импульсов АЭ; в, г — осциллограммы и амплитудно-частотная характеристика регистрируемого ультразвукового сигнала: в — начало процесса пропитки, г — продолжение процесса пропитки

По мере пропитывания образца наблюдается отчётливо выраженная динамика изменения всех параметров АЭ. В качестве иллюстрации на рис. 1 представлены типичные данные по изме-

нению суммы импульсов, активности АЭ и амплитуды сигналов при пропитке водой ткани с волокнистым составом 100 % хлопка.

Рассмотрим динамику изменения активности сигналов АЭ во времени. Остановимся на общих положениях, основанных на предположении, что количество сигналов АЭ (IV), индуцируемых

при пропитке, пропорционально количеству заполненных жидкостью пор в пропитываемом об-

разце (М)\

N af

Соответственно, активность сигналов АЭ пропорциональна скорости изменения количества пор в пропитываемом образце:

*L = k*L, <2)

at л

где К— коэффициент пропорциональности.

В начальный момент времени количество пор в образце равно т. В любой момент време-

dM

ни (t) количество незаполненных пор равно разности (т - М), а скорость пропитки равна —.

dt

Предположим, что скорость пропитки пропорциональна текущему значению количества незаполненных пор, т. е. (т - М). Следовательно, мы получим следующее дифференциальное уравнение процесса:

*£ = к

Интегрируя это уравнение, получим решение относительно текущего количества незаполненных пор т- Мпри начальном условии М= 0, при t = 0:

т — М = те f/T,

где т — это постоянная времени релаксации, которая зависит от скорости заполнения пор, а, следовательно, и от вида материала, и от реологических параметров жидкости (вязкости, коэффициента поверхностного натяжения, угла смачивания).

Поскольку в наших проводимых экспериментах мы используем только один вид импрегни-рующей жидкости, а именно — воду, то постоянная времени релаксации т будет определяться только видом ткани. Она должна быть индивидуальна и постоянна для данного вида ткани вне зависимости от количества индуцируемых сигналов АЭ. Для определения постоянной времени релаксации т воспользуемся экспериментальными данными по изменению активности АЭ и суммарного счёта при пропитке хлопчатобумажной ткани водой при комнатной температуре.

Используя уравнение (4), мы приходим к уравнению динамики изменения общего (суммарного) количества сигналов АЭ по мере пропитки:

N=Km

где К— это коэффициент, зависящий от методики регистрации акустических сигналов и чувствительности акустико-эмиссионной аппаратуры, am — количество пор в образце в начальный момент времени.

Форма кривой, соответствующей уравнению (5), идентична кривой изменения суммарного счёта импульсов АЭ (см. рис. 1 и 2).

С целью определения количественных значений параметров, входящих в уравнение

соответственно. На этих же графиках показана кривая общего вида у = Кт(і-е с количественными значениями, максимально близко соответствующими экспериментальным данным.

Рис. 3. Изменение суммарного счёта АЭ при пропитке образца хлопчатобумажной ткани диаметром 80 мм

Анализ статистически полученных расчётных кривых свидетельствует, что параметр Кт увеличивается с размером пропитываемого образца, что также подтверждает концептуальную правильность уравнения (5). Увеличение размера образца вызывает увеличение числа пропитываемых пор, что и приводит к росту параметра Кт. Но наиболее важный результат — это факт неизменности постоянной времени релаксации т для одного и того же вида импрегнируемого материала — в данном случае ткани с волокнистым составом 100 % хлопка. Именно на этом основывается наблюдаемая внешняя схожесть графиков суммарного счёта импульсов АЭ при пропитке различных по размеру образцов одной и той же ткани. Изменение вида ткани вызывает изменение постоянной времени релаксации т и, соответственно, наклон кривой суммарного счёта импульсов АЭ.

Несмотря на различие в количестве регистрируемых сигналов АЭ при пропитке образцов хлопчатобумажной ткани различного размера, наблюдается одинаковое изменение относительной погрешности метода.

На рис. 5 представлена динамика изменения относительной погрешности в процессе пропитки. Из данного графика становится очевидно, что на заключительной стадии процесса пропит-

ки независимо от размера ткани погрешность метода составляет не более 0,3 %. Размер пропитываемой ткани влияет на амплитуду, количество сигналов, но характер изменения активности суммарного счёта для ткани одного и того же вида остаётся неизменным.

Рис. 4. Изменение суммарного счёта АЭ при пропитке образца хлопчатобумажной ткани диаметром 200 мм

Л

н

о

0

1 о-

I

а. 5

0 о

* £

ГС о

5 £

с о

I!

1 ї

Рис. 5. Изменение относительной погрешности суммарного счёта АЭ при пропитке различных образцов хлопчатобумажной ткани

Выводы. Таким образом, теоретические исследования показывают, что, во-первых, суммарное количество импульсов АЭ при пропитке ткани зависит от количества пор, а, следовательно, раз-

мера пропитываемого образца, и, во-вторых, даже незначительное изменение условий пропитки приведёт к изменению как реологии жидкости, так и регистрируемых акустических параметров. Следовательно, для обеспечения воспроизводимости и последующей метрологической оценки метода АЭ применительно к изучению импрегнирования гибких пористых материалов следует проводить измерение в максимально возможных идентичных условиях. Становится очевидным из работы, что метод АЭ в состоянии решить целый ряд проблем, связанных с повышением точности инженерных расчётов конструкций из гибких пористых материалов, подвергающихся механическим деформациям и комплексным теплофизическим, электрическим воздействиям в условиях переменных сред, включая жидкофазные. Исследование явлений диффузии в тканых материалах методом акустической эмиссии позволяет в перспективе создать на его основе метод оценки стабильности различных технических систем в любых жидкофазных средах.

Библиографический список

1. Бузов, Б. А. Лабораторный практикум по материаловедению швейного производства: учеб. пособие для высш. учеб. заведений лёгкой промышленности / Б. А. Бузов, Н. Д. Алыменков, Д. Г. Петропавловский. — Москва: Академия, 2003. — 416 с.

2. Гапонов, В. Л. Способ контроля качества пропитки изделия / В. Л. Гапонов, Д. М. Кузнецов, Т. В. Моргунова, Е. С. Черунова // Пат. 1*11 2383016 С1 Российская Федерация. С01М29/14. № 2008138518/28; заявл. 26.09.2008; опубл. 27.02.10, Бюл. № 14. — 5 с.

3. Гапонов, В. Л. Моделирование диффузионного переноса твёрдого вещества, растворённого в жидкой среде / В. Л. Гапонов, Д. М. Кузнецов, В. В. Трепачёв // Инженерный вестник Дона: электрон, науч.-инновационный журнал. — 2011. — № 11. — С. 1—14.

4. Влияние площади поверхности кристаллов на акустико-эмиссионные параметры растворения / В. Л. Гапонов [и др.] // Вестник развития науки и образования. — 2011. — № 3. — С. 7—14.

5. Акустико-эмиссионная оценка динамических характеристик процесса растворения ионных кристаллов / С. И. Буйло [и др.] // Тр. III Междунар. симпозиума «Среды со структурным магнитным упорядочением» (Ма11^егго5-3), Ростов-на-Дону, п. Лоо, 4—8 сентября 2011 г. — Ростов-на-Дону: Изд-во СКНЦ ВШ ЮФУ АПСН, 2011. — С. 24—28.

6. Акустико-эмиссионная диагностика кинетики растворения ионных кристаллов / С. И. Буйло [и др.] // Мат-лы 19-й Междунар. конф. «Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики», Ялта (Гурзуф), 3—7 октября 2011 г. — Гурзуф-Киев: УИЦ «Наука. Техника. Технология». — С. 160—163.

7. Гапонов, В. Л. Диффузионный перенос твёрдого вещества, растворённого в подвижной жидкой среде / В. Л. Гапонов, Д. М. Кузнецов, В. В. Трепачёв // Сб. тр. Междунар. науч.-практ. конф. «Состояние и перспективы развития сельскохозяйственного машиностроения». — Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2011. - С. 352-354.

8. Исследование процесса импрегнирования методом акустической эмиссии / В. Л. Гапонов [и др.] // Вестник ДГТУ. — 2011. — № 7. — С. 1016—1024.

9. Кузнецов, Д. М. Влияние выделения окклюдированных газов на акустическую эмиссию в процессе сольватации кристаллов / Д. М. Кузнецов, П. Н. Козаченко, О. О. Баранникова // Вестник ДГТУ. — 2011. — № 8, вып. 1. — С. 1149—1156.

10. Трепачёв, В. В. Математическое моделирование сигналов акустической эмиссии при сольватизации. Математические методы в технике и технологиях / В. В. Трепачёв, Д. М. Кузнецов, П. В. Гаевская // ММТТ—24: сб. трудов XXIV Междунар. науч. конф. Т. 7. Секция 3, 2011 г. —

С. 112—114.

Материал поступил в редакцию 26.12.2011.

References

1. Buzov, B. A. Laboratorny'j praktikum po materialovedeniyu shvejnogo proizvodstva: ucheb. posobie dlya vy'ssh. ucheb. zavedenij lyogkoj promy'shlennosti / B. A. Buzov, N. D. Aly'menkov,

D. G. Petropavlovskij. — Moskva: Akademiya, 2003. — 416 s. — In Russian.

2. Gaponov, V. L. Sposob kontrolya kachestva propitki izdeliya / V. L. Gaponov, D. M. Kuzneczov, T. V. Morgunova, E. S. Cherunova // Pat. RU 2383016 Cl Rossijskaya Federaciya. G01N29/14. № 2008138518/28; zayavl. 26.09.2008; opubl. 27.02.10, Byul. № 14. — 5 s. — In Russian.

3. Gaponov, V. L. Modelirovanie diffuzionnogo perenosa tvyordogo veshhestva, rastvoryonnogo v zhidkoj srede / V. L. Gaponov, D. M. Kuzneczov, V. V. Trepachyov // Inzhenerny'j vestnik Dona: e' lektron. nauch.-innovacionny'j zhurnal. — 2011. — № 11. — S. 1—14. — In Russian.

4. Vliyanie ploshhadi poverxnosti kristallov na akustiko-e'missionny'e parametry' rastvoreniya / V. L. Gaponov [i dr.] // Vestnik razvitiya nauki i obrazovaniya. — 2011. — № 3. — S. 7—14. — In Russian.

5. Akustiko-e'missionnaya ocenka dinamicheskix xarakteristik processa rastvoreniya ionny'x kristallov / S. I. Bujlo [i dr.] // Tr. Ill Mezhdunar. simpoziuma «Sredy' so strukturny'm magnitny'm uporyadocheniem» (Maltiferros-3), Rostov-na-Donu, p. Loo, 4—8 sentyabrya 2011 g. — Rostov-na-Donu: Izd-vo SKNCz VSh YuFU APSN, 2011. — S. 24—28. — In Russian.

6. Akustiko-e'missionnaya diagnostika kinetiki rastvoreniya ionny'x kristallov / S. I. Bujlo [i dr.]// Mat-ly' 19-j Mezhdunar. konf. «Sovremenny'e metody' i sredstva nerazrushayushhego kontrolya i texnicheskoj diagnostiki», Yalta (Gurzuf), 3—7 oktyabrya 2011 g. — Gurzuf-Kiev: UICz «Nauka. Texnika. Texnologiya». — S. 160—163. — In Russian.

7. Gaponov, V. L. Diffuzionny'j perenos tvyordogo veshhestva, rastvoryonnogo v podvizhnoj zhidkoj srede / V. L. Gaponov, D. M. Kuzneczov, V. V. Trepachyov // Sb. tr. Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. «Sostoyanie i perspektivy' razvitiya sel'skoxozyajstvennogo mashinostroeniya». — Rostov-na-Donu: DGTU, 2011. — S. 352—354. — In Russian.

8. Issledovanie processa impregnirovaniya metodom akusticheskoj e'missii / V. L. Gaponov [i dr.] // Vestnik DGTU. — 2011. — № 7. — S. 1016—1024. — In Russian.

9. Kuzneczov, D. M. Vliyanie vy'deleniya okklyudirovanny'x gazov na akusticheskuyu e'missiyu v processe sol'vatacii kristallov / D. M. Kuzneczov, P. N. Kozachenko, O. O. Barannikova // Vestnik DGTU. — 2011. — № 8, vy'p. 1. — S. 1149—1156. — In Russian.

10. Trepachyov, V. V. Matematicheskoe modelirovanie signalov akusticheskoj e'missii pri sol'vatizacii. Matematicheskie metody' v texnike i texnologiyax / V. V. Trepachyov, D. M. Kuzneczov, P. V. Gaevskaya // MMTT— 24: sb. trudov XXIV Mezhdunar. nauch. konf. T. 7. Sekciya 3, 2011 g. —

S. 112—114. — In Russian.

ON METROLOGICAL EVALUATION OF ACOUSTIC EMISSION METHOD AS TOOL OF POROUS MATERIALS IMPREGNATION CONTROL

V. L. Gaponov, D. M. Kuznetsov, E. S. Cherunova, M. S. Zakharova

The possibility of using the acoustic emission (AE) method to study the impregnation processes of the woven fabric is considered. In particular, it is found that the total AE curve irrespective of the sample size can be depicted by the general equation. The relaxation response time for the woven fabric is deduced from experiments.

Keywords: acoustic emission, impregnation process, woven fabric, amplitude of signals, total emission.