Nondestructive testing of local microcracking in laboratory mineral samples using an acoustic technique with a laser source of ultrasound and its verification with x-ray computer tomorgaphy

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

An acoustic technique of nondestructive testing of a local microcracking degree in laboratory mineral samples is proposed based on laser generation of ultrasound. A spectral power of broadband signals of longitudinal ultrasonic waves is measured, which are generated by absorption of pulsed laser radiation in a special material served as a laser source of ultrasound and further scattered on microcracks in samples (the so called structural noise power). The direct relationship between an increase in microcracking and a growth in the structural noise power in scanning regions of the samples has been obtained for feldspars of two types. For the first time, an independent method of X-ray computer tomography of the complex-shaped samples confirmed the reliability of the results of acoustic measurements. The established relationship between the local microcracking and structural noise power can be used in the monitoring systems for observing the crack formation in rocks and minerals under different external loadings.

About the authors

N. B Podymova

Moscow State University

Email: npodymova@mail.ru
Moscow, Rusia

A. B Ermolinskii

Moscow State University

Email: andrermolinskiy@mail.ru
Moscow, Rusia

M. S Chernov

Moscow State University

Email: chernov@geol.msu.ru
Moscow, Rusia

References

  1. Sagong M., Bobet A. Coalescence of multiple flaws in a rock model material in uniaxial compression // Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 2002. V. 39. P. 229-241.
  2. Wong L.N.Y., Einstein H.H. Systematic evaluation of cracking behavior in specimens containing single flaws under uniaxial compression // Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 2009. V. 46. P. 239-249.
  3. Кривошеев И.А., Шамурина А.И. Чувствительный метод контроля изменения трещиноватости в массиве горных пород // Дефектоскопия. 2013. № 9. С. 62-67.
  4. Yin P., Wong R.H., Chau K.T. Coalescence of two parallel pre-existing surface cracks in granite // Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 2014. V. 68. P. 66-84.
  5. Кривошеев И.А., Шамурина А.И. Контроль образовавшихся несплошностей в образце твердого тела акустическим методом // Дефектоскопия. 2017. № 9. С. 29-34.
  6. Лавров А.В., Шкуратник В.Л. Акустическая эмиссия при деформировании и разрушении горных пород (обзор) // Акуст. журн. 2005. Т. 51. Приложение. С. 6-18.
  7. Кривошеев И.А. Метод связанных диполей для локации источников акустической эмиссии // Дефектоскопия. 2007. № 6. С. 37-44.
  8. Grosse C.U., Ohtsu M. (eds.) Acoustic emission testing: Basics for research - applications in civil engineering. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2008. 406 p.
  9. Builo S.I., Builo B.I., Chebakov M.I. Probalistic-Information Approach to Assessing the Reliability of the Results of the Acoustic-Emission Method of Testing and Diagnostics // Russ. J. Nondestruct. Test. 2021. V. 57. No. 5. P. 375-382.
  10. Буйло С.И., Буйло Б.И., Чебаков М.И. Вероятностно-информационный подход к оценке достоверности результатов акустико-эмиссионного метода контроля и диагностики // Дефектоскопия. 2021. № 5. С. 37-44.
  11. Aki K., Richards P.G. Quantitative seismology (2nd ed.). CA: Univ. Sci. Books, 2009. 742 p.
  12. Meglis I.L., Chow T., Martin C.D., Young R.P. Assessing in situ microcrack damage using ultrasonic velocity tomography // Int. J. Rock Mech. Min. Sci. 2005. V. 42. No. 1. P. 25-34.
  13. Никитин А.Н., Иванкина Т.И., Игнатович В.К. Особенности распространения продольных и поперечных упругих волн в текстурированных горных породах // Физика Земли. 2009. № 5. С. 57-69.
  14. Nicco M.,·Holley E.A., Hartlieb P., Kaunda R., Nelson P.P. Methods for characterizing cracks induced in rock // Rock Mech. Rock Eng. 2018. V. 51. No. 7. P. 2075-2093.
  15. Николенко П.В., Шкуратник В.Л., Чепур М.Д. Закономерности изменения скоростей упругих волн в горных породах различной пористости при механическом и термическом нагружении по данным лабораторных экспериментов // ФТПРПИ. 2020. № 5. С. 21-32.
  16. Abbakumov K.E., Vagin A.V., Sidorenko I.G. Acoustic Characteristics of Solid Elastic Media with Oriented Microcracking // Russ. J. Nondestruct. Test. 2023. V. 59. No. 4. P. 393-403.
  17. Аббакумов К.Е., Вагин А.В., Сидоренко И.Г. Акустические характеристики твердых упругих сред с ориентированной микротрещиноватостью // Дефектоскопия. 2023. № 4. С. 3-13.
  18. Kim K.-B., Hsu D.K., Barnard D.J. Estimation of porosity content of composite materials by applying discrete wavelet transform to ultrasonic backscattered signal // NDT & E Int. 2013. V. 56. P. 10-16.
  19. Karabutov A.A., Podymova N.B. Nondestructive porosity assessment of CFRP composites with spectral analysis of backscattered laser-induced ultrasonic pulses //j. Nondestruct. Eval. 2013. V. 32. P. 315-324.
  20. Качанов В.К., Карташев В.Г., Соколов И.В., Воронкова Л.В., Шалимова Е.В. Структурный шум в ультразвуковой дефектоскопии. М.: Изд. дом МЭИ, 2016. 186 с.
  21. Романишин Р.И., Романишин И.М. Оценка рассеянной поврежденности конструкционных материалов // Дефектоскопия. 2019. № 2. С. 25-35.
  22. Khlybov A.A., Uglov A.L. On the Use of Structural Noise Parameters in Testing 20GL Steel with Rayleigh Surface Waves under Elastoplastic Deformation // Russ. J. Nondestruct. Test. 2021. V. 57. No. 7. P. 517-524.
  23. Хлыбов А.А., Углов А.Л. Об использовании параметров структурного шума при контроле поверхностными акустическими волнами Рэлея стали 20ГЛ в процессе упругопластического деформирования // Дефектоскопия. 2021. № 7. С. 3-10.
  24. Khlybov A.A., Uglov A.L., Demchenko A.A. On Spectral-Acoustic Method for Estimating Porosity of Metals Produced by Hot Isostatic Pressing // Russ. J. Nondestruct. Test. 2022. V. 58. No. 12. P. 1051-1063.
  25. Хлыбов А.А., Углов А.Л., Демченко А.А. О спектрально-акустическом способе оценки пористости металлов, полученных методом горячего изостатического прессования // Дефектоскопия. 2022. № 12. С. 3-16.
  26. Vary A. Material property characterization / In: Moore P.O. (ed.) Nondestructive testing handbook. Ultrasonic testing. Columbus: ASTM, 2007. P. 365-431.
  27. Fitting D.W., Adler L. Ultrasonic spectral analysis for nondestructive evaluation. New York: Plenum Press, 1981. 354 p.
  28. Гусев В.Э., Карабутов А.А. Лазерная оптоакустика. М.: Наука, 1991. 304 с.
  29. Карабутов А.А., Подымова Н.Б. Неразрушающий контроль усталостных изменений структуры композитов лазерным ультразвуковым методом // Механика композитных материалов. 1995. Т. 31. № 3. С. 405-410.
  30. Белов М.А., Черепецкая Е.Б., Шкуратник В.Л., Карабутов А.А., Макаров В.А., Подымова Н.Б. Количественная оценка размеров минеральных зерен методом лазерной ультразвуковой спектроскопии // ФТПРПИ. 2003. № 5. С. 3-8.
  31. Исмагилов И.Р., Голенищев-Кутузов В.А., Калимуллин Р.И., Мигачев С.А., Хасанов А.А. Обнаружение поверхностных и объемных дефектов в металлах лазерно-акустическим способом // Дефектоскопия. 2014. № 6. С. 16-24.
  32. Karabutov A.A., Podymova N.B. Nondestructive porosity assessment of CFRP composites with spectral analysis of backscattered laser-induced ultrasonic pulses //j. Nondestruct. Eval. 2013. V. 32. P. 315-324.
  33. Подымова Н.Б., Калашников И.Е., Кобелева Л.И. Лазерный оптико-акустический метод количественной оценки пористости литых дисперсно-упрочненных металломатричных композиционных материалов // Дефектоскопия. 2020. № 12. С. 3-13.
  34. Подымова Н.Б., Карабутов А.А. Влияние трещиноватости полевых шпатов на спектральную мощность обратнорассеянных широкополосных импульсов продольных ультразвуковых волн // Акустический журнал. 2022. Т. 68. № 6. С. 679-688.
  35. Brown J.M., Angel R.J., Ross N.L. Elasticity of plagioclase feldspars //j. Geophys. Res. Solid Earth. 2016. V. 121. P. 663-675.
  36. Усов А.Н., Чернов М.С., Соколов В.Н., Вознесенский Е.А. Изменение микростроения глинистых грунтов при деформировании в условиях трехосного сжатия с учетом проявления деформационной неустойчивости // Вестник Моск. университета. Сер. 4: Геология. 2017. № 6. С. 87-91.
  37. Morozov I., Zakusin S., Kozlov P., Zakusina O., Roshchin M., Chernov M., Boldyrev K., Zaitseva T., Tyupina E., Krupskaya V. Bentonite-concrete interactions in engineered barrier systems during the isolation of radioactive waste based on the results of short-term laboratory experiments // Appl. Sci. 2022. V. 12. No. 6. Art. 3074.
  38. Buzug T.M.Computed tomography. From photon statistics to modern cone-beam CT. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2008. 522 p.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2023 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».