УДК 550.34, 534.6, 534.87, 620.1

PACS: 91.30.-f

Модульная система

непрерывной регистрации акустической эмиссии

для лабораторных исследований

разрушения горных пород

1 Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва, Россия

2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, г. Москва, Россия

Автор для переписки: А.В. Пономарев, e-mail: avp@ifz.ru

Аннотация

На основе современных 4-канальных 14-разрядных аналогово-цифровых преобразователей Е20-10 производства российской фирмы LCard разработана высокоскоростная многоканальная система регистрации сигналов акустической эмиссии MCР-АЭ-21. Система предназначена для непрерывной и синхронной записи потока акустической эмиссии (АЭ) с 21 пьезоэлектрического датчика и используется в составе аппаратно-программного лабораторного комплекса при проведении испытаний горных пород в условиях одноосной и трехосной деформации. Частота оцифровки до 7.5 МГц на канал дает возможность детально анализировать сигналы АЭ с частотой до 750 кГц. Блок предварительных усилителей с коэффициентом усиления 40 дБ имеет полосу пропускания от 1.5 до 750 кГц. Осуществление непрерывной записи по всем каналам в течение всего времени испытания позволяет по окончании записи проводить поиск и идентификацию акустических событий в широком динамическом диапазоне амплитуд и энергий с минимальной потерей/пропуском отдельных событий АЭ. Применение быстрых алгоритмов обработки информации дает возможность распознавания событий в реальном времени, выделяя и выбраковывая интервалы отсутствия сигналов и за счет этого уменьшая общий объем записываемой в базу данных информации.

Ключевые слова: акустическая эмиссия, ультразвуковое зондирование, регистрация сигналов АЭ, локация сигналов источников, разработка ультразвуковой аппаратуры.

Цитируйте эту статью как: Патонин А.В., Шихова Н.М., Пономарев А.В., Смирнов В.Б. Модульная система непрерывной регистрации акустической эмиссии для лабораторных исследований разрушения горных пород // Сейсмические приборы. 2018. Т. 54, № 3. C.35–55. DOI: 10.21455/si2018.3-3

Литература

Добеши И. Десять лекций по вейвлетам. Ижевск: РХД, 2001. 464 с.

Любушин А.А. Разработка методик первичного анализа лабораторных данных // Отчёт по эксперименту Шлюмберже. М.: ИФЗ РАН, 2007. 29 c.

Патонин А.В. Обработка данных INOVA. ОФАП. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки. № 3695 от 18 июня 2004 г. 2004а.

Патонин А.В. Геофизический комплекс INOVA. ОФАП. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки. № 3696 от 18 июня 2004 г. 2004б.

Патонин А.В. Запись быстрых процессов. ОФАП. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки. № 4778 от 17 мая 2005 г.

Патонин А.В. Геофизический комплекс INOVA: методика и техника лабораторного эксперимента // Сейсмические приборы. 2006. Вып. 42. С.3–14.

Патонин А.В., Пономарев А.В., Смирнов В.Б. Аппаратно-программный лабораторный комплекс для решения задач физики разрушения горных пород // Сейсмические приборы. 2013. Т. 49, № 1. С.19–34.

Салтыков В.А., Патонин А.В. Стадийность акустической эмиссии при лабораторном моделировании приливных эффектов в сейсмичности // Докл. РАН. 2010. Т. 430, № 5. С.693–696.

Смирнов В.Б., Пономарев А.В. Закономерности релаксации сейсмического режима по натурным и лабораторным данным // Физика Земли. 2004. № 10. С.26–36.

Смирнов В.Б., Пономарев А.В., Завьялов А.Д. Структура акустического режима в образцах горных пород и сейсмический режим // Физика Земли. 1995. № 1. С.38–58.

Смирнов В.Б., Пономарев А.В., Сергеева С.М. О подобии и обратной связи в экспериментах по разрушению горных пород // Физика Земли. 2001. № 1. С.89–96.

Смирнов В.Б., Пономарев А.В., Бернар П., Патонин А.В. Закономерности переходных режимов сейсмического процесса по данным лабораторного и натурного моделирования // Физика Земли. 2010. № 2. С.17–49.

Соболев Г.А., Пономарев А.В. Физика землетрясений и предвестники. М.: Наука, 2003. 270 с.

Фараонов В. Система программирования Delphi. СПб.: БХВ–Петербург, 2005. 896 c.

Akaike H. A new look at the statistical model identification // IEEE Transactions on Automatic Control. 1974. V. 19. P.716–723.

Allen R.V. Automatic phase pickers: Their present and future prospects // Bull. Seismol. Soc. Amer. 1982. V. 72. P.225–242.

Goodfellow S.D., Flynn J.W., Reyes-Montes J.M., Nasseri M.H.B., Young R.P. Acquisition of Complete Acoustic Emission Amplitude Records during Rock Fracture Experiments // J. Acoustic Emission. 2014. V. 32. P.1–11.

Küperkoch L., Meier T., Diehl T. Automated Event and Phase Identification // New Manual of Seismological Observatory Practice 2 (NMSOP-2), Potsdam: Deutsches Geo Forschungs Zentrum GFZ, 2012. P.1–52.

Lockner D.A., Byerlee J.D. Acoustic emission and fault formation in rocks // Proc. 1st Conf. on Acoustic Emission/ Microseismic Activity in Geological Structures and Materials / Eds. H.R.Hardy, F.W. Leighton. 1977. P.99–107. Trans Tech Publications, Clausthal-Zellerfeld, Germany.

Lockner D.A., Byerlee J.D. Development of fracture planes during creep in granite // Proc. 2nd Conference on Acoustic Emission/Microseismic Activity in Geological Structures and Materials / Eds. H.R. Hardy, W.F. Leighton. 1980. P.11–25. Trans-Tech Publications, Clausthal-Zellerfeld, Germany.

Lockner D.A., Byerlee J.D., Kuksenko V., Ponomarev A., Sidorin A. Quasi-static fault growth and shear fracture energy in granite // Nature. 1991. V. 350, N 6313. P.39–42. DOI: https://doi. org/10.1038/350039a0

Lockner D.A., Byerlee J.D., Kuksenko V., Ponomarev A., Sidorin A. Chapter 1. Observations of Quasistatic Fault Growth from Acoustic Emissions // Fault Mechanics and Transport Properties of Rocks. A Festschrift in Honor of W.F. Brace / Eds. B. Evans and T.-F. Wang. London; San Diego: Academic Press, 1992. P.3–31. (International Geophysics; V. 51). DOI: https://doi.org/10.1016/ S0074-6142(08)62813-2

Lokajícek T., Klíma K. A first arrival identification system of acoustic emission signals by means of a high-order statistics approach // Measurement Science and Technology. 2006. V. 17, N 9. P.2461–2466.

Maeda N. A method for reading and checking phase times in auto-processing system of seismic wave data // J. Seismol. Soc. Jpn. 1985. V. 38. P.365–379.

Niccolini G., Xu J., Manuello A., Lacidogna G., Carpinteri A. Onset time determination of acoustic and electromagnetic emission during rock fracture // Progr. in Electr. Res. Lett. 2012. V. 35. P.51–62.

Stanchits S., Mayr S., Shapiro S., Dresen G. Fracturing of porous rock induced by fluid injection // Tectonophysics. 2011. V. 503. P.129–145.

Thompson B.D., Young R.P., Lockner D.A. Fracture in westerly granite under AE feed-back and constant strain rate loading: nucleation, quasi-static propagation, and the transition to unstable fracture propagation // Pure Appl. Geophys. 2006. V. 163. P.995–1019. DOI: 10.1007/s00024-006-0054-x

Yang S., Ni H., Wen S. Spatial acoustic emission evolution of red sandstone during multi-stage triaxial deformation // J. Cent. South Univ. 2014. V. 21, N 8. P.3316–3326.

Wu Z., Huang N.E. Ensemble Empirical Mode Decomposition: a noise assisted data analysis method // Adv. Adapt. Data Analysis. 2008. V. 1, N 1. P.1–41.

Zhang H., Thurber C.H., Rowe C.A. Automatic P-wave arrival detection and picking with multiscale wavelet analysis for single-component recordings // Bull. Seismol. Soc. Amer. 2003. V. 93. P.1904–1912.

Сведения об авторах

ПАТОНИН Андрей Викторович – кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Геофизическая обсерватория “Борок” – филиал Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук. 152742, Ярославская обл., Некоузский р-н, пос. Борок. Тел.: +7(48547) 242-41. E-mail: patonin@borok.yar.ru

ШИХОВА Наталья Михайловна – кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, Геофизическая обсерватория “Борок” – филиал Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук. 152742, Ярославская обл., Некоузский р-н, пос. Борок. Тел.: +7(48547) 242-41. E-mail: extern@borok.yar.ru

ПОНОМАРЕВ Александр Вениаминович – доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник, заведующий лабораторией, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук. 123242, Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: +7(499) 254-88-41. E-mail: avp@ifz.ru

СМИРНОВ Владимир Борисович – доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук. 123242, Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1; доцент, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова. 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д. 1, стр. 2. Тел.: +7(499) 254-24-78. E-mail: vs60@mail.ru

METADATA IN ENGLISH

About the journal

SEISMICHESKIE PRIBORY, ISSN: 0131-6230, eISSN: 2312-6965, DOI: 10.21455/si,

http://elibrary.ru/title_about.asp?id=25597

English Translation: Seismic Instruments, ISSN: 0747-9239 (Print) 1934-7871 (Online),

https://link.springer.com/journal/11990

Module system of continuous acoustic emission

registration for laboratory studies

of the rocks destruction processes

A.V. Patonin1, N.M. Shikhova1, A.V. Ponomarev1, V.B. Smirnov1,2

1 Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Science, Moscow, Russia

2 Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia

Corresponding author: A.V. Ponomarev, e-mail: avp@ifz.ru

Abstract. A multichannel system of continuous recording of acoustic emission signals is developed. The system is designed for continuous and synchronous recording of acoustic emission (AE) flow from 21 piezoelectric sensors. It is used as part of the hardware and software laboratory complex for testing of rocks under uniaxial and three-axis deformation. It is based on analog-to-digital converters E20-10 produced by the Russian company LCard. Digitizing frequency up to 7.5 MHz per channel allows detailed analysis of AE signals with frequencies up to 750 kHz. The 40 dB pre-amplifier unit has a bandwidth of 1.5 to 750 kHz. The system records continuously throughout the test. At the end of the recording, acoustic events are searched and identified in a wide dynamic range of amplitudes and energies with minimal loss/omission of individual AE events. Location of AE signal sources in combination with the developed zoning algorithm increases the number of AE signals for which coordinates can be determined.

Keywords: acoustic emission, ultrasonic sensing, registration of AE signals, location of signals sources, hardware design.

About the authors

PATONIN Andrey Viktorovich – PhD, Senior scientist, Borok Geophysical Observatory – Branch of Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences. 152742, Yaroslavl region, Nekouz district, Borok, 142. Phone: +7(48547) 240-24. E-mail: patonin_borok@mail.ru

SHIKHOVA Natalia Mikhailovna – PhD, Senior scientist, Borok Geophysical Observatory – Branch of Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences. 152742, Yaroslavl region, Nekouz district, Borok, 142. Phone: +7(48547) 240-24. E-mail: shinami@yandex.ru

PONOMAREV Alexander Veniaminovich – chief scientist, Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences. 123242, Moscow, ul. Bolshaya Gruzinskaya, 10, stroenie 1. Phone: +7(499) 254-88-41. E-mail: avp@ifz.ru

SMIRNOV Vladimir Borisovich – leading scientist, Doctor of Physical and Mathematical Sciences. Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences. 123242, Moscow, ul. Bolshaya Gruzinskaya, 10, stroenie 1; assistant professor, Lomonosov Moscow State University. Moscow, 119991, 1-2 Leninskie Gory. Phone: +7(499) 254-88-41. E-mail: vs60@mail.ru

Cite this article as: Patonin A.V., Shikhova N.M., Ponomarev A.V., Smirnov V.B. Module system of continuous acoustic emission registration for laboratory studies of the rocks destruction processes. Seismicheskie Pribory, 2018, Vol. 54, no. 3, pp. 35–55. (in Russian). DOI: 10.21455/si2018.3-3

English translation of the article will be published in Seismic Instruments, ISSN: 0747-9239 (Print) 1934-7871 (Online), https://link.springer.com/journal/11990), 2019, Volume 55, Issue 3.