priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2023-66-4-320-334pribor-95Research ArticleПРИБОРЫ И МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ, ВЕЩЕСТВ, МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙINSTRUMENTS AND METHODS FOR MONITORING THE NATURAL ENVIRONMENT, SUBSTANCES, MATERIALS AND PRODUCTSЧисленное и экспериментальное моделирование акустоэлектрического метода неразрушающего контроля твердотельных диэлектриковNumerical and experimental modeling of the acoustic-electrical method for non-destructive testing of solid-state dielectricsБеспалькоА. А.BespalkoA. A.

Анатолий Алексеевич Беспалько — д-р техн. наук; проблемная научно-исследовательская лаборатория электроники, диэлектриков и полупроводников; вед. научный сотрудник

Томск

Anatoly A. Bespalko — Dr. Sci.; Research Laboratory for Electronics, Semiconductors and Dielectrics; Leading Researcher

Tomsk

besko@tpu.ruДаннД. Д.

Денис Дмитриевич Данн — канд. техн. наук; проблемная научно-исследовательская лаборатория электроники, диэлектриков и полупроводников; научный сотрудник

Томск

dddann@tpu.ruФедотовП. И.FedotovP. I.

Павел Иванович Федотов — канд. техн. наук; проблемная научно-исследовательская лаборатория электроники, диэлектриков и полупроводников; инженер

Томск

Pavel I. Fedotov - PhD; Research Laboratory for Electronics,

Semiconductors and Dielectrics; Engineer

Tomsk

pif@tpu.ruДмитриеваС. А.DmitrievaS. A.

Софья Алексеевна Дмитриева — аспирант; проблемная научно-исследовательская лаборатория электроники, диэлектриков и полупроводников

Томск

Sofia A. Dmitrieva - Post-Graduate Student; Research Laboratory for Electronics, Semiconductors and Dielectrics

Tomsk

dmitrieva_sa93@mail.ruЛоЦ.LuoJ.

Цзюньхуа Ло — аспирант; Национальный исследовательский проблемная научно-исследовательская лаборатория электроники, диэлектриков и полупроводников

Томск

Junhua Luo — Post-Graduate Student; Research Laboratory for Electronics, Semiconductors and Dielectrics

Tomsk

lulubvv@foxmail.comТомский политехнический университетTomsk Polytechnic University202326112024664320334Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20242024Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/95

Для разработки комплексного акустоэлектрического метода неразрушающего контроля численно и экспериментально исследуются механоэлектрические и акустоэлектрические преобразования на примере образцов магнетитовой руды и модельных дефектных диэлектрических структур на основе цементнопесчаных смесей. Приведены результаты расчетов концентрации напряжений на трещинах разных размеров при распространении внешнего детерминированного акустического импульса по образцу. Показаны результаты экспериментальных исследований электромагнитной эмиссии образцов магнетитовой руды с содержанием кальцита и магнетита при одноосном сжатии до разрушения. Показано, что по спектрам электромагнитных откликов при акустоэлектрических преобразованиях возможно достоверно определять появление и развитие деструктивных зон в диэлектрических материалах. Приведены результаты изменения параметров электромагнитных откликов цементно-песчаной смеси с дефектами при внешнем импульсном акустическом воздействии в процессе ступенчатого нагружения сжатием и сдвигом. В качестве включений (дефектов) использовали магнетитовую руду и фторопласт, обладающие соответственно большим и меньшим акустическим импедансом, чем материал модельного образца. Рассматривается влияние длительности внешнего импульсного акустического возбуждения на параметры электромагнитных откликов в процессе ступенчатого нагружения модельных образцов.

To develop a complex acoustoelectric method for non-destructive testing, mechanoelectric and acoustoelectric transformations are numerically and experimentally studied on the example of magnetite ore samples and model defective dielectric structures based on cement-sand mixtures. Results of calculations of stress concentration at cracks of different sizes during an external deterministic acoustic pulse propagation along the sample are presented.

Results of experimental studies of electromagnetic emission of samples of magnetite ore containing calcite and magnetite under uniaxial compression to fracture are demonstrated. The possibility of reliable determination the appearance and development of destructive zones in dielectric materials from the spectra of electromagnetic responses during acoustoelectric transformations is revealed. Results concerning changes in parameters of electromagnetic responses of a cement-sand mixture with defects under external pulsed acoustic action in the process of stepwise loading by compression and shear are presented. As inclusions (defects), magnetite ore and fluoroplastic are used, which have, respectively, a higher and lower acoustic impedance than the model sample material. The effect of duration of external pulsed acoustic excitation on parameters of electromagnetic responses during stepwise loading of model samples is considered. 

механоэлектрические и акустоэлектрические преобразованиягорные породыдиэлектрикинапряжения сжатия и сдвигаакустическое воздействиеразрушениеmechanoelectric and acoustoelectric transformationsrocksdielectricscompression and shear loadsacoustic impactfractureработа выполнена при поддержке РНФ, проект № 20-79-10156.The work was supported by the Russian Science Foundation, project No. 20-79-10156.ReferencesКлюев В. В. Неразрушающий контроль: Справочник в 8 тт. М.: Машиностроение, 2008.. Klyuev V.V. Nerazrushayushchiy kontrol' (Unbrakable Control), Handbook in 8 volumes, Moscow, 2008. (in Russ.)Misra A., Gosh S. Electromagnetic radiation characteristics during fatigue crack propagation and failure // Applied physics. 1980. Vol. 23. P. 387—390. DOI:10.1007/BF00903221.Misra A., Gosh S. Applied physics, 1980, vol. 23, рр. 387–390, DOI:10.1007/BF00903221.Хатиашвили Н. Г., Перельман М. Е. Генерация электромагнитного излучения при прохождении акустических волн через кристаллические диэлектрики и некоторые горные породы // ДАН СССР. 1982. Т. 263, № 4. С. 839—842.Khatiashvili N.G., Perelman M.E. Soviet Physics. Doklady, 1982, no. 4(263), pp. 839–842, http://mi.mathnet.ru/dan45200. (in Russ.)Bespal'ko A. A., Gol'd R. M., Yavorovich L. V., Datsko D. I. Influence Exerted by Siltstone Lamination on the Electromagnetic Signal Parameters during Acoustic Excitation of Samples // Journal of Mining Science. 2002. Vol. 38. P. 124—128. https://doi.org/10.1023/A:1021103219461.Bespal'ko A.A., Gol'd R.M., Yavorovich L.V., Datsko D.I. Journal of Mining Science, 2002, vol. 38, рр. 124–128, https://doi.org/10.1023/A:1021103219461.Koktavy Р. Experimental study of electromagnetic emission signals generated by crack generation in composite materials // Measurement Science and Technology. 2009. Vol. 20, N 1. P. 15704. DOI: 10.1088/0957-0233/20/1/015704.Koktavy Р. Measurement Science and Technology, 2009, no. 1(20), pp. 15704, DOI: 10.1088/09570233/20/1/015704.Fursa T. V., Dann D. D., Petrov M. V., Lykov A. E. Evaluation of Damage in Concrete under Uniaxial Compression by Measuring Electric Response to Mechanical Impact // Journal of Nondestructive Evaluation. 2017. Vol. 36, N 2. Р. 30. DOI: 10.1007/s10921-017-0411-y.Fursa T.V., Dann D.D., Petrov M.V., Lykov A.E. Journal of Nondestructive Evaluation, 2017, no. 2(36), pp. 30, DOI: 10.1007/s10921-017-0411-y.Ogawa T., Oike K., Miura Т. Electromagnetic radiations from rocks // Journal of Geophysical Research. 1985. Vol. 90. P. 6245—6249. DOI:10.1029/JD090ID04P06245.Ogawa T., Oike K., Miura Т. Journal of Geophysical Research, 1985, vol. 90, рр. 6245–6249, DOI:10.1029/JD090ID04P06245.Ivanov V. V., Egorov P. V., Kolpakova P. A., and Pimonov A. G. Crack dynamics and electromagnetic radiation in loaded rocks // Journal of Mining Science. 1988. Vol. 24, N 5. P. 406—412. DOI:10.1007/BF02498591.Ivanov V.V., Egorov P.V., Kolpakova P.A. and Pimonov A.G. Journal of Mining Science, 1988, no. 5(24), pp. 406– 412, DOI:10.1007/BF02498591.Yamada I., Masuda K., Mizutani H. Electromagnetic and acoustic emission associated with rock fracture // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 1989. Vol. 57, N 1—2. P. 157—168. DOI:10.1016/0031-9201(89)90225-2.Yamada I., Masuda K., Mizutani H. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 1989, no. 1-2(57), pp. 157–168, DOI:10.1016/0031-9201(89)90225-2.O’Keefe S. G., Thiel D. V. A mechanism for the production of electromagnetic radiation during fracture of brittle materials // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 1995. Vol. 89, N 11. P. 127—135. DOI:10.1016/0031-9201(94)02994-M.O’Keefe S.G., Thiel D.V. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 1995, no. 11(89), pp. 127–135, DOI:10.1016/0031-9201(94)02994-M.Bespal'ko A. A., Yavorovich L. V., Fedotov P. I. Diagnostics of destruction zone development in rock specimens during uniaxial compression based on the spectral characteristics of electromagnetic signals // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2011. Vol. 47, N 10. P. 41—49. DOI: 10.1134/S1061830911100068.Bespal'ko A.A., Yavorovich L.V., Fedotov P.I. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2011, no. 10(47), pp. 41– 49, DOI: 10.1134/S1061830911100068.Молоцкий М. И., Малюгин В. Б. Энергетический спектр механоэлектронов // Физика твердого тела. 1983. Т. 25, вып. 10. С. 2892—2895.Molotsky M.I., Malyugin V.B. Soviet Physics, Solid State, 1983, no. 10(25), pp. 2892–2895. (in Russ.)Fursa T. V., Utsyn G. E., Petrov M., Dann D. D., Sokolovskiy A. N. Detecting degradation in reinforced concrete subjected to uniaxial compression, using the parameters of electric response to mechanical impact // Research in Nondestructive Evaluation. 2019. Vol. 30, is. 6. P. 317—333. DOI:10.1080/09349847.2018.1522404.Fursa T.V., Utsyn G.E., Petrov M., Dann D.D., Sokolovskiy A.N. Research in Nondestructive Evaluation, 2019, no. 6(30), pp. 317–333, DOI:10.1080/09349847.2018.1522404.Bespal’ko A. A., Gold R. M., Yavorovich L. V. Influence of calcite electrification on parameters of electromagnetic signals under pulsed acoustic influence // Physical mesomechanics. 2004. Vol. 7, N 5. P. 95—99. DOI: 10.1023/A:1021103219461Bespal’ko A.A., Gold R.M., Yavorovich L.V. Physical mesomechanics, 2004, no. 5(7), pp. 95–99, DOI: 10.1023/A:1021103219461.Bespal'ko А., Surzhikov А., Fedotov Р., Pomishin Е., Stary О. Polarization and Electromagnetic Emissions of Natural Crystalline Structures upon Acoustic Excitation // Materials Science Forum. 2019. Vol. 970. Р. 153—166. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.970.153.Bespal'ko А., Surzhikov А., Fedotov Р., Pomishin Е., Stary О. Materials Science Forum, 2019, vol. 970, рр. 153– 166, https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.970.153.Nitsan U. Electromagnetic emission accompanying fracture of quartz-bearing rocks // Geophysical Research Letters. 1977. Vol. 4, N 8. P. 333—337. DOI:10.1029/GL004I008P00333.Nitsan U. Geophysical Research Letters, 1977, no. 8(4), pp. 333–337, DOI:10.1029/GL004I008P00333.Bolotin Yu. I. Electroacoustic-emission coefficient of normal-rupture cracks in rock failure // Journal of Mining Science. 1993. Vol. 29, N 1. P. 36—38. DOI:10.1007/BF00734329.Bolotin Yu.I. Journal of Mining Science, 1993, no. 1(29), pp. 36–38, DOI:10.1007/BF00734329.Lacidogna G., Carpinteri А., Manuello A., Durin G., Schiavi A., Niccolini G., Agosto A. Acoustic and electromagnetic emissions as precursor phenomena in failure processes // Strain. 2010. Vol. 47. P. 144—152. DOI:10.1111/j.1475-1305.2010.00750.x.Lacidogna G., Carpinteri А., Manuello A., Durin G., Schiavi A., Niccolini G., Agosto A. Strain, 2010, vol. 47, рр. 144– 152, DOI:10.1111/j.1475-1305.2010.00750.x.Bespal'ko А. А., Surzhikova A. P., Dann D. D., Utsin G. Е., Petrov M. V., and Pomishin Е. K. Modelling Acoustic–Electric Nondestructive Testing for Defects in Dielectric Materials // Russian Journal of Nondestructive Testing. 2021. Vol. 57, N 2. P. 85—95. DOI:10.1134/S1061830921020029.Bespal'ko А.А., Surzhikova A.P., Dann D.D., Utsin G.Е., Petrov M.V. and Pomishin Е.K. Russian Journal of Nondestructive Testing, 2021, no. 2(57), pp. 85–95, DOI:10.1134/S1061830921020029.Bespal'ko А. А., Isaev Y. N., Dann D. D., Pomishin Е. K., Fedotov P. I., Petrov M. V., and Utsin G. Е. Transformation of Acoustic Pulses into Electromagnetic Signals in Defective Structures // Journal of Nondestructive Evaluation. 2020. Vol. 39, N 4. Art. nо. 82. P. 1—14. DOI:10.1134/S1062739116020418.Bespal'ko А.А., Isaev Y.N., Dann D.D., Pomishin Е.K., Fedotov P.I., Petrov M.V. and Utsin G.Е. Journal of Nondestructive Evaluation, 2020, no. 4(39), pp. 1–14, DOI:10.1134/S1062739116020418.Абрамчук М. В., Медунецкий В. М., Перепелкина С. Ю., Суриков Д. Г. Влияние структурных особенностей конструкционных полимерно-композиционных материалов на физико-механические свойства изделий // Изв. вузов. Приборостроение. 2021. Т. 64, № 11. С. 949—954. DOI: 10.17586/0021-3454-2021-64-11-949-954.Abramchuk M.V., Medunetsky V.M., Perepelkina S.Yu., Surikov D.G. Journal of Instrument Engineering, 2021, no. 11(64), pp. 949–954, DOI: 10.17586/0021-3454-2021-64-11-949-954. (in Russ.)Петрофизика. Геоинформационное оборудование и оснастка: Справочник. В 3 кн. Кн. 1. Горные породы и минералы / Под ред. Н. Б. Дортмана. М.: Недра, 1992. 391 с.Dortman N.B., ed., Geoinformatsionnoye oborudovaniye i osnastka: Spravochnik. V trekh knigakh. Kniga pervaya. Gornyye porody i mineraly (Petrophysics. Geoinformation Equipment and Equipment: a Handbook. In three books. Book one. Rocks and Minerals), Moscow, 1992, 391 р. (in Russ.)X-ray flat panel detector PerkinElmer XRD 0822 [Электронный ресурс]: <www.perkinelmer.com>.X-ray flat panel detector PerkinElmer XRD 0822, www.perkinelmer.com.Hoffman J. D. Numerical methods for engineers and scientists. NY: Marcel Dekker. Inc., 2001. 840 р.Hoffman J.D. Numerical methods for engineers and scientists, NY, Marcel Dekker. Inc., 2001, 840 р.Ziman J. M. Principles of the Theory of Solids. Cambridge University Press, London, 1972. 435 р.Ziman J.M. Principles of the Theory of Solids, Cambridge University Press, London, 1972, 435 р.Давыдов А. С. Теория твердого тела. М.: Наука, 1976. 640 с.Davydov A.S. Teoriya tverdogo tela (Solid State Theory), Moscow, 1976, 640 р. (in Russ.)Hairer E., Wanner G. Solving ordinary differential equations II: Stiff and differential-algebraic problems. 2nd ed. Berlin, NY: Springer-Verlag, 1996. DOI: 10.1007/978-3-662-09947-6.Hairer E., Wanner G. Solving ordinary differential equations II: Stiff and differential-algebraic problems, Berlin, NY, Springer-Verlag, 1996, DOI: 10.1007/978-3-662-09947-6.Горшков А. Г., Старовойтов Е. И., Тартаковский Д. В. Теория упругости и пластичности. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. 416 с.Gorshkov A.G., Starovoitov E.I., Tartakovsky D.V. Teoriya uprugosti i plastichnosti (Theory of Elasticity and Plasticity), Moscow, 2002, 416 р. (in Russ.)Molotnikov V., Molotnikova A. Theory of Elasticity and Plasticity / A Textbook of Solid Body Mechanics. Springer Intern. Publishing, 2021. 444 р.Molotnikov V., Molotnikova A. Theory of Elasticity and Plasticity/A Textbook of Solid Body Mechanics, Springer Intern. Publishing, 2021, 444 р.Регель В. Р., Слуцкер А. И., Томашевский Е. Е. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука, 1974. 560 с.Regel V.R., Slutsker A.I., Tomashevsky E.E. Kineticheskaya priroda prochnosti tverdykh tel (Kinetic Nature of the Strength of Solids), Moscow, 1974, 560 р. (in Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.