Технічна діагностика та неруйнівний контроль, 2015, №01



2015 №01 (03)

DOI of Article 10.15407/tdnk2015.01.04

2015 №01 (05)

---

Техническая диагностика и неразрушающий контроль, №1, 2015 стр. 36-44
 

ЗАСТОСУВАННЯ ВЕЙВЛЕТ-ПЕРЕТВОРЕННЯ СИГНАЛІВ АКУСТИЧНОЇ ЕМІСІЇ ДЛЯ ОЦІНЮВАННЯ МАКРОРУЙНУВАННЯ КОНСТРУКЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ

О. М. Станкевич

G.V. Karpenko Physico-Mechanical Institute, NASU

Реферат:
Розглянуто особливості сигналів акустичної емісії під час макроруйнування різних конструкційних матеріалів (корунду, скла, сталі, стоматологічних полімерів, композитів). Для цього використано результати аналізу локальних максимумів неперервного вейвлет-перетворення сигналів акустичної емісії. За критерієм ідентифікування типів макроруйнування оцінено крихке, в’язко-крихке та в’язке руйнування. Встановлено характерні відмінності сигналів за шириною смуги частот їх локальних максимумів, тривалістю її випромінювання та зміною значень домінуючої частоти. Бібліогр. 34, табл. 1, рис. 5.
 
Ключові слова: руйнування, акустична емісія, неперервне вейвлет-перетворення, критерій ідентифікування типів руйнування
 
1. Назарчук З. Т., Скальський В. Р. Акустико-емісійне діагностування елементів конструкцій: Наук.-техн. посібник: у 3 т. – Київ: Наук. думка, 2009. – 887 с.
2. Охіра Т., Кіші Т. Мікроруйнування металів і моделювання акустичної емісії // Ніхон кіндзоку гаккайсі. – 1983. – 47, № 7. – С. 575–581.
3. Crack detection in pressure piping by acoustic emission / P. H. Hutton, R. N. Ord, H. N. Pedersen, J. C. Spanner // Nuclear Safety Quarterly Report (July, August, Sept., Oct., 1967) for Nuclear Safety Branch of USAEC Division of Reactor Development and Technology. BNWL-754. – Battelle–Northwest, Richland, Washington. – June 1968. – P. 3.1–3.13.
4. Mirabile M. Acoustic emission energy and mechanisms of plastic deformation and fracture // Nondestructive testing. – 1975. – 8, № 2. – P. 77–85.
5. Залесский В. В., Трипалин А. С., Портной Н. Я. Спектральный анализ сигналов акустической эмиссии // Физ.-матем. исследования. – Ростов-на-Дону, 1972. – С. 91–94.
6. Pardee W., Graham L. J. Analysis of acoustic emission frequency spectra // IEEE Ultrasonic symposium: proc. – Los Angeles, 1975. – P. 597–600.
7. Kline R. A., Hartman W. Frequency analysis of acoustic emission signals // 2nd Intern. confe. on mechanical behaviour of materials: proc. – 1976. – P. 1631–1635.
8. Acoustic emission crack monitoring in fracture-toughness tests for AISI-4340 and SA 533B steels / H. Takahashi, M. A. Khan, M. Kikuchi, M. Suzuki // Experimental Mechanics. – 1981. – 21, № 3. – P. 89–99.
9. Исследование деформирования кремнистого железа методом акустической эмиссии / Г.Б. Муравин, В.М. Финкель, Л.М. Лезвинская, Я.В. Симкин // Дефектоскопия. – 1984. – № 10. – С. 88–91.
10. Спектральный анализ акустической эмиссии растущей трещины / А.Е. Андрейкив, Н.В. Лысак, В.Р. Скальский и др. // Техн. диагностика и неразруш. контроль. – 1993. – № 1. – С. 75–94.
11. Lysak M.V. Acoustic emission during jumps in subcritical growth of crack in three-dimensional bodies // Engineering Fracture Mechanics. – 1994. – 47, № 6. – P. 873–879.
12. Добеши И. Десять лекций по вейвлетам / Пер. с англ. – Ижевск, 2001. – 464 с.
13. Grabowska J., Palacz M., Krawczuk M. Damage identi?cation by wavelet analysis // Mechanical Systems and Signal Processing. – 2008. – 22. – P. 1623–1635.
14. Kim H., Melhem H. Damage detection of structures by wavelet analysis // Engineering Structures. – 2004. – 26. – P. 347–362.
15. Piotrkowski R., Castro E., Gallego A. Wavelet power, entropy and bispectrumapplied to AE signals for damage identi?cation and evaluation of corroded galvanized steel // Mechanical Systems and Signal Processing. – 2009. – 23. – P. 432–445.
16. Li Y., Yi-Chu Z. Wavelet analysis of acoustic emission signals from thermal barrier coatings // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2006. – 16. – P. 270–275.
17. Khamedi R., Fallahi A., Refahi Oskouei A. Effect of martensite phase volume fraction on acoustic emission signals using wavelet packet analysis during tensile loading of dual phase steels // Materials and Design. – 2010. – 31. – P. 2752–2759.
18. Ni Q.-Q., Iwamoto M. Wavelet transform of acoustic emission signals in failure of model composites // Engineering Fracture Mechanics. – 2002. – 69. – P. 717–728.
19. Jonson M. Classi?cation of AE transients based on numerical simulations of composite laminates // NDT&E International. – 2003. – 36. – P. 319–329.
20. Степанова Л. Н., Кабанов С. И., Рамазанов И. С. Вейвлет-фильтрация в задачах локализации сигналов акустической эмиссии // Контроль. Диагностика. – 2008. – № 1. – С. 15–19.
21. Ciampa F., Meo M. A new algorithm for acoustic emission localization and ?exural group velocity determination in anisotropic structures // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. – 2010. – 41. – P. 1777–1786.
22. Бабичева И. Ф., Шарко А. В. Теоретические разработки по использованию вейвлет-анализа и нейросетевых технологий в системе диагностики и прогнозирования остаточного ресурса промышленного оборудования // Техн. диагностика и неразруш. контроль. – 2005. – № 2. – С. 17–21.
23. Velayudham A., Krishnamurthy R., Soundarapandian T. Acoustic emission based drill condition monitoring during drilling of glass/phenolic polymeric composite using wavelet packet transform // Materials Sci. and Eng. A 412. – 2005. – P. 141–145.
24. Vallen Systeme: The Acoustic Emission Company [Virtual Resource]. – Access Mode: URL: http://www.vallen.de/products/software/wavelet. – Title from Screen (12.03.2014).
25. Skalsky V., Stankevych O., Serhiyenko O. Wave displacement field at a half-space surface caused by an internal crack under twisting load // Wave Motion. – 2013. – 50, № 2. – P. 326–333.
26. Амплітудно-частотні характеристики пружних коливань поверхні півпростору, послабленого дископодібною тріщиною відриву / В. Р. Скальський, О. М. Станкевич, В. З. Станкевич, Ю. Я. Матвіїв // Мости та тунелі: теорія, дослідження, практика: Зб. наук. пр. – Дніпропетровськ, 2012. – Вип. 3. – С. 175–180.
27. Skal’skii V. R. Builo S. I., Stankevich E. M. A Criterion for Evaluating the Brittle Fracturing of Glass Using Acoustic Emission Signals // Russian J. of Nondestructive Testing. – 2012. – 48, № 5. – P. 277–284.
28. Діагностування механізмів руйнування сталі 38ХН3МФА за вейвлет-перетворенням сигналів акустичної емісії / В.Р. Скальський, Л.Р. Ботвіна, О.М. Станкевич та ін. // Техн. диагностика и неразруш. контроль. – 2011. – №. 3. – С. 12–17.
29. Скальський В. Р., Божидарнік В. В., Станкевич О. М. Акустико-емісійне діагностування типів макроруйнування конструкційних матеріалів. – Київ: Наук. думка, 2014. – 264 с.
30. ProtempTM 4 [Virtual Resource]. – Access Mode: URL: http://multimedia.3m.com/mws/mediawebserver?mwsId=SSSSSufSevTsZxtUOx2Bmx_GevUqevTSevTSevTSeSSSSSS&fn=protemp_pl_clin_result.pdf. – Title from Screen (02.04.2014).
31. Narisawa I., Oba T. An evaluation of acoustic emission from fibre-reinforced composites. Part 2. The application of acoustic emission techniques to aramid fibre-reinforced model composites // J. of Materials Sci. – 1985. – 20, № 12. – P. 4527–4531.
32. Morgan R. G., Pruneda C. O., Steele W. J. The relationship between the physical structure and the microscopic deformation and failure processes of poly (p-phenylene terephthalamide) fibers (Kevlar-49) // J. of Polymer Sci. – 1983. – 21. – P. 1757–1783.
33. Ni Q-Q., Iwamoto M. Wavelet transform of acoustic emission signals in failure of model composites // Engineering Fracture Mechanics. – 2002. – 69. – P. 717–728.
34. Failure modes and fracture mechanisms in flexure of Kevlar-epoxy composites / M. Davidovitz, A. Mittelman, I. Roman, G. Marom // Jo. of Materials Sci. – 1984. – 19, № 2. – P. 377–384.
 
Features of acoustic emission signals during macrofracture of different structural materials (corundum, glass, steels, dental polymers, composites) are considered. Results of analysis of local maxima of continuous wavelet-transformation of acoustic emission signals were used for this purpose. Criterion of identification of macrofracture types was used to assess the brittle, ductile-brittle and brittle fracture. Characteristic features of signals by the width of the frequency band of their local maxima, its emission duration and change of dominating frequency values were established. 34 References, 1 Table, 5 Figures.
 
Keywords: fracture, acoustic emission, continuous wavelet-transformation, criteria of identification of fracture types
 
Надійшла до реакції 03.14.2014
Підписано до друку 18.03.2015. 1. Nazarchuk, Z.T., Skalsky, V.R. (2009) Acoustic emission diagnostics of structure elements: Sci.-tekhn. refer. book, 3 Vol. Kyiv, Naukova Dumka [in Ukrainian].
2. Ohira, T., Kishi, T. (1983) Microfracture of metals and modeling acoustic emission. Nihon Kinzoku Gakkaishi, 47(7), 575–581.
3. Hutton, P. H., Ord, R. N., Pedersen, H. N., Spanner, J. C. (1968) Crack detection in pressure piping by acoustic emission. In: Nuclear Safety Quarterly Report (July, August, Sept., Oct., 1967) for Nuclear Safety Branch of USAEC Division of Reactor Development and Technology. BNWL-754. Battelle–Northwest, Richland, Washington, 3.1–3.13.
4. Mirabile, M. (1975) Acoustic emission energy and mechanisms of plastic deformation and fracture. Nondestructive testing, 8(2), 77–85. https://doi.org/10.1016/0029-1021(75)90157-7
5. Zalessky, V.V., Tripalin, A.S., Portnoj, N.Ya. (1972) Spectral analysis of acoustic emission signals. Fiz. Mat. Issledovaniya, Rostov-na-Donu, 91–94 [in Russian].
6. Pardee, W., Graham, L. J. (1975) Analysis of acoustic emission frequency spectra. In: Proc. of IEEE Ultrasonic Symp. (Los Angeles, USA, 1975), 597–600. https://doi.org/10.1109/ULTSYM.1975.196595
7. Kline R. A., Hartman W. (1976) Frequency analysis of acoustic emission signals. In: Proc. of 2nd Intern. Conf. on Mechanical Behaviour of Materials, 1631–1635.
8. Takahashi, H., Khan, M. A., Kikuchi, M., Suzuki, M. (1981) Acoustic emission crack monitoring in fracture-toughness tests for AISI-4340 and SA 533B steels. Experimental Mechanics, 219(3), 89–99. https://doi.org/10.1007/BF02326364
9. Muravin, G.B., Finkel, B.M., Lezvinskaya, L.M., Simkin, Ya.V. (1984) Acoustic emission study of silicon iron deformation. Defectoskopiya, 10, 88–91 [in Russian].
10. Andrejkiv, A.E., Lysak, N.V., Skalsky, V.R. et al. (1993) Spectral analysis of acoustic emission from the growing crack. Tekh. Diagnost. i Nerazruch. Kontrol, 1, 75–94 [in Russian].
11. Lysak, M.V. (1994) Acoustic emission during jumps in subcritical growth of crack in three-dimensional bodies. Engineering Fracture Mechanics, 47(6), 873-879. https://doi.org/10.1016/0013-7944(94)90065-5
12. Daubechies, I. (2001) Ten lectures on wavelets. Izhevsk [in Russian].
13. Grabowska, J., Palacz, M., Krawczuk, M. (2008) Damage identification by wavelet analysis. Mechanical Systems and Signal Processing, 22, 1623–1635. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2008.01.003
14. Kim, H., Melhem, H. (2004) Damage detection of structures by wavelet analysis. Engineering Structures, 26, 347–362. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2003.10.008
15. Piotrkowski, R., Castro, E., Gallego, A. (2009) Wavelet power, entropy and bispectrum applied to AE signals for damage identification and evaluation of corroded galvanized steel. Mechanical Systems and Signal Processing, 23, 432–445. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2008.05.006
16. Li, Y., Yi-Chu, Z. (2006) Wavelet analysis of acoustic emission signals from thermal barrier coatings. Transact. of Nonferrous Met. Soc. China, 16, 270–275. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(06)60189-1
17. Khamedi, R., Fallahi, A., Refahi Oskouei, A. (2010) Effect of martensite phase volume fraction on acoustic emission signals using wavelet packet analysis during tensile loading of dual phase steels. Materials and Design, 31, 2752–2759. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2010.01.019
18. Ni, Q.-Q., Iwamoto, M. (2002) Wavelet transform of acoustic emission signals in failure of model composites. Engineering Fracture Mechanics, 69, 717–728. https://doi.org/10.1016/S0013-7944(01)00105-9
19. Jonson, M. (2003) Classification of AE transients based on numerical simulations of composite laminates. NDT& E International, 36, 319–329. https://doi.org/10.1016/S0963-8695(03)00004-5
20. Stepanova, L.N., Kabanov, S.I., Ramazanov, I.S. (2008) Use of wavelet filtration at localization of acoustic emission signals. Kontrol. Diagnostika, 1, 15–19 [in Russian].
21. Ciampa, F., Meo, M. (2010) A new algorithm for acoustic emission localization and flexural group velocity determination in anisotropic structures. Composites Part A: Applied Sci. and Manufacturing, 41, 1777–1786. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2010.08.013
22. Babicheva, I.F., Sharko, A.V. (2005) Theoretical developments on application of wavelet-analysis and neural network technologies in the system of diagnostics and prediction of residual life of industrial equipment. Tekh. Diagnost. i Nerazruch. Kontrol, 2, 17–21 [in Russian].
23. Velayudham, A., Krishnamurthy, R., Soundarapandian, T. (2005) Acoustic emission based drill condition monitoring during drilling of glass/phenolic polymeric composite using wavelet packet transform. Materials Sci. and Eng. A, 412, 141–145. https://doi.org/10.1016/j.msea.2005.08.036
24. (2014) Vallen Systeme: The Acoustic Emission Company [Virtual Resource]. URL: http://www.vallen.de/products/software/wavelet.
25. Skalsky, V., Stankevych, O., Serhiyenko, O. (2013) Wave displacement field at a half-space surface caused by an internal crack under twisting load. Wave Motion, 50(2), 326–333. https://doi.org/10.1016/j.wavemoti.2012.09.001
26. Skalsky, V.R., Stankevich, O.M., Stankevich, V.Z., Matviiv, Yu.Ya. (2012) Amplitude-frequency characteristics of elastic vibrations of half-space surface weakened by a disklike cleavage crack. In: Bridges and tunnels: theory, research, practice: Transact. Dnipropetrovsk, Issue 3, 175–180 [in Ukrainian].
27. Skal'skii,V. R., Builo, S. I., Stankevich, E. M. (2012) A Criterion for evaluating the brittle fracturing of glass using acoustic emission signals. Russian J. of Nondestructive Testing, 48(5), 277–284. https://doi.org/10.1134/S1061830912050105
28. Skalsky, V.R., Botvina, L.R., Stankevich, O.M. et al. (2011) Diagnostics of fracture mechanisms of 38KhN3MFA steel by wavelet transformations of acoustic emission signals. Tekh. Diagnost. i Nerazruch. Kontrol, 3, 12–17 [in Russian].
29. Skalsky, V.R., Bozhydarnik, V.V., Stankevich, O.M. (2014) Acoustic emission diagnostics of macrofracture of structure materials. Kyiv, Naukova Dumka [in Ukrainian].
30. (2014) ProtempTM 4 [Virtual Resource]. URL: http://multimedia.3m.com/mws/mediawebserver?mwsId=SSSSSufSevTsZxtUOx2Bmx_GevUqevTSevTSevTSeSSSSSS&fn=protemp_pl_clin_result.pdf.
31. Narisawa, I., Oba, T. (1985) An evaluation of acoustic emission from fibre-reinforced composites. Pt 2: The application of acoustic emission techniques to aramid fibre-reinforced model composites. J. of Materials Sci. 20(12), 4527–4531. https://doi.org/10.1007/BF00559344
32. Morgan, R. G., Pruneda, C. O., Steele W. J. (1983) The relationship between the physical structure and the microscopic deformation and failure processes of poly (p-phenylene terephthalamide) fibers (Kevlar-49). J. of Polymer Sci., 21, 1757–1783.
33. Ni, Q.-Q., Iwamoto, M. (2002) Wavelet transform of acoustic emission signals in failure of model composites. Engineering Fracture Mechanics, 69, 717–728. https://doi.org/10.1016/S0013-7944(01)00105-9
34. Davidovitz, M., Mittelman, A., Roman, I., Marom, G. (1984) Failure modes and fracture mechanisms in flexure of Kevlar-epoxy composites. J. of Materials Sci., 19(2), 377–384. https://doi.org/10.1007/BF02403223