Пристрій формування та реєстрації солітонів для діагностики середовищ періодичної структури та спосіб діагностики структурованих середовищ

1. Пристрій формування та реєстрації солітонів для діагностики середовищ періодичної структури, який містить послідовно і співвісно встановлені генератор солітонів, що складається з випромінювача поодиноких імпульсів, з'єднаного з ним штока, з можливістю дії останнього через розгінний елемент на ланцюг, що є сукупністю одновісно упорядкованих в прямолінійному хвилеводі елементів з геометричними параметрами періодичної структури діагностованого середовища, а також датчики для реєстрації солітонів, розміщені вздовж хвилеводу, який відрізняється тим, що датчиками виступають, якнайменше, два останні елементи ланцюга на протилежному від штока кінці хвилеводу, призначеного для примусового контакту з діагностованим середовищем, елементи ланцюга, кількістю, що дорівнює, щонайменше, чотирьом, утримуються у вказаному хвилеводі з можливістю пружної взаємодії за допомогою пружин, встановлених на протилежних кінцях його корпуса. 2. Пристрій по п.1, який відрізняється тим, що для генерації імпульсів використовують механічний, електромагнітний або вибуховий генератори. 3. Пристрій по п.1 або 2, який відрізняється тим, що як датчик використовують п'єзо-, тензо- або оптичний датчик чи еректретну плівку, які розташовують усередині або на поверхні вказаних елементів ланцюга. 4. Пристрій по пп.1, 2 або 3, який відрізняється тим, що вказаний хвилевід створюють за допомогою напрямного корпуса. 5. Пристрій по будь-якому з попередніх пунктів, який відрізняється тим, що генератор солітонів і хвилевід мають загальний напрямний корпус. 6. Спосіб діагностики структурованих середовищ, який полягає в короткочасному навантаженні, прийнятті, підсиленні та реєстрації імпульсів, трансформованих в результаті розповсюдження серед елементів діагностованого природного або модельного середовища, замкненого між випромінювачем і датчиками, в якому підтримують акустичний контакт вздовж загальної осі всіх вказаних складових, який відрізняється тим, що початкове імпульсне навантаження середовища здійснюється солітоном, довжина якого зіставна з розміром елемента структури, шляхом розгону імпульсним генератором першого з кінцевої сукупності елементів середовища та ударом по наступним елементам з цієї сукупності, упорядкованої у вигляді одномірного ланцюга, сигнали для реєстрації солітонів знімають з елементів - датчиків, які є останнім і одним з попередніх елементів ланцюга, причому вісь його розташовують з можливістю пружного примусового контакту перпендикулярно торцевій поверхні діагностованого середовища. 7. Спосіб по п.1, який відрізняється тим, що однорідний енергетичний зв'язок між датчиками і елементами вказаного контуру підтримують шляхом розміщення чутливих елементів датчиків усередині або на поверхні елементів ланцюга. 8. Спосіб по п. 1 або 2, який відрізняється тим, що при кількості елементів вимірювального ланцюга, що перевищує 4, перший датчик розташовують не ближче третього від розгінного елемента, а другий - щонайближче четвертого. (19) (21) 2000042082 (22) 11.04.2000 (24) 15.05.2001 (46) 15.05.2001, Бюл. № 4, 2001 p. (72) Бєлiнський Іван Васильович, Даниленко В'ячеслав Андpiйович, Гpжибовський Вiталiй Владиславович, Лемешко Володимиp Антонович (73) БЄЛІНСЬКИЙ ІВАН ВАСИЛЬОВИЧ, ДАНИЛЕНКО В'ЯЧЕСЛАВ АНДРІЙОВИЧ, ГРЖИБОВСЬКИЙ ВІТАЛІЙ ВЛАДИСЛАВОВИЧ, ЛЕМЕШКО ВОЛОДИМИР АНТОНОВИЧ (56) 1. Нестеренко В.Ф., Лазариди А.Н. Солитоны и ударные волны в одномерных зернистых средах. "Проблемы нелинейной акустики", ч.1. - Новосибирск, 1987, с. 309-313. 2. Даниленко В.А., Бєлінський І.В. та інші "Особливості хвильових процесів у геофізичних середовищах при врахуванні їх структури". - Доповіді НАН України, № 12, 1996 р., с.124-129. 3. С. Coste , Е. Falcon, S. Fauve "Solitery waves in a chain of the beads under Hertz contact" - Physical Review E, volume 56, numbег 5, november 1997, p. 6104-6117 (прототип). 4. Ржевский В. В., Ямщиков B.C. Акустические методы исследования и контроля горных пород в массиве. М.: Наука, 1973 г. C2 (54) ПРИСТРІЙ ФОРМУВАННЯ ТА РЕЄСТРАЦІЇ СОЛІТОНІВ ДЛЯ ДІАГНОСТИКИ СЕРЕДОВИЩ ПЕРІОДИЧНОЇ СТРУКТУРИ ТА СПОСІБ ДІАГНОСТИКИ СТРУКТУРОВАНИХ СЕРЕДОВИЩ 37309 9. Спосіб по одному з пунктів 6-8, який відрізняється тим, що у випадку діагностування природного середовища, вимірювальний ланцюг розміщують безпосередньо в цьому середовищі. 10. Спосіб по одному з пунктів 6-8, який відрізняється тим, що у випадку діагностування модельного середовища вказаний ланцюг з генератором солітонів організовують у вигляді одновісного хвилеводу. ____________________ Винахід стосується неруйнівного контролю середовищ регулярної структури, як модельних, так і діагностуємих при геофізичних дослідженнях. В галузі діагностики структурованих середовищ перспективними вважаються такі засоби та методи, що дозволяють безпосередній нагляд і простоту визначення параметрів швидкоплиних навантажень. В [1,2,3] досліджено розповсюдження відокремлених нелінійних хвиль, солітонів, що з'являються як відгук на вхідне імпульсне збурення в однорідному одновимірному середовищі періодичної структури. Для вивчення умов утворення і розповсюдження солітонів були запропоновані пристрої, побудовані на основі модельного одновимірного зернистого середовища [1,3]. Найбільш близьким до запропонованого є пристрій формування та реєстрації солітонів для діагностики середовища однорідної періодичної структури [3], в якому сукупність з 51 ідентичних сталевих кульок діаметром 8 мм, являє собою вимірювальний ланцюг, розміщений в квадратному каналі розміром 8,02 мм, що становить хвилевід, виготовлений з матеріалу з пружністю, більшою ніж у кульок для зменшення впливу зовнішніх факторів. До складу пристрою входять послідовно і співвісно встановлені генератор солітонів, що складається з випромінювача поодиноких імпульсів і з'єднаного з ним штока. У такому випромінювачі початкове імпульсне навантаження створюють таким, що воно є співставним з розміром елементу модельного середовища, за допомогою першого після поршня з елементів ланцюга, який вважається розгінним елементом. Для одночасної реєстрації показань два п'єзоелектричних перетворювачів, датчиків розміщені в корпусі хвилеводу повздовж і поза ланцюга, з можливістю контакту з його окремими елементами на довільній відстані від першого елементу ланцюга, а третій - нерухомо і впритул до останнього елементу хвилеводу з 51 елемента. В описаній схемі оцінка просторової ширини і амплітуди утворених солітонів є досить неточною внаслідок відхилення параметрів пружного контакту між елементами ланцюга і фізико-механічних властивостей діагностуємого середовища та приймачів-п'єзоперетворювачів в місцях їх розташування. Сигнал з останнього приймача характеризує поширення імпульсного збурення до жорсткої стінки, а два перших приймачі-перетворювачі реєструють передній і наступний трансформовані імпульси, які, по суті, являють собою відгук на відбиття від цієї стінки. Задачею винаходу є створення пристрою для формування та реєстрації солітонів в одновимірному середовищі періодичної структури, який передбачає зниження впливу вказаних зовнішніх факторів, "крайових ефектів", на точність результатів виміру пружної взаємодії між елементами середовища внаслідок покращання контактних умов приєднання до діагностуємого середовища випромінювача імпульсного збурення і датчиків, що реєструють трансформовані імпульси. Це дозволить зменшити величину втрат енергії на контактах генератор - середовище - датчик, підтримувати однорідний енергетичний зв'язок між всіма елементами пристрою і вивчати внутрішні фактори, що притаманні ненавантаженому стану діагностуємого середовища. Поставлена задача вирішується в пристрої формування та реєстрації солітонів для діагностики середовищ періодичної структури, який містить послідовно і співвісно встановлені генератор солітонів, що складається з випромінювача поодиноких імпульсів, з'єднаного з ним штока, з можливістю дії останнього через розгінний елемент на ланцюг, що є сукупністю елементів, одновісно упорядкованих в прямолінійному хвилеводі, з геометричними параметрами, періодичної структури діагностованого середовища, а також датчики для реєстрації солітонів, розміщені вздовж хвилеводу, в якому згідно з винаходом датчиками виступають, щонайменше, два останні елементи ланцюга на протилежному від штока кінці хвилеводу, призначеного для примусового контакту з діагностованим середовищем, елементи ланцюга, кількістю, що дорівнює, щонайменше, чотирьом, утримуються у вказаному хвилеводі з можливістю пружної взаємодії за допомогою пружин, встановлених на протилежних його кінцях. Для генерації поодиноких імпульсів використовують механічний, електромагнітний або вибуховий генератори. У якості датчиків використовують п'єзодатчик, тензодатчик, оптичний датчик або еректретну плівку, які розташовують у середині або на поверхні вказаних елементів ланцюга. Вказаний хвилевід може створюватись за допомогою напрямного корпуса. Генератор солітонів і хвилепровід можуть мати загальний корпус. Існуючі методи діагностики властивостей середовищ з внутрішньою структурою грунтуються на вивченні особливостей розповсюдження в них нелінійних збурень. Контроль зернистих періодичних середовищ базується на аналізі зміни швидкості розповсюдження в них пружних хвиль, яка обумовлена наявністю і властивостями пружного контакту між зернами середовища. По способу введення і прийняття сигналу від розповсюдженої нелінійної хвилі найбільш близьким до запропонованого є імпульсний метод поздовжнього профілювання [4]. Цей спосіб полягає в забезпеченні примусового контакту між середовищем, генератором послідовного випромінювання в нього пакету імпульсів і датчиками, встановленими вздовж їх загальної осі, прийнятті, підси 2 37309 ленні і реєстрації досліджуваного сигналу. Реєструють перший та наступний вступ хвилі. Та чи інша зміна еталонного сигналу при його розповсюдженні в хвилеводі, яка фіксується приймачами, дозволяє зробити висновок про ті чи інші порушення в структурі. Необхідність повторних вимірів, врахування величини втрат енергії в точках контактів генератор-зразок-приймач знижують точність вимірів, а відповідні спрощення, обумовлені заміною структурованого середовища однорідним, з усередненими значеннями пружних констант, роблять іноді принципово неможливими визначення геометричних параметрів структури періодичного середовища і дефектів в ньому. В основу винаходу поставлено задачу підтримання однорідного енергетичного зв'язку в діагностованому структурованому середовищі під час реєстрації сигналів - солітонів, трансформованих в результаті його швидкоплинного навантаження. Це забезпечить визначення характерного розміру елементу модельного або природного середовища періодичної структури та місця і розміру дефекту в них шляхом вимірювання амплітуди, швидкості розповсюдження та просторової напівширини первинного та вторинного солітонів пристроєм для формування і реєстрації солітонів, який розташовують безпосередньо на структурованому середовищі, перпендикулярно до його поверхні. Поставлена задача вирішується у способі діагностики структурованих середовищ, який полягає в швидкоплинному навантаженні, прийнятті, підсиленні та реєстрації імпульсів, трансформованих в результаті розповсюдження серед елементів діагностованого природного або модельного середовища, згідно з яким початкове імпульсне навантаження середовища здійснюється солітоном, довжина якого співставна з розміром елемента структури, що досягається шляхом розгону імпульсним генератором першого з кінцевої сукупності елементів середовища та ударом по наступним елементам з цієї сукупності, упорядкованої у вигляді одновимірного ланцюга, сигнали для реєстрації солітонів знімають з елементів датчиків, які є останнім і одним з попередніх елементів ланцюга, вісь якого розташовують з можливістю пружного примусового контакту перпендикулярно торцевій поверхні діагностованого середовища. Однорідний енергетичний зв'язок між датчиками і елементами вказаного контуру підтримують шляхом розміщення відповідних чутливих елементів у середині або на поверхні елементів ланцюга. При кількості елементів вимірювального ланцюга, що перевищує 4, перший датчик розташовують не ближче третього від розгінного елемента, а другий, щонайближче, четвертого. У випадку діагностування природного середовища вимірювальний ланцюг розміщують безпосередньо в цьому середовищі. У випадку діагностування модельного середовища вказаний ланцюг з генератором солітонів організовують у вигляді одновісного хвилеводу. Довжина солітона, співставна з розміром елемента структури, досягається шляхом дії імпульсного генератора через шток на перший з кінцевої сукупності елементів ланцюга, тобто ударом по наступним елементам з сукупності елементів середовища. Внаслідок цього, а також упорядкування вимірювального ланцюга елементами, які мають геометричні розміри, аналогічні до діагностуємого середовища, забезпечується солітоноподібне збурення. Солітони серед інших нелінійних хвиль стають найбільш ефективними для діагностики параметрів середовищ, що відповідає механіці структурованих середовищ, в якій кожному окремому елементу властива швидкість власних коливань, яка залежить від його місцезнаходження в структурі і відхилення від усереднених геометричних параметрів, приєднання до діагностованого середовища випромінювача імпульсного збурення і датчиків, що реєструють трансформовані імпульси. Втрат енергії на контактах генератор - середовище - датчики усувають шляхом забезпечення однорідного енергетичного зв'язку між всіма елементами пристрою через те, що датчики вбудовують всередину елементів вимірювального ланцюга, або розташовують сенсори на їх поверхні. Це дозволяє досліджувати внутрішні фактори, що притаманні ненавантаженому стану діагностованого середовища. Винахід ілюструється фігурами, де на фіг.1 і 2 представлені схеми, що ілюструють заявлений винахід. На фіг. 1 зображені генератор солітонів, який включає випромінювач поодиноких імпульсів 1 зі штоком 2 і розгінним елементом 3, корпус хвилеводу 4, який в зображеному варіанті містить і генератор солітонів (1,2,3), в корпусі встановлені пружинні елементи 5, елементи 6 вимірювального ланцюга 8, датчики 7. Діагностованим можуть бути як товща середовища, так і його зразок 9, який розміщують жорстко в утримувачі. Напрямний корпус хвилеводу може бути виконаний у вигляді суцільної або рамочної базової основи. На фіг. 2 зображений варіант розміщення вимірювального ланцюга безпосередньо в середовищі, в якому напрямний корпус хвилевода відсутній. Ланцюг пристрою виготовляється з елементів структурованого середовища, які беруться аналогічними елементам модельного або подібні середньостатистичним значенням, отриманим незалежними геологічними дослідженнями. За допомогою пружин забезпечується примусовий акустичний контакт між генератором, кінцями вимірювального ланцюга і середовищем. Розгінний елемент 3 здійснює початкове імпульсне навантаження на ланцюг, яке має довжину, співставну з розміром елементу структури. Початкове імпульсне збурення, яке здійснюється за допомогою удару штока по розгінному елементу перпендикулярно до поверхні структурованого середовища вже на третьому елементі ланцюга, як показали дослідження, являє собою солітоноподібне збурення. Два останніх елемента ланцюга є первинними приймачами солітонів. Розмір елементу на порядок більший розміру датчика, в нього вмонтованого. Відгук структурованого середовища на відокремлений імпульс збурення (вторинний солітон) відбувався у тому випадку, якщо на шляху розповсюдження первинного солітону вздовж середовища зустрічались якийсь обмежений дефект елементу структури, контактний розрив, зміна типу однорідності структури і т.д. 3 37309 При допомозі спеціально розробленої програми дані експерименту через узгоджувальні пристрої 10 і АЦП 11 подаються на ЕОМ 12, де обробляються, і визначаються амплітуда, швидкість розповсюдження, часова та просторова напівширина первинного та вторинного солітонів. По просторовій напівширині основного та вторинного солітонів визначається характерний розмір елемента середовища. По швидкостям розповсюдження та часу вступу первинного та вторинного солітонів, а також по значенню амплітуди вторинного солітону визначається місце знаходження та розмір дефекту в періодичному структурованому середовищі. Відсутність вторинного солітону вказує на бездефектность дослідженої структури, Експерименти показують, що той чи інший стан або будь-яка особливість контактної взаємодії елементів середовища знаходиться у кореляційній залежності з відповідною характеристикою збудженого солітону. Фіг. 1 4 37309 Фіг. 2 Тираж 50 екз. Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101 (03122) 3 – 72 – 89 (03122) 2 – 57 – 03 5