Наверняка каждый слышал характерный звук, появляющийся при поломке и разрушении каких-либо предметов и объектов: деревянных досок, пластиковых вещей и даже металлических изделий. Это явление вызвано перестройкой внутренней структуры и разрывом связей между мельчайшими элементами материала и называется акустическая эмиссия (АЭ). Словосочетание можно дословно расшифровать как «излучение акустических волн». 

Может возникнуть вопрос, зачем изучать и использовать АЭ, если её «слышно» только в момент разрушения, когда ничего нельзя успеть сделать? На самом деле всё не так просто, как может показаться.

Первое знакомство людей с этим эффектом произошло ещё в древние времена. Он встречался во время охоты: хруст снега или веток помогал людям выжить; при обжиге гончарных изделий мастера могли понять, получился ли сосуд целым или раскололся при термической обработке; при работе с разными сплавами и металлами можно было слышать некоторые звуки: даже существует термин “крик олова”, обозначающий звук, появляющийся при деформации чистого олова. Первое же письменное упоминание акустической эмиссии датируется VIII веком нашей эры. Оно принадлежит алхимику Джабиру ибн Хайяну, который и отметил характерный звук при работе с оловом. 

Научный интерес к АЭ появился в XX веке, когда изучением данного феномена занялись учёные из Германии, Великобритании, США и СССР. На этом этапе развития было уже ясно, что образование акустических волн в материале как-то связано с его внутренней структурой. С учётом интенсивного развития наук, связанных с прочностью и внутренним строением уже известных и впервые созданных веществ, исследование вопросов звукоизлучения при разрушении имело большое значение.

Если в первой половине XX века исследования носили скорее теоретический характер и не использовали специальное высокоточное оборудование для регистрации акустико-эмиссионных сигналов, то во второй половине столетия начались попытки связывать полученные сведения с практическим применением. Так, ученый из Германии И. Кайзер проводил разрушающие испытания конструкционных материалов и искал связь АЭ с кривой нагружения. Им была открыта закономерность – при достижении некоторого значения нагрузки и последующего ее уменьшения, новые акустические сигналы перестают появляться до тех пор, пока нагрузка не возрастет обратно до предыдущего максимального значения. Этот феномен имеет название “эффект Кайзера”.

Переломным моментом для практического использования явления стал случай, произошедший в США при гидроиспытаниях корпуса ракеты. В 1961 г. А. Грин отметил звуковые эффекты во время испытаний и начал их регистрировать с использованием приборов. При дальнейшем осмотре корпуса была обнаружена трещина, из-за которой впоследствии объект разрушился при нагрузке, равной половине от максимальной. 

Тот факт, что, регистрируя АЭ, можно обнаружить развивающийся дефект, определить его координаты и предсказать возможное разрушение, немедленно возбудил интерес к этому явлению. Объёмы производства оборудования для регистрации сигналов невероятно возросли, а вместе с ними – качество и точность аппаратуры. В итоге появился новый метод неразрушающего контроля – метод акустической эмиссии, который активно внедрялся в различные сферы промышленности по всему миру.

По мере накопления знаний и опыта, было обнаружено, что это явление возникает не только в твердых материалах, но и в жидкостях и газах. Расширились границы обнаружения: АЭ можно засечь не только в слышимом диапазоне (20 Гц — 20 кГц), но и в ультразвуковом (20 кГц — 100 МГц). Расширился список нагрузок и воздействий, создающих АЭ: к механическим нагрузкам добавились температурное, радиоактивное, химическое, электрическое и другие виды воздействий. Также было выяснено, что акустическая эмиссия проявляется во время землетрясений и при горных ударах. По сути, они представляют из себя движение, деформации и разрушения твердых горных пород.

В наше время акустическая эмиссия используется для исследования свойств материалов и процессов развития дефектов, контроля процессов сварки и технической диагностики объектов и оборудования. Однако существует проблема: несмотря на обилие регистрируемых сигналов, их обработка и интерпретация вызывают затруднения из-за сложности и комплексности механизма их проявления, а также из-за отсутствия единого представления о сущности явления. На сегодняшний день есть несколько научных школ, изучающих подобное звукоизлучение при разрушении и других процессах. Наиболее обоснованные представления выросли из кинетической концепции прочности твердых тел.

Проявление акустической эмиссии оказалось многоликим явлением, которое человечество обнаружило и взяло на вооружение для решения своих задач. Несмотря на недостаточное понимание физико-механической природы процесса, его изучение активно продолжается. В будущем, с ростом точности и чувствительности измерительных приборов, а также с появлением новых научных открытий, завеса тайны, висящая над явлением, будет всё больше открываться, что позволит использовать АЭ максимально эффективно в различных сферах жизни.

Список источников

1. Носов, В. В. Диагностика машин и оборудования : учебное пособие для вузов / В. В. Носов. — 5-е изд., стер. — Санкт-Петербург : Лань, 2021. — 376 с. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL https://e.lanbook.com/book/152451:
2. Об истории развития метода акустико-эмиссионной диагностики. / В.И. Иванов, [Электронный ресурс] URL: https://docs.yandex.ru/docs/view?tm=1711045662&tld=ru&lang=ru&name=tndt_2019_01_pp_044_051.pdf&text=акустическая%20эмиссия%20история&url=http%3A%2F%2Ftndt.idspektr.ru%2Fimages%2Fstories%2Farchive%2F01_2019%2Ftndt_2019_01_pp_044_051.pdf&lr=2&mime=pdf&l10n=ru&type=touch&sign=7f9385b73318e2edd10a1b4250868844&keyno=0&serpParams=tm%3D1711045662%26tld%3Dru%26lang%3Dru%26name%3Dtndt_2019_01_pp_044_051.pdf%26text%3D%25D0%25B0%25D0%25BA%25D1%2583%25D1%2581%25D1%2582%25D0%25B8%25D1%2587%25D0%25B5%25D1%2581%25D0%25BA%25D0%25B0%25D1%258F%2B%25D1%258D%25D0%25BC%25D0%25B8%25D1%2581%25D1%2581%25D0%25B8%25D1%258F%2B%25D0%25B8%25D1%2581%25D1%2582%25D0%25BE%25D1%2580%25D0%25B8%25D1%258F%26url%3Dhttp%253A%2F%2Ftndt.idspektr.ru%2Fimages%2Fstories%2Farchive%2F01_2019%2Ftndt_2019_01_pp_044_051.pdf%26lr%3D2%26mime%3Dpdf%26l10n%3Dru%26type%3Dtouch%26sign%3D7f9385b73318e2edd10a1b4250868844%26keyno%3D0
3. Носов В.В. Контроль прочности неоднородных материалов методом акустической эмиссии // Записки Горного института. 2017. №. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/kontrol-prochnosti-neodnorodnyh-materialov-metodom-akusticheskoy-emissii

Источники изображений

1. Изображение 1 – Объяснение и демонстрация явления двойникования, учебный видеоматериал, [Электронный ресурс] URL: https://www.doitpoms.ac.uk/ldplib/acoustic/video.php
2. Изображение 2 – Акустико-эмиссионный контроль (перепечатка из книги Металлы (METALS HANDBOOK), 9-ое издание, т. 17, ASM International (1989): с. 278-294) [Электронный ресурс] URL: https://diapac.ru/blog/akustiko-emissionnyy-kontrol
3. Изображение 3 – В ООО «Газпром ВНИИГАЗ» успешно проведен стендовый этап квалификационных испытаний оборудования для акустико-эмиссионного контроля объектов транспорта газа ПАО «Газпром» [Электронный ресурс] URL: https://vniigaz.gazprom.ru/press/news/2017/11/stendovyj-ehtap-kvalifikatsionnykh-ispytanij-oborudovaniya-dlya-akustiko-ehmissionnogo-kontrolya-obektov-transporta-gaza-pao-gazprom/
4. Изображение 4 – Носов В.В. Контроль прочности неоднородных материалов методом акустической эмиссии // Записки Горного института. 2017. №. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/kontrol-prochnosti-neodnorodnyh-materialov-metodom-akusticheskoy-emissii