Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал), 2004, № 11

Е.Б. Черепецкая 
В.Л. Шкуратник 

МЕТОДИКА 
ОЦЕНКИ СТРУКТУРЫ 
И СВОЙСТВ 
ГОРНЫХ ПОРОД 
НА ОБРАЗЦАХ 
МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ 
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ 
СПЕКТРОСКОПИИ 

УДК 622.611.4:620.179.16 
ББК 33:22.32 
4 46 

Работа выполнена при государственной поддержке ведущих научных школ Российской Федерации (грант № НШ-1467.2003.5) 

Черепецкая Е.Б., Шкуратник В.Л. 

Методика оценки структуры и свойств горных пород на об
ц 46 разцах методом лазерной ультразвуковой спектроскопии: Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня.— 2004. — № 11. — 24 с. — М.: Издательство Московского 

государственного горного университета, 2005. 

Приведены сведения о закономерностях возбуждения упругих волн 
в геоматериалах за счет термоупругого эффекта. Описана аппаратура лазерной ультразвуковой спектроскопии для реализации контроля структуры и свойств горных пород на образцах. Изложена методика проведения 
ультразвуковых измерений с использованием указанной аппаратуры. 

Для студентов, аспирантов и научно-технических работников, занимающихся неразрушаюшим контролем твердых материалов. 

УДК 622.611.4:620.179.16 
ББК 33:22.32 

ISSN 0236-1493 
© Е.Б. Черепецкая, В.Л. Шкуратник 

© Издательство МГГУ, 2005 
© Дизайн книги. Издательство МГГУ, 
2005 

© Е.Б. Черепецкая, В.Л. Шкуратник 

УДК 622.611.4:620.179.16 

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ 
ГОРНЫХ ПОРОД НА ОБРАЗЦАХ МЕТОДОМ 
ЛАЗЕРНОЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ СПЕКТРОСКОПИИ 

1. Физические основы и область применения метода 

Настоящая методика предназначена для оценки структуры 
и свойств горных пород на образцах и базируется на принципах лазерной ультразвуковой спектроскопии. Последняя предполагает возбуждение упругих волн в исследуемом геоматериале за счет термоупругого эффекта: излучение лазера поглощается приповерхностным слоем горной породы, нестационарное тепловое расширение которого приводит к генерации 
ультразвуковых сигналов продольных и поверхностных упругих волн. При отражении продольной волны от границы геоматериала возникает также сдвиговая волна. 

В основе метода лежат следующие физические закономерности, установленные в ходе экспериментальных и теоретических исследований процесса лазерного возбуждения ультразвуковых импульсов в горных породах. 

1) При поглощении лазерного излучения на поверхности 
образца горной породы в последнем возникают ультразвуковые импульсы основных типов волн: продольной, сдвиговой и 
поверхностной [1 — 3]. Спектр каждой из данных волн определяется произведением трех спектров [4, 5J. Первый из них 
задается пространственным распределением источников тепла 
по х, связанным с поперечным распределением интенсивности 
оптического пучка шириной Ъ . Второй связан с поглощением 

3 

света горной породой и определяется распределением тепловых источников в направлении, перпендикулярном поверхности геосреды. Наконец, третий является Фурье-образом временной огибающей интенсивности светового импульса длительностью т 0. 

2) Для диагностики горных пород наиболее перспективным является использование коротких световых импульсов с 
длительностью т 0~ 10 не. Спектр таких импульсов простирается до 100 МГц, и в формировании импульсов упругих волн 
всех типов определяющую роль играют лишь спектры, связанные с пространственным распределением источников тепла. 

3) В случае возбуждения упругих импульсов поверхностных волн при фокусировке оптического пучка вплоть до 300 мкм 
спектр и временной профиль последних определяются лишь поперечным распределением интенсивности светового импульса 
и практически не зависит от поглощающих свойств геоматериала. Характерная длительность возникающего сигнала рэлеевской волны составляет blcR 
~ 200 не ( с я скорость распространения поверхностной волны в геосреде), что соответствует полосе частот до 10 МГц. С помощью таких импульсов 
можно исследовать неоднородности на поверхности горной 
породы в диапазоне 5 мм — 300 мкм [4,5]. 

4) При формировании импульсов продольных волн основную роль при наблюдении в направлении, перпендикулярном 
поверхности образца, играют поглощающие свойства геосреды. 
Как показали измерения, значения коэффициента поглощения 
света на длине волны А = 1,06 мкм для широкого спектра исследуемых горных пород лежат в диапазоне 50 — 100 с м

- 1 . 
Таким образом, при поглощении лазерного импульса на поверхности различных типов горных пород возникают импульсы продольных волн длительностью порядка 100 не, что соответствует частотной полосе до 30 МГц. Пространственная протяженность таких сигналов составляет 0,3 — 0,5 мм. Амплитуда давления пропорциональна произведению коэффициента 
поглощения и параметра § = с^/ср 
(с 0 — скорость распростра
4 

нения упругих волн, (3 — температурный коэффициент объемного расширения среды, ср — удельная телоемкость поглощающей среды), и при энергии лазерного импульса около 200 мДж 

может достигать нескольких мегапаскалей [6]. 

5) Процесс возбуждения сигналов сдвиговых волн определяется при использовании коротких лазерных импульсов поперечным распределением оптического пучка и направлением 
на точку наблюдения. В случае фокусировки пучка до 2 — 3 мм 
при малых отклонениях от направления, перпендикулярного к 
поверхности образца, длительность импульса сдвиговых волн 
составляет 200 — 300 не, а амплитуда в несколько раз меньше, 
чем продольных [8]. 

6) Возбуждение продольных волн в горных породах, производимое через оптически прозрачную пластину с акустическим сопротивлением значительно большим, чем у данной 
геосреды, приводит к увеличению в несколько раз амплитуды 
генерируемого ультразвукового импульса продольных волн, а 
также смещению спектра данного сигнала в низкочастотную 
область. При таком возбуждении амплитудный спектр сигнала 
простирается от нескольких герц до десятка мегагерц, причем 
низкочастотные гармоники в нем представлены наиболее интенсивно. Сочетая данный способ возбуждения ультразвука 
непосредственно в горной породе и генерацию при свободной 
границе, можно перекрыть весь частотный диапазон от единиц 
герц до 30 — 40 МГц [9,10]. 

7) Возбуждаемые при поглощении на поверхности горной 
породы лазерного излучения импульсы продольных и сдвиговых упругих волн сильно зависят от поглощающих свойств геосреды, которые в силу неоднородности последней значительно 
изменяются от точки к точке при сканировании по поверхности 
образца. Чтобы исключить данную зависимость, предлагается 
использовать в качестве генератора некоторые стандартные 
среды с большим значением коэффициента поглощения света 
на данной длине волны и теплофизическими свойствами, при 
которых упомянутый выше параметр ^ принимает максималь
5 

ное значение. В этом случае амплитуда генерируемых импульсов продольных волн может быть увеличена не менее, чем на 
порядок, амплитуда сдвиговых волн — мала [5,11]. 

Предлагается два варианта стандартных 
генераторных 
сред. При иммерсионном методе удобнее использовать в качестве генераторной среды полиэтилен высокого давления, который помимо больших значений коэффициента поглощения и 
параметра 
обладает акустическим сопротивлением, близким 
по значению к акустическому сопротивлению иммерсионной 
жидкости. В этом случае возникает однополярный импульс 
сжатия с амплитудой давления до 10 МПа и длительностью 
100 не. Однополярному импульсу соответствует спектр вплоть 
до 8 МГц [11]. 

Если исследуемая среда пористая, то применение иммерсионного способа не очень удобно. В этом случае целесообразно использовать генератор на основе светофильтра СЗС-22. 
При лазерной генерации импульсов продольных волн в светофильтре возникает биполярный импульс, спектр которого лежит в диапазоне 0,5 — 40 МГц. 

8) Для приема данных широкополосных импульсов предлагается использовать пьезоприемники либо на основе ПВДФ 
пленки, либо кристалл ниобата лития соответствующего среза 
толщиной 5 — 7 мм. Пьезоприемнику на основе ПВДФ пленки 
толщиной 30 мкм соответствует полоса частот вплоть до 50 
МГц при пороге детектирования 2 Па [12]. 

9) Реализуемые на практике амплитуды давления упругих 
импульсов позволяют исследовать во всем рабочем диапазоне частот образцы горных пород с затуханием, достигающем 30 см

- 1. 
При этом длины волн указанных сигналов оказываются соизмеримыми с характерными размерами неоднородностей в образцах горных пород, либо могут быть больше или меньше 
этих размеров, что создает предпосылки для оценки масштабов 
элементов зернистой структуры, пористости, микротрещин, дефектов и других неоднородностей. Используя логарифмическинормальное распределение зерен по размерам, по частотной 

6 

зависимости коэффициента затухания в диапазоне 0,3 — 40 МГц 
можно оценить их максимальный размер и средний диаметр, 
лежащие в пределах 3 мм — 30 мкм [13 — 16]. 

10) Создаваемые в горных породах с помощью лазерного 
возбуждения упругие импульсы имеют длительность менее 
100 не, что обеспечивает высокую лучевую разрешающую способность, величину мертвой зоны менее 0,4 мм и позволяет 
исследовать образцы толщиной от 3 мм и более [17,18]. 

11) Достигаемые при лазерном возбуждении высокие амплитуды давления зондирующих упругих импульсов достаточны для проявления нелинейных эффектов при их взаимодействии с дефектной геосредой, что приводит к искажениям 
формы указанных импульсов, которые могут быть использованы в качестве информативных признаков контроля микротрещиноватости [19]. 

Рассматриваемые ниже методики, базирующиеся на лазерной ультразвуковой спектроскопии позволяют: 

• проводить исследования на образцах горных пород малых размеров толщиной от 3 мм и площадью поперечного сечения от 1 см

2, проводить для них измерения скоростей распространения продольных и сдвиговых волн, а по ним рассчитывать модули упругости; 

• измерять коэффициент затухания ультразвуковых колебаний в частотном диапазоне 0,3 — 40 МГц вплоть до значений 30 см

- 1, и по нему восстанавливать размеры характерных 
неоднородностей в пределах от 30 мкм до 3 мм; 

• исследовать анизотропию образцов горных пород. Причем использование принципов лазерной ультразвуковой спектроскопии горных пород во всем реализуемом диапазоне частот позволяет, применяя частотозависимое затухание в качестве информативного параметра контроля, не менее чем в три 
раза повысить чувствительность выявления анизотропии по 
сравнению с контролем на основе стандартных кинематических параметров акустического сигнала; 

• методом лазерной ультразвуковой эхоскопии проводить 
локализацию и идентификацию дефектов в виде пор, микро

трещин и микровключений в образцах горных пород при высокой лучевой разрешающей способности и мертвой зоне не 
более 0,4 мм; 

• исследовать нелинейное взаимодействие мощных коротких импульсов упругих волн с дефектами геосреды, на основе чего идентифицировать наличие микротрещин в образцах 
горных пород по детерминированной трансформации формы 
распространяющихся сигналов; 

• обнаруживать и локализовать поглощающие свет дефекты в оптически прозрачных минералах. 

Методика применима практически ко всем типам горных 
пород: как к оптически прозрачным (когда используется стандартный генератор), так и поглощающим свет (при этом может использоваться как стандартный генератор, так и реализовываться поглощение света в самой геосреде). 

2. Требования к образцам 

Для проведения исследований методом лазерной ультразвуковой спектроскопии могут использоваться образцы с произвольной формой поперечного сечения площадью от 0,7 см

2 

и толщиной от 3 мм и более. Точность шлифовки поверхности 
и плоскопараллельность торцевых поверхностей должна быть 
не менее 0,1 — 0,05 мм, что обеспечивает точность в измерении скорости распространения упругих импульсов не менее 
2,5 %. Рекомендуется использовать образцы без крупных единичных зерен (монокристаллов), и, по возможности, стремиться к тому, чтобы толщина образца не менее чем в 3 раза превосходила размер видимого зерна, а его поперечные размеры, 
по крайней мере, были вдвое больше толщины, чтобы избежать переотражений рассеянного на неоднородностях сигнала 
от боковых стенок образца. 

Для 
получения 
достоверной 
информации 
о 
физикомеханических свойствах горных пород в массиве, извлеченные 
из последнего керны должны быть запарафинированы для предохранения их от изменений влажности, которая сильно влия8 

ет на значения скорости ультразвука и приводит к ее дисперсии. Керны, используемые для изготовления образцов, следует, по возможности предохранять от ударов и вибраций. 

Количество образцов определяется набором проводимых 
серий экспериментов. Следует помнить, что при лазерной ультразвуковой спектроскопии возможно сканирование по поверхности образца, при котором число точек определяется соотношением: S I a

2, S — площадь поперечного сечения образца, а — 
ширина оптического ir/чка. При этом толщину образца необ¬
ходимо выбирать из условия ц а I2L < 1 (ц.— коэффициент поглощения света), чтобы можно было пренебречь уширением 
ультразвукового пучка вследствие дифракции. 

3. Оборудование 

Для возбуждения мощных коротких ультразвуковых сигналов необходим твердотельный лазер, работающий в импульсно-периодическом режиме модуляции добротности. Импульсно-периодический режим дает возможность усреднения 
результатов однократного измерения по 128 реализациям, что 
приводит к увеличению отношения сигнал/шум, по крайней 
мере, на порядок. Длительность лазерного импульса следует 
выбирать в зависимости от требуемого диапазона частот ультразвуковых сигналов. При исследовании крупномасштабных 
неоднородностей с характерными размерами 5 см — 1 мм необходимо использовать лазерные импульсы длительностью 1 мке 
при реализации жесткой границы, что будет соответствовать 
спектральному диапазону 10 кГц — 1 МГц. Если в образцах 
присутствуют неоднородности с масштабами 1 мм — 20 мкм, 
то необходимо использовать лазерные импульсы длительностью порядка 10 не, что соответствует спектру генерируемых 
ультразвуковых сигналов с диапазоном 0,5 — 40 МГц. Амплитуды давления в обоих случаях достигают 10 МПа. 

При диагностике неоднородностей горных пород размерами Дг=1 мм + 5 см необходимо иметь полосу рабочих частот 

9 

приемника Д / = (0,12+0,72) — (ср — скорость продольных волн 

Дг 

в породе), что соответствует диапазону 10 кГц — 4,5 МГц. Так 

как полоса пропускания идеально задемпфированного пьезо
элемента определяется его толщиной h и скоростью продольных волн с 0 в данном пьезоэлектрике и по уровню 0,5 составляет/о =c 0/2/i, то в нашем случае при использовании ПВДФ пленки (с 0=1,4-10

3 м/с для ПВДФ) 
толщина 
h 
не должна 

превышать 0,15 мм. К настоящему времени известны пленки 
толщиной 0,11 мм; 0,05 мм и 0,03 мм. Применение пленки с h = 
= 0,11 мм является оптимальным, хотя использование полумиллиметровой пленки при снижении разрешения и погонной 
емкости приводит к почти пятикратному росту чувствительности. 

При диагностике мелкомасштабных неоднородностей необходимо использовать ПВДФ пленки толщиной 0,03 мм либо 
кристаллы ниобата лития соответствующих срезов толщиной 5 
— 7 мм. Порог детектирования широкополосного пьезоприемника на основе пленки ПВДФ толщиной 0,11 мм составляет 2 Па. 

Для регистрации электрических сигналов 
предлагается 
использовать осциллограф с частотой дискретизации не менее 
500 МГц. Математическая обработка полученных результатов 
производится в среде «Matlab» на компьютере. 

Описанным выше требованиям удовлетворяет специализированная установка «Геоскан-02М», разработанная авторами 
совместно с сотрудниками Международного лазерного центра 
МГУ им. М.В. Ломоносова [27]. 

Основные технические характеристики установки. 

Рабочая полоса частот, МГц 
0,1 -*-45 

Максимальная амплитуда зондирующих импульсов, МПа 
10 

Порог детектирования, Па 
5 

Диаметр ультразвукового пучка, мм 
0,3 + 20 

Диапазон измеряемых значений коэффициента затухания, см"

1 
0,01 + 30 

10