噪音環(huán)境下橋梁損傷聲發(fā)射定位技術(shù)研究

劉茂軍，葛若東，王根偉

(1.桂林理工大學(xué) 南寧分校，廣西 南寧530001;2.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧530004)

0 引 言

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，新建和在役橋梁越來(lái)越多。這些橋梁在使用過(guò)程中，其自身的材料性能會(huì)隨著時(shí)間的推移不斷劣化，同時(shí)在各種運(yùn)輸車輛增加以及風(fēng)、疲勞、超載等諸多因素的影響下，橋梁的結(jié)構(gòu)可靠度會(huì)不斷降低。因此，橋梁安全問(wèn)題逐漸成了專業(yè)人員關(guān)注的焦點(diǎn)。加強(qiáng)對(duì)橋梁服役期內(nèi)各種損傷的檢測(cè)以及工作情況的監(jiān)測(cè)，及時(shí)有效地對(duì)橋梁進(jìn)行日常保養(yǎng)和維修，對(duì)延長(zhǎng)橋梁使用壽命以及保證橋梁的承載能力，都具有十分重要的意義［1-5］。

在橋梁結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)方面，目前常用的有模型修正法、指紋分析法、移動(dòng)質(zhì)量多次測(cè)量檢測(cè)法等［6-8］。由于這些方法均依賴于橋梁剛度或固有頻率的變化，而要獲得準(zhǔn)確的橋梁剛度及固有頻率又比較困難，所以這些方法都有一定的局限性。

聲發(fā)射技術(shù)是近幾年來(lái)新興的動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，由于聲發(fā)射技術(shù)具有信號(hào)真實(shí)、檢測(cè)的頻率范圍寬、靈敏度高(可探測(cè)到10-11mm 的結(jié)構(gòu)表面振動(dòng))、具有在線監(jiān)測(cè)、內(nèi)部裂紋定位、破壞預(yù)警等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)在航空航天、壓力容器、礦山開(kāi)采等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

隨著聲發(fā)射技術(shù)在材料損傷檢測(cè)及監(jiān)測(cè)方面獲得巨大成功，人們開(kāi)始嘗試?yán)寐暟l(fā)射技術(shù)在大型工程結(jié)構(gòu)特別是橋梁上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)或檢測(cè)。如葛若東等［9］利用聲發(fā)射對(duì)鋼筋混凝土梁的破壞過(guò)程進(jìn)行研究，得出了梁破壞過(guò)程的聲發(fā)射參數(shù)的變化特征，并用于對(duì)梁的破壞進(jìn)行預(yù)警;M.Shigeishia等［10］利用聲發(fā)射對(duì)一座拱橋進(jìn)行監(jiān)測(cè)，表明聲發(fā)射有助于發(fā)現(xiàn)裂紋的擴(kuò)展并確定裂紋位置;S.Yuyama等［11］對(duì)兩座高速公路橋梁上先張法施工的預(yù)應(yīng)力梁進(jìn)行的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)內(nèi)部破壞的聲發(fā)射事件能夠與交通噪聲區(qū)分;D.W.Cullingtona 等［12］也對(duì)后張法施工的預(yù)應(yīng)力混凝土梁的鋼絞線斷裂進(jìn)行成功的識(shí)別及定位;李冬生等［13-14］利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)多齡期斜拉索疲勞損傷演化過(guò)程進(jìn)行了全過(guò)程監(jiān)測(cè)，分析了損傷的形成原因，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多齡期斜拉索損傷聲發(fā)射源類型的確定。

雖然在聲發(fā)射橋梁損傷檢測(cè)方面的研究獲得了一定進(jìn)展，但是環(huán)境噪音問(wèn)題卻仍然是影響聲發(fā)射技術(shù)在在役橋梁損傷檢測(cè)及監(jiān)測(cè)方面推廣應(yīng)用的最大障礙［15-16］。因此，對(duì)強(qiáng)噪音環(huán)境下聲發(fā)射橋梁損傷定位方法的深入研究對(duì)于聲發(fā)射技術(shù)在橋梁檢測(cè)方面的推廣應(yīng)用具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

本文采用美國(guó)物理聲學(xué)公司(PAC)生產(chǎn)的SAMOS-48 型聲發(fā)射儀在南寧市北大橋的箱梁內(nèi)部進(jìn)行損傷定位試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)噪音信號(hào)的采集分析，并利用噪音的聲發(fā)射信號(hào)特征進(jìn)行除噪，提高定位精度。

1 南寧市北大橋概況

南寧市北大橋跨越邕江，大橋北起北大路，南岸跨越江南路后與桃源橋相交，橋梁全長(zhǎng)1 614.96 m。包括主橋、兩岸引橋、江南路立交橋、輔道和引道。主橋采用68 m+2×120 m+68 m 的4 跨變高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋面布置為雙向6 車道，主梁采用兩幅單箱單室截面，三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，主橋下部結(jié)構(gòu)上下游分開(kāi)，墩型為薄壁空心墩;北引橋分為3 聯(lián)，第一聯(lián)采用4×47 m 等高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋面布置為雙向4 車道，主梁采用單箱單室截面，雙向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，第二、三聯(lián)采用4×30 m 等高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋面布置為雙向6 車道，主梁采用單箱三室截面，雙向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu);南引橋采用22 m+40 m+29 m 的等高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，箱梁與北引橋第一聯(lián)基本相同;輔道橋采用5×31 m 等高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋面布置為2 車道，主梁采用單箱單室截面;江南立交橋采用3 跨一聯(lián)，跨度為29 m 或31 m，橋面布置為雙向4 車道，主梁采用單箱雙室截面。

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):

①道路等級(jí):城市主干路Ⅰ級(jí);

②設(shè)計(jì)車速:50 km/h;

③橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí):城-A 級(jí)。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 試驗(yàn)儀器選擇

試驗(yàn)中采用美國(guó)物理聲學(xué)公司(PAC)生產(chǎn)的SAMOS-48 型聲發(fā)射儀，如圖1 所示。

2.2 試驗(yàn)位置選擇

根據(jù)北大橋特點(diǎn)，選取有代表性的主橋120 m 跨的兩跨作為試驗(yàn)跨。以跨中截面A-A、B-B 處為測(cè)試位置，如圖2 所示。

箱梁跨中截面形狀見(jiàn)圖3 所示。為了便于布置傳感器并且獲得更全面的數(shù)據(jù)，測(cè)試點(diǎn)位置分別選在箱梁頂板、底板及側(cè)壁。

圖1 SAMOS－48 型聲發(fā)射儀Fig.1 SAMOS－48 acoustic emission instrument

圖2 測(cè)試位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the test location

圖3 箱梁截面示意圖Fig.3 Schematic diagram of box girder cross section

3 試驗(yàn)過(guò)程

3.1 參數(shù)設(shè)置

聲發(fā)射檢測(cè)的最大優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)的靈敏度高，但是這同時(shí)也是檢測(cè)的困難之所在，因?yàn)槲⑷醯沫h(huán)境噪音都會(huì)被系統(tǒng)放大，甚至能夠淹沒(méi)有用信號(hào)，導(dǎo)致定位失敗。因此，必須在檢測(cè)之前根據(jù)情況進(jìn)行各種檢測(cè)參數(shù)的設(shè)定，一方面要減弱噪音的影響，同時(shí)也使系統(tǒng)能夠更準(zhǔn)確的識(shí)別有用信號(hào)，從而提高聲發(fā)射定位精度。

3.1.1 波速和衰減的測(cè)定

聲發(fā)射定位技術(shù)是利用各個(gè)聲發(fā)射(AE)傳感器接收信號(hào)的時(shí)間差來(lái)計(jì)算波源位置，所以波速設(shè)置的準(zhǔn)確與否會(huì)直接影響到定位的精度。由于波在各種介質(zhì)中傳播的速度不同，所以進(jìn)行檢測(cè)前要首先進(jìn)行波速的測(cè)定。為了能更直接的測(cè)定實(shí)際檢測(cè)條件下的波速，本文采用在試驗(yàn)前原位斷鉛的方法測(cè)波速。將8 個(gè)傳感器布置成一列，間距0.2 m，如圖4 所示。在端部的1#傳感器處斷鉛，利用各個(gè)傳感器接收信號(hào)的時(shí)間差計(jì)算波速。

圖4 測(cè)波速傳感器布置Fig.4 The sensor layout of measuring velocity

在1#傳感器處斷鉛3 次，分別計(jì)算出傳感器間距為0.6 m 和1.0 m 的波速，最終取其平均值作為定位波速，即定位波速取2 352 m/s。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1 所示。

表1 波速測(cè)定Tab.1 Velocity measurement cm·s-1

波的衰減曲線也是定位設(shè)置中的一項(xiàng)內(nèi)容，利用聲發(fā)射信號(hào)衰減規(guī)律，不僅可以根據(jù)傳感器接收到的信號(hào)幅值來(lái)推算信號(hào)源處的信號(hào)幅值，而且可以利用波的衰減規(guī)律來(lái)濾除噪音，所以波的衰減規(guī)律的測(cè)定是聲發(fā)射研究中的一項(xiàng)非常重要的工作。

本文測(cè)定波的衰減規(guī)律時(shí)仍采用圖4 中的布置，與波速測(cè)定同時(shí)進(jìn)行，系統(tǒng)自動(dòng)記錄每個(gè)傳感器接收到的撞擊幅值。表2 是測(cè)得的各傳感器接收到的撞擊幅值，圖5 是幅值的衰減曲線。

表2 傳感器信號(hào)幅值對(duì)照Tab.2 Comparison of the signal amplitude of sensor

圖5 聲發(fā)射信號(hào)衰減曲線Fig.5 Acoustic emission amplitude attenuation curve

3.1.2 聲發(fā)射檢測(cè)門檻值的確定

環(huán)境噪音是影響聲發(fā)射定位精度的重要因素，過(guò)大的噪音甚至能夠淹沒(méi)有用信號(hào)而導(dǎo)致定位失敗。試驗(yàn)中，可以通過(guò)設(shè)置合理的門檻值來(lái)濾除大部分的環(huán)境噪音。這里，我們從兩個(gè)方面來(lái)綜合考慮門檻值的確定。

首先，通過(guò)對(duì)環(huán)境噪音的采集分析，找出環(huán)境噪音的聲發(fā)射特征，并通過(guò)對(duì)噪音特征的分析來(lái)確定門檻值。圖6 是試驗(yàn)前在現(xiàn)場(chǎng)以預(yù)設(shè)25 dB 門檻值條件下所采集到的環(huán)境噪音信號(hào)的波形圖。

從圖6 可以看出，噪音的AE 信號(hào)幅值較低并且比較均勻，同時(shí)波形中又有很多的突出部分，可以判斷出這些突出部分是由于橋上不斷有各種車輛通過(guò)而產(chǎn)生的。

圖7 是噪音信號(hào)的撞擊—幅值關(guān)聯(lián)圖，從圖7 上可以看出噪音的幅值主要集中在35 dB 以下(因?yàn)轭A(yù)設(shè)了25 dB 門檻值，所以25 dB 以下的撞擊信號(hào)未顯示)，所以當(dāng)檢測(cè)時(shí)將門檻設(shè)置為35 dB 左右，則可以濾除大部分的噪音。

圖6 環(huán)境噪音AE 信號(hào)波形圖Fig.6 AE signal waveform of ambient noise

圖7 環(huán)境噪音的撞擊—幅值關(guān)聯(lián)圖Fig.7 Hit-amplitude correlation graph of ambient noise

另外，合適的門檻值，不僅要能在試驗(yàn)中有效地濾除噪音，而且還不能丟失過(guò)多的有用信號(hào)，所以確定合適的門檻值是一項(xiàng)重要工作。本文中采用斷鉛試驗(yàn)，并利用聲發(fā)射信號(hào)的衰減規(guī)律來(lái)確定聲發(fā)射定位門檻值。

由AE 信號(hào)的衰減曲線(圖5)可知，斷鉛信號(hào)在橋梁混凝土中傳播距離1.4 m 后，其幅值仍超過(guò)40 dB。說(shuō)明將試驗(yàn)門檻設(shè)為40 dB 可以保證采集信號(hào)的完整性。因此，綜合分析后最終取聲發(fā)射定位門檻值為40 dB。

3.1.3 橋梁損傷聲發(fā)射定位時(shí)間參數(shù)的確定

利用聲發(fā)射進(jìn)行損傷定位，需要準(zhǔn)確設(shè)定三個(gè)時(shí)間參數(shù):峰值定義時(shí)間(PDT)、撞擊定義時(shí)間(HDT)、撞擊閉鎖時(shí)間(HLT)。如果時(shí)間參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤，軟件將無(wú)法正確識(shí)別撞擊(hit)，從而影響定位精度。雖然AEwin 軟件給出了常用材料的檢測(cè)時(shí)間參數(shù)的推薦值，但聲發(fā)射信號(hào)在不同材料中的傳播特征有很大的差別，時(shí)間參數(shù)值會(huì)有很大變化，并且隨著傳感器離信號(hào)源距離的不同，這些參數(shù)也會(huì)有所變化。因此，在實(shí)際聲發(fā)射檢測(cè)應(yīng)用中，還需要通過(guò)試驗(yàn)確定適合被檢測(cè)材料的時(shí)間參數(shù)。

為了能夠更精確地測(cè)得檢測(cè)條件下的時(shí)間參數(shù)值，在正式檢測(cè)前我們通過(guò)在橋梁檢測(cè)部位上進(jìn)行原位斷鉛試驗(yàn)確定聲發(fā)射檢測(cè)的時(shí)間參數(shù)值。在箱梁底板上距離傳感器大約30 cm 處進(jìn)行斷鉛，得到傳感器上的撞擊波形，利用軟件自帶的數(shù)據(jù)光標(biāo)直接讀取撞擊波形的上升時(shí)間。然后取10 次斷鉛信號(hào)的平均值作為依據(jù)，用來(lái)確定時(shí)間參數(shù)。圖8 為一次斷鉛的波形，時(shí)間軸上的負(fù)值表示預(yù)觸發(fā)時(shí)間。

經(jīng)過(guò)對(duì)10 個(gè)撞擊波形上升時(shí)間的測(cè)定，測(cè)得其平均值為80 μs，所以取峰值定義時(shí)間(PDT)為80 μs，撞擊定義時(shí)間(HDT)取峰值定義時(shí)間的兩倍，取為160 μs，撞擊閉鎖時(shí)間(HLT)適當(dāng)大于撞擊定義時(shí)間，取200 μs。

3.2 噪音環(huán)境下的定位試驗(yàn)

本文在橋梁正常運(yùn)營(yíng)條件下對(duì)橋梁進(jìn)行了聲發(fā)射源定位試驗(yàn)，研究中利用四個(gè)傳感器(1#、2#、3#、4#)組成一個(gè)平面定位組，矩形布置，邊長(zhǎng)為900 mm×1100 mm。分別在斷鉛點(diǎn)1、2、3 點(diǎn)處斷鉛。如圖9 所示。參數(shù)設(shè)置如下:檢測(cè)門檻為40 dB;定位波速為2 352 m/s;峰值定義時(shí)間(PDT)為80 μs;撞擊定義時(shí)間(HDT)為160 μs;撞擊閉鎖時(shí)間(HLT)為200 μs。

圖10 是軟件得到的定位圖，在定位圖中幾乎看不出斷鉛點(diǎn)的位置，這主要是由于噪音的影響。采集信號(hào)時(shí)雖然設(shè)置了檢測(cè)門檻，可以濾除一部分噪音，但是由圖7 可以看出仍有部分噪音幅值超過(guò)40 dB，這些越過(guò)門檻的噪音有一部分被系統(tǒng)直接識(shí)別為事件，即成為定位圖中散亂的定位點(diǎn)，同時(shí)也有一部分噪音與斷鉛信號(hào)共同被識(shí)別為事件，從而使斷鉛信號(hào)無(wú)法形成正確的定位點(diǎn)，即斷鉛信號(hào)被噪音淹沒(méi)了。

圖8 一個(gè)撞擊的波形圖Fig.8 Waveform of a hit

圖9 傳感器布置及斷鉛位置圖Fig.9 Sensor placement and lead broken position

圖10 斷鉛定位圖Fig.10 Location map of lead broken

3.3 濾波除噪提高定位精度

為了提高定位效果，需要進(jìn)一步消除噪音影響，所以要對(duì)噪音信號(hào)特征進(jìn)行深入分析，并利用噪音特征來(lái)濾除噪音。

3.3.1 聲發(fā)射噪音信號(hào)的關(guān)聯(lián)圖分析

為了分析噪音信號(hào)特征，從現(xiàn)場(chǎng)采集了環(huán)境噪音信號(hào)，圖11 是定位組各通道傳感器采集的環(huán)境噪音信號(hào)的能量—平均頻率關(guān)聯(lián)圖。

圖11 環(huán)境噪音的能量—平均頻率關(guān)聯(lián)圖Fig.11 Energy-average frequency correlation graph of ambient noise

圖12 是在噪音條件下進(jìn)行斷鉛時(shí)的定位組各通道傳感器的能量—平均頻率關(guān)聯(lián)圖。

圖12 斷鉛時(shí)的能量—平均頻率關(guān)聯(lián)圖Fig.12 Energy-average frequency correlation graph of lead broken

從圖11(a)可以看出(在AE 系統(tǒng)中通過(guò)加密網(wǎng)格進(jìn)行對(duì)比):通道1 的噪音信號(hào)平均頻率主要集中在35 kHz 以下，超過(guò)35 kHz 的信號(hào)能量很低，低于5 μJ;而從圖12(a)可以看出:超過(guò)35 kHz 的信號(hào)中仍有部分較高能量的信號(hào)，大于5 個(gè)能量單位。因此，從圖11(a)和圖12(a)對(duì)比可知:大于35 kHz并且能量大于5 個(gè)能量單位的信號(hào)里包含斷鉛信號(hào)(里面也會(huì)有部分噪音信號(hào))，利用聲發(fā)射儀內(nèi)置的數(shù)字濾波功能將通道1 的平均頻率小于35 kHz 以及能量小于5 個(gè)能量單位的噪音信號(hào)濾除。用同樣方法將通道2、3、4 中的噪音信號(hào)分別濾除(此處不再贅述)。

四個(gè)通道濾除噪音后重新進(jìn)行定位，定位圖如圖13 所示?？梢钥闯龆ㄎ稽c(diǎn)已經(jīng)集中在斷鉛點(diǎn)附近。

3.3.2 定位圖的聚類

通過(guò)對(duì)事件的聚類，可以進(jìn)一步明確定位點(diǎn)的位置。圖14 是采用軟件的聚類功能做出的定位圖的聚類分析圖，進(jìn)一步提高了定位精度，聚類中心已經(jīng)在斷鉛點(diǎn)的附近，誤差在50 mm 以內(nèi)。

圖13 經(jīng)過(guò)濾波除噪的定位圖Fig.13 The location map after filtering

圖14 定位圖的聚類Fig.14 Clustering of the location map

4 結(jié) 論

本文通過(guò)在南寧市北大橋上進(jìn)行聲發(fā)射定位試驗(yàn)，獲得了以下主要結(jié)論:

①聲發(fā)射信號(hào)在橋梁混凝土中傳播時(shí)，幅值衰減先快后慢，衰減規(guī)律符合指數(shù)曲線。波速也呈逐漸下降趨勢(shì)，距離信號(hào)源1 m 時(shí)的平均波速約為2 352 m/s。

②橋梁運(yùn)營(yíng)期間的環(huán)境噪音幅值主要集中在35 dB 以下，所以將聲發(fā)射檢測(cè)門檻設(shè)為40 dB 即可濾除大部分的環(huán)境噪音，并且基本不影響有用信號(hào)的接收。

③箱梁損傷定位時(shí)，時(shí)間參數(shù)值可取為:PDT 為80 μs，HDT 為160 μs，HLT 為200 μs。

④利用聲發(fā)射進(jìn)行損傷定位時(shí)，采用各通道的參數(shù)關(guān)聯(lián)圖的特征進(jìn)行濾波除噪，然后用除噪后的信號(hào)進(jìn)行定位，可以達(dá)到很好的定位效果。

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