裂隙煤巖材料超聲波無(wú)損探傷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

馮俊軍，陶 熠，劉純林，黃琪嵩，許 波，鄧權(quán)龍

（安徽工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032）

隨著我國(guó)工業(yè)現(xiàn)代化的不斷推進(jìn)，工程材料或機(jī)械構(gòu)件的質(zhì)量要求越來(lái)越高。無(wú)損探傷作為保證產(chǎn)品質(zhì)量、確保設(shè)備安全的重要技術(shù)，在巖土工程、機(jī)械制造、石油化工和航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-4]。超聲波檢測(cè)是應(yīng)用最廣泛的無(wú)損探傷方法之一，它利用進(jìn)入被檢材料的超聲波對(duì)材料表面或內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)，也可用于材料內(nèi)部組織和特性的表征以及應(yīng)力的測(cè)量[5]。

高等院校開設(shè)超聲波無(wú)損探傷實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐操作能力具有重要意義[6-7]。根據(jù)教育部發(fā)布的《安全科學(xué)與工程類教學(xué)質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)》，在安全工程專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中，超聲波無(wú)損探傷實(shí)驗(yàn)教學(xué)是專業(yè)核心課程 “安全檢測(cè)技術(shù)” 的重要組成部分。超聲波無(wú)損探傷實(shí)驗(yàn)是一項(xiàng)理論與實(shí)踐相結(jié)合的綜合科目[8]，對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的理論水平和操作能力要求均比較高。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，該課程還要求學(xué)生在具體實(shí)驗(yàn)操作前必須掌握相應(yīng)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，特別是超聲波檢測(cè)技術(shù)原理與材料超聲響應(yīng)特征，這無(wú)疑對(duì)當(dāng)前超聲波無(wú)損探傷實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容和平臺(tái)建設(shè)提出了挑戰(zhàn)。

當(dāng)前，由于缺乏完善的超聲無(wú)損探傷實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，以及分析材料超聲響應(yīng)特征的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件，導(dǎo)致目前實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容僅限于利用超聲波測(cè)量材料厚度。顯然，利用超聲波測(cè)量材料厚度僅僅是超聲檢測(cè)的常規(guī)應(yīng)用。對(duì)于深部地下巖土工程，借助超聲波無(wú)損探傷技術(shù)準(zhǔn)確判斷煤巖材料的內(nèi)部缺陷，是確保地下建筑工程安全的關(guān)鍵[9]。因此，本文搭建了一套超聲波無(wú)損探傷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)，基于MATLAB GUI 開發(fā)了用于分析超聲波時(shí)域特征、頻譜特征和散射特征的功能模塊和綜合評(píng)估材料損傷程度的功能模塊。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有助于進(jìn)一步提高超聲波無(wú)損探傷實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，使學(xué)生充分理解煤巖材料無(wú)損探傷的技術(shù)原理，掌握超聲波無(wú)損探傷技術(shù)的操作方法，最終提高學(xué)生在安全檢測(cè)技術(shù)方面的實(shí)踐能力。

1 搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)

圖1 超聲波無(wú)損探傷技術(shù)原理圖

超聲波無(wú)損探傷技術(shù)的基本原理如圖1 所示，超聲波在均勻的介質(zhì)中一般沿直線傳播，當(dāng)遇到聲阻抗不同的2 種介質(zhì)（如材料內(nèi)部的孔隙、裂隙、雜質(zhì)等）界面時(shí)，會(huì)引發(fā)裂隙摩擦效應(yīng)和波形散射效應(yīng)，最終導(dǎo)致超聲波發(fā)生不同程度的能量耗散，表現(xiàn)為幅值顯著衰減[10-11]。目前，常見(jiàn)的超聲波無(wú)損探傷系統(tǒng)均是根據(jù)超聲波在被測(cè)介質(zhì)中傳播衰減情況來(lái)判斷缺陷位置和大小。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)于地下巖土工程中各類煤巖材料，由于被測(cè)試樣內(nèi)部缺陷數(shù)量、尺度和類別均存在較大差異，并且這些因素都會(huì)影響超聲波幅值衰減程度。因此，僅僅依靠超聲波幅值衰減規(guī)律不足以全面判定材料內(nèi)部缺陷特征，需要建立一套具有多因素綜合分析模塊的超聲波無(wú)損探傷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

針對(duì)上述需求，本文搭建了一套超聲波無(wú)損探傷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)，該平臺(tái)主要包括超聲波激發(fā)和接收裝置，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2 所示。其中，超聲波激發(fā)采用ARB-1410 板卡，板卡產(chǎn)生的高頻電壓通過(guò)導(dǎo)線傳遞到換能器晶體的電極板上，從而激勵(lì)壓電晶體以相同的頻率做彈性振動(dòng)。當(dāng)換能器與相鄰介質(zhì)之間耦合接觸時(shí)，高頻彈性振動(dòng)以振動(dòng)波的形式以本身自有的特性在固體介質(zhì)中傳遞。超聲波接收采用Express-8 多通道聲發(fā)射板卡，其主要原理是利用正壓電效應(yīng)進(jìn)行工作，當(dāng)超聲波作用到壓電晶體時(shí)，施加的作用力在晶體的相應(yīng)界面上產(chǎn)生交變電荷，此電荷經(jīng)過(guò)放大器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后輸入聲發(fā)射接收通道，最終由聲發(fā)射采集系統(tǒng)將接收的超聲波信號(hào)在終端可視化。實(shí)驗(yàn)操作嚴(yán)格遵守國(guó)際巖石力學(xué)推薦的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[12]，首先對(duì)每個(gè)試樣兩端涂抹超聲波實(shí)驗(yàn)專用高真空脂，然后將超聲波換能器貼合到試樣兩端并施加一定耦合力后即可開始測(cè)試。超聲波發(fā)射頻率范圍為50～300 kHz，發(fā)射幅值采用10 V，接收門檻為45 dB。

圖2 超聲波無(wú)損探傷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能與模塊設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主要功能

通過(guò)搭建的超聲波無(wú)損探傷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)采集得到穿透試樣的超聲波振動(dòng)信號(hào)，壓電傳感器將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，最終輸出相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)文件?；贛ATLAB GUI 平臺(tái)，進(jìn)一步開發(fā)了超聲波無(wú)損探傷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分析軟件。軟件主要功能包括：用戶登錄、輸入數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和導(dǎo)出數(shù)據(jù)，其中分析數(shù)據(jù)功能包括時(shí)域特征分析模塊、頻譜特征分析模塊、散射特征分析模塊和損傷綜合評(píng)估模塊，這些模塊是該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能核心，系統(tǒng)功能框架如圖3 所示。

圖3 超聲波無(wú)損探傷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能框架

軟件使用MATLAB 的deploytool 工具編譯生成可執(zhí)行文件，用戶只需安裝MATLAB2010b 對(duì)應(yīng)的函數(shù)運(yùn)行庫(kù)、圖形運(yùn)行庫(kù)即可雙擊運(yùn)行該軟件。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的安全性和避免誤操作，授權(quán)用戶需要在登錄界面輸入正確的用戶名和密碼后點(diǎn)擊回車鍵，軟件后臺(tái)校驗(yàn)用戶輸入的用戶名和密碼是否正確，如果用戶名和密碼正確，才可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主界面，如圖4所示。

圖4 超聲波無(wú)損探傷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主界面

在系統(tǒng)主界面點(diǎn)擊菜單欄“輸入數(shù)據(jù)”，用戶可通過(guò)單擊選擇需要處理的超聲波波形數(shù)據(jù)文件。選擇完畢，在系統(tǒng)主界面點(diǎn)擊菜單欄“分析數(shù)據(jù)”，可彈出數(shù)據(jù)分析主界面，包括時(shí)域特征分析模塊、頻譜特征分析模塊、散射特征分析模塊和損傷綜合評(píng)估模塊。

2.2 時(shí)域特征分析模塊

時(shí)域特征分析模塊主要用于分析超聲波穿透試樣前后的波形幅值衰減規(guī)律。超聲波在材料中傳播時(shí)，當(dāng)遇到材料缺陷或損傷時(shí)（孔隙、裂隙等），超聲波的波動(dòng)作用會(huì)引發(fā)材料缺陷拉壓變形（P 波）或剪切畸變（S 波），缺陷表面在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生摩擦效應(yīng)[10]。摩擦效應(yīng)將導(dǎo)致超聲波總能量發(fā)生耗散，最終表現(xiàn)為超聲波幅值的衰減現(xiàn)象，如圖5 所示。該分析模塊界面分為上下2 個(gè)坐標(biāo)區(qū)域，分別為入射波和透射波，其中入射波為超聲波實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)射的原始波形，透射波是原始波形穿透試樣后的超聲波。橫坐標(biāo)軸為超聲波在試樣中的傳播時(shí)間，縱坐標(biāo)軸為超聲波的電壓幅值，該功能模塊可以清晰地反映試樣的幅值衰減規(guī)律。

圖5 時(shí)域特征分析模塊界面

2.3 頻譜特征分析模塊

頻譜特征分析模塊主要用于分析超聲波穿透試樣后的波形主頻變化規(guī)律。超聲波波形往往包含多分量波形，波形頻譜則是從另一個(gè)角度來(lái)展現(xiàn)各分量波形的形態(tài)，可以方便地看出每種分量波形在整體波形中占據(jù)的比重，使分析不同成分波形衰減更有針對(duì)性。因此，作為時(shí)間函數(shù)的超聲波信號(hào)，不僅需要在時(shí)間域描述該信號(hào)隨時(shí)間變化的性質(zhì)。還需要采用頻率域?qū)π盘?hào)進(jìn)行譜分析，這種以頻率為變量描述信號(hào)的方法稱為信號(hào)頻譜分析技術(shù)。在信號(hào)處理領(lǐng)域，基于Fourier 變換的信號(hào)頻域表示及其能量的頻域分布揭示了信號(hào)在頻域的特征，超聲波頻譜表示如下：

上述測(cè)試結(jié)果顯示:多功能北斗智能手杖的拐杖終端實(shí)現(xiàn)了對(duì)老人空間、時(shí)間信息以及健康信息的獲取,手機(jī)端軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)老人健康安全信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此,該系統(tǒng)功能較為完善,工作穩(wěn)定可靠,具有較高的實(shí)用價(jià)值。

式中，f為超聲波頻率，t為時(shí)間。當(dāng)超聲波在材料中傳播時(shí)，在遇到不同尺度的材料缺陷或損傷時(shí)，不同頻率的波形會(huì)發(fā)生不同程度的反射和吸收現(xiàn)象，最終表現(xiàn)為波形主頻的變化。因此，通過(guò)超聲波波形頻譜變化可清晰反映出材料缺陷和損傷對(duì)不同成分波形的影響，使超聲波幅值衰減更有針對(duì)性，具體分析模塊界面如圖6 所示。從圖中可以看出，當(dāng)超聲波穿透試樣后，頻率50 kHz 的波形分量發(fā)生了嚴(yán)重衰減，其波形主頻從50 kHz 遷移到了150 kHz，在分析超聲波幅值衰減時(shí)要注意區(qū)分這2 種不同主頻的波形。

圖6 頻譜特征分析模塊界面

2.4 散射特征分析模塊

超聲波在材料中的傳播衰減機(jī)制不僅包括裂紋面摩擦效應(yīng)，還包括夾雜物造成的散射效應(yīng)。散射效應(yīng)是由于材料內(nèi)部雜質(zhì)或缺陷造成，當(dāng)雜質(zhì)或缺陷尺度與波長(zhǎng)相近時(shí)，散射效應(yīng)就會(huì)發(fā)生[13]。散射的出現(xiàn)，使得原來(lái)的超聲波強(qiáng)度減弱，造成總能量衰減。因此，通過(guò)分析試樣的波形散射特征可判斷不同尺度雜質(zhì)或缺陷所造成的材料損傷，從而識(shí)別出導(dǎo)致試樣損傷的主導(dǎo)成分。

超聲波散射特征采用多重分形譜函數(shù)f(α)-α(q)描述，該函數(shù)表示如下[14]：

式中，pi(δ)為超聲波電壓信號(hào)，δ為時(shí)間劃分尺度，q為權(quán)重因子。通過(guò)該多重分形譜函數(shù)可對(duì)超聲波時(shí)間序列數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)性差異進(jìn)行定量描述，通過(guò)函數(shù)形態(tài)揭示不同尺度缺陷或雜質(zhì)對(duì)試樣損傷程度的影響。當(dāng)函數(shù)譜峰偏左，則說(shuō)明小尺度雜質(zhì)或缺陷所引發(fā)的散射效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，試樣損傷以細(xì)微孔隙為主；反之，如果函數(shù)譜峰偏右，則說(shuō)明大尺度雜質(zhì)或缺陷所引發(fā)的散射效應(yīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，試樣損傷以大尺度裂隙為主，具體分析模塊界面如圖7 所示。一般而言，超聲波無(wú)損探傷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)射的原始波形多重分形譜峰居中，意味著此時(shí)超聲波均勻分布，并未包含任何散射信號(hào)；而穿透試樣后的超聲波多重分形譜則形態(tài)各異，此時(shí)的超聲波包含試樣雜質(zhì)或缺陷引發(fā)的散射信號(hào)，通過(guò)譜峰的偏向就可判斷試樣內(nèi)部主導(dǎo)損傷成分。

圖7 散射特征分析模塊界面

2.5 損傷綜合評(píng)估模塊

損傷綜合評(píng)估模塊是在綜合考慮超聲波時(shí)域特征、頻譜特征和散射特征的基礎(chǔ)上，對(duì)試樣的損傷程度給出最終量化評(píng)價(jià)，模塊界面如圖8 所示。該量化評(píng)價(jià)指標(biāo)選用超聲波品質(zhì)因子Q，該指標(biāo)采用譜比法計(jì)算得出，表示如下[15]：

式中，A1(f)和A2(f)是相應(yīng)頻率下超聲波的發(fā)射幅值和接收幅值，t是超聲波穿透材料所需的時(shí)間。超聲波品質(zhì)因子Q反映了試樣的完整性，Q越大，則試樣完整性越高，即整體損傷程度越小。

圖8 損傷綜合評(píng)估模塊界面

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用案例

3.1 試樣制備與實(shí)驗(yàn)操作

3.2 超聲響應(yīng)特征分析

首先采用搭建的超聲波無(wú)損探傷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)開展了超聲波實(shí)驗(yàn)研究，采集了穿透煤巖試樣后的超聲波振動(dòng)信號(hào)。然后通過(guò)超聲波無(wú)損探傷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)一步分析了超聲波穿透煤巖試樣后的幅值衰減特征、頻譜變化特征和波形散射特征，各功能模塊分析結(jié)果如圖10 所示。從圖中可以看出，時(shí)域分析結(jié)果顯示：煤巖試樣內(nèi)部損傷導(dǎo)致超聲波穿透試樣后幅值發(fā)生了顯著衰減，并且波形持續(xù)時(shí)間也顯著增大，這是由于超聲波在試樣內(nèi)部發(fā)生多次反射和折射所造成的；頻譜分析結(jié)果顯示，發(fā)射的超聲波原始波形中高頻部分（＞250 kHz）幾乎被試樣內(nèi)部缺陷完全耗散吸收，且超聲波主頻仍然處于低頻區(qū)域（＜100 kHz），說(shuō)明試樣內(nèi)部的缺陷尺度與低頻超聲波的波長(zhǎng)較為接近；最后，散射分析結(jié)果顯示：超聲波散射波形的多重分形譜峰從初始的形態(tài)發(fā)生一定程度的右偏，表明試樣內(nèi)部的損傷和缺陷以大尺度裂隙為主。

圖9 超聲波無(wú)損探傷實(shí)驗(yàn)試樣制備及操作方法

圖10 煤巖試樣超聲波無(wú)損探傷實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果

3.3 試樣損傷綜合評(píng)估

利用超聲波無(wú)損探傷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的損傷綜合評(píng)估模塊對(duì)試樣的整體損傷程度進(jìn)行定量分析，根據(jù)式（5）計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)中煤巖試樣的品質(zhì)因子Q 為19.05，具體分析結(jié)果如圖11 所示。根據(jù)文獻(xiàn)[16]可知，常見(jiàn)煤巖材料品質(zhì)因子范圍為10.1～105.8，將本實(shí)驗(yàn)煤巖試樣的品質(zhì)因子與之進(jìn)行對(duì)比可知，實(shí)驗(yàn)中所用煤巖材料損傷程度較為嚴(yán)重，構(gòu)成損傷的主要缺陷為大尺度裂隙，裂隙尺度與低頻超聲波的波長(zhǎng)較為接近。

4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)特點(diǎn)

相較于傳統(tǒng)超聲波實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)充分拓展了超聲波無(wú)損探傷的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，不僅能夠分析材料的超聲響應(yīng)時(shí)域特征、頻譜特征和散射特征，還可對(duì)試樣內(nèi)部損傷程度做出綜合量化評(píng)估。具體來(lái)說(shuō)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

（1）通過(guò)MATLAB GUI 開發(fā)，將煤巖材料超聲響應(yīng)特征和損傷評(píng)估的關(guān)鍵理論集成到相應(yīng)的功能模塊，降低了實(shí)驗(yàn)操作人員的理論學(xué)習(xí)門檻，減輕了學(xué)生在學(xué)習(xí)超聲波無(wú)損探傷技術(shù)時(shí)的心理負(fù)擔(dān)，有利于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的教學(xué)效果。

（2）通過(guò)形式統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析界面，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理工作統(tǒng)一化和規(guī)范化，減少數(shù)據(jù)處理過(guò)程中人為因素的影響和人員誤操作，提高了實(shí)驗(yàn)人員數(shù)據(jù)處理效率，保證了實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果的嚴(yán)謹(jǐn)性。

（3）對(duì)于地下巖土工程中煤巖材料，僅僅依靠傳統(tǒng)的超聲波幅值衰減規(guī)律不足以全面判定材料內(nèi)部缺陷特征。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)綜合考慮了多重因素，包括超聲波穿透煤巖材料的時(shí)域特征、頻譜特征和散射特征，最終對(duì)材料的損傷程度、損傷缺陷類型和尺度做出判斷，分析結(jié)果綜合性強(qiáng)、可靠性高。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于MATLAB GUI 開發(fā)了一套超聲波無(wú)損探傷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括時(shí)域特征分析模塊、頻譜特征分析模塊、散射特征分析模塊和損傷綜合評(píng)估模塊，可用于分析超聲波穿透試樣后的幅值衰減規(guī)律、主頻變化規(guī)律和波形散射特征，并對(duì)試樣整體損傷情況做出綜合評(píng)估。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用案例表明，對(duì)于地下巖土工程中富含裂隙的煤巖材料，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可有效判別材料的損傷程度、損傷缺陷類型和尺度范圍。借助該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展超聲波無(wú)損探傷實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有助于學(xué)生理解和掌握煤巖材料無(wú)損探傷的技術(shù)原理和操作方法，最終提高學(xué)生在地下巖土工程領(lǐng)域安全檢測(cè)方面的實(shí)踐能力。