水工混凝土結(jié)構(gòu)聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和特征參數(shù)選擇

伍衛(wèi)平，李東風(fēng)，高志萌，倪國(guó)勝，程勝金

(水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心，河南 鄭州 450044)

聲發(fā)射(Acoustic Emission，AE)檢測(cè)技術(shù)是一種重要的動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)方法，通過(guò)材料內(nèi)部由于局部應(yīng)變能的快速釋放而產(chǎn)生的瞬時(shí)彈性波來(lái)判斷結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷程度，在水利水電行業(yè)的金屬結(jié)構(gòu)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1- 5]。

國(guó)內(nèi)外聲發(fā)射檢測(cè)主要集中在對(duì)金屬材料、高分子復(fù)合材料和巖石進(jìn)行研究，針對(duì)混凝土研究很少。

聲發(fā)射檢測(cè)參數(shù)的合理設(shè)置是聲發(fā)射檢測(cè)結(jié)果正確與可靠性的關(guān)鍵。目前，針對(duì)金屬等材料聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，如檢測(cè)門檻(閾值)、時(shí)間參數(shù)(峰值定義時(shí)間PDT、撞擊定義時(shí)間HDT和撞擊閉鎖時(shí)間HLT)和聲發(fā)射信號(hào)的波速等，研究較為成熟，并已經(jīng)有成熟的標(biāo)準(zhǔn)[6]；而對(duì)混凝土材料聲發(fā)射檢測(cè)參數(shù)的研究很少[7]。我國(guó)目前還缺乏混凝土聲發(fā)射檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)，造成聲發(fā)射技術(shù)在實(shí)際使用過(guò)程中出現(xiàn)了測(cè)量系統(tǒng)設(shè)置不合理、檢測(cè)程序不規(guī)范、損傷評(píng)定無(wú)標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題，這極大地限制了聲發(fā)射技術(shù)在混凝土損傷檢測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用。針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)，直接選取撞擊計(jì)數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)、幅值、能量、聲發(fā)射事件數(shù)、聲發(fā)射事件率等常規(guī)參數(shù)會(huì)過(guò)于簡(jiǎn)單直接，不能準(zhǔn)確、全面反映材料構(gòu)件在不同過(guò)程或狀態(tài)的個(gè)體屬性和差異。

本文對(duì)水工混凝土結(jié)構(gòu)開展聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和聲發(fā)射特征參數(shù)的選擇及構(gòu)造進(jìn)行探討，為混凝土結(jié)構(gòu)聲發(fā)射檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化做一些基礎(chǔ)性工作。

1 水工混凝土結(jié)構(gòu)及聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

用于大壩、水閘、泵站、堤防、橋梁、涵洞等水工建筑物的混凝土結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量是水工建筑物工程質(zhì)量的重要保證，以至關(guān)系到整個(gè)水工建筑物的安全運(yùn)行。

由于混凝土是由各種不同材料性質(zhì)組成的人工合成的多相復(fù)合材料，其均勻性較差，抗拉強(qiáng)度較低，又有膨脹收縮、徐變等特性，其具有脆性易損特征。大型水工混凝土結(jié)構(gòu)投資大、服役時(shí)間長(zhǎng)，經(jīng)常在外部耦合因素的作用下，不可避免地會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損傷，對(duì)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性、耐久性、承載能力等具有重要影響，降低使用壽命，需要加固維修或重建，浪費(fèi)大量維修費(fèi)用和重建費(fèi)用；更甚者，極端情況下可能引發(fā)災(zāi)難性事件。

混凝土材料受載后，除產(chǎn)生一定量的彈性變形外，原生裂隙和缺陷也會(huì)產(chǎn)生一系列變化，先是閉合或張開，繼而在端部出現(xiàn)微裂區(qū)并逐漸開裂和擴(kuò)展，直至演化為失穩(wěn)破壞?；炷两Y(jié)構(gòu)在拉伸、彎曲、剪切或壓縮的受載情況下導(dǎo)致的損傷及破壞過(guò)程中均有聲發(fā)射現(xiàn)象發(fā)生。

聲發(fā)射技術(shù)可以用于確定混凝土結(jié)構(gòu)的損傷，是一種有效的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(SHM)手段。聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于在役水工建筑物的檢測(cè)，在國(guó)外已經(jīng)有過(guò)一些較有成效的應(yīng)用案例：如對(duì)位于日本本州島的一座混凝土拱壩，進(jìn)行了聲發(fā)射檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該混凝土拱壩安全狀況的評(píng)估[8]；加拿大魁北克電力公司和Sherbrooke大學(xué)合作，在老混凝土壩剪切破壞聲發(fā)射檢測(cè)方面進(jìn)行了深入研究，分析了在不同正應(yīng)力作用下的聲發(fā)射特性，認(rèn)為該項(xiàng)技術(shù)在檢測(cè)混凝土重力壩抗滑穩(wěn)定方面有良好的應(yīng)用前景。

2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置主要包括檢測(cè)門檻(閾值)、傳感器、時(shí)間參數(shù)(峰值定義時(shí)間PDT、撞擊定義時(shí)間HDT和撞擊閉鎖時(shí)間HLT)和波速等。

2.1 檢測(cè)門檻的設(shè)置

為了剔除背景噪聲，需設(shè)置適當(dāng)?shù)拈T檻值(閾值)，一般的門檻值是35～55dB，試驗(yàn)條件和材料不同時(shí)門檻值也會(huì)不同。

門檻的設(shè)置主要與背景噪聲的電平及需要檢測(cè)的最小信號(hào)幅值有關(guān)。

測(cè)試方法是采用低頻窄帶寬高靈敏度諧振傳感器，低門檻，進(jìn)行背景噪聲的設(shè)置，一般在噪聲電平的基礎(chǔ)上增加6～10dB作為混凝土結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射檢測(cè)門檻值。

2.2 傳感器的設(shè)置

傳感器是聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)的重要部分，是影響系統(tǒng)整體性能重要因素。傳感器的選擇不合理，或許使得接受到的信號(hào)和希望接受到的聲發(fā)射信號(hào)有較大差別，直接影響采集到的數(shù)據(jù)真實(shí)度和數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

金屬材料常使用頻帶范圍為25～750kHz的諧振式傳感器，尤其是中心頻率為150kHz的諧振式窄帶傳感器居多；而混凝土檢測(cè)中，一般采用頻率更低一些的窄帶高靈敏度諧振傳感器，如PAC公司的R3和R6系列。

窄帶高靈敏度諧振傳感器R3α，其工作頻率范圍為25～70kHz，諧振頻率為29kHz(Ref V/(m·s-1))。窄帶高靈敏度諧振傳感器R6α，其工作頻率范圍為35～100kHz，諧振頻率為55kHz(Ref V/(m·s-1))。有關(guān)低頻傳感器的頻率響應(yīng)曲線如圖1所示。

圖1 頻率響應(yīng)曲線

2.3 時(shí)間參數(shù)的設(shè)置

時(shí)間參數(shù)包括：峰值鑒別時(shí)間(PDT)、撞擊鑒別時(shí)間(HDT)和撞擊閉鎖時(shí)間(HLT)。峰值鑒別時(shí)間(PDT)，是為正確確定撞擊信號(hào)的上升時(shí)間而設(shè)置的最大峰值等待時(shí)間間隔，應(yīng)選擇得盡量短。撞擊鑒別時(shí)間(HDT)，是為正確確定撞擊信號(hào)的終點(diǎn)而設(shè)置的撞擊信號(hào)等待時(shí)間間隔；如將其選得過(guò)短，會(huì)把一個(gè)撞擊測(cè)為幾個(gè)撞擊，如選得過(guò)長(zhǎng)，又會(huì)把幾個(gè)撞擊測(cè)成一個(gè)撞擊。撞擊閉鎖時(shí)間(HLT)，是在撞擊信號(hào)中為避免采集反射波或遲到波而設(shè)置的關(guān)閉測(cè)量電路的時(shí)間間隔。

聲發(fā)射信號(hào)在不同材料中的傳播特征有很大的差別，如，混凝土、巖石等復(fù)合材料中信號(hào)的衰減比金屬材料大得多，對(duì)這類材料進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，時(shí)間參數(shù)值要小一些。因而，需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定適合被檢測(cè)材料的時(shí)間參數(shù)。

本文采用PAC公司的POESH-Ⅲ型鏈?zhǔn)阶栽匆蕴暟l(fā)射系統(tǒng)(Daise AE)，傳感器為R6α型窄帶高靈敏度諧振傳感器，內(nèi)置前置放大器增益為26dB，門檻設(shè)置為40dB，模擬源為0.5mm，硬度為HB的鉛筆芯折斷(Pencil Lead Break，PLB)。PLB試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 PLB試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

在某混凝土試件上距離傳感器100、300、600mm的位置分別各進(jìn)行5次斷鉛，取5次斷鉛信號(hào)的上升時(shí)間均值作為該距離的上升時(shí)間，5次斷鉛信號(hào)的幅值響應(yīng)均值作為該距離的幅值。峰值鑒別時(shí)間(PDT)取值一般略大于信號(hào)的平均上升時(shí)間，撞擊鑒別時(shí)問(wèn)(HDT)一般取值為2倍的PDT，撞擊封閉時(shí)間(HLT)稍大約HDT。

由表1可知，隨著傳輸距離的增大，信號(hào)的上升時(shí)間增大，幅值衰減，因此一般需要根據(jù)傳感器最大間距，鑒于傳感器陣列內(nèi)聲發(fā)射定位源離傳感器的最小距離為0，最大距離為最大傳感器間距，折中根據(jù)0.5倍的最大傳感器間距情況下的信號(hào)上升時(shí)間來(lái)確定聲發(fā)射時(shí)間參數(shù)。

針對(duì)本試驗(yàn)，如果最大傳感器間距為600mm，則時(shí)間參數(shù)取值見(jiàn)表2。

表2 時(shí)間參數(shù)設(shè)置

2.4 波速的設(shè)置及波速衰減特性

利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，對(duì)AE源進(jìn)行準(zhǔn)確定位是其主要任務(wù)之一。

時(shí)差定位是一種常用的AE源定位方式，定位計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)是到達(dá)時(shí)間和波速，目前的大多數(shù)商業(yè)聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)，時(shí)間精度可以達(dá)到0.1μs，因此定位精度最為關(guān)鍵的是聲速。

對(duì)于均勻介質(zhì)而言，聲波傳播速度更接近于材料的固有屬性，因此在源定位中采用固定值。但是對(duì)于混凝土來(lái)說(shuō)，情況更為復(fù)雜?；炷潦且环N由水泥(或其他的膠凝材料及摻合料)、集料(粗骨料、砂)、水和添加劑經(jīng)機(jī)械拌合而成的各向異性的混合材料；是非均質(zhì)的三相體，即固體、液體和氣體。聲發(fā)射信號(hào)在多相介質(zhì)中傳播，加之大量的微觀孔隙、裂縫結(jié)構(gòu)的存在，聲波傳播過(guò)程中發(fā)生的散射、折射、波形轉(zhuǎn)換等，隨著傳播距離的增加，聲速會(huì)降低而聲波衰減(幅值、能量衰減)會(huì)增大[9]。

采用R6型低頻諧振高靈敏度傳感器在某大壩混凝土結(jié)構(gòu)上進(jìn)行不同傳輸距離下的聲速的測(cè)量，門檻取值為40dB。以其中一個(gè)傳感器為基準(zhǔn)，作為母?jìng)鞲衅?，在其附近斷鉛，離其不同距離處的傳感器分別接受該斷鉛信號(hào)，然后利用斷鉛位置到2個(gè)傳感器(其中一個(gè)傳感器為母?jìng)鞲衅?的距離差和信號(hào)傳輸時(shí)間差(5次斷鉛信號(hào)傳輸時(shí)間差的均值)，計(jì)算該距離下的平均聲速，有關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 聲速測(cè)量

聲速計(jì)算曲線如圖2所示。

圖2 聲速計(jì)算曲線

曲線分為上平臺(tái)(x≤200mm)、聲速快速衰減區(qū)和下平臺(tái)(x≥600mm)3個(gè)階段，不同階段的平均聲速相差很大。采用指數(shù)、對(duì)數(shù)2種非線性擬合模型分別對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合優(yōu)度均很高，因此可以根據(jù)擬合模型將任何位置下的平均聲速進(jìn)行修正，采用變聲速的方式進(jìn)行時(shí)差定位計(jì)算。

聲波在傳播過(guò)程中發(fā)生幅值的衰減和波形的變化，隨著傳輸距離的增大，信號(hào)上升時(shí)間增加、到達(dá)時(shí)間推后，導(dǎo)致用于聲速計(jì)算的傳播時(shí)間取值偏大，從而使聲速計(jì)算值偏小。

聲波在混凝土中的傳播速度受齡期、密實(shí)程度、骨料、強(qiáng)度等各方面因素影響；一般應(yīng)以斷鉛試驗(yàn)的方式進(jìn)行波速的實(shí)際測(cè)量。

3 AE特征參數(shù)的選擇

聲發(fā)射基本特征參數(shù)有到達(dá)時(shí)間、振鈴計(jì)數(shù)、幅值、能量、上升時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、撞擊計(jì)數(shù)、撞擊率、事件數(shù)、事件率等，如圖3所示。一般通過(guò)這些特征參數(shù)的相關(guān)分布圖、關(guān)聯(lián)分布圖、時(shí)間經(jīng)歷圖來(lái)表征材料及結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射過(guò)程或狀態(tài)。

圖3 AE基本特征參數(shù)

為了充分體現(xiàn)材料和構(gòu)件聲發(fā)射過(guò)程或狀態(tài)的個(gè)體屬性，針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)僅僅通過(guò)基本參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠；因此需要構(gòu)造新的聲發(fā)射特征參數(shù)，即以聲發(fā)射基本參數(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)造函數(shù)得到新的特征參數(shù)對(duì)相應(yīng)的特征進(jìn)行比較分析。

混凝土結(jié)構(gòu)中存在的各種活動(dòng)性裂縫類的損傷，可以通過(guò)構(gòu)造2個(gè)新的特征參數(shù)：上升時(shí)間-幅值比RA和平均頻率AF來(lái)區(qū)別活動(dòng)性裂縫[10]的類別(拉伸型、剪切型或混合型)。

(1)

式中，RA—波形梯度倒數(shù)，表明波形達(dá)到峰值的快慢；AF—一個(gè)撞擊對(duì)應(yīng)的波形頻率的平均狀況，是波形頻率分量的較好近似。

用聲發(fā)射參數(shù)確認(rèn)損傷如圖4所示。

圖4 用聲發(fā)射參數(shù)確認(rèn)損傷

圖4中左側(cè)區(qū)域表示拉伸型裂縫(Tensile Crack)的AE參數(shù)分布，右側(cè)區(qū)域表示剪切型裂縫(Shear Crack)的AE參數(shù)分布。拉伸型裂縫聲發(fā)射信號(hào)具有較小的RA和較大的AF，剪切型裂縫聲發(fā)射信號(hào)具有較大的RA和較小的AF。

一組實(shí)測(cè)的損傷模型分布數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 損傷的AE數(shù)據(jù)

由圖5可知，拉伸型、剪切型裂縫聲發(fā)射信號(hào)數(shù)量占比分別為41.6%、58.4%，2種裂縫AF-RA散點(diǎn)圖分布的分界線方程為AF(kHz)=0.359×RA(ms/V)。AF變小、RA變大預(yù)示著損傷失效模式從拉伸型往剪切型轉(zhuǎn)變。

4 結(jié)語(yǔ)

本文給出了水工混凝土結(jié)構(gòu)聲發(fā)射檢測(cè)時(shí)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的試驗(yàn)方法和依據(jù)，并討論新構(gòu)造的上升時(shí)間-幅值比(RA)和平均頻率(AF)2個(gè)AE特征參數(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)中活動(dòng)性裂縫損傷分類識(shí)別方面的應(yīng)用。

(1)根據(jù)0.5倍的最大傳感器間距處斷鉛信號(hào)的上升時(shí)間來(lái)確定聲發(fā)射時(shí)間參數(shù)，針對(duì)諧振頻率為55kHz的低頻傳感器，時(shí)間參數(shù)PDT、HDT、HLT取值可推薦為300、600、800μs。

(2)聲波在混凝土中的傳播速度存在明顯的衰減特性，一般應(yīng)以斷鉛試驗(yàn)的方式進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。

(3)新構(gòu)造的聲發(fā)射特征參數(shù)RA和AF可以用于裂縫類型的分類。

本文為混凝土聲發(fā)射檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化提供了一些基礎(chǔ)參考和依據(jù)，但是在通過(guò)RA和AF2個(gè)特征參數(shù)進(jìn)行裂縫類型(損傷類別)識(shí)別方面研究不夠深入，有待進(jìn)一步的分析研究。