采用聲發(fā)射技術(shù)檢測(cè)鋼橋疲勞裂紋

鞠曉臣, 梁永奇, 趙欣欣, 楊江天

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所, 北京 100081; 2.北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院, 北京 100044)

隨著我國(guó)交通量的逐年增長(zhǎng)以及橋梁服役年限的增加,鋼橋梁的病害逐步呈現(xiàn),其中以疲勞裂紋最為嚴(yán)重。為了避免疲勞裂紋對(duì)橋梁安全產(chǎn)生不利影響,須對(duì)在役的大跨徑橋梁進(jìn)行疲勞裂紋檢測(cè),以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。賀栓海等[1]對(duì)橋梁的檢測(cè)現(xiàn)狀及前景進(jìn)行綜述,得出了智能化無(wú)損檢測(cè)是橋梁檢測(cè)的發(fā)展方向。在目前鋼橋梁現(xiàn)有的疲勞裂紋檢測(cè)方法中,目視檢測(cè)、磁粉探傷、渦流檢測(cè)、只能檢測(cè)表面裂紋,射線照相對(duì)微小缺陷靈敏度低,且射線對(duì)人體有害,超聲檢測(cè)非常依賴檢驗(yàn)員經(jīng)驗(yàn)且信號(hào)強(qiáng)度不強(qiáng)[2]。超聲波相控技術(shù)、超聲波雙探頭檢測(cè)、智能機(jī)器人等[3-13]檢測(cè)方法能夠檢測(cè)出裂紋是否存在及裂紋的尺寸、分布等信息,但更重要的因素是裂紋是否會(huì)擴(kuò)展,會(huì)不會(huì)進(jìn)一步演化進(jìn)而影響構(gòu)件的安全使用。聲發(fā)射(acoustic emission,AE)是指材料或構(gòu)件的內(nèi)部缺陷在外界條件(應(yīng)力、溫度等)作用下,以彈性波形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象[14]。缺陷在穩(wěn)定的狀態(tài)下是探測(cè)不到它的聲發(fā)射信號(hào)的,所以可利用聲發(fā)射技術(shù)判定“活”裂紋,可以說(shuō),聲發(fā)射檢測(cè)對(duì)于疲勞裂紋的分類是一種革新,傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)方法是以裂紋的尺寸進(jìn)行劃分,而聲發(fā)射檢測(cè)則是以其危險(xiǎn)程度劃分,對(duì)于工程實(shí)際有著更為重要的意義。

仿真設(shè)計(jì)步驟如下：仿真時(shí)長(zhǎng)為0.05 s，在0.015 s時(shí)，串聯(lián)一個(gè)20 Ω電阻擾動(dòng)；到0.025 s時(shí)，串聯(lián)一個(gè)1 V電源擾動(dòng)；在0.035 s時(shí)，并聯(lián)一個(gè)50 Ω電阻擾動(dòng)。用Scope模塊觀察輸出電壓的變化，對(duì)比加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓波形和未加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電壓波形，來(lái)驗(yàn)證電路的合理性。仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。

傳統(tǒng)的聲發(fā)射技術(shù)常用參數(shù)分析法對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行描述、分析,從聲發(fā)射技術(shù)發(fā)展的早期一直到現(xiàn)在都被廣為應(yīng)用。但它只是對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的簡(jiǎn)單處理,聲發(fā)射信號(hào)蘊(yùn)含的很多信息在參數(shù)分析法中不能夠得到揭示。隨著社會(huì)發(fā)展,各種軟硬件技術(shù)的提高,波形分析法分析聲發(fā)射信號(hào)成為了研究熱點(diǎn),能夠更為全面詳盡的對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理描述。基于優(yōu)化峰度、比較熵值、波形分析、信息熵分析、波形聚類等方法取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。聲發(fā)射檢測(cè)靈敏度高,在裂紋的萌生階段就能檢測(cè)出,正是因?yàn)槠涿舾?使得聲發(fā)射信號(hào)容易受到噪聲干擾[15-24]。

本文在實(shí)驗(yàn)獲得典型疲勞裂紋聲發(fā)射信號(hào)后進(jìn)行了降噪處理,并在降噪的基礎(chǔ)上運(yùn)用波形分析法對(duì)不同損傷階段的疲勞裂紋聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行了時(shí)域、頻域、時(shí)頻域的相關(guān)研究,從幅值、峭度因子、脈沖因子、頻譜、時(shí)頻圖能量角度對(duì)信號(hào)進(jìn)行了特征提取,解決了疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展、斷裂的識(shí)別問(wèn)題。

1 檢測(cè)原理及小波理論

1.1 檢測(cè)原理

聲發(fā)射源產(chǎn)生的彈性振動(dòng)以波的形式傳播到構(gòu)件(或材料)的表面,AE傳感器探測(cè)到應(yīng)力波到達(dá)材料表面引起的表面位移,并將表面位移的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),然后被放大、采集、處理。

由于疲勞裂紋聲發(fā)射信號(hào)的頻率信號(hào)信息較為寬泛,表現(xiàn)為非平穩(wěn)性、不確定性和隨機(jī)性特征。而傳統(tǒng)的基于傅里葉變換的頻域分析方法在分析此類信號(hào)時(shí),由于缺乏時(shí)間信息,從而無(wú)法獲得理想的分析結(jié)果。小波變換作為一種時(shí)頻分析方法,可以對(duì)聲發(fā)射信號(hào)中高頻迅變分量和低頻緩變分量進(jìn)行有效分析,有效描述聲疲勞裂紋聲發(fā)射信號(hào)時(shí)域、頻域局部特征,因此本文選用小波變換對(duì)含有瞬態(tài)現(xiàn)象且有頻譜多模態(tài)的疲勞裂紋聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析。

觀察圖2可知，優(yōu)化方案總定價(jià)沒(méi)有明顯增長(zhǎng)，保證了企業(yè)的長(zhǎng)久發(fā)展；優(yōu)化方案任務(wù)完成比例和定價(jià)效率有所提升；會(huì)員滿意度和可持續(xù)參與性有所提升，表示定價(jià)方案具有長(zhǎng)久發(fā)展的潛力。綜合上述分析，優(yōu)化任務(wù)定價(jià)方案實(shí)施效果優(yōu)于原方案。

1.2 小波變換

由于材料(構(gòu)件)內(nèi)部存在初始缺陷及不均勻性,當(dāng)受到外界作用時(shí),就會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中且局部分布不均的現(xiàn)象,隨著應(yīng)變能的積累,該區(qū)域會(huì)首先出現(xiàn)材料的塑性變形,積累到一定程度,會(huì)產(chǎn)生微孔洞的形核、生長(zhǎng),有不連續(xù)間歇性的微裂紋出現(xiàn),即裂紋的萌生。能量的釋放會(huì)使得原應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力就會(huì)被卸掉,隨著應(yīng)力集中的減弱,新的微裂紋就會(huì)和之前的微裂紋連接、匯合,形成比之前更大的裂紋,匯合之后的裂紋會(huì)更為快速的發(fā)展,此時(shí)會(huì)伴隨大量的聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生,即裂紋的擴(kuò)展階段。當(dāng)裂紋繼續(xù)擴(kuò)展到瀕臨臨界長(zhǎng)度時(shí),材料將會(huì)出現(xiàn)劇烈的不穩(wěn)定增長(zhǎng)和快速的失穩(wěn)斷裂,即裂紋的斷裂階段。材料(試件)在裂紋萌生、擴(kuò)展、斷裂不同損傷階段均伴隨著聲發(fā)射現(xiàn)象,其聲發(fā)射信號(hào)隱藏著裂紋損傷演化的大量信息。不同的源機(jī)制產(chǎn)生不同的聲發(fā)射信號(hào),因此,可以根據(jù)不同的信號(hào)特征反推源機(jī)制。正是基于上述機(jī)理,用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)來(lái)獲得材料疲勞裂紋不同損傷階段的動(dòng)態(tài)信息是可行的。

對(duì)于一個(gè)連續(xù)可積的信號(hào)x(t)的連續(xù)小波變換(continuous wavelet transform,CWT)為:

(1)

式中:a是尺度因子,該參數(shù)與頻率互為倒數(shù),使Ψ(t)發(fā)生伸縮變換;b是平移因子,用于確定對(duì)x(t)進(jìn)行分析的位置,即時(shí)間中心;Ψ*(t)為函數(shù)Ψ(t)的復(fù)共軛,Ψ(t)被稱為一個(gè)基本小波或小波母函數(shù),其必須滿足容許條件:

(2)

(3)

W(a,b)的逆變換為:

(4)

式中:

(5)

小波變換的本質(zhì)就是母小波經(jīng)伸縮平移所得到的小波基函數(shù)和x(t)的內(nèi)積。通過(guò)對(duì)式(4)的進(jìn)一步分析可以得知,隨著尺度因子a的減小,x(t)的時(shí)域觀察范圍變窄,頻域觀察范圍變寬,且中心頻率向高頻移動(dòng),頻譜向高頻集中,時(shí)域分辨率提高;隨著a的增大,x(t)的時(shí)域觀察范圍變寬,頻域觀察范圍變窄,頻譜向低頻部分集中,頻率分辨率提高。也即是說(shuō),小波變換可將信號(hào)分解為多種尺度分量,針對(duì)不同的尺度分量自適應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)域或頻域的取樣步長(zhǎng),從而能夠聚焦信號(hào)的任意微小細(xì)節(jié)。

1.2.1 小波基選擇

在利用小波變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理之前,需要確定合適的小波基函數(shù),不同的小波基函數(shù)具有不同的時(shí)頻特性,對(duì)于同一個(gè)問(wèn)題,使用不同的小波基對(duì)其進(jìn)行分析將會(huì)得到不同的結(jié)果。因此從眾多的小波基函數(shù)中選取合適的小波基來(lái)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行降噪預(yù)處理,是提取含噪聲發(fā)射信號(hào)有效信息的關(guān)鍵。根據(jù)常用小波基的特征,結(jié)合聲發(fā)射信號(hào)的特點(diǎn)及工程中對(duì)聲發(fā)射信號(hào)分析的要求,用于聲發(fā)射信號(hào)分析的小波基應(yīng)具有線性相位和緊支性并且至少應(yīng)具有一階消失矩,同時(shí)可進(jìn)行離散小波變換。

我國(guó)常態(tài)化的公務(wù)員培訓(xùn)始于上世紀(jì)80年代，至今已有30多年的歷史。應(yīng)該說(shuō)，這種常態(tài)化的公務(wù)員培訓(xùn)對(duì)于公務(wù)員能力和政府競(jìng)爭(zhēng)力的提升起到了極為重要的作用?！叭嗣袢找嬖鲩L(zhǎng)的對(duì)美好生活需要和公務(wù)員能力素質(zhì)不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾”已經(jīng)成為公務(wù)員培訓(xùn)所必須解決的一個(gè)重大課題和當(dāng)務(wù)之急。要成功化解這一主要矛盾，就必須對(duì)現(xiàn)行的公務(wù)員培訓(xùn)（包括培訓(xùn)理念、培訓(xùn)模式和培訓(xùn)評(píng)估等）進(jìn)行全面的變革和創(chuàng)新。筆者認(rèn)為，以“具身認(rèn)知”理論為視角，根據(jù)“具身認(rèn)知”理論的核心意蘊(yùn)及對(duì)公務(wù)員培訓(xùn)的新啟示，重新審視和反思現(xiàn)行公務(wù)員培訓(xùn)中的存在問(wèn)題，以探索公務(wù)員培訓(xùn)變革和創(chuàng)新的理論邏輯和實(shí)踐路徑，不失為一種可行且有效的方法。

為更直觀地看出疲勞裂紋不同損傷階段的峭度因子和脈沖因子差異,本文繪制了如圖7所示的散點(diǎn)圖,裂紋萌生階段和擴(kuò)展階段,斷裂階段和擴(kuò)展階段峭度因子和脈沖因子差異很大。因此,上述2個(gè)無(wú)量綱特征值可作為區(qū)分疲勞裂紋非擴(kuò)展聲發(fā)射信號(hào)和擴(kuò)展聲發(fā)射信號(hào)的依據(jù)。然而對(duì)于萌生階段和斷裂階段,這2個(gè)指標(biāo)的數(shù)值比較接近,因此需要借助其他的方法對(duì)疲勞裂紋萌生聲發(fā)射信號(hào)及斷裂聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行區(qū)分?？山Y(jié)合本文提出的時(shí)域幅值,當(dāng)峭度因子和脈沖因子數(shù)值相近時(shí),時(shí)域幅值明顯小的為萌生裂紋聲發(fā)射信號(hào),通過(guò)復(fù)合判斷實(shí)現(xiàn)疲勞裂紋不同損傷階段的狀態(tài)識(shí)別。

綜合小波基選擇條件,目前工程中常用的小波基中可選用的小波為:Coiflet小波、Symlets小波、Haar小波。本文以萌生裂紋的聲發(fā)射信號(hào)為例,分析疲勞裂紋聲發(fā)射信號(hào)降噪處理的過(guò)程。除滿足上述條件外,小波基與還要與圖1所示原始信號(hào)具有較高的相關(guān)性。小波基與信號(hào)的相關(guān)性越高,用小波基分析信號(hào)的特征就越準(zhǔn)確。通過(guò)與疲勞裂紋聲發(fā)射信號(hào)對(duì)比發(fā)現(xiàn),db6、db7、db8、db9、sym6、sym7、sym8與疲勞裂紋聲發(fā)射信號(hào)的相關(guān)性較好,小波函數(shù)形狀圖如圖2所示。結(jié)合性質(zhì)表及選取的Coiflet小波、Symlets小波、Haar小波,兩者取交集,由其交集結(jié)果可得,從sym6、sym7、sym8 3種小波中選擇最優(yōu)小波函數(shù)。

圖1 原始聲發(fā)射信號(hào)Fig.1 Original acoustic emission signal

圖2 與裂紋聲發(fā)射信號(hào)相似性高的小波形狀圖Fig.2 Wavelet shape diagram with high similarity to the crack acoustic emission signal

1.2.2 去噪效果評(píng)價(jià)與信號(hào)重構(gòu)

由于課堂授課時(shí)間有限，《導(dǎo)基》這門課的傳統(tǒng)教學(xué)方式只能滿足部分學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。而智慧課堂教學(xué)可以在課前、課中、課后各個(gè)階段利用網(wǎng)絡(luò)資源平臺(tái)給學(xué)生輸送課件、圖片、視頻及練習(xí)等，同時(shí)教師還可以根據(jù)具體教學(xué)內(nèi)容實(shí)時(shí)發(fā)布小問(wèn)題、討論和頭腦風(fēng)暴，以滿足不同學(xué)情的學(xué)生多方面的學(xué)習(xí)需求。

表1 去噪效果評(píng)價(jià)Table 1 Evaluation of denoising effect

1)首先對(duì)試樣受力點(diǎn)預(yù)加載降噪。利用材料的Kaiser效應(yīng)消除加載過(guò)程中試件受力區(qū)域(夾具夾持區(qū)域)塑性變形引起的噪聲,預(yù)先施加短時(shí)間靜載使該區(qū)域承受一定程度過(guò)載;

圖3 去噪后的聲發(fā)射信號(hào)Fig.3 Denoised acoustic emission signal

2 識(shí)別疲勞裂紋試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了能夠在實(shí)際鋼橋梁檢監(jiān)測(cè)中準(zhǔn)確識(shí)別疲勞裂紋所處的狀態(tài),需要獲取典型橋梁鋼不同損傷階段的典型疲勞裂紋聲發(fā)射信號(hào),信號(hào)的獲取通過(guò)試驗(yàn)的方式實(shí)現(xiàn)。本文中有關(guān)聲發(fā)射檢測(cè)的試驗(yàn)均采用美國(guó)物理聲學(xué)公司公司生產(chǎn)的 Micro-II型主機(jī)。聲發(fā)射傳感器選用公司提供的R15I-AST型聲發(fā)射傳感器,疲勞裂紋聲發(fā)射檢測(cè)實(shí)驗(yàn)所用的加載設(shè)備為高速鐵路系統(tǒng)試驗(yàn)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室—橋梁結(jié)構(gòu)工程試驗(yàn)室的±2 000 kN液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)。

試驗(yàn)所用疲勞試件厚度為24 mm,其他尺寸如圖4所示。

圖4 疲勞加載試樣Fig.4 Fatigue loaded sample

由表1可選出sym6為疲勞裂紋聲發(fā)射信號(hào)去噪最佳小波基,最佳分解層數(shù)為4層,采用軟閾值方法對(duì)高頻層進(jìn)行量化處理,進(jìn)行信號(hào)重構(gòu),得到如圖3所示的聲發(fā)射信號(hào)。

2)采用打磨機(jī)對(duì)放置傳感器區(qū)域進(jìn)行拋光處理,并在傳感器與試件接觸區(qū)域涂抹耦合劑,用磁力固定器將傳感器固定在試件表面;

4)完成儀器標(biāo)定之后,在設(shè)備空載的情況下對(duì)背景噪聲進(jìn)行30 min監(jiān)測(cè),記錄實(shí)驗(yàn)背景噪聲,為門檻設(shè)置以及以后數(shù)據(jù)處理提供參考。

3)進(jìn)行采集信號(hào)前,為了檢驗(yàn)儀器參數(shù)是否合理以及傳感器的耦合情況,要先進(jìn)行儀器標(biāo)定。采用斷鉛信號(hào)作為激勵(lì),如果傳感器檢測(cè)到的幅值在90 dB以上,則可證明儀器參數(shù)設(shè)置較為合理,耦合情況良好;

為量化小波變換對(duì)于原始信號(hào)的降噪效果,本文選用信噪比(signal to noise ratio,SNR)和均方根誤差(root mean square error,RMSE)對(duì)降噪效果進(jìn)行評(píng)估,在對(duì)疲勞裂紋聲發(fā)射信號(hào)降噪效果進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí),如果降噪后的信號(hào)較大的信噪比,較小的均方根誤差則說(shuō)明信號(hào)的去噪效果較好。試驗(yàn)所用的聲發(fā)射信號(hào)采樣長(zhǎng)度為4 096,因此小波分解最大層數(shù)為8,經(jīng)過(guò)前期簡(jiǎn)單對(duì)比發(fā)現(xiàn)分解層數(shù)為3、4、5效果較好,利用信噪比、均方根對(duì)3種不同小波基在3種不同分解層數(shù)的9種組合下的降噪效果進(jìn)行評(píng)價(jià),選出最優(yōu)小波基和最佳分解層數(shù),計(jì)算結(jié)果如表1所示。

試件在試驗(yàn)機(jī)循環(huán)加載下不斷損傷演化,從裂紋萌生、擴(kuò)展直到達(dá)到橋梁用鋼斷裂失效安全標(biāo)準(zhǔn),設(shè)備自動(dòng)停機(jī)。在這一過(guò)程中,聲發(fā)射儀器記錄全程損傷數(shù)據(jù)。最后基于關(guān)聯(lián)圖及裂紋損傷演化過(guò)程在大量的聲發(fā)射信號(hào)中,找到典型的裂紋聲發(fā)射信號(hào)。加載形成的裂紋如圖5所示。

意識(shí)形態(tài)的認(rèn)同對(duì)于國(guó)家統(tǒng)合具有重要的影響。國(guó)民黨執(zhí)政時(shí)期，對(duì)于國(guó)民黨思想和組織的統(tǒng)合，對(duì)于知識(shí)界認(rèn)同的爭(zhēng)取、民眾情感與信仰的凝聚均不算成功。王世杰在1943年2月18日的日記中寫道:“今晚為新生活運(yùn)動(dòng)九周年紀(jì)念之前夕，蔣先生在紀(jì)念會(huì)上作甚長(zhǎng)之演說(shuō)。聽眾雖俱為中央委員或新生活運(yùn)動(dòng)會(huì)干部分子，但予總覺(jué)彼等內(nèi)心對(duì)于此一運(yùn)動(dòng)仍缺乏篤行與身體力行之誠(chéng)意。總干事以黃仁霖充任，似只能作若干表面的工作，不能使一般知識(shí)界對(duì)于此一運(yùn)動(dòng)增加其注意與敬重”??？梢姡瑹o(wú)論是黨內(nèi)，還是黨外，國(guó)民黨的意識(shí)形態(tài)宣導(dǎo)都不能發(fā)揮其作用。

圖5 加載形成的裂紋Fig.5 Cracks formed by loading

3 疲勞裂紋試驗(yàn)結(jié)果分析

疲勞裂紋的發(fā)展過(guò)程分為裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展、失穩(wěn)斷裂3個(gè)階段,其中失穩(wěn)斷裂階段裂紋擴(kuò)展速度很快,對(duì)壽命影響很小。本文針對(duì)這3個(gè)不同階段的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行研究,但主要的研究對(duì)象是裂紋萌生階段和裂紋擴(kuò)展階段,這也符合工程實(shí)際。利用小波變換對(duì)3個(gè)階段的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行降噪預(yù)處理,其中小波基函數(shù)為本文所得的sym6,得到的3個(gè)階段降噪后的聲發(fā)射信號(hào)如圖6所示。

總之，獨(dú)立學(xué)院健康發(fā)展是個(gè)系統(tǒng)工程，它不僅涉及到學(xué)校辦學(xué)定位，還涉及到國(guó)家宏觀層面的政策因素，其師資隊(duì)伍建設(shè)必然面臨許多問(wèn)題與困難，獨(dú)立學(xué)院必須緊緊抓住“科學(xué)發(fā)展”這條主線，努力探索一條適合自身發(fā)展的師資隊(duì)伍建設(shè)道路。

同時(shí)，他還在育苗、移栽、灌水、施肥、整枝打杈等關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)環(huán)節(jié)，堅(jiān)持深入田間地頭對(duì)廣大農(nóng)民進(jìn)行零距離指導(dǎo)，使他們?cè)谧疃痰臅r(shí)間內(nèi)掌握先進(jìn)的農(nóng)業(yè)實(shí)用技術(shù)。多年來(lái)，郝哲已累計(jì)制定設(shè)施瓜菜水果栽培技術(shù)規(guī)程22項(xiàng)，舉辦各類培訓(xùn)班200余期，受訓(xùn)群眾達(dá)2萬(wàn)余人（次）。通過(guò)他的技術(shù)培訓(xùn)和現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的科技素質(zhì)得到切實(shí)提高，一大批科技種植專業(yè)能手涌現(xiàn)出來(lái)，農(nóng)民的“造血”功能得到增強(qiáng)，一大批農(nóng)民逐步走上了用科學(xué)技術(shù)提高生產(chǎn)效益的路子，郝哲成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民脫貧致富的帶頭人。

3.1 時(shí)域分析

由圖6可知,疲勞裂紋不同發(fā)展階段的聲發(fā)射信號(hào)在幅值上有明顯的差別,裂紋萌生階段聲發(fā)射信號(hào)的幅值最小、裂紋失穩(wěn)斷裂階段聲發(fā)射信號(hào)的幅值最大,裂紋擴(kuò)展階段聲發(fā)射信號(hào)幅值居中。然而只根據(jù)時(shí)域的幅值判定裂紋損傷的狀態(tài)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,需要選擇合適的時(shí)域指標(biāo)對(duì)疲勞裂紋3個(gè)不同損傷階段進(jìn)行量化分析,進(jìn)而利用提取的指標(biāo)對(duì)疲勞裂紋狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別。在信號(hào)處理中,常用的時(shí)域特征參數(shù)可以分為有量綱指標(biāo)和無(wú)量綱指標(biāo)。有量綱指標(biāo)對(duì)信號(hào)特征比較敏感,在信號(hào)處理應(yīng)用廣泛,但極易受環(huán)境干擾等外部影響。相比較而言,無(wú)量綱指標(biāo)的優(yōu)越性在于能夠減小甚至排除這些外界擾動(dòng)因素的影響,鑒于橋梁檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性,各種外部條件變化的隨機(jī)性,本文選擇無(wú)量綱指標(biāo)對(duì)不同發(fā)展階段的疲勞裂紋聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析,每種階段疲勞裂紋聲發(fā)射信號(hào)隨機(jī)選擇6個(gè),無(wú)量綱特征數(shù)值結(jié)果如表2～4所示。

圖6 去噪后的不同損傷階段典型聲發(fā)射信號(hào)Fig.6 Typical acoustic emission signals at different damage stages after denoising

由表2～4可以得出萌生、擴(kuò)展、斷裂不同損傷階段裂紋聲發(fā)射信號(hào)峭度因子平均值分別為19.821 5、100.980 1、30.546 8,脈沖因子平均值分別為35.337 7、106.405 5、42.909 0。而其他指標(biāo)則無(wú)法很好的區(qū)別橋梁疲勞裂紋發(fā)展的不同階段。綜上所述,選用峭度因子和脈沖因子用于區(qū)分疲勞裂紋的不同發(fā)展階段。

古詩(shī)詞語(yǔ)言凝練，內(nèi)涵豐富，但某些古詩(shī)詞中所描繪的意境遠(yuǎn)離學(xué)生的生活，學(xué)生想要深刻理解需要教師的引導(dǎo)。如戴建榮老師執(zhí)教《江雪》一詩(shī)，課堂伊始，教師指名朗讀，學(xué)生們讀得很有韻味，可戴老師認(rèn)為讀得一般，接下來(lái)戴老師的范讀充分展示了詩(shī)文中入聲字的獨(dú)特魅力，學(xué)生邊聽邊模仿，不經(jīng)意間就掌握了生字詞，了解了詩(shī)文的時(shí)代背景。戴老師利用深入淺出的講解和聲情并茂的吟唱，傳遞著詩(shī)人內(nèi)心的愿望和情感。

表2 萌生階段聲發(fā)射信號(hào)無(wú)量綱特征項(xiàng)數(shù)值Table 2 Values of dimensionless characteristic terms of acoustic emission signals in the emergent stage

表3 擴(kuò)展階段聲發(fā)射信號(hào)無(wú)量綱特征項(xiàng)數(shù)值Table 3 Values of dimensionless characteristic terms of acoustic emission signals in the extended phase

表4 斷裂階段聲發(fā)射信號(hào)無(wú)量綱特征項(xiàng)數(shù)值Table 4 Values of dimensionless characteristic terms of acoustic emission signal in fracture stage

這條線路主要以體驗(yàn)為主，為了使游客更加深入對(duì)茶文化進(jìn)行了解，可以將游客安排在寺廟中居住，與寺內(nèi)的僧侶一起坐禪、用齋及品茗等，充分感受廬山西海真如寺的佛教文化和茶文化。

圖7 提取的時(shí)域指標(biāo)散點(diǎn)圖Fig.7 Extracted time-domain metrics scatterplot

3.2 頻域及時(shí)頻域分析

為更好地服務(wù)于檢監(jiān)測(cè),本文對(duì)疲勞裂紋不同階段聲發(fā)射信號(hào)的頻域及時(shí)頻域進(jìn)行分析,進(jìn)一步突顯疲勞裂紋不同損傷階段聲發(fā)射信號(hào)的差異性,從而準(zhǔn)確快速的完成裂紋的狀態(tài)識(shí)別。3種不同階段的疲勞裂紋聲發(fā)射信號(hào)的頻域分析如圖8所示。

圖8 疲勞裂紋聲發(fā)射信號(hào)頻域分析圖Fig.8 Fatigue crack acoustic emission signal frequency domain analysis diagram

疲勞裂紋斷裂階段聲發(fā)射信號(hào)頻譜幅值遠(yuǎn)大于萌生、擴(kuò)展階段。然而在實(shí)際工程應(yīng)用中,因?yàn)榱鸭y失穩(wěn)斷裂很快,對(duì)壽命的影響很小,并且裂紋損傷導(dǎo)致的事故往往是災(zāi)難性的,如果直到裂紋失穩(wěn)斷裂階段才檢測(cè)裂紋故障,將會(huì)產(chǎn)生很大的安全風(fēng)險(xiǎn),因此需要在裂紋發(fā)展早期就要成功識(shí)別出橋梁裂紋故障,從而采取相應(yīng)措施以防止其發(fā)展。為更好地進(jìn)行疲勞裂紋的狀態(tài)識(shí)別,本文對(duì)萌生裂紋聲發(fā)射信號(hào)及擴(kuò)展裂紋聲發(fā)射信號(hào)做包絡(luò)譜分析,可以看出,萌生裂紋聲發(fā)射信號(hào)和擴(kuò)展裂紋聲發(fā)射信號(hào)頻率主要成分都位于65～200 kHz,不同的是萌生階段裂紋在主頻區(qū)間,幅值呈下降趨勢(shì),在主峰之后下降又出現(xiàn)峰值,而擴(kuò)展裂紋聲發(fā)射信號(hào)在主頻區(qū)間幅值呈大致平穩(wěn)分布。

聲發(fā)射信號(hào)屬于非平穩(wěn)的隨機(jī)信號(hào),在實(shí)際工程中聲發(fā)射信號(hào)會(huì)摻雜著各種各樣的干擾噪聲,由于噪聲在整個(gè)采樣時(shí)間具有隨機(jī)分布特征,小波降噪無(wú)法將其完全消除,因此不能只分析信號(hào)的時(shí)域特征,也不能只研究頻域特征,而是將時(shí)域和頻域聯(lián)系起來(lái),對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻域分析。疲勞裂紋聲發(fā)射信號(hào)在頻域中類似于高斯窗函數(shù),Morlet小波作為典型的高斯小波具有與疲勞裂紋聲發(fā)射信號(hào)具有類似的特征,且在時(shí)頻域中具有良好的緊支性,故采用Morlet小波作為小波變換的母小波,通過(guò)Morlet小波時(shí)頻分析,對(duì)疲勞裂紋不同損傷階段聲發(fā)射信號(hào)特征進(jìn)行提取。

根據(jù)圖9,可得知不同裂紋損傷階段的聲發(fā)射信號(hào)差異性較大。在能量數(shù)值上,斷裂裂紋聲發(fā)射信號(hào)能量最大,擴(kuò)展裂紋次之,萌生裂紋能量最小,而在能量分布上,萌生裂紋能量主要集中在92 kHz和127 kHz,擴(kuò)展裂紋能量主要集中在110～183 kHz,斷裂裂紋能量主要集中在83 kHz和120 kHz。萌生裂紋和斷裂裂紋能量集中區(qū)域比較相近,不同的是萌生裂紋能量峰值出現(xiàn)在相對(duì)高頻處即127 kHz左右,斷裂裂紋能量峰值出現(xiàn)在相對(duì)低頻處即83 kHz左右。

圖9 不同損傷階段疲勞裂紋聲發(fā)射信號(hào)時(shí)頻Fig.9 Time-frequency diagram of acoustic emission signal of fatigue crack at different damage stages

4 結(jié)論

1) 針對(duì)疲勞裂紋狀態(tài)識(shí)別,通過(guò)觀察疲勞裂紋聲發(fā)射信號(hào)的頻譜,如果頻譜幅值過(guò)大,則為斷裂階段,反之則為非斷裂階段即萌生和擴(kuò)展階段,針對(duì)非斷裂階段,再利用時(shí)域指標(biāo)峭度因子和脈沖因子進(jìn)行萌生階段和擴(kuò)展階段的區(qū)分。且可與信號(hào)時(shí)頻圖進(jìn)行相互驗(yàn)證,提高識(shí)別的準(zhǔn)確率。

2)本文在小波降噪之后,提取了時(shí)域指標(biāo),對(duì)萌生階段和擴(kuò)展階段量化從而進(jìn)行準(zhǔn)確的狀態(tài)識(shí)別;以往對(duì)于疲勞裂紋不同階段的能量只是有一個(gè)定性描述,本文從能量數(shù)值表現(xiàn)及分布狀態(tài)上有了更深入的分析。這些能夠量化的指標(biāo)對(duì)于后續(xù)檢測(cè)方法快速發(fā)展有很大的意義。

本文針對(duì)所采信號(hào)進(jìn)行后處理,缺乏實(shí)時(shí)處理能力,因此,下一步將研究實(shí)時(shí)處理方法并且與機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)相結(jié)合從而實(shí)現(xiàn)對(duì)疲勞裂紋聲發(fā)射信號(hào)快速識(shí)別。