混凝土靜態(tài)軸拉聲發(fā)射試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)研究

吳勝興，王 巖，李 佳，沈德建

(河海大學(xué)，南京 210098)

混凝土靜態(tài)軸拉聲發(fā)射試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)研究

吳勝興，王 巖，李 佳，沈德建

(河海大學(xué)，南京 210098)

對(duì)聲發(fā)射采集系統(tǒng)的硬件參數(shù)設(shè)置、濾噪?yún)?shù)設(shè)置以及聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)及其相關(guān)性進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。共進(jìn)行了11組斷鉛人工激發(fā)源試驗(yàn)和13個(gè)混凝土試件的單軸靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，采用全數(shù)字化的參數(shù)－波形式聲發(fā)射采集系統(tǒng)和三種不同型號(hào)的傳感器同步采集并存儲(chǔ)了試驗(yàn)過(guò)程中的聲發(fā)射特征參數(shù)和波形，應(yīng)用參數(shù)和波形分析相結(jié)合的方法以及波形事后提取分析等技術(shù)手段對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果表明:前置放大器增益、閾值、波形采樣率和采樣長(zhǎng)度、帶通濾波器等有一合理參數(shù)取值;幅度、振鈴、持續(xù)時(shí)間、聲發(fā)射信號(hào)能量、絕對(duì)能量、信號(hào)強(qiáng)度這6個(gè)參數(shù)能夠較好地體現(xiàn)混凝土軸拉損傷過(guò)程的階段性特征;聲發(fā)射幅度、振鈴數(shù)、持續(xù)時(shí)間、上升時(shí)間和信號(hào)強(qiáng)度5個(gè)參數(shù)之間存在顯著的相關(guān)性。研究成果可為采用聲發(fā)射技術(shù)研究混凝土的損傷破壞過(guò)程提供參考依據(jù)。

混凝土;軸拉;聲發(fā)射;采集參數(shù);特征參數(shù)

聲發(fā)射信號(hào)是包含豐富聲發(fā)射源信息的復(fù)雜波形，對(duì)其分析有助于研究材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞過(guò)程和推演損傷性質(zhì)。由于多數(shù)材料的聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度很弱且頻率范圍很寬，故需要借助靈敏的電子儀器對(duì)其進(jìn)行放大和濾噪等處理［1］。近年來(lái)，全數(shù)字化參數(shù)－波形式聲發(fā)射采集系統(tǒng)在材料研究中被廣泛使用，如文獻(xiàn)［2－4］，其優(yōu)點(diǎn)是能在滿足聲發(fā)射參數(shù)提取的同時(shí)采集一定長(zhǎng)度的波形，目前國(guó)內(nèi)已有許多單位購(gòu)進(jìn)了這種聲發(fā)射采集系統(tǒng)。筆者在采用該類(lèi)采集系統(tǒng)進(jìn)行混凝土聲發(fā)射特性研究工作［5－7］過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于這種系統(tǒng)采集參數(shù)設(shè)定比較復(fù)雜，硬件或者硬件參數(shù)選擇不當(dāng)可能導(dǎo)致采集的聲發(fā)射簡(jiǎn)化波形參數(shù)無(wú)法反映撞擊波形的特征，從而不能有效定性和定量評(píng)價(jià)材料損傷過(guò)程而導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。此外，由于研究者們?cè)诼暟l(fā)射信號(hào)特征參數(shù)的選取上存在較大的隨意性，且各參數(shù)對(duì)聲發(fā)射過(guò)程中狀態(tài)改變描述的敏感性不同，因此選用適當(dāng)?shù)谋碚鲄?shù)就顯得非常重要。另外，混凝土聲發(fā)射特性還與其受力狀態(tài)有一定的關(guān)系。目前此方面的工作還沒(méi)有得到足夠的重視，尤其缺乏具有針對(duì)性并以試驗(yàn)為主要依據(jù)的系統(tǒng)研究工作。

本文基于聲發(fā)射采集系統(tǒng)工作原理提出了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究方案，運(yùn)用參數(shù)分析和波形分析相結(jié)合以及波形數(shù)據(jù)事后重新提取分析技術(shù)，對(duì)混凝土軸拉聲發(fā)射特性試驗(yàn)過(guò)程中的系統(tǒng)采集硬件設(shè)置、濾噪?yún)?shù)設(shè)置和聲發(fā)射表征參數(shù)及其相關(guān)性進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)方案

1.1 概況

本文試驗(yàn)工作由兩部分構(gòu)成，分別是斷鉛人工激發(fā)源試驗(yàn)和軸拉加載試驗(yàn)。ASTM規(guī)范［8］建議采用鉛筆芯折斷法(Pencil Lead Fracture)，使用日本Pentel公司生產(chǎn)的硬度為2 H直徑0.5 mm的石墨鉛芯作為人工模擬源。在試驗(yàn)過(guò)程中，設(shè)置鉛芯的伸長(zhǎng)量約為3.0 mm，并保證鉛芯與混凝土試件表面夾角約為30°，每次施加近似相等的力折斷鉛芯以得到近似相同的聲發(fā)射源。單軸拉伸試驗(yàn)加載設(shè)備為美國(guó)MTS322萬(wàn)能試驗(yàn)系統(tǒng)，采用作動(dòng)器位移控制加載的單調(diào)加載方式，加載速率為0.001 mm/s，相當(dāng)于靜態(tài)加載。試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Test setup

1.2 試驗(yàn)分組

混凝土試件形狀為平面啞鈴形，兩端各預(yù)埋Ф18螺紋鋼筋，尺寸如圖2所示。水泥采用雨花牌32.5型普通硅酸鹽水泥，砂采用中砂，石子采用碎石(最大粒徑10 mm)，拌合水為自來(lái)水，配合比為水泥∶砂∶石子∶水 =1∶1.09∶2.43∶0.410。混凝土經(jīng)人工拌和后倒入內(nèi)側(cè)帶木板的標(biāo)準(zhǔn)鋼試模中，然后放于振動(dòng)臺(tái)上振搗成型，淋水養(yǎng)護(hù)一周后置于普通室內(nèi)環(huán)境中。本研究共進(jìn)行了13個(gè)混凝土試件的軸拉試驗(yàn)，分組情況詳見(jiàn)表1。為了體現(xiàn)可比性，應(yīng)盡量使接收到的信號(hào)相同。因此，傳感器設(shè)置于混凝土試件中部位置的同一表面，如圖1所示，以減少傳播路徑不同而造成接收到的信號(hào)差異。在未加載前的試件WT1上進(jìn)行了11組斷鉛激發(fā)源試驗(yàn)以獲得近似相同的聲發(fā)射信號(hào)，以便研究閾值對(duì)聲發(fā)射持續(xù)時(shí)間的影響。

圖2 混凝土軸拉試件尺寸示意圖Fig.2 The dimension of concrete specimen

表1 混凝土試件的分組Tab.1 The grouping of concrete specimens

1.3 聲發(fā)射采集系統(tǒng)

本研究采用的聲發(fā)射采集系統(tǒng)為美國(guó)PAC公司生產(chǎn)的SAMOSTM系列16通道參數(shù)－波形式聲發(fā)射儀，該系統(tǒng)是PAC公司第三代全數(shù)字化系統(tǒng)，該系統(tǒng)的閉塞時(shí)間(Dead Time)約為300 μs，最高波形采樣率和波形采樣長(zhǎng)度分別為3MHz和4096點(diǎn)［9］。前置放大器型號(hào)為PAC－2/4/6，可切換的增益范圍為20 dB、40 dB和60 dB，試驗(yàn)中的采集控制由AEwinTM實(shí)時(shí)聲發(fā)射采集及分析軟件完成，數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在電腦硬盤(pán)，可以隨時(shí)進(jìn)行事后調(diào)取和分析。聲發(fā)射系統(tǒng)通常采用預(yù)設(shè)閾值的方式探測(cè)信號(hào)，當(dāng)信號(hào)幅度超過(guò)所設(shè)定的閾值時(shí)，數(shù)據(jù)采集過(guò)程就會(huì)被激發(fā)，此時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)提取波形特征參數(shù)并記錄一定長(zhǎng)度的數(shù)字化波形，在混凝土材料聲發(fā)射特性研究中，常用參數(shù)包括:撞擊計(jì)數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)、幅度、上升時(shí)間、持續(xù)時(shí)間等，本文涉及的其它特征參數(shù)定義詳見(jiàn)文獻(xiàn)［10］。

2 硬件參數(shù)設(shè)置研究

2.1 傳感器類(lèi)型對(duì)結(jié)果的影響

2.1.1 描述損傷發(fā)展過(guò)程

撞擊數(shù)累計(jì)曲線常用于刻畫(huà)混凝土的損傷破壞過(guò)程，因此有必要探討傳感器類(lèi)型對(duì)累計(jì)曲線形狀的影響。聲發(fā)射傳感器分為共振和寬頻式兩種，前者在選定的頻率范圍之內(nèi)具有較高的敏感性，但所接收的信號(hào)帶寬較窄，后者頻響范圍寬但敏感性偏低。為了研究不同型號(hào)的傳感器對(duì)描述損傷發(fā)展過(guò)程的影響，在該部分試驗(yàn)中，將表1中所示的3種傳感器安置于同一個(gè)試件中部表面，設(shè)定各通道閾值為40 dB，前置放大器增益40 dB，波形采樣頻率為1 MHz，采樣長(zhǎng)度為4 096點(diǎn)，各通道帶通濾波器均設(shè)置為1 kHz～400 kHz。

歸一化聲發(fā)射撞擊累計(jì)數(shù)曲線如圖3所示，可以看出，由不同傳感器測(cè)得的同一個(gè)混凝土試件破壞過(guò)程的累計(jì)曲線所表現(xiàn)出的混凝土損傷累積發(fā)展過(guò)程相似，無(wú)明顯差別。

混凝土抗拉強(qiáng)度和在加載過(guò)程中各種聲發(fā)射傳感器所接收到的撞擊總數(shù)、總加載時(shí)間如表2所示，可以看出，WD型寬頻式傳感器所采集到的撞擊數(shù)最多，R15型傳感器次之，R6α型傳感器最少。

圖3 歸一化聲發(fā)射撞擊數(shù)累計(jì)曲線Fig.3 The normalized curve of accumulated AE hit number

表2 聲發(fā)射撞擊總數(shù)與混凝土抗拉強(qiáng)度Tab.2 Total AE hit number and tensile strength of concrete

2.1.2 波形頻譜特征

通過(guò)對(duì)聲發(fā)射波形進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，可以得到聲發(fā)射波形的頻率特征，將每個(gè)波形對(duì)應(yīng)功率譜圖峰值頻率的分布情況匯總于圖4，從中可以看出，各種傳感器在同一個(gè)試件的破壞過(guò)程中所表現(xiàn)出的聲發(fā)射頻率特征有明顯差別:R6α傳感器所采集波形的峰值頻率集中在70 kHz以下，R15傳感器集中于90 kHz以下，而寬頻式傳感器則多集中在175 kHz以下，同時(shí)在250 kHz附近也有一定數(shù)量的分布，這說(shuō)明混凝土在軸拉損傷斷裂過(guò)程中所產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)的頻率范圍很寬，而窄帶的諧振式傳感器只能探測(cè)到與其本身頻響特性相關(guān)的特定范圍內(nèi)的聲發(fā)射信號(hào)，這不利于根據(jù)頻譜特征進(jìn)一步區(qū)分混凝土中的多種不同斷裂機(jī)制。

2.2 前置放大器增益設(shè)置

2.2.1 設(shè)置方式

圖4 聲發(fā)射波形峰值頻率分布圖Fig.4 Distraction map of AE peak frequency

本研究所采用的采集卡能分辨出的最小電壓為305 μv，前置放大器的飽和電壓為10 v(即經(jīng)過(guò)放大之后的信號(hào)幅度不會(huì)超過(guò)10 v)，根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)幅度的計(jì)算公式可知，當(dāng)選擇前置放大器增益為20 dB、40 dB、60 dB時(shí)，采集卡所采集到的聲發(fā)射幅度的范圍如表3所示。

從表3可以看出，前置放大器增益越小，所能采集聲發(fā)射信號(hào)的幅度范圍越寬，同時(shí)所能探測(cè)到的信號(hào)最小幅度越大;與之相反，前置放大器增益選擇越高，所能采集的信號(hào)幅度范圍越窄，同時(shí)所能探測(cè)的信號(hào)幅度下限值越低，故此時(shí)采集系統(tǒng)對(duì)于微弱信號(hào)更靈敏。

表3 前置放大器設(shè)置不同增益時(shí)技術(shù)指標(biāo)Tab.3 The qualifications of preamplifier in different gain values

2.2.2 增益設(shè)定對(duì)結(jié)果的影響

為了確定在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行常規(guī)尺寸混凝土軸拉試驗(yàn)中采集聲發(fā)射信號(hào)時(shí)的合理增益值，將3個(gè)R6α型傳感器安裝在試件中部表面，與傳感器相連的前置放大器的增益分別設(shè)置為三種可切換的數(shù)值。預(yù)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在選擇不同增益值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)受到不同程度的電磁干擾，需要適當(dāng)輔以調(diào)整閾值以排除噪音干擾，最終將前置放大器增益為20 dB/40 dB/60 dB的通道閾值依次設(shè)定為50 dB/40 dB/30 dB進(jìn)行試驗(yàn)。

混凝土軸拉破壞過(guò)程的幅度－荷載時(shí)程圖如圖5所示，可以看出，設(shè)置不同增益時(shí)，聲發(fā)射幅度均在峰值荷載附近達(dá)到最大值。增益設(shè)置為20 dB時(shí)，最大幅度達(dá)到101 dB，且信號(hào)稀疏，表明漏采了一定數(shù)量的低幅信號(hào);增益設(shè)置為40 dB時(shí)，最大幅度為99 dB，信號(hào)量相對(duì)增多;增益設(shè)置為60 dB時(shí)，最大幅度為79 dB，信號(hào)量有所增加，在本組試驗(yàn)的其它兩個(gè)試件中也能發(fā)現(xiàn)相同的規(guī)律。由此可見(jiàn)，在采集最大幅度的能力上，增益設(shè)置為20 dB最佳，因?yàn)樽畲蠓戎?01dB遠(yuǎn)未達(dá)到量程上限120 dB。設(shè)置為40 dB次之，設(shè)置為60 dB最低。增益設(shè)置為60 dB時(shí)采集到的最大幅度與設(shè)置40 dB和20 dB采集到的最大幅度相差較大，但增益設(shè)置為40 dB時(shí)采集到的最大幅度與設(shè)置20 dB時(shí)很接近，且設(shè)置40 dB采集的信號(hào)數(shù)量適中。

進(jìn)一步分析信號(hào)波形后發(fā)現(xiàn)，增益設(shè)置為60 dB時(shí)，出現(xiàn)了放大之后的電壓超過(guò)10 v而導(dǎo)致前置放大器過(guò)載的現(xiàn)象，這不利于比較聲發(fā)射幅度的相對(duì)大小，過(guò)載波形及其局部放大圖如圖6所示。綜上所述，前置放大器增益值設(shè)定為40 dB較為合適。

圖5 不同前置放大器增益時(shí)的幅度－荷載時(shí)程圖Fig.5 Load and AE amplitude versus time

圖6 前置放大器增益為60 dB時(shí)的聲發(fā)射波形Fig.6 AE waveform when preamplifier gain in 60 dB

2.3 波形采樣頻率與采樣長(zhǎng)度

2.3.1 采樣頻率

在采集聲發(fā)射波形過(guò)程中，采樣頻率過(guò)低會(huì)影響高頻率信號(hào)的采集，同時(shí)在聲發(fā)射源定位研究中，也會(huì)降低聲發(fā)射波到時(shí)的讀取精度而影響定位精度;設(shè)置過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致采集文件過(guò)大而增加后期數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)。根據(jù)采樣定理，采樣頻率應(yīng)大于或等于被采樣信號(hào)的最高頻率成分的兩倍。綜合考慮后，可以選擇1 MHz的采樣頻率，這樣足以分析最高頻率在500 kHz(采集卡帶寬為1 kHz－400 kHz)以下的聲發(fā)射波形的頻譜特征。對(duì)于相同的采樣長(zhǎng)度，采樣頻率選擇1 MHz比3 MHz所能記錄的波形更長(zhǎng)，這有利于記錄持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的波形。

2.3.2 采樣長(zhǎng)度

記錄每一個(gè)撞擊波形的時(shí)間由采樣時(shí)間間隔和總采樣點(diǎn)數(shù)共同決定，采樣長(zhǎng)度影響采集完整波形的能力，當(dāng)采樣頻率一定的情況下，采樣長(zhǎng)度越長(zhǎng)，能夠記錄的波形越長(zhǎng)，同時(shí)需要的存儲(chǔ)空間也越大。對(duì)于參數(shù)－波形式聲發(fā)射采集系統(tǒng)而言，盡可能覆蓋所有聲發(fā)射撞擊持續(xù)時(shí)間范圍是波形采樣長(zhǎng)度的選取原則。

表4 聲發(fā)射撞擊持續(xù)時(shí)間范圍統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Statistic table for the range of AE hit duration

當(dāng)采樣長(zhǎng)度設(shè)定為最長(zhǎng)值4 096點(diǎn)，采樣頻率選用1 M，此時(shí)波形數(shù)據(jù)所能記錄的時(shí)間范圍為4 096 μs，將3組軸拉試驗(yàn)過(guò)程中所采集的聲發(fā)射撞擊的持續(xù)時(shí)間范圍統(tǒng)計(jì)如表4所示，可以看出，聲發(fā)射持續(xù)時(shí)間在4 000 μs以下的撞擊數(shù)量占到每個(gè)試驗(yàn)中撞擊總數(shù)的98%以上，因此，在采用以上設(shè)置的情況下，絕大多數(shù)的聲發(fā)射撞擊波形都能覆蓋撞擊的持續(xù)時(shí)間范圍，也就是說(shuō)，此時(shí)撞擊波形數(shù)據(jù)與聲發(fā)射特征參數(shù)具有了良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 濾噪?yún)?shù)設(shè)定

在聲發(fā)射檢測(cè)中，機(jī)械、電磁干擾噪音等不同形式的噪音會(huì)干擾信號(hào)的采集與接收，一般而言，背景噪音具有低頻低幅的特點(diǎn)，因此，需要采用相應(yīng)的技術(shù)手段抑制噪音，采用的方法主要有限制聲發(fā)射幅值和頻率范圍兩種方式。

3.1 閾值

3.1.1 閾值對(duì)描述損傷破壞過(guò)程的影響

閾值設(shè)置直接關(guān)系到檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏性和信噪比。在混凝土聲發(fā)射試驗(yàn)中，可將試件及儀器安裝到位的未加載之前調(diào)試出能夠?yàn)V除環(huán)境噪聲的最低幅度作為初始閾值。由于在加載過(guò)程仍存在噪聲干擾信號(hào)的辨別，因此，若將初始閾值作為最終的閾值可能較小，所以初始閾值一般需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。在本部分試驗(yàn)中，將6個(gè)傳感器分兩組對(duì)稱安裝在試件中部表面進(jìn)行加載試驗(yàn)，與6個(gè)傳感器相應(yīng)的采集通道閾值分別設(shè)置為 35 dB、40 dB、45 dB、55 dB、65 dB 和70 dB。

圖7為在各種閾值設(shè)定情況下混凝土軸拉加載試驗(yàn)過(guò)程中的撞擊累計(jì)曲線的發(fā)展規(guī)律，可以看出，閾值設(shè)置為35 dB和40 dB時(shí)，累計(jì)曲線所反映的混凝土軸拉破壞過(guò)程的規(guī)律基本一致。當(dāng)設(shè)定閾值大于55 dB時(shí)，累計(jì)曲線的漸進(jìn)式變化趨勢(shì)變得不明顯;當(dāng)閾值設(shè)置為65 dB和70 dB時(shí)則只能檢測(cè)到混凝土最終宏觀斷裂時(shí)所發(fā)出的信號(hào)，而無(wú)法描述整個(gè)損傷破壞過(guò)程，在本組的其它試件中也發(fā)現(xiàn)了相同的規(guī)律。

圖7 不同閾值下聲發(fā)射撞擊累計(jì)數(shù)－荷載時(shí)程圖Fig.7 Load and accumulated AE hit number versus time in different threshold values

從圖7中還可以發(fā)現(xiàn)，閾值設(shè)置越小，采集到的撞擊數(shù)量越多，這對(duì)于連續(xù)描述損傷過(guò)程是有幫助的。值得注意的是，在本組其它試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)采用較低的閾值進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，噪音干擾的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)有所增加，也就是說(shuō)，如果環(huán)境噪聲控制不當(dāng)，會(huì)造成數(shù)據(jù)量過(guò)大而不能恰當(dāng)反映材料損傷的情況。綜合考慮，結(jié)合本研究所在環(huán)境的實(shí)際情況，將閾值設(shè)置為40 dB可以得到良好的信噪比。

3.1.2 閾值對(duì)聲發(fā)射持續(xù)時(shí)間的影響

由聲發(fā)射參數(shù)的定義可知，閾值過(guò)高可能會(huì)阻止?jié)撛谥匾盘?hào)的采集，過(guò)低則可能會(huì)降低信噪比。此外，在參數(shù)－波形式聲發(fā)射采集系統(tǒng)中，持續(xù)時(shí)間、振鈴等參數(shù)的鑒別都依賴于閾值的設(shè)定，有限長(zhǎng)度的波形采集過(guò)程也需要通過(guò)閾值觸發(fā)，因此，有必要研究閾值設(shè)定對(duì)持續(xù)時(shí)間的影響。

在試驗(yàn)中將斷鉛源放置于混凝土試件表面?zhèn)鞲衅鞲浇s5 mm處，在每一種閾值設(shè)定(共11組)條件下分別激發(fā)六次，記錄下撞擊持續(xù)時(shí)間的平均值，將其繪成曲線，在這里可以認(rèn)為每一組的聲發(fā)射信號(hào)都近似來(lái)自于相同的聲發(fā)射源，如圖8所示，可以看出，閾值越高，聲發(fā)射持續(xù)時(shí)間越短，這顯然更有利于利用有限的記錄長(zhǎng)度描述更完整的撞擊波形，由此可見(jiàn)，當(dāng)采樣長(zhǎng)度×采樣時(shí)間間隔沒(méi)有超過(guò)多數(shù)試驗(yàn)中采集到的聲發(fā)射撞擊的持續(xù)時(shí)間時(shí)，采用提高閾值來(lái)減小持續(xù)時(shí)間量值的方式可以緩解該問(wèn)題。

圖8 聲發(fā)射持續(xù)時(shí)間與閾值的關(guān)系Fig.8 The relationship between AE duration and threshold values

3.2 帶通濾波器

由本文2.1.2中的研究結(jié)果可知，混凝土軸拉破壞過(guò)程中所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)具有很寬的頻率范圍。聲發(fā)射信號(hào)在混凝土試件中傳播時(shí)，高頻成分的幅度隨著傳播距離增大而衰減，而低頻成分又與機(jī)械噪聲重疊在一起，不易分離。因此，聲發(fā)射檢測(cè)通常選擇在某一頻率范圍內(nèi)進(jìn)行。

聲發(fā)射采集系統(tǒng)中可以通過(guò)設(shè)定帶通濾波器進(jìn)行濾噪處理。一般而言，頻率低于100 kHz的聲發(fā)射信號(hào)在檢測(cè)過(guò)程中必須嚴(yán)格限制噪音的影響，有研究者［11，12］直接將濾波范圍鎖定為高于 100 kHz，而關(guān)于低頻信號(hào)對(duì)聲發(fā)射特征參數(shù)提取的影響并沒(méi)有被很好地掌握。圖9為混凝土在軸拉荷載作用下的典型聲發(fā)射波形在不同帶通濾波器設(shè)置下的波形，從中可以看出，濾除了低頻成分之后的聲發(fā)射波形更具有突發(fā)型信號(hào)的特征，因此，系統(tǒng)在提取特征參數(shù)時(shí)，各種表征參數(shù)更能反映出波形的本質(zhì)特征。

圖9 不同帶通濾波器設(shè)置下的聲發(fā)射波形Fig.9 AE waveforms in different settings of band pass filter

圖10為不同高通設(shè)置下的混凝土軸拉破壞過(guò)程中的撞擊總數(shù)曲線，該部分?jǐn)?shù)據(jù)由AEwin軟件提供的事后濾波功能處理得到。可以看出，高通值設(shè)定越高，所采集到的聲發(fā)射撞擊數(shù)越少，這與閾值設(shè)定對(duì)撞擊累計(jì)數(shù)的影響效應(yīng)相同。最后，值得注意的是，帶通濾波器的設(shè)定還應(yīng)當(dāng)考慮傳感器的工作頻率范圍。

圖10 不同高通設(shè)置下的聲發(fā)射撞擊總數(shù)Fig.10 Total AE hit numbers in different settings of high pass filter

4 混凝土聲發(fā)射特征參數(shù)及其相關(guān)性

混凝土聲發(fā)射參數(shù)的分析與研究一直是備受關(guān)注的課題［13－14］，聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)主要包括振鈴計(jì)數(shù)、幅度、上升時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、初始頻率、混響頻率、平均頻率、信號(hào)強(qiáng)度、絕對(duì)能量、平均信號(hào)電平、RMS電壓值，通過(guò)分析這些參數(shù)間的相關(guān)性，找出相關(guān)性高繼而可以在分析過(guò)程中互相替代的參數(shù)是本部分內(nèi)容研究的主要目的。

4.1 聲發(fā)射特征參數(shù)及分類(lèi)

本研究根據(jù)定義將聲發(fā)射參數(shù)分成五類(lèi)進(jìn)行分析:將撞擊和與波形內(nèi)脈沖次數(shù)有關(guān)的振鈴數(shù)歸為一類(lèi);與信號(hào)幅度大小有關(guān)的幅度、有效值電壓和平均信號(hào)電平歸為一類(lèi);與信號(hào)經(jīng)歷時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)的上升時(shí)間和持續(xù)時(shí)間歸為一類(lèi);與信號(hào)實(shí)際能量相關(guān)的能量、信號(hào)強(qiáng)度和絕對(duì)能量歸為一類(lèi);與信號(hào)頻率相關(guān)的平均頻率、初始頻率、混響頻率歸為一類(lèi)。下面將對(duì)以上五類(lèi)參數(shù)分別進(jìn)行分析，本組試驗(yàn)進(jìn)行了三個(gè)試件，所表現(xiàn)出的規(guī)律基本相同。

4.1.1 撞擊與振鈴計(jì)數(shù)

撞擊和振鈴累計(jì)計(jì)數(shù)經(jīng)常被用來(lái)描述損傷過(guò)程，由圖11可見(jiàn)，由聲發(fā)射撞擊累計(jì)數(shù)曲線和振鈴累計(jì)數(shù)曲線所代表的混凝土軸拉損傷過(guò)程基本相同，均可分為初始(A－B)、穩(wěn)定(B－C)和不穩(wěn)定(C－D)三個(gè)階段。

圖11 聲發(fā)射撞擊數(shù)和振鈴數(shù)累計(jì)時(shí)程曲線Fig.11 Accumulated AE hit number and count number versus time

4.1.2 與幅度有關(guān)的參數(shù)

幅度是簡(jiǎn)化波形參數(shù)中的重要參數(shù)，它與材料的損傷程度直接相關(guān)。由圖12可見(jiàn)，與振鈴分析結(jié)果相同，通過(guò)展現(xiàn)幅度隨時(shí)間的變化，也可以將混凝土軸拉損傷過(guò)程分為初始(A－B)、穩(wěn)定(B－C)和不穩(wěn)定(C－D)三個(gè)階段。與之形成對(duì)比的是，有效值電壓和平均信號(hào)電平這兩個(gè)參數(shù)并沒(méi)有明顯刻畫(huà)出混凝土受拉損傷的三個(gè)階段，但它們所體現(xiàn)的規(guī)律十分近似，即在未達(dá)到最終破壞荷載之前，兩個(gè)參數(shù)值均處于較低水平;接近破壞荷載時(shí)，兩個(gè)參數(shù)的量值都突然顯著增加并達(dá)到最大值。由此可見(jiàn)，在以上三個(gè)參數(shù)中，幅度的時(shí)程曲線更能表現(xiàn)混凝土軸拉各階段的損傷特征。

圖12 與幅度有關(guān)的聲發(fā)射特征參數(shù)時(shí)程曲線Fig.12 Time-history graph of AE parameters related to amplitude

4.1.3 與信號(hào)經(jīng)歷時(shí)間有關(guān)的參數(shù)

圖13為持續(xù)時(shí)間和上升時(shí)間與荷載的時(shí)程曲線，從持續(xù)時(shí)間曲線中可以看出，混凝土軸拉損傷過(guò)程依然可分為三個(gè)階段，當(dāng)荷載超過(guò)不穩(wěn)定階段，混凝土裂縫非穩(wěn)定擴(kuò)展，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的撞擊數(shù)量明顯增多，接近最大荷載時(shí)，持續(xù)時(shí)間快速增長(zhǎng)，破壞時(shí)持續(xù)時(shí)間達(dá)到最大值，而上升時(shí)間參數(shù)對(duì)以上三階段表現(xiàn)得不明顯。

圖13 與信號(hào)經(jīng)歷時(shí)間有關(guān)聲發(fā)射特征參數(shù)時(shí)程圖Fig.13 Time-history graph of AE parameters related to the elapsed-time of signal

4.1.4 與信號(hào)頻率有關(guān)的參數(shù)

由圖14可見(jiàn)，能量、信號(hào)強(qiáng)度和絕對(duì)能量三個(gè)參數(shù)的累計(jì)曲線所反映的規(guī)律極為相似，混凝土軸拉損傷過(guò)程仍可分為三個(gè)階段，因此，這三個(gè)參數(shù)描述混凝土軸拉過(guò)程效果較好。

4.1.5 與信號(hào)實(shí)際能量有關(guān)的參數(shù)

平均頻率、初始頻率、混響頻率是從聲發(fā)射振鈴和持續(xù)時(shí)間以及上升時(shí)間換算而來(lái)的參數(shù)，它們能夠粗略表征信號(hào)的頻率。圖15所示為平均頻率、初始頻率、混響頻率與荷載隨時(shí)間變化的歷程曲線，可以看出，隨著荷載的增加，三個(gè)與頻率相關(guān)的聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)分布的規(guī)律性都不明顯，只是加載后期的高頻信號(hào)多于前期，這可能也是這些參數(shù)很少被其它文獻(xiàn)所采用的原因。

4.2 參數(shù)間的相關(guān)性

4.2.1 基本原理

兩個(gè)隨機(jī)變量之間的相關(guān)性可以用相關(guān)系數(shù)定量表示。設(shè)(X1，X2，…，Xn)和(Y1，Y2，…，Yn)分別是來(lái)自總體X、Y的一個(gè)樣本，則樣本X，Y的相關(guān)系數(shù)定義為:

在三組混凝土試件的軸拉破壞過(guò)程中所采集到的聲發(fā)射撞擊樣本數(shù)均大于102，當(dāng)顯著性水平α=0.001時(shí)，r(n －2)α 的值為0.321 1，也就是說(shuō)，若 rxy≥0.321 1，則認(rèn)為相關(guān)性是顯著的，否則不顯著。4.2.2 參數(shù)相關(guān)性

從聲發(fā)射特征參數(shù)的定義來(lái)看，信號(hào)強(qiáng)度和絕對(duì)能量都是采樣點(diǎn)電壓的函數(shù)，故二者是不獨(dú)立的，因此，在討論這兩個(gè)參數(shù)與其它參數(shù)之間的相關(guān)性過(guò)程中，僅討論信號(hào)強(qiáng)度與其它聲發(fā)射參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)即可。分別對(duì)在試件WP1－WP3破壞過(guò)程中所采集到的三組數(shù)據(jù)中的聲發(fā)射參數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，表5給出了相關(guān)性比較顯著的聲發(fā)射參數(shù)及相關(guān)系數(shù)。

從表5中可以看出，聲發(fā)射幅度與信號(hào)強(qiáng)度，上升時(shí)間，持續(xù)時(shí)間，振鈴數(shù)之間均存在良好的相關(guān)性，在三組混凝土軸拉試驗(yàn)中的平均相關(guān)系數(shù)為0.57－0.69，但對(duì)于其中的試件WP2偏低，表明這些參數(shù)間的相關(guān)性易受到試件個(gè)體偏差的影響。此外還可以看出，上升時(shí)間與信號(hào)強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、振鈴數(shù)之間以及持續(xù)時(shí)間和信號(hào)強(qiáng)度之間均存在良好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.90以上，而且對(duì)于每一個(gè)試件都很平穩(wěn)。

表5 各試件的聲發(fā)射參數(shù)相關(guān)系數(shù)Tab.5 Correlation coefficients of AE parameters for concrete specimens

總結(jié)相關(guān)性系數(shù)較高的聲發(fā)射參數(shù)之間的關(guān)系的更直觀的示意圖如圖16所示，箭頭附近的數(shù)值為相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)。

圖16 聲發(fā)射參數(shù)間相關(guān)系數(shù)示意圖Fig.16 Schematic diagram of correlation coefficients for AE parameters

5 結(jié)論

本文對(duì)聲發(fā)射采集系統(tǒng)的硬件參數(shù)、濾噪?yún)?shù)設(shè)置及混凝土軸拉破壞過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)及其相關(guān)性三個(gè)問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，得到了以下主要結(jié)論:

(1)不同類(lèi)型傳感器測(cè)得的聲發(fā)射撞擊累計(jì)曲線無(wú)明顯差別，但寬頻式傳感器接收到的信號(hào)數(shù)量較多且信號(hào)頻率更寬，因此，更適合于頻率分析，其頻率分析結(jié)果可以指導(dǎo)諧振式傳感器及相關(guān)設(shè)備的選擇。

(2)前置放大器增益選為40 dB，可以得到良好的信號(hào)噪聲比;采樣頻率設(shè)為1 MHz，采樣長(zhǎng)度選作4 096點(diǎn)可以使撞擊波形長(zhǎng)度能夠覆蓋絕大多數(shù)的撞擊持續(xù)時(shí)間范圍，進(jìn)而使參數(shù)－波形式聲發(fā)射儀的優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮。

(3)采用不同的閾值所得到的聲發(fā)射撞擊累計(jì)曲線代表的混凝土損傷發(fā)展過(guò)程基本相同，帶通濾波器設(shè)置對(duì)于波形特征參數(shù)的提取會(huì)產(chǎn)生顯著影響;提高閾值和帶通濾波器的高通值均可以緩解采樣長(zhǎng)度不能覆蓋撞擊波形范圍的問(wèn)題，此外，提高濾波范圍還可以緩解波形幅值超量程的問(wèn)題。

(4)在實(shí)驗(yàn)室研究中，閾值選作40 dB，根據(jù)傳感器的工作頻率范圍適當(dāng)提高帶通濾波器的高通值對(duì)于提高信噪比和不同損傷機(jī)制的聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)的區(qū)分度都是有幫助的。

(5)作為撞擊計(jì)數(shù)的補(bǔ)充，幅度、振鈴、持續(xù)時(shí)間、聲發(fā)射信號(hào)能量、絕對(duì)能量、信號(hào)強(qiáng)度這六個(gè)參數(shù)能夠較好地體現(xiàn)混凝土軸拉損傷過(guò)程的階段性特征。

(6)在眾多的聲發(fā)射特征參數(shù)中，聲發(fā)射幅度、振鈴數(shù)、持續(xù)時(shí)間、上升時(shí)間和信號(hào)強(qiáng)度5個(gè)參數(shù)之間存在顯著的相關(guān)性。

參數(shù)－波形式聲發(fā)射采集系統(tǒng)的各種采集參數(shù)設(shè)定過(guò)程需要綜合考慮，本文給出了相關(guān)參數(shù)在設(shè)置不同數(shù)值時(shí)對(duì)采集結(jié)果的影響，有助于研究人員根據(jù)研究對(duì)象特點(diǎn)和結(jié)合研究目的進(jìn)行協(xié)調(diào)設(shè)置，最終得到滿意的測(cè)試結(jié)果，另外，本文絕大多數(shù)結(jié)論對(duì)于混凝土在其它受力條件下也是適用的，只有少部分不同，需要單獨(dú)研究。

［1］楊明緯.聲發(fā)射檢測(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］ KalogiannakisG， QuintelierJ， De Baets P， etal.Identification ofwear mechanisms ofglass/ polyester composites by means of acoustic emission ［J］.Wear，2008，264(3－4):235－244.

［3］Yang Z F.Assessing Cumulative Damage in Concrete and Quantifying its Influence on Life Cycle Performance Modeling［D］. Ph.D. Dissertation， Purdue University， West Lafayette，2004.

［4］ Chang H，Han E H，Wang J Q，et al.Analysis of modal acoustic emission signals of LY12CZ aluminum alloy at anodic and cathodic polarization［J］.NDT ＆ E International，2006，39(1):8－12.

［5］吳勝興，張順祥，沈德建.混凝土軸心受拉聲發(fā)射Kaiser效應(yīng)試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2008，48(4):31－39.

［6］吳勝興，王 巖，沈德建.混凝土及其組成材料軸拉損傷過(guò)程聲發(fā)射特性試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2009，42(7):21－27.

［7］王 巖，吳勝興，周繼凱.大壩混凝土動(dòng)態(tài)彎拉聲發(fā)射特性試驗(yàn)研究［J］.無(wú)損檢測(cè)，2009，31(2)115－119.

［8］ASTM E976 －99，Standard Guide for Determining the Reproducibility of Acoustic Emission Sensor Response［S］.

［9］ PCI－8 Based AE system user's manual，REV 0，Physical Acoustics Corporation，2002.

［10］李 佳.混凝土靜態(tài)軸拉聲發(fā)射試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)研究［D］.南京:河海大學(xué)，2008:5－9.

［11］ Lim M K，Koo T K.Acoustic emission from reinforced concrete beam［J］.Magazine of concrete Research，1989，41(149):229－234.

［12］ Chotard T J，Smith A L，Rotureau D，et al.Acoustic emission characterisation ofcalcium aluminate cement hydration at an early stage［J］.Journal of the European Ceramic Society，2003，23(3):387 －398(12).

［13］ Sagaidak A，Elizarov S.The relationship of acoustic-emission signals with the processes of deformation and fracture of building structures［J］.Russian Journal of Nondestructive Testing，2004，40(11):739 －745(7).

［14］ Sagaidak A I，Elizarov S V.Acoustic emission parameters correlated with fracture and deformation processes of concrete members［J］.Construction and Building Materials，2007，21(3):477－482.

Parameters of acoustic emission test of concrete under static uniaxial tension

WU Sheng-xing，WANG Yan，LI Jia，SHEN De-jian

(Hohai University，Nanjing 210098，China)

Setting of hardware parameters，filtering parameters for acoustic emission(AE)acquiring system，and AE parameters as well as their correlations were studied systematically with tests，11 groups of pensile lead break tests and 13 concrete specimens loaded in uniaxial tension were carried out.Feature parameters and waveforms of AE signals acquired by 3 kinds of sensors during the processes of tests were stored using a digital parameter-waveform collecting system.The test data were analyzed using the parameter combined with waveform method and the post-extracting technique for waveforms.The results showed that there are reasonable values for gain of preamplifier，threshold，sampling rate，sampling length and parameters of band pass filter;amplitude，count，duration，AE signal energy，absolute energy and signal strength are suitable for evaluating the phased damage feature of concrete under uniaxial tension loading;the significant correlations among amplitude，count，duration，rise time and signal strength are found.The study results provided a reference for studying on concrete failure process using AE technology.

concrete;uniaxial tension;acoustic emission;acquiring parameters;feature parameters

TU528.07

A

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(90510017);水利部公益性項(xiàng)目(200701004);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51009058);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助(2009B03014)

2010－01－07 修改稿收到日期:2010－03－29

吳勝興 男，博士，教授，1963年生