基于CT 圖像的混凝土材料聲發(fā)射損傷檢測(cè)優(yōu)化

■史攀飛，劉京紅，楊躍飛，高 洋 ■河北農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北 保定 071001

聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)在金屬材料的探傷中已經(jīng)相當(dāng)成熟并且形成一定的標(biāo)準(zhǔn)，以此可以判斷損傷的等級(jí)，但對(duì)材質(zhì)均勻的復(fù)合材料進(jìn)行分析的主要依據(jù)還是在金屬方面的經(jīng)驗(yàn)，復(fù)合材料的損傷定位還不盡人意。康玉梅等基于聲發(fā)射對(duì)巖石類材料進(jìn)行了實(shí)時(shí)定位分析［1-2］通過(guò)對(duì)其損傷定位可以為巖石破裂失穩(wěn)做好安全預(yù)警。席婷等［3］通過(guò)小波變換，頻譜分析，最小二乘發(fā)完成聲發(fā)射源定位。以往學(xué)者多通過(guò)斷芯實(shí)驗(yàn)完成聲發(fā)射參數(shù)的設(shè)置。尹紅宇等［4］通過(guò)模擬加載和斷芯試驗(yàn)進(jìn)行了聲發(fā)射檢測(cè)參數(shù)設(shè)置研究，并測(cè)定了聲發(fā)射信號(hào)在被測(cè)材料中的衰減，為聲發(fā)射探頭的布置提供了理論依據(jù)。本文以損傷定位的準(zhǔn)確性的角度出發(fā)，與CT 圖像所表達(dá)的混凝土平面破壞形態(tài)以及運(yùn)用Amira 三維可視化軟件，基于CT 圖像建立的混凝土裂紋模型作比較，調(diào)整聲發(fā)射檢測(cè)參數(shù)設(shè)置，以期望為混凝土材料聲發(fā)射檢測(cè)參數(shù)設(shè)置提供依據(jù)，使基于聲發(fā)射自身定位系統(tǒng)對(duì)混凝土材料的損傷定位更加準(zhǔn)確。

1 試驗(yàn)過(guò)程

本文采用混凝土圓柱體試塊，高190mm，半徑50mm，利用含氣量測(cè)量?jī)x測(cè)定其含氣量9.2%，對(duì)其進(jìn)行混凝土損傷定位研究，為聲發(fā)射檢測(cè)參數(shù)設(shè)置提供依據(jù)。采用DS2 系列全信息聲發(fā)射信號(hào)分析儀完成混凝土壓縮全過(guò)程的數(shù)據(jù)采集。采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室ACTIS300-320/225X 射線工業(yè)CT 檢測(cè)系統(tǒng)和3000kN 超高剛性伺服試驗(yàn)機(jī)完成單軸壓縮試驗(yàn)，位移控制加載，加載速度是0.2mm/min，采用循環(huán)加載制度，每隔30KN 卸載，CT 掃描，再重新加載，直至試件達(dá)到峰值強(qiáng)度。

2 基于CT 圖像的三維重建

2.1 圖像閾值分割

生成表面模型或測(cè)量體積測(cè)量都需要進(jìn)行圖像分割，所謂分割就是給圖像上每一個(gè)像素分配一個(gè)標(biāo)簽以注明該像素存在的區(qū)域及其材質(zhì)屬性［5］。將數(shù)據(jù)連接OrthoSlice 模塊，可看到混凝土的切片圖像，調(diào)整Data Window 窗口數(shù)據(jù)，可確定各材料合適的分割閾值。

2.2 三維重建

連接Resample 模塊對(duì)數(shù)據(jù)重新取樣，其分辨率會(huì)降低一些，但它可以減少計(jì)算時(shí)間并改善繪制的效果。連接SurfaceGen 模塊完成空隙模型的表面重建，最后通過(guò)Surface View 模塊觀察混凝土空隙的三維重構(gòu)模型。

3 聲發(fā)射參數(shù)設(shè)置

聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)各通道時(shí)間差的提取至關(guān)重要，與其相關(guān)的參數(shù)是門(mén)限值和時(shí)間參數(shù)的設(shè)置。門(mén)限值一般設(shè)在檢測(cè)環(huán)境噪聲幅度與最大振幅之間。時(shí)間參數(shù)包括峰值定義時(shí)間(PDT)、撞擊定義時(shí)間(HDT)和撞擊閉鎖時(shí)間(HLT)。聲發(fā)射波速是撞擊信號(hào)定位的另一個(gè)關(guān)鍵條件，分別對(duì)試驗(yàn)前和試驗(yàn)后四塊不同含氣量的混凝土試塊進(jìn)行斷芯試驗(yàn)，完成聲速標(biāo)定，結(jié)果顯示試驗(yàn)前后聲速變化不大，對(duì)損傷定位可忽略不計(jì)，故取試驗(yàn)前的聲速值即可。本文通過(guò)前期加壓前聲發(fā)射參數(shù)分析，確定噪聲幅值70db。取含氣量9.2%的混凝土試塊裂紋不穩(wěn)定拓展階段，即聲發(fā)射現(xiàn)象最激烈，主要裂紋顯現(xiàn)階段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選擇55db，75db，100db 三個(gè)門(mén)限值，聲速標(biāo)定3000m/s，通過(guò)分別調(diào)整時(shí)間參數(shù)設(shè)置，以損傷定位點(diǎn)在CT 圖像裂紋區(qū)域作為合格點(diǎn)數(shù)。結(jié)果顯示，門(mén)限55db 的定位點(diǎn)偏少，這是因?yàn)樵肼暦蹈哂陂T(mén)限值，由于噪聲的影響，聲發(fā)射儀器不能準(zhǔn)確提取所有有效信號(hào)。有相關(guān)文獻(xiàn)指出幅值較大的聲發(fā)射信號(hào)對(duì)混凝土材料的變形和斷裂貢獻(xiàn)較大［6］。聲發(fā)射損傷定位精度在混凝土這種復(fù)合材料的局限性是客觀事實(shí)，通過(guò)損傷定位在裂紋區(qū)域的數(shù)量，比例以及計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度綜合考慮，門(mén)限值取100db，PDT∶150us，HDT∶300us，HLT∶500us，裂紋損傷定位清晰。本文通過(guò)逐一分析每個(gè)損傷定位點(diǎn)的參數(shù)文件，發(fā)現(xiàn)HLT的設(shè)置不能有效消除回波的影響。部分能量特別大的損傷定位點(diǎn)并不是來(lái)自于主要裂紋區(qū)域，而是混凝土中部。為滿足工程找出結(jié)構(gòu)中的“弱面”位置，進(jìn)而為混凝土材料的失穩(wěn)破壞提供安全預(yù)警的要求［7］，依據(jù)軟件參數(shù)分析刪去能量特別小和特別大的聲發(fā)射源定位，有效避免回?fù)艿挠绊懀怪饕鸭y展現(xiàn)較為清晰。

4 結(jié)論

基于以上分析，得出以下研究結(jié)論:

經(jīng)過(guò)損傷定位在裂紋區(qū)域的數(shù)量，比例以及計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度綜合考慮，門(mén)限值取100db，PDT∶150us，HDT∶300us，HLT∶500us 相對(duì)來(lái)說(shuō)最理想，表現(xiàn)出聲發(fā)射損傷定位圖與CT 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性。這里需要說(shuō)明的是門(mén)限值的合理選擇要參考實(shí)際檢測(cè)噪聲環(huán)境。本文根據(jù)實(shí)測(cè)混凝土單軸壓縮試驗(yàn)，建議選擇高于噪聲幅值稍大些，不影響對(duì)損傷面的判斷，且有效減少了計(jì)算機(jī)運(yùn)算負(fù)荷。

［1］康玉梅，朱萬(wàn)成，白泉等.基于小波變換時(shí)頻能量分析技術(shù)的巖石聲發(fā)射信號(hào)時(shí)延估計(jì)J.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010.29(5):152-158.

［2］吳永勝，余賢斌.單軸壓縮條件下巖石聲發(fā)射特性的實(shí)驗(yàn)研究J.金屬礦山，2008.38(10):25-28.

［3］席婷.石灰?guī)r聲發(fā)射分析及源定位研究［J］.中國(guó)化工貿(mào)易，2013，(10):53-53.

［4］尹紅宇，趙艷林，呂海波等.混凝土無(wú)損檢測(cè)中常用聲發(fā)射檢測(cè)參數(shù)的設(shè)置［J］.混凝土，2009，(3):125-128.

［5］Amira4.1Manual(PDF).2005.MERCURY(Amira 用戶指南).

［6］耿榮生，沈功田，劉時(shí)風(fēng).聲發(fā)射信號(hào)處理和分析技術(shù)［J］.無(wú)損檢測(cè)，2002，01∶23-28.

［7］Maji A K，Shah S P.Experimental Mechanics，1988，28.