混凝土中的聲發(fā)射波速特性及其在源定位中的應(yīng)用*

李冬雪 楊 康 何兆益 周翰林

(1 重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院 重慶 400074)

(2 重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

0 引言

通過(guò)各種傳感器記錄傳播的聲波信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆治觯瑥亩_定這些聲波的來(lái)源，這一過(guò)程通常被稱為聲源定位技術(shù)。利用聲發(fā)射(Acoustic emission，AE)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康檢測(cè)與監(jiān)測(cè)時(shí)，對(duì)AE 源進(jìn)行準(zhǔn)確定位是該項(xiàng)技術(shù)的主要任務(wù)之一。

近幾十年來(lái)，AE 定位技術(shù)得到了飛速的發(fā)展[1-3]，Kundu[4]回顧了目前較新穎的聲源定位技術(shù)，對(duì)于各向同性板的源定位技術(shù)主要包括：已知波速的三角測(cè)量技術(shù)[5]、未知波速的三角測(cè)量技術(shù)[6]、基于優(yōu)化的未知波速的技術(shù)[7-10]、波束形成技術(shù)[11-12]、未知波速的應(yīng)變玫瑰技術(shù)[13-16]以及通過(guò)模態(tài)聲發(fā)射進(jìn)行源定位[17-20]等6 類。在對(duì)混凝土類材料進(jìn)行聲發(fā)射源定位研究中，以已知波速的三角測(cè)量技術(shù)和波束形成技術(shù)的研究與應(yīng)用較為成熟，其中已知波速的三角測(cè)量技術(shù)被多數(shù)商用聲發(fā)射檢測(cè)儀所采用，而其他方法多應(yīng)用于科學(xué)研究。

根據(jù)AE 源定位原理可知，源定位的關(guān)鍵參數(shù)是到達(dá)時(shí)間和波速。對(duì)于均勻介質(zhì)而言，AE在材料中的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，此時(shí)通過(guò)波形降噪來(lái)提高到達(dá)時(shí)間的拾取精度，進(jìn)而提高定位精度。但是對(duì)于水泥混凝土來(lái)說(shuō)，情況可能有些許不同。水泥混凝土是一種由水泥、石料(5～20 mm)、砂和水經(jīng)機(jī)械拌合而成的混合料，它的固有屬性取決于原材料的性質(zhì)，也取決于各種原材料在混合料中的排列方式，但通常這種排列方式是隨機(jī)的、無(wú)序的，因此水泥混凝土不是各向同性材料(只有截面尺寸遠(yuǎn)大于石料最大粒徑時(shí)可以認(rèn)為是各向同性)。聲波在混凝土中傳播，也就是在石料、水泥石(水泥硬化后)或者水泥砂漿(水泥包裹砂粒后硬化)等多相介質(zhì)中傳播。傳播過(guò)程中發(fā)生的散射、折射等，且水泥混凝土本身存在著大量的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，這都使聲波在混凝土中傳播時(shí)產(chǎn)生聲衰減。聲衰減是AE 在水泥混凝土中傳播時(shí)的一種物理現(xiàn)象，主要指聲波在非理想媒介中傳播時(shí)傳播速度和能量等的衰減[21]。已有研究表明，混凝土的配合比、骨料的類型及其尺寸、水泥用量及水灰比等對(duì)聲發(fā)射波的傳播規(guī)律有顯著影響[22]。混凝土中聲波振幅衰減值與傳播距離正相關(guān)，傳播距離越大衰減越顯著[23-24]。因此，當(dāng)采用AE 技術(shù)對(duì)水泥混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷檢測(cè)與定位時(shí)，明確水泥混凝土中的聲衰減，特別是波速的衰減規(guī)律有利于提高聲發(fā)射源定位的精度。

為此，本文采用SAEU3H 數(shù)字化聲發(fā)射檢測(cè)儀對(duì)混凝土試件進(jìn)行人工激發(fā)源AE 波速試驗(yàn)，用于研究水灰比、砂率及骨料最大粒徑對(duì)混凝土中AE 波速特性，建立AE 波速的修正模型，結(jié)合窮舉法建立AE 源的優(yōu)化定位算法。開展立方體混凝土試塊單軸壓縮試驗(yàn)，加載過(guò)程中采集AE 信號(hào)，并利用高清攝像機(jī)記錄混凝土裂縫開展圖像。最后，對(duì)比本文建立的定位法與時(shí)差定位法的定位結(jié)果，驗(yàn)證修正AE 波速對(duì)提高定位精度的可靠性。

1 混凝土中的AE波速特性

1.1 室內(nèi)試驗(yàn)

為掌握AE 信號(hào)在水泥混凝土中傳播速度的變化情況，分析不同材料組成時(shí)AE波速衰減規(guī)律，開展了3 因素2～3水平的人工激發(fā)源波速測(cè)定室內(nèi)模擬試驗(yàn)，所使用的水泥混凝土試樣的水灰比(w/c)為0.3、0.33、0.36，砂率(S)為0.47、0.5、0.55，骨料最大粒徑(dmax)為10 mm 和20 mm，試件尺寸為100 mm×100 mm×1800 mm，如圖1所示。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用SAEU3H 高速數(shù)字化聲發(fā)射檢測(cè)儀，試驗(yàn)中聲發(fā)射系統(tǒng)前放增益設(shè)置為40 dB，門檻值設(shè)置為45 dB。

圖1 混凝土試樣Fig.1 Test sample

按照美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(American society for testing and materials，ASTM)推薦的鉛筆斷芯試驗(yàn)(Pencil lead break，PLB)進(jìn)行人工激發(fā)源AE波速測(cè)量，詳細(xì)試驗(yàn)步驟為：

(1)沿長(zhǎng)度方向的表面等距離安裝17 個(gè)聲發(fā)射傳感器，布置間距為10 cm，傳感器編號(hào)由1#～17#，斷鉛點(diǎn)與傳感器布設(shè)方案如圖2所示。

圖2 人工激發(fā)源波速試驗(yàn)方案Fig.2 Test scheme for wave velocity of artificial excitation source

(2)在斷鉛點(diǎn)及傳感器附近進(jìn)行3次PLB試驗(yàn)，驗(yàn)證傳感器契合度。

(3)試驗(yàn)開始，在斷鉛點(diǎn)間隔2 s 進(jìn)行5 次斷鉛，1#～17#傳感器分別采集信號(hào)。

(4)分析波形，提取傳感器的信號(hào)達(dá)到時(shí)間T。

(5)以1#傳感器的信號(hào)達(dá)到時(shí)間為斷鉛信號(hào)發(fā)出時(shí)間，2#～17#傳感器的信號(hào)到達(dá)時(shí)間為接收時(shí)間，分別計(jì)算傳播距離為100 mm、200 mm、300 mm、···、1600 mm時(shí)的AE波速。

1.2 AE波速衰減規(guī)律

1.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

觀察AE 波速隨距離的衰減現(xiàn)象的過(guò)程中，應(yīng)選取一個(gè)恰當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)波速(Datum acoustic emission velocity)Vd作為比較對(duì)象。本文采用傳播距離100 mm時(shí)的AE波速做為基準(zhǔn)波速。

采用波速衰減率(Attenuation rate of acoustic emission wave velocity)Ra來(lái)評(píng)價(jià)AE 波速隨距離的衰減程度。波速衰減率表示不同傳播距離時(shí)的AE波速與基準(zhǔn)波速的比值，單位為%。

式(1)中：Vx為AE 在傳播路徑上不同傳播距離時(shí)的波速，m/s；Vd為基準(zhǔn)波速，m/s。

在人工激發(fā)源AE 波速試驗(yàn)中獲取的有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)為布置在1000 mm 以內(nèi)的傳感器信號(hào)到達(dá)時(shí)間，超過(guò)此距離時(shí)傳感器未接收到信號(hào)(或未達(dá)到門檻值)，因此本文分析的AE 波速衰減為1000 mm以內(nèi)的波速衰減規(guī)律。

1.2.2 水灰比的影響

將相同砂率和骨料粒徑、不同水灰比條件下AE 波速隨傳播距離的變化情況繪制于圖3，結(jié)果表明：當(dāng)砂率和骨料最大粒徑相同時(shí)，水灰比越大，水泥混凝土中標(biāo)準(zhǔn)AE信號(hào)的基準(zhǔn)波速越小。當(dāng)水灰比為0.3、0.33 和0.36 時(shí)，Vd分別為4639 m/s、4378 m/s 和3465 m/s，如圖3(a)所示。水泥混凝土中標(biāo)準(zhǔn)AE 波速均表現(xiàn)出隨距離增加而衰減的趨勢(shì)，如圖3(b)所示。砂率和骨料最大粒徑相同時(shí)，當(dāng)水灰比為0.3、0.33 和0.36 時(shí)，Ra的范圍分別為-1%～-54%、-8%～-54%和5%～-34%，變異系數(shù)分別為0.57、0.35 和0.09，即水灰比越大，AE波速隨距離的衰減越少。

圖3 水灰比對(duì)波速的影響Fig.3 Influence of water cement ratio on wave velocity

1.2.3 砂率的影響

將相同水灰比和骨料粒徑、不同砂率條件下AE 波速隨傳播距離的變化情況繪制于圖4，結(jié)果表明：當(dāng)砂率增大時(shí)，水泥混凝土中標(biāo)準(zhǔn)AE 基準(zhǔn)波速的變化區(qū)別不大。當(dāng)砂率為0.47、0.50 和0.55時(shí)，Vd分別為4114 m/s、4639 m/s 和3950 m/s，如圖4(a)所示。標(biāo)準(zhǔn)AE 在不同砂率的水泥混凝土中傳播時(shí)，其波速均表現(xiàn)出隨距離增加而衰減的趨勢(shì)，如圖4(b)所示。當(dāng)砂率為0.47、0.50 和0.55 時(shí)，Ra的范圍分別為2%～-43%、-1%～-54%和2%～-41%，變異系數(shù)分別為0.48、0.57 和0.44。可見(jiàn)，砂率對(duì)波速衰減現(xiàn)象的影響并不顯著。

圖4 砂率對(duì)波速的影響Fig.4 Influence of sand ratio on wave velocity

1.2.4 骨料最大粒徑的影響

將相同水灰比和砂率的水泥混凝土試件在不同骨料最大粒徑條件下AE 波速隨傳播距離的變化情況繪制于圖5，結(jié)果表明：當(dāng)水灰比和砂率相同時(shí)，骨料粒徑越大，水泥混凝土中標(biāo)準(zhǔn)AE 信號(hào)的基準(zhǔn)波速越大。當(dāng)骨料最大粒徑為10 mm 和20 mm 時(shí)，Vd分別為3551 m/s 和4639 m/s，如圖5(a)所示。不同骨料最大粒徑時(shí)的水泥混凝土試件中，標(biāo)準(zhǔn)AE波速均表現(xiàn)出隨距離增加而衰減的趨勢(shì)，如圖5(b)所示。當(dāng)骨料最大粒徑為10 mm 和20 mm 時(shí)，Ra的范圍分別為-13%～-34%和-1%～-54%，變異系數(shù)分別為0.26 和0.57，即骨料粒徑越大，AE 波速隨距離的衰減越顯著。

圖5 骨料最大粒徑對(duì)波速的影響Fig.5 Influence of the maximum aggregate size on wave velocity

1.3 波速修正模型

對(duì)傳感器進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生不同模式的聲波。本文中(垂直)激發(fā)方式主要會(huì)激發(fā)起最低階的彎曲波，以及具有一定幅度的擴(kuò)展波。擴(kuò)展波的衰減一般遠(yuǎn)大于彎曲波，加上其本來(lái)幅度就低于彎曲波，當(dāng)傳播距離較遠(yuǎn)后，僅有彎曲波還有一定幅度能被儀器探測(cè)到。本次波速試驗(yàn)中，當(dāng)傳播距離較短時(shí)，聲速較高的擴(kuò)展波首先到達(dá)，波速較高；當(dāng)直線傳播距離大于500 mm 時(shí)，傳感器接收到的信號(hào)以彎曲波為主。為了確保定位時(shí)使用相同模態(tài)的聲波，本文采用該對(duì)數(shù)函數(shù)對(duì)500 mm 以內(nèi)的波速數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合，得到了AE 波速的修正模型如公式(2)所示：

式(2)中：Vx為人工激發(fā)AE 在傳播路徑上不同傳播距離時(shí)的波速，m/s；x為人工激發(fā)AE 在傳播路徑上的傳播距離，m。對(duì)于不同配合比的混凝土試件，模型的回歸參數(shù)a、b均表示為材料組成(水灰比、砂率、最大粒徑)的函數(shù)。

2 基于修正波速的AE源定位方法

窮舉法又稱列舉法、枚舉法，通過(guò)對(duì)要解決問(wèn)題的所有可能情況逐個(gè)進(jìn)行檢驗(yàn)，從中找出符合要求的答案。窮舉法最大的缺點(diǎn)是通過(guò)犧牲時(shí)間來(lái)?yè)Q取答案的全面性。在AE 無(wú)損檢測(cè)過(guò)程中，由于AE 傳感器陣列反饋的信號(hào)能量各不同，這使得初步判別聲源潛在區(qū)域成為可能，此時(shí)將窮舉對(duì)象局限于已縮小的待檢驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，則可提高窮舉法的定位效率。此外，窮舉法的數(shù)學(xué)描述中假定波速已知且為常數(shù)，若在調(diào)用波速時(shí)考慮傳播距離的影響，則可進(jìn)一步提高定位精度。基于此，本文建立了基于修正波速的區(qū)域窮舉法定位(Region exhaustive localization method based on the modified wave velocity，RELM-MV)，算法主要分為6個(gè)步驟：

(1)聲源潛在區(qū)域：根據(jù)傳感器激發(fā)順序及能量高低確定聲源潛在區(qū)域。傳感器與AE 源的距離越近，則衰減越小，因此探測(cè)到最大幅度AE 信號(hào)的探頭將最靠近AE 源，如果再進(jìn)一步考慮接收到第二大幅度信號(hào)的傳感器，可以進(jìn)一步縮小AE 源存在的區(qū)域，如圖6所示。

圖6 基于最高和第二高輸出信號(hào)的聲源潛在區(qū)域Fig.6 The primary location area based on highest and second high output signals

(2)節(jié)點(diǎn)劃分：將節(jié)點(diǎn)定義為待檢驗(yàn)的假定AE源。節(jié)點(diǎn)間距可按試件短邊的1%、2%、5%及10%選取，節(jié)點(diǎn)間距越小則定位精度越高，但是計(jì)算也更加耗時(shí)，如圖7所示。

圖7 節(jié)點(diǎn)劃分及其坐標(biāo)Fig.7 Principle of node division

(3)節(jié)點(diǎn)波速：節(jié)點(diǎn)波速v表示AE 由節(jié)點(diǎn)位置傳播至傳感器位置時(shí)的平均速度。每個(gè)節(jié)點(diǎn)波速均與其傳播距離相關(guān)，該值反映了AE的衰減現(xiàn)象。根據(jù)前文關(guān)于AE 波速衰減規(guī)律的研究結(jié)論，采用公式(2)計(jì)算經(jīng)過(guò)修正后的節(jié)點(diǎn)波速。

(4)節(jié)點(diǎn)到時(shí)：節(jié)點(diǎn)到時(shí)t表示AE 由節(jié)點(diǎn)位置傳遞至傳感器間所花費(fèi)的時(shí)間，按式(3)計(jì)算：

式(3)中：x為節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)與傳感器間的直線距離，m；v為節(jié)點(diǎn)波速，m/s。

(5)節(jié)點(diǎn)到時(shí)與信號(hào)到時(shí)的時(shí)差：時(shí)差Δ 按式(4)計(jì)算：

式(4)中：T為傳感器的信號(hào)到達(dá)時(shí)間，實(shí)測(cè)值；t為節(jié)點(diǎn)到時(shí)，計(jì)算值。

(6)聲源坐標(biāo)判定：當(dāng)進(jìn)行一維線定位時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)數(shù)量相對(duì)較少，可計(jì)算全部節(jié)點(diǎn)時(shí)差，取最小值對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為聲源坐標(biāo)。當(dāng)進(jìn)行二維、三維定位時(shí)，則根據(jù)判定誤差δ確定聲源坐標(biāo)，擬定判定誤差δ為0.1 ms，當(dāng)某節(jié)點(diǎn)的時(shí)差Δ＜δ時(shí)，則該節(jié)點(diǎn)即為聲源。

3 加載試驗(yàn)AE源定位

3.1 單軸壓縮試驗(yàn)

為了驗(yàn)證RELM-MV法定位的可靠性，開展了受載混凝土開裂聲源進(jìn)行定位試驗(yàn)。加載的同時(shí)利用商用AE 檢測(cè)設(shè)備(SAEU3H16)采集系統(tǒng)進(jìn)行三維定位(時(shí)差定位法)，導(dǎo)出到達(dá)時(shí)間數(shù)據(jù)后按照RELM-MV 方法進(jìn)行三維定位，然后對(duì)比兩者定位效果。

試驗(yàn)采用強(qiáng)度等級(jí)為C30 的100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，粗骨料為粒徑5～20 mm 的石灰?guī)r碎石，配合比見(jiàn)表1，試件采用機(jī)械拌合，振動(dòng)臺(tái)振搗，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)7 d，并進(jìn)行編號(hào)1～3，成型試件如圖8所示。

表1 混凝土試樣配合比Table 1 Concrete sample mix proportion

圖8 混凝土試樣Fig.8 Concrete samples

試驗(yàn)采用萬(wàn)能壓力機(jī)，輸出最大壓力3000 kN，可實(shí)現(xiàn)控制恒定位移進(jìn)行加載。 試驗(yàn)保持0.2 mm/min 的加載速率，試驗(yàn)耗時(shí)約11 min，加載系統(tǒng)全程記錄荷載-位移曲線。AE 采集參數(shù)設(shè)定為：前置放大40 dB，參數(shù)及波形閾值45 dB，加載全程采用4 通道進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)采集，傳感器布設(shè)方式如圖9所示。同時(shí)，采用高清攝像機(jī)記錄混凝土受載全過(guò)程。

圖9 試驗(yàn)設(shè)備Fig.9 Test equipments

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖10為試件在不同時(shí)間點(diǎn)的荷載-累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)-時(shí)程情況，在初始?jí)好茈A段，荷載較小，累積振鈴計(jì)數(shù)增長(zhǎng)較緩慢，同時(shí)累計(jì)能量曲線呈平緩上升趨勢(shì)，表明試件內(nèi)部產(chǎn)生AE 活動(dòng)數(shù)目較少，并且能量值均較低，試件表面無(wú)明顯變化；隨著荷載增大進(jìn)入微裂紋萌生階段，此階段累積振鈴計(jì)數(shù)與累積能量均無(wú)明顯波動(dòng)，表明此時(shí)試件內(nèi)部產(chǎn)生的AE 活動(dòng)數(shù)目極少且能量極低，混凝土表面開始出現(xiàn)少量細(xì)微裂紋；荷載達(dá)到峰值附近時(shí)，混凝土損傷進(jìn)入裂紋擴(kuò)展貫通階段，此時(shí)累積振鈴計(jì)數(shù)和累積能量曲線急劇上升，并且累積能量值存在幾處突變點(diǎn)，表明此時(shí)試件內(nèi)部AE 活動(dòng)較為活躍，并且高能量值的聲發(fā)射事件較多，試件表面裂紋大量發(fā)展并貫通，試件表面呈現(xiàn)不同程度的碎片剝落，右側(cè)表面明顯向外變形隆起；試件破壞后AE 信號(hào)顯著減少，累積振鈴計(jì)數(shù)和累積能量曲線斜率放緩，表面裂縫繼續(xù)擴(kuò)展延伸，裂縫寬度增大，承載力逐漸減小并喪失承載能力，試驗(yàn)結(jié)束。

圖10 荷載-累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)-時(shí)程關(guān)系曲線Fig.10 Load-accumulative ringing count-time history relation curve

加載試驗(yàn)過(guò)程中高清攝像機(jī)在0 s、320 s、400 s、500 s 時(shí)混凝土X-Y平面的裂縫圖像，混凝土裂縫局部化結(jié)果如圖11所示。從X-Y平面投影來(lái)看，新方法的定位結(jié)果(紅色圓點(diǎn))更接近實(shí)際混凝土裂縫位置，這表明采用修正波速的方法來(lái)提高聲源定位的精度是可靠的。

圖11 AE 源定位結(jié)果Fig.11 AE source location results

4 結(jié)論

本文對(duì)不同配合比的水泥混凝土試樣施加人工激發(fā)源信號(hào)(鉛筆斷芯試驗(yàn))，計(jì)算了不同傳播距離時(shí)AE 波速值，分析了水灰比、砂率及骨料最大粒徑對(duì)混凝土中AE 波速的影響，建立了波速的距離修正模型及基于修正波速的AE 源定位算法，并分析了定位效果。得到的主要結(jié)論如下：

(1)相比砂率而言，水灰比和骨料粒徑對(duì)混凝土中AE波速衰減的影響更顯著。水灰比越小，基準(zhǔn)波速越大，波速隨距離的衰減越大。骨料粒徑越大，基準(zhǔn)波速越大，波速隨距離的衰減越大。為了確保定位時(shí)使用相同模態(tài)的聲波，對(duì)500 mm以內(nèi)的AE波速采用對(duì)數(shù)函數(shù)進(jìn)行了擬合，回歸參數(shù)可以利用水灰比、砂率及骨料最大粒徑3 個(gè)材料配合比參數(shù)計(jì)算得到。

(2)以窮舉法和修正波速模型為基礎(chǔ)建立了RELM-MV 法，該方法計(jì)算流程包括6 個(gè)步驟。利用單軸壓縮試驗(yàn)AE 源定位結(jié)果分析了RELM-MV法與時(shí)差定位法的定位效果，結(jié)果表明采用RELMMV 法進(jìn)行定位時(shí)，定位點(diǎn)比時(shí)差定位法更接近實(shí)際裂縫位置，定位更可靠。