水工混凝土結構聲發射檢測系統參數設置和特征參數選擇

伍衛平，李東風，高志萌，倪國勝，程勝金

(水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心，河南 鄭州 450044)

聲發射(Acoustic Emission，AE)檢測技術是一種重要的動態無損檢測方法，通過材料內部由于局部應變能的快速釋放而產生的瞬時彈性波來判斷結構內部的損傷程度，在水利水電行業的金屬結構領域得到廣泛的應用[1- 5]。

國內外聲發射檢測主要集中在對金屬材料、高分子復合材料和巖石進行研究，針對混凝土研究很少。

聲發射檢測參數的合理設置是聲發射檢測結果正確與可靠性的關鍵。目前，針對金屬等材料聲發射檢測系統參數的設置，如檢測門檻(閾值)、時間參數(峰值定義時間PDT、撞擊定義時間HDT和撞擊閉鎖時間HLT)和聲發射信號的波速等，研究較為成熟，并已經有成熟的標準[6]；而對混凝土材料聲發射檢測參數的研究很少[7]。我國目前還缺乏混凝土聲發射檢測的標準，造成聲發射技術在實際使用過程中出現了測量系統設置不合理、檢測程序不規范、損傷評定無標準等問題，這極大地限制了聲發射技術在混凝土損傷檢測中的實際應用。針對混凝土結構，直接選取撞擊計數、振鈴計數、幅值、能量、聲發射事件數、聲發射事件率等常規參數會過于簡單直接，不能準確、全面反映材料構件在不同過程或狀態的個體屬性和差異。

本文對水工混凝土結構開展聲發射檢測時的系統參數設置和聲發射特征參數的選擇及構造進行探討，為混凝土結構聲發射檢測標準化做一些基礎性工作。

1 水工混凝土結構及聲發射技術應用現狀

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構，其質量是水工建筑物工程質量的重要保證，以至關系到整個水工建筑物的安全運行。

由于混凝土是由各種不同材料性質組成的人工合成的多相復合材料，其均勻性較差，抗拉強度較低，又有膨脹收縮、徐變等特性，其具有脆性易損特征。大型水工混凝土結構投資大、服役時間長，經常在外部耦合因素的作用下，不可避免地會產生結構損傷，對結構的適應性、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，浪費大量維修費用和重建費用；更甚者，極端情況下可能引發災難性事件。

混凝土材料受載后，除產生一定量的彈性變形外，原生裂隙和缺陷也會產生一系列變化，先是閉合或張開，繼而在端部出現微裂區并逐漸開裂和擴展，直至演化為失穩破壞。混凝土結構在拉伸、彎曲、剪切或壓縮的受載情況下導致的損傷及破壞過程中均有聲發射現象發生。

聲發射技術可以用于確定混凝土結構的損傷，是一種有效的結構健康監測(SHM)手段。聲發射技術應用于在役水工建筑物的檢測，在國外已經有過一些較有成效的應用案例：如對位于日本本州島的一座混凝土拱壩，進行了聲發射檢測，實現了對該混凝土拱壩安全狀況的評估[8]；加拿大魁北克電力公司和Sherbrooke大學合作，在老混凝土壩剪切破壞聲發射檢測方面進行了深入研究，分析了在不同正應力作用下的聲發射特性，認為該項技術在檢測混凝土重力壩抗滑穩定方面有良好的應用前景。

2 系統參數設置

聲發射檢測系統參數設置主要包括檢測門檻(閾值)、傳感器、時間參數(峰值定義時間PDT、撞擊定義時間HDT和撞擊閉鎖時間HLT)和波速等。

2.1 檢測門檻的設置

為了剔除背景噪聲，需設置適當的門檻值(閾值)，一般的門檻值是35～55dB，試驗條件和材料不同時門檻值也會不同。

門檻的設置主要與背景噪聲的電平及需要檢測的最小信號幅值有關。

測試方法是采用低頻窄帶寬高靈敏度諧振傳感器，低門檻，進行背景噪聲的設置，一般在噪聲電平的基礎上增加6～10dB作為混凝土結構的聲發射檢測門檻值。

2.2 傳感器的設置

傳感器是聲發射檢測系統的重要部分，是影響系統整體性能重要因素。傳感器的選擇不合理，或許使得接受到的信號和希望接受到的聲發射信號有較大差別，直接影響采集到的數據真實度和數據處理結果。

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))。有關低頻傳感器的頻率響應曲線如圖1所示。

圖1 頻率響應曲線

2.3 時間參數的設置

時間參數包括：峰值鑒別時間(PDT)、撞擊鑒別時間(HDT)和撞擊閉鎖時間(HLT)。峰值鑒別時間(PDT)，是為正確確定撞擊信號的上升時間而設置的最大峰值等待時間間隔，應選擇得盡量短。撞擊鑒別時間(HDT)，是為正確確定撞擊信號的終點而設置的撞擊信號等待時間間隔；如將其選得過短，會把一個撞擊測為幾個撞擊，如選得過長，又會把幾個撞擊測成一個撞擊。撞擊閉鎖時間(HLT)，是在撞擊信號中為避免采集反射波或遲到波而設置的關閉測量電路的時間間隔。

聲發射信號在不同材料中的傳播特征有很大的差別，如，混凝土、巖石等復合材料中信號的衰減比金屬材料大得多，對這類材料進行檢測時，時間參數值要小一些。因而，需要通過試驗來確定適合被檢測材料的時間參數。

本文采用PAC公司的POESH-Ⅲ型鏈式自源以太聲發射系統(Daise AE)，傳感器為R6α型窄帶高靈敏度諧振傳感器，內置前置放大器增益為26dB，門檻設置為40dB，模擬源為0.5mm，硬度為HB的鉛筆芯折斷(Pencil Lead Break，PLB)。PLB試驗測試數據見表1。

表1 PLB試驗測試數據

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

由表1可知，隨著傳輸距離的增大，信號的上升時間增大，幅值衰減，因此一般需要根據傳感器最大間距，鑒于傳感器陣列內聲發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0.5倍的最大傳感器間距情況下的信號上升時間來確定聲發射時間參數。

針對本試驗，如果最大傳感器間距為600mm，則時間參數取值見表2。

表2 時間參數設置

2.4 波速的設置及波速衰減特性

利用聲發射技術對混凝土結構進行檢測時，對AE源進行準確定位是其主要任務之一。

時差定位是一種常用的AE源定位方式，定位計算的關鍵參數是到達時間和波速，目前的大多數商業聲發射檢測系統，時間精度可以達到0.1μs，因此定位精度最為關鍵的是聲速。

對于均勻介質而言，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。但是對于混凝土來說，情況更為復雜。混凝土是一種由水泥(或其他的膠凝材料及摻合料)、集料(粗骨料、砂)、水和添加劑經機械拌合而成的各向異性的混合材料；是非均質的三相體，即固體、液體和氣體。聲發射信號在多相介質中傳播，加之大量的微觀孔隙、裂縫結構的存在，聲波傳播過程中發生的散射、折射、波形轉換等，隨著傳播距離的增加，聲速會降低而聲波衰減(幅值、能量衰減)會增大[9]。

采用R6型低頻諧振高靈敏度傳感器在某大壩混凝土結構上進行不同傳輸距離下的聲速的測量，門檻取值為40dB。以其中一個傳感器為基準，作為母傳感器，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，然后利用斷鉛位置到2個傳感器(其中一個傳感器為母傳感器)的距離差和信號傳輸時間差(5次斷鉛信號傳輸時間差的均值)，計算該距離下的平均聲速，有關測試數據見表3。

表3 聲速測量

聲速計算曲線如圖2所示。

圖2 聲速計算曲線

曲線分為上平臺(x≤200mm)、聲速快速衰減區和下平臺(x≥600mm)3個階段，不同階段的平均聲速相差很大。采用指數、對數2種非線性擬合模型分別對數據進行擬合，擬合優度均很高，因此可以根據擬合模型將任何位置下的平均聲速進行修正，采用變聲速的方式進行時差定位計算。

聲波在傳播過程中發生幅值的衰減和波形的變化，隨著傳輸距離的增大，信號上升時間增加、到達時間推后，導致用于聲速計算的傳播時間取值偏大，從而使聲速計算值偏小。

聲波在混凝土中的傳播速度受齡期、密實程度、骨料、強度等各方面因素影響；一般應以斷鉛試驗的方式進行波速的實際測量。

3 AE特征參數的選擇

聲發射基本特征參數有到達時間、振鈴計數、幅值、能量、上升時間、持續時間、撞擊計數、撞擊率、事件數、事件率等，如圖3所示。一般通過這些特征參數的相關分布圖、關聯分布圖、時間經歷圖來表征材料及結構的聲發射過程或狀態。

圖3 AE基本特征參數

為了充分體現材料和構件聲發射過程或狀態的個體屬性，針對混凝土結構僅僅通過基本參數遠遠不夠；因此需要構造新的聲發射特征參數，即以聲發射基本參數為基礎，構造函數得到新的特征參數對相應的特征進行比較分析。

混凝土結構中存在的各種活動性裂縫類的損傷，可以通過構造2個新的特征參數：上升時間-幅值比RA和平均頻率AF來區別活動性裂縫[10]的類別(拉伸型、剪切型或混合型)。

(1)

式中，RA—波形梯度倒數，表明波形達到峰值的快慢；AF—一個撞擊對應的波形頻率的平均狀況，是波形頻率分量的較好近似。

用聲發射參數確認損傷如圖4所示。

圖4 用聲發射參數確認損傷

圖4中左側區域表示拉伸型裂縫(Tensile Crack)的AE參數分布，右側區域表示剪切型裂縫(Shear Crack)的AE參數分布。拉伸型裂縫聲發射信號具有較小的RA和較大的AF，剪切型裂縫聲發射信號具有較大的RA和較小的AF。

一組實測的損傷模型分布數據如圖5所示。

圖5 損傷的AE數據

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

4 結語

本文給出了水工混凝土結構聲發射檢測時系統參數設置的試驗方法和依據，并討論新構造的上升時間-幅值比(RA)和平均頻率(AF)2個AE特征參數在混凝土結構中活動性裂縫損傷分類識別方面的應用。

(1)根據0.5倍的最大傳感器間距處斷鉛信號的上升時間來確定聲發射時間參數，針對諧振頻率為55kHz的低頻傳感器，時間參數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，一般應以斷鉛試驗的方式進行實際測量。

(3)新構造的聲發射特征參數RA和AF可以用于裂縫類型的分類。

本文為混凝土聲發射檢測標準化提供了一些基礎參考和依據，但是在通過RA和AF2個特征參數進行裂縫類型(損傷類別)識別方面研究不夠深入，有待進一步的分析研究。