全波形声发射技术用于混凝土材料损伤监测研究

发布日期：2017-08-31 22:58　　　浏览次数：次

1 引言

声发射(acoustic emission AE)是指物体内部缺陷在外力或残余应力作用下，本身能动地释放出应力波的现象。而声发射技术则是借助电子技术计算机技术以及信号处理手段将这一现象转化为人们可以利用和认识的信号，据此来解释结构内部的缺陷变化并判断声发射源的位置以及所处的状态的专门技术，是一种评价材料或构件损伤的动态无损检测技术。声发射技术可以获得材料或构件内部裂纹等缺陷的产生与扩展信息，而这一优势是其他无损检测(non-destructive testing NDT)技术无法实现的。然而由于材料或构件在外载荷作用下内部发出的弹性波延续的时间非常短，有时甚至是ns 级的[1] ，这就使得声发射采集的数据量非常的大而且处理起来也很困难。于是伴随现代电子技术计算机技术以及信号处理技术的迅速发展，全波形声发射采集和分析技术应运而生。

传统声发射技术常用参数分析法来处理信号并且也取得了很大成功[2 3]，但它们只是对波形的简单表述，而全波形声发射信号则揭示了信号在时域状态下所蕴涵的信息，它能够提供更全面更详尽的声发射信号特征信息[4] 。声发射信号波形分析技术指根据所记录的时域波形(及与其相关联的频谱、相关函数等)来分析声发射源信息的一种方法。由于不同声发射源机制产生的声波性质不尽相同，如固体内部裂纹的形成和扩展、晶格位错、塑性变形、复合材料的纤维断裂等都会产生声发射，只有对材料的破坏机理有所了解才能有效地进行波形分析。因此本文首先进行了材料破坏的力学分析阐述了它的破坏机理并分析了能量参数在此基础上对全波形声发射信号及其频谱进行了分析。将其与参数分析进行比较，发现全波形声发射信号能够实时有效地反映构件破坏过程的特征信息这一结果，为声发射技术在混凝土材料破坏过程中的检测提供了一个新的判断依据。

2 试验研究方法

本试验采用 C15 的普通无筋混凝土，配比为：水泥：砂石：水=1： 1.98 ：3.25 ：0.63，试件尺寸为60 cmX40 cmX10 cm，龄期为28 d。试验采用wav2000 全波形声发射仪对混凝土构件进行三点弯曲[5 8]试验，8 个中心频率150 kHz 的压电传感器中，4个如图1 方式布置，另外4个背面对应放置，用硅胶作耦合剂，前放增益40dB，利用Kaiser 效应去除加载机与构件间的摩擦噪声干扰。

3 试验结果分析

3.1 力学分析

混凝土是由骨料颗粒和水泥浆基体构成的复合材料，在承受载荷之前内部就存在有微孔穴、微裂纹，加载后原微裂纹扩大，新的微裂纹形成合并成宏观裂纹，而后宏观裂纹扩展断裂[9]，这是混凝土材料的断裂机理。结合上述机理和Hillerborg[10]的粘合裂纹模型，可把裂纹尖端存在的破裂带看成一个破裂面，当载荷P 逐渐增加时，拉应力f t 逐渐增加(图1) ，裂面将从梁中底面沿直线向上扩展。随着载荷逐步增加，裂面将逐步扩大直到载荷构件破坏。

3.2 声发射能量‐载荷关系曲线与能量参数图

图 2 为声发射累积能量随载荷变化关系曲线，破坏载荷56 kN。图中有两段较为明显的上升阶段，分别处在36，43 kN附近，且曲线成近似折线段AB、CD、EF段斜率基本相同，约为0.5 J/kN。BC、DE段斜率也基本一致约为2.5 J/kN。而FG段则非常短，斜率约为6 J/kN。图3为声发射能量参数图，从图中看到BC、DE、FG 段分别与图2中相应分段有明显的对应关系，在DE 段内显然声发射的活动性很强，而FG段突然释放的能量则是由于构件的突然断裂造成。根据以上分析可得以下结论：

(1) 图2中低斜率段意味着混凝土裂纹处于缓慢增长段，而高斜率则表示裂纹处于快速增长段；

(2) 低斜率段与高斜率段交叉出现，反映了能量积聚释放的过程；

(3) 材料破坏前没有明显征兆，反映了混凝土材料的脆性破坏特性；

(4) 斜率大小只反映裂纹扩展速度，与裂缝大小有无直接关系有待进一步的研究验证。

3.3 声发射信号波形分析及其频谱

图4为加载初期(AB段)采集的信号及其频谱特征图。从图中可以看到，信号很微弱频率成分较窄，集中在10~50kHz频率段且峰值较低。

图5为加载到37kN(BC段)时采集到的信号。时域信号有明显的二次波包出现，且幅值大大增加。从频谱图中可见其在165kHz 频率附近激发了一个明显的峰值，同时30kHz附近的峰值也增大了许多。根据前面的分析可知，此时微缺陷因出现尖端应力集中而开裂，微裂缝开始出现，应变能随之释放。

图6是43.2kN(DE段)时采集到的信号及其频谱图。时域图中可以看到二次波包时间延迟，频谱图中在10~165kHz的频宽范围峰值都有所增加，裂纹活动性大大增强，继续向高频成分扩展。

图7为载荷51kN(EF段)时的典型信号及其频谱图。时域信号幅值明显增加且延续时间相对很长，频谱很窄，主频集中在15kHz左右且峰值很高约为图6峰值的10倍，反映了材料破坏形式发生了变化。该信号预示宏观裂纹出现，而宏观裂纹的出现必将导致骨料之间摩擦和各缺陷之间相互作用力的加强以及活动频率向低频扩展，因此可以认为构件处于破坏前期，即为破坏前兆。

图8为构件破坏前(FG段)时域信号及其频谱。时域信号在一个撞击定义时间内出现三次波包每次波包，出现的时间相对缩短，反映了缺陷的迅速出现与扩展。而频谱图中频谱范围变宽，覆盖了10~165kHz的频宽范围，且该范围内频率成分非常复杂，表明声发射活动性很强，因此可以认为构件已接近或已经破坏。

表1列出了不同载荷阶段频谱及能量分布主要特征，从中看出整个破坏过程频谱基本是由低频到高频变化的，只在EF段有所不同，由前面分析可以知道，此段中有特殊信号出现，峰值很大，同时EF段所占能量也很大，约占总能量的17%，据此可以判断构件接近或已经破坏。

3.4 参数与波形分析比较

参数分析法必须获得大量的参数数据，它是建立在数据处理基础上的分析方法，它所反映的信息只能是事后的，不能实时反映构件的损伤信息，而波形信号则不仅包含了参数分析所需要的数据信息，而且更多地蕴涵了时域和频域的信息。通过对波形的分析，人们可以直接从波形信号中获得构件的损伤信息，结合频谱分析以及相关函数等信号处理手段就可以获得更多的精确信息，这是参数分析法没法实现的。

4 结论

(1) 全波形声发射信号有效记录了混凝土材料在外载荷作用下整个破坏过程的特征信息，能够实时反映构件的破坏情况；从其频谱可以看到整个破坏过程频率由低频向高频扩展，破坏主频约为165kHz。

(2) 能量参数分析法可以事后分析声发射的活动特征，但却不能实时发现微裂纹等缺陷的出现，也不能反映出材料破坏的频率特性。

(3) 在试验过程中对应图8信号出现的现象是信号连续出现时间间隔很短且在一个信号间隔时间内有2个或2个以上的波包，因此这可以用来初步判定构件的完整性。

(4) 宏观裂纹出现前，频谱峰值逐渐增加，当宏观裂纹出现时频谱峰值急剧增加，约为其他信号峰值的10倍，同时频率很低之后虽然频谱较宽但峰值要小很多，此特征可以作为混凝土构件破坏的一条判据。

(5) 整个试验过程中信号的频率不断变化可以推断频率的变化不仅与缺陷类型有关而且应该与材料的性质有关，也就是说不同材料在破坏或出现损伤时的频率应该有所区别，这在后续研究中将有表述。

参考文献(References)

[1] Krzysztof J. Some aspects of acoustic emission signal preprocessing[J]. Journal of Materials Processing Technology 2001109(3) 242–247.

[2] 沈功田耿荣生刘时风. 声发射信号的参数分析方法[J]. 无损检测2002 24(2) 72–77.

[3] 纪洪广张天森张智勇等. 无损检测中常用声发射参数的分析与评价[J]. 无损检测2001 23(7) 289–291.

[4] 刘时风王勇. 全波形声发射测试技术研究[A]. 见中国第九届声发射学术研讨会论文集[C]. 成都[s. n. ] 2001. 32–38.

[5] 陈兵张立新刘娟育. 混凝土梁三点弯曲负荷下的发射特性研究[J]. 无损检测2000 22(3) 109–111.