虞愛(ài)平， 劉祥泰， 李翔昊， 丁俊業(yè)， 鐘展明， 陳宣東

(1. 廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 桂林 541000； 2. 桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院， 桂林 541000)

在外力或內(nèi)力作用下，材料內(nèi)局部發(fā)生形變及斷裂迅速釋放能量而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(acoustic emission， AE)[1]。而借助于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)[2]對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估，代表了結(jié)構(gòu)健康評(píng)估研究領(lǐng)域的最新發(fā)展方向，其對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)的檢測(cè)，合理評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的健康狀況是消除安全隱患的有效途徑。而聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)[3]作為一種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有靈敏高、簡(jiǎn)便、穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，非常適宜對(duì)材料內(nèi)部進(jìn)行微細(xì)觀層面的研究，因此已成為工程結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測(cè)及診斷的重要技術(shù)之一，并廣泛應(yīng)用于金屬、巖石及復(fù)合材料的損傷檢測(cè)。劉希靈等[4]對(duì)不同類型的4種巖石研究發(fā)現(xiàn)信號(hào)的幅值和頻率衰減的原因主要與巖石內(nèi)部礦物顆粒結(jié)合的緊密程度和結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度相關(guān)。趙永川等[5]利用超聲波傳感器監(jiān)測(cè)彈性波在不同距離的中粒砂巖傳播變化特征，得出信號(hào)隨著傳播距離的增大，振幅呈衰減趨勢(shì)，且高頻部分衰減更為明顯的結(jié)果。張宇等[6]通過(guò)斷鉛實(shí)驗(yàn)研究了聲發(fā)射信號(hào)在齒輪內(nèi)部、齒輪與齒輪之間的傳播衰減特性。馮琰妮等[7]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)材料組織方向、容器內(nèi)的介質(zhì)、容器受載歷史等因素對(duì)聲發(fā)射信號(hào)幅值衰減特性有影響。然而在鋼筋混凝土材料中的研究和應(yīng)用較少。在對(duì)鋼筋混凝土試件進(jìn)行檢測(cè)過(guò)程中，由于材料的非均質(zhì)性，彈性波總是會(huì)發(fā)生散射和衰減。其中聲衰減是一種AE信號(hào)在非理想材料內(nèi)部傳播時(shí)的波速和能量等衰減的物理現(xiàn)象[8]。而聲衰減又體現(xiàn)在頻率衰減、傳播速度衰減、振幅衰減上，其中波速參數(shù)對(duì)聲發(fā)射源定位[9]至關(guān)重要，因?yàn)槟壳按蠖鄶?shù)研究都采用定波速進(jìn)行定位，這就在本質(zhì)上造成了定位誤差。其次當(dāng)AE信號(hào)在試件內(nèi)部傳播距離超過(guò)某一定值時(shí)，傳感器接收到的源信號(hào)幅值衰減非常迅速，檢測(cè)人員只有在充分了解聲發(fā)射波的衰減情況，才能正確判斷聲發(fā)射源的情況，提高定位精度。另一方面，衰減程度的大小關(guān)系到每個(gè)傳感器可監(jiān)視的有效檢測(cè)范圍，所以在源定位中成為確定傳感器間距或工作頻率的關(guān)鍵因素。

因此，現(xiàn)設(shè)計(jì)兩種不同規(guī)格的鋼筋混凝土梁各兩根并對(duì)其做斷鉛試驗(yàn)，研究彈性波的傳播規(guī)律及衰減特性。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件制備

試驗(yàn)對(duì)象選工程上普遍使用的鋼筋混凝土梁。為使試驗(yàn)結(jié)果更具實(shí)用價(jià)值，試驗(yàn)梁盡量接近實(shí)際尺寸，利用施工現(xiàn)場(chǎng)的條件在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行制作、加工、養(yǎng)護(hù)。為了說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性，同條件制作了兩種規(guī)格的鋼筋混凝土梁各兩根，尺寸分別為200 mm×300 mm×2 000 mm和200 mm×200 mm×1 600 mm，編號(hào)分別為JL-2.0、JL-1.6。按照適筋梁配筋，配受拉鋼筋3B16，架立筋2B12，箍筋A(yù)6@200，混凝土采用施工現(xiàn)場(chǎng)的C25泵送商品混凝土，如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)梁簡(jiǎn)圖Fig.1 Test-beam schematic

1.2 試驗(yàn)測(cè)試方案

1.2.1 試驗(yàn)儀器及參數(shù)設(shè)置

采用美國(guó)物理聲學(xué)公司(PAC)生產(chǎn)的第三代全數(shù)字化系統(tǒng)Sensor Highway 3型聲發(fā)射裝置作為采集儀器，見(jiàn)圖2，傳感器型號(hào)為R6，頻率范圍35～100 kHz。聲發(fā)射檢測(cè)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表 1。

圖2 Sensor Highway 3型聲發(fā)射儀Fig.2 Sensor Highway 3 type acoustic emission instrument

表1 聲發(fā)射檢測(cè)參數(shù)設(shè)置Table 1 Acoustic emission detection parameter setting

1.2.2 模擬聲發(fā)射源選擇

斷鉛試驗(yàn)[10]所產(chǎn)生的信號(hào)是非常典型的突發(fā)型的AE信號(hào)，是良好的模擬聲源，并且具有穩(wěn)定、重復(fù)性強(qiáng)和易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。因此按《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測(cè)及結(jié)果評(píng)價(jià)方法》(GB/T 18182—2012)[11]及ASTM E976-15[12]要求，使用直徑為0.5 mm的HB自動(dòng)鉛筆，鉛芯伸長(zhǎng)量為3 mm，每次斷鉛時(shí)保持鉛芯與梁表面成30°夾角。

1.2.3 測(cè)試步驟

在混凝土梁側(cè)面標(biāo)出傳感器的安裝部位，并打磨掉表面的浮灰。傳感器布置間距為0.2 m，如圖3所示。其次采用凡士林作為耦合劑，均勻涂于傳感器表面，并將傳感器型沿長(zhǎng)度方向均勻布置于混凝土梁上。最后開(kāi)啟聲發(fā)射系統(tǒng)，在靠近梁端傳感器(1號(hào))位置開(kāi)始斷鉛10次，同時(shí)采集聲發(fā)射數(shù)據(jù)，用于聲發(fā)射波傳播特性的分析。

圖3 JL-2.0梁傳感器布置簡(jiǎn)圖Fig.3 Schematic diagram of sensor layout of JL-2.0 beam

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

由于JL-2.0鋼筋混凝土梁上模擬聲發(fā)射信號(hào)與相同條件的JL-1.6鋼筋混凝土梁呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，因此選取其中的JL-2.0鋼筋混凝土梁進(jìn)行分析。

2.1 聲發(fā)射信號(hào)傳播特性

聲發(fā)射信號(hào)波形中包含豐富的聲發(fā)射源信息，隨著信號(hào)處理方法的發(fā)展，更多的處理方法用于聲發(fā)射波形信號(hào)的特征分析，使得波形分析逐漸發(fā)展成聲發(fā)射源特征獲取的主要方法[13-14]。

圖4是JL-2.0梁在試驗(yàn)過(guò)程中采集的有代表性的聲發(fā)射信號(hào)波形圖。由圖4(a)可見(jiàn)，聲發(fā)射波形是寬頻帶尖脈沖信號(hào)，它的上升段比較迅速，而下降段呈現(xiàn)指數(shù)衰減現(xiàn)象，是典型的突發(fā)性信號(hào)；然而隨著距離的傳播，AE系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的信號(hào)波形與初始波形有很大不同，主要有兩點(diǎn)原因；首先，混凝土并不像金屬一樣的質(zhì)地均勻，而是一種各向異性的材料，本質(zhì)上存在著不可避免的缺陷。因此彈性波在混凝土中傳播時(shí)，會(huì)在三相界面上發(fā)生反射、折射和模式轉(zhuǎn)換，傳感器最終接收的是由縱波、橫波、表面波等互相干擾形成的復(fù)合波，從而很大程度上模糊了原始波形特性參數(shù)的物理意義。其次，彈性波從波源向四周擴(kuò)散，波陣面的面積逐漸擴(kuò)大，導(dǎo)致單位面積上的能量逐漸減少，且介質(zhì)間存在的內(nèi)摩擦和熱傳導(dǎo)等內(nèi)阻尼因素，使得部分波的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成熱能等，因此波的能量隨傳播距離的增加而逐漸消散，信號(hào)不斷衰減，波形呈現(xiàn)出簡(jiǎn)諧波的特性。

由上述分析知道，彈性波在混凝土結(jié)構(gòu)中傳播十分復(fù)雜，由不同頻率的諧波分量組成的復(fù)合波在內(nèi)阻尼等因素影響下，導(dǎo)致各諧波分量的傳播速度及衰減程度各不相同，因此混凝土結(jié)構(gòu)中彈性波的衰減與信號(hào)的頻率特性有密不可分的關(guān)系。

2.2 聲發(fā)射頻率衰減特性

聲發(fā)射波在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的衰減原理十分復(fù)雜，只能通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得。因此將聲發(fā)射儀所提取的波形采用小波分析的方法研究聲發(fā)射頻率衰減特性。

為詳細(xì)分析聲發(fā)射信號(hào)在不同頻率范圍內(nèi)的衰減情況，采用小波能譜系數(shù)方法[15]，對(duì)模擬聲發(fā)射信號(hào)選擇“dB6”型小波進(jìn)行6層小波分解與重構(gòu)。實(shí)驗(yàn)中采樣頻率為1 MHz，則其N(xiāo)yquist頻率為512 kHz，各頻帶范圍為：A6(0～8 kHz)、D6(8～16 kHz)、D5(16～32 kHz)、D4(32～64 kHz)、D3(64～128 kHz)、D2(128～256 kHz)、D1(256～512 kHz)，求得各分量的能譜系數(shù)見(jiàn)圖5。

由圖5可見(jiàn)，隨著信號(hào)傳播距離的增加，能量集中程度的區(qū)別比較明顯。在聲源處的1#傳感器能譜系數(shù)圖[圖5(a)]頻率分布較寬，能量集中在D2、D3高頻段；2#傳感器能譜系數(shù)圖[圖5(b)]的D2的能量大幅衰減，高達(dá)86.6%，能量集中于D3、D4；信號(hào)傳播到4#～6#傳感器[圖5(d)～圖5(f)]處能量集中程度相似，其中D3的能量衰減幅度為83%，能量集中于D4、D5；當(dāng)彈性波傳播到7#～10#傳感器[圖5(g)～圖5(j)]時(shí)，此時(shí)的能量主要集中在低頻帶(0～64 kHz)以內(nèi)。

圖4 JL-2.0鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射信號(hào)波形圖Fig.4 Acoustic emission signal waveform diagram of JL-2.0 reinforced concrete structure

圖5 不同傳播距離的聲發(fā)射信號(hào)能譜系數(shù)Fig.5 The energy spectrum coefficients of acoustic emission signals at different propagation distances

因此，聲發(fā)射信號(hào)傳播過(guò)程中，波源處的是高頻脈沖信號(hào)，頻帶較寬，高頻能量集中于D2、D3高頻段，隨著傳播距離的增加，信號(hào)的高頻部分衰減快，尤其彈性波在距離聲源1.0 m以外時(shí)，能量集中于比較低的頻帶，此時(shí)的信號(hào)幾乎失去聲源處原有信號(hào)特征，因此在實(shí)際工程檢測(cè)中聲發(fā)射的布置部位尤為重要，建議兩個(gè)相鄰的傳感器間距不宜超過(guò)1.0 m。

2.3 聲發(fā)射波速衰減特性

步驟1打開(kāi)AE系統(tǒng)，AE硬件設(shè)置參數(shù)如表1所示。并在AE定位設(shè)置界面設(shè)置波速參數(shù)、聲發(fā)射探頭的布置位置及定位類型(線性定位)。

步驟2采集模擬聲發(fā)射信號(hào)，在靠近1#聲發(fā)射探頭斷鉛，每次斷鉛都形成1個(gè)事件(event)，2#聲發(fā)射探頭接收到1次撞擊(hit)，3#聲發(fā)射探頭接收到1次撞擊(hit)，以此類推。

步驟3信號(hào)采集系統(tǒng)自動(dòng)記錄每一次撞擊(hit)到達(dá)探頭的時(shí)間。并根據(jù)式(1)計(jì)算輸出的AE信號(hào)在此段距離中傳播的波速。表2為計(jì)算得出的聲發(fā)射信號(hào)隨傳播過(guò)程中波速變化值。

(1)

式(1)中：Vi為不同傳播距離的波速，m/s；Di為相鄰兩傳感器的距離，m；ti為撞擊(hit)到達(dá)第一個(gè)探頭的時(shí)間，μs；ti+1為撞擊(hit)到達(dá)相鄰探頭的時(shí)間，μs；Δti為兩傳感器的時(shí)間差，μs。

為了評(píng)價(jià)波速衰減特性，采用波速衰減率Ri來(lái)描述AE波速隨距離的衰減程度。圖6為不同傳播距離的衰減率曲線圖。

(2)

式(2)中：Ri為波速衰減率，%；V0為0～200 mm的傳播波速，作為基準(zhǔn)波速，m/s；Vx為不同傳播距離的AE波速，m/s。

如表2及圖6所示，聲發(fā)射波的傳播速度在0～0.2 m內(nèi)平均在4 189 m/s，到達(dá)1.6～1.8 m內(nèi)的波速是1 556 m/s，波速總體上呈衰減趨勢(shì)；平均衰減率在0.6 m內(nèi)控制在10%以內(nèi)，較符合工程監(jiān)測(cè)精度要求；而在1.4～1.6 m內(nèi)到1.6～1.8 m內(nèi)衰減率下降最為明顯，平均衰減率從36%降至63%。值得探究的是，當(dāng)傳播到1.0～1.2 m時(shí)衰減率反而有較大幅度提高，是由于1.0 m和1.2 m處傳感器接收信號(hào)的時(shí)間差非常小，混凝土是以特性復(fù)雜多變骨料為主要填充物，彈性波在其傳播過(guò)程中，隨傳播距離的增加，聲波在經(jīng)過(guò)三相交界處會(huì)發(fā)生多次折射、反射、散射、吸收衰減等現(xiàn)象，導(dǎo)致波形模式發(fā)生了較大的變異，因而波速的離散性也增大。

綜上所述，聲發(fā)射在混凝土材料檢測(cè)中，由于波速的衰減和變異，推薦實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中的探頭布置間距不宜超過(guò)1.0 m。而且探頭的布置方式及位置應(yīng)綜合考慮到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件和經(jīng)濟(jì)性，找出最合適的列陣布置。

圖6 波速衰減率隨距離的變化曲線Fig.6 Variation curve of wave velocity attenuation rate with distance

表2 聲發(fā)射波速匯總表Table 2 Summary table of acoustic emission wave velocity

2.4 聲發(fā)射幅值衰減特性

由于混凝土介質(zhì)的非完全彈性，應(yīng)力波在傳播過(guò)程中能量會(huì)在介質(zhì)中被損耗和吸收，使應(yīng)力波的振幅衰減，稱為介質(zhì)的吸收衰減。如今常用的聲發(fā)射軟件是根據(jù)幅值衰減曲線對(duì)不同傳播距離的傳感器接收到的信號(hào)來(lái)反算出信號(hào)源的幅值，以便對(duì)缺陷定位及評(píng)價(jià)。

由圖7可見(jiàn)，AE信號(hào)的幅值在混凝土結(jié)構(gòu)中隨著傳播距離的增加呈現(xiàn)出衰減總趨勢(shì)；聲源處(0 mm處)平均幅值達(dá)到92.6 dB，而在0.2 mm處的平均幅值降到77.6 dB，兩者之間的衰減幅度最為明顯，約為16.4%，隨后衰減趨勢(shì)變緩；值得注意的是，當(dāng)信號(hào)傳播到1.0 m和1.2 m處幅值反而有較大的增加，此處與波速衰減有相似的表現(xiàn)。究其原因，聲發(fā)射信號(hào)在混凝土三相界面上發(fā)生多次反射、折射，以及橫波、縱波、表面波等不同模式之間的轉(zhuǎn)換和疊加，使傳播到此處的信號(hào)幅值反而增加。

遠(yuǎn)離聲源的信號(hào)相對(duì)于信號(hào)源已發(fā)生較大的畸變，為了深入地研究其機(jī)理，根據(jù)應(yīng)力波傳播衰減理論、品質(zhì)因子Q理論[21-22]，聲發(fā)射波在傳播過(guò)程中振幅的變化可表示為

(3)

式(3)中：A(x)為距聲發(fā)射聲源x處的振幅；A0為信號(hào)初始振幅；f為信號(hào)頻率；x為信號(hào)傳播距離；V為波速；Q為介質(zhì)的品質(zhì)因子；α為信號(hào)衰減系數(shù)。

因此，對(duì)不同距離的傳感器監(jiān)測(cè)到的10次AE信號(hào)幅值分別進(jìn)行擬合，得到了沿傳播距離方向上聲發(fā)射信號(hào)幅值衰減函數(shù)關(guān)系并進(jìn)行相關(guān)分析，擬合結(jié)果見(jiàn)表3。從擬合結(jié)果來(lái)看，AE信號(hào)振幅隨著傳播距離的增大呈負(fù)指數(shù)函數(shù)衰減，衰減系數(shù)α在0.24～0.29，同時(shí)通過(guò)回歸方程決定系數(shù)R檢驗(yàn)擬合模型的優(yōu)度，10次擬合結(jié)果的決定系數(shù)R介于0.81～0.85，可知幅值隨距離變化的衰減趨勢(shì)呈現(xiàn)出良好的負(fù)指數(shù)相關(guān)。

圖7 幅值衰減規(guī)律Fig.7 Amplitude attenuation laws

表3 衰減測(cè)試參數(shù)擬合 Table 3 Fitting parameters of testing results

3 結(jié)論及討論

(1)1#傳感器接收到的是寬頻帶尖脈沖信號(hào)，但由于不同頻率的諧波分量組成的復(fù)合波在內(nèi)阻尼等因素影響下，隨傳播距離的增加，波形會(huì)呈現(xiàn)出簡(jiǎn)諧波的特性。

(2)波源處的聲發(fā)射信號(hào)是高頻脈沖信號(hào)，頻帶較寬，能量集中于D2和D3兩個(gè)高頻段，而彈性波在距離聲源1.0 m以外時(shí)，能量集中于比較低頻帶，此時(shí)的信號(hào)幾乎失去聲源處的信號(hào)特征。由此可見(jiàn)，彈性波信號(hào)沿傳播方向的衰減程度與頻率直接相關(guān)。主要是由于在傳播過(guò)程中高頻信號(hào)頻率越高，振動(dòng)速度就越快，導(dǎo)致顆粒之間的摩擦阻尼越顯著，所損耗的能量也就越多，因而隨著距離增加，其衰減程度大于低頻信號(hào)，從而低頻的信號(hào)更易在長(zhǎng)距離傳播過(guò)程中保持穩(wěn)定。

(3)隨著傳播距離的增大，波速總體上呈衰減趨勢(shì)；但值得注意的是1.0～1.2 m時(shí)衰減率反而有較大幅度提高，是由于1.0 m和1.2 m處傳感器接收信號(hào)的時(shí)間差非常短，且混凝土是以特性復(fù)雜多變骨料為主要填充物，聲波在經(jīng)過(guò)三相交界處時(shí)會(huì)發(fā)生多次折射、反射、散射、吸收衰減等現(xiàn)象，因而波速的離散性也增大。故傳感器布置間距不宜超過(guò)1.0 m，并應(yīng)結(jié)合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)條件和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行布置。

(4)斷鉛AE信號(hào)振幅隨著傳播距離的增大呈負(fù)指數(shù)函數(shù)衰減，均呈現(xiàn)出良好的負(fù)指數(shù)相關(guān)。當(dāng)信號(hào)傳播到1.0 m處幅值反而有較大的增加，此處與波速衰減有相似的表現(xiàn)。