受載混凝土破壞全過程聲發射信號頻帶能量特征

賴于樹，熊 燕，程龍飛

(1.重慶三峽學院 電子與信息工程學院，重慶 404100；2.東南大學 電子科學與工程學院，南京 210096；3.重慶三峽學院 土木工程學院，重慶 404100)

混凝土、巖石等準脆性材料在壓力下的力學行為及損毀演變廣受關注，尤其應力作用下的裂紋擴展，為結構失效的重要因素。聲發射指在裂紋擴展導致破裂整個過程中局域源快速釋放能量產生瞬態彈性波的一種物理現象。利用聲發射技術研究巖石混凝土工程的穩定性、安全性，評估破損程度、定位裂變位置及護坡或壩體的失穩監測預報等取得一定成效，該方法行之有效[1-4]。目前巖石混凝土聲發射技術不僅應用于采礦工程，且已擴展到石油、水電、交通等領域的邊坡穩定監測評估、橋梁與隧道監控等。

有關混凝土材料在破壞過程中聲發射特性研究較多，已建立基本變化規律。在破損過程初始階段，由于應力作用會逐漸產生顯微裂紋，激發聲發射；隨裂紋擴展，構件越臨近失效，聲發射越活躍，釋放能量越高，且與材料力學性質如強度等級、彈性系數等有關[5-7]。雖在巖石混凝土聲發射監測相關設備研制、應用開發研究等已取得較大成就，但將聲發射技術應用于巖石混凝土工程失穩預測預報，尤其實時監測預警等實際應用仍有諸多問題亟待解決。應用中由于缺乏可靠的破壞前兆判據及相關理論基礎，致使監測預報成功率不高，預報的實效性不理想。因此，從實時監測預警應用角度開展巖石混凝土受壓破壞全過程聲發射特征研究，深刻揭示不同破壞階段聲發射主要參數的時間相關性，有助于進一步認識巖石混凝土破壞機理，提出合理、有效的破壞前兆判據。

采集、處理聲發射信號主要有兩類方法：① 提取簡化聲發射信號特征參數，采用參數分析方法進行聲發射分析、處理；② 采集聲發射信號波形，直接對波形進行時頻分析[1]。最近幾年，將以FFT變換為基礎的經典譜分析與以小波分析為代表的現代譜分析方法應用于巖石混凝土聲發射領域，并取得諸多研究成果。Robinson對砂漿體及不同骨料摻量、不同骨料粒徑各類混凝土進行較全面的聲發射頻率特征研究，指出混凝土聲發射信號的兩主頻及產生所需應力水平[1]。紀洪廣等[8]通過研究混凝土材料強度指標與聲發射信號頻率特征相關性，獲得隨混凝土強度等級的增加，聲發射優勢頻率會逐步增高的結論，指出中等強度混凝土聲發射優勢頻率在40～50 kHz之間。Schiavi等[9]試驗研究混凝土試件在擠壓狀態下的破損過程，通過不同類型傳感器檢測高、低頻信號,并重點檢測分析1～10 kHz頻率范圍內低頻聲發射信號，獲得準脆性材料在破壞過程中低頻聲發射信號會不斷增強的結論。吳勝興等[10]研究混凝土及組成材料軸拉損傷過程的聲發射特性，采用FFT變換及功率譜分析不同混凝土材料的主頻能量特征。針對混凝土破壞全過程的聲發射特性研究目前尚不多見，而用時頻分析方法研究破壞全過程聲發射變化規律的報導更少見。混凝土等準脆性材料破壞全過程聲發射信號具有瞬態性、多模式特點，不同破壞階段特征不同，屬典型非平穩信號。因此，本文介紹混凝土單軸加載破壞全過程聲發射試驗；針對混凝土聲發射信號特征，對不同破壞階段聲發射信號進行FFT變換及小波包頻帶能量計算，總結頻率分布與頻帶能量占比隨加載時間的變化規律，為系統探尋混凝土工程的穩定性監測預警提供有價值的判別依據。

1 試驗方案及聲發射信號采集

1.1 試驗設備及裝置

試驗采用WES-1000B型微機數顯巖石力學試驗機及SAEU2S型數字聲發射采集系統兩套裝置。該型巖石力學試驗機可輸出最大壓力1 000 kN，能實現恒位移速度控制。SAEU2S型聲發射系統采用USB2.0實現高速數據傳輸，可解決實時高速多通道聲發射信號波形數據傳輸存儲瓶頸問題。SAEU2S軟件系統數據處理功能豐富，可按不同需求直接輸出信號模式。試驗裝置見圖1。

圖1 試驗裝置

1.2 試驗內容與加載方式

多次重復開展混凝土試件單軸受壓破壞全過程聲發射試驗，采集各種加載速度及加載方式下聲發射數據。研究混凝土試件破裂全過程中聲發射信號的時頻特性、頻率分布、頻帶能量變化等與試件失穩破壞過程的對應關系，作為混凝土工程穩定性聲發射監測預警系統設計的理論基礎。

本試驗所用試件為普通硅酸鹽水泥中砂，強度等級為C40，試件尺寸15 cm×15 cm×15 cm。混凝土配比為水泥:砂:石:水=1∶1.4∶2.5∶0.40。試驗過程中采用軸向應變控制加載，保持恒定加載速度，聲發射數據采集同步進行,采樣頻率416 kHz。多次試驗表明，盡管在不同加載速度下采集的聲發射數據明顯不同，但數據揭示的規律與試件受載破壞階段特征一致。為便于分析，本文采用加載位移速度5 μms-1時采集的聲發射數據，整個試驗耗時41 s(原始數據記錄時間為15∶25∶49～15∶26∶29)。

1.3 測試方法與數據采集

本試驗所用傳感器為SR800型寬頻聲發射傳感器，4個傳感器在立方體試件四周環繞布置，采用4通道同步采集，見圖2。用JYX-1耦合劑將傳感器粘貼于打磨光滑的試件表面，且通過斷鉛(HB 0.5 mm)實驗檢查傳感器的耦合情況。通過合理設置SAEU2S系統參數，最大限度降低噪聲影響，聲發射儀固定門檻值設為40 dB，前放增益設為40 dB，濾波設為直通，波擊鑒別事件(HDT，為確定Hit信號終點而設的等待時間間隔)設為300 μs，波擊閉鎖事件(HLT，為避免反射波或遲到波干擾而設的關閉測量電路時間間隔)設定為2 000 μs[11]。經多次試驗發現該設置可有效排除外部撞擊、摩擦等機械噪聲。

圖2 聲發射傳感器實物布置圖

圖3 混凝土加載破壞全過程5階段

主要考慮混凝土破壞全過程聲發射計數率、聲發射事件能量等特征參數隨加載時間體現出的變化規律，參考混凝土加載過程的力學特性即荷載位移曲線，將混凝土加載破壞試驗分為5階段：初始壓密階段1～5 s，彈性變形階段6～10 s，塑性變形階段(裂紋擴展階段)11～18 s，主破裂產生階段19～30 s，貫通破壞階段31～41 s，見圖3。

混凝土屬準脆性材料，強度高韌性差，聲發射源主要為顯微裂紋開裂及宏觀開裂兩種情況。在顯微裂紋不斷增多并逐漸擴展積聚形成宏觀裂紋過程中，必然伴隨聲發射事件大量發生。圖4為在加載試驗進行到不同階段采集的聲發射時域波形，截取信號長度35 000個采樣點，時間長度約84 ms(采樣頻率416 kHz)。初始壓密階段，采集的聲發射信號為突發聲發射信號，信號密度、幅值相對較低(圖4(a))；圖4(b)、(a)為彈塑性變形階段聲發射時域信號，此階段聲發射事件不斷增加，強度不斷增大，形成連續聲發射信號。塑性變形階段，因大量裂紋急劇擴展，連續聲發射信號較彈性變形階段幅值更大。施壓試驗后期，主破裂產生后應力急劇降低，聲發射信號顯著減少，信號波形見圖4(d)。

圖4 混凝土破壞不同階段聲發射信號時域波形

2 破壞全過程聲發射信號頻譜分析

諸多在時域難以顯現或不能發現的問題，通過頻域譜分析較易辨別。通過對各階段采集的聲發射信號進行快速傅里葉變換(FFT)，可清楚看到信號頻率分布情況，不同頻譜分量表征信號不同的產生機制，反映出聲發射源不同特征。

已有研究表明，巖石混凝土等準脆性材料聲發射信號主頻不隨應力的增加而平移，主頻對加載應力具有穩定性；主頻豐富程度亦與材料強度有關，強度越高，主頻越寬[8,12]。

圖5為加載破壞不同階段聲發射信號經FFT變換所得幅頻特性圖。由圖5看出，在混凝土破壞的不同階段，聲發射信號除具有主頻基本不變、信號強度不等特征外，低于20 kHz的低頻彈性波信號占比在不同階段顯著不同，在塑性變形與貫通破損階段，尤其主破裂產生后，低頻彈性波信號尤為明顯。不同破壞階段信號幅頻分布差別明顯，即在微裂紋擴展形成宏觀裂紋至試件破損過程中，低頻分量幅值提高顯著。進一步分析頻譜圖知：

(1) 不同破壞階段聲發射信號能量差別巨大，尤其塑性變形階段，應力逐漸增大至極值，試件內部裂紋密集產生并擴展成宏觀裂紋，發射出大量高強度聲發射信號。混凝土聲發射信號主頻集中在20～40 kHz及110～140 kHz兩頻帶上，但在可檢測的整個頻率范圍內均有分布。

(2) 由圖5(a)、(b)對比可知，彈性變形階段0～20 kHz低頻帶信號占比小于初始壓密階段，主要因為在彈性變形階段顯微裂紋開始密集出現，發射出更高頻率的聲發射信號。

圖5 不同破壞階段聲發射信號的幅頻特性

(3) 塑性變形階段，顯微裂紋擴展成宏觀裂紋。宏觀裂紋增多，低頻信號占比逐漸增大(圖5(c))。

(4) 主破裂產生后的貫通破壞階段，由于應力急劇降低，新顯微裂紋較少產生，主要為宏觀裂紋進一步擴展貫通，低頻聲發射信號占主導地位(圖5(d))。

由以上分析可知，混凝土不同破壞階段聲發射信號頻率特征差異明顯，尤其低頻彈性波信號，會隨加載試驗的進行裂紋的擴展而占據更大比重。為評估混凝土工程在外力作用下的破壞情況、預判所處破壞階段具有重要理論指導意義。

FFT變換對信號頻帶劃分為線性等間隔，可大致識別出不同破壞階段信號頻率特性差異。在此基礎上，為更進一步分析信號頻帶能量關系，找出頻帶能量，尤其低頻帶能量相對加載時間的變化規律，需用更精細的小波包變換方法。

3 小波包變換及頻帶能量特征分析

小波變換在信號低頻分析上具有強大功能，但不能對信號高頻即細節信息再分解[13]。小波包分析(Wavelet Packet Analysis) 方法較小波分析更精細，能對高頻部分進行精確分析，且分析信號不會混疊及丟失。對給定的正交小波函數，可生成一組小波包基，每個小波包基里提供一種特定信號分析方法，可將信號分解成不同頻率范圍分量并保存信號能量，也可據各分量特征系數進行精確信號重構[14]。選不同小波基分析同一信號亦會產生不同結果，因此小波基選擇非常重要。據聲發射信號特點，可用的小波基函數應具有較好的時域緊支性、光滑性、對稱性。充分考慮他人經驗，并通過反復對比，選擇dau-bechies小波族[15]。db小波按消失矩N具有不同序列(dbN)，本文選最常用的db3小波。

由以上基于FFT頻譜分析發現，混凝土破壞不同階段的聲發射信號所含頻率能量信息不同，經小波包分解后信號中信息成分會表現于各分解尺度分量中。由于關注重點為0～20 kHz低頻成分能量占比及在不同階段的變化情況，因此要求小波包分解頻帶劃分精確到約20 kHz。考慮采樣頻率416 kHz，需對信號進行3層分解，對應的最低頻帶為0～26 kHz，基本滿足頻帶劃分要求。更高層次的分解能進一步細化頻帶，在Matlab中較易實現。經小波包分解后，所有經高頻濾波并采樣的分量頻譜順序均翻轉一次，最終各分量頻譜順序不按高低順序排列，而形成格雷碼順序。為使頻譜能量直方圖更直觀，對小波包分量按頻譜由低到高重新排列，表1為經小波包3層分解后8個分量重構信號的頻帶范圍及按順序排列的分量對照關系。

表1 小波包分量重構信號頻譜范圍

3.1 小波包分量重構信號能量計算方法

將聲發射信號分解至第3層，會產生23個分量信號。設其中一個分量信號S3j對應的能量為E3j，有

(1)

式中：xjk(j=1,2,…,23;k=1,2,3,…,m，m為信號離散采樣點數)為重構信號S3j的離散點幅值。

顯然，8個分量信號能量總和即為被分解信號的總能量：

(2)

據式(1)、(2)，利用Matlab指令編制程序計算各頻帶分量的能量百分比，從而準確分析混凝土在受載破壞不同階段聲發射信號頻帶能量的變化規律。

3.2 混凝土破壞全過程聲發射信號頻帶能量變化規律

圖6為通過Matlab程序計算并繪制的頻帶能量百分比直方圖，分量序號已按頻譜由低到高順序排列。每個直方圖所用原始聲發射信號數據與圖5一致。圖7為對0～26 kHz低頻帶能量百分比在加載試驗20 s內變化趨勢統計。由圖7看出，0～26 kHz低頻帶能量占比隨加載試驗的進行總體呈增高趨勢。不同破壞階段聲發射信號頻帶能量分布及0～26 kHz低頻帶能量百分比變化表現出的規律為:

(1) 各破壞階段能量均集中在0～130 kHz頻段，130～208 kHz高頻段能量極少，且隨裂紋的擴散快速衰減。

(2) 初始壓密階段(圖6(a))0～26 kHz低頻帶能量占比為31.14%，高于彈性變形階段的25.15%。此由于在中等強度混凝土內部即有原生的微孔隙及缺陷，在外力作用下逐步被壓實，使內部微結構發生變化，產生較低頻率的聲發射信號。而進入彈性變形階段后，內部晶粒錯位與顯微裂紋逐漸增多，因此更高頻率的聲發射信號占主導地位(圖6(b))。

(3) 在塑性變形階段，由于裂紋不斷擴展，宏觀裂紋急劇增多，更大裂紋的擴展在材料內部形成新表面，伴隨高振幅、長波長低頻彈性振動。介于此，低頻聲發射信號隨加載進行，裂紋不斷擴展有逐漸增多趨勢，信號頻率亦會隨裂紋增大而向更低頻率遷移。由圖6(c)、(d)知，在第11 s時0～26 kHz低頻帶能量占47.18%，而到主破裂產生后貫通破壞階段第31 s則高達87.30%，占絕對主導地位。反映出在主破裂產生應力下降后，試件內部以宏觀裂紋擴展為主，新的顯微裂紋極少產生。

(4) 0～26 kHz低頻帶能量占比超過某一閥值(如50%)為一重要標志，體現混凝土在應力作用下內部裂紋擴展破壞達臨界點。據已有試驗結果，結合聲發射計數率、聲發射事件能量等參數綜合分析認為：0～26 kHz低頻能量占比超過50%表明主破裂已產生，試件內部已有更大裂縫出現。對不同強度混凝土，標志主破裂產生的低頻帶能量占比閥值會不同，需通過在大量試驗樣本基礎上才能統計分析獲得。

(5) 本試驗所用混凝土試件強度等級為C40。而相同強度等級的混凝土加載條件不同時，聲發射信號主頻不會有顯著差異。不同強度等級混凝土在相同加載條件下聲發射信號主頻會隨強度提高而增高[8]。因此，盡管本文總結的頻率變遷特性及頻帶能量變化規律具有普適性，但具體應用中，仍需考慮混凝土強度及實際條件決定頻帶劃分及低頻能量占比臨界點確定。

圖6 不同破壞階段聲發射信號頻帶能量分布直方圖

圖7 0～26 kHz低頻帶能量百分比變化趨勢

4 結 論

(1) 通過單軸加載混凝土破壞聲發射檢測試驗，分別用FFT變換、小波包變換對聲發射波形信號分析處理，以此找出各破壞階段聲發射信號的頻率分布、頻帶能量變遷規律。FFT變換可初步發現不同破壞階段聲發射信號頻率能量變化規律，但存在固有局限性。小波包變換能將信號無疏漏、無冗余、正交分解成多個頻帶獨立分量，各分量重構信號頻帶能量分布及變化規律能反映聲發射源部分情況，可以此從裂紋擴展與聲發射信號頻率變遷關系闡釋混凝土破壞機理。

(2) 更低頻率的聲發射信號必由更大裂紋的擴展產生。不同破壞階段聲發射信號總能量水平差異較大，通過分析0～26 kHz低頻帶能量占比及在不同破壞階段占比的變化規律，提出將該低頻能量占比所達某一閥值為破壞臨界點的前兆判據指標。此對設計混凝土工程穩定性監測預警系統有重要現實意義，對評估混凝土內部損傷亦有理論指導作用。

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