基于CT 圖像的混凝土材料聲發射損傷檢測優化

■史攀飛，劉京紅，楊躍飛，高 洋 ■河北農業大學城鄉建設學院，河北 保定 071001

聲發射檢測技術在金屬材料的探傷中已經相當成熟并且形成一定的標準，以此可以判斷損傷的等級，但對材質均勻的復合材料進行分析的主要依據還是在金屬方面的經驗，復合材料的損傷定位還不盡人意。康玉梅等基于聲發射對巖石類材料進行了實時定位分析［1-2］通過對其損傷定位可以為巖石破裂失穩做好安全預警。席婷等［3］通過小波變換，頻譜分析，最小二乘發完成聲發射源定位。以往學者多通過斷芯實驗完成聲發射參數的設置。尹紅宇等［4］通過模擬加載和斷芯試驗進行了聲發射檢測參數設置研究，并測定了聲發射信號在被測材料中的衰減，為聲發射探頭的布置提供了理論依據。本文以損傷定位的準確性的角度出發，與CT 圖像所表達的混凝土平面破壞形態以及運用Amira 三維可視化軟件，基于CT 圖像建立的混凝土裂紋模型作比較，調整聲發射檢測參數設置，以期望為混凝土材料聲發射檢測參數設置提供依據，使基于聲發射自身定位系統對混凝土材料的損傷定位更加準確。

1 試驗過程

本文采用混凝土圓柱體試塊，高190mm，半徑50mm，利用含氣量測量儀測定其含氣量9.2%，對其進行混凝土損傷定位研究，為聲發射檢測參數設置提供依據。采用DS2 系列全信息聲發射信號分析儀完成混凝土壓縮全過程的數據采集。采用中國礦業大學(北京)國家重點實驗室ACTIS300-320/225X 射線工業CT 檢測系統和3000kN 超高剛性伺服試驗機完成單軸壓縮試驗，位移控制加載，加載速度是0.2mm/min，采用循環加載制度，每隔30KN 卸載，CT 掃描，再重新加載，直至試件達到峰值強度。

2 基于CT 圖像的三維重建

2.1 圖像閾值分割

生成表面模型或測量體積測量都需要進行圖像分割，所謂分割就是給圖像上每一個像素分配一個標簽以注明該像素存在的區域及其材質屬性［5］。將數據連接OrthoSlice 模塊，可看到混凝土的切片圖像，調整Data Window 窗口數據，可確定各材料合適的分割閾值。

2.2 三維重建

連接Resample 模塊對數據重新取樣，其分辨率會降低一些，但它可以減少計算時間并改善繪制的效果。連接SurfaceGen 模塊完成空隙模型的表面重建，最后通過Surface View 模塊觀察混凝土空隙的三維重構模型。

3 聲發射參數設置

聲發射信號到達各通道時間差的提取至關重要，與其相關的參數是門限值和時間參數的設置。門限值一般設在檢測環境噪聲幅度與最大振幅之間。時間參數包括峰值定義時間(PDT)、撞擊定義時間(HDT)和撞擊閉鎖時間(HLT)。聲發射波速是撞擊信號定位的另一個關鍵條件，分別對試驗前和試驗后四塊不同含氣量的混凝土試塊進行斷芯試驗，完成聲速標定，結果顯示試驗前后聲速變化不大，對損傷定位可忽略不計，故取試驗前的聲速值即可。本文通過前期加壓前聲發射參數分析，確定噪聲幅值70db。取含氣量9.2%的混凝土試塊裂紋不穩定拓展階段，即聲發射現象最激烈，主要裂紋顯現階段進行統計分析，選擇55db，75db，100db 三個門限值，聲速標定3000m/s，通過分別調整時間參數設置，以損傷定位點在CT 圖像裂紋區域作為合格點數。結果顯示，門限55db 的定位點偏少，這是因為噪聲幅值高于門限值，由于噪聲的影響，聲發射儀器不能準確提取所有有效信號。有相關文獻指出幅值較大的聲發射信號對混凝土材料的變形和斷裂貢獻較大［6］。聲發射損傷定位精度在混凝土這種復合材料的局限性是客觀事實，通過損傷定位在裂紋區域的數量，比例以及計算機運算速度綜合考慮，門限值取100db，PDT∶150us，HDT∶300us，HLT∶500us，裂紋損傷定位清晰。本文通過逐一分析每個損傷定位點的參數文件，發現HLT的設置不能有效消除回波的影響。部分能量特別大的損傷定位點并不是來自于主要裂紋區域，而是混凝土中部。為滿足工程找出結構中的“弱面”位置，進而為混凝土材料的失穩破壞提供安全預警的要求［7］，依據軟件參數分析刪去能量特別小和特別大的聲發射源定位，有效避免回撥的影響，使主要裂紋展現較為清晰。

4 結論

基于以上分析，得出以下研究結論:

經過損傷定位在裂紋區域的數量，比例以及計算機運算速度綜合考慮，門限值取100db，PDT∶150us，HDT∶300us，HLT∶500us 相對來說最理想，表現出聲發射損傷定位圖與CT 實驗結果的一致性。這里需要說明的是門限值的合理選擇要參考實際檢測噪聲環境。本文根據實測混凝土單軸壓縮試驗，建議選擇高于噪聲幅值稍大些，不影響對損傷面的判斷，且有效減少了計算機運算負荷。

［1］康玉梅，朱萬成，白泉等.基于小波變換時頻能量分析技術的巖石聲發射信號時延估計J.巖石力學與工程學報，2010.29(5):152-158.

［2］吳永勝，余賢斌.單軸壓縮條件下巖石聲發射特性的實驗研究J.金屬礦山，2008.38(10):25-28.

［3］席婷.石灰巖聲發射分析及源定位研究［J］.中國化工貿易，2013，(10):53-53.

［4］尹紅宇，趙艷林，呂海波等.混凝土無損檢測中常用聲發射檢測參數的設置［J］.混凝土，2009，(3):125-128.

［5］Amira4.1Manual(PDF).2005.MERCURY(Amira 用戶指南).

［6］耿榮生，沈功田，劉時風.聲發射信號處理和分析技術［J］.無損檢測，2002，01∶23-28.

［7］Maji A K，Shah S P.Experimental Mechanics，1988，28.