聲發射技術在巖土工程研究生實驗教學過程中的應用

于 洋， 洪 鵬， 刁心宏

（華東交通大學土木建筑學院巖土工程基礎設施安全與控制重點實驗室，南昌330013）

0 引 言

材料在荷載、溫度變化等因素影響下，發生變形、擠壓、摩擦、裂紋等現象，致使材料內部或表面某局域源平衡狀態遭到破壞，局部能量源快速釋放應變能產生瞬態彈性應力波［1］，稱為聲發射（Acoustic Emission，AE）。聲發射信號蘊含有巖石負荷狀態、微觀結構、力學性質等大量的物理信息，分析聲發射信號能夠更加全面細致地了解巖石的破壞機理［2］。實踐證明，聲發射是伴隨著材料發生應變普遍存在的一種物理現象，但許多材料的聲發射信號強度很弱，信號不能被人耳直接捕捉到，故需借助高靈敏度電子設備將信號經一定的技術處理才能檢測出來［3］。用儀器探測、記錄、分析聲發射信號并利用聲發射信號確定聲發射源，從而判斷材料損傷狀態的技術稱為聲發射信息采集技術。聲發射檢測主要目標之一就是確定聲發射源位置［4］。對聲發射進行監測并分析其信號特征，可以了解巖石內部的損傷演化過程［5］。聲發射檢測到的能量或者信號是來自被檢測的物體自身，而不像超聲波或X射線探測方法一樣由無損檢測儀器提供。有關巖石破壞過程中的聲波、聲發射特征和現象，國內外學者在這方面已經開展了許多研究，并且取得了一些令人滿意的成果。20世紀70年代，我國地質學家陳颙［6］就巖石聲發射室內試驗展開研究。聲發射對研究材料的力學性質具有重大幫助。巖石聲發射信息可成為判別巖體損傷破裂的重要指標，所得結論可為巖石損傷定量評價奠定基礎。

聲發射檢測技術對動態缺陷較為敏感，它能探測到材料在外變量如荷載、溫度變化等作用下這些缺陷的活動情況。聲發射特征參數能夠體現巖石損傷漸進破壞的前兆信息［7］。由于穩定的缺陷不產生聲發射信號，所以聲發射檢測技術能夠整體檢測和評價整個結構中活性缺陷的狀態，可提供活性缺陷隨載荷、時間、溫度等外變量而變化的實時或連續信息。土木工程專業或方向的研究生經常會遇到巖石、混凝土構件等強度測試、損傷評價等問題，所以把聲發射信息采集技術作為土木工程專業的研究生的一個實驗教學內容是必要的。該實驗技術也是比較先進的，操作過程比較簡單方便，結果準確可靠，有針對性地讓學生掌握聲發射信息采集技術探究巖石破壞的方法也是值得推廣的。實驗中以細顆粒大理巖作為研究對象，開展了聲發射教學實驗項目，精心安排了實驗教學項目、教學目的、方法、原理以及內容。本實驗教學項目充分發揮并提高學生的主觀能動性，包括測試巖石波速、熟知聲發射信號的種類和參數、合理選擇傳感器類型以及掌握AEWin平臺操作等。通過辨別實驗方案合理性，掌握基本實驗技能并會進行實驗操作和數據分析，最終使學生學會獨立地選擇科學合理的方法分析研究巖石損傷狀態和破壞機制。

讓學生充分自主利用先進設備開展實驗研究，符合學校和國家提倡的將大型試驗設備應用于實驗教學中，提高設備的利用效率，發揮實驗設備在科學研究和實驗教學中的作用［8-10］。

1 聲發射概述

1.1 信號接收工作原理

聲發射檢測技術的物理基礎是凱賽爾（Kaiser）效應。1963年德國學者Kaiser研究金屬聲發射特性時發現的。Kaiser效應是典型的記憶效應［11］。材料被重新加載期間，在應力值達到先前加載最大應力之前不產生聲發射信號。多數金屬材料和巖石中，可觀察到明顯的Kaiser效應。聲發射信息采集技術原理如圖1所示。材料釋放應變能產生瞬態彈性應力波，以材料自身為介質傳播，當信號傳播到材料表面時，引起聲發射傳感器表面震動產生位移。傳感器將材料的機械振動轉化為微弱電信號，經過放大器將信號放大，再將信號傳遞到計算機終端處理和記錄。人們根據計算機終端聲發射信號進行分析與推斷，以研究材料產生聲發射的機制，了解材料內部微觀狀態。在整個檢測過程中只需要使傳感器與材料良好接觸，無需對材料進行二次處理，達到了無損檢測的目的。聲發射信息采集系統接收到的信號來自被測試物體自身，檢測過程中信號單向傳播，縮短了信號傳播路徑，減少了外界因素的干擾及傳播過程中的能量損失。

圖1 聲發射工作原理

1.2 信號類型

目前，根據應力波的震動類型及技術需要，人為規定將聲發射信號分為連續型和突發型。如果聲發射事件信號是斷續的，并在時間上非相互依賴的，以時間為單位可以劃分成若干個區間信號，那么這種信號就稱為突發型聲發射信號，如圖2所示。其波形往往呈現出突然達到峰值后快速下降后平穩波動，直到下一個信號出現。例如裂紋瞬間擴展、斷鉛法表現出來的信號等都是突發型聲發射信號。

圖2 聲發射突發型信號

如果大量的聲發射信號呈現較為密集而且有規律性發生，信號在時間上可分辨，并且波形圖表現出無明顯間斷狀態，這些信號就叫做連續型聲發射信號，如圖3所示。一般流體泄漏，某些材料在塑性變形期間產生的聲發射信號等都是連續型信號。

1.3 源信號定位原理

圖3 聲發射連續型信號

聲發射系統采集到的信號是傳感器接受到的聲信號經過物理轉換電信號而得到的一個個復雜的波形，波形中包含著大量的聲發射源信息。但是直接對波形進行整理分析難度大且計算復雜，在實際工程中難以實現，通常的做法是把聲發射波形變換成一系列特征參數來處理［12］。試驗常用的特征參數有事件、撞擊、能量、計數、振幅、上升時間和持續時間等。事件指單位時間內所監測到的振鈴計數；事件反映出了聲發射信號發生的頻數；撞擊是指超過門檻值并被某個聲發射傳感器所接收到的聲發射信號，它反映出聲發射活動的總量和頻數，常用于聲發射活動性評價。能量是指觀測到的聲發射信號的能量，與所觀測到的事件所在波形的幅度值的平方成正比，反映了聲發射的強弱［13］。下面以3個傳感器講解平面問題信號源定位原理，其前提要求是3個傳感器A、B、C不共線，如圖4所示。

圖4 傳感器陣列聲發射源定位原理

接收信號時間差：

根據兩點間的距離公式：

聯立式（1）和（2）可得：

式（3）中有xs、ys兩個未知數，再結合傳感器C生成的類似的等式，求解出xs、ys。對于三維問題，理論上只需要4個傳感器不在同一平面，即可進行聲發射源的三維定位。但是在一般情況下，由于儀器的隨機誤差導致接受到信號的時間識別不夠精確、材料的各向異性導致波速不均勻、環境噪聲等因素的影響，經常導致定位精確度達不到實際要求。為解決這一問題，在定位聲發射源的過程中，最簡易而又實際的做法是盡可能使用多個傳感器同時工作，然后建立超靜定方程組，應用最小二乘法求解，以此來消除隨機誤差帶來的影響。因此維數D和傳感器N應滿足D＋1≤N的關系式。

2 實驗內容

2.1 實驗儀器及材料

聲發射試驗設備如圖5所示。加載設備采用的是長春市展托實驗儀器有限公司生產的ZTRE-210微機控制巖石三軸測試系統。監測設備采用的美國物理聲學公司生產的Micro-ⅡExpree Digital AE System。選擇Nano30（寬頻）型號的傳感器，Nano30接收的信號主頻0 ～ 500 kHz［14］。

圖5 聲發射試驗設備及Nano30傳感器

2.2 實驗流程

首先，給學生講解巖石損傷理論知識，使同學們了解巖石損傷及破壞的概念；并指導同學們進行巖石試樣的制備，根據常規三軸測試巖石應力應變實驗要求，將試件安置在伺服儀中，講解聲發射工作原理，設備構造和儀器的操作步驟等知識；在講解的過程中可以根據實際需求提出一些基礎問題，這樣做一方面可以檢查學生們提前預習實驗指導書的情況，讓學生們積極主動去學習，另一個方面有助于啟發學生們的探索性、創造性思維。其次，常規三軸伺服儀的功能多樣性可以和聲發射儀進行模塊式組合，根據不同試件規格、實驗目的，讓學生獨立設計規劃出不同教學內容的實驗方案，包括單軸-聲發射組合、三軸-聲發射組合、流變-聲發射組合以及常溫或者可控溫度下的不同實驗類型，讓學生掌握各類實驗的基本操作步驟。另外還可以讓學生了解實驗儀器的組成，傳感器、放大器、濾波器等配件之間的作用和協調情況，熟練掌握AEWin軟件的操作界面、參數設置、學會獨立建模定點等試驗步驟，實驗流程見圖6，AEWin軟件的操作界面見圖7。掌握了以上的能力有助于學生對儀器的缺陷提出、維修、改進等。讓學生掌握實驗原理、設備使用，可以探索學生對學生教學模式，這不僅有助于減輕老師、管理人員的工作量，還能更進一步鍛煉學生的表達能力、綜合實踐能力等，讓學生在教學過程中展現自我，讓學生對科研的興趣更進一步。最后，讓學生獨立自主分析、處理聲發射波形、撞擊數、聲發射信號統計以及信號源定位等數據，對數據提出自己的看法和研究點，從數據中得出某些結論性的成果。

圖6 聲發射實驗流程

圖7 AEWin軟件操作界面

2.3 教學實例

本試驗選取試樣規格為φ50 mm×100 mm的標準巖樣圓柱體細粒大理巖為試驗材料，其上下端面平整，表面無明顯缺口，無肉眼可見的裂隙。首先，使用非金屬超聲波檢測分析儀測出波在細顆粒大理巖中的傳播速度；然后，進入到AEWin軟件操作界面進行參數設定以及模型建立。建立的模型與試件上固定傳感器的位置以及聲道編號與傳感器編號必須一一對應。

試驗過程中，為了防止試件在變形、破壞的過程中導致傳感器脫落，而影響定位的準確性，使用6個傳感器。傳感器分兩層放置，兩層距試樣上下端面15 mm，每層3個傳感器將圓平面3等分，呈120°角展開放置。采用以上布置方法建模并保存模型，方便下次使用。建立的模型如圖8（a）所示，其中紅圈、藍圈包裹的綠點分別是上下層傳感器位置，紅點是聲發射源。

試件安裝時，先在試件對應位置畫出傳感器接觸點的位置，用記號筆編號，下層編號為1、2、3，上層編號為4、5、6。傳感器與試樣接觸面之間涂抹凡士林增加兩者間的耦合性，使用耦合劑的目的是有效填充接觸面之間的狹小空隙，并通過耦合劑的良好過渡作用，大幅度減小傳感器與檢測面之間的聲阻抗阻力，從而有效減少能量在此界面的循環反射損失；此外，耦合劑還能起到潤滑作用，減少傳感器與試樣表面的摩擦。然后，將傳感器布設在試樣表面選定的位置上，用彈性模量較大的透明膠帶將其固定。最后，將引伸計固定在巖石上，此時注意引伸計的上端不要超過巖石上端墊塊的上表面，防止壓頭直接作用在引伸計上端而影響縱向變形的數據和防止壓壞引伸計。試樣安裝成功后，如圖8（b）所示，用斷鉛法檢測，此時測試系統上的模型圖將會對該位置產生一個信號反饋，若6個通道的聲發射幅值均達到要求，則表明傳感器與巖樣接觸良好，否則需要重新固定傳感器。待所有準備工作完成后，加載的同時記錄下聲發射數據，直至巖樣壓壞，如圖8（c）所示，應力-應變曲線快速下降至平穩停止試驗。

圖8 模型與試件對照

圖9 所示為一塊細顆粒大理巖樣品的應力-軸向應變與聲發射累積曲線，應力-應變曲線對于廣大力學學生而言是比較熟悉的，在此不多做描述，但是AE振鈴數-時間曲線對于大部分學生來說是比較陌生的。AE振鈴數對應變曲線是以時間為間接不變量做出來的，由圖9可見，大理巖在應力達到峰值之前的壓密階段以及裂縫產生階段AE個數增加較為平穩，大理巖在應力達到峰值后，AE信號迅速增加，巖石顆粒相互摩擦的活躍度增大，這是由于細顆粒狀大理巖構造產生的。主裂縫基本貫通后，AE信號隨后逐漸趨于平穩。結果表明巖石在變形、損傷直至破壞的過程中，內部顆粒也發生著相對位移，以波的形式向外釋放能量，聲發射的頻數也反映出巖石能量最大化釋放是在破壞階段。

圖9 應力-軸向應變及聲發射累積曲線

3 結 語

依托“產教融合背景下基于‘項目驅動’的創新應用型土木工程專業人才培養實踐教學研究（JXJG-18-5-11）”，以全面提高研究生創新、探索精神和實踐能力為目標，按照高質量、高水平人才創新培養概念的要求，通過開設科研探究性實驗，讓學生主動去思索去實踐，了解聲發射的工作原理、材料破壞的物理特性，實驗原理和方法，巖石分類、損傷階段的概念及測試方法種類，掌握聲發射儀器設備的操作過程，系統了解該方法技術的科學前沿問題所涉及的實驗知識體系，培養學生的科研素養和能力，增強學生的科學探索與創新精神，對于促進學生知識、思維、能力和素質的全面協調發展具有重要意義［15］。