沖振部位和頻率對曲面板沖振回波信號的影響模擬分析

王浩宇

(沈陽興禹水利建設工程質量檢測有限公司，遼寧 沈陽 110006)

1 實驗材料與模型

混凝土板厚是35cm，空氣模型厚度50cm，曲率半徑取為2.75m，并取為60°范圍內的弧長當作環向長度?；炷吝x用平面應力三角形單元(CPS3)，同時在兩頭設立無限單元(CINPS4)，空氣模型選用平面聲學三角形單元(AC2D3)，沖振點則設定在板中心上，持續時間為40μs。在板中央部位設置深度為H，長是20cm厚度5mm的分層缺陷，同時在以集中力作用部位為原點的A(3，0)、B(3，1)(單位：cm)部位逐一設立與要求相吻合的信號接收點。另外，整個模型按照之前的簡支邊界約束進行構建。在此環節其分析步時長設置是4ms，輸出點為4000個點，也就意味著其采樣頻率為1×106Hz。關于各材料的力學特性及相關參數值可詳見表1。

表1 曲面板存在缺陷模型材料基本參數

模型選用平面2D模型來模擬砌襯的環形斷面，模擬示意如圖1所示。

圖1 帶缺陷曲面板數值模擬效果圖

在其他條件不變的情況下，另行構建多組存在明顯深度差異的模型實施比對。

2 沖振部位和頻率對沖振信號的影響分析

2.1 沖振點所處部位對信號的影響分析

工程實踐中面臨的難題是，缺陷狀態未知前提下，總是在缺陷的中心部位施以沖振似乎很難。而當沖振點作用于缺陷邊緣狀態下，是否能準確測出缺陷的極值頻率，將直接影響測量精確度。為此需要我們開展作用力偏移模擬分析，其數值模擬方案具體如圖2所示。

圖2 偏移應力數值模擬方案

模擬選用缺陷深度20cm的曲面板模型，如果施加力集中于缺陷正上方，模擬結果的極值頻率是9500Hz。為保障集中力垂向作用于曲面板上表面，所以本研究方案選用缺陷整體每一次向左移動d距離的形式，借以模擬力與缺陷相對部位的對應演變關系。其偏移距離分別是2、4、6、8、10、12、15cm，也就是分別構建與其偏移間距相對應的7個模型，同時保證集中力與信號測點A(3，3)、B(3，1)(單位：cm)的間隔距離不發生改變。而缺陷寬度仍取為20cm，向左偏移距離是2～8cm時，集中力仍作用于缺陷上方，偏移距離是10cm時集中力作用于缺陷的邊緣，而偏移距離是12cm及15cm時，力的作用部位已然超出了缺陷的范圍。

加施每種工況后的頻譜模擬結果如圖3所示。

對上述頻譜實施統計，具體結果見表2。

表2 各偏移條件下的極值頻率統計

圖4及表2揭示，如果沖振點作用于缺陷范圍之內，FFT頻譜的基本成分有所改變，但極值頻率均能穩定狀態在9500Hz，很明顯，這與正中心模擬結果是相同的，如果沖振點與缺陷中心形成的偏移距離不在缺陷范圍之內(偏移距離為12cm及15cm)極值頻率變5250Hz，而且頻譜包涵了一個頻率為11000Hz的相對比較低的極值。如果沖振點作用于缺陷范圍之內，但在偏移距離不斷增大的情況下，沖振點與缺陷邊緣的間距就會愈發臨近，而頻譜中相應實際板厚度35cm的厚度頻率為5250Hz的極值逐漸變高，這意味沖振點越臨近缺陷邊緣，頻譜基本成分會變得更為復雜，同時不僅涵蓋了真實板厚頻率(5250Hz)，還涉及了缺陷深度(9500Hz)頻率，也就是說，同時存S1模態與A2模態。偏移距離的模擬結果意味缺陷的寬度范圍及缺陷深度的比值會給頻譜基本成分導致特定的影響。如果沖振點與缺陷邊緣的間距不斷縮小，缺陷寬度也就會隨之變小，在深度不發生改變的情況下，其與深度的比值也會相應變小，這時頻譜不但能如實反映缺陷深度頻率，還能測出真實板厚的頻率。而這與模擬結果明顯一致，當缺陷寬度20cm不變條件下，如果深度達到30cm，缺陷寬度與深度比值也降低，頻譜上同時反映了缺陷深度頻率及真實板厚頻率。

圖3 缺陷深度值20cm各偏移下的頻譜狀態

圖4 缺陷深度值20cm各偏移條件下聲壓云狀態圖

下面，筆者將圍繞沖振頻率與空氣聲場間的關聯展開全面且細致的探討與研究，具體來講，先繪制出數值模擬聲壓云狀態圖，結果如圖4所示。

圖4所示云狀態揭示，當偏移距離由原來的2cm慢慢增大為8cm時，其沖振回波模態引發的泄露波聲場會改變原有移動方向，開始向左移動，而且都只作用于缺陷的正上方，在不存在缺陷的區域，聲波衰減最明顯。當偏移距離是10cm時，聲場不僅無規律可循，甚至出現了混亂，而且相較于前幾個云狀態圖，沖振回波模態也更加稀疏，表明這時聲場中即包涵了缺陷部位的沖振回波模態，同時也涵蓋了真實板厚的沖振回波模態，兩種方式的疊加致使其聲場特征過于模糊。當偏移距離達到12cm時，其聲場就會恢復至常態，其原因在于此時沖振點已然在缺陷外部，局部出現的沖振回波模態是因為板的底面所引發。

需注意一點，當偏移距離達到8cm及10cm時，其相應的信號測點B已然處在缺陷邊緣的外側，而這時仍然能得到正確的極值頻率為9500Hz，也便是說測點及沖振點的偏移距離在可控范圍之內時，一旦沖振點在缺陷上部哪怕測點在缺陷外側也會檢測到缺陷的部位。則當沖振點沒有出現在缺陷上部但測點卻出現在缺陷上部時，其信號是否會受缺陷的干擾另有待探討，所以，在偏移距離為12cm條件下(沖振點位處缺陷外側)將上述數值模型中A、B檢測點部位坐標換為(-4，0)及(-4，1)(單位：cm)，此時兩測點會同時出現在沖振點的左側及缺陷的上部，其模擬結果如圖5所示。

圖5 偏移12cm缺陷上部測點的移位及空氣聲壓頻譜

由圖5可以知道，當沖振點處在缺陷外部時，哪怕測點位于缺陷上部但在實際測量時域信號經變換處理后生成的頻譜極值頻率仍然相應于沖振點部位的深度頻率。綜上分析可以知道，在理想情況下，當空氣測點位處沖振點附近水平距離為3～4cm垂向距離為1cm時，不管沖振點位于哪個區域都可獲取到精準、可靠的缺陷深度極值頻率，僅是當臨近缺陷邊緣時頻譜基本成分會變得更為復雜，不僅會涵蓋一部分真實板厚的頻率，同時也會涉及到A2模態頻率。通過上述分析可知，不管信號測點是否出現在缺陷上部，只需確定沖振點位于缺陷上部。

2.2 沖振頻率之與沖振信號的影響分析

力的觸接時間及其代表的沖振錘直徑和能激發的最大的頻率相關，通常借助沖振回波法對構件進行整體測量，在測量過程中，可基于3～20mm區間內任意選擇沖振錘直徑，直徑越小其沖振觸接的時間就會大幅縮短，而激發頻率就會不斷增大，反之激發的頻率就會持續走低。本節繼續借助缺陷深度25cm及無缺陷的曲面砌襯模型開展分析，在模擬期間，將集中力函數的作用時間按規律調整，由最初的10μs逐步調整到20μs到80μs，然后將這些力獨立作用于兩個模型的原點，總共需要14個模型。將模型中B點的信號進行有效采集并實施信號處理變換得到其相應的頻率譜。在作用不同力下，其信號頻率變化情況可詳見表3—4。

表3 在不同沖振頻率作用下缺陷深度值25cm模型聲壓

表4 不同沖振頻率作用下無缺陷模型聲壓

表3—4數據揭示，在集中力頻率不斷減小的情況下，不管曲面板是否存在缺陷，其極值頻率都能穩定狀態在7750H及5250Hz，也便是說在相似于數值模擬此種理想情況下，力的頻率實際上不會對沖振回波模態的極值頻率產生任何影響，在實際運用中如單純記錄每一次沖振的極值頻率，沖振錘大小對信號造成的影響基本可忽略不計。

為詳細探討不同力作用下響應信號基本成分的區別，取為20、40、60、80μs，分別在這4種工況下進行信號對比，如圖6—7所示。

圖6 基于不同沖振頻率的頻率普比對

圖7 基于不同沖振頻率的聲壓時程曲線

綜合上述圖表可以獲得，在受力不同的曲面板中，不管有無缺陷所測得的極值頻率不會改變，頻譜基本成分也高度一致，但在力作用時間不斷延長的情況下，頻率就會持續走低，出現的聲壓最大幅值及FFT頻譜絕對幅值則會隨之增大，也就表明會產生更強的能量。數值模擬是在特定工況下進行的并且相對比較簡單，而在現實工程中，混凝土構件是牽扯到多部件的一種復雜組合體，構件內部相較于模擬的具體情況也更為復雜，所以盡管參考本研究結論選用不同的沖振錘對頻譜的影響甚微，但出于現實工況方面的考慮，由于直徑越大的沖振錘，其生成的能量就越大、頻率就越低、波長就越長，并且應力波傳播范圍就越廣，故選用直徑較大的沖振錘更能增強檢測的抗干擾性。

3 總結

本研究以有限元平面2D實驗計算的方式，圍繞混凝土曲面板沖振沖振部位和頻率對曲面板沖振回波信號的影響課題開展專題計算分析。主要收獲：

(1)空氣測點位處沖振點附近水平距離為3～4cm垂向距離為1cm時，不管沖振點位于哪個區域都可獲取到精準、可靠的缺陷深度極值頻率，僅是當臨近缺陷邊緣時頻譜基本成分會變得更為復雜，不僅會涵蓋一部分真實板厚的頻率，同時也會涉及到A2模態頻率。通過上述分析可知，不管信號測點是否出現在缺陷上部，只需確定沖振點位于缺陷上部；

(2)在集中力頻率不斷減小的情況下，不管曲面板是否存在缺陷，其極值頻率都能穩定狀態在7750H及5250Hz，也便是說在相似于數值模擬此種理想情況下，力的頻率實際上不會對沖振回波模態的極值頻率產生任何影響，在實際運用中如單純記錄每一次沖振的極值頻率，沖振錘大小對信號造成的影響基本可忽略不計。

(3)在受力不同的曲面板中，不管有無缺陷所測得的極值頻率不會改變，頻譜基本成分也高度一致，但在力作用時間不斷延長的情況下，其頻率就會持續走低，其出現的聲壓最大幅值及FFT頻譜絕對幅值則會隨之增大，也就表明會產生更強的能量。