水工金屬結構及混凝土結構中聲發射信號幅值衰減特性

伍衛平，李東風，丁 杰，倪國勝，高志萌，程勝金

(1.水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心，河南 鄭州 450044；2.上海材料研究所，上海 200437)

0 引 言

聲發射技術[1](Acoustic Emission，AE)是一種動態、整體的無損檢測技術，可用來對建筑物結構的整體安全性進行評估及預警，已應用于水工建筑物的檢測和監測中。采用AE技術對水工金屬結構和水工混凝土結構進行損傷檢測與定位分析時，了解結構中信號幅值的衰減規律，有利于傳感器陣列的布置從而提高聲發射源定位精度。在水工建筑物中的金屬結構領域，目前已經開展了大量的聲發射技術的應用和研究工作，伍衛平等[2-5]對鋼岔管水壓試驗聲發射過程進行了廣泛研究，曹樹林等[6]對水輪機蝸殼水壓試驗聲發射進行了探討。在大壩、水閘、泵站、堤防、橋梁、涵洞等水工建筑物的建筑材料中，混凝土為各向異性、非均質的混合材料，結構中存在大量的微觀孔隙、裂縫，介質中聲波傳播特性復雜，不同于均質且各向同性的金屬材料，因此聲發射技術在該領域應用難度高，國內外出現了一些混凝土大壩方面的成功應用案例[7- 8]，但相對較少。

聲發射信號在水工金屬結構和水工混凝土結構中傳播特性差異極大，本文對水工建筑物中的壓力鋼管及大壩混凝土結構分別進行聲發射信號幅值衰減測試，進行比較和分析。

1 水工金屬結構中聲發射信號波幅衰減測試

對某水電站中壓力鋼管進行聲發射信號波幅衰減測試，壓力鋼管材質為Q690CFE(強度為800 MPa級)，板厚為48 mm，內徑為4 m，管節長度為3 m。對其聲發射信號幅值衰減進行測試，采用PAC公司32通道POESH-Ⅲ型鏈式自源以太聲發射系統(Daise AE)，PK15I型諧振型高靈敏度傳感器，其中心頻率為150 kHz，工作頻率為50～400 kHz；以0.5 mm HB鉛芯折斷(Pencil Lead Break， PLBs)作為模擬聲發射源，耦合劑為凡土林，采用磁性夾具固定傳感器，聲發射檢測閘門設置為40 dB，數字化頻率設置為5 MHz，峰值定義時間(PDT)、撞擊定義時間(HDT)、撞擊閉鎖時間(HLT)分別設置為1 000、2 000、20 000 μs。

在鋼管的環向布置5個傳感器(見圖1)，編號為1～5，將5個傳感器靈敏度調整一致后，分別在環向上距離1號傳感器100、200、500、1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 mm處各斷鉛5次，斷鉛點表面經過打磨處理露出金屬光澤，取每個位置5次斷鉛信號幅值均值作為該距離處的幅值響應，進行幅值衰減測試，測試數據如表1所示，衰減曲線如圖2所示。

圖1 壓力鋼管AE傳感器布置示意

表1 距離-幅值衰減數據

圖2 距離-幅值衰減曲線

EN14584[9]標準規定針對金屬壓力容器的衰減測試，根據聲發射信號幅值衰減的快慢，將信號的傳輸區間分為近場和遠場兩個區；近場區長度約為板厚的20倍，在近場區，聲發射信號的幅值隨傳輸距離的增加而迅速減小；而在遠場聲發射信號的幅值隨著距離的增加而緩慢減小。

該鋼管中幅值衰減曲線的近場區、遠場區分界線較明顯，分界線大約在傳輸距離為1 000 mm處。圖2中，近場區、遠場區幅值-距離的線性擬合模型中，衰減系數分別為16.9、1.7 dB/m，近場區中幅值-距離的線性關系較好(相關系數平方和R2為0.920 49)，而在遠場區中，由于聲波的疊加效應，在某些距離區間會出現信號幅值的增大，幅值-距離的線性關系較差(相關系數平方和R2為0.536 47)；傳輸距離為1、5 m時，幅值衰減量分別約為15.5、25 dB。由幅值衰減曲線可以看出，幅值-距離的對數擬合模型更理想，可以較好的表征整個衰減曲線，擬合模型相關系數平方和R2高達0.986 74。

因此鋼岔管聲發射傳感器布置間距可以相對較大，一般為3～5 m。

2 水工混凝土結構中聲發射信號波幅衰減測試

混凝土是一種由水泥(或其他的膠凝材料及摻合料)、集料(粗骨料、砂)、水和添加劑(如果有需要的話)經機械拌合而成的各向異性的混合材料，是非均質的三相體，即固體、液體和氣體。聲波在混凝土中傳播，也就是多相介質中傳播，加之大量的微觀孔隙、裂縫結構的存在及其位置的不確定性，聲波傳播過程中發生的散射、折射、波形轉換等，隨著傳播距離的增加，聲波幅值衰減會增大。

以某水利樞紐工程中大壩混凝土結構為例，進行聲發射信號波幅衰減測試。采用R6型低頻諧振高靈敏度傳感器，其中心頻率為55 kHz，工作頻率為35～100 kHz；以0.5 mm HB鉛芯折斷作為模擬聲發射源；耦合劑為凡土林；用膠帶固定好傳感器。聲發射檢測閘門設置為40 dB，數字化頻率設置為5 MHz，峰值定義時間(PDT)、撞擊定義時間(HDT)、撞擊閉鎖時間(HLT)分別設置為300、600、1 000 μs。

分別在距離1號傳感器0、100、200、…、1 000 mm處各斷鉛5次(見圖3)，取每個位置5次斷鉛信號幅值均值作為該距離處的幅值響應，進行衰減測試。測試數據如表2所示，衰減曲線如圖4所示。

圖3 AE傳感器布置示意(單位：mm)

表2 距離-幅值衰減數據

圖4 距離-幅值衰減曲線

根據圖4，混凝土結構中聲發射信號幅值衰減很快，聲波傳輸1 m約衰減了38 dB，遠大于水工金屬結構，線性擬合模型中衰減系數約為30.9 dB/m，因此聲發射傳感器布置間距不宜過大，一般不超過1 m。，幅值-距離的對數擬合模型較理想，可以較好的表征整個衰減曲線，擬合模型相關系數平方和R2高達0.989 87。

混凝土結構中幅值衰減曲線沒有明顯的近場區和遠場區界限。

3 結 語

水工金屬結構聲發射信號的幅值-距離衰減特性具有明顯的近場區、遠場區效應，發射信號幅值-距離分布的線性在近場區要優于遠場區(近場區、遠場區的幅值-距離線性擬合模型相關系數平方和R2分別為0.920 49、0.536 47)，遠場區中的某些距離區間，由于聲波的疊加效應，隨著距離的增大會出現信號幅值的增大；幅值-距離的對數擬合模型可以較好的表征整個衰減曲線(相關系數平方和R2高達0.986 74)；水工金屬結構中聲發射傳感器布置間距一般可設置為3～5 m。

水工混凝土結構中聲發射信號幅值衰減非常快，聲波傳輸1 m幅值衰減約38 dB，遠大于金屬結構(鋼管中傳輸距離為1 m時幅值衰減量約為15.5 dB)，幅值-距離的對數擬合模型較理想，可以較好的表征整個衰減曲線(相關系數平方和R2高達0.989 87)；近場區、遠場區分界不明顯；傳感器布置間距一般不宜超過1 m。