鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)中的聲發(fā)射波衰減傳播特征

虞愛平， 劉祥泰， 李翔昊， 丁俊業(yè)， 鐘展明， 陳宣東

(1. 廣西巖土力學與工程重點實驗室， 桂林 541000； 2. 桂林理工大學土木與建筑工程學院， 桂林 541000)

在外力或內(nèi)力作用下，材料內(nèi)局部發(fā)生形變及斷裂迅速釋放能量而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(acoustic emission， AE)[1]。而借助于無損檢測技術[2]對結(jié)構(gòu)進行檢測評估，代表了結(jié)構(gòu)健康評估研究領域的最新發(fā)展方向，其對工程結(jié)構(gòu)進行科學的檢測，合理評價結(jié)構(gòu)的健康狀況是消除安全隱患的有效途徑。而聲發(fā)射檢測技術[3]作為一種無損檢測技術具有靈敏高、簡便、穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點，非常適宜對材料內(nèi)部進行微細觀層面的研究，因此已成為工程結(jié)構(gòu)損傷監(jiān)測及診斷的重要技術之一，并廣泛應用于金屬、巖石及復合材料的損傷檢測。劉希靈等[4]對不同類型的4種巖石研究發(fā)現(xiàn)信號的幅值和頻率衰減的原因主要與巖石內(nèi)部礦物顆粒結(jié)合的緊密程度和結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度相關。趙永川等[5]利用超聲波傳感器監(jiān)測彈性波在不同距離的中粒砂巖傳播變化特征，得出信號隨著傳播距離的增大，振幅呈衰減趨勢，且高頻部分衰減更為明顯的結(jié)果。張宇等[6]通過斷鉛實驗研究了聲發(fā)射信號在齒輪內(nèi)部、齒輪與齒輪之間的傳播衰減特性。馮琰妮等[7]通過試驗發(fā)現(xiàn)材料組織方向、容器內(nèi)的介質(zhì)、容器受載歷史等因素對聲發(fā)射信號幅值衰減特性有影響。然而在鋼筋混凝土材料中的研究和應用較少。在對鋼筋混凝土試件進行檢測過程中，由于材料的非均質(zhì)性，彈性波總是會發(fā)生散射和衰減。其中聲衰減是一種AE信號在非理想材料內(nèi)部傳播時的波速和能量等衰減的物理現(xiàn)象[8]。而聲衰減又體現(xiàn)在頻率衰減、傳播速度衰減、振幅衰減上，其中波速參數(shù)對聲發(fā)射源定位[9]至關重要，因為目前大多數(shù)研究都采用定波速進行定位，這就在本質(zhì)上造成了定位誤差。其次當AE信號在試件內(nèi)部傳播距離超過某一定值時，傳感器接收到的源信號幅值衰減非常迅速，檢測人員只有在充分了解聲發(fā)射波的衰減情況，才能正確判斷聲發(fā)射源的情況，提高定位精度。另一方面，衰減程度的大小關系到每個傳感器可監(jiān)視的有效檢測范圍，所以在源定位中成為確定傳感器間距或工作頻率的關鍵因素。

因此，現(xiàn)設計兩種不同規(guī)格的鋼筋混凝土梁各兩根并對其做斷鉛試驗，研究彈性波的傳播規(guī)律及衰減特性。

1 試驗方案

1.1 試件制備

試驗對象選工程上普遍使用的鋼筋混凝土梁。為使試驗結(jié)果更具實用價值，試驗梁盡量接近實際尺寸，利用施工現(xiàn)場的條件在現(xiàn)場進行制作、加工、養(yǎng)護。為了說明試驗結(jié)果的可重復性，同條件制作了兩種規(guī)格的鋼筋混凝土梁各兩根，尺寸分別為200 mm×300 mm×2 000 mm和200 mm×200 mm×1 600 mm，編號分別為JL-2.0、JL-1.6。按照適筋梁配筋，配受拉鋼筋3B16，架立筋2B12，箍筋A6@200，混凝土采用施工現(xiàn)場的C25泵送商品混凝土，如圖1所示。

圖1 實驗梁簡圖Fig.1 Test-beam schematic

1.2 試驗測試方案

1.2.1 試驗儀器及參數(shù)設置

采用美國物理聲學公司(PAC)生產(chǎn)的第三代全數(shù)字化系統(tǒng)Sensor Highway 3型聲發(fā)射裝置作為采集儀器，見圖2，傳感器型號為R6，頻率范圍35～100 kHz。聲發(fā)射檢測參數(shù)設置見表 1。

圖2 Sensor Highway 3型聲發(fā)射儀Fig.2 Sensor Highway 3 type acoustic emission instrument

表1 聲發(fā)射檢測參數(shù)設置Table 1 Acoustic emission detection parameter setting

1.2.2 模擬聲發(fā)射源選擇

斷鉛試驗[10]所產(chǎn)生的信號是非常典型的突發(fā)型的AE信號，是良好的模擬聲源，并且具有穩(wěn)定、重復性強和易于實現(xiàn)的優(yōu)點。因此按《金屬壓力容器聲發(fā)射檢測及結(jié)果評價方法》(GB/T 18182—2012)[11]及ASTM E976-15[12]要求，使用直徑為0.5 mm的HB自動鉛筆，鉛芯伸長量為3 mm，每次斷鉛時保持鉛芯與梁表面成30°夾角。

1.2.3 測試步驟

在混凝土梁側(cè)面標出傳感器的安裝部位，并打磨掉表面的浮灰。傳感器布置間距為0.2 m，如圖3所示。其次采用凡士林作為耦合劑，均勻涂于傳感器表面，并將傳感器型沿長度方向均勻布置于混凝土梁上。最后開啟聲發(fā)射系統(tǒng)，在靠近梁端傳感器(1號)位置開始斷鉛10次，同時采集聲發(fā)射數(shù)據(jù)，用于聲發(fā)射波傳播特性的分析。

圖3 JL-2.0梁傳感器布置簡圖Fig.3 Schematic diagram of sensor layout of JL-2.0 beam

2 試驗結(jié)果及分析

由于JL-2.0鋼筋混凝土梁上模擬聲發(fā)射信號與相同條件的JL-1.6鋼筋混凝土梁呈現(xiàn)出相同的規(guī)律，因此選取其中的JL-2.0鋼筋混凝土梁進行分析。

2.1 聲發(fā)射信號傳播特性

聲發(fā)射信號波形中包含豐富的聲發(fā)射源信息，隨著信號處理方法的發(fā)展，更多的處理方法用于聲發(fā)射波形信號的特征分析，使得波形分析逐漸發(fā)展成聲發(fā)射源特征獲取的主要方法[13-14]。

圖4是JL-2.0梁在試驗過程中采集的有代表性的聲發(fā)射信號波形圖。由圖4(a)可見，聲發(fā)射波形是寬頻帶尖脈沖信號，它的上升段比較迅速，而下降段呈現(xiàn)指數(shù)衰減現(xiàn)象，是典型的突發(fā)性信號；然而隨著距離的傳播，AE系統(tǒng)監(jiān)測到的信號波形與初始波形有很大不同，主要有兩點原因；首先，混凝土并不像金屬一樣的質(zhì)地均勻，而是一種各向異性的材料，本質(zhì)上存在著不可避免的缺陷。因此彈性波在混凝土中傳播時，會在三相界面上發(fā)生反射、折射和模式轉(zhuǎn)換，傳感器最終接收的是由縱波、橫波、表面波等互相干擾形成的復合波，從而很大程度上模糊了原始波形特性參數(shù)的物理意義。其次，彈性波從波源向四周擴散，波陣面的面積逐漸擴大，導致單位面積上的能量逐漸減少，且介質(zhì)間存在的內(nèi)摩擦和熱傳導等內(nèi)阻尼因素，使得部分波的機械能轉(zhuǎn)換成熱能等，因此波的能量隨傳播距離的增加而逐漸消散，信號不斷衰減，波形呈現(xiàn)出簡諧波的特性。

由上述分析知道，彈性波在混凝土結(jié)構(gòu)中傳播十分復雜，由不同頻率的諧波分量組成的復合波在內(nèi)阻尼等因素影響下，導致各諧波分量的傳播速度及衰減程度各不相同，因此混凝土結(jié)構(gòu)中彈性波的衰減與信號的頻率特性有密不可分的關系。

2.2 聲發(fā)射頻率衰減特性

聲發(fā)射波在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的衰減原理十分復雜，只能通過試驗測得。因此將聲發(fā)射儀所提取的波形采用小波分析的方法研究聲發(fā)射頻率衰減特性。

為詳細分析聲發(fā)射信號在不同頻率范圍內(nèi)的衰減情況，采用小波能譜系數(shù)方法[15]，對模擬聲發(fā)射信號選擇“dB6”型小波進行6層小波分解與重構(gòu)。實驗中采樣頻率為1 MHz，則其Nyquist頻率為512 kHz，各頻帶范圍為：A6(0～8 kHz)、D6(8～16 kHz)、D5(16～32 kHz)、D4(32～64 kHz)、D3(64～128 kHz)、D2(128～256 kHz)、D1(256～512 kHz)，求得各分量的能譜系數(shù)見圖5。

由圖5可見，隨著信號傳播距離的增加，能量集中程度的區(qū)別比較明顯。在聲源處的1#傳感器能譜系數(shù)圖[圖5(a)]頻率分布較寬，能量集中在D2、D3高頻段；2#傳感器能譜系數(shù)圖[圖5(b)]的D2的能量大幅衰減，高達86.6%，能量集中于D3、D4；信號傳播到4#～6#傳感器[圖5(d)～圖5(f)]處能量集中程度相似，其中D3的能量衰減幅度為83%，能量集中于D4、D5；當彈性波傳播到7#～10#傳感器[圖5(g)～圖5(j)]時，此時的能量主要集中在低頻帶(0～64 kHz)以內(nèi)。

圖4 JL-2.0鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射信號波形圖Fig.4 Acoustic emission signal waveform diagram of JL-2.0 reinforced concrete structure

圖5 不同傳播距離的聲發(fā)射信號能譜系數(shù)Fig.5 The energy spectrum coefficients of acoustic emission signals at different propagation distances

因此，聲發(fā)射信號傳播過程中，波源處的是高頻脈沖信號，頻帶較寬，高頻能量集中于D2、D3高頻段，隨著傳播距離的增加，信號的高頻部分衰減快，尤其彈性波在距離聲源1.0 m以外時，能量集中于比較低的頻帶，此時的信號幾乎失去聲源處原有信號特征，因此在實際工程檢測中聲發(fā)射的布置部位尤為重要，建議兩個相鄰的傳感器間距不宜超過1.0 m。

2.3 聲發(fā)射波速衰減特性

步驟1打開AE系統(tǒng)，AE硬件設置參數(shù)如表1所示。并在AE定位設置界面設置波速參數(shù)、聲發(fā)射探頭的布置位置及定位類型(線性定位)。

步驟2采集模擬聲發(fā)射信號，在靠近1#聲發(fā)射探頭斷鉛，每次斷鉛都形成1個事件(event)，2#聲發(fā)射探頭接收到1次撞擊(hit)，3#聲發(fā)射探頭接收到1次撞擊(hit)，以此類推。

步驟3信號采集系統(tǒng)自動記錄每一次撞擊(hit)到達探頭的時間。并根據(jù)式(1)計算輸出的AE信號在此段距離中傳播的波速。表2為計算得出的聲發(fā)射信號隨傳播過程中波速變化值。

(1)

式(1)中：Vi為不同傳播距離的波速，m/s；Di為相鄰兩傳感器的距離，m；ti為撞擊(hit)到達第一個探頭的時間，μs；ti+1為撞擊(hit)到達相鄰探頭的時間，μs；Δti為兩傳感器的時間差，μs。

為了評價波速衰減特性，采用波速衰減率Ri來描述AE波速隨距離的衰減程度。圖6為不同傳播距離的衰減率曲線圖。

(2)

式(2)中：Ri為波速衰減率，%；V0為0～200 mm的傳播波速，作為基準波速，m/s；Vx為不同傳播距離的AE波速，m/s。

如表2及圖6所示，聲發(fā)射波的傳播速度在0～0.2 m內(nèi)平均在4 189 m/s，到達1.6～1.8 m內(nèi)的波速是1 556 m/s，波速總體上呈衰減趨勢；平均衰減率在0.6 m內(nèi)控制在10%以內(nèi)，較符合工程監(jiān)測精度要求；而在1.4～1.6 m內(nèi)到1.6～1.8 m內(nèi)衰減率下降最為明顯，平均衰減率從36%降至63%。值得探究的是，當傳播到1.0～1.2 m時衰減率反而有較大幅度提高，是由于1.0 m和1.2 m處傳感器接收信號的時間差非常小，混凝土是以特性復雜多變骨料為主要填充物，彈性波在其傳播過程中，隨傳播距離的增加，聲波在經(jīng)過三相交界處會發(fā)生多次折射、反射、散射、吸收衰減等現(xiàn)象，導致波形模式發(fā)生了較大的變異，因而波速的離散性也增大。

綜上所述，聲發(fā)射在混凝土材料檢測中，由于波速的衰減和變異，推薦實際檢測過程中的探頭布置間距不宜超過1.0 m。而且探頭的布置方式及位置應綜合考慮到現(xiàn)場實際條件和經(jīng)濟性，找出最合適的列陣布置。

圖6 波速衰減率隨距離的變化曲線Fig.6 Variation curve of wave velocity attenuation rate with distance

表2 聲發(fā)射波速匯總表Table 2 Summary table of acoustic emission wave velocity

2.4 聲發(fā)射幅值衰減特性

由于混凝土介質(zhì)的非完全彈性，應力波在傳播過程中能量會在介質(zhì)中被損耗和吸收，使應力波的振幅衰減，稱為介質(zhì)的吸收衰減。如今常用的聲發(fā)射軟件是根據(jù)幅值衰減曲線對不同傳播距離的傳感器接收到的信號來反算出信號源的幅值，以便對缺陷定位及評價。

由圖7可見，AE信號的幅值在混凝土結(jié)構(gòu)中隨著傳播距離的增加呈現(xiàn)出衰減總趨勢；聲源處(0 mm處)平均幅值達到92.6 dB，而在0.2 mm處的平均幅值降到77.6 dB，兩者之間的衰減幅度最為明顯，約為16.4%，隨后衰減趨勢變緩；值得注意的是，當信號傳播到1.0 m和1.2 m處幅值反而有較大的增加，此處與波速衰減有相似的表現(xiàn)。究其原因，聲發(fā)射信號在混凝土三相界面上發(fā)生多次反射、折射，以及橫波、縱波、表面波等不同模式之間的轉(zhuǎn)換和疊加，使傳播到此處的信號幅值反而增加。

遠離聲源的信號相對于信號源已發(fā)生較大的畸變，為了深入地研究其機理，根據(jù)應力波傳播衰減理論、品質(zhì)因子Q理論[21-22]，聲發(fā)射波在傳播過程中振幅的變化可表示為

(3)

式(3)中：A(x)為距聲發(fā)射聲源x處的振幅；A0為信號初始振幅；f為信號頻率；x為信號傳播距離；V為波速；Q為介質(zhì)的品質(zhì)因子；α為信號衰減系數(shù)。

因此，對不同距離的傳感器監(jiān)測到的10次AE信號幅值分別進行擬合，得到了沿傳播距離方向上聲發(fā)射信號幅值衰減函數(shù)關系并進行相關分析，擬合結(jié)果見表3。從擬合結(jié)果來看，AE信號振幅隨著傳播距離的增大呈負指數(shù)函數(shù)衰減，衰減系數(shù)α在0.24～0.29，同時通過回歸方程決定系數(shù)R檢驗擬合模型的優(yōu)度，10次擬合結(jié)果的決定系數(shù)R介于0.81～0.85，可知幅值隨距離變化的衰減趨勢呈現(xiàn)出良好的負指數(shù)相關。

圖7 幅值衰減規(guī)律Fig.7 Amplitude attenuation laws

表3 衰減測試參數(shù)擬合 Table 3 Fitting parameters of testing results

3 結(jié)論及討論

(1)1#傳感器接收到的是寬頻帶尖脈沖信號，但由于不同頻率的諧波分量組成的復合波在內(nèi)阻尼等因素影響下，隨傳播距離的增加，波形會呈現(xiàn)出簡諧波的特性。

(2)波源處的聲發(fā)射信號是高頻脈沖信號，頻帶較寬，能量集中于D2和D3兩個高頻段，而彈性波在距離聲源1.0 m以外時，能量集中于比較低頻帶，此時的信號幾乎失去聲源處的信號特征。由此可見，彈性波信號沿傳播方向的衰減程度與頻率直接相關。主要是由于在傳播過程中高頻信號頻率越高，振動速度就越快，導致顆粒之間的摩擦阻尼越顯著，所損耗的能量也就越多，因而隨著距離增加，其衰減程度大于低頻信號，從而低頻的信號更易在長距離傳播過程中保持穩(wěn)定。

(3)隨著傳播距離的增大，波速總體上呈衰減趨勢；但值得注意的是1.0～1.2 m時衰減率反而有較大幅度提高，是由于1.0 m和1.2 m處傳感器接收信號的時間差非常短，且混凝土是以特性復雜多變骨料為主要填充物，聲波在經(jīng)過三相交界處時會發(fā)生多次折射、反射、散射、吸收衰減等現(xiàn)象，因而波速的離散性也增大。故傳感器布置間距不宜超過1.0 m，并應結(jié)合實際現(xiàn)場條件和經(jīng)濟性進行布置。

(4)斷鉛AE信號振幅隨著傳播距離的增大呈負指數(shù)函數(shù)衰減，均呈現(xiàn)出良好的負指數(shù)相關。當信號傳播到1.0 m處幅值反而有較大的增加，此處與波速衰減有相似的表現(xiàn)。