基于參數(shù)-波的混凝土軸拉損傷聲發(fā)射檢測方法研究

基于參數(shù)-波的混凝土軸拉損傷聲發(fā)射檢測方法研究

聲源信息的復雜波形包括豐富的聲源信息。該分析有助于研究材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞過程和模擬損傷性質(zhì)。由于多數(shù)材料的聲發(fā)射信號強度很弱且頻率范圍很寬,故需要借助靈敏的電子儀器對其進行放大和濾噪等處理。近年來,全數(shù)字化參數(shù)-波形式聲發(fā)射采集系統(tǒng)在材料研究中被廣泛使用,如文獻,其優(yōu)點是能在滿足聲發(fā)射參數(shù)提取的同時采集一定長度的波形,目前國內(nèi)已有許多單位購進了這種聲發(fā)射采集系統(tǒng)。筆者在采用該類采集系統(tǒng)進行混凝土聲發(fā)射特性研究工作過程中發(fā)現(xiàn),由于這種系統(tǒng)采集參數(shù)設(shè)定比較復雜,硬件或者硬件參數(shù)選擇不當可能導致采集的聲發(fā)射簡化波形參數(shù)無法反映撞擊波形的特征,從而不能有效定性和定量評價材料損傷過程而導致試驗失敗。此外,由于研究者們在聲發(fā)射信號特征參數(shù)的選取上存在較大的隨意性,且各參數(shù)對聲發(fā)射過程中狀態(tài)改變描述的敏感性不同,因此選用適當?shù)谋碚鲄?shù)就顯得非常重要。另外,混凝土聲發(fā)射特性還與其受力狀態(tài)有一定的關(guān)系。目前此方面的工作還沒有得到足夠的重視,尤其缺乏具有針對性并以試驗為主要依據(jù)的系統(tǒng)研究工作。本文基于聲發(fā)射采集系統(tǒng)工作原理提出了系統(tǒng)的試驗研究方案,運用參數(shù)分析和波形分析相結(jié)合以及波形數(shù)據(jù)事后重新提取分析技術(shù),對混凝土軸拉聲發(fā)射特性試驗過程中的系統(tǒng)采集硬件設(shè)置、濾噪?yún)?shù)設(shè)置和聲發(fā)射表征參數(shù)及其相關(guān)性進行了系統(tǒng)的試驗研究。1試驗計劃1.1模擬源與加載試驗加載本文試驗工作由兩部分構(gòu)成,分別是斷鉛人工激發(fā)源試驗和軸拉加載試驗。ASTM規(guī)范建議采用鉛筆芯折斷法(PencilLeadFracture),使用日本Pentel公司生產(chǎn)的硬度為2H直徑0.5mm的石墨鉛芯作為人工模擬源。在試驗過程中,設(shè)置鉛芯的伸長量約為3.0mm,并保證鉛芯與混凝土試件表面夾角約為30°,每次施加近似相等的力折斷鉛芯以得到近似相同的聲發(fā)射源。單軸拉伸試驗加載設(shè)備為美國MTS322萬能試驗系統(tǒng),采用作動器位移控制加載的單調(diào)加載方式,加載速率為0.001mm/s,相當于靜態(tài)加載。試驗裝置示意圖如圖1所示。1.2混凝土試件軸拉試驗混凝土試件形狀為平面啞鈴形,兩端各預埋Ф18螺紋鋼筋,尺寸如圖2所示。水泥采用雨花牌32.5型普通硅酸鹽水泥,砂采用中砂,石子采用碎石(最大粒徑10mm),拌合水為自來水,配合比為水泥∶砂∶石子∶水=1∶1.09∶2.43∶0.410?；炷两?jīng)人工拌和后倒入內(nèi)側(cè)帶木板的標準鋼試模中,然后放于振動臺上振搗成型,淋水養(yǎng)護一周后置于普通室內(nèi)環(huán)境中。本研究共進行了13個混凝土試件的軸拉試驗,分組情況詳見表1。為了體現(xiàn)可比性,應(yīng)盡量使接收到的信號相同。因此,傳感器設(shè)置于混凝土試件中部位置的同一表面,如圖1所示,以減少傳播路徑不同而造成接收到的信號差異。在未加載前的試件WT1上進行了11組斷鉛激發(fā)源試驗以獲得近似相同的聲發(fā)射信號,以便研究閾值對聲發(fā)射持續(xù)時間的影響。1.3試驗方法和數(shù)據(jù)采集控制本研究采用的聲發(fā)射采集系統(tǒng)為美國PAC公司生產(chǎn)的SAMOSTM系列16通道參數(shù)-波形式聲發(fā)射儀,該系統(tǒng)是PAC公司第三代全數(shù)字化系統(tǒng),該系統(tǒng)的閉塞時間(DeadTime)約為300μs,最高波形采樣率和波形采樣長度分別為3MHz和4096點。前置放大器型號為PAC-2/4/6,可切換的增益范圍為20dB、40dB和60dB,試驗中的采集控制由AEwinTM實時聲發(fā)射采集及分析軟件完成,數(shù)據(jù)被存儲在電腦硬盤,可以隨時進行事后調(diào)取和分析。聲發(fā)射系統(tǒng)通常采用預設(shè)閾值的方式探測信號,當信號幅度超過所設(shè)定的閾值時,數(shù)據(jù)采集過程就會被激發(fā),此時系統(tǒng)自動提取波形特征參數(shù)并記錄一定長度的數(shù)字化波形,在混凝土材料聲發(fā)射特性研究中,常用參數(shù)包括:撞擊計數(shù)、振鈴計數(shù)、幅度、上升時間、持續(xù)時間等,本文涉及的其它特征參數(shù)定義詳見文獻。2硬件參數(shù)的配置研究2.1傳感器類型對結(jié)果的影響2.1.1傳感器的選用撞擊數(shù)累計曲線常用于刻畫混凝土的損傷破壞過程,因此有必要探討傳感器類型對累計曲線形狀的影響。聲發(fā)射傳感器分為共振和寬頻式兩種,前者在選定的頻率范圍之內(nèi)具有較高的敏感性,但所接收的信號帶寬較窄,后者頻響范圍寬但敏感性偏低。為了研究不同型號的傳感器對描述損傷發(fā)展過程的影響,在該部分試驗中,將表1中所示的3種傳感器安置于同一個試件中部表面,設(shè)定各通道閾值為40dB,前置放大器增益40dB,波形采樣頻率為1MHz,采樣長度為4096點,各通道帶通濾波器均設(shè)置為1kHz～400kHz。歸一化聲發(fā)射撞擊累計數(shù)曲線如圖3所示,可以看出,由不同傳感器測得的同一個混凝土試件破壞過程的累計曲線所表現(xiàn)出的混凝土損傷累積發(fā)展過程相似,無明顯差別?；炷量估瓘姸群驮诩虞d過程中各種聲發(fā)射傳感器所接收到的撞擊總數(shù)、總加載時間如表2所示,可以看出,WD型寬頻式傳感器所采集到的撞擊數(shù)最多,R15型傳感器次之,R6α型傳感器最少。2.1.2聲發(fā)射頻率特征通過對聲發(fā)射波形進行快速傅里葉變換(FFT),可以得到聲發(fā)射波形的頻率特征,將每個波形對應(yīng)功率譜圖峰值頻率的分布情況匯總于圖4,從中可以看出,各種傳感器在同一個試件的破壞過程中所表現(xiàn)出的聲發(fā)射頻率特征有明顯差別:R6α傳感器所采集波形的峰值頻率集中在70kHz以下,R15傳感器集中于90kHz以下,而寬頻式傳感器則多集中在175kHz以下,同時在250kHz附近也有一定數(shù)量的分布,這說明混凝土在軸拉損傷斷裂過程中所產(chǎn)生聲發(fā)射信號的頻率范圍很寬,而窄帶的諧振式傳感器只能探測到與其本身頻響特性相關(guān)的特定范圍內(nèi)的聲發(fā)射信號,這不利于根據(jù)頻譜特征進一步區(qū)分混凝土中的多種不同斷裂機制。2.2預算器附加配置2.2.1前置放大器增益c本研究所采用的采集卡能分辨出的最小電壓為305μv,前置放大器的飽和電壓為10v(即經(jīng)過放大之后的信號幅度不會超過10v),根據(jù)聲發(fā)射信號幅度的計算公式可知,當選擇前置放大器增益為20dB、40dB、60dB時,采集卡所采集到的聲發(fā)射幅度的范圍如表3所示。從表3可以看出,前置放大器增益越小,所能采集聲發(fā)射信號的幅度范圍越寬,同時所能探測到的信號最小幅度越大;與之相反,前置放大器增益選擇越高,所能采集的信號幅度范圍越窄,同時所能探測的信號幅度下限值越低,故此時采集系統(tǒng)對于微弱信號更靈敏。2.2.2不同增益設(shè)置的試驗結(jié)果為了確定在實驗室中進行常規(guī)尺寸混凝土軸拉試驗中采集聲發(fā)射信號時的合理增益值,將3個R6α型傳感器安裝在試件中部表面,與傳感器相連的前置放大器的增益分別設(shè)置為三種可切換的數(shù)值。預試驗中發(fā)現(xiàn),在選擇不同增益值時,系統(tǒng)會受到不同程度的電磁干擾,需要適當輔以調(diào)整閾值以排除噪音干擾,最終將前置放大器增益為20dB/40dB/60dB的通道閾值依次設(shè)定為50dB/40dB/30dB進行試驗?；炷凛S拉破壞過程的幅度-荷載時程圖如圖5所示,可以看出,設(shè)置不同增益時,聲發(fā)射幅度均在峰值荷載附近達到最大值。增益設(shè)置為20dB時,最大幅度達到101dB,且信號稀疏,表明漏采了一定數(shù)量的低幅信號;增益設(shè)置為40dB時,最大幅度為99dB,信號量相對增多;增益設(shè)置為60dB時,最大幅度為79dB,信號量有所增加,在本組試驗的其它兩個試件中也能發(fā)現(xiàn)相同的規(guī)律。由此可見,在采集最大幅度的能力上,增益設(shè)置為20dB最佳,因為最大幅度值101dB遠未達到量程上限120dB。設(shè)置為40dB次之,設(shè)置為60dB最低。增益設(shè)置為60dB時采集到的最大幅度與設(shè)置40dB和20dB采集到的最大幅度相差較大,但增益設(shè)置為40dB時采集到的最大幅度與設(shè)置20dB時很接近,且設(shè)置40dB采集的信號數(shù)量適中。進一步分析信號波形后發(fā)現(xiàn),增益設(shè)置為60dB時,出現(xiàn)了放大之后的電壓超過10v而導致前置放大器過載的現(xiàn)象,這不利于比較聲發(fā)射幅度的相對大小,過載波形及其局部放大圖如圖6所示。綜上所述,前置放大器增益值設(shè)定為40dB較為合適。2.3波形采樣頻率和采樣長度2.3.1采集文件設(shè)置不合理在采集聲發(fā)射波形過程中,采樣頻率過低會影響高頻率信號的采集,同時在聲發(fā)射源定位研究中,也會降低聲發(fā)射波到時的讀取精度而影響定位精度;設(shè)置過高則會導致采集文件過大而增加后期數(shù)據(jù)處理負擔。根據(jù)采樣定理,采樣頻率應(yīng)大于或等于被采樣信號的最高頻率成分的兩倍。綜合考慮后,可以選擇1MHz的采樣頻率,這樣足以分析最高頻率在500kHz(采集卡帶寬為1kHz-400kHz)以下的聲發(fā)射波形的頻譜特征。對于相同的采樣長度,采樣頻率選擇1MHz比3MHz所能記錄的波形更長,這有利于記錄持續(xù)時間較長的波形。2.3.2聲發(fā)射撞擊持續(xù)時間記錄每一個撞擊波形的時間由采樣時間間隔和總采樣點數(shù)共同決定,采樣長度影響采集完整波形的能力,當采樣頻率一定的情況下,采樣長度越長,能夠記錄的波形越長,同時需要的存儲空間也越大。對于參數(shù)-波形式聲發(fā)射采集系統(tǒng)而言,盡可能覆蓋所有聲發(fā)射撞擊持續(xù)時間范圍是波形采樣長度的選取原則。當采樣長度設(shè)定為最長值4096點,采樣頻率選用1M,此時波形數(shù)據(jù)所能記錄的時間范圍為4096μs,將3組軸拉試驗過程中所采集的聲發(fā)射撞擊的持續(xù)時間范圍統(tǒng)計如表4所示,可以看出,聲發(fā)射持續(xù)時間在4000μs以下的撞擊數(shù)量占到每個試驗中撞擊總數(shù)的98%以上,因此,在采用以上設(shè)置的情況下,絕大多數(shù)的聲發(fā)射撞擊波形都能覆蓋撞擊的持續(xù)時間范圍,也就是說,此時撞擊波形數(shù)據(jù)與聲發(fā)射特征參數(shù)具有了良好的對應(yīng)關(guān)系。3采用相應(yīng)的技術(shù)手段抑制噪音在聲發(fā)射檢測中,機械、電磁干擾噪音等不同形式的噪音會干擾信號的采集與接收,一般而言,背景噪音具有低頻低幅的特點,因此,需要采用相應(yīng)的技術(shù)手段抑制噪音,采用的方法主要有限制聲發(fā)射幅值和頻率范圍兩種方式。3.1限制3.1.1節(jié)點閾值設(shè)置試驗閾值設(shè)置直接關(guān)系到檢測系統(tǒng)的靈敏性和信噪比。在混凝土聲發(fā)射試驗中,可將試件及儀器安裝到位的未加載之前調(diào)試出能夠濾除環(huán)境噪聲的最低幅度作為初始閾值。由于在加載過程仍存在噪聲干擾信號的辨別,因此,若將初始閾值作為最終的閾值可能較小,所以初始閾值一般需要通過試驗來確定。在本部分試驗中,將6個傳感器分兩組對稱安裝在試件中部表面進行加載試驗,與6個傳感器相應(yīng)的采集通道閾值分別設(shè)置為35dB、40dB、45dB、55dB、65dB和70dB。圖7為在各種閾值設(shè)定情況下混凝土軸拉加載試驗過程中的撞擊累計曲線的發(fā)展規(guī)律,可以看出,閾值設(shè)置為35dB和40dB時,累計曲線所反映的混凝土軸拉破壞過程的規(guī)律基本一致。當設(shè)定閾值大于55dB時,累計曲線的漸進式變化趨勢變得不明顯;當閾值設(shè)置為65dB和70dB時則只能檢測到混凝土最終宏觀斷裂時所發(fā)出的信號,而無法描述整個損傷破壞過程,在本組的其它試件中也發(fā)現(xiàn)了相同的規(guī)律。從圖7中還可以發(fā)現(xiàn),閾值設(shè)置越小,采集到的撞擊數(shù)量越多,這對于連續(xù)描述損傷過程是有幫助的。值得注意的是,在本組其它試驗中,發(fā)現(xiàn)采用較低的閾值進行監(jiān)測時,噪音干擾的風險會有所增加,也就是說,如果環(huán)境噪聲控制不當,會造成數(shù)據(jù)量過大而不能恰當反映材料損傷的情況。綜合考慮,結(jié)合本研究所在環(huán)境的實際情況,將閾值設(shè)置為40dB可以得到良好的信噪比。3.1.2閾值對持續(xù)采集過程的影響由聲發(fā)射參數(shù)的定義可知,閾值過高可能會阻止?jié)撛谥匾盘柕牟杉?過低則可能會降低信噪比。此外,在參數(shù)-波形式聲發(fā)射采集系統(tǒng)中,持續(xù)時間、振鈴等參數(shù)的鑒別都依賴于閾值的設(shè)定,有限長度的波形采集過程也需要通過閾值觸發(fā),因此,有必要研究閾值設(shè)定對持續(xù)時間的影響。在試驗中將斷鉛源放置于混凝土試件表面?zhèn)鞲衅鞲浇s5mm處,在每一種閾值設(shè)定(共11組)條件下分別激發(fā)六次,記錄下撞擊持續(xù)時間的平均值,將其繪成曲線,在這里可以認為每一組的聲發(fā)射信號都近似來自于相同的聲發(fā)射源,如圖8所示,可以看出,閾值越高,聲發(fā)射持續(xù)時間越短,這顯然更有利于利用有限的記錄長度描述更完整的撞擊波形,由此可見,當采樣長度×采樣時間間隔沒有超過多數(shù)試驗中采集到的聲發(fā)射撞擊的持續(xù)時間時,采用提高閾值來減小持續(xù)時間量值的方式可以緩解該問題。3.2聲發(fā)射信號分析由本文2.1.2中的研究結(jié)果可知,混凝土軸拉破壞過程中所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號具有很寬的頻率范圍。聲發(fā)射信號在混凝土試件中傳播時,高頻成分的幅度隨著傳播距離增大而衰減,而低頻成分又與機械噪聲重疊在一起,不易分離。因此,聲發(fā)射檢測通常選擇在某一頻率范圍內(nèi)進行。聲發(fā)射采集系統(tǒng)中可以通過設(shè)定帶通濾波器進行濾噪處理。一般而言,頻率低于100kHz的聲發(fā)射信號在檢測過程中必須嚴格限制噪音的影響,有研究者直接將濾波范圍鎖定為高于100kHz,而關(guān)于低頻信號對聲發(fā)射特征參數(shù)提取的影響并沒有被很好地掌握。圖9為混凝土在軸拉荷載作用下的典型聲發(fā)射波形在不同帶通濾波器設(shè)置下的波形,從中可以看出,濾除了低頻成分之后的聲發(fā)射波形更具有突發(fā)型信號的特征,因此,系統(tǒng)在提取特征參數(shù)時,各種表征參數(shù)更能反映出波形的本質(zhì)特征。圖10為不同高通設(shè)置下的混凝土軸拉破壞過程中的撞擊總數(shù)曲線,該部分數(shù)據(jù)由AEwin軟件提供的事后濾波功能處理得到。可以看出,高通值設(shè)定越高,所采集到的聲發(fā)射撞擊數(shù)越少,這與閾值設(shè)定對撞擊累計數(shù)的影響效應(yīng)相同。最后,值得注意的是,帶通濾波器的設(shè)定還應(yīng)當考慮傳感器的工作頻率范圍。4相關(guān)參數(shù)分析混凝土聲發(fā)射參數(shù)的分析與研究一直是備受關(guān)注的課題,聲發(fā)射信號特征參數(shù)主要包括振鈴計數(shù)、幅度、上升時間、持續(xù)時間、初始頻率、混響頻率、平均頻率、信號強度、絕對能量、平均信號電平、RMS電壓值,通過分析這些參數(shù)間的相關(guān)性,找出相關(guān)性高繼而可以在分析過程中互相替代的參數(shù)是本部分內(nèi)容研究的主要目的。4.1信號能量類本研究根據(jù)定義將聲發(fā)射參數(shù)分成五類進行分析:將撞擊和與波形內(nèi)脈沖次數(shù)有關(guān)的振鈴數(shù)歸為一類;與信號幅度大小有關(guān)的幅度、有效值電壓和平均信號電平歸為一類;與信號經(jīng)歷時間長短有關(guān)的上升時間和持續(xù)時間歸為一類;與信號實際能量相關(guān)的能量、信號強度和絕對能量歸為一類;與信號頻率相關(guān)的平均頻率、初始頻率、混響頻率歸為一類。下面將對以上五類參數(shù)分別進行分析,本組試驗進行了三個試件,所表現(xiàn)出的規(guī)律基本相同。4.1.1混凝土軸拉損傷過程撞擊和振鈴累計計數(shù)經(jīng)常被用來描述損傷過程,由圖11可見,由聲發(fā)射撞擊累計數(shù)曲線和振鈴累計數(shù)曲線所代表的混凝土軸拉損傷過程基本相同,均可分為初始(A-B)、穩(wěn)定(B-C)和不穩(wěn)定(C-D)三個階段。4.1.2凝土軸拉損傷影響幅度是簡化波形參數(shù)中的重要參數(shù),它與材料的損傷程度直接相關(guān)。由圖12可見,與振鈴分析結(jié)果相同,通過展現(xiàn)幅度隨時間的變化,也可以將混凝土軸拉損傷過程分為初始(A-B)、穩(wěn)定(B-C)和不穩(wěn)定(C-D)三個階段。與之形成對比的是,有效值電壓和平均信號電平這兩個參數(shù)并沒有明顯刻畫出混凝土受拉損傷的三個階段,但它們所體現(xiàn)的規(guī)律十分近似,即在未達到最終破壞荷載之前,兩個參數(shù)值均處于較低水平;接近破壞荷載時,兩個參數(shù)的量值都突然顯著增加并達到最大值。由此可見,在以上三個參數(shù)中,幅度的時程曲線更能表現(xiàn)混凝土軸拉各階段的損傷特征。4.1.3軸拉損傷階段圖13為持續(xù)時間和上升時間與荷載的時程曲線,從持續(xù)時間曲線中可以看出,混凝土軸拉損傷過程依然可分為三個階段,當荷載超過不穩(wěn)定階段,混凝土裂縫非穩(wěn)定擴展,持續(xù)時間較長的撞擊數(shù)量明顯增多,接近最大荷載時,持續(xù)時間快速增長,破壞時持續(xù)時間達到最大值,而上升時間參數(shù)對以上三階段表現(xiàn)得不明顯。4.1.4關(guān)于混凝土軸拉損傷過程的分析由圖14可見,能量、信號強度和絕對能量三個參數(shù)的累計曲線所反映的規(guī)律極為相似,混凝土軸拉損傷過程仍可分為三個階段,因此,這三個參數(shù)描述混凝土軸拉過程效果較好。4.1.5信號頻率表征平均頻率、初始頻率、混響頻率是從聲發(fā)射振鈴和持續(xù)時間以及上升時間換算而來的參數(shù),它們能夠粗略表征信號的頻率。圖15所示為平均頻率、初始頻率、混響頻率與荷載隨時間變化的歷程曲線,可以看出,隨著荷載的增加,三個與頻率相關(guān)的聲發(fā)射信號參數(shù)分布的規(guī)律性都不明顯,只是加載后期的高頻信號多于前期,這可能也是這些參數(shù)很少被其它文獻所采用的原因。4.2參數(shù)之間的相關(guān)性4.2.1軸拉試驗件聲發(fā)射撞擊藝術(shù)兩個隨機變量之間的相關(guān)性可以用相關(guān)系數(shù)定量表示。設(shè)(X1,X2,…,Xn)和(Y1,Y2,…,Yn)分別是來自總體X、Y的一個樣本,則樣本X,Y的相關(guān)系數(shù)定義為:rxy=∑i=1n(Xi?Xˉˉˉ)(Yi?Yˉˉˉ)∑i=1n(Xi?Xˉˉˉ)2?∑i=1n(Yi?Yˉˉˉ)2√(1)rxy=∑i=1n(Xi-Xˉ)(Yi-Yˉ)∑i=1n(Xi-Xˉ)2?∑i=1n(Yi-Yˉ)2(1)在三組混凝土試件的軸拉破壞過程中所采集到的聲發(fā)射撞擊樣本數(shù)均大于102,當顯著性水平α=0.001時,r(n-2)α的值為0.3211,也就是說,若rxy≥0.3211,則認為相關(guān)性是顯著的,否則不顯著。4.2.2聲發(fā)射參數(shù)的相關(guān)性分析從聲發(fā)射特征參數(shù)的定義來看,信號強度和絕對能量都是采樣點電壓的函數(shù),故二者是不獨立的,因此,在討論這兩個參數(shù)與其它參數(shù)之間的相關(guān)性過程中,僅討論信號強度與其它聲發(fā)射參數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)即可。分別對在試件WP1-WP3破壞過程中所采集到的三組數(shù)據(jù)中的聲發(fā)射參數(shù)進行相關(guān)性分析,表5給出了相關(guān)性比較顯著的聲發(fā)射參數(shù)及相關(guān)系數(shù)。從表5中可以看出,聲發(fā)射幅度與信號強度,上升時間,持續(xù)時間,振鈴數(shù)之間均存在良好的相關(guān)性,在三組混凝土軸拉試驗中的平均相關(guān)系數(shù)為0.57-0.69,但對于其中的試件WP2偏低,表明這些參數(shù)間的相關(guān)性易受到試件個體偏差的影響。此外還可以看出,上升時間與信號強度、持續(xù)時間、振鈴數(shù)之間以及持續(xù)時間和信號強度之間均存在良好的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)均達到0.90以上,而且對于每一個試件