混凝土靜態(tài)軸拉聲發(fā)射試驗相關(guān)參數(shù)研究

吳勝興，王 巖，李 佳，沈德建

(河海大學，南京 210098)

混凝土靜態(tài)軸拉聲發(fā)射試驗相關(guān)參數(shù)研究

吳勝興，王 巖，李 佳，沈德建

(河海大學，南京 210098)

對聲發(fā)射采集系統(tǒng)的硬件參數(shù)設(shè)置、濾噪?yún)?shù)設(shè)置以及聲發(fā)射信號特征參數(shù)及其相關(guān)性進行了系統(tǒng)的試驗研究。共進行了11組斷鉛人工激發(fā)源試驗和13個混凝土試件的單軸靜態(tài)拉伸試驗，采用全數(shù)字化的參數(shù)－波形式聲發(fā)射采集系統(tǒng)和三種不同型號的傳感器同步采集并存儲了試驗過程中的聲發(fā)射特征參數(shù)和波形，應用參數(shù)和波形分析相結(jié)合的方法以及波形事后提取分析等技術(shù)手段對數(shù)據(jù)進行分析。結(jié)果表明:前置放大器增益、閾值、波形采樣率和采樣長度、帶通濾波器等有一合理參數(shù)取值;幅度、振鈴、持續(xù)時間、聲發(fā)射信號能量、絕對能量、信號強度這6個參數(shù)能夠較好地體現(xiàn)混凝土軸拉損傷過程的階段性特征;聲發(fā)射幅度、振鈴數(shù)、持續(xù)時間、上升時間和信號強度5個參數(shù)之間存在顯著的相關(guān)性。研究成果可為采用聲發(fā)射技術(shù)研究混凝土的損傷破壞過程提供參考依據(jù)。

混凝土;軸拉;聲發(fā)射;采集參數(shù);特征參數(shù)

聲發(fā)射信號是包含豐富聲發(fā)射源信息的復雜波形，對其分析有助于研究材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞過程和推演損傷性質(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［1］。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［2－4］，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［5－7］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 試驗方案

1.1 概況

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［8］建議采用鉛筆芯折斷法(Pencil Lead Fracture)，使用日本Pentel公司生產(chǎn)的硬度為2 H直徑0.5 mm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3.0 mm，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0.001 mm/s，相當于靜態(tài)加載。試驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Test setup

1.2 試驗分組

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10 mm)，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。

圖2 混凝土軸拉試件尺寸示意圖Fig.2 The dimension of concrete specimen

表1 混凝土試件的分組Tab.1 The grouping of concrete specimens

1.3 聲發(fā)射采集系統(tǒng)

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(Dead Time)約為300 μs，最高波形采樣率和波形采樣長度分別為3MHz和4096點［9］。前置放大器型號為PAC－2/4/6，可切換的增益范圍為20 dB、40 dB和60 dB，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［10］。

2 硬件參數(shù)設(shè)置研究

2.1 傳感器類型對結(jié)果的影響

2.1.1 描述損傷發(fā)展過程

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40 dB，前置放大器增益40 dB，波形采樣頻率為1 MHz，采樣長度為4 096點，各通道帶通濾波器均設(shè)置為1 kHz～400 kHz。

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。

混凝土抗拉強度和在加載過程中各種聲發(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。

圖3 歸一化聲發(fā)射撞擊數(shù)累計曲線Fig.3 The normalized curve of accumulated AE hit number

表2 聲發(fā)射撞擊總數(shù)與混凝土抗拉強度Tab.2 Total AE hit number and tensile strength of concrete

2.1.2 波形頻譜特征

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70 kHz以下，R15傳感器集中于90 kHz以下，而寬頻式傳感器則多集中在175 kHz以下，同時在250 kHz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 前置放大器增益設(shè)置

2.2.1 設(shè)置方式

圖4 聲發(fā)射波形峰值頻率分布圖Fig.4 Distraction map of AE peak frequency

本研究所采用的采集卡能分辨出的最小電壓為305 μv，前置放大器的飽和電壓為10 v(即經(jīng)過放大之后的信號幅度不會超過10 v)，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20 dB、40 dB、60 dB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。

表3 前置放大器設(shè)置不同增益時技術(shù)指標Tab.3 The qualifications of preamplifier in different gain values

2.2.2 增益設(shè)定對結(jié)果的影響

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20 dB/40 dB/60 dB的通道閾值依次設(shè)定為50 dB/40 dB/30 dB進行試驗。

混凝土軸拉破壞過程的幅度－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20 dB時，最大幅度達到101 dB，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40 dB時，最大幅度為99 dB，信號量相對增多;增益設(shè)置為60 dB時，最大幅度為79 dB，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20 dB最佳，因為最大幅度值101dB遠未達到量程上限120 dB。設(shè)置為40 dB次之，設(shè)置為60 dB最低。增益設(shè)置為60 dB時采集到的最大幅度與設(shè)置40 dB和20 dB采集到的最大幅度相差較大，但增益設(shè)置為40 dB時采集到的最大幅度與設(shè)置20 dB時很接近，且設(shè)置40 dB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60 dB時，出現(xiàn)了放大之后的電壓超過10 v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40 dB較為合適。

圖5 不同前置放大器增益時的幅度－荷載時程圖Fig.5 Load and AE amplitude versus time

圖6 前置放大器增益為60 dB時的聲發(fā)射波形Fig.6 AE waveform when preamplifier gain in 60 dB

2.3 波形采樣頻率與采樣長度

2.3.1 采樣頻率

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1 MHz的采樣頻率，這樣足以分析最高頻率在500 kHz(采集卡帶寬為1 kHz－400 kHz)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1 MHz比3 MHz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 采樣長度

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。

表4 聲發(fā)射撞擊持續(xù)時間范圍統(tǒng)計表Tab.4 Statistic table for the range of AE hit duration

當采樣長度設(shè)定為最長值4 096點，采樣頻率選用1 M，此時波形數(shù)據(jù)所能記錄的時間范圍為4 096 μs，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4 000 μs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)具有了良好的對應關(guān)系。

3 濾噪?yún)?shù)設(shè)定

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 閾值

3.1.1 閾值對描述損傷破壞過程的影響

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個傳感器相應的采集通道閾值分別設(shè)置為 35 dB、40 dB、45 dB、55 dB、65 dB 和70 dB。

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35 dB和40 dB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55 dB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65 dB和70 dB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。

圖7 不同閾值下聲發(fā)射撞擊累計數(shù)－荷載時程圖Fig.7 Load and accumulated AE hit number versus time in different threshold values

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40 dB可以得到良好的信噪比。

3.1.2 閾值對聲發(fā)射持續(xù)時間的影響

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s5 mm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。

圖8 聲發(fā)射持續(xù)時間與閾值的關(guān)系Fig.8 The relationship between AE duration and threshold values

3.2 帶通濾波器

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100 kHz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［11，12］直接將濾波范圍鎖定為高于 100 kHz，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9 不同帶通濾波器設(shè)置下的聲發(fā)射波形Fig.9 AE waveforms in different settings of band pass filter

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)的影響效應相同。最后，值得注意的是，帶通濾波器的設(shè)定還應當考慮傳感器的工作頻率范圍。

圖10 不同高通設(shè)置下的聲發(fā)射撞擊總數(shù)Fig.10 Total AE hit numbers in different settings of high pass filter

4 混凝土聲發(fā)射特征參數(shù)及其相關(guān)性

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［13－14］，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 聲發(fā)射特征參數(shù)及分類

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 撞擊與振鈴計數(shù)

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。

圖11 聲發(fā)射撞擊數(shù)和振鈴數(shù)累計時程曲線Fig.11 Accumulated AE hit number and count number versus time

4.1.2 與幅度有關(guān)的參數(shù)

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。

圖12 與幅度有關(guān)的聲發(fā)射特征參數(shù)時程曲線Fig.12 Time-history graph of AE parameters related to amplitude

4.1.3 與信號經(jīng)歷時間有關(guān)的參數(shù)

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。

圖13 與信號經(jīng)歷時間有關(guān)聲發(fā)射特征參數(shù)時程圖Fig.13 Time-history graph of AE parameters related to the elapsed-time of signal

4.1.4 與信號頻率有關(guān)的參數(shù)

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 與信號實際能量有關(guān)的參數(shù)

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)間的相關(guān)性

4.2.1 基本原理

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:

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0.321 1，也就是說，若 rxy≥0.321 1，則認為相關(guān)性是顯著的，否則不顯著。4.2.2 參數(shù)相關(guān)性

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都很平穩(wěn)。

表5 各試件的聲發(fā)射參數(shù)相關(guān)系數(shù)Tab.5 Correlation coefficients of AE parameters for concrete specimens

總結(jié)相關(guān)性系數(shù)較高的聲發(fā)射參數(shù)之間的關(guān)系的更直觀的示意圖如圖16所示，箭頭附近的數(shù)值為相應的相關(guān)系數(shù)。

圖16 聲發(fā)射參數(shù)間相關(guān)系數(shù)示意圖Fig.16 Schematic diagram of correlation coefficients for AE parameters

5 結(jié)論

本文對聲發(fā)射采集系統(tǒng)的硬件參數(shù)、濾噪?yún)?shù)設(shè)置及混凝土軸拉破壞過程中的聲發(fā)射信號特征參數(shù)及其相關(guān)性三個問題進行了系統(tǒng)的試驗研究，得到了以下主要結(jié)論:

(1)不同類型傳感器測得的聲發(fā)射撞擊累計曲線無明顯差別，但寬頻式傳感器接收到的信號數(shù)量較多且信號頻率更寬，因此，更適合于頻率分析，其頻率分析結(jié)果可以指導諧振式傳感器及相關(guān)設(shè)備的選擇。

(2)前置放大器增益選為40 dB，可以得到良好的信號噪聲比;采樣頻率設(shè)為1 MHz，采樣長度選作4 096點可以使撞擊波形長度能夠覆蓋絕大多數(shù)的撞擊持續(xù)時間范圍，進而使參數(shù)－波形式聲發(fā)射儀的優(yōu)勢得以充分發(fā)揮。

(3)采用不同的閾值所得到的聲發(fā)射撞擊累計曲線代表的混凝土損傷發(fā)展過程基本相同，帶通濾波器設(shè)置對于波形特征參數(shù)的提取會產(chǎn)生顯著影響;提高閾值和帶通濾波器的高通值均可以緩解采樣長度不能覆蓋撞擊波形范圍的問題，此外，提高濾波范圍還可以緩解波形幅值超量程的問題。

(4)在實驗室研究中，閾值選作40 dB，根據(jù)傳感器的工作頻率范圍適當提高帶通濾波器的高通值對于提高信噪比和不同損傷機制的聲發(fā)射信號參數(shù)的區(qū)分度都是有幫助的。

(5)作為撞擊計數(shù)的補充，幅度、振鈴、持續(xù)時間、聲發(fā)射信號能量、絕對能量、信號強度這六個參數(shù)能夠較好地體現(xiàn)混凝土軸拉損傷過程的階段性特征。

(6)在眾多的聲發(fā)射特征參數(shù)中，聲發(fā)射幅度、振鈴數(shù)、持續(xù)時間、上升時間和信號強度5個參數(shù)之間存在顯著的相關(guān)性。

參數(shù)－波形式聲發(fā)射采集系統(tǒng)的各種采集參數(shù)設(shè)定過程需要綜合考慮，本文給出了相關(guān)參數(shù)在設(shè)置不同數(shù)值時對采集結(jié)果的影響，有助于研究人員根據(jù)研究對象特點和結(jié)合研究目的進行協(xié)調(diào)設(shè)置，最終得到滿意的測試結(jié)果，另外，本文絕大多數(shù)結(jié)論對于混凝土在其它受力條件下也是適用的，只有少部分不同，需要單獨研究。

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Parameters of acoustic emission test of concrete under static uniaxial tension

WU Sheng-xing，WANG Yan，LI Jia，SHEN De-jian

(Hohai University，Nanjing 210098，China)

Setting of hardware parameters，filtering parameters for acoustic emission(AE)acquiring system，and AE parameters as well as their correlations were studied systematically with tests，11 groups of pensile lead break tests and 13 concrete specimens loaded in uniaxial tension were carried out.Feature parameters and waveforms of AE signals acquired by 3 kinds of sensors during the processes of tests were stored using a digital parameter-waveform collecting system.The test data were analyzed using the parameter combined with waveform method and the post-extracting technique for waveforms.The results showed that there are reasonable values for gain of preamplifier，threshold，sampling rate，sampling length and parameters of band pass filter;amplitude，count，duration，AE signal energy，absolute energy and signal strength are suitable for evaluating the phased damage feature of concrete under uniaxial tension loading;the significant correlations among amplitude，count，duration，rise time and signal strength are found.The study results provided a reference for studying on concrete failure process using AE technology.

concrete;uniaxial tension;acoustic emission;acquiring parameters;feature parameters

TU528.07

A

國家自然科學基金重點資助項目(90510017);水利部公益性項目(200701004);國家自然科學基金項目資助(51009058);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助(2009B03014)

2010－01－07 修改稿收到日期:2010－03－29

吳勝興 男，博士，教授，1963年生