宏細(xì)觀振動(dòng)對(duì)選擇性熱激勵(lì)效果的影響

賈 宇，梁永梅，湯 雷，李 紅，胡良浩

(1. 南京水利科學(xué)研究院水文水資源和水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210029； 2. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京 210098； 3. 鎮(zhèn)江市丹徒區(qū)航道管理處，江蘇鎮(zhèn)江 212100)

宏細(xì)觀振動(dòng)對(duì)選擇性熱激勵(lì)效果的影響

賈 宇1,2，梁永梅3，湯 雷1，李 紅1,2，胡良浩1

(1. 南京水利科學(xué)研究院水文水資源和水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210029； 2. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇南京 210098； 3. 鎮(zhèn)江市丹徒區(qū)航道管理處，江蘇鎮(zhèn)江 212100)

激振頻率是選擇性激勵(lì)紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)的控制參數(shù)。從結(jié)構(gòu)共振的角度選取含微裂紋的混凝土簡(jiǎn)支梁作為激勵(lì)對(duì)象，以簡(jiǎn)支梁自振頻率作為激振頻率，測(cè)試激勵(lì)效果；并選用40 kHz激振頻率進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，40 kHz頻率激振下的簡(jiǎn)支梁出現(xiàn)了顯著熱激勵(lì)效果，但自振頻率未出現(xiàn)激勵(lì)效果。結(jié)合這一試驗(yàn)現(xiàn)象，在機(jī)理層面計(jì)算分析了簡(jiǎn)支梁宏觀整體振動(dòng)、梁內(nèi)細(xì)觀質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)兩種振動(dòng)狀態(tài)對(duì)熱激勵(lì)效果的影響以及它們之間的相互作用規(guī)律。分析結(jié)果表明：在整個(gè)激勵(lì)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)的熱激勵(lì)能力弱于質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)，并持續(xù)消弱質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)的強(qiáng)度；細(xì)觀質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)是熱激勵(lì)效果出現(xiàn)的原因，可選用40 kHz超聲頻率激振來(lái)降低宏觀整體振動(dòng)強(qiáng)度，消除整體振動(dòng)對(duì)質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)的弱化作用。

微裂紋； 熱激勵(lì)效果； 整體振動(dòng)； 質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)

裂縫是水利工程病害中最常見(jiàn)形式，結(jié)構(gòu)性裂縫因其延伸擴(kuò)展嚴(yán)重影響水工建筑物安全，微裂紋(裂紋寬度極小或是處于閉合狀態(tài)，分布于結(jié)構(gòu)表面或內(nèi)部，肉眼難以識(shí)別)是結(jié)構(gòu)性裂縫的先兆，盡早發(fā)現(xiàn)微裂紋，可實(shí)現(xiàn)以可控方式主動(dòng)釋放水利工程安全風(fēng)險(xiǎn)。

選擇性激勵(lì)紅外熱像檢測(cè)技術(shù)通過(guò)激振器激振混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中的微裂紋受激振作用在尖角處會(huì)接觸碰撞，進(jìn)而出現(xiàn)顯著溫升，使用熱像儀捕捉結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)，通過(guò)找尋顯著溫升區(qū)來(lái)發(fā)現(xiàn)微裂紋。已證明該技術(shù)可以有效發(fā)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)中的微裂紋，但激勵(lì)效果微弱[1-2]，這成為限制該項(xiàng)新技術(shù)推廣應(yīng)用的瓶頸。當(dāng)以結(jié)構(gòu)固有頻率作為激勵(lì)頻率對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行激振時(shí)，將處于共振狀態(tài)，在相同激勵(lì)功率條件下，結(jié)構(gòu)體的振幅最大[3]。大振幅增加了微裂紋處質(zhì)點(diǎn)發(fā)生接觸碰撞的可能，較多質(zhì)點(diǎn)的接觸碰撞有助于增強(qiáng)激勵(lì)效果[4]。但當(dāng)結(jié)構(gòu)整體共振時(shí)，激振力會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生波動(dòng)，這兩種振動(dòng)彼此作用，共同影響著最終的激勵(lì)效果；通過(guò)控制激振頻率，探究整體振動(dòng)與質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)對(duì)熱激勵(lì)效果的影響以及彼此間的作用規(guī)律，這將有助于科學(xué)地增強(qiáng)選擇性激勵(lì)紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)的激勵(lì)效果。

1 試驗(yàn)研究

1.1 建立簡(jiǎn)化模型并測(cè)定簡(jiǎn)支梁自振頻率

選用混凝土簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)形式，將換能器置于梁跨中，加500 N壓力于換能器，換能器質(zhì)量0.02 kg。模型梁尺寸為： 80 mm×80 mm×420 mm(y，z，x)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25，彈性模量E=2.8×104N/mm2，泊松比ν=0.2，密度ρ=2 500 kg/m3，梁質(zhì)量6.72 kg。聲波在混凝土中傳播速度v=3.8 km/s。假定混凝土均質(zhì)、各向同性。微裂紋主要分布于梁內(nèi)靠近上下表面處，模型如圖1所示。

圖1 含微裂紋的混凝土簡(jiǎn)支梁模型Fig.1 Model for simply supported concrete beam containing micro cracks

圖2 簡(jiǎn)諧激振下簡(jiǎn)支梁整體振動(dòng)振型Fig.2 Overall vibration chart of simply supported beam under harmonic excitation

使用錘擊法測(cè)實(shí)際簡(jiǎn)支梁自振頻率。選用INV306U智能信號(hào)采集處理分析系統(tǒng)、CA-YD-107型加速度傳感器、力傳感器、INV-8型多功能抗混濾波放大器、裝有DASPV10的筆記本電腦進(jìn)行測(cè)試。制作80 mm×80 mm×420 mm的混凝土試塊，其內(nèi)部有不定數(shù)量的微裂紋，將試塊置于兩根鋼筋棒上；試塊一側(cè)面靠下邊緣處涂雙面膠，并緊靠此面放置兩層混凝土構(gòu)件，使得試塊與混凝土構(gòu)件于接觸面下部粘接在一起，以此作試塊縱向約束，構(gòu)成簡(jiǎn)支。傳函數(shù)法計(jì)算結(jié)果如圖3所示。經(jīng)過(guò)測(cè)試可知簡(jiǎn)支梁自振頻率為655 Hz。

圖3 傳函數(shù)法計(jì)算結(jié)果Fig.3 Calculation results given by transfer function method

1.2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

1.2.1 試驗(yàn)方案 首先試驗(yàn)655 Hz激振效果，考慮到實(shí)測(cè)自振頻率與真實(shí)值可能存在差異，補(bǔ)充了300～1 300 Hz(以100 Hz為步長(zhǎng)，共11組)的激振試驗(yàn)，試驗(yàn)中量測(cè)的電路電流范圍0.9～1.1 A，將輸出頻率作相應(yīng)調(diào)整，其余步驟不變。具體試驗(yàn)步驟為：①按前述方法制作80 mm×80 mm×420 mm的混凝土試塊，并將試塊縱向約束，構(gòu)成簡(jiǎn)支。②選用G30激振器，通過(guò)電腦中的振動(dòng)發(fā)生軟件控制其激振頻率，頻率可調(diào)范圍150～18 000 Hz，將振動(dòng)發(fā)生軟件設(shè)置為輸出655 Hz的正弦激振力；選用KONESAV-338功率放大器增強(qiáng)激振器的激振強(qiáng)度。③用鉗形表量測(cè)電路中的工作電流。④用壓力傳感器量測(cè)施加在換能器上的壓力。⑤將換能器置于構(gòu)件中間、表面整潔、完整處，用壓力鉗施加500 N壓力于換能器；用紅外熱像儀記錄構(gòu)件內(nèi)溫度場(chǎng)變化；接通電路進(jìn)行試驗(yàn)，鉗形表讀數(shù)1.0 A。

為充分降低激振中簡(jiǎn)支梁整體振動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)避免高頻率聲波傳播中衰減過(guò)快而影響在混凝土試件內(nèi)的有效激勵(lì)范圍，選用超聲頻率40 kHz的試驗(yàn)激振效果,試驗(yàn)步驟為：①被激振構(gòu)件同上，仍是簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)。②選用超聲波發(fā)生器，輸出頻率40 kHz；用鉗形表記錄工作電流；用壓力傳感器量測(cè)施加在換能器上的壓力。③將換能器置于構(gòu)件中間、完整處，用壓力鉗施加500 N于換能器；用熱像儀記錄構(gòu)件溫度場(chǎng)變化；接通電路試驗(yàn)，鉗形表讀數(shù)0.5 A。

1.2.2 試驗(yàn)結(jié)果 將300～1 300 Hz和40 kHz的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匯總。由圖4可見(jiàn)，頻率為300～1 300 Hz，10～30 s時(shí)簡(jiǎn)支梁均無(wú)明顯溫升；頻率40 kHz，10 s時(shí)出現(xiàn)若干顯著溫升區(qū)，溫升區(qū)最高溫升1.0 ℃(環(huán)境溫度27.7 ℃)， 20 s時(shí)溫升區(qū)面積擴(kuò)大、個(gè)數(shù)增多，溫升區(qū)最高溫升2.4 ℃，30 s時(shí)溫升區(qū)面積進(jìn)一步擴(kuò)大、個(gè)數(shù)進(jìn)一步增多，溫升區(qū)最高溫升2.4 ℃。

圖4 激振效果熱像圖分析Fig.4 Thermographs of excitation effect by frequency tests

圖5 宏觀整體振動(dòng)的幅頻響應(yīng)曲線[3]Fig.5 Amplitude frequency response curves of macro overall vibration

2 試驗(yàn)結(jié)果機(jī)理分析

激振力作用下的簡(jiǎn)支梁同時(shí)響應(yīng)出兩種振動(dòng)：宏觀上構(gòu)件整體振動(dòng)、細(xì)觀上構(gòu)件內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)。整體振動(dòng)是指從結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)角度，構(gòu)件在動(dòng)力荷載作用下整體以某一固定振型振動(dòng)[5]，如圖5；質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)指構(gòu)件某點(diǎn)在激振源作用下，內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)依照某一定頻率及振形先后各自振動(dòng)[6]，如圖6。在激振過(guò)程中，兩種振動(dòng)形式綜合影響微裂紋處的激勵(lì)效果。

圖6 簡(jiǎn)諧激振下簡(jiǎn)支梁內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)波形Fig.6 Waveform graph of particles in simply supported beam under harmonic excitation

為探究宏觀整體振動(dòng)與細(xì)觀質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)對(duì)微裂紋的激勵(lì)能力強(qiáng)弱，首先確定簡(jiǎn)支梁共振狀態(tài)下兩種振動(dòng)的劇烈程度。

2.1 簡(jiǎn)支梁處于結(jié)構(gòu)共振狀態(tài)時(shí)宏觀外部動(dòng)力響應(yīng)

簡(jiǎn)支梁跨中點(diǎn)在正弦激振力作用下的運(yùn)動(dòng)微分方程為：

mx″+cx′+kx=F0sinωt

(1)

其特解為[7]：x=Bsin(ωt-φ)，其中：B=βB0,B0為簡(jiǎn)支梁在激振力靜作用下的最大位移；β為振幅放大因子，其值由圖5查得：混凝土相對(duì)阻尼比ξ=0.02[8]，共振狀態(tài)頻率比λ=ω/ωn=1，故β=3.5。B0=Fl3/(48EI)=8.1 um,因此，B=28 um。φ=tan-1(2ξλ/(1-λ2))=π/2?？芍缰悬c(diǎn)撓度為：

yc=0.028sin(4 115t-π/2)

(2)

則簡(jiǎn)支梁各點(diǎn)處動(dòng)撓度曲線為：

y(x,t)=0.028sin(4 115t-π/2)[3(x/420)-4(x/420)3],0≤x≤l/2

(3)

令y(x,t)對(duì)t求導(dǎo)，可知梁的振動(dòng)速度為：

v(x,t)=cos(4 115t-π/2)(0.87x-6.57×10-6x3)

(4)

現(xiàn)求解簡(jiǎn)支梁整體以該速度振動(dòng)1個(gè)周期所需能量：首先積分求解簡(jiǎn)支梁內(nèi)所有質(zhì)點(diǎn)在任意時(shí)刻t的動(dòng)能總和：

E(t)=mv2(t)/2=2.38×10-3cos2(4 115t-π/2)

(5)

(6)

那么

(7)

當(dāng)E(t)>0時(shí)，總存在唯一定值ζ使得給定區(qū)間上的函數(shù)值累加和可用其面積積分表示。因此可知，ET=1.81×10-6ζ。

2.2 簡(jiǎn)支梁處于結(jié)構(gòu)共振狀態(tài)時(shí)細(xì)觀內(nèi)部動(dòng)力響應(yīng)

因換能器相對(duì)于簡(jiǎn)支梁尺寸較小，波動(dòng)距離受到簡(jiǎn)支梁尺寸限制，故簡(jiǎn)支梁中的波動(dòng)按球面波考慮[9-10]，質(zhì)點(diǎn)波形及振動(dòng)方向見(jiàn)圖6。由2.1節(jié)計(jì)算可知，距聲源單位半徑處(r=1 mm)球面波振幅28 um，ω=4 115 rad/s，長(zhǎng)度統(tǒng)一以mm為單位計(jì)算，故質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)方程為：

y=2.8×10-2/rsin(4 115t-ωr/v)

(8)

式中：v為聲波在混凝中傳播速度；那么波振速度為：

v(r,t)=dy/dt=115.2/rcos(4 115t-ωr/v)

(9)

當(dāng)半徑取最大值r=0.21 m，ωr/v=0.07π時(shí)，相對(duì)于初始零相位其值可忽略不計(jì)，故近似認(rèn)為簡(jiǎn)支梁內(nèi)質(zhì)點(diǎn)波振無(wú)相位差，即：

v(r,t)=115.2/rcos(4 115t)

(10)

現(xiàn)求解簡(jiǎn)支梁內(nèi)所有質(zhì)點(diǎn)以該速度振動(dòng)一個(gè)周期所需能量。首先積分求解所有質(zhì)點(diǎn)在任意時(shí)刻t的動(dòng)能總和：

(11)

當(dāng)100 mm100 mm以外部分的波振速度相差較小，故用v(r=100,t)代替r>100 mm部分的質(zhì)點(diǎn)任意時(shí)刻的波振速度，則總動(dòng)能為：

(12)

代入數(shù)值可得：

(13)

那么1個(gè)周期內(nèi)簡(jiǎn)支梁所有質(zhì)點(diǎn)波振所需能量為：

(14)

2.3 宏觀及細(xì)觀綜合分析

圖7 簡(jiǎn)支梁在激振力作用下振動(dòng)特征Fig.7 Vibration chart of simply supported beam under harmonic excitation

圖8 A點(diǎn)振動(dòng)過(guò)程中實(shí)際速度合成Fig.8 Actual speed composite image at point A under vibration

對(duì)比分析頻率為655 Hz與40 kHz的試驗(yàn)結(jié)果。輸出655 Hz的G30激振器，諧振阻抗為8 Ω，工作中電流為1 A；而輸出40 kHz的換能器，諧振阻抗為20 Ω，工作中電流為0.5 A。由此可知，實(shí)際工作中G30激振器的輸出功率大于40 kHz的換能器，可沒(méi)有熱激勵(lì)效果。分析認(rèn)為：這是宏觀整體振動(dòng)與細(xì)觀質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)共同作用的結(jié)果。簡(jiǎn)支梁在激振力作用下，振動(dòng)形式見(jiàn)圖7，整個(gè)激振過(guò)程中，一方面結(jié)構(gòu)整體沿縱向振型曲線上下持續(xù)振動(dòng)；另一方面結(jié)構(gòu)內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在球面波的帶動(dòng)下沿球面半徑方向或球面切平面中某一方向交替振動(dòng)，在簡(jiǎn)支梁中任取一點(diǎn)A，它在xoy平面內(nèi)的實(shí)際速度合成共有8種代表形式，如圖8(1～4是整體振動(dòng)與縱波波振的速度合成圖，5～8是整體振動(dòng)與橫波波振的速度合成圖，V1為縱波或橫波波振速度，V2為整體振動(dòng)速度，V3為實(shí)際振動(dòng)速度)。下面從能量角度分析兩種振動(dòng)形式對(duì)激勵(lì)效果的貢獻(xiàn)及它們之間的相互影響規(guī)律。

對(duì)于655 Hz的激振試驗(yàn)，計(jì)算可得1個(gè)周期內(nèi)簡(jiǎn)支梁整體振動(dòng)儲(chǔ)備了1.81×10-6ζ的能量，內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)儲(chǔ)備了1.18×10-8ζ的能量，質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于整體振動(dòng)強(qiáng)度，質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)對(duì)整體振動(dòng)影響可忽略不計(jì)，故近似認(rèn)為共振條件下簡(jiǎn)支梁僅處于整體振動(dòng)狀態(tài)；對(duì)于40 kHz的激振試驗(yàn)，激振頻率是自振頻率的58倍，由圖5可知整體振動(dòng)振幅放大系數(shù)趨近于零，結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有整體振動(dòng)，近似認(rèn)為簡(jiǎn)支梁僅處于細(xì)觀質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)狀態(tài)；在相同壓力作用、655 Hz換能器輸出功率大于40 kHz換能器條件下，質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)作用的梁出現(xiàn)了熱激勵(lì)效果，但整體振動(dòng)作用的梁沒(méi)有。因此可推知：整體振動(dòng)對(duì)微裂紋的熱激勵(lì)能力弱于質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)。這是因?yàn)椋环矫?，?jiǎn)支梁宏觀整體振動(dòng)方向?yàn)樨Q直方向，種類少于梁內(nèi)細(xì)觀質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)方向，這使得整體振動(dòng)作用下梁內(nèi)微裂紋兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)發(fā)生碰撞的可能性低于質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)作用的情況；另一方面，相鄰質(zhì)點(diǎn)間的波振存在相位差[11]，即振動(dòng)不同步且無(wú)序，而整體振動(dòng)是同步、有序振動(dòng)，這也影響了微裂紋兩側(cè)質(zhì)點(diǎn)發(fā)生碰撞的可能性。

圖9 換能器輸出總能量分配Fig.9 Distribution graph of transducer output energy

此外，換能器輸出的總能量可認(rèn)為流向3個(gè)方向：換能器自身消耗及換能器與簡(jiǎn)支梁在接觸面處因振動(dòng)摩擦消耗，記為E1；結(jié)構(gòu)整體振動(dòng)消耗，記為E2；結(jié)構(gòu)內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)波振消耗，記為E3；則E=E1+E2+E3，總能量分配如圖9。

振動(dòng)過(guò)程中，在換能器輸出功率一定的條件下，整體振動(dòng)中阻尼耗能將消減換能器向質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)提供的能量，這使得質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)在微裂紋處耗能、阻尼耗能后，難以從換能器中得到充足的能量補(bǔ)充，振動(dòng)強(qiáng)度因此衰減，進(jìn)而減弱了質(zhì)點(diǎn)波振發(fā)現(xiàn)微裂紋的能力。以655 Hz激振下的簡(jiǎn)支梁為例，當(dāng)系統(tǒng)作穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng)時(shí)，1個(gè)周期內(nèi)因激振力做功而從外界獲得的能量等于阻尼消耗的能量[12]。1個(gè)周期激振力做功為：

(15)

經(jīng)化簡(jiǎn)可得[7]：

Wf=πBF0sinφ

(16)

式中：F0為簡(jiǎn)支梁橫截面上的剪力；φ為初始相位角；B為簡(jiǎn)支梁各橫截面上振幅之和?，F(xiàn)求解Wf，簡(jiǎn)支梁跨中受500 N壓力，則F0=250 N；共振時(shí)φ=π/2，則

Wf=5.78×10-3ζ

進(jìn)而可知，共振下簡(jiǎn)支梁為維持其整體振動(dòng)狀態(tài)，1個(gè)周期振動(dòng)需吸收5.78×10-3ζ的能量被阻尼消耗，這遠(yuǎn)高于質(zhì)點(diǎn)波振1個(gè)周期的動(dòng)能總量1.18×10-8ζ。

3 結(jié) 語(yǔ)

為探究整體振動(dòng)、質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)的熱激勵(lì)能力強(qiáng)弱，試驗(yàn)簡(jiǎn)支梁在自振頻率655 Hz和40 kHz激振下的熱激勵(lì)效果。通過(guò)建立激振模型，結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象，計(jì)算比較宏觀整體振動(dòng)、細(xì)觀質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)對(duì)微裂紋的熱激勵(lì)能力，并討論了相關(guān)成因；分析了整體振動(dòng)對(duì)質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)的影響，結(jié)論如下：

(1)構(gòu)件在激振頻率作用下，會(huì)同時(shí)響應(yīng)出宏觀整體振動(dòng)與細(xì)觀質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)，宏觀整體振動(dòng)對(duì)微裂紋的熱激勵(lì)能力弱于細(xì)觀質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)，并會(huì)持續(xù)削弱細(xì)觀質(zhì)點(diǎn)的波振強(qiáng)度，弱化激勵(lì)效果。

(2)細(xì)觀質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)是激勵(lì)效果出現(xiàn)的原因，可選用40 kHz超聲頻率激振來(lái)降低宏觀整體振動(dòng)強(qiáng)度，進(jìn)而消除整體振動(dòng)對(duì)質(zhì)點(diǎn)波動(dòng)強(qiáng)度的弱化作用。

[1]湯雷, 蔣金平, 顧培英, 等. 超聲紅外法檢測(cè)混凝土構(gòu)件試驗(yàn)研究[J]. 水利學(xué)報(bào), 2012, 43(增刊1): 70- 75. (TANG Lei, JIANG Jinping, GU Peiying, et al. Detect of concrete structures based on ultrasonic infrared thermal image with selective prompting[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2012, 43(Suppl1): 70- 75. (in Chinese))

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Influences of macro and micro vibration on selective thermal excitation effect

JIA Yu1, 2， LIANG Yongmei3， TANG Lei1， LI Hong1, 2， HU Lianghao1

(1.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China; 2.CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China; 3.WaterwayManagementOfficeinDantuCountyofZhenjiangCity,Zhenjiang212100,China)

An excitation frequency is one of the control parameters of the selective thermal excitation detection technology. The study was started from the perspective of structural resonances. A simply supported concrete beam having micro-cracks was chosen as an incentive target and its natural frequency as the excitation frequency, which tested the incentive effect. And a 40 kHz excitation frequency was chosen as an objective of the comparison tests. The experiment results show that the simply supported concrete beam excited by the 40 kHz frequency has a significant thermal excitation effect, but this effect is not excited by the natural frequency. Both macroscopic overall vibration and microscopic particles fluctuations in the simply supported beam influence the excitation effect. Based on the experimental phenomenon, the influences of two vibration conditions on the thermal excitation effect and the interaction between two vibrations were analyzed in the aspect of mechanism. Analysis results show that the thermal excitation ability of the overall vibration is weaker than that of the particles fluctuations during the whole process of excitation, and the overall vibration continues to weaken the strength of the particles fluctuations throughout the whole excitation process. The microscopic particles fluctuations can excite the thermal excitation effect. The 40 kHz ultrasonic frequency can be used to reduce the overall vibration strength, so as to eliminate the attenuation of the overall vibration to the particles fluctuations.

micro-cracks; thermal excitation effect; overall vibration; particles fluctuations

10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.03.011

2016-04-28

國(guó)家自然科學(xué)基金重大科研儀器研制項(xiàng)目(51527811)

賈 宇(1991—)，男，山東滕州人，博士研究生，主要從事水工混凝土建筑病害檢測(cè)研究。 E-mail: 63069060@qq.com 通信作者：湯 雷(E-mail: ltang@nhri.cn)

TV33

A

1009-640X(2017)03-0079-07

賈宇， 梁永梅， 湯雷， 等. 宏細(xì)觀振動(dòng)對(duì)選擇性熱激勵(lì)效果的影響[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào), 2017(3): 79-85. (JIA Yu, LIANG Yongmei, TANG Lei, et al. Influences of macro and micro vibration on selective thermal excitation effect[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017(3): 79-85. (in Chinese))