基于聲發(fā)射技術(shù)的錨桿腐蝕的檢測(cè)與信號(hào)處理研究

祝奔奔+萬(wàn)舟+沈天舒+劉東生

摘要：針對(duì)電塔的錨桿腐蝕性問(wèn)題，使用一種基于聲發(fā)射技術(shù)的錨桿腐蝕檢測(cè)方法，根據(jù)經(jīng)典力學(xué)和彈性力學(xué)為基礎(chǔ)的彈性波特征，推導(dǎo)出錨桿在錨固狀態(tài)的震動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而推導(dǎo)出在人工給錨桿的激勵(lì)下，錨固狀態(tài)的錨桿內(nèi)聲發(fā)射信號(hào)的傳播規(guī)律，利用聲發(fā)射傳感器接收聲波信號(hào)，對(duì)得到的聲信號(hào)進(jìn)行小波分析得出對(duì)比結(jié)論。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以有效地了解錨桿的腐蝕情況。

關(guān)鍵詞：錨桿腐蝕；聲發(fā)射；彈性波；小波分析

0 引言

電塔錨桿是用來(lái)支護(hù)電塔基礎(chǔ)設(shè)施的核心構(gòu)件，錨固在深層穩(wěn)定的巖土體上，為高塔輸電塔提供拉力。因此，錨桿的受腐蝕程度直接影響著電塔工作的穩(wěn)定性。而錨桿的腐蝕程度受到地質(zhì)因素、天氣變化等各種因素的影響，經(jīng)常會(huì)在表面或者截面發(fā)生腐蝕，使錨桿的安全運(yùn)營(yíng)存在長(zhǎng)久的隱患。

現(xiàn)階段檢測(cè)電塔錨桿腐蝕程度的方法都存在一些不足，有時(shí)強(qiáng)調(diào)了實(shí)時(shí)性而忽略了錨桿的耐久性，同時(shí)抽樣檢測(cè)并不能全面的檢測(cè)電塔錨桿腐蝕情況，具有一定的隨機(jī)性，傳統(tǒng)的錨桿腐蝕檢測(cè)方法不能做到統(tǒng)籌兼顧，具有一定的缺陷。因此，本文應(yīng)用一種基于聲發(fā)射技術(shù)的電塔錨桿腐蝕檢測(cè)方法，該方法快捷，有效，具有無(wú)損檢測(cè)的特點(diǎn)，可應(yīng)用于大量的錨桿腐蝕檢測(cè)。

1 喵桿喵固的基本原理

錨桿的錨固端是錨固在深層穩(wěn)定的巖土體上，依靠錨固與巖土體的相互作用來(lái)提供拉力，使電塔保持穩(wěn)定。工程使用的錨桿通常由三部分組成：錨頭、自由錨桿段和固定錨桿段如圖1所示。

錨頭位于錨桿底部，錨桿的預(yù)應(yīng)力由錨頭來(lái)實(shí)現(xiàn)，并將錨桿的錨固力直接傳送作用于結(jié)構(gòu)。自由段是錨桿固定段至螺母的懸空段，自由段沒(méi)有拉力傳遞到周?chē)耐寥?，它放置在無(wú)摩擦組合式連接套管，對(duì)錨固力進(jìn)行傳輸加強(qiáng)。

2 錨桿在人工激勵(lì)作用下的振動(dòng)規(guī)律

設(shè)定實(shí)驗(yàn)室中的錨桿是一個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)，材質(zhì)均勻分布等截面的，設(shè)定錨桿的材質(zhì)密度均勻分布為ρ，單位橫截面的抗拉剛度為ES（x），E為彈性模量，S（x）為橫截面積。現(xiàn)在在距離錨桿一端x處有一微元單位長(zhǎng)度為dx，那么在時(shí)間t時(shí)x處橫截面的縱向位移用μ（x，t）表示，如圖2所示，即u（x，t）是關(guān)于截面單元位置x與時(shí)間τ的二元函數(shù)，取微段d，則應(yīng)變占為：

由彈性力學(xué)理論可知，在x處和x+dx處的單

觀察式（3），發(fā)現(xiàn)只要知道截面S（x）便可求出到（3）的解，而對(duì)于一維均勻線性桿件S（x）是常量。因此經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，式（3）可以寫(xiě)為以下形式：即：

式（5）即為應(yīng)力波在一維彈性、自由桿件中傳播的波動(dòng)方程。

式（5）中，

為錨桿中應(yīng)力波的傳播速度。對(duì)式（5）波動(dòng)方程進(jìn)行求解，其解的形式為：

μ（x， t）=x（x）（acosωt+bsinωt）（6）式中X（x）是關(guān)于位置x的函數(shù)，其中a.b為常數(shù)，∞為角頻率。將上式（6）代入式（5）中，并對(duì)變量X（x）進(jìn)行分離得到：

式（7）是關(guān)于X（x）的二階線性微分方程，該方程可以求出解：

式（9）即為錨桿體內(nèi)應(yīng)力波縱向振動(dòng)的波動(dòng)方程的解。式中c、d為常數(shù)，其值取決于邊界條件，經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn)應(yīng)力波在一維均勻線性分布的細(xì)桿中是幾簇簡(jiǎn)諧波的疊加。

同理，根據(jù)初始邊界條件可求出參數(shù)C_n、d_n代入上述方程可得到：

式（ 10）即為錨桿圍巖體內(nèi)縱向傳播的波動(dòng)方程解。根據(jù)式（ 20）可以看出，在錨固狀態(tài)下的錨桿的振動(dòng)規(guī)律是一簇帶有阻尼衰減的簡(jiǎn)諧波的疊加。

3 聲發(fā)射檢測(cè)原理及傳感器的制作

3.1聲發(fā)射原理

材料在應(yīng)力作用下的變形與裂紋擴(kuò)展，是結(jié)構(gòu)失效的重要機(jī)制。這種直接與變形和斷裂機(jī)制有關(guān)的源，被稱為發(fā)射源。其材料中局部區(qū)域應(yīng)力集中，快速釋放能量并產(chǎn)生瞬時(shí)的彈性波現(xiàn)象稱為聲發(fā)射。

3.2聲發(fā)射傳感器的制作

本課題研制的一種接觸式聲發(fā)射傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。結(jié)構(gòu)內(nèi)容主要為，傳感器殼體的邊緣的聲匹配層和傳感器殼體的內(nèi)表面用耦合劑耦合靠永磁體磁力吸附在物體表面上，聲發(fā)射信號(hào)從物體內(nèi)穿過(guò)耦合界面透射入PVDF壓電薄片內(nèi)，使壓薄片產(chǎn)生諧振變形，壓電薄片由于壓電效應(yīng)能夠?qū)⒅C振物理量轉(zhuǎn)化為電荷進(jìn)行輸出。示意圖如圖3所示：

4 聲發(fā)射信號(hào)的處理與研究

4.1 聲信號(hào)的小波變換

小波變換是一種時(shí)頻分析法，它能夠把將信號(hào)分解成在不同尺度的空間上的頻率分布，不同尺度空間能夠反映出信號(hào)的頻率成份。小波變換能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)在高頻處時(shí)間細(xì)分，在低頻處頻率細(xì)分，能白動(dòng)適應(yīng)時(shí)頻信號(hào)分析的要求進(jìn)行白行調(diào)節(jié)。小波變換可以對(duì)信號(hào)的進(jìn)行多分辨力進(jìn)行分析。

小波是由一個(gè)滿足條件：的函數(shù)ψ（t），通過(guò)線性關(guān)系進(jìn)行平移和伸縮而產(chǎn)生的函數(shù)簇：

a，b∈R，a≠O

其中，ψ（t）稱為小波基或母小波，a為伸縮因子（尺度因子），6為平移因子。

任意L²（R）空間中的函數(shù)f（t）在小波基下展開(kāi)，稱這種展開(kāi)為函數(shù)f（t）的連續(xù)小波變換，其表達(dá)式為：式（ 13）中基小波為高斯小波，表達(dá)式為：

對(duì)應(yīng)的傅里葉變換為：

由上述可推出尺度參數(shù)a為：

式中ω為小波基的頻率帶通中心，df=1.O/Ndt，為信號(hào)f（t）的采樣頻率，dt為采樣間隔，Ⅳ為采樣點(diǎn)數(shù)，dω=2π/N。

另外，利用小波基可以重構(gòu)聲發(fā)射信號(hào)，并且根據(jù)噪聲的特征將噪聲的尺度置為零也可以達(dá)到去噪的效果，這種去噪方法在聲發(fā)射中也經(jīng)常用到，本課題中關(guān)于使用小波去噪的方法為硬閾值去噪，即直接將噪聲的小波部分的尺度去除。

4.2 聲信號(hào)對(duì)比

根據(jù)以上闡述的不同激勵(lì)源，首先實(shí)驗(yàn)一根一米長(zhǎng)的錨桿，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并檢測(cè)聲發(fā)射信號(hào)記錄，對(duì)其進(jìn)行上述的時(shí)頻分析，分別獲得了時(shí)頻分析效果圖。兩種不同的激勵(lì)源下接受到的信號(hào)如圖4所示。從波形上看，信號(hào)的區(qū)別不是很大，對(duì)信號(hào)進(jìn)行初步的濾波之后再進(jìn)行小波變換得到如圖5的小波變換圖。通過(guò)對(duì)比，同一道錨桿在經(jīng)過(guò)不同的激勵(lì)源的激勵(lì)下產(chǎn)生的信號(hào)中，主頻的位置沒(méi)有發(fā)生大的偏移，所以激勵(lì)源的類(lèi)型對(duì)于錨桿的聲發(fā)射信號(hào)的影響很小可以忽略因此，因此，激勵(lì)源的類(lèi)型不會(huì)影響錨桿的聲發(fā)射源。并且這為之后的實(shí)地工件的檢測(cè)帶來(lái)了便利，力錘敲擊適用于各種場(chǎng)合。endprint

4.3 錨桿的聲發(fā)射信號(hào)處理及分析

實(shí)驗(yàn)選擇了一種材質(zhì)的錨桿作為典型進(jìn)行實(shí)驗(yàn).著重檢測(cè)錨桿的腐蝕聲發(fā)射信號(hào)。在實(shí)驗(yàn)事件的其中兩件分別進(jìn)行開(kāi)口處理模擬腐蝕情況，剩下的其他試件的錨桿的參數(shù)嚴(yán)格按照實(shí)地制作樣本錨桿試件，本文中錨桿桿體材質(zhì)是精軋螺紋鋼，并在錨桿的一端留出由鍛并粘貼上聲發(fā)射傳感器。

對(duì)錨桿樣本進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，篩選出典型的連續(xù)型聲發(fā)射曲線。對(duì)于H{現(xiàn)的其他信號(hào)類(lèi)型直接作為大誤差檢測(cè)樣本直接剔除。本次測(cè)試錨桿自由段波速為5120m/s，錨固體波速為4400m/s。

1#：錨桿長(zhǎng)2.lm，直徑2.8cm；直徑5cm；鋼筋自由段長(zhǎng)度0.26m；無(wú)缺陷，為健康錨桿。

綜合圖6-8可以看出：1#錨桿檢測(cè)波形規(guī)則、振幅比較均勻、衰減較快且有規(guī)律時(shí)頻分析顯示，該曲線有三個(gè)能量較集中的主頻、頻帶較集中，從能量的衰減與頻率的分布進(jìn)而判定該錨桿為健康錨桿。

2#：錨桿長(zhǎng)2.lm，直徑2.8cm；直徑Scm；鋼筋自由段長(zhǎng)度0.2 6m，在距離錨桿上端約17cm處設(shè)計(jì)有一小口來(lái)模擬錨桿的點(diǎn)腐蝕情況，并且是在自由段發(fā)生點(diǎn)腐蝕，該錨桿是一個(gè)腐蝕的錨桿。

綜合圖9-11可以看出：2#錨桿檢測(cè)波形急劇變化，衰減不是很陜，時(shí)頻分析顯示，該曲線的主頻有兩個(gè)能量較強(qiáng)的峰值和4個(gè)能量較小的峰值，頻帶不是很集中，從能量的衰減與頻率的分布來(lái)判定該錨桿為腐蝕錨桿。

3#：錨桿長(zhǎng)2.lm，直徑2.8cm；錨桿自由段長(zhǎng)度1.6 5m，將腐蝕位置放置于錨固段，以此模擬錨固段發(fā)生腐蝕，該錨桿是腐蝕的錨桿。

綜合圖12-14可以看出：3#錨桿檢測(cè)波形不規(guī)則、振幅較小、衰減較快且有規(guī)律。時(shí)頻分析顯示，該曲線的有兩個(gè)主峰，兩個(gè)副峰，頻帶較集中，故從得到的該錨桿的能量的衰減與頻率的分布，判定該錨桿為腐蝕錨桿。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)聲信號(hào)采集分析

拾取某施工地剛產(chǎn)出的錨桿，對(duì)其進(jìn)行不同程度的破壞（模擬腐蝕程度）作為樣本，分為四個(gè)檔次，依次為無(wú)腐蝕、腐蝕程度較小、腐蝕程度一般、腐蝕程度嚴(yán)重。然后對(duì)的樣本錨桿進(jìn)行錨桿腐蝕檢測(cè)工作。對(duì)比采集到的聲發(fā)射信號(hào)如圖15-18。

對(duì)采集到的信號(hào)分別進(jìn)行時(shí)頻分析，得到以下分析圖19-圖22。

由圖19可知該錨桿能量衰減快、頻帶集中，屬于無(wú)腐蝕的錨桿樣品的時(shí)頻圖類(lèi)似。

由圖20可知該錨桿能量衰減較快、頻帶較集中、局部不密實(shí)，與無(wú)腐蝕的錨桿樣品曲線相比總體上較吻合。綜合分析可知，波形較圖13分散，判定該錨桿腐蝕程度較小。

由圖21可知該錨桿能量衰減較慢、頻帶較寬、局部缺陷，與無(wú)腐蝕的錨桿樣品曲線相比大體上較吻合。綜合分析可知，判定該類(lèi)錨桿具有一定腐蝕。

由圖22可知該錨桿能量衰減緩慢、頻帶分布范圍大，與無(wú)腐蝕的錨桿試件相比都有幾個(gè)特點(diǎn)，有多個(gè)能量較強(qiáng)的峰值和多個(gè)能量較小的峰值，頻帶很分散，判定該錨桿腐蝕程度嚴(yán)重。

綜上分析，服役的錨桿都處于一種健康良好的狀態(tài)，并且通過(guò)對(duì)比錨桿試件總結(jié)出錨桿的聲發(fā)射曲線及時(shí)頻特征（見(jiàn)表1），為錨桿錨固質(zhì)量評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

錨桿曲線及時(shí)頻特征如表l所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

最后進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用分析，通過(guò)對(duì)實(shí)地T‘程件進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)的采集，分別對(duì)不同試件的錨桿進(jìn)行多次的數(shù)據(jù)，得到不同服役期和對(duì)不腐蝕試件的T程件的聲發(fā)射信號(hào)波形圖，利用時(shí)頻分析的實(shí)測(cè)曲線的分布規(guī)律，對(duì)實(shí)地工程件的波形圖進(jìn)行對(duì)比分析，最終得以驗(yàn)證了該方法的可行性。endprint