聲發(fā)射技術(shù)在巖土工程研究生實驗教學(xué)過程中的應(yīng)用

于 洋， 洪 鵬， 刁心宏

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點實驗室，南昌330013）

0 引 言

材料在荷載、溫度變化等因素影響下，發(fā)生變形、擠壓、摩擦、裂紋等現(xiàn)象，致使材料內(nèi)部或表面某局域源平衡狀態(tài)遭到破壞，局部能量源快速釋放應(yīng)變能產(chǎn)生瞬態(tài)彈性應(yīng)力波［1］，稱為聲發(fā)射（Acoustic Emission，AE）。聲發(fā)射信號蘊含有巖石負(fù)荷狀態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)等大量的物理信息，分析聲發(fā)射信號能夠更加全面細(xì)致地了解巖石的破壞機理［2］。實踐證明，聲發(fā)射是伴隨著材料發(fā)生應(yīng)變普遍存在的一種物理現(xiàn)象，但許多材料的聲發(fā)射信號強度很弱，信號不能被人耳直接捕捉到，故需借助高靈敏度電子設(shè)備將信號經(jīng)一定的技術(shù)處理才能檢測出來［3］。用儀器探測、記錄、分析聲發(fā)射信號并利用聲發(fā)射信號確定聲發(fā)射源，從而判斷材料損傷狀態(tài)的技術(shù)稱為聲發(fā)射信息采集技術(shù)。聲發(fā)射檢測主要目標(biāo)之一就是確定聲發(fā)射源位置［4］。對聲發(fā)射進行監(jiān)測并分析其信號特征，可以了解巖石內(nèi)部的損傷演化過程［5］。聲發(fā)射檢測到的能量或者信號是來自被檢測的物體自身，而不像超聲波或X射線探測方法一樣由無損檢測儀器提供。有關(guān)巖石破壞過程中的聲波、聲發(fā)射特征和現(xiàn)象，國內(nèi)外學(xué)者在這方面已經(jīng)開展了許多研究，并且取得了一些令人滿意的成果。20世紀(jì)70年代，我國地質(zhì)學(xué)家陳颙［6］就巖石聲發(fā)射室內(nèi)試驗展開研究。聲發(fā)射對研究材料的力學(xué)性質(zhì)具有重大幫助。巖石聲發(fā)射信息可成為判別巖體損傷破裂的重要指標(biāo)，所得結(jié)論可為巖石損傷定量評價奠定基礎(chǔ)。

聲發(fā)射檢測技術(shù)對動態(tài)缺陷較為敏感，它能探測到材料在外變量如荷載、溫度變化等作用下這些缺陷的活動情況。聲發(fā)射特征參數(shù)能夠體現(xiàn)巖石損傷漸進破壞的前兆信息［7］。由于穩(wěn)定的缺陷不產(chǎn)生聲發(fā)射信號，所以聲發(fā)射檢測技術(shù)能夠整體檢測和評價整個結(jié)構(gòu)中活性缺陷的狀態(tài)，可提供活性缺陷隨載荷、時間、溫度等外變量而變化的實時或連續(xù)信息。土木工程專業(yè)或方向的研究生經(jīng)常會遇到巖石、混凝土構(gòu)件等強度測試、損傷評價等問題，所以把聲發(fā)射信息采集技術(shù)作為土木工程專業(yè)的研究生的一個實驗教學(xué)內(nèi)容是必要的。該實驗技術(shù)也是比較先進的，操作過程比較簡單方便，結(jié)果準(zhǔn)確可靠，有針對性地讓學(xué)生掌握聲發(fā)射信息采集技術(shù)探究巖石破壞的方法也是值得推廣的。實驗中以細(xì)顆粒大理巖作為研究對象，開展了聲發(fā)射教學(xué)實驗項目，精心安排了實驗教學(xué)項目、教學(xué)目的、方法、原理以及內(nèi)容。本實驗教學(xué)項目充分發(fā)揮并提高學(xué)生的主觀能動性，包括測試巖石波速、熟知聲發(fā)射信號的種類和參數(shù)、合理選擇傳感器類型以及掌握AEWin平臺操作等。通過辨別實驗方案合理性，掌握基本實驗技能并會進行實驗操作和數(shù)據(jù)分析，最終使學(xué)生學(xué)會獨立地選擇科學(xué)合理的方法分析研究巖石損傷狀態(tài)和破壞機制。

讓學(xué)生充分自主利用先進設(shè)備開展實驗研究，符合學(xué)校和國家提倡的將大型試驗設(shè)備應(yīng)用于實驗教學(xué)中，提高設(shè)備的利用效率，發(fā)揮實驗設(shè)備在科學(xué)研究和實驗教學(xué)中的作用［8-10］。

1 聲發(fā)射概述

1.1 信號接收工作原理

聲發(fā)射檢測技術(shù)的物理基礎(chǔ)是凱賽爾（Kaiser）效應(yīng)。1963年德國學(xué)者Kaiser研究金屬聲發(fā)射特性時發(fā)現(xiàn)的。Kaiser效應(yīng)是典型的記憶效應(yīng)［11］。材料被重新加載期間，在應(yīng)力值達(dá)到先前加載最大應(yīng)力之前不產(chǎn)生聲發(fā)射信號。多數(shù)金屬材料和巖石中，可觀察到明顯的Kaiser效應(yīng)。聲發(fā)射信息采集技術(shù)原理如圖1所示。材料釋放應(yīng)變能產(chǎn)生瞬態(tài)彈性應(yīng)力波，以材料自身為介質(zhì)傳播，當(dāng)信號傳播到材料表面時，引起聲發(fā)射傳感器表面震動產(chǎn)生位移。傳感器將材料的機械振動轉(zhuǎn)化為微弱電信號，經(jīng)過放大器將信號放大，再將信號傳遞到計算機終端處理和記錄。人們根據(jù)計算機終端聲發(fā)射信號進行分析與推斷，以研究材料產(chǎn)生聲發(fā)射的機制，了解材料內(nèi)部微觀狀態(tài)。在整個檢測過程中只需要使傳感器與材料良好接觸，無需對材料進行二次處理，達(dá)到了無損檢測的目的。聲發(fā)射信息采集系統(tǒng)接收到的信號來自被測試物體自身，檢測過程中信號單向傳播，縮短了信號傳播路徑，減少了外界因素的干擾及傳播過程中的能量損失。

圖1 聲發(fā)射工作原理

1.2 信號類型

目前，根據(jù)應(yīng)力波的震動類型及技術(shù)需要，人為規(guī)定將聲發(fā)射信號分為連續(xù)型和突發(fā)型。如果聲發(fā)射事件信號是斷續(xù)的，并在時間上非相互依賴的，以時間為單位可以劃分成若干個區(qū)間信號，那么這種信號就稱為突發(fā)型聲發(fā)射信號，如圖2所示。其波形往往呈現(xiàn)出突然達(dá)到峰值后快速下降后平穩(wěn)波動，直到下一個信號出現(xiàn)。例如裂紋瞬間擴展、斷鉛法表現(xiàn)出來的信號等都是突發(fā)型聲發(fā)射信號。

圖2 聲發(fā)射突發(fā)型信號

如果大量的聲發(fā)射信號呈現(xiàn)較為密集而且有規(guī)律性發(fā)生，信號在時間上可分辨，并且波形圖表現(xiàn)出無明顯間斷狀態(tài)，這些信號就叫做連續(xù)型聲發(fā)射信號，如圖3所示。一般流體泄漏，某些材料在塑性變形期間產(chǎn)生的聲發(fā)射信號等都是連續(xù)型信號。

1.3 源信號定位原理

圖3 聲發(fā)射連續(xù)型信號

聲發(fā)射系統(tǒng)采集到的信號是傳感器接受到的聲信號經(jīng)過物理轉(zhuǎn)換電信號而得到的一個個復(fù)雜的波形，波形中包含著大量的聲發(fā)射源信息。但是直接對波形進行整理分析難度大且計算復(fù)雜，在實際工程中難以實現(xiàn)，通常的做法是把聲發(fā)射波形變換成一系列特征參數(shù)來處理［12］。試驗常用的特征參數(shù)有事件、撞擊、能量、計數(shù)、振幅、上升時間和持續(xù)時間等。事件指單位時間內(nèi)所監(jiān)測到的振鈴計數(shù)；事件反映出了聲發(fā)射信號發(fā)生的頻數(shù)；撞擊是指超過門檻值并被某個聲發(fā)射傳感器所接收到的聲發(fā)射信號，它反映出聲發(fā)射活動的總量和頻數(shù)，常用于聲發(fā)射活動性評價。能量是指觀測到的聲發(fā)射信號的能量，與所觀測到的事件所在波形的幅度值的平方成正比，反映了聲發(fā)射的強弱［13］。下面以3個傳感器講解平面問題信號源定位原理，其前提要求是3個傳感器A、B、C不共線，如圖4所示。

圖4 傳感器陣列聲發(fā)射源定位原理

接收信號時間差：

根據(jù)兩點間的距離公式：

聯(lián)立式（1）和（2）可得：

式（3）中有xs、ys兩個未知數(shù)，再結(jié)合傳感器C生成的類似的等式，求解出xs、ys。對于三維問題，理論上只需要4個傳感器不在同一平面，即可進行聲發(fā)射源的三維定位。但是在一般情況下，由于儀器的隨機誤差導(dǎo)致接受到信號的時間識別不夠精確、材料的各向異性導(dǎo)致波速不均勻、環(huán)境噪聲等因素的影響，經(jīng)常導(dǎo)致定位精確度達(dá)不到實際要求。為解決這一問題，在定位聲發(fā)射源的過程中，最簡易而又實際的做法是盡可能使用多個傳感器同時工作，然后建立超靜定方程組，應(yīng)用最小二乘法求解，以此來消除隨機誤差帶來的影響。因此維數(shù)D和傳感器N應(yīng)滿足D＋1≤N的關(guān)系式。

2 實驗內(nèi)容

2.1 實驗儀器及材料

聲發(fā)射試驗設(shè)備如圖5所示。加載設(shè)備采用的是長春市展托實驗儀器有限公司生產(chǎn)的ZTRE-210微機控制巖石三軸測試系統(tǒng)。監(jiān)測設(shè)備采用的美國物理聲學(xué)公司生產(chǎn)的Micro-ⅡExpree Digital AE System。選擇Nano30（寬頻）型號的傳感器，Nano30接收的信號主頻0 ～ 500 kHz［14］。

圖5 聲發(fā)射試驗設(shè)備及Nano30傳感器

2.2 實驗流程

首先，給學(xué)生講解巖石損傷理論知識，使同學(xué)們了解巖石損傷及破壞的概念；并指導(dǎo)同學(xué)們進行巖石試樣的制備，根據(jù)常規(guī)三軸測試巖石應(yīng)力應(yīng)變實驗要求，將試件安置在伺服儀中，講解聲發(fā)射工作原理，設(shè)備構(gòu)造和儀器的操作步驟等知識；在講解的過程中可以根據(jù)實際需求提出一些基礎(chǔ)問題，這樣做一方面可以檢查學(xué)生們提前預(yù)習(xí)實驗指導(dǎo)書的情況，讓學(xué)生們積極主動去學(xué)習(xí)，另一個方面有助于啟發(fā)學(xué)生們的探索性、創(chuàng)造性思維。其次，常規(guī)三軸伺服儀的功能多樣性可以和聲發(fā)射儀進行模塊式組合，根據(jù)不同試件規(guī)格、實驗?zāi)康模寣W(xué)生獨立設(shè)計規(guī)劃出不同教學(xué)內(nèi)容的實驗方案，包括單軸-聲發(fā)射組合、三軸-聲發(fā)射組合、流變-聲發(fā)射組合以及常溫或者可控溫度下的不同實驗類型，讓學(xué)生掌握各類實驗的基本操作步驟。另外還可以讓學(xué)生了解實驗儀器的組成，傳感器、放大器、濾波器等配件之間的作用和協(xié)調(diào)情況，熟練掌握AEWin軟件的操作界面、參數(shù)設(shè)置、學(xué)會獨立建模定點等試驗步驟，實驗流程見圖6，AEWin軟件的操作界面見圖7。掌握了以上的能力有助于學(xué)生對儀器的缺陷提出、維修、改進等。讓學(xué)生掌握實驗原理、設(shè)備使用，可以探索學(xué)生對學(xué)生教學(xué)模式，這不僅有助于減輕老師、管理人員的工作量，還能更進一步鍛煉學(xué)生的表達(dá)能力、綜合實踐能力等，讓學(xué)生在教學(xué)過程中展現(xiàn)自我，讓學(xué)生對科研的興趣更進一步。最后，讓學(xué)生獨立自主分析、處理聲發(fā)射波形、撞擊數(shù)、聲發(fā)射信號統(tǒng)計以及信號源定位等數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)提出自己的看法和研究點，從數(shù)據(jù)中得出某些結(jié)論性的成果。

圖6 聲發(fā)射實驗流程

圖7 AEWin軟件操作界面

2.3 教學(xué)實例

本試驗選取試樣規(guī)格為φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)巖樣圓柱體細(xì)粒大理巖為試驗材料，其上下端面平整，表面無明顯缺口，無肉眼可見的裂隙。首先，使用非金屬超聲波檢測分析儀測出波在細(xì)顆粒大理巖中的傳播速度；然后，進入到AEWin軟件操作界面進行參數(shù)設(shè)定以及模型建立。建立的模型與試件上固定傳感器的位置以及聲道編號與傳感器編號必須一一對應(yīng)。

試驗過程中，為了防止試件在變形、破壞的過程中導(dǎo)致傳感器脫落，而影響定位的準(zhǔn)確性，使用6個傳感器。傳感器分兩層放置，兩層距試樣上下端面15 mm，每層3個傳感器將圓平面3等分，呈120°角展開放置。采用以上布置方法建模并保存模型，方便下次使用。建立的模型如圖8（a）所示，其中紅圈、藍(lán)圈包裹的綠點分別是上下層傳感器位置，紅點是聲發(fā)射源。

試件安裝時，先在試件對應(yīng)位置畫出傳感器接觸點的位置，用記號筆編號，下層編號為1、2、3，上層編號為4、5、6。傳感器與試樣接觸面之間涂抹凡士林增加兩者間的耦合性，使用耦合劑的目的是有效填充接觸面之間的狹小空隙，并通過耦合劑的良好過渡作用，大幅度減小傳感器與檢測面之間的聲阻抗阻力，從而有效減少能量在此界面的循環(huán)反射損失；此外，耦合劑還能起到潤滑作用，減少傳感器與試樣表面的摩擦。然后，將傳感器布設(shè)在試樣表面選定的位置上，用彈性模量較大的透明膠帶將其固定。最后，將引伸計固定在巖石上，此時注意引伸計的上端不要超過巖石上端墊塊的上表面，防止壓頭直接作用在引伸計上端而影響縱向變形的數(shù)據(jù)和防止壓壞引伸計。試樣安裝成功后，如圖8（b）所示，用斷鉛法檢測，此時測試系統(tǒng)上的模型圖將會對該位置產(chǎn)生一個信號反饋，若6個通道的聲發(fā)射幅值均達(dá)到要求，則表明傳感器與巖樣接觸良好，否則需要重新固定傳感器。待所有準(zhǔn)備工作完成后，加載的同時記錄下聲發(fā)射數(shù)據(jù)，直至巖樣壓壞，如圖8（c）所示，應(yīng)力-應(yīng)變曲線快速下降至平穩(wěn)停止試驗。

圖8 模型與試件對照

圖9 所示為一塊細(xì)顆粒大理巖樣品的應(yīng)力-軸向應(yīng)變與聲發(fā)射累積曲線，應(yīng)力-應(yīng)變曲線對于廣大力學(xué)學(xué)生而言是比較熟悉的，在此不多做描述，但是AE振鈴數(shù)-時間曲線對于大部分學(xué)生來說是比較陌生的。AE振鈴數(shù)對應(yīng)變曲線是以時間為間接不變量做出來的，由圖9可見，大理巖在應(yīng)力達(dá)到峰值之前的壓密階段以及裂縫產(chǎn)生階段AE個數(shù)增加較為平穩(wěn)，大理巖在應(yīng)力達(dá)到峰值后，AE信號迅速增加，巖石顆粒相互摩擦的活躍度增大，這是由于細(xì)顆粒狀大理巖構(gòu)造產(chǎn)生的。主裂縫基本貫通后，AE信號隨后逐漸趨于平穩(wěn)。結(jié)果表明巖石在變形、損傷直至破壞的過程中，內(nèi)部顆粒也發(fā)生著相對位移，以波的形式向外釋放能量，聲發(fā)射的頻數(shù)也反映出巖石能量最大化釋放是在破壞階段。

圖9 應(yīng)力-軸向應(yīng)變及聲發(fā)射累積曲線

3 結(jié) 語

依托“產(chǎn)教融合背景下基于‘項目驅(qū)動’的創(chuàng)新應(yīng)用型土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)實踐教學(xué)研究（JXJG-18-5-11）”，以全面提高研究生創(chuàng)新、探索精神和實踐能力為目標(biāo)，按照高質(zhì)量、高水平人才創(chuàng)新培養(yǎng)概念的要求，通過開設(shè)科研探究性實驗，讓學(xué)生主動去思索去實踐，了解聲發(fā)射的工作原理、材料破壞的物理特性，實驗原理和方法，巖石分類、損傷階段的概念及測試方法種類，掌握聲發(fā)射儀器設(shè)備的操作過程，系統(tǒng)了解該方法技術(shù)的科學(xué)前沿問題所涉及的實驗知識體系，培養(yǎng)學(xué)生的科研素養(yǎng)和能力，增強學(xué)生的科學(xué)探索與創(chuàng)新精神，對于促進學(xué)生知識、思維、能力和素質(zhì)的全面協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義［15］。