混凝土中的聲發(fā)射波速特性及其在源定位中的應用*

李冬雪 楊 康 何兆益 周翰林

(1 重慶交通大學交通運輸學院 重慶 400074)

(2 重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074)

0 引言

通過各種傳感器記錄傳播的聲波信號并對其進行適當?shù)姆治?，從而確定這些聲波的來源，這一過程通常被稱為聲源定位技術。利用聲發(fā)射(Acoustic emission，AE)無損檢測技術對混凝土結構進行健康檢測與監(jiān)測時，對AE 源進行準確定位是該項技術的主要任務之一。

近幾十年來，AE 定位技術得到了飛速的發(fā)展[1-3]，Kundu[4]回顧了目前較新穎的聲源定位技術，對于各向同性板的源定位技術主要包括：已知波速的三角測量技術[5]、未知波速的三角測量技術[6]、基于優(yōu)化的未知波速的技術[7-10]、波束形成技術[11-12]、未知波速的應變玫瑰技術[13-16]以及通過模態(tài)聲發(fā)射進行源定位[17-20]等6 類。在對混凝土類材料進行聲發(fā)射源定位研究中，以已知波速的三角測量技術和波束形成技術的研究與應用較為成熟，其中已知波速的三角測量技術被多數(shù)商用聲發(fā)射檢測儀所采用，而其他方法多應用于科學研究。

根據(jù)AE 源定位原理可知，源定位的關鍵參數(shù)是到達時間和波速。對于均勻介質而言，AE在材料中的傳播速度更接近于材料的固有屬性，因此在源定位中采用固定值，此時通過波形降噪來提高到達時間的拾取精度，進而提高定位精度。但是對于水泥混凝土來說，情況可能有些許不同。水泥混凝土是一種由水泥、石料(5～20 mm)、砂和水經(jīng)機械拌合而成的混合料，它的固有屬性取決于原材料的性質，也取決于各種原材料在混合料中的排列方式，但通常這種排列方式是隨機的、無序的，因此水泥混凝土不是各向同性材料(只有截面尺寸遠大于石料最大粒徑時可以認為是各向同性)。聲波在混凝土中傳播，也就是在石料、水泥石(水泥硬化后)或者水泥砂漿(水泥包裹砂粒后硬化)等多相介質中傳播。傳播過程中發(fā)生的散射、折射等，且水泥混凝土本身存在著大量的微觀孔隙結構，這都使聲波在混凝土中傳播時產(chǎn)生聲衰減。聲衰減是AE 在水泥混凝土中傳播時的一種物理現(xiàn)象，主要指聲波在非理想媒介中傳播時傳播速度和能量等的衰減[21]。已有研究表明，混凝土的配合比、骨料的類型及其尺寸、水泥用量及水灰比等對聲發(fā)射波的傳播規(guī)律有顯著影響[22]?；炷林新暡ㄕ穹p值與傳播距離正相關，傳播距離越大衰減越顯著[23-24]。因此，當采用AE 技術對水泥混凝土結構進行損傷檢測與定位時，明確水泥混凝土中的聲衰減，特別是波速的衰減規(guī)律有利于提高聲發(fā)射源定位的精度。

為此，本文采用SAEU3H 數(shù)字化聲發(fā)射檢測儀對混凝土試件進行人工激發(fā)源AE 波速試驗，用于研究水灰比、砂率及骨料最大粒徑對混凝土中AE 波速特性，建立AE 波速的修正模型，結合窮舉法建立AE 源的優(yōu)化定位算法。開展立方體混凝土試塊單軸壓縮試驗，加載過程中采集AE 信號，并利用高清攝像機記錄混凝土裂縫開展圖像。最后，對比本文建立的定位法與時差定位法的定位結果，驗證修正AE 波速對提高定位精度的可靠性。

1 混凝土中的AE波速特性

1.1 室內(nèi)試驗

為掌握AE 信號在水泥混凝土中傳播速度的變化情況，分析不同材料組成時AE波速衰減規(guī)律，開展了3 因素2～3水平的人工激發(fā)源波速測定室內(nèi)模擬試驗，所使用的水泥混凝土試樣的水灰比(w/c)為0.3、0.33、0.36，砂率(S)為0.47、0.5、0.55，骨料最大粒徑(dmax)為10 mm 和20 mm，試件尺寸為100 mm×100 mm×1800 mm，如圖1所示。聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)采用SAEU3H 高速數(shù)字化聲發(fā)射檢測儀，試驗中聲發(fā)射系統(tǒng)前放增益設置為40 dB，門檻值設置為45 dB。

圖1 混凝土試樣Fig.1 Test sample

按照美國材料與試驗協(xié)會標準(American society for testing and materials，ASTM)推薦的鉛筆斷芯試驗(Pencil lead break，PLB)進行人工激發(fā)源AE波速測量，詳細試驗步驟為：

(1)沿長度方向的表面等距離安裝17 個聲發(fā)射傳感器，布置間距為10 cm，傳感器編號由1#～17#，斷鉛點與傳感器布設方案如圖2所示。

圖2 人工激發(fā)源波速試驗方案Fig.2 Test scheme for wave velocity of artificial excitation source

(2)在斷鉛點及傳感器附近進行3次PLB試驗，驗證傳感器契合度。

(3)試驗開始，在斷鉛點間隔2 s 進行5 次斷鉛，1#～17#傳感器分別采集信號。

(4)分析波形，提取傳感器的信號達到時間T。

(5)以1#傳感器的信號達到時間為斷鉛信號發(fā)出時間，2#～17#傳感器的信號到達時間為接收時間，分別計算傳播距離為100 mm、200 mm、300 mm、···、1600 mm時的AE波速。

1.2 AE波速衰減規(guī)律

1.2.1 評價指標

觀察AE 波速隨距離的衰減現(xiàn)象的過程中，應選取一個恰當?shù)幕鶞什ㄋ?Datum acoustic emission velocity)Vd作為比較對象。本文采用傳播距離100 mm時的AE波速做為基準波速。

采用波速衰減率(Attenuation rate of acoustic emission wave velocity)Ra來評價AE 波速隨距離的衰減程度。波速衰減率表示不同傳播距離時的AE波速與基準波速的比值，單位為%。

式(1)中：Vx為AE 在傳播路徑上不同傳播距離時的波速，m/s；Vd為基準波速，m/s。

在人工激發(fā)源AE 波速試驗中獲取的有效試驗數(shù)據(jù)為布置在1000 mm 以內(nèi)的傳感器信號到達時間，超過此距離時傳感器未接收到信號(或未達到門檻值)，因此本文分析的AE 波速衰減為1000 mm以內(nèi)的波速衰減規(guī)律。

1.2.2 水灰比的影響

將相同砂率和骨料粒徑、不同水灰比條件下AE 波速隨傳播距離的變化情況繪制于圖3，結果表明：當砂率和骨料最大粒徑相同時，水灰比越大，水泥混凝土中標準AE信號的基準波速越小。當水灰比為0.3、0.33 和0.36 時，Vd分別為4639 m/s、4378 m/s 和3465 m/s，如圖3(a)所示。水泥混凝土中標準AE 波速均表現(xiàn)出隨距離增加而衰減的趨勢，如圖3(b)所示。砂率和骨料最大粒徑相同時，當水灰比為0.3、0.33 和0.36 時，Ra的范圍分別為-1%～-54%、-8%～-54%和5%～-34%，變異系數(shù)分別為0.57、0.35 和0.09，即水灰比越大，AE波速隨距離的衰減越少。

圖3 水灰比對波速的影響Fig.3 Influence of water cement ratio on wave velocity

1.2.3 砂率的影響

將相同水灰比和骨料粒徑、不同砂率條件下AE 波速隨傳播距離的變化情況繪制于圖4，結果表明：當砂率增大時，水泥混凝土中標準AE 基準波速的變化區(qū)別不大。當砂率為0.47、0.50 和0.55時，Vd分別為4114 m/s、4639 m/s 和3950 m/s，如圖4(a)所示。標準AE 在不同砂率的水泥混凝土中傳播時，其波速均表現(xiàn)出隨距離增加而衰減的趨勢，如圖4(b)所示。當砂率為0.47、0.50 和0.55 時，Ra的范圍分別為2%～-43%、-1%～-54%和2%～-41%，變異系數(shù)分別為0.48、0.57 和0.44?？梢?，砂率對波速衰減現(xiàn)象的影響并不顯著。

圖4 砂率對波速的影響Fig.4 Influence of sand ratio on wave velocity

1.2.4 骨料最大粒徑的影響

將相同水灰比和砂率的水泥混凝土試件在不同骨料最大粒徑條件下AE 波速隨傳播距離的變化情況繪制于圖5，結果表明：當水灰比和砂率相同時，骨料粒徑越大，水泥混凝土中標準AE 信號的基準波速越大。當骨料最大粒徑為10 mm 和20 mm 時，Vd分別為3551 m/s 和4639 m/s，如圖5(a)所示。不同骨料最大粒徑時的水泥混凝土試件中，標準AE波速均表現(xiàn)出隨距離增加而衰減的趨勢，如圖5(b)所示。當骨料最大粒徑為10 mm 和20 mm 時，Ra的范圍分別為-13%～-34%和-1%～-54%，變異系數(shù)分別為0.26 和0.57，即骨料粒徑越大，AE 波速隨距離的衰減越顯著。

圖5 骨料最大粒徑對波速的影響Fig.5 Influence of the maximum aggregate size on wave velocity

1.3 波速修正模型

對傳感器進行激勵時，通常會產(chǎn)生不同模式的聲波。本文中(垂直)激發(fā)方式主要會激發(fā)起最低階的彎曲波，以及具有一定幅度的擴展波。擴展波的衰減一般遠大于彎曲波，加上其本來幅度就低于彎曲波，當傳播距離較遠后，僅有彎曲波還有一定幅度能被儀器探測到。本次波速試驗中，當傳播距離較短時，聲速較高的擴展波首先到達，波速較高；當直線傳播距離大于500 mm 時，傳感器接收到的信號以彎曲波為主。為了確保定位時使用相同模態(tài)的聲波，本文采用該對數(shù)函數(shù)對500 mm 以內(nèi)的波速數(shù)據(jù)進行了擬合，得到了AE 波速的修正模型如公式(2)所示：

式(2)中：Vx為人工激發(fā)AE 在傳播路徑上不同傳播距離時的波速，m/s；x為人工激發(fā)AE 在傳播路徑上的傳播距離，m。對于不同配合比的混凝土試件，模型的回歸參數(shù)a、b均表示為材料組成(水灰比、砂率、最大粒徑)的函數(shù)。

2 基于修正波速的AE源定位方法

窮舉法又稱列舉法、枚舉法，通過對要解決問題的所有可能情況逐個進行檢驗，從中找出符合要求的答案。窮舉法最大的缺點是通過犧牲時間來換取答案的全面性。在AE 無損檢測過程中，由于AE 傳感器陣列反饋的信號能量各不同，這使得初步判別聲源潛在區(qū)域成為可能，此時將窮舉對象局限于已縮小的待檢驗區(qū)域內(nèi)，則可提高窮舉法的定位效率。此外，窮舉法的數(shù)學描述中假定波速已知且為常數(shù)，若在調(diào)用波速時考慮傳播距離的影響，則可進一步提高定位精度?；诖?，本文建立了基于修正波速的區(qū)域窮舉法定位(Region exhaustive localization method based on the modified wave velocity，RELM-MV)，算法主要分為6個步驟：

(1)聲源潛在區(qū)域：根據(jù)傳感器激發(fā)順序及能量高低確定聲源潛在區(qū)域。傳感器與AE 源的距離越近，則衰減越小，因此探測到最大幅度AE 信號的探頭將最靠近AE 源，如果再進一步考慮接收到第二大幅度信號的傳感器，可以進一步縮小AE 源存在的區(qū)域，如圖6所示。

圖6 基于最高和第二高輸出信號的聲源潛在區(qū)域Fig.6 The primary location area based on highest and second high output signals

(2)節(jié)點劃分：將節(jié)點定義為待檢驗的假定AE源。節(jié)點間距可按試件短邊的1%、2%、5%及10%選取，節(jié)點間距越小則定位精度越高，但是計算也更加耗時，如圖7所示。

圖7 節(jié)點劃分及其坐標Fig.7 Principle of node division

(3)節(jié)點波速：節(jié)點波速v表示AE 由節(jié)點位置傳播至傳感器位置時的平均速度。每個節(jié)點波速均與其傳播距離相關，該值反映了AE的衰減現(xiàn)象。根據(jù)前文關于AE 波速衰減規(guī)律的研究結論，采用公式(2)計算經(jīng)過修正后的節(jié)點波速。

(4)節(jié)點到時：節(jié)點到時t表示AE 由節(jié)點位置傳遞至傳感器間所花費的時間，按式(3)計算：

式(3)中：x為節(jié)點坐標與傳感器間的直線距離，m；v為節(jié)點波速，m/s。

(5)節(jié)點到時與信號到時的時差：時差Δ 按式(4)計算：

式(4)中：T為傳感器的信號到達時間，實測值；t為節(jié)點到時，計算值。

(6)聲源坐標判定：當進行一維線定位時，由于節(jié)點數(shù)量相對較少，可計算全部節(jié)點時差，取最小值對應的節(jié)點坐標為聲源坐標。當進行二維、三維定位時，則根據(jù)判定誤差δ確定聲源坐標，擬定判定誤差δ為0.1 ms，當某節(jié)點的時差Δ＜δ時，則該節(jié)點即為聲源。

3 加載試驗AE源定位

3.1 單軸壓縮試驗

為了驗證RELM-MV法定位的可靠性，開展了受載混凝土開裂聲源進行定位試驗。加載的同時利用商用AE 檢測設備(SAEU3H16)采集系統(tǒng)進行三維定位(時差定位法)，導出到達時間數(shù)據(jù)后按照RELM-MV 方法進行三維定位，然后對比兩者定位效果。

試驗采用強度等級為C30 的100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，粗骨料為粒徑5～20 mm 的石灰?guī)r碎石，配合比見表1，試件采用機械拌合，振動臺振搗，標準養(yǎng)護室養(yǎng)護7 d，并進行編號1～3，成型試件如圖8所示。

表1 混凝土試樣配合比Table 1 Concrete sample mix proportion

圖8 混凝土試樣Fig.8 Concrete samples

試驗采用萬能壓力機，輸出最大壓力3000 kN，可實現(xiàn)控制恒定位移進行加載。 試驗保持0.2 mm/min 的加載速率，試驗耗時約11 min，加載系統(tǒng)全程記錄荷載-位移曲線。AE 采集參數(shù)設定為：前置放大40 dB，參數(shù)及波形閾值45 dB，加載全程采用4 通道進行聲發(fā)射信號采集，傳感器布設方式如圖9所示。同時，采用高清攝像機記錄混凝土受載全過程。

圖9 試驗設備Fig.9 Test equipments

3.2 試驗結果

圖10為試件在不同時間點的荷載-累計振鈴計數(shù)-時程情況，在初始壓密階段，荷載較小，累積振鈴計數(shù)增長較緩慢，同時累計能量曲線呈平緩上升趨勢，表明試件內(nèi)部產(chǎn)生AE 活動數(shù)目較少，并且能量值均較低，試件表面無明顯變化；隨著荷載增大進入微裂紋萌生階段，此階段累積振鈴計數(shù)與累積能量均無明顯波動，表明此時試件內(nèi)部產(chǎn)生的AE 活動數(shù)目極少且能量極低，混凝土表面開始出現(xiàn)少量細微裂紋；荷載達到峰值附近時，混凝土損傷進入裂紋擴展貫通階段，此時累積振鈴計數(shù)和累積能量曲線急劇上升，并且累積能量值存在幾處突變點，表明此時試件內(nèi)部AE 活動較為活躍，并且高能量值的聲發(fā)射事件較多，試件表面裂紋大量發(fā)展并貫通，試件表面呈現(xiàn)不同程度的碎片剝落，右側表面明顯向外變形隆起；試件破壞后AE 信號顯著減少，累積振鈴計數(shù)和累積能量曲線斜率放緩，表面裂縫繼續(xù)擴展延伸，裂縫寬度增大，承載力逐漸減小并喪失承載能力，試驗結束。

圖10 荷載-累計振鈴計數(shù)-時程關系曲線Fig.10 Load-accumulative ringing count-time history relation curve

加載試驗過程中高清攝像機在0 s、320 s、400 s、500 s 時混凝土X-Y平面的裂縫圖像，混凝土裂縫局部化結果如圖11所示。從X-Y平面投影來看，新方法的定位結果(紅色圓點)更接近實際混凝土裂縫位置，這表明采用修正波速的方法來提高聲源定位的精度是可靠的。

圖11 AE 源定位結果Fig.11 AE source location results

4 結論

本文對不同配合比的水泥混凝土試樣施加人工激發(fā)源信號(鉛筆斷芯試驗)，計算了不同傳播距離時AE 波速值，分析了水灰比、砂率及骨料最大粒徑對混凝土中AE 波速的影響，建立了波速的距離修正模型及基于修正波速的AE 源定位算法，并分析了定位效果。得到的主要結論如下：

(1)相比砂率而言，水灰比和骨料粒徑對混凝土中AE波速衰減的影響更顯著。水灰比越小，基準波速越大，波速隨距離的衰減越大。骨料粒徑越大，基準波速越大，波速隨距離的衰減越大。為了確保定位時使用相同模態(tài)的聲波，對500 mm以內(nèi)的AE波速采用對數(shù)函數(shù)進行了擬合，回歸參數(shù)可以利用水灰比、砂率及骨料最大粒徑3 個材料配合比參數(shù)計算得到。

(2)以窮舉法和修正波速模型為基礎建立了RELM-MV 法，該方法計算流程包括6 個步驟。利用單軸壓縮試驗AE 源定位結果分析了RELM-MV法與時差定位法的定位效果，結果表明采用RELMMV 法進行定位時，定位點比時差定位法更接近實際裂縫位置，定位更可靠。