水工金屬結(jié)構(gòu)及混凝土結(jié)構(gòu)中聲發(fā)射信號幅值衰減特性

伍衛(wèi)平，李東風(fēng)，丁 杰，倪國勝，高志萌，程勝金

(1.水利部水工金屬結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢驗測試中心，河南 鄭州 450044；2.上海材料研究所，上海 200437)

0 引 言

聲發(fā)射技術(shù)[1](Acoustic Emission，AE)是一種動態(tài)、整體的無損檢測技術(shù)，可用來對建筑物結(jié)構(gòu)的整體安全性進行評估及預(yù)警，已應(yīng)用于水工建筑物的檢測和監(jiān)測中。采用AE技術(shù)對水工金屬結(jié)構(gòu)和水工混凝土結(jié)構(gòu)進行損傷檢測與定位分析時，了解結(jié)構(gòu)中信號幅值的衰減規(guī)律，有利于傳感器陣列的布置從而提高聲發(fā)射源定位精度。在水工建筑物中的金屬結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，目前已經(jīng)開展了大量的聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用和研究工作，伍衛(wèi)平等[2-5]對鋼岔管水壓試驗聲發(fā)射過程進行了廣泛研究，曹樹林等[6]對水輪機蝸殼水壓試驗聲發(fā)射進行了探討。在大壩、水閘、泵站、堤防、橋梁、涵洞等水工建筑物的建筑材料中，混凝土為各向異性、非均質(zhì)的混合材料，結(jié)構(gòu)中存在大量的微觀孔隙、裂縫，介質(zhì)中聲波傳播特性復(fù)雜，不同于均質(zhì)且各向同性的金屬材料，因此聲發(fā)射技術(shù)在該領(lǐng)域應(yīng)用難度高，國內(nèi)外出現(xiàn)了一些混凝土大壩方面的成功應(yīng)用案例[7- 8]，但相對較少。

聲發(fā)射信號在水工金屬結(jié)構(gòu)和水工混凝土結(jié)構(gòu)中傳播特性差異極大，本文對水工建筑物中的壓力鋼管及大壩混凝土結(jié)構(gòu)分別進行聲發(fā)射信號幅值衰減測試，進行比較和分析。

1 水工金屬結(jié)構(gòu)中聲發(fā)射信號波幅衰減測試

對某水電站中壓力鋼管進行聲發(fā)射信號波幅衰減測試，壓力鋼管材質(zhì)為Q690CFE(強度為800 MPa級)，板厚為48 mm，內(nèi)徑為4 m，管節(jié)長度為3 m。對其聲發(fā)射信號幅值衰減進行測試，采用PAC公司32通道POESH-Ⅲ型鏈式自源以太聲發(fā)射系統(tǒng)(Daise AE)，PK15I型諧振型高靈敏度傳感器，其中心頻率為150 kHz，工作頻率為50～400 kHz；以0.5 mm HB鉛芯折斷(Pencil Lead Break， PLBs)作為模擬聲發(fā)射源，耦合劑為凡土林，采用磁性夾具固定傳感器，聲發(fā)射檢測閘門設(shè)置為40 dB，數(shù)字化頻率設(shè)置為5 MHz，峰值定義時間(PDT)、撞擊定義時間(HDT)、撞擊閉鎖時間(HLT)分別設(shè)置為1 000、2 000、20 000 μs。

在鋼管的環(huán)向布置5個傳感器(見圖1)，編號為1～5，將5個傳感器靈敏度調(diào)整一致后，分別在環(huán)向上距離1號傳感器100、200、500、1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 mm處各斷鉛5次，斷鉛點表面經(jīng)過打磨處理露出金屬光澤，取每個位置5次斷鉛信號幅值均值作為該距離處的幅值響應(yīng)，進行幅值衰減測試，測試數(shù)據(jù)如表1所示，衰減曲線如圖2所示。

圖1 壓力鋼管AE傳感器布置示意

表1 距離-幅值衰減數(shù)據(jù)

圖2 距離-幅值衰減曲線

EN14584[9]標準規(guī)定針對金屬壓力容器的衰減測試，根據(jù)聲發(fā)射信號幅值衰減的快慢，將信號的傳輸區(qū)間分為近場和遠場兩個區(qū)；近場區(qū)長度約為板厚的20倍，在近場區(qū)，聲發(fā)射信號的幅值隨傳輸距離的增加而迅速減小；而在遠場聲發(fā)射信號的幅值隨著距離的增加而緩慢減小。

該鋼管中幅值衰減曲線的近場區(qū)、遠場區(qū)分界線較明顯，分界線大約在傳輸距離為1 000 mm處。圖2中，近場區(qū)、遠場區(qū)幅值-距離的線性擬合模型中，衰減系數(shù)分別為16.9、1.7 dB/m，近場區(qū)中幅值-距離的線性關(guān)系較好(相關(guān)系數(shù)平方和R2為0.920 49)，而在遠場區(qū)中，由于聲波的疊加效應(yīng)，在某些距離區(qū)間會出現(xiàn)信號幅值的增大，幅值-距離的線性關(guān)系較差(相關(guān)系數(shù)平方和R2為0.536 47)；傳輸距離為1、5 m時，幅值衰減量分別約為15.5、25 dB。由幅值衰減曲線可以看出，幅值-距離的對數(shù)擬合模型更理想，可以較好的表征整個衰減曲線，擬合模型相關(guān)系數(shù)平方和R2高達0.986 74。

因此鋼岔管聲發(fā)射傳感器布置間距可以相對較大，一般為3～5 m。

2 水工混凝土結(jié)構(gòu)中聲發(fā)射信號波幅衰減測試

混凝土是一種由水泥(或其他的膠凝材料及摻合料)、集料(粗骨料、砂)、水和添加劑(如果有需要的話)經(jīng)機械拌合而成的各向異性的混合材料，是非均質(zhì)的三相體，即固體、液體和氣體。聲波在混凝土中傳播，也就是多相介質(zhì)中傳播，加之大量的微觀孔隙、裂縫結(jié)構(gòu)的存在及其位置的不確定性，聲波傳播過程中發(fā)生的散射、折射、波形轉(zhuǎn)換等，隨著傳播距離的增加，聲波幅值衰減會增大。

以某水利樞紐工程中大壩混凝土結(jié)構(gòu)為例，進行聲發(fā)射信號波幅衰減測試。采用R6型低頻諧振高靈敏度傳感器，其中心頻率為55 kHz，工作頻率為35～100 kHz；以0.5 mm HB鉛芯折斷作為模擬聲發(fā)射源；耦合劑為凡土林；用膠帶固定好傳感器。聲發(fā)射檢測閘門設(shè)置為40 dB，數(shù)字化頻率設(shè)置為5 MHz，峰值定義時間(PDT)、撞擊定義時間(HDT)、撞擊閉鎖時間(HLT)分別設(shè)置為300、600、1 000 μs。

分別在距離1號傳感器0、100、200、…、1 000 mm處各斷鉛5次(見圖3)，取每個位置5次斷鉛信號幅值均值作為該距離處的幅值響應(yīng)，進行衰減測試。測試數(shù)據(jù)如表2所示，衰減曲線如圖4所示。

圖3 AE傳感器布置示意(單位：mm)

表2 距離-幅值衰減數(shù)據(jù)

圖4 距離-幅值衰減曲線

根據(jù)圖4，混凝土結(jié)構(gòu)中聲發(fā)射信號幅值衰減很快，聲波傳輸1 m約衰減了38 dB，遠大于水工金屬結(jié)構(gòu)，線性擬合模型中衰減系數(shù)約為30.9 dB/m，因此聲發(fā)射傳感器布置間距不宜過大，一般不超過1 m。，幅值-距離的對數(shù)擬合模型較理想，可以較好的表征整個衰減曲線，擬合模型相關(guān)系數(shù)平方和R2高達0.989 87。

混凝土結(jié)構(gòu)中幅值衰減曲線沒有明顯的近場區(qū)和遠場區(qū)界限。

3 結(jié) 語

水工金屬結(jié)構(gòu)聲發(fā)射信號的幅值-距離衰減特性具有明顯的近場區(qū)、遠場區(qū)效應(yīng)，發(fā)射信號幅值-距離分布的線性在近場區(qū)要優(yōu)于遠場區(qū)(近場區(qū)、遠場區(qū)的幅值-距離線性擬合模型相關(guān)系數(shù)平方和R2分別為0.920 49、0.536 47)，遠場區(qū)中的某些距離區(qū)間，由于聲波的疊加效應(yīng)，隨著距離的增大會出現(xiàn)信號幅值的增大；幅值-距離的對數(shù)擬合模型可以較好的表征整個衰減曲線(相關(guān)系數(shù)平方和R2高達0.986 74)；水工金屬結(jié)構(gòu)中聲發(fā)射傳感器布置間距一般可設(shè)置為3～5 m。

水工混凝土結(jié)構(gòu)中聲發(fā)射信號幅值衰減非?？欤暡▊鬏? m幅值衰減約38 dB，遠大于金屬結(jié)構(gòu)(鋼管中傳輸距離為1 m時幅值衰減量約為15.5 dB)，幅值-距離的對數(shù)擬合模型較理想，可以較好的表征整個衰減曲線(相關(guān)系數(shù)平方和R2高達0.989 87)；近場區(qū)、遠場區(qū)分界不明顯；傳感器布置間距一般不宜超過1 m。