水工混凝土结构声发射检测系统参数设置和特征参数选择

伍卫平，李东风，高志萌，倪国胜，程胜金

(水利部水工金属结构质量检验测试中心，河南 郑州 450044)

声发射(Acoustic Emission，AE)检测技术是一种重要的动态无损检测方法，通过材料内部由于局部应变能的快速释放而产生的瞬时弹性波来判断结构内部的损伤程度，在水利水电行业的金属结构领域得到广泛的应用[1- 5]。

国内外声发射检测主要集中在对金属材料、高分子复合材料和岩石进行研究，针对混凝土研究很少。

声发射检测参数的合理设置是声发射检测结果正确与可靠性的关键。目前，针对金属等材料声发射检测系统参数的设置，如检测门槛(阈值)、时间参数(峰值定义时间PDT、撞击定义时间HDT和撞击闭锁时间HLT)和声发射信号的波速等，研究较为成熟，并已经有成熟的标准[6]；而对混凝土材料声发射检测参数的研究很少[7]。我国目前还缺乏混凝土声发射检测的标准，造成声发射技术在实际使用过程中出现了测量系统设置不合理、检测程序不规范、损伤评定无标准等问题，这极大地限制了声发射技术在混凝土损伤检测中的实际应用。针对混凝土结构，直接选取撞击计数、振铃计数、幅值、能量、声发射事件数、声发射事件率等常规参数会过于简单直接，不能准确、全面反映材料构件在不同过程或状态的个体属性和差异。

本文对水工混凝土结构开展声发射检测时的系统参数设置和声发射特征参数的选择及构造进行探讨，为混凝土结构声发射检测标准化做一些基础性工作。

1 水工混凝土结构及声发射技术应用现状

用于大坝、水闸、泵站、堤防、桥梁、涵洞等水工建筑物的混凝土结构，其质量是水工建筑物工程质量的重要保证，以至关系到整个水工建筑物的安全运行。

由于混凝土是由各种不同材料性质组成的人工合成的多相复合材料，其均匀性较差，抗拉强度较低，又有膨胀收缩、徐变等特性，其具有脆性易损特征。大型水工混凝土结构投资大、服役时间长，经常在外部耦合因素的作用下，不可避免地会产生结构损伤，对结构的适应性、耐久性、承载能力等具有重要影响，降低使用寿命，需要加固维修或重建，浪费大量维修费用和重建费用；更甚者，极端情况下可能引发灾难性事件。

混凝土材料受载后，除产生一定量的弹性变形外，原生裂隙和缺陷也会产生一系列变化，先是闭合或张开，继而在端部出现微裂区并逐渐开裂和扩展，直至演化为失稳破坏。混凝土结构在拉伸、弯曲、剪切或压缩的受载情况下导致的损伤及破坏过程中均有声发射现象发生。

声发射技术可以用于确定混凝土结构的损伤，是一种有效的结构健康监测(SHM)手段。声发射技术应用于在役水工建筑物的检测，在国外已经有过一些较有成效的应用案例：如对位于日本本州岛的一座混凝土拱坝，进行了声发射检测，实现了对该混凝土拱坝安全状况的评估[8]；加拿大魁北克电力公司和Sherbrooke大学合作，在老混凝土坝剪切破坏声发射检测方面进行了深入研究，分析了在不同正应力作用下的声发射特性，认为该项技术在检测混凝土重力坝抗滑稳定方面有良好的应用前景。

2 系统参数设置

声发射检测系统参数设置主要包括检测门槛(阈值)、传感器、时间参数(峰值定义时间PDT、撞击定义时间HDT和撞击闭锁时间HLT)和波速等。

2.1 检测门槛的设置

为了剔除背景噪声，需设置适当的门槛值(阈值)，一般的门槛值是35～55dB，试验条件和材料不同时门槛值也会不同。

门槛的设置主要与背景噪声的电平及需要检测的最小信号幅值有关。

测试方法是采用低频窄带宽高灵敏度谐振传感器，低门槛，进行背景噪声的设置，一般在噪声电平的基础上增加6～10dB作为混凝土结构的声发射检测门槛值。

2.2 传感器的设置

传感器是声发射检测系统的重要部分，是影响系统整体性能重要因素。传感器的选择不合理，或许使得接受到的信号和希望接受到的声发射信号有较大差别，直接影响采集到的数据真实度和数据处理结果。

金属材料常使用频带范围为25～750kHz的谐振式传感器，尤其是中心频率为150kHz的谐振式窄带传感器居多；而混凝土检测中，一般采用频率更低一些的窄带高灵敏度谐振传感器，如PAC公司的R3和R6系列。

窄带高灵敏度谐振传感器R3α，其工作频率范围为25～70kHz，谐振频率为29kHz(Ref V/(m·s-1))。窄带高灵敏度谐振传感器R6α，其工作频率范围为35～100kHz，谐振频率为55kHz(Ref V/(m·s-1))。有关低频传感器的频率响应曲线如图1所示。

图1 频率响应曲线

2.3 时间参数的设置

时间参数包括：峰值鉴别时间(PDT)、撞击鉴别时间(HDT)和撞击闭锁时间(HLT)。峰值鉴别时间(PDT)，是为正确确定撞击信号的上升时间而设置的最大峰值等待时间间隔，应选择得尽量短。撞击鉴别时间(HDT)，是为正确确定撞击信号的终点而设置的撞击信号等待时间间隔；如将其选得过短，会把一个撞击测为几个撞击，如选得过长，又会把几个撞击测成一个撞击。撞击闭锁时间(HLT)，是在撞击信号中为避免采集反射波或迟到波而设置的关闭测量电路的时间间隔。

声发射信号在不同材料中的传播特征有很大的差别，如，混凝土、岩石等复合材料中信号的衰减比金属材料大得多，对这类材料进行检测时，时间参数值要小一些。因而，需要通过试验来确定适合被检测材料的时间参数。

本文采用PAC公司的POESH-Ⅲ型链式自源以太声发射系统(Daise AE)，传感器为R6α型窄带高灵敏度谐振传感器，内置前置放大器增益为26dB，门槛设置为40dB，模拟源为0.5mm，硬度为HB的铅笔芯折断(Pencil Lead Break，PLB)。PLB试验测试数据见表1。

表1 PLB试验测试数据

在某混凝土试件上距离传感器100、300、600mm的位置分别各进行5次断铅，取5次断铅信号的上升时间均值作为该距离的上升时间，5次断铅信号的幅值响应均值作为该距离的幅值。峰值鉴别时间(PDT)取值一般略大于信号的平均上升时间，撞击鉴别时问(HDT)一般取值为2倍的PDT，撞击封闭时间(HLT)稍大约HDT。

由表1可知，随着传输距离的增大，信号的上升时间增大，幅值衰减，因此一般需要根据传感器最大间距，鉴于传感器阵列内声发射定位源离传感器的最小距离为0，最大距离为最大传感器间距，折中根据0.5倍的最大传感器间距情况下的信号上升时间来确定声发射时间参数。

针对本试验，如果最大传感器间距为600mm，则时间参数取值见表2。

表2 时间参数设置

2.4 波速的设置及波速衰减特性

利用声发射技术对混凝土结构进行检测时，对AE源进行准确定位是其主要任务之一。

时差定位是一种常用的AE源定位方式，定位计算的关键参数是到达时间和波速，目前的大多数商业声发射检测系统，时间精度可以达到0.1μs，因此定位精度最为关键的是声速。

对于均匀介质而言，声波传播速度更接近于材料的固有属性，因此在源定位中采用固定值。但是对于混凝土来说，情况更为复杂。混凝土是一种由水泥(或其他的胶凝材料及掺合料)、集料(粗骨料、砂)、水和添加剂经机械拌合而成的各向异性的混合材料；是非均质的三相体，即固体、液体和气体。声发射信号在多相介质中传播，加之大量的微观孔隙、裂缝结构的存在，声波传播过程中发生的散射、折射、波形转换等，随着传播距离的增加，声速会降低而声波衰减(幅值、能量衰减)会增大[9]。

采用R6型低频谐振高灵敏度传感器在某大坝混凝土结构上进行不同传输距离下的声速的测量，门槛取值为40dB。以其中一个传感器为基准，作为母传感器，在其附近断铅，离其不同距离处的传感器分别接受该断铅信号，然后利用断铅位置到2个传感器(其中一个传感器为母传感器)的距离差和信号传输时间差(5次断铅信号传输时间差的均值)，计算该距离下的平均声速，有关测试数据见表3。

表3 声速测量

声速计算曲线如图2所示。

图2 声速计算曲线

曲线分为上平台(x≤200mm)、声速快速衰减区和下平台(x≥600mm)3个阶段，不同阶段的平均声速相差很大。采用指数、对数2种非线性拟合模型分别对数据进行拟合，拟合优度均很高，因此可以根据拟合模型将任何位置下的平均声速进行修正，采用变声速的方式进行时差定位计算。

声波在传播过程中发生幅值的衰减和波形的变化，随着传输距离的增大，信号上升时间增加、到达时间推后，导致用于声速计算的传播时间取值偏大，从而使声速计算值偏小。

声波在混凝土中的传播速度受龄期、密实程度、骨料、强度等各方面因素影响；一般应以断铅试验的方式进行波速的实际测量。

3 AE特征参数的选择

声发射基本特征参数有到达时间、振铃计数、幅值、能量、上升时间、持续时间、撞击计数、撞击率、事件数、事件率等，如图3所示。一般通过这些特征参数的相关分布图、关联分布图、时间经历图来表征材料及结构的声发射过程或状态。

图3 AE基本特征参数

为了充分体现材料和构件声发射过程或状态的个体属性，针对混凝土结构仅仅通过基本参数远远不够；因此需要构造新的声发射特征参数，即以声发射基本参数为基础，构造函数得到新的特征参数对相应的特征进行比较分析。

混凝土结构中存在的各种活动性裂缝类的损伤，可以通过构造2个新的特征参数：上升时间-幅值比RA和平均频率AF来区别活动性裂缝[10]的类别(拉伸型、剪切型或混合型)。

(1)

式中，RA—波形梯度倒数，表明波形达到峰值的快慢；AF—一个撞击对应的波形频率的平均状况，是波形频率分量的较好近似。

用声发射参数确认损伤如图4所示。

图4 用声发射参数确认损伤

图4中左侧区域表示拉伸型裂缝(Tensile Crack)的AE参数分布，右侧区域表示剪切型裂缝(Shear Crack)的AE参数分布。拉伸型裂缝声发射信号具有较小的RA和较大的AF，剪切型裂缝声发射信号具有较大的RA和较小的AF。

一组实测的损伤模型分布数据如图5所示。

图5 损伤的AE数据

由图5可知，拉伸型、剪切型裂缝声发射信号数量占比分别为41.6%、58.4%，2种裂缝AF-RA散点图分布的分界线方程为AF(kHz)=0.359×RA(ms/V)。AF变小、RA变大预示着损伤失效模式从拉伸型往剪切型转变。

4 结语

本文给出了水工混凝土结构声发射检测时系统参数设置的试验方法和依据，并讨论新构造的上升时间-幅值比(RA)和平均频率(AF)2个AE特征参数在混凝土结构中活动性裂缝损伤分类识别方面的应用。

(1)根据0.5倍的最大传感器间距处断铅信号的上升时间来确定声发射时间参数，针对谐振频率为55kHz的低频传感器，时间参数PDT、HDT、HLT取值可推荐为300、600、800μs。

(2)声波在混凝土中的传播速度存在明显的衰减特性，一般应以断铅试验的方式进行实际测量。

(3)新构造的声发射特征参数RA和AF可以用于裂缝类型的分类。

本文为混凝土声发射检测标准化提供了一些基础参考和依据，但是在通过RA和AF2个特征参数进行裂缝类型(损伤类别)识别方面研究不够深入，有待进一步的分析研究。