基于参数-波的混凝土轴拉损伤声发射检测方法研究

基于参数-波的混凝土轴拉损伤声发射检测方法研究

声源信息的复杂波形包括丰富的声源信息。该分析有助于研究材料的内部结构破坏过程和模拟损伤性质。由于多数材料的声发射信号强度很弱且频率范围很宽,故需要借助灵敏的电子仪器对其进行放大和滤噪等处理。近年来,全数字化参数-波形式声发射采集系统在材料研究中被广泛使用,如文献,其优点是能在满足声发射参数提取的同时采集一定长度的波形,目前国内已有许多单位购进了这种声发射采集系统。笔者在采用该类采集系统进行混凝土声发射特性研究工作过程中发现,由于这种系统采集参数设定比较复杂,硬件或者硬件参数选择不当可能导致采集的声发射简化波形参数无法反映撞击波形的特征,从而不能有效定性和定量评价材料损伤过程而导致试验失败。此外,由于研究者们在声发射信号特征参数的选取上存在较大的随意性,且各参数对声发射过程中状态改变描述的敏感性不同,因此选用适当的表征参数就显得非常重要。另外,混凝土声发射特性还与其受力状态有一定的关系。目前此方面的工作还没有得到足够的重视,尤其缺乏具有针对性并以试验为主要依据的系统研究工作。本文基于声发射采集系统工作原理提出了系统的试验研究方案,运用参数分析和波形分析相结合以及波形数据事后重新提取分析技术,对混凝土轴拉声发射特性试验过程中的系统采集硬件设置、滤噪参数设置和声发射表征参数及其相关性进行了系统的试验研究。1试验计划1.1模拟源与加载试验加载本文试验工作由两部分构成,分别是断铅人工激发源试验和轴拉加载试验。ASTM规范建议采用铅笔芯折断法(PencilLeadFracture),使用日本Pentel公司生产的硬度为2H直径0.5mm的石墨铅芯作为人工模拟源。在试验过程中,设置铅芯的伸长量约为3.0mm,并保证铅芯与混凝土试件表面夹角约为30°,每次施加近似相等的力折断铅芯以得到近似相同的声发射源。单轴拉伸试验加载设备为美国MTS322万能试验系统,采用作动器位移控制加载的单调加载方式,加载速率为0.001mm/s,相当于静态加载。试验装置示意图如图1所示。1.2混凝土试件轴拉试验混凝土试件形状为平面哑铃形,两端各预埋Ф18螺纹钢筋,尺寸如图2所示。水泥采用雨花牌32.5型普通硅酸盐水泥,砂采用中砂,石子采用碎石(最大粒径10mm),拌合水为自来水,配合比为水泥∶砂∶石子∶水=1∶1.09∶2.43∶0.410。混凝土经人工拌和后倒入内侧带木板的标准钢试模中,然后放于振动台上振捣成型,淋水养护一周后置于普通室内环境中。本研究共进行了13个混凝土试件的轴拉试验,分组情况详见表1。为了体现可比性,应尽量使接收到的信号相同。因此,传感器设置于混凝土试件中部位置的同一表面,如图1所示,以减少传播路径不同而造成接收到的信号差异。在未加载前的试件WT1上进行了11组断铅激发源试验以获得近似相同的声发射信号,以便研究阈值对声发射持续时间的影响。1.3试验方法和数据采集控制本研究采用的声发射采集系统为美国PAC公司生产的SAMOSTM系列16通道参数-波形式声发射仪,该系统是PAC公司第三代全数字化系统,该系统的闭塞时间(DeadTime)约为300μs,最高波形采样率和波形采样长度分别为3MHz和4096点。前置放大器型号为PAC-2/4/6,可切换的增益范围为20dB、40dB和60dB,试验中的采集控制由AEwinTM实时声发射采集及分析软件完成,数据被存储在电脑硬盘,可以随时进行事后调取和分析。声发射系统通常采用预设阈值的方式探测信号,当信号幅度超过所设定的阈值时,数据采集过程就会被激发,此时系统自动提取波形特征参数并记录一定长度的数字化波形,在混凝土材料声发射特性研究中,常用参数包括:撞击计数、振铃计数、幅度、上升时间、持续时间等,本文涉及的其它特征参数定义详见文献。2硬件参数的配置研究2.1传感器类型对结果的影响2.1.1传感器的选用撞击数累计曲线常用于刻画混凝土的损伤破坏过程,因此有必要探讨传感器类型对累计曲线形状的影响。声发射传感器分为共振和宽频式两种,前者在选定的频率范围之内具有较高的敏感性,但所接收的信号带宽较窄,后者频响范围宽但敏感性偏低。为了研究不同型号的传感器对描述损伤发展过程的影响,在该部分试验中,将表1中所示的3种传感器安置于同一个试件中部表面,设定各通道阈值为40dB,前置放大器增益40dB,波形采样频率为1MHz,采样长度为4096点,各通道带通滤波器均设置为1kHz～400kHz。归一化声发射撞击累计数曲线如图3所示,可以看出,由不同传感器测得的同一个混凝土试件破坏过程的累计曲线所表现出的混凝土损伤累积发展过程相似,无明显差别。混凝土抗拉强度和在加载过程中各种声发射传感器所接收到的撞击总数、总加载时间如表2所示,可以看出,WD型宽频式传感器所采集到的撞击数最多,R15型传感器次之,R6α型传感器最少。2.1.2声发射频率特征通过对声发射波形进行快速傅里叶变换(FFT),可以得到声发射波形的频率特征,将每个波形对应功率谱图峰值频率的分布情况汇总于图4,从中可以看出,各种传感器在同一个试件的破坏过程中所表现出的声发射频率特征有明显差别:R6α传感器所采集波形的峰值频率集中在70kHz以下,R15传感器集中于90kHz以下,而宽频式传感器则多集中在175kHz以下,同时在250kHz附近也有一定数量的分布,这说明混凝土在轴拉损伤断裂过程中所产生声发射信号的频率范围很宽,而窄带的谐振式传感器只能探测到与其本身频响特性相关的特定范围内的声发射信号,这不利于根据频谱特征进一步区分混凝土中的多种不同断裂机制。2.2预算器附加配置2.2.1前置放大器增益c本研究所采用的采集卡能分辨出的最小电压为305μv,前置放大器的饱和电压为10v(即经过放大之后的信号幅度不会超过10v),根据声发射信号幅度的计算公式可知,当选择前置放大器增益为20dB、40dB、60dB时,采集卡所采集到的声发射幅度的范围如表3所示。从表3可以看出,前置放大器增益越小,所能采集声发射信号的幅度范围越宽,同时所能探测到的信号最小幅度越大;与之相反,前置放大器增益选择越高,所能采集的信号幅度范围越窄,同时所能探测的信号幅度下限值越低,故此时采集系统对于微弱信号更灵敏。2.2.2不同增益设置的试验结果为了确定在实验室中进行常规尺寸混凝土轴拉试验中采集声发射信号时的合理增益值,将3个R6α型传感器安装在试件中部表面,与传感器相连的前置放大器的增益分别设置为三种可切换的数值。预试验中发现,在选择不同增益值时,系统会受到不同程度的电磁干扰,需要适当辅以调整阈值以排除噪音干扰,最终将前置放大器增益为20dB/40dB/60dB的通道阈值依次设定为50dB/40dB/30dB进行试验。混凝土轴拉破坏过程的幅度-荷载时程图如图5所示,可以看出,设置不同增益时,声发射幅度均在峰值荷载附近达到最大值。增益设置为20dB时,最大幅度达到101dB,且信号稀疏,表明漏采了一定数量的低幅信号;增益设置为40dB时,最大幅度为99dB,信号量相对增多;增益设置为60dB时,最大幅度为79dB,信号量有所增加,在本组试验的其它两个试件中也能发现相同的规律。由此可见,在采集最大幅度的能力上,增益设置为20dB最佳,因为最大幅度值101dB远未达到量程上限120dB。设置为40dB次之,设置为60dB最低。增益设置为60dB时采集到的最大幅度与设置40dB和20dB采集到的最大幅度相差较大,但增益设置为40dB时采集到的最大幅度与设置20dB时很接近,且设置40dB采集的信号数量适中。进一步分析信号波形后发现,增益设置为60dB时,出现了放大之后的电压超过10v而导致前置放大器过载的现象,这不利于比较声发射幅度的相对大小,过载波形及其局部放大图如图6所示。综上所述,前置放大器增益值设定为40dB较为合适。2.3波形采样频率和采样长度2.3.1采集文件设置不合理在采集声发射波形过程中,采样频率过低会影响高频率信号的采集,同时在声发射源定位研究中,也会降低声发射波到时的读取精度而影响定位精度;设置过高则会导致采集文件过大而增加后期数据处理负担。根据采样定理,采样频率应大于或等于被采样信号的最高频率成分的两倍。综合考虑后,可以选择1MHz的采样频率,这样足以分析最高频率在500kHz(采集卡带宽为1kHz-400kHz)以下的声发射波形的频谱特征。对于相同的采样长度,采样频率选择1MHz比3MHz所能记录的波形更长,这有利于记录持续时间较长的波形。2.3.2声发射撞击持续时间记录每一个撞击波形的时间由采样时间间隔和总采样点数共同决定,采样长度影响采集完整波形的能力,当采样频率一定的情况下,采样长度越长,能够记录的波形越长,同时需要的存储空间也越大。对于参数-波形式声发射采集系统而言,尽可能覆盖所有声发射撞击持续时间范围是波形采样长度的选取原则。当采样长度设定为最长值4096点,采样频率选用1M,此时波形数据所能记录的时间范围为4096μs,将3组轴拉试验过程中所采集的声发射撞击的持续时间范围统计如表4所示,可以看出,声发射持续时间在4000μs以下的撞击数量占到每个试验中撞击总数的98%以上,因此,在采用以上设置的情况下,绝大多数的声发射撞击波形都能覆盖撞击的持续时间范围,也就是说,此时撞击波形数据与声发射特征参数具有了良好的对应关系。3采用相应的技术手段抑制噪音在声发射检测中,机械、电磁干扰噪音等不同形式的噪音会干扰信号的采集与接收,一般而言,背景噪音具有低频低幅的特点,因此,需要采用相应的技术手段抑制噪音,采用的方法主要有限制声发射幅值和频率范围两种方式。3.1限制3.1.1节点阈值设置试验阈值设置直接关系到检测系统的灵敏性和信噪比。在混凝土声发射试验中,可将试件及仪器安装到位的未加载之前调试出能够滤除环境噪声的最低幅度作为初始阈值。由于在加载过程仍存在噪声干扰信号的辨别,因此,若将初始阈值作为最终的阈值可能较小,所以初始阈值一般需要通过试验来确定。在本部分试验中,将6个传感器分两组对称安装在试件中部表面进行加载试验,与6个传感器相应的采集通道阈值分别设置为35dB、40dB、45dB、55dB、65dB和70dB。图7为在各种阈值设定情况下混凝土轴拉加载试验过程中的撞击累计曲线的发展规律,可以看出,阈值设置为35dB和40dB时,累计曲线所反映的混凝土轴拉破坏过程的规律基本一致。当设定阈值大于55dB时,累计曲线的渐进式变化趋势变得不明显;当阈值设置为65dB和70dB时则只能检测到混凝土最终宏观断裂时所发出的信号,而无法描述整个损伤破坏过程,在本组的其它试件中也发现了相同的规律。从图7中还可以发现,阈值设置越小,采集到的撞击数量越多,这对于连续描述损伤过程是有帮助的。值得注意的是,在本组其它试验中,发现采用较低的阈值进行监测时,噪音干扰的风险会有所增加,也就是说,如果环境噪声控制不当,会造成数据量过大而不能恰当反映材料损伤的情况。综合考虑,结合本研究所在环境的实际情况,将阈值设置为40dB可以得到良好的信噪比。3.1.2阈值对持续采集过程的影响由声发射参数的定义可知,阈值过高可能会阻止潜在重要信号的采集,过低则可能会降低信噪比。此外,在参数-波形式声发射采集系统中,持续时间、振铃等参数的鉴别都依赖于阈值的设定,有限长度的波形采集过程也需要通过阈值触发,因此,有必要研究阈值设定对持续时间的影响。在试验中将断铅源放置于混凝土试件表面传感器附近约5mm处,在每一种阈值设定(共11组)条件下分别激发六次,记录下撞击持续时间的平均值,将其绘成曲线,在这里可以认为每一组的声发射信号都近似来自于相同的声发射源,如图8所示,可以看出,阈值越高,声发射持续时间越短,这显然更有利于利用有限的记录长度描述更完整的撞击波形,由此可见,当采样长度×采样时间间隔没有超过多数试验中采集到的声发射撞击的持续时间时,采用提高阈值来减小持续时间量值的方式可以缓解该问题。3.2声发射信号分析由本文2.1.2中的研究结果可知,混凝土轴拉破坏过程中所产生的声发射信号具有很宽的频率范围。声发射信号在混凝土试件中传播时,高频成分的幅度随着传播距离增大而衰减,而低频成分又与机械噪声重叠在一起,不易分离。因此,声发射检测通常选择在某一频率范围内进行。声发射采集系统中可以通过设定带通滤波器进行滤噪处理。一般而言,频率低于100kHz的声发射信号在检测过程中必须严格限制噪音的影响,有研究者直接将滤波范围锁定为高于100kHz,而关于低频信号对声发射特征参数提取的影响并没有被很好地掌握。图9为混凝土在轴拉荷载作用下的典型声发射波形在不同带通滤波器设置下的波形,从中可以看出,滤除了低频成分之后的声发射波形更具有突发型信号的特征,因此,系统在提取特征参数时,各种表征参数更能反映出波形的本质特征。图10为不同高通设置下的混凝土轴拉破坏过程中的撞击总数曲线,该部分数据由AEwin软件提供的事后滤波功能处理得到。可以看出,高通值设定越高,所采集到的声发射撞击数越少,这与阈值设定对撞击累计数的影响效应相同。最后,值得注意的是,带通滤波器的设定还应当考虑传感器的工作频率范围。4相关参数分析混凝土声发射参数的分析与研究一直是备受关注的课题,声发射信号特征参数主要包括振铃计数、幅度、上升时间、持续时间、初始频率、混响频率、平均频率、信号强度、绝对能量、平均信号电平、RMS电压值,通过分析这些参数间的相关性,找出相关性高继而可以在分析过程中互相替代的参数是本部分内容研究的主要目的。4.1信号能量类本研究根据定义将声发射参数分成五类进行分析:将撞击和与波形内脉冲次数有关的振铃数归为一类;与信号幅度大小有关的幅度、有效值电压和平均信号电平归为一类;与信号经历时间长短有关的上升时间和持续时间归为一类;与信号实际能量相关的能量、信号强度和绝对能量归为一类;与信号频率相关的平均频率、初始频率、混响频率归为一类。下面将对以上五类参数分别进行分析,本组试验进行了三个试件,所表现出的规律基本相同。4.1.1混凝土轴拉损伤过程撞击和振铃累计计数经常被用来描述损伤过程,由图11可见,由声发射撞击累计数曲线和振铃累计数曲线所代表的混凝土轴拉损伤过程基本相同,均可分为初始(A-B)、稳定(B-C)和不稳定(C-D)三个阶段。4.1.2凝土轴拉损伤影响幅度是简化波形参数中的重要参数,它与材料的损伤程度直接相关。由图12可见,与振铃分析结果相同,通过展现幅度随时间的变化,也可以将混凝土轴拉损伤过程分为初始(A-B)、稳定(B-C)和不稳定(C-D)三个阶段。与之形成对比的是,有效值电压和平均信号电平这两个参数并没有明显刻画出混凝土受拉损伤的三个阶段,但它们所体现的规律十分近似,即在未达到最终破坏荷载之前,两个参数值均处于较低水平;接近破坏荷载时,两个参数的量值都突然显著增加并达到最大值。由此可见,在以上三个参数中,幅度的时程曲线更能表现混凝土轴拉各阶段的损伤特征。4.1.3轴拉损伤阶段图13为持续时间和上升时间与荷载的时程曲线,从持续时间曲线中可以看出,混凝土轴拉损伤过程依然可分为三个阶段,当荷载超过不稳定阶段,混凝土裂缝非稳定扩展,持续时间较长的撞击数量明显增多,接近最大荷载时,持续时间快速增长,破坏时持续时间达到最大值,而上升时间参数对以上三阶段表现得不明显。4.1.4关于混凝土轴拉损伤过程的分析由图14可见,能量、信号强度和绝对能量三个参数的累计曲线所反映的规律极为相似,混凝土轴拉损伤过程仍可分为三个阶段,因此,这三个参数描述混凝土轴拉过程效果较好。4.1.5信号频率表征平均频率、初始频率、混响频率是从声发射振铃和持续时间以及上升时间换算而来的参数,它们能够粗略表征信号的频率。图15所示为平均频率、初始频率、混响频率与荷载随时间变化的历程曲线,可以看出,随着荷载的增加,三个与频率相关的声发射信号参数分布的规律性都不明显,只是加载后期的高频信号多于前期,这可能也是这些参数很少被其它文献所采用的原因。4.2参数之间的相关性4.2.1轴拉试验件声发射撞击艺术两个随机变量之间的相关性可以用相关系数定量表示。设(X1,X2,…,Xn)和(Y1,Y2,…,Yn)分别是来自总体X、Y的一个样本,则样本X,Y的相关系数定义为:rxy=∑i=1n(Xi−X¯¯¯)(Yi−Y¯¯¯)∑i=1n(Xi−X¯¯¯)2⋅∑i=1n(Yi−Y¯¯¯)2√(1)rxy=∑i=1n(Xi-X¯)(Yi-Y¯)∑i=1n(Xi-X¯)2⋅∑i=1n(Yi-Y¯)2(1)在三组混凝土试件的轴拉破坏过程中所采集到的声发射撞击样本数均大于102,当显著性水平α=0.001时,r(n-2)α的值为0.3211,也就是说,若rxy≥0.3211,则认为相关性是显著的,否则不显著。4.2.2声发射参数的相关性分析从声发射特征参数的定义来看,信号强度和绝对能量都是采样点电压的函数,故二者是不独立的,因此,在讨论这两个参数与其它参数之间的相关性过程中,仅讨论信号强度与其它声发射参数之间的相关系数即可。分别对在试件WP1-WP3破坏过程中所采集到的三组数据中的声发射参数进行相关性分析,表5给出了相关性比较显著的声发射参数及相关系数。从表5中可以看出,声发射幅度与信号强度,上升时间,持续时间,振铃数之间均存在良好的相关性,在三组混凝土轴拉试验中的平均相关系数为0.57-0.69,但对于其中的试件WP2偏低,表明这些参数间的相关性易受到试件个体偏差的影响。此外还可以看出,上升时间与信号强度、持续时间、振铃数之间以及持续时间和信号强度之间均存在良好的相关性,相关系数均达到0.90以上,而且对于每一个试件