顧愛(ài)軍，韓文欽

（1.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.江蘇理工學(xué)院材料工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

基于數(shù)值模擬和波形分析的聲發(fā)射傳感器安裝策略

顧愛(ài)軍1，韓文欽2

（1.揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127；2.江蘇理工學(xué)院材料工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

為提高聲發(fā)射檢測(cè)中信號(hào)采集的質(zhì)量，以實(shí)現(xiàn)可靠的損傷識(shí)別，采用數(shù)值模擬方法研究混凝土構(gòu)件中開(kāi)裂損傷與聲發(fā)射信號(hào)之間的定量關(guān)系。通過(guò)對(duì)信號(hào)的波形分析得到信號(hào)的傳播特性，以確保信號(hào)清晰、穩(wěn)定為原則，確定傳感器的安裝準(zhǔn)則，包括避開(kāi)圣維南區(qū)域、避開(kāi)不合理方位、盡量靠近聲源等。同時(shí)明確當(dāng)發(fā)生較大程度開(kāi)裂時(shí)，傳感器位置的影響可忽略。該研究可為實(shí)際聲發(fā)射檢測(cè)中傳感器的安置和聲發(fā)射信號(hào)的損傷診斷提供理論基礎(chǔ)。

聲發(fā)射；數(shù)值模擬；傳感器安裝策略；波形分析；信號(hào)特性

0 引 言

混凝土是現(xiàn)代土木工程中用途最廣的建筑材料之一。由于外部荷載以及自然災(zāi)害、化學(xué)侵蝕等各種不利因素的影響，混凝土結(jié)構(gòu)常發(fā)生損傷、開(kāi)裂等現(xiàn)象，使結(jié)構(gòu)性能發(fā)生退化，甚至引起災(zāi)難性的破壞。因此結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題不容忽視，對(duì)重大工程結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵構(gòu)件進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)與損傷診斷顯得極為重要。在各類(lèi)無(wú)損檢測(cè)方法中，聲發(fā)射技術(shù)利用結(jié)構(gòu)材料損傷時(shí)發(fā)出的彈性波信號(hào)進(jìn)行損傷判別，只需適當(dāng)布置傳感器即可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)，不但克服了大型結(jié)構(gòu)的檢測(cè)困難，還具有實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、在線(xiàn)檢測(cè)等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因而成為工程結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，在混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中顯示出巨大的潛力。

材料在損傷過(guò)程中由于能量瞬間釋放而產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波（即聲發(fā)射，AE）反映了材料的損傷特性，因此通過(guò)分析AE信號(hào)可實(shí)現(xiàn)對(duì)聲源 （損傷）的識(shí)別。然而系統(tǒng)所采集的AE信號(hào)受傳播介質(zhì)（材料）、結(jié)構(gòu)形式、傳感器與接收系統(tǒng)以及環(huán)境噪聲的影響后發(fā)生了顯著變化，給聲發(fā)射檢測(cè)帶來(lái)一定的困難。為提高聲發(fā)射技術(shù)損傷識(shí)別的準(zhǔn)確性和可靠性，常通過(guò)大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究探尋聲源機(jī)理、提取信號(hào)規(guī)律，并試圖建立AE信號(hào)與聲源機(jī)理的關(guān)系[1-4]。然而在混凝土領(lǐng)域，由于干擾因素的復(fù)雜性，這一研究尚未取得穩(wěn)定、可靠、實(shí)用的成果。

聲發(fā)射技術(shù)的主要目的是實(shí)現(xiàn)損傷的定位、定性和定量檢測(cè)。在損傷定位中，通常將傳感器規(guī)律性地分布安裝[5]，通過(guò)各傳感器所接收的AE信號(hào)并按照特定的算法進(jìn)行計(jì)算反演。在此過(guò)程中，常將信號(hào)的傳播視為各向同性；同樣在對(duì)損傷進(jìn)行定性和定量分析時(shí)，也往往忽視傳感器位置帶來(lái)的影響。事實(shí)上，材料開(kāi)裂等損傷顯然具有方向性，不同方位的傳感器所接收的信號(hào)必有差別。此外，傳播介質(zhì)的不均勻性、結(jié)構(gòu)邊界對(duì)波的反射等因素也將對(duì)結(jié)構(gòu)各部位產(chǎn)生不同的影響。因此傳感器在不同位置響應(yīng)的差異不容忽視，對(duì)該問(wèn)題的研究可直接影響AE檢測(cè)的準(zhǔn)確度。

由于實(shí)際有限結(jié)構(gòu)中損傷源引起的位移響應(yīng)并無(wú)解析解，早期對(duì)AE技術(shù)中各項(xiàng)問(wèn)題的研究多采用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)比分析。然而聲源機(jī)理的不確定性和傳感器響應(yīng)的不一致性導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)論的規(guī)律性和可靠性受到影響。近年來(lái)，一些學(xué)者采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)AE信號(hào)進(jìn)行了模擬，從聲源、傳播及響應(yīng)等方面研究了聲發(fā)射的相關(guān)特征。楊占才等[6]利用一簡(jiǎn)單的質(zhì)量塊-彈簧系統(tǒng)對(duì)AE事件進(jìn)行模擬，研究了發(fā)動(dòng)機(jī)活塞-缸套磨損過(guò)程的聲發(fā)射機(jī)理；Kao等[7]在模擬應(yīng)變作用下紙纖維復(fù)雜結(jié)構(gòu)發(fā)出的聲信號(hào)時(shí)采用了質(zhì)量-彈簧模型結(jié)構(gòu)與聲波傳播模型相結(jié)合的方法；Sause等[8]采用一種內(nèi)源模型對(duì)碳纖維增強(qiáng)塑料板進(jìn)行了模擬，所得AE波的時(shí)頻特性與實(shí)驗(yàn)信號(hào)具有較好的一致性。該模型與地震學(xué)中的矩張量聲源表示法相似?？梢?jiàn)，以基于矩張量的力源模型模擬聲發(fā)射的激發(fā)不但符合損傷的力學(xué)機(jī)理，而且得到了符合實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，是一種簡(jiǎn)單而行之有效的方法。

采用數(shù)值模擬方法研究聲發(fā)射對(duì)不同位置傳感器的響應(yīng)規(guī)律可根據(jù)確定的聲源信號(hào)獲得可靠的信號(hào)響應(yīng)。本文基于彈性波理論，以平面四點(diǎn)彎曲混凝土梁為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬方法研究混凝土開(kāi)裂損傷與AE信號(hào)之間的定量關(guān)系。通過(guò)對(duì)不同接收點(diǎn)AE信號(hào)的波形分析，探尋不同位置聲發(fā)射信號(hào)的特性，為現(xiàn)場(chǎng)聲發(fā)射傳感器的安裝提供合理方案，也為實(shí)際AE信號(hào)的損傷診斷奠定理論基礎(chǔ)。

1 混凝土開(kāi)裂聲發(fā)射數(shù)值計(jì)算模型

1.1 計(jì)算結(jié)構(gòu)和模型簡(jiǎn)化

基于實(shí)際四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的素混凝土梁建立了有限元數(shù)值模型，其中梁的尺寸為0.15m×0.18m×1.5m（見(jiàn)圖 1（a））。 材料密度取 2 300 kg/m3，彈性模量取25GPa，泊松比取 0.2。

在混凝土中采集的AE波頻率在幾十千赫茲至幾百千赫茲，波長(zhǎng)在數(shù)厘米的范圍內(nèi)，因而其數(shù)值模擬的計(jì)算過(guò)程需要足夠小的計(jì)算步長(zhǎng)和足夠密的單元長(zhǎng)度，這使得計(jì)算量巨大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模擬。為此，本文從3個(gè)方面對(duì)數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了簡(jiǎn)化：

1）均質(zhì)材料簡(jiǎn)化。根據(jù)彈性波理論，當(dāng)粗骨料粒徑小于波長(zhǎng)時(shí)，混凝土可視為均質(zhì)材料，這對(duì)更大骨料的混凝土?xí)?lái)較大誤差。因此本文實(shí)際只考慮了較小粒徑粗骨料的情況。

2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。包括平面簡(jiǎn)化和對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的半結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。其中平面簡(jiǎn)化使得單元數(shù)和計(jì)算量大大降低，同時(shí)仍可探究傳感器位置的響應(yīng)規(guī)律。

3）計(jì)算范圍簡(jiǎn)化。由于聲發(fā)射信號(hào)在混凝土材料中傳播時(shí)其能量按指數(shù)規(guī)律衰減，因此構(gòu)件遠(yuǎn)端邊界的反射信號(hào)可以忽略。為進(jìn)一步降低簡(jiǎn)化模型，將遠(yuǎn)端一半的混凝土梁體用一寬0.2m的矩形吸收區(qū)代替（見(jiàn)圖1（b））。當(dāng)AE波傳至吸收區(qū)時(shí)，能量被逐漸吸收。

在混凝土材料中，AE波的頻率常在50～400kHz的超聲范圍內(nèi)，為探究聲源特征，考慮最高頻率達(dá)600kHz。若縱波波速為4 000 m/s，則波長(zhǎng)最小可達(dá)6.67 mm，而橫波波速和波長(zhǎng)更小，僅為縱波的一半左右。因此，計(jì)算中有限元單元長(zhǎng)度控制在1mm以?xún)?nèi)，在加載區(qū)域，最大單元長(zhǎng)度為0.5 mm，采用平面三角形單元，單元總數(shù)為156000。時(shí)間步長(zhǎng)根據(jù)單元長(zhǎng)度和波速確定，加載期為5×10-9s，加載完畢后，時(shí)間步長(zhǎng)放寬為4×10-8s。數(shù)值模擬通過(guò)COMSOL Multiphysics軟件完成。

圖1 混凝土開(kāi)裂聲發(fā)射數(shù)值計(jì)算模型

1.2 聲發(fā)射等效力源

混凝土梁彎曲破壞主要為混凝土單向拉伸破壞，其聲發(fā)射是一種內(nèi)源，故采用偶極子作為等效力源。聲源力大小的瞬時(shí)變化有多種模型，常用各種脈沖函數(shù)，如半正弦函數(shù)、三角形函數(shù)等。這些簡(jiǎn)單函數(shù)使用方便，且均符合聲發(fā)射源突發(fā)性的特征，但力的出現(xiàn)與消失存在突兀（函數(shù)曲線(xiàn)不光滑），與實(shí)際不符。Ohtsu[9-10]在模擬表面AE源產(chǎn)生的波形時(shí)，分別采用了以光滑階躍函數(shù)為位移荷載和以4次正弦函數(shù)為力荷載的激勵(lì)方式，均得到了與寬頻傳感器采集信號(hào)相類(lèi)似的波形。但階躍函數(shù)只能用于位移荷載，而四次正弦函數(shù)相對(duì)較為復(fù)雜。Hora等[11]采用了一種簡(jiǎn)單、光滑函數(shù)模型，其上升時(shí)間相對(duì)較短，符合混凝土開(kāi)裂時(shí)突發(fā)彈性波的特點(diǎn)，且具有較為豐富的頻率成分，其表達(dá)式為

其中a、b為控制聲源幅值和持續(xù)時(shí)間的參數(shù)。

本文采用了該力源變化模型，并根據(jù)混凝土構(gòu)件中超聲波頻帶的特點(diǎn)，取a=4×108N/s，b=4×106，使其頻帶為 0～600kHz。 聲源力f0（t）的變化如圖 1（c）所示。

由于結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)受結(jié)構(gòu)固有特性的影響，而混凝土開(kāi)裂必導(dǎo)致整個(gè)構(gòu)件剛度發(fā)生變化，為此采用等效彈性模量弱化的方法模擬開(kāi)裂區(qū)裂縫。此處等效彈性模量是混凝土微觀開(kāi)裂損傷所引起的材料宏觀彈性性質(zhì)。開(kāi)裂發(fā)生時(shí)開(kāi)裂區(qū)等效彈性模量快速降低，可在施加偶極子力的瞬時(shí)使開(kāi)裂區(qū)彈性模量按如下規(guī)律變化：

式中：E0——混凝土未損傷時(shí)的彈性模量；

Sα（t）——等效彈性模量衰減函數(shù)。

按如下規(guī)律使等效彈性模量迅速降低至接近0，其計(jì)算公式為

式中：t0——控制衰減時(shí)間，s；

α——調(diào)節(jié)衰減速度的無(wú)量綱參數(shù)。

t0和α可由裂縫擴(kuò)展速度確定。

2 計(jì)算結(jié)果

數(shù)值模擬研究了不同接收位置、不同開(kāi)裂程度等與聲信號(hào)之間的定量關(guān)系。其中不同接收位置包含不同接收距離和不同方位的影響；不同開(kāi)裂程度包括不同開(kāi)裂長(zhǎng)度和不同開(kāi)裂速度影響。

按裂縫開(kāi)裂長(zhǎng)度可將聲源激勵(lì)分為點(diǎn)源激勵(lì)和線(xiàn)源激勵(lì)。初始的微損傷、微開(kāi)裂或穩(wěn)定擴(kuò)展過(guò)程中較小的開(kāi)裂均可視為點(diǎn)源激勵(lì)，其他各類(lèi)較長(zhǎng)的開(kāi)裂均視為線(xiàn)源激勵(lì)。圖2為點(diǎn)源激勵(lì)情況下AE波的傳播，其中縱波、橫波、表面波以及當(dāng)縱波傳到固體自由表面時(shí)由于波型轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的頭波均明顯可見(jiàn)。其中表面波的振幅明顯大于其他波形。

圖2 AE波的傳播（下邊緣位置點(diǎn)源激勵(lì)）

對(duì)線(xiàn)源激勵(lì)，可將開(kāi)裂過(guò)程視為由若干點(diǎn)源按一定的速度順序激發(fā)。故此時(shí)的聲源包含了一系列上述復(fù)雜的波，其疊加效果受開(kāi)裂長(zhǎng)度、開(kāi)裂起始位置、開(kāi)裂速度、接收距離等多種因素的影響。因此，分析各種因素的影響非常必要。

實(shí)際應(yīng)用中，將AE傳感器粘附于構(gòu)件表面，聲源激勵(lì)超聲波引起的表面振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。由于通常的寬頻AE傳感器對(duì)法向速度νy更敏感[12]，因此采用νy隨時(shí)間的變化作為AE信號(hào)以分析其信號(hào)特征。此外，AE信號(hào)采集的時(shí)間起點(diǎn)并非裂縫起裂（聲源激勵(lì)）時(shí)間點(diǎn)，而是仿照聲發(fā)射系統(tǒng)的采集規(guī)則進(jìn)行，即先設(shè)定門(mén)檻值，該門(mén)檻值略小于縱波振幅，使得采集波形以縱波為時(shí)間起點(diǎn)。每個(gè)信號(hào)以2 500 kHz的采樣頻率采集1 024點(diǎn)，得到時(shí)長(zhǎng)為0.4096ms的波形。

3 分析與討論

數(shù)值模擬信號(hào)所受的影響因素較少，信號(hào)波形也相對(duì)簡(jiǎn)單直觀。這不但有利于研究不同位置的信號(hào)規(guī)律以便指導(dǎo)傳感器的安裝，同時(shí)有助于了解不同聲源的信號(hào)特征以便損傷識(shí)別時(shí)采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

3.1 不同接收位置對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的影響

聲發(fā)射檢測(cè)中的首要任務(wù)是獲取真實(shí)有效的AE信號(hào)。因此，了解AE信號(hào)的變化規(guī)律，確定傳感器的最佳安裝位置對(duì)檢測(cè)工作具有重要意義。

1）不同接收距離對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的影響

單點(diǎn)開(kāi)裂是最為簡(jiǎn)單的聲源形式，此時(shí)的AE信號(hào)相對(duì)單一，所受干擾最小，因此可用于研究不同接收距離對(duì)采集信號(hào)的影響。

對(duì)應(yīng)于裂紋起裂和穩(wěn)態(tài)緩慢擴(kuò)展兩種情況，分別考慮梁中部下側(cè)的點(diǎn)源開(kāi)裂（初始裂紋形成）和梁中部受拉區(qū)已有裂縫（設(shè)0.05m）處產(chǎn)生新的單點(diǎn)開(kāi)裂兩種情況，分別對(duì)應(yīng)于圖3中的聲源1和聲源2。在聲源一側(cè)沿聲源力激勵(lì)方向（垂直于混凝土開(kāi)裂方向）等距離選擇3個(gè)點(diǎn)（其中聲源1對(duì)應(yīng)Pd1、Pd2、Pd33 點(diǎn)，聲源 2 對(duì)應(yīng)Pm1、Pm2、Pm33 點(diǎn)），距聲源的距離分別為0.1，0.2，0.3m，采集其垂直于底面的速度響應(yīng)信號(hào)（νy）。盡管在實(shí)際應(yīng)用中難以用傳感器采集梁中部這些點(diǎn)的y方向的速度響應(yīng)信號(hào)，但了解其理論上的規(guī)律有助于探討實(shí)際應(yīng)用中上下表面采集信號(hào)的形成規(guī)律。

圖3 不同接收距離的信號(hào)采集（分邊界聲源和內(nèi)部聲源兩種情況）

圖4 聲源1產(chǎn)生的不同接收點(diǎn)的AE信號(hào)及其最大幅值隨傳播距離衰減規(guī)律

所得 3 點(diǎn)信號(hào)分別如圖 4（a）和圖 5（a）所示，其波形很好地反映了信號(hào)的傳播特征。由于采集的是垂直于下表面的速度信號(hào)，由波的傳播特性可知，首先到達(dá)的縱波，其幅值較小，但往往超過(guò)AE系統(tǒng)采集門(mén)檻而激發(fā)信號(hào)采集，并成為信號(hào)首波（圖中時(shí)間0點(diǎn)處波形）。接著是橫波和緊隨其后的表面波，表面波表現(xiàn)為圖中最大幅值，而橫波因與之緊鄰且幅值較小而不甚明顯。隨著傳播距離的增加，波形整體呈衰減趨勢(shì)。為更好地表現(xiàn)信號(hào)幅值隨傳播距離變化的規(guī)律，圖4（b）和圖5（b）分別給出了兩種情況下距聲源0.3m范圍內(nèi)10個(gè)點(diǎn)的信號(hào)幅值。由圖可見(jiàn)，由于面波在近場(chǎng)有一定的形成機(jī)制，信號(hào)的變化規(guī)律較為復(fù)雜，分別從0.18，0.12 m向外起，信號(hào)的衰減才遵循指數(shù)衰減規(guī)律。

2）不同接收方位對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的影響

圖5 聲源2產(chǎn)生的不同接收點(diǎn)的AE信號(hào)及其最大幅值隨傳播距離衰減規(guī)律

圖6 不同方位的接收點(diǎn)及上表面接收點(diǎn)

傳感器位置對(duì)采集信號(hào)的影響除傳感器與聲源的距離外，還與方位有關(guān)。接收方位以聲源和接收點(diǎn)的連線(xiàn)與開(kāi)裂方向之間的夾角表示。對(duì)接收距離為0.1m，夾角分別為 0°、30°、45°、60°、90°及 120°6 點(diǎn)的AE信號(hào)進(jìn)行了比較。其中，0°點(diǎn)位于裂縫擴(kuò)展前方，90°點(diǎn)為點(diǎn)源力作用方向，而120°點(diǎn)正好位于梁的下表面（見(jiàn)圖6）。

由圖7所示各點(diǎn)AE波形可見(jiàn)，由于內(nèi)力源的方向垂直于開(kāi)裂方向，在0°～90°角之間信號(hào)幅值總體隨著角度的增加而增大，但除0°角和120°角外差別并不顯著，且具有相似的波形。而0°角接收點(diǎn)位于裂縫前方，因而信號(hào)波幅很小；120°點(diǎn)則正好位于梁的下表面，除接收到縱波和橫波外，還有幅值更大的表面波。

圖7 不同方向接收點(diǎn)的AE信號(hào)

可見(jiàn)，在布置傳感器時(shí)應(yīng)注意不宜將傳感器安裝在可能的開(kāi)裂前方位置（0°角附近），而選擇30°～90°角之間的點(diǎn)較為合適。從采集的信號(hào)來(lái)看，垂直于裂縫的90°角方向信號(hào)受到的干擾最小，但實(shí)際情況下往往難以實(shí)現(xiàn)此方向的安裝。因此綜合上述信號(hào)特點(diǎn)，將傳感器安裝在45°方向的表面上比較好。

120°點(diǎn)的接收信號(hào)以幅值較大表面波為主。表面波由聲源信號(hào)沿裂縫表面下行至下表面后再沿下表面?zhèn)鞑バ纬桑蚨斐尚盘?hào)波形相對(duì)復(fù)雜。此外，若傳感器置于構(gòu)件開(kāi)裂側(cè)，則開(kāi)裂位置可能恰好發(fā)生于傳感器粘接處，造成信號(hào)劇烈變化。但傳感器置于下表面（開(kāi)裂面）也有一定的優(yōu)勢(shì)：由于表面波能量損失較小，傳播距離遠(yuǎn)，因此在大型結(jié)構(gòu)的AE檢測(cè)中，可利用該特點(diǎn)將傳感器布于構(gòu)件的開(kāi)裂側(cè)，并保持較大的傳感器間距，從而節(jié)省傳感器數(shù)量。但需注意此時(shí)對(duì)聲源的定性和定量判斷準(zhǔn)則與他處有較大差異。

圖8 梁上表面不同接收點(diǎn)的AE信號(hào)及其最大幅值隨傳播距離衰減規(guī)律

對(duì)圖6中梁上表面等間距的3點(diǎn)Pu1、Pu2、Pu3來(lái)說(shuō)，既有接收距離的差別，又有方位角的差別。但由于處于上表面，該3點(diǎn)均處于合理的方位角范圍內(nèi)（37°～67°），因此，信號(hào)幅值的差別主要來(lái)自距離的影響。即除靠近對(duì)稱(chēng)軸附近由于方位角很?。?°附近）使得幅值較小外，總體是距離越遠(yuǎn)，幅值越小的規(guī)律（圖8（a））。同時(shí)可見(jiàn)，隨著傳播距離的增加，橫波與縱波的到達(dá)時(shí)間也相應(yīng)增加，使得圖中兩者的時(shí)間差也越來(lái)越遠(yuǎn)。因此，由信號(hào)中橫波與縱波間的時(shí)間差亦可判斷聲源距離，并作為聲源定位的依據(jù)。圖8（b）反映了上表面各接收點(diǎn)AE信號(hào)幅值隨傳播距離衰減的規(guī)律，其中靠近對(duì)稱(chēng)軸區(qū)域的接收點(diǎn)由于方位角較小，AE信號(hào)幅值較小，且距離（角度）稍有增加信號(hào)幅值即迅速增大。該區(qū)域?qū)嶋H上屬于“圣維南區(qū)域”，信號(hào)變化較為劇烈，不適合用于聲源定量分析，因此布置傳感器時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)，但離開(kāi)的距離太遠(yuǎn)時(shí)又會(huì)使信號(hào)有較大衰減。因此，與前述結(jié)論相同，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)將采集點(diǎn)設(shè)置在距對(duì)稱(chēng)軸（開(kāi)裂線(xiàn)）的距離與梁高相當(dāng)?shù)奈恢茫蛊涮幱诤侠淼姆轿唤欠秶鷥?nèi)，并獲得清晰信號(hào)。

根據(jù)上述不同傳感器接收位置處聲發(fā)射信號(hào)的討論，可得AE信號(hào)的變化規(guī)律如表1所示。由此可總結(jié)出傳感器安裝準(zhǔn)則如下：

1）對(duì)高度較小的梁可置于開(kāi)裂側(cè)對(duì)面的表面上，水平距離為一倍梁高附近，使方位角和距離均處于較佳的范圍，以獲得更好的波形。

2）對(duì)較大的梁，可置于開(kāi)裂側(cè)表面，以獲得較大的信號(hào)。

實(shí)際AE測(cè)試中，開(kāi)裂位置往往無(wú)法事先確定，則可根據(jù)傳感器陣列進(jìn)行定位，并根據(jù)定位結(jié)果，結(jié)合該準(zhǔn)則確定傳感器陣列中的最佳傳感器位置，并以該傳感器信號(hào)進(jìn)行損傷識(shí)別。

3.2 不同開(kāi)裂程度對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的影響

對(duì)實(shí)際混凝土構(gòu)件而言，開(kāi)裂程度包含多層含義。如裂縫已經(jīng)擴(kuò)展的程度（構(gòu)件所處的損傷狀態(tài)）、單次開(kāi)裂中裂紋擴(kuò)展的長(zhǎng)度（損傷狀態(tài)的變化程度）、裂紋擴(kuò)展的速度（損傷狀態(tài)的變化速度）等。在AE測(cè)試期間，安裝好的傳感器通常不再更改位置。因此研究不同開(kāi)裂程度對(duì)AE信號(hào)的影響旨在了解AE信號(hào)特性是否有較大變化，以便于損傷識(shí)別時(shí)采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

首先考慮不同開(kāi)裂位置（損傷狀態(tài)）的影響，即在已開(kāi)裂的不同程度下，由裂尖處新的點(diǎn)源模擬微裂紋引起的AE信號(hào)（圖9）；其次針對(duì)不同的開(kāi)裂長(zhǎng)度（損傷變化程度），以點(diǎn)源模擬微裂紋的形成，較短的線(xiàn)源模擬規(guī)模較小的裂紋擴(kuò)展，較長(zhǎng)的線(xiàn)源對(duì)應(yīng)嚴(yán)重的穩(wěn)定擴(kuò)展或失穩(wěn)擴(kuò)展；最后考慮開(kāi)裂速度，較低的速度對(duì)應(yīng)較穩(wěn)定的擴(kuò)展，較高的速度對(duì)應(yīng)較嚴(yán)重的擴(kuò)展。

表1 不同位置AE傳感器接收信號(hào)規(guī)律

圖9 不同開(kāi)裂程度下的聲源及接收點(diǎn)

圖10 不同開(kāi)裂程度的AE信號(hào)

根據(jù)表1的規(guī)律，選擇梁上表面距聲源水平位置0.1 m的點(diǎn)Pu1作為信號(hào)接收點(diǎn)（圖9），以便對(duì)不同開(kāi)裂程度下的AE波形進(jìn)行比較。

圖10（a）為3個(gè)不同位置（相距0.05 m）點(diǎn)源激發(fā)，同一點(diǎn)（Pu1點(diǎn)）接收的AE信號(hào)。由于均為點(diǎn)源激勵(lì)，故總體而言三者具有相似的波形特征，縱波和橫波清晰可見(jiàn)，而后續(xù)的邊界反射波也隱約可見(jiàn)。只是相對(duì)而言，后兩個(gè)位置均處于已有裂縫尖端，聲源發(fā)射時(shí)有部分波沿裂縫面下行，使得上表面接收點(diǎn)的波形幅值變小，繼而下行波再次反射向上將形成干擾波，使得波形中的反射波更加復(fù)雜。

其次是開(kāi)裂長(zhǎng)度的影響。分別對(duì)點(diǎn)源、開(kāi)裂長(zhǎng)度為0.05m、開(kāi)裂長(zhǎng)度為0.1m 3種情況進(jìn)行了計(jì)算和分析?；炷敛牧现辛鸭y的擴(kuò)展速度通常在1500m/s以下[13]，小于波的傳播速度，因此計(jì)算中開(kāi)裂速度均假設(shè)為1000m/s。對(duì)于線(xiàn)源，可通過(guò)在加載區(qū)按時(shí)間順序施加若干偶極子實(shí)現(xiàn)，且相鄰加載時(shí)間的延遲取決于開(kāi)裂速度。

圖10（b）為上述3種情況下Pu1點(diǎn)采集的信號(hào)。線(xiàn)源產(chǎn)生的AE信號(hào)實(shí)際上反映了更為嚴(yán)重的損傷事件，因此必須對(duì)其特征進(jìn)行了解。由于線(xiàn)源開(kāi)裂為一系列連續(xù)的聲源，先后發(fā)出的AE波相互疊加形成最終波形，其波形特性與波速、開(kāi)裂速度及構(gòu)件尺寸等均有關(guān)?？傮w而言信號(hào)能量隨開(kāi)裂長(zhǎng)度增加而增大（但并非比例關(guān)系），信號(hào)持續(xù)時(shí)間也隨之增加，波形相對(duì)較為復(fù)雜。

最后研究開(kāi)裂速度的影響。在同樣開(kāi)裂長(zhǎng)度下（0.05m），分別以 500，750，1000，1250，1500，1750m/s的開(kāi)裂速度進(jìn)行比較。結(jié)果表明，各信號(hào)具有顯著不同的時(shí)域和頻域特征（頻域分析由基于Hilbert-Huang變換的邊際譜分析得到），且無(wú)明顯規(guī)律。這是由于線(xiàn)源開(kāi)裂信號(hào)來(lái)自連續(xù)的多源激勵(lì)及復(fù)雜的邊界反射的波形疊加，其疊加結(jié)果受各波形的相位特征影響很大，使得合成信號(hào)的幅值和頻率特征具有較大的離散性。況且材料的開(kāi)裂速度往往難以確定，因此實(shí)際檢測(cè)中以開(kāi)裂速度衡量開(kāi)裂狀況并探尋其AE特性并不可取。可采用同樣反映開(kāi)裂破壞程度，并與開(kāi)裂速度密切相關(guān)的開(kāi)裂長(zhǎng)度作為衡量指標(biāo)。

綜上所述，當(dāng)構(gòu)件發(fā)生顯著開(kāi)裂破壞時(shí)（線(xiàn)源），聲發(fā)射信號(hào)具有幅度大、能量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、波形復(fù)雜等特點(diǎn)，其幅值超過(guò)點(diǎn)源信號(hào)1～2個(gè)數(shù)量級(jí)（圖10（b））。在此情況下，傳感器位置對(duì)信號(hào)波幅的影響可以忽視。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)混凝土構(gòu)件中常見(jiàn)開(kāi)裂形式的數(shù)值模擬，分析了AE信號(hào)的變化規(guī)律，提出AE檢測(cè)中傳感器的安裝準(zhǔn)則，主要結(jié)論如下：

1）通過(guò)不同接收位置信號(hào)的波形分析，總結(jié)了用于AE檢測(cè)的傳感器安裝準(zhǔn)則，為獲取清晰、穩(wěn)定、不失真的AE信號(hào)提供理論依據(jù)。

2）當(dāng)構(gòu)件發(fā)生顯著裂紋擴(kuò)展破壞時(shí)，傳感器位置對(duì)信號(hào)波幅的影響通常可以忽視，但仍需避開(kāi)不合理安裝區(qū)域。

3）由于計(jì)算的復(fù)雜性，數(shù)值模擬基于簡(jiǎn)化的均質(zhì)材料，而實(shí)際鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的對(duì)波影響不容忽視，需進(jìn)一步研究以使結(jié)論更具廣泛意義。

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（編輯：李妮）

Acoustic emission sensor installation strategy based on numerical simulation and waveform analysis

GU Aijun1，HAN Wenqin2
（1.School of Hydraulic，Energy and Power Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225127，China；2.School of Material Engineering，Jiangsu University of Technology，Changzhou 213001，China）

In order to improve the quality of acoustic emission signal acquisition and realize the reliable damage detection， a concrete component was studied numerically to investigate the quantitative relationship between cracking damage and acoustic emission signals.The propagation characteristics of signals were acquired by analyzing waveform of signals.The sensor installation guidelines， including avoiding Saint-Venant's area， eluding unreasonable orientation， and closing to the damage source，were established in accordance with the signal principle of clearness and stableness.Meanwhile it was confirmed that the influence of sensor position could be ignored when cracking was acute.The study provides a theoretical basis for sensors location and damage diagnosis by acoustic emission signals in practical engineering.

acoustic emission；numerical simulation；sensor installation strategy； waveform analysis；signal characteristics

A

1674-5124（2017）11-0117-07

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.11.023

2017-04-09；

2017-05-13

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部項(xiàng)目（2016-K4-074）

顧愛(ài)軍（1968-），男，江蘇泰興市人，副教授，博士，主要從事固體力學(xué)與無(wú)損檢測(cè)方法研究。