Page 81 - 无损检测2023年第八期

徐晓阳, 等:

基于声发射信号能量衰减的混凝土材料损伤检测

料阻尼引起的衰减保持不变, 但波散射引起的衰减 1.2 损伤声发射源定位
可能会随损伤进展而增加, 尤其在材料产生横向基 声发射信号在混凝土材料中传播时, 波速会发
体裂纹时, 能量衰减的增加更为明显 [ 9 ] 。鉴于此, 笔 生衰减 [ 13-14 ] 。波速随着传播距离的增加逐渐变小,
者通过采集三点弯曲荷载下混凝土梁的 AE 信号能 波速变化的速率也会相应逐渐变小; 当传播到一定
量, 并比较能量衰减程度与宏观挠度变形及应力水 距离后, 波速变化不再明显。由此可以得到信号的
平间的关联模式, 提出一种基于 AE 信号能量衰减 波速衰减模型, 定义信号传播距离为x 时的平均波
的混凝土损伤评估方法并对混凝土试件进行检测, 速为V ( x ), 则有
试验结果表明, 声发射方法可实时量化评估混凝土 V ( x ) ae - bx ( 4 )
=
试件的损伤状态, 并对试件宏观裂纹出现后承载模 式中: a , b 均为波速衰减相关系数。
式的转变进行预警。 对于两个传感器的线性定位, 利用时差法可得
)
1 混凝土材料损伤的 AE能量衰减评估方法 V ( L+x )( t 1- t 0 = L+x ( 5 )
)
V ( L-x )( t 2- t 0 = L-x
1.1 声发射能量衰减 式中: x 为源n 在线性坐标系上的位置; t 0 为源n
声发射信号能量衰减的主要致因有弹性波传播 产生信号的起始时刻; t 1 t 2
, 分别为传感器 A1 , A2
距离、 传感器与材料表面之间的耦合程度、 传感器的 采集到信号的时刻。
响应频率、 材料损伤造成的能量衰减等。波动理论 将式( 5 ) 合并, 可得以下线性定位方程
指出, 声发射弹性波的能量随着传播距离的增加呈 L+x L-x
-
指数下降 [ 10-12 ] , 则由与源n 距离为x 的传感器接收 V ( L+x ) V ( L-x ) = t 1- t 2 ( 6 )
到的源 n 产生的声发射信号能量可表示为
2 钢筋混凝土梁三点弯曲声发射监测试验
·
·
E x = E n C x e - Bx ( 1 )
为与源n 距离为x 的传感器接收到的声 2.1 试件
式中: E x

为在源 n 处产生的原始声发射信号能
发射能量; E n 试件为3根尺寸为550mm×150mm×150mm
为传感器特性及其与材料表面耦合条件所决 ( 长× 宽 × 高) 的标准混凝土梁, 分别记为 Z1 , Z2 ,
量; C x
定的常数; B 为衰减系数, 其与传播介质有关, 会随 Z3 。其混凝土强度等级为 C25 , 配合比为 0.47∶1∶
损伤的发展而变化。 1.34∶3.13 ( 水 ∶ 水泥 ∶ 砂 ∶ 石子)。梁跨中设置有深为

笔者围绕两个传感器之间线性区域的能量衰减 10mm , 宽为2mm 的预置裂缝, 受拉区内置2根直

展开研究。选取传感器 A1和传感器 A2的中点为 径为6mm 的 HRB335圆面钢筋, 混凝土试件实物
线性坐标原点, 传感器 A1所在方向为负方向, 传感 如图1所示。
器 A2所在方向为正方向, 记 A1 和 A2 间距离为
2 L , 则有
·
·
E 1= E n C 1 e - B ( L + x )
· · - B ( L - x ) ( 2 )
E 2= E n C 2 e
, 分别为传感器 A1 , A2 所采集信号
式中: E 1 E 2
, 分别为表征传感器 A1 , A2 采集
的能量; C 1 C 2
能力的常数。
为简化分析过程, 定义 R ( x ) 为能量衰减比率
, 可得
的自然对数。通过合并式( 2 ) 消除E n
E 1 C 1
=
R ( x ) ln = ln -2 Bx ( 3 )
E 2 C 2 图1 混凝土试件实物( 含破坏后裂纹)

/ )表示传感器 A1与传感器 A2对源
2.2 加载及测量方案
式中: ln ( C 1 C 2
n 处信号能量的相对采集能力, 在传感器布置完成
混凝土材料在损伤发展过程中会产生大量 AE
后, 其为常数; 2Bx 表示传播的影响, 其取决于源位
信号, 损伤发展越快, 信号密集程度越高。传感器接
置x 和衰减系数B 。
收的单个信号可能由多个声发射事件叠加形成, 因
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2023年 第45卷 第8期
无损检测