CN101457534B - 冲击弹性波激励残留信号抑制装置及抑制方法 - Google Patents

Abstract

冲击弹性波激励残留信号抑制装置及抑制方法，属于波动传输与测量领域，涉及到一种冲击弹性波激励残留信号的抑制装置及抑制方法。该装置包含一个具有稳态荷载功能的冲击激励装置和一个冲击激励的电信号发生装置，即控制器；所述的冲击激励装置，它又包含一个固定在安装支架一侧的冲击部，冲击部端头套有一个缓冲垫片；该安装支架的另一侧，并列固定一个可改变冲程的冲程调节器；所述冲击部由电磁铁和冲击棒、复位弹簧组成。所述装置和方法可对冲击弹性波激励残留信号进行很好的的抑制，使测试准确度得以提高。

Description

冲击弹性波激励残留信号抑制装置及抑制方法

技术领域

本发明属于波动传输与测量领域，特别涉及到冲击弹性波激励残留信号的抑制装置及抑制方法。

背景技术

桩基础是工程结构中常用的基础类型，约占全部工程结构基础的70％以上。由于它是地下隐蔽结构物，在施工过程中极易出现各类缺陷，故对桩基础进行全面质量监督检验就显得十分必要。其中，低应变动力检测，是比较有效的方法，是上世纪7、80年代由美、日等国发展起来的一种新兴的检测方法，简称“PIT”法。当桩顶受到一冲击力后，激励产生的应力以波动形式在桩身中向下传播，遇到端面或缺陷面等波阻抗差异面后，发生反射波信号。通过检测分析反射波的特性来分析桩身中缺陷的有无、位置以及核算桩长或材质，从而达到检查桩身质量的目的。该方法由于采用的是弹性波的反射信号，为了与其他方法(如“跨孔法”)区别，在此称之为“反射波法”。

从理论上讲，反射波法不仅可以用来测桩，还可以测试其他柱状结构物(如高速公路护栏立柱、各类锚杆等)。然而，除了现场浇筑的实心桩测试结果较为理想以外，该方法对其他各类(特别是中空)桩(如钢管桩、离心预制桩等)、柱的测试效果均不理想。其主要原因在于，反射信号能量较低而且容易受到各种噪声的影响。其中，激励发射信号时的残留信号(自由振动)是非常重要的影响因素之一(附图-1)，在中空桩、柱中更为突出，严重地影响到反射信号的识别，以至无法进行有效的测试。目前，对于该问题，尚无很好的解决方法。

对于以“PIT”为代表的反射波法，首先需要激励产生发射信号。产生激励的方法一般有两类，即：

1)采用稳态连续信号：利用机械振动或电磁振动的方法产生连续的振动信号，通过测试物体的响应来判别其健全性。

2)采用单一脉冲信号：利用锤体与对象物体撞击的方法产生一个脉冲信号。通过测试该脉冲信号的反射特性来判别物体的健全性。

其中，稳态连续信号的激振需要比较复杂的设备，而且对其频谱有严格的要求，应用面较窄。因此，工程中往往采用单一脉冲信号作为发射信号。如果能够产生如附图1-1A那样脉冲信号是非常理想的。

然而，利用锤体与对象物体撞击的方法虽然简便易行，并可以调整发射信号的频率，但难以控制激振信号的持续时间。这是因为锤体冲击结束后，物体被冲击的部分会发生自由振动(即残留振动，后文中统称为“残留振动”)。该残留振动也会不断地产生发射信号，即称为“残留信号”，从而使得如附图1-1B那样持续较长时间，为以后测量中抽取反射信号带来很大的不便。因此，如果能够对残留信号进行有效的抑制，对提高PIT法的测试精度是非常有帮助的。

为此，研究者们也作了很多努力，提出了不少方法(在此称为“传统方法”)。为了说明传统的抑制残留信号的方法是如何工作的，需要先说明残留振动的特性和影响因素。

将柱顶有关的振动部分简化成一个振动系统后，振动分析力学模型如附图1-2所示。在柱顶作用一个冲击力F后，系统将产生自由衰减振动(即残留振动)。

当冲击时间较短时，可以把冲击力简化为一脉冲信号(附图1-3)，其冲击力F随时间的积分可以表示为冲量I：

$I\left(\mathrm{\ζ}\right)=\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}F\left(t\right)\mathrm{\δ}(t-\mathrm{\ζ})\mathrm{dt}$ (式-1)

其中，δ(t-ζ)为单位脉冲函数，

在该脉冲信号的冲击下，振动系统的响应(即为自由振动或残留振动)可以表示为：

$y\left(t\right)=\frac{I}{\sqrt{(1-h^2)\mathrm{KM}}}{e}^{-\mathrm{\ωht}}\·\sin \left(\sqrt{1-h^2}\mathrm{\ωt}\right)$ (式-2)

其中：ω为角频率， $\mathrm{\ω}=\sqrt{K/M};$

K为反映系统刚性的弹簧系数；

h为衰减比， $h=\frac{c}{2\sqrt{\mathrm{KM}}};$

c为阻尼系数；

如果把单位冲击力时的响应表示为g(t)时，式-2又可以表示为：

y(t)＝I(t)·g(t)                            (式-3)

其中， $g\left(t\right)=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{KM}(1-h^2)}}{e}^{-\mathrm{\ωht}}\·\sin \left(\sqrt{1-h^2}\mathrm{\ωt}\right)$ (式-4)

附图1-4为g(t)的一个例子。可以看出，在角频率ω不变而衰减比h较小时，残留振动的衰减项e^-ωt衰减较慢而持续时间较长，给反射信号的提取带来了很大的困难。

通常，传统的抑制残留振动的方法就是基于式-4，其原理大致如下；

从式-4可以看出，采用以下两种方法可以有效地衰减残留振动：

1)提高激振信号的角频率ω

该方法一方面可以抑制残留振动，另一方面有利于提高分辨率。然而，该方法存在以下两个缺点：

(1)在沿对象体(桩、柱、锚杆等)传播过程中衰减较快，当对象体较长，周围土体材料坚硬时信号的衰减大，反射信号弱并难以捕捉。因此，过高的频率不利于反射波法的检测。

(2)为了产生具有一定能量的高频信号，在激振时往往需要冲击锤体具有一定的冲击力，因而在与测试对象体的碰撞过程中会产生较大的碰撞声响。碰撞声的持续时间往往较长，反过来又会影响测试信号，形成新的噪声源。特别是当对象体是中空柱时，碰撞声很可能在空腔中产生共鸣，从而有所放大，严重地影响测试精度。因此，在中空桩、柱的测试中单纯采用提高频率的方法具有很大的局限性。

2)提高衰减比h(阻尼)；

采用提高衰减比h(阻尼)的方法是比较有效的。因此，在针对固体材料探伤的超声波探头中，有的厂商即采用高阻尼的构造。但是，衰减比h是对象材料及结构的固有特性，难以通过外界方法加以改变。因此，在弹性波反射波法的检测中，提高衰减比h的方法难以实行。

综上所述，在PIT测试中，采用通常传统的抑制残留振动的方法如提高激振信号的角频率ω或提高阻尼的方法都难以取得明显的效果。因而是不适宜采取的。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是，针对现有的利用反射波法测量桩或柱状结构物时，由于残留信号的存在影响到对反射信号的识别，从而严重影响测试精度。为了克服这一缺陷，提高测试的有效性，就需要研究出对残留信号加以抑制的方法。本发明的目的，就是提供一种对冲击弹性波激励残留信号的抑制装置及抑制方法。

如上所述，在冲击激励桩/柱顶的弹性波信号中，除了开始的冲击脉冲信号外，还有之后的残留振动信号(附图1-1B)。其中，冲击脉冲信号持续时间短，是PIT分析方法中所需的信号源，残留振动信号则是主要的噪声源，持续时间长。理想的PIT信号是仅有冲击脉冲信号而无残留自由振动信号。如果残留振动信号振幅过大、持续时间过长则会严重影响反射信号的识别，大大增加测试难度。

为了实现本发明的上述目的，所采用的技术方案如下：总括为一种冲击弹性波激励残留信号的抑制装置及抑制方法，其中，A冲击弹性波激励残留信号的抑制装置，其特征在于，该装置包含一个具有稳态荷载功能的冲击激励装置和一个冲击激励的电信号发生装置，即控制器；所述的冲击激励装置，它又包含一个固定在安装支架一侧的冲击部，冲击部端头套有一个缓冲垫片；该安装支架的另一侧，并列固定一个可改变冲程的冲程调节器；所述冲击部由电磁铁和冲击棒、复位弹簧组成。B一种按照上述冲击弹性波激励残留信号的抑制装置所采用的抑制方法，其特征在于，该方法按照如下步骤操作，检查能够施加持续静荷载功能的硬件装置；根据测试对象的具体特性设置冲击电压及接通时间参数；一般来说，对于尺寸较大的桩、柱需要较高的冲击力，在电磁铁已选定的情况下，可采用较高的脉冲电压，如24V，而一般的立柱、锚杆等则采用较低，如12V的脉冲电压。接通时间则要求长于弹性波在测试对象中5次往复的时间；将冲击装置设置在测试对象上；通过开关接通控制器电源发出预先设定好的电压信号；冲击部在该电压信号的驱动下，冲击测试对象并产生发射信号；通过传感器测试反射信号，求得测试结果。

本方案所基于的理论基础，作如下阐述：通过在激振信号中增加稳态荷载的方法来抑制冲击弹性波激励过程中残留的信号，使得发射信号接近于附图1-1A的脉冲信号。从而有利于信号的分析，提高反射波信号的识别精度，进而提高对桩、柱、锚杆等的测试精度。

传统的激振方法是让锤体冲击测试对象(桩、柱)从而产生冲击弹性波，冲击过后，锤体离开被测物体，因此，其对被测体的冲击力，为一脉冲过程。当锤体离开被测物体后，外力变为0，被测物体成为自由振动状态。

而本发明则提出了不同的激振方法。其关键在于通过增加附加质量和附加静荷重的方法，使得在激振过程中，保持打击锤体不离开测试体表面，并始终保持一定的静荷重(其概念如附图1-6A、B)。

采用该方法，可以有效地衰减残留振动。其基本原理如下：

对于附图1-6-B中的荷载信号，可以表示为两部分：

F(t)＝F_p(t)，t＜t₀                            (式-5)

F(t)＝F₀U(t)，t≥t₀                            (式-6)

其中，F_P(t)与通常的锤击产生的脉冲荷载(式-1)过程相同，而F₀为持续的静荷载。其中的U(t)为单位跃阶函数，即 $\left\{\begin{array}{cc}U\left(t\right)=0;& t<t_0\\ U\left(t\right)=1;& t\&GreaterEqual;t_0\end{array}\right.$

在任意荷载下，系统的响应可以表示为

y(t)＝∫F(ζ)·g(t-ζ)dζ                      (式-7)

在F₀的作用下，位移响应为：

$y\left(t\right)=\frac{F_0}{K}\{1-\frac{e^{-\mathrm{\&omega;h}(t-t_0)}}{\sqrt{1-h^2}}\&CenterDot;\cos [\sqrt{1-h^2}\mathrm{\&omega;}(t-t_0)-\mathrm{\&phi;}\left]\right\}$ (式-8)

其相位角 $\mathrm{\&phi;}={\tan }^{-1}\frac{h}{\sqrt{1-h^2}}.$ 因此，对于如附图1-6-B的脉冲+静载后，t≥t₀时的位移响应可以表示式-2与式-8的叠加：

$y\left(t\right)=\frac{F_0}{K}+\frac{I}{\sqrt{\mathrm{KM}(1-h^2)}}{e}^{-\mathrm{\&omega;ht}}\&CenterDot;\sin \left(\sqrt{1-h^2}\mathrm{\&omega;t}\right)-\frac{F_0{e}^{-\mathrm{\&omega;h}(t-t_0)}}{K\sqrt{1-h^2}}\&CenterDot;\cos [\sqrt{1-h^2}\mathrm{\&omega;}(t-t_0)-\mathrm{\&phi;}]$ (式-9)

式-9中的常数项

表示在持续静荷载下产生的位移，为一常数项。由于在冲击弹性波测试中，通常采用测试加速度或速度的方法，由于

的微分为0，所以其测试值为0。

分析式-9的后两项，可以看出，通过适当选取相关参数(如F₀、I、t₀等)，可以大大削弱y(t)的振幅。一般来说，通过增加

可以更好地抑制残留振动。

冲击弹性波的激励方式很多，最常见的为锤击。然而在锤击后，打击锤立即会反弹，难以实现所示的持续静荷载。为此，本发明通过开发的硬件装置来实现增加稳态荷载的方法，从而抑制了自由振动的振幅。

同时，由上述分析可以看出，为了有效地衰减残留振动，不仅需要增加持续静荷载F₀，而且需要各个参数匹配适当。如I过大而F₀过小时，就起不到明显的作用。另一方面，在实际的测试中，由于被测对象的不同，往往需要在测试现场加以调整。因此，本发明还开发了一套冲击激振装置，可以在测试现场中方便地调整激振参数，从而达到最佳效果。

本发明的有益效果为，所述装置和方法可对冲击弹性波激励残留信号进行很好的的抑制，使测试准确度得以提高。

附图说明

附图1-1冲击激励的弹性波及其反射信号和噪声信号；

附图1-1A理想的冲击弹性波脉冲信号；

附图1-1B残留信号对发射信号的影响；

附图1-2冲击柱顶力学模型；

附图1-3脉冲信号的冲击力；

附图1-4单位冲击力时的响应表示g(t)的代表例；

附图1-5A激振后锤体离开，冲击力为瞬间脉冲信号；

附图1-5B激振后锤体仍保持对测试对象施加压力，冲击力为瞬间脉冲信号+持续静载信号；

附图1-6残留振动削弱后的概念；

附图2-1具有稳态荷载功能的冲击激励的机械装置(冲击部及冲程调节器)；

附图2-2冲击激励的电信号发生装置(控制器)；

附图2-3冲击激励装置在立柱测试中的安装图；

附图2-4控制器产生的脉冲信号图；

附图2-5实施步骤流程图；

附图2-6立柱测试实例示意图。

具体实施方式

参照图1到图1-6，这九幅图是表述冲击弹性波以及其残留信号是如何产生和传播的，为本发明提及的抑制装置及抑制方法铺垫了一个理论认识和基础。

参照图2-1到图2-3，表示对残留信号抑制装置的形状结构示意图，图中表示了冲击激励装置中冲击部1及冲程调节器2的结构位置关系。

附图2-4所示的是具有施加持续静荷载功能的硬件装置。冲击弹性波激励残留信号的抑制装置包括以下两部分，即附图2-1所示的具有稳态荷载功能的冲击激励装置和附图2-2所示的冲击激励的电信号发生装置(控制器)。

1)控制器：控制器由电池、开关电路、单片机开关时间控制回路等构成。当开关接通时，控制器会产生一个预先设定时间长度的直流电压脉冲，输入冲击激励装置，产生电磁驱动力F_D并驱动冲击激励装置冲击部的电磁铁运动。

电磁驱动力F_D与驱动电压成正比。

2)冲击激励装置冲击部：冲击部由电磁铁和冲击棒、复位弹簧组成。

其中，冲量I与冲击时的冲击棒的速度V₀成正比，即：

I∝M₀V₀                        (式-10)

M₀为冲击体的质量。V₀则可以表示为：

$V_0=\underset{0}{\overset{\mathrm{\&tau;}}{\&Integral;}}a\left(x\right)\mathrm{dt}$ (式-11)

其中，τ为冲击体开始运动到冲击对象体的时间，a(x)为冲程x(即冲击棒从静止位置开始的距离)时的加速度；

$a\left(x\right)=\frac{F_D-\mathrm{kx}}{M_0}$ (式-12)

其中，k为复位弹簧的弹簧系数，一般为定值。因此，式-11又可以表示为：

$I\&Proportional;\underset{0}{\overset{\mathrm{\&tau;}}{\&Integral;}}(F_D-\mathrm{kx})\mathrm{dt}$ (式-13)

从式-14可以看出，当电磁力大于回复力(F_D＞kx)时(在一般的参数条件下，冲程x不是特别长时，该条件容易满足)，冲量I则是随着冲程x的增加而增大。

另一方面，冲击体对被测体的静载F₀即为：

F₀＝F_D-kx                      (式-14)

对于静载F₀，当冲程x为0时F₀为最大值，随着冲程x的增加而减少。

由此可以看出，在电磁驱动力F_D一定的情况下，

主要由冲击棒的冲程x决定。冲程越小，

越大，对残留振动的抑制效果也就越明显。另一方面，当冲程过小时，

冲量I过小使得信号能量过弱，给信号的采样等带来困难。因此，采取适当的冲程是非常重要的。

3)冲程调节器：

从上文可以看出，采取适当的冲程对于测试精度的提高起着非常重要的作用。

为此，我们制作了冲程调节器。当本装置用于测试立柱等结构时，可以方便地调节冲程。

4)缓冲垫片：缓冲垫片不仅可以防止在激振过程中产生声响，还可以降低冲量I，从而调整I/F₀。

5)安装支架：对于测试立柱等柱状物体时，可以利用安装支架来固定激励装置。该装置的使用可以使激励后的过程中，始终保持一定的静荷重。

实施安装图参考附图2-5。

参照图2-6，表示本发明中抑制方法流程图：

a)检查能够施加持续静荷载功能的硬件装置；

b)根据测试对象的具体特性设置冲击电压及接通时间参数；(一般来说，对于尺寸较大的桩、柱需要较高的冲击力，在电磁铁已选定的情况下，可采用较高的脉冲电压(如24V)，而一般的立柱、锚杆等则采用较低(如12V)的脉冲电压。接通时间则要求长于弹性波在测试对象中5次往复的时间)；

c)将冲击装置设置在测试对象上；

d)通过开关接通控制器电源发出预先设定好的电压信号；

e)冲击部在该电压信号的驱动下，冲击测试对象并产生发射信号；

f)通过传感器测试反射信号，求得测试结果。

实验可知与没有加稳态荷载冲击激励装置的波形相比较，可以看出增加稳态荷载的系统产生的波形具有激振信号衰减快，残留振动时间短，噪声小的特点，很好的抑制了残留振动。

Claims (2)

1.一种冲击弹性波激励残留信号的抑制装置，其特征在于，该装置包含一个具有稳态荷载功能的冲击激励装置和一个冲击激励的电信号发生装置，即控制器；所述的冲击激励装置，它又包含一个固定在安装支架一侧的冲击部，冲击部端头套有一个缓冲垫片；该安装支架的另一侧，并列固定一个可改变冲程的冲程调节器；所述冲击部由电磁铁和冲击棒、复位弹簧组成。

2.如权利要求1所述的一种冲击弹性波激励残留信号的抑制装置所采用的抑制方法，其特征在于，该方法按照如下步骤操作，a检查能够施加持续静荷载功能的硬件装置；b根据测试对象的具体特性设置冲击电压及接通时间参数；c将冲击装置设置在测试对象上；d通过开关接通控制器电源发出预先设定好的电压信号；e冲击部在该电压信号的驱动下，冲击测试对象并产生发射信号；f通过传感器测试反射信号，求得测试结果。

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