CN107991392A - 一种利用声发射检测土质综合体土料特性的无损检测方法 - Google Patents

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陆俊
明攀
胡少伟
范向前
董茂干
陈徐东
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    • G01N29/11—Analysing solids by measuring attenuation of acoustic waves

Abstract

本发明涉及一种利用声发射检测土质综合体土料特性的无损检测方法，在媒质内部或材料表面合理布置若干对声发射传感器和声接收传感器，声接收传感器的接收信号探头接收面与声发射传感器发射面相互对面设置，声发射传感器和声接收传感器的间距为S，计算脉冲波的传播速度v＝S/t，计算脉冲波的衰减系数α，根据脉冲波的传播速度V和衰减系数α，判断媒质的特性变化，首先根据声发射频谱图，确定发射波的主频，由主频和测试得到的衰减系数α，判断媒质的特性。本发明通过在待检测的媒质上布置声发射传感器和声发射接收传感器，利用检测脉冲波的传播速度和衰减系数，得到土体物理力学的特性变化，该技术操作简便，操作灵活。

Description

一种利用声发射检测土质综合体土料特性的无损检测方法
技术领域
本发明涉及利用声发射的无损检测方法，属于无损检测领域。
背景技术
声波在媒质中的传播与衰减是描述媒质特性的两个重要参数，声波在媒质中的传播和衰减与媒质的微观结构和物理化学性质有着密切的关系，可以通过声学参数的测量，来检测被测媒质的特性变化。
声发射自动测试技术(AST)是声发射技术的延伸，声发射技术是材料或结构在动态过程中产生的应力波传播现象，由于干扰因素太多而造成测试的不确定性。而声发射自动测试技术，不同于传统声发射被动接受信号的特点，具有以下技术优点：
1、声发射的矩形脉冲波具有一定的规律性，使得接受到的信号规律性也很强，能很好的进行信号去噪，测试干扰变少，规律性变强；
2、声发射传感器既可以作为发射信号的传感器也能作为接受声发射信号的传感器，在测试的时候能减少传感器数量上的使用；
3、声发射传感器具有防水，抵抗一定压力的良好特性，既能在材料表面布置声发射传感器，又能在媒质内部布置声发射传感器，能运用于各种不同的环境下进行测试；
4、声发射自动测试技术界面简单，只需在声发射AST界面选择其中一个传感器发生脉冲波信号，另外传感器接收信号，通过对发射和接收到的声发射信号进行传播与衰减的分析，可以得到媒质的特性变化，进而分析被检测物体的特性变化，操作简便，步骤简单，可实现动态、高效、自动的检测。
目前声发射在土木工程检测领域有着广泛的应用前景，由于声发射传统被动接受信号的特点，让声发射更偏向于监测领域，而声发射自动测试技术能将声发射更好的推广运用到检测邻域。传统的检测技术都是借用地质勘探用的物探仪器，不能完全满足检测需要，尤其是在接收到的信号的准确性和完整性以及装置使用的灵活度上，声发射自动测试技术(AST)则能给检测领域提供一种全新的、自动的、灵活的无损检测技术方法。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种利用声发射的无损检测方法，通过在待检测的媒质中布置声发射的发射传感器和接收传感器，利用检测脉冲波的传播速度和衰减系数，得到媒质的特性变化，该技术操作简便，操作灵活。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种利用声发射的无损检测方法，包括以下步骤：
(1)在媒质内部或材料表面布置若干对声发射传感器和声接收传感器，声接收传感器的接收信号探头接收面与声发射传感器发射面相互对面设置，声发射传感器和声接收传感器的间距为S；
(2)设置脉冲波参数，利用声发射传感器进行声发射信号的发射；
(3)通过媒质的传播，声接收传感器接收声发射信号，信号传播时间为t；
(4)计算脉冲波的传播速度v＝S/t，S为发射传感器与接收传感器的距离，t为传播时间；
(5)计算脉冲波的衰减系数α，其中：P0为发射传感器的幅值，P为接收信号传感器接收到的信号幅值；
(6)根据脉冲波的传播速度V和衰减系数α，判断媒质的特性变化，首先根据声发射频谱图，确定发射波的主频，由主频和测试得到的衰减系数α，判断媒质的特性，比如相对密度、含水率等。
所述步骤(6)中，对于10～40kHz主频的声发射脉冲波下，当砂样的衰减系数α>5dB/cm，波速<300m/s，则砂样为松散的干砂；当砂样的衰减系数α<2dB/cm，波速>1500m/s，则砂样偏密实饱和，通过对衰减系数和波速测测试，我们可以知道砂样的密实程度以及含水率大小，可以通过波速反算出砂样的弹性模量、剪切模量、泊松比等与变形相关的力学指标参数，以及通过密实程度和含水率的变化预测透水砂基管涌的发生。
本发明的无损检测主要应用于码头、水闸、基桩、以及堤防等土质综合体媒质特性检测领域，传统的超声波法和电磁波法的无损检测都是利用接收到的反射波信号进行分析，由于传播中进行了二次传播和衰减，这样对于非均质材料，由于媒质微观组成成份的离散性和差异性导致了两次传播的不同，而且二次传播过程越久，导致接收到的噪声信号也增加，进而影响了检测的准确性。声发射AST检测方法为了避免二次传播和衰减，选取其中的声发射传感器进行接收发射的声发射脉冲波信号，以提高信号的准确性和完整性。由于声发射AST技术的声发射传感器能进行长线布置、体积小、重量轻、能抵抗一定的压力、能防水，则较传统的无损检测方法在复杂结构中布置更为灵活。在利用声发射AST进行检测测试时，传感器的布置应合理的进行布置，让更多的接受信号的声发射传感器能更好的接收到信号，以免信号接收不到或接收不全。
本发明的有益效果：将声发射累计振铃计数与渗流量对比分析，结合声发射能量特征参数与试验现象，发现声发射能对管涌连续破坏全过程进行有效的监测，有鲜明的破坏阶段拐点。结合声发射信号和波形频谱图，对堤防管涌破坏过程分析可知，堤防发生管涌连续破坏过程是一个土颗粒被冲刷带走由损伤累计到破坏的连续过程，对于每个过程的电源电压和主频分析，发现声发射能有效的解释管涌破坏各个过程；结合实验结果，表明声发射是一种有效地对堤防管涌破坏进行监测的方法。
附图说明
图1是本发明基本原理图；
图2是本发明操作流程示意图；
图3是声发射传感器采集时简易布置示意图；
图4是声发射功率频谱界面。
图5是利用本发明测试的试样衰减规律图。
图6为透水堤基砂粒的粒径级配曲线图。
图7为基于声发射的堤基管涌破坏试验布置示意图。
具体实施方式
1试验装置
试验采用自制的管涌模型试验装置，不同于传统的砂槽模型试验，试验为了更好进行声发射传感器1的布置和更好地对堤防发生管涌破坏全过程的监测，装置分为了4部分：
(1)模型箱长为200cm，宽为31cm，高为55cm，左侧25cm为进水室，以透水板与堤防模型隔开，使水流均匀地流入砂槽；
(2)堤防模型以模型渗流场必须与原型相似的原则确定模型尺寸，采用1:40的模型比例，模拟高度16m，下游边坡比为1∶2.5，堤顶宽度4m，堤底宽度12.4m的实际大堤，堤基为双层透水的砂基；由于管涌一般发生堤角位置附近，则堤防模型只需背水坡段进行试验就够了。
(4)声发射仪器采用SENSORHIGHWAYⅡ型声发射采集系统，其参数设置如表1所示，声发射传感器1布置于堤防背水坡面，采用埋置式固定传感器，试验中共布置了4个声发射传感器1和4个声接收传感器2，水是天然的耦合剂，则不需进行的耦合剂抹涂，声发射传感器1和声接收传感器2的间距为20cm。
2试验砂料
在本实验中，试验砂料采用的是长江里的河砂，下层100mm厚的透水堤基骨架为5-60mm的砂砾石，填充料为0.075-0.5mm的白色砂料；上层10mm厚的填料是粒径0.25-2mm的砂料；透水堤基砂粒的粒径级配曲线见图6，物理特性参数见表1，由表1和图6知CU>20，堤基为典型的管涌型土。对于堤身模型段则选用红色黏土进行填筑。
表1砂料的物理特性参数
验证试验：
为了测定管涌在模型箱侧面共布置了17根测压管，1#测压管用于测定上游水位，对于背水堤身段每隔10cm布置一根测压管，并通过相机支架固定摄像机进行摄像采集数据，声发射传感器1和声接收传感器2均与声发射采集仪3连接，声发射采集仪3与计算机4连接，声发射采集仪3的设定参数如表2所示。
表2声发射采集仪3设定参数
通过自行设计砂槽模型，合理布置声发射传感器1和测压管，进行二元透水堤基的管涌破坏试验，采用摄像机对测压管数据采集，并与声发射采集系统采集声发射信号同步采集。通过试验现象和管涌破坏全过程的水力参数分析，声发射特性参数能有效地监测堤防发生管涌破坏的全过程。对声发射信号进行频谱分析，得到管涌破坏各个阶段声发射信号的主频范围大小，结合声发射特性参数幅值计算衰减系数的大小，并利用对应事件的到达时间进行波速的计算，通过衰减系数和波速的计算，对管涌破坏的各个阶段进行判别,最后分析结果表明堤防发生管涌连续破坏过程是一个土颗粒被冲刷带走由损伤累计到破坏的一个连续过程，声发射参数能很好的表征管涌破坏的过程，通过参数的变化能提前对管涌的破坏过程进行预测，声发射能有效地对堤防管涌连续破坏过程进行解释。
3试验步骤
试验过程采用以下步骤：
(1)土料的装填，对于二元透水堤基采用水下分层抛填的方式进行，待试样饱和后，进行上层堤身的分层填筑，每层5cm压实至预定高度,直至填筑完毕。
(2)来水流量的控制及测定，通过控制自来水水龙头的开度，固定来水流量的大小，本次试验通过四次测量，测得试验中控制的来水流量为：0.088734L/s；
(3)采集过程，打开摄像机和声发射采集系统，当水流入进水池后，一起进行同步采集数据，并在试验过程中对发生明显的破坏现象进行照相和时间记录。
通过对采样数据进行分析，与摄像机拍摄的图片进行对照，可以得出通过声发射系统得出的管涌过程与摄像机拍摄的一致，但是，由于声发射系统可以全过程的进行观测，有效地对堤防管涌破坏进行监测。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种利用声发射检测土质综合体土料特性的无损检测方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)在媒质内部或材料表面布置若干对声发射传感器和声接收传感器，声接收传感器的接收信号探头接收面与声发射传感器发射面相互对面设置，声发射传感器和声接收传感器的间距为S；
(2)设置脉冲波参数，利用声发射传感器进行声发射信号的发射；
(3)通过媒质的传播，声接收传感器接收声发射信号，信号传播时间为t；
(4)计算脉冲波的传播速度v＝S/t，S为发射传感器与接收传感器的距离，t为传播时间；
(5)计算脉冲波的衰减系数α，其中：P0为发射传感器的幅值，P为接收传感器接收到的信号幅值；
(6)根据脉冲波的传播速度V和衰减系数α，判断媒质的特性变化，首先根据声发射频谱图，确定发射波的主频，由主频和测试得到的衰减系数α，判断媒质的特性。
2.根据权利要求1所述的利用声发射检测土质综合体土料特性的无损检测方法，其特征在于：所述步骤(6)中，对于10～40kHz主频的声发射脉冲波下，当砂样的衰减系数α>5dB/cm，波速<300m/s，则砂样为松散的干砂；当砂样的衰减系数α<2dB/cm，波速>1500m/s，则砂样偏密实饱和。
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