CN115993201A - 一种基于近场辐射声压信号的拉索索力测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及拉索索力测试技术领域，具体是涉及一种基于近场辐射声压信号的拉索索力测试方法，包括以下步骤：S1，通过布设声压传感器装置，获取拉索近场辐射声压信号，将拉索近场辐射声压信号量化分析并转换为索力测试数据；S2，对拉索结构振动近场辐射声压进行测试；S3，通过对拉索结构近场某点声压进行测量，得到声压变化时程曲线；S4，对测量声压信号进行频谱分析，以获取拉索结构振动频率，本发明提出利用拉索结构近场固定位置声压信号传感器装置对拉索进行快速、准确索力测试的方法，避免了加速度传感器、索力计等接触式传感器自身重力对拉索结构固有频率测试的影响。

Description

一种基于近场辐射声压信号的拉索索力测试方法

技术领域

本发明涉及拉索索力测试技术领域，具体是涉及一种基于近场辐射声压信号的拉索索力测试方法。

背景技术

拉索作为桥梁拉索结构中关键的受力构件，索力的分布与改变会对桥梁的内力分布以及桥面线形产生较大影响。索力的准确、方便、快速测量成为评价桥梁拉索结构施工质量与运营期间桥梁拉索结构健康状况的关键指标。

目前，针对索力的测量已有多种方法，主要包括压力传感器法、压力表法、频率法、磁通量法以及以三点弯矩法为代表的静力测试方法等。传统测试方法或多或少存在些许不足。压力传感器法和压力表法虽然能较为准确地测量出拉索索力，但是其传感器昂贵，仪器笨重且只适用于施工阶段索力的测试；磁通量法性能稳定、精度高，但其标定复杂，且对在役拉索结构需现场绕制传感器，成本较高；静力测试方法简单易用，相关学者也对其进行了深入研究与仪器开发，但静力测试方法只适用于小直径钢索，测试误差随钢索直径增大而增大。频率法因其操作简单、经济实用而广泛运用于工程实际中。传统频率法基于精密拾振器，通过与被测物接触，拾取拉索在环境或者人工激励下的振动信号经由频谱分析得出拉索固有频率以确定拉索索力。由于拾振器粘附在拉索结构物上，其自身重力将会导致拉索结构产生附加质量，从而显著影响拉索结构模态参数识别；此外，在某些特殊位置及环境下，传感器布置困难，通过传感器难以获取拉索结构响应。基于激光拾振仪、微波雷达、高速摄影机和近场声压的非接触测量技术由于其非接触、仪器布置方便以及响应速度快等优点而越来越受到重视。相关学者针对声压测量获取拉索结构振动响应也做了大量研究，Prezelj等利用置于振动拉索结构的非常近的场中的单麦克风，对拉索结构近场声压进行测量，并采用离散Rayleigh积分方法反演实现了对拉索结构表面振动模态的重构。Zhu等通过有限元方法建立声固耦合的动力学方程，成功识别拉索结构模态参数，现有方法测得的固有频率与有限元测得的固有频率之差均小于3％，相关振型的模态保证判据值均大于90％。夏茂龙等利用拉索结构振动近场辐射声压信号，成功对一平面钢板的固有频率和模态阻尼比进行了识别，为工程拉索结构的模态参数识别提供了新的方法。

传统的索力测试包括油压表法、压力传感器法、磁通量法和振动频率法，油压表测定法和压力传感器测定法一般适用于在建桥梁拉索张拉时的索力测定；磁通量法尽管在长期监测、非接触测量、传感器维护成本等方面有优势，但在初期费用投入、安装便利性等方面仍有待加强.当需要对运营阶段桥梁的拉索进行索力测试时，频率法几乎是唯一选择。但在某些特定条件下它们存在测量速度慢、工作繁琐、设备昂贵、难以考虑拉索边界条件等不足之处。而基于近场辐射声压信号的拉索索力测试，现有技术尚未涉及，但对解决前述问题具有一定程度上的可参考系，同时，也是对基于频率的拉索索力测试方法的有效发展与补充。

在高测试频率、低监测条件的拉索结构长期健康监测中，为准确、快速、非接触的获取拉索索力信息，提出一种基于近场辐射声压信号的拉索索力测试传感器装置，利用拉索结构近场固定位置声压信号对拉索进行快速、准确索力测试的方法。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术问题，提供一种基于近场辐射声压信号的拉索索力测试方法。

为解决现有技术问题，本发明采用的技术方案为：

S1，通过布设声压传感器装置，获取拉索近场辐射声压信号，将拉索近场辐射声压信号量化分析并转换为索力测试数据；

S2，对拉索结构振动近场辐射声压进行测试；

S3，通过对拉索结构近场某点声压进行测量，得到声压变化时程曲线；

S4，对测量声压信号进行频谱分析，以获取拉索结构振动频率。

进一步的，所述S1步骤包括：

S11，利用加速度传感器对拉索结构动力响应进行测量，并对加速度时程数据进行频域分析得到拉索结构固有频率；

S12，拉索在瞬时脉冲激励下某点的加速度响应x'_p'(t)表示为：

利用模态坐标q_j表示拉索结构加速度响应，其中包含拉索结构频率信息ω_dj，通过布设声压传感器装置，获取拉索近场辐射声压信号，最终将其量化分析并转换为索力测试数据。

进一步的，所述S2步骤包括：

S21，通过布设在拉索附近的声压传感器装置，采集此类近场辐射声压信号；

S22，拉索结构在瞬时力F作用下受迫振动，之后以某一频率ω自由振动，产生的振动波在空气中传播引起空气流体介质中某点压强p_d的变化，由拉索结构某点振动作为声源，拉索结构近场声压变化表示为p(d,t)，对于拉索结构振动的法向速度与法向加速度表示为：

其中，

表示拉索结构表面振动法向速度振幅，ω为振动频率，拉索结构近场声压变化表示为：

其中，ρ₀表示空气密度，

表示拉索结构振动体积速度振幅，w表示波数。设拉索结构振动声源的表面积大小为S，

表示为

综上，令

联立即可求解拉索结构近场声压变化：

其中，d_e为常数项。

进一步的，所述S2步骤还包括：

S23，对拉索结构振动响应时域信号进行频谱分析。

进一步的，所述S2步骤还包括：

S24，采用切比雪夫Ⅰ类带通滤波器对原始声压信号进行滤波处理，通过对原始声压信号进行快速傅里叶变换，确定各阶频率带通范围，然后再以滤波后的信号作为EMD信号输入进行后续处理。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：

1、本发明提出利用拉索结构近场固定位置声压信号传感器装置对拉索进行快速、准确索力测试的方法，根据振声互易定理，拉索结构振动近场声压响应等价于利用传感器获取的拉索结构振动加速度响应，避免了加速度传感器、索力计等接触式传感器自身重力对拉索结构固有频率测试的影响；

2、本发明相较于传统拉索索力测试方法更为快速、方便、准确，同时具有非接触的特点。

附图说明

图1是索力识别流程图；

图2是索力测试装置原理示意图；

图3是索力测试装置关键断面图；

图4是图3中A-A剖面图；

图5是图3中B-B剖面图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图1-5与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

参考图3-5，本实施例提供一种新型近场辐射声压信号的拉索索力测试传感器装置，其中包括：隔音装置及保护外罩，在隔音装置内设置有外层HDPE护套、内层HDPE护套、PE护套、自行走滑动阻尼轮胎、声压传感器、传感器台座、电源、信号传输及控制装置，本实施例采用镀锌钢绞线，用于对基于近场辐射声压信号的拉索进行索力测试。

基于近场辐射声压信号的拉索索力测试方法：

拉索在瞬时脉冲激励下某点的加速度响应x'_p'(t)如式(1)所示：

利用模态坐标q_j表示了拉索结构加速度响应，其中包含拉索结构频率信息ω_dj。通过布设声压传感器装置，获取拉索近场辐射声压信号，最终将其量化分析并转换为索力测试数据。在实际测试过程中，为得到拉索结构固有频率往往利用加速度传感器对拉索结构动力响应进行测量，并对加速度时程数据进行频域分析得到拉索结构固有频率。根据振声互易定理，拉索结构振动近场声压响应等价于利用传感器获取的拉索结构振动加速度响应，避免了加速度传感器自身重力对拉索结构固有频率测试的影响。

拉索结构振动近场辐射声压测试原理：拉索结构在瞬时力F作用下受迫振动，之后以某一频率ω自由振动，产生的振动波在空气中传播引起空气流体介质中某点压强p_d的变化，该过程可以看作拉索结构对空气流体的单向耦合作用。对于拉索结构，在实际测试过程中，在脉冲力作用下将会发生受迫振动，类似于吉他拨弦振动发声，此时每一个单元可以看作一个点声源。声场中靠近拉索结构某点的声压变化可看作只由该点振动产生的声辐射引起。通过布设在拉索附近固定(或移动)的声压传感器装置即可采集此类近场辐射声压信号。

由拉索结构某点振动作为声源，拉索结构近场声压变化表示为p(d,t)，对于拉索结构振动的法向速度与法向加速度表示为：

其中，

表示拉索结构表面振动法向速度振幅，ω为振动频率。拉索结构近场声压变化表示为：

其中，ρ₀表示空气密度，

表示拉索结构振动体积速度振幅，w表示波数。设拉索结构振动声源的表面积大小为S，

表示为

综上，令

联立即可求解拉索结构近场声压变化：

其中，d_e为常数项，拉索结构近场声压与声源振动的加速度存在线性比例关系，即可以说明利用拉索结构近场声压变化可以反映拉索结构振动响应。为确定拉索结构固有频率，需对拉索结构振动响应时域信号进行频谱分析。由于拉索结构振动所产生的声压信号在实际测量中具有非线性、非平稳的特点，而传统谱分析方法要求系统具有线性或者数据具有周期、平稳的特点，否则分析结果往往不具有任何物理意义。当被分解信号中混有异常信号时，尤其是强噪声干扰信号和高频噪声信号，经过EMD分解后会产生模态混淆，即在某一个IMF分量中包含不同的特征时间尺度成分。本发明采用切比雪夫Ⅰ类带通滤波器对原始声压信号进行滤波处理，通过对原始声压信号进行快速傅里叶变换(FastFouriertransform,FFT)，大致确定各阶频率带通范围，然后再以滤波后的信号作为EMD信号输入进行后续处理。

通过对拉索结构近场某点声压进行测量，得到声压变化时程曲线，采用HHT方法，HHT方法为一种处理非平稳信号的方法，此为现有技术，在此不过多赘述，对测量声压信号进行频谱分析，以获取拉索结构振动频率。索力测试依赖于弦振动和梁振动理论，通过建立拉索结构振动频率和两端张力之间关系，从而可以用拉索结构振动频率推算出索力大小。

综上，本发明提出利用拉索结构近场固定位置声压信号传感器装置对拉索进行快速、准确索力测试的方法，根据振声互易定理，拉索结构振动近场声压响应等价于利用传感器获取的拉索结构振动加速度响应，避免了加速度传感器、索力计等接触式传感器自身重力对拉索结构固有频率测试的影响；本发明相较于传统拉索索力测试方法更为快速、方便、准确，同时具有非接触的特点。

以上实施例仅表达了本发明的一种或几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.基于近场辐射声压信号的拉索索力测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，通过布设声压传感器装置，获取拉索近场辐射声压信号，将拉索近场辐射声压信号量化分析并转换为索力测试数据；

S2，对拉索结构振动近场辐射声压进行测试；

S3，通过对拉索结构近场某点声压进行测量，得到声压变化时程曲线；

S4，对测量声压信号进行频谱分析，以获取拉索结构振动频率。

2.根据权利要求1所述的基于近场辐射声压信号的拉索索力测试方法，其特征在于，所述S1步骤包括：

S11，利用加速度传感器对拉索结构动力响应进行测量，并对加速度时程数据进行频域分析得到拉索结构固有频率；

S12，拉索在瞬时脉冲激励下某点的加速度响应x'_p'(t)表示为：

利用模态坐标q_j表示拉索结构加速度响应，其中包含拉索结构频率信息ω_dj，通过布设声压传感器装置，获取拉索近场辐射声压信号，最终将其量化分析并转换为索力测试数据。

3.根据权利要求1所述的基于近场辐射声压信号的拉索索力测试方法，其特征在于，所述S2步骤包括：

S21，通过布设在拉索附近的声压传感器装置，采集此类近场辐射声压信号；

S22，拉索结构在瞬时力F作用下受迫振动，之后以某一频率ω自由振动，产生的振动波在空气中传播引起空气流体介质中某点压强p_d的变化，由拉索结构某点振动作为声源，拉索结构近场声压变化表示为p(d,t)，对于拉索结构振动的法向速度与法向加速度表示为：

其中，

表示拉索结构表面振动法向速度振幅，ω为振动频率，拉索结构近场声压变化表示为：

其中，ρ₀表示空气密度，

表示拉索结构振动体积速度振幅，w表示波数，设拉索结构振动声源的表面积大小为S，

表示为

综上，令

联立即可求解拉索结构近场声压变化：

其中，d_e为常数项。

4.根据权利要求3所述的基于近场辐射声压信号的拉索索力测试方法，其特征在于，所述S2步骤还包括：

S23，对拉索结构振动响应时域信号进行频谱分析。

5.根据权利要求4所述的基于近场辐射声压信号的拉索索力测试方法，其特征在于，所述S2步骤还包括：

S24，采用切比雪夫Ⅰ类带通滤波器对原始声压信号进行滤波处理，通过对原始声压信号进行快速傅里叶变换，确定各阶频率带通范围，然后再以滤波后的信号作为EMD信号输入进行后续处理。

Images