CN117705952A - 一种混凝土梁裂缝损伤声发射定位修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于混凝土梁裂缝损伤定位领域，并公开了一种混凝土梁裂缝损伤声发射定位修正方法，包括：在混凝土梁的侧面布设声传感器组，进行断铅试验，确定第一声波传播速度数据；当出现裂缝损伤时对损伤声源处进行初次定位，得到初判损伤声源位置；在初判损伤声源位置至声传感器组中各第一声传感器的路径上布设若干第二声传感器，对初判损伤声源位置进行断铅激励，得到第二声波数据，基于第二声波数据获取相邻第二声传感器之间的平均声速数据；基于平均声速数据获取初判损伤声源位置至声传感器组中各第一声传感器的路径上的声速－距离拟合关系式，对损伤声源处进行定位修正，得到修正后的损伤声源位置。本发明技术方案提高了定位精度。

Description

一种混凝土梁裂缝损伤声发射定位修正方法

技术领域

本发明属于混凝土梁裂缝损伤定位领域，特别是涉及一种混凝土梁裂缝损伤声发射定位修正方法。

背景技术

声发射是材料在变形、裂缝产生及扩展过程中由于能量瞬间释放而产生的弹性波的伴生现象，通过检测结构损伤释放的声发射信号可以确定损伤位置、损伤程度等特性。在土木工程领域中，已有关于使用声发射手段对混凝土结构裂缝产生位置进行确定的研究，但是大多数没有考虑裂缝发展对声发射波传播速度的影响，使用初始波速进行计算，未进行定位修正，从而导致定位精度不够理想，无法准确判定损伤位置。

发明内容

本发明的目的是提供一种混凝土梁裂缝损伤声发射定位修正方法，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种混凝土梁裂缝损伤声发射定位修正方法，包括：

在混凝土梁的侧面布设声传感器组，所述声传感器组由若干第一声传感器沿三角形结构布设构成；

在混凝土梁的完整状态梁表面上进行断铅试验，得到第一声波数据，基于所述第一声波数据到达声传感器组的时间确定第一声波传播速度数据；

当混凝土梁出现裂缝损伤时对损伤声源处进行初次定位，得到初判损伤声源位置；

在所述初判损伤声源位置至声传感器组中各第一声传感器的路径上布设若干第二声传感器，对所述初判损伤声源位置进行断铅激励，得到第二声波数据，基于第二声波数据获取相邻所述第二声传感器之间的平均声速数据；

基于所述平均声速数据获取所述初判损伤声源位置至声传感器组中各第一声传感器的路径上的声速－距离拟合关系式；

基于所述声速－距离拟合关系式对损伤声源处进行定位修正，得到修正后的损伤声源位置。

可选的，所述声传感器组中设置有三个所述第一声传感器，各所述第一声传感器对应设置于三角形结构的各顶点处。

可选的，基于所述第一声波数据到达声传感器组的时间确定第一声波传播速度数据，具体包括：

获取所述声传感器组的任意两个第一声传感器接收所述第一声波数据的时间差，基于所述时间差计算所述第一声波数据在完整状态梁下传播的第一声波传播速度数据。

可选的，当混凝土梁出现裂缝损伤时对损伤声源处进行初次定位，得到初判损伤声源位置，具体包括：

当混凝土梁出现裂缝损伤时，获取声传感器组的声波接收时间数据，基于所述声波接收时间数据和所述第一声波传播速度数据利用二维时差定位法对损伤声源处进行初次定位，得到初判损伤声源位置。

可选的，基于所述平均声速数据获取所述初判损伤声源位置至声传感器组中各第一声传感器的路径上的声速－距离拟合关系式，具体包括：

基于所述平均声速数据获取相邻所述第二声传感器之间的衰减率数据和中点位置声速；

基于所述衰减率数据选择拟合关系式函数类型，基于中点位置声速拟合所述初判损伤声源位置至声传感器组中各第一声传感器的路径上的声速－距离拟合关系式。

可选的，所述中点位置声速的计算公式包括：

式中，为初判位置至S_i路径上第j个第二传感器与下一个相邻第二传感器间中点位置声速，t_ij为初判位置至传感器S_i路径上第j个传感器的声波传播时间。

可选的，所述衰减率数据的计算公式包括：

式中，r_v为衰减率，为初判位置至S_i路径上第j个第二传感器与下一个相邻第二传感器间中点位置声速，/>为初判位置至S_i路径上第j+1个第二传感器与下一个相邻第二传感器间中点位置声速，Δd为相邻中点位置距离。

可选的，所述声速－距离拟合关系式采用指数函数表征：

式中，v_i(x)为声速－距离拟合关系式，a_i、b_i为拟合系数；x为距初判损伤声源位置的距离。

可选的，基于所述声速－距离拟合关系式对损伤声源处进行定位修正，得到修正后的损伤声源位置，具体包括：

对所述声速－距离拟合关系式进行积分计算得到声发射波传播时间－传播距离关系式，获取所述声发射波传播时间－传播距离关系式的计算公式为：

式中，t为声波传播时间，D为初判损伤声源位置距目标位置的距离；损伤声源处产生的声波传播至各第一声传感器的时间t_i与距离D_mi的关系为：

对损伤声源处进行定位修正，得到修正后的损伤声源位置：

式中，v_i(x)为声速－距离拟合关系式，i＝1,2,3，(x_i,y_i)为第一传感器坐标，t₁、t₂、t₃分别为损伤声源处产生的声波传播至第一传感器的时间，Δt₁、Δt₂为声传感器接收声信号到时之差，D_mi为损伤声源处产生的声波传播至第一传感器的距离，为求解方程组得到修正后的损伤声源位置的坐标为P_m(x_m,y_m)。

本发明的技术效果为：

本发明提供的一种混凝土梁裂缝损伤声发射定位修正方法，包括：在混凝土梁的侧面布设声传感器组，所述声传感器组由若干第一声传感器沿三角形结构布设构成；在混凝土梁的完整状态梁表面上进行断铅试验，得到第一声波数据，基于所述第一声波数据到达声传感器组的时间确定第一声波传播速度数据；当混凝土梁出现裂缝损伤时对损伤声源处进行初次定位，得到初判损伤声源位置；在所述初判损伤声源位置至声传感器组中各第一声传感器的路径上布设若干第二声传感器，对所述初判损伤声源位置进行断铅激励，得到第二声波数据，基于第二声波数据获取相邻所述第二声传感器之间的平均声速数据；基于所述平均声速数据获取所述初判损伤声源位置至声传感器组中各第一声传感器的路径上的声速－距离拟合关系式；基于所述声速－距离拟合关系式对损伤声源处进行定位修正，得到修正后的损伤声源位置。

本发明通过在钢筋混凝土梁一侧面呈三角形位置布设三个声传感器，进一步进行断铅试验得到初始声波传输速度，当发生裂缝损伤时，进行初判，得到初判位置，在此基础上再设置若干声传感器，结合声衰减对初判位置进行修正，得到修正的声源位置，提高了定位精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例中的声传感器组结构图；

图2为本发明实施例中的布设第二声传感器后的声传感器组的结构图；

图3为本发明实施例中的声发射定位修正流程图；

图4为本发明实施例中的三个声传感器的坐标示意图；

图5为本发明实施例中的模拟损伤断铅位置的坐标示意图；

图6为本发明实施例中的初判位置的坐标示意图；

图7为本发明实施例中的修正位置的坐标示意图。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”“包括”“具有”“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

实施例一

如图1－图7所示，本实施例中提供了一种混凝土梁裂缝损伤声发射定位修正方法，包括：在混凝土梁的侧面布设声传感器组，所述声传感器组由若干第一声传感器沿三角形结构布设构成；在混凝土梁的完整状态梁表面上进行断铅试验，得到第一声波数据，基于所述第一声波数据到达声传感器组的时间确定第一声波传播速度数据；当混凝土梁出现裂缝损伤时对损伤声源处进行初次定位，得到初判损伤声源位置；在所述初判损伤声源位置至声传感器组中各第一声传感器的路径上布设若干第二声传感器，对所述初判损伤声源位置进行断铅激励，得到第二声波数据，基于第二声波数据获取相邻所述第二声传感器之间的平均声速数据；基于所述平均声速数据获取所述初判损伤声源位置至声传感器组中各第一声传感器的路径上的声速－距离拟合关系式；基于所述声速－距离拟合关系式对损伤声源处进行定位修正，得到修正后的损伤声源位置。

本实施例通过在钢筋混凝土梁一侧面呈三角形位置布设三个声传感器，进一步进行断铅试验得到初始声波传输速度，当发生裂缝损伤时，进行初判，得到初判位置，在此基础上再设置若干声传感器，结合声速衰减对初判位置进行修正，得到修正的声源位置，提高了定位精度。

本实施例的实施流程包括：在钢筋混凝土梁一侧面呈三角形位置布设三个声传感器，分别传感器S₁、S₂、S₃。在完好状态梁表面进行一次断铅，通过采集声波到达传感器S₁、S₃的时间差计算声波在完整状态梁下传播的速度；待钢筋混凝土梁出现裂缝损伤时，先对损伤产生声发射波的声源位置进行粗略定位，具体方法为：采集此次声发射波到达声传感器的时间，采用二维时差定位法对声源进行粗略定位；沿初判位置至传感器路径方向上以等间距Δd安装若干声传感器，在初判声源位置处进行激励，计算两两传感器间的平均声速；用初判位置至传感器S_i路径上两传感器间平均声速表征两传感器间中点位置声速；根据初判位置至传感器S_i路径上最大波速衰减率选择拟合关系式函数类型，对损伤初判位置至传感器S_i路径上d_mij和进行拟合，得到各路径上x距离处声速－距离拟合关系式；由速度的定义及声发射波速－传播距离关系，得到声发射波传播时间－传播距离关系；用初判位置至传感器S_i路径上的声发射波传播时间－传播距离关系替代实际声源坐标至传感器S_i路径上的声发射波传播时间－传播距离关系；采用声发射波传播至传感器S_i所用时间t_i及所经距离D_mi的关系重新进行声发射定位。

本实施例的具体实施流程包括：

步骤1：在一钢筋混凝土梁一侧面呈三角形位置布设三个声传感器，分别记为传感器S₁、S₂、S₃。在完好状态梁表面进行一次断铅，通过采集声波到达传感器S₁、S₃的时间差计算声波在完整状态梁下传播的速度，其计算式为：

其中d_i为初始声速测量断铅处到声传感器S_i的距离，其值为d₁＝0，d₂＝0.2m；T_0i为声传感器S_i接收到声波的到时，其值为T₀₁＝74.420192s，T₀₃＝74.420241s。计算得v₀＝2436m/s。

步骤2：对钢筋混凝土梁进行加载至损伤累积状态，在钢筋混凝土梁侧表面中心点P(650,100)处进行一次断铅，模拟钢筋混凝土梁受损时发出的声信号，先对声源位置进行粗略定位，具体方法为：采集此次声发射波到达声传感器的时间，采用二维时差定位法对声源进行粗略定位，计算式为：

其中，i＝1,2,3，(x_i,y_i)为传感器S_i的坐标，其值分别为S₁(1300,0)，S₂(0,200)，S₃(1300,200)。T₁、T₂、T₃为对应传感器S_i检测到声发射信号的到时，其值分别为T₁＝0.004806s、T₂＝0.004912s、T₃＝0.004855s；解方程组得到存在误差的初判声源位置坐标P_f(x_f,y_f)，其值为P_f(705.2,41.0)；

步骤3：沿初判位置至传感器路径方向上以等间距Δd＝80mm安装若干声传感器，在初判声源位置处进行激励，计算两两传感器间的平均声速。激励点至传感器S_i路径上第j个传感器与第j+1个传感器间平均声速的计算式为：

其中，t_ij为初判位置至传感器S_i路径上第j个传感器的到达时间。

计算结果如下：

式中，第一行为激励点至传感器S₁路径上第j个传感器与第j+1个传感器间平均声速；第二行为激励点至传感器S₂路径上第j个传感器与第j+1个传感器间平均声速；第三行为激励点至传感器S₃路径上第j个传感器与第j+1个传感器间平均声速；

步骤4：用初判位置至传感器S_i路径上两传感器间平均声速表征两传感器间中点位置声速，即用表征d_mij处声速值，其中/>d_ij为初判位置至S_i路径上第j个传感器的距离，即

式中，第一行为初判位置至S₁路径上第j个传感器的距离；第二行为初判位置至S₂路径上第j个传感器的距离；第三行为初判位置至S₃路径上第j个传感器的距离；

步骤5：对损伤初判位置至传感器S_i路径上d_mij和进行拟合，得到各路径上x距离处声速－距离拟合关系式：

其中a_i、b_i为拟合系数。

S₁、S₂、S₃路径声速－距离关系式拟合结果如下

v₁(x)＝5062e^-0.003749x

v₂(x)＝4744e^-0.002823x

v₃(x)＝4848e^-0.002791x

步骤6：由速度的定义及声发射波速-传播距离关系v＝v_i(x)，可得：

即

两边同时积分即得到声发射波传播时间－传播距离关系

用初判位置至传感器S_i路径上的声发射波传播时间－传播距离关系替代实际声源坐标至传感器S_i路径上的声发射波传播时间－传播距离关系，则裂缝损伤产生的声发射波传播至传感器S_i所用时间t_i及所经距离D_mi的关系可表征为：

步骤7：采用声发射波传播至传感器S_i所用时间t_i及所经距离D_mi的关系重新进行声发射定位，计算式为：

其中，i＝1,2,3，(x_i,y_i)为传感器S_i坐标，Δt₁、Δt₂为声传感器接收声信号到时之差，到时差和声波传输用时差在数值上一致，其值为Δt₁＝T₂-T₁＝0.000106s，Δt₂＝T₃-T₁＝0.000049s。

求解该方程组即得到修正声源位置坐标P_m(x_m,y_m)，其值为P_m(672.5,60.5)。

初判位置与实际损伤位置距离误差：

修正位置与实际断损伤位置距离误差：

本实施例通过在钢筋混凝土梁一侧面呈三角形位置布设三个声传感器，进一步进行断铅试验得到初始声波传输速度，当发生裂缝损伤时，进行初判，得到初判位置，在此基础上再设置若干声传感器，结合声衰减对初判位置进行修正，得到修正的声源位置，提高了定位精度。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种混凝土梁裂缝损伤声发射定位修正方法，其特征在于，包括：

在混凝土梁的侧面布设声传感器组，所述声传感器组由若干第一声传感器沿三角形结构布设构成；

在混凝土梁的完整状态梁表面上进行断铅试验，得到第一声波数据，基于所述第一声波数据到达声传感器组的时间确定第一声波传播速度数据；

当混凝土梁出现裂缝损伤时对损伤声源处进行初次定位，得到初判损伤声源位置；

在所述初判损伤声源位置至声传感器组中各第一声传感器的路径上布设若干第二声传感器，对所述初判损伤声源位置进行断铅激励，得到第二声波数据，基于第二声波数据获取相邻所述第二声传感器之间的平均声速数据；

基于所述平均声速数据获取所述初判损伤声源位置至声传感器组中各第一声传感器的路径上的声速－距离拟合关系式；

基于所述声速－距离拟合关系式对损伤声源处进行定位修正，得到修正后的损伤声源位置。

2.根据权利要求1所述的一种混凝土梁裂缝损伤声发射定位修正方法，其特征在于，所述声传感器组中设置有三个所述第一声传感器，各所述第一声传感器对应设置于三角形结构的各顶点处。

3.根据权利要求1所述的一种混凝土梁裂缝损伤声发射定位修正方法，其特征在于，基于所述第一声波数据到达声传感器组的时间确定第一声波传播速度数据，具体包括：

获取所述声传感器组的任意两个第一声传感器接收所述第一声波数据的时间差，基于所述时间差计算所述第一声波数据在完整状态梁下传播的第一声波传播速度数据。

4.根据权利要求1所述的一种混凝土梁裂缝损伤声发射定位修正方法，其特征在于，当混凝土梁出现裂缝损伤时对损伤声源处进行初次定位，得到初判损伤声源位置，具体包括：

当混凝土梁出现裂缝损伤时，获取声传感器组的声波接收时间数据，基于所述声波接收时间数据和所述第一声波传播速度数据利用二维时差定位法对损伤声源处进行初次定位，得到初判损伤声源位置。

5.根据权利要求1所述的一种混凝土梁裂缝损伤声发射定位修正方法，其特征在于，基于所述平均声速数据获取所述初判损伤声源位置至声传感器组中各第一声传感器的路径上的声速－距离拟合关系式，具体包括：

基于所述平均声速数据获取相邻所述第二声传感器之间的衰减率数据和中点位置声速；

基于所述衰减率数据选择拟合关系式函数类型，基于中点位置声速拟合所述初判损伤声源位置至声传感器组中各第一声传感器的路径上的声速－距离拟合关系式。

6.根据权利要求5所述的一种混凝土梁裂缝损伤声发射定位修正方法，其特征在于，所述中点位置声速的计算公式包括：

式中，为初判位置至S_i路径上第j个第二传感器与下一个相邻第二传感器间中点位置声速，t_ij为初判位置至传感器S_i路径上第j个传感器的声波传播时间。

7.根据权利要求5所述的一种混凝土梁裂缝损伤声发射定位修正方法，其特征在于，所述衰减率数据的计算公式包括：

式中，r_v为衰减率，为初判位置至S_i路径上第j个第二传感器与下一个相邻第二传感器间中点位置声速，/>为初判位置至S_i路径上第j+1个第二传感器与下一个相邻第二传感器间中点位置声速，Δd为相邻中点位置距离。

8.根据权利要求5所述的一种混凝土梁裂缝损伤声发射定位修正方法，其特征在于，所述声速－距离拟合关系式采用指数函数表征：

式中，v_i(x)为声速－距离拟合关系式，a_i、b_i为拟合系数；x为距初判损伤声源位置的距离。

9.根据权利要求1所述的一种混凝土梁裂缝损伤声发射定位修正方法，其特征在于，基于所述声速－距离拟合关系式对损伤声源处进行定位修正，得到修正后的损伤声源位置，具体包括：

对所述声速－距离拟合关系式进行积分计算得到声发射波传播时间－传播距离关系式，获取所述声发射波传播时间－传播距离关系式的计算公式为：

式中，t为声波传播时间，D为初判损伤声源位置距目标位置的距离；损伤声源处产生的声波传播至各第一声传感器的时间t_i与距离D_mi的关系为：

对损伤声源处进行定位修正，得到修正后的损伤声源位置：

式中，v_i(x)为声速－距离拟合关系式，i＝1,2,3，(x_i,y_i)为第一传感器坐标，t₁、t₂、t₃分别为损伤声源处产生的声波传播至第一传感器的时间，Δt₁、Δt₂为声传感器接收声信号到时之差，D_mi为损伤声源处产生的声波传播至第一传感器的距离，为求解方程组得到修正后的损伤声源位置的坐标为P_m(x_m,y_m)。