噪音环境下桥梁损伤声发射定位技术研究

刘茂军，葛若东，王根伟

(1.桂林理工大学 南宁分校，广西 南宁530001;2.广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁530004)

0 引 言

随着我国交通运输业的快速发展，新建和在役桥梁越来越多。这些桥梁在使用过程中，其自身的材料性能会随着时间的推移不断劣化，同时在各种运输车辆增加以及风、疲劳、超载等诸多因素的影响下，桥梁的结构可靠度会不断降低。因此，桥梁安全问题逐渐成了专业人员关注的焦点。加强对桥梁服役期内各种损伤的检测以及工作情况的监测，及时有效地对桥梁进行日常保养和维修，对延长桥梁使用寿命以及保证桥梁的承载能力，都具有十分重要的意义［1-5］。

在桥梁结构损伤检测方面，目前常用的有模型修正法、指纹分析法、移动质量多次测量检测法等［6-8］。由于这些方法均依赖于桥梁刚度或固有频率的变化，而要获得准确的桥梁刚度及固有频率又比较困难，所以这些方法都有一定的局限性。

声发射技术是近几年来新兴的动态无损检测技术，由于声发射技术具有信号真实、检测的频率范围宽、灵敏度高(可探测到10-11mm 的结构表面振动)、具有在线监测、内部裂纹定位、破坏预警等诸多优点，目前已经在航空航天、压力容器、矿山开采等领域得到了广泛应用。

随着声发射技术在材料损伤检测及监测方面获得巨大成功，人们开始尝试利用声发射技术在大型工程结构特别是桥梁上进行现场监测或检测。如葛若东等［9］利用声发射对钢筋混凝土梁的破坏过程进行研究，得出了梁破坏过程的声发射参数的变化特征，并用于对梁的破坏进行预警;M.Shigeishia等［10］利用声发射对一座拱桥进行监测，表明声发射有助于发现裂纹的扩展并确定裂纹位置;S.Yuyama等［11］对两座高速公路桥梁上先张法施工的预应力梁进行的监测结果表明，结构内部破坏的声发射事件能够与交通噪声区分;D.W.Cullingtona 等［12］也对后张法施工的预应力混凝土梁的钢绞线断裂进行成功的识别及定位;李冬生等［13-14］利用声发射技术对多龄期斜拉索疲劳损伤演化过程进行了全过程监测，分析了损伤的形成原因，实现了对多龄期斜拉索损伤声发射源类型的确定。

虽然在声发射桥梁损伤检测方面的研究获得了一定进展，但是环境噪音问题却仍然是影响声发射技术在在役桥梁损伤检测及监测方面推广应用的最大障碍［15-16］。因此，对强噪音环境下声发射桥梁损伤定位方法的深入研究对于声发射技术在桥梁检测方面的推广应用具有重大的现实意义。

本文采用美国物理声学公司(PAC)生产的SAMOS-48 型声发射仪在南宁市北大桥的箱梁内部进行损伤定位试验，通过对噪音信号的采集分析，并利用噪音的声发射信号特征进行除噪，提高定位精度。

1 南宁市北大桥概况

南宁市北大桥跨越邕江，大桥北起北大路，南岸跨越江南路后与桃源桥相交，桥梁全长1 614.96 m。包括主桥、两岸引桥、江南路立交桥、辅道和引道。主桥采用68 m+2×120 m+68 m 的4 跨变高度预应力混凝土连续箱梁，桥面布置为双向6 车道，主梁采用两幅单箱单室截面，三向预应力结构，主桥下部结构上下游分开，墩型为薄壁空心墩;北引桥分为3 联，第一联采用4×47 m 等高度预应力混凝土连续箱梁，桥面布置为双向4 车道，主梁采用单箱单室截面，双向预应力结构，第二、三联采用4×30 m 等高度预应力混凝土连续箱梁，桥面布置为双向6 车道，主梁采用单箱三室截面，双向预应力结构;南引桥采用22 m+40 m+29 m 的等高度预应力混凝土连续箱梁，箱梁与北引桥第一联基本相同;辅道桥采用5×31 m 等高度预应力混凝土连续箱梁，桥面布置为2 车道，主梁采用单箱单室截面;江南立交桥采用3 跨一联，跨度为29 m 或31 m，桥面布置为双向4 车道，主梁采用单箱双室截面。

主要技术标准:

①道路等级:城市主干路Ⅰ级;

②设计车速:50 km/h;

③桥梁设计荷载等级:城-A 级。

2 试验准备

2.1 试验仪器选择

试验中采用美国物理声学公司(PAC)生产的SAMOS-48 型声发射仪，如图1 所示。

2.2 试验位置选择

根据北大桥特点，选取有代表性的主桥120 m 跨的两跨作为试验跨。以跨中截面A-A、B-B 处为测试位置，如图2 所示。

箱梁跨中截面形状见图3 所示。为了便于布置传感器并且获得更全面的数据，测试点位置分别选在箱梁顶板、底板及侧壁。

图1 SAMOS－48 型声发射仪Fig.1 SAMOS－48 acoustic emission instrument

图2 测试位置示意图Fig.2 Schematic diagram of the test location

图3 箱梁截面示意图Fig.3 Schematic diagram of box girder cross section

3 试验过程

3.1 参数设置

声发射检测的最大优点是检测的灵敏度高，但是这同时也是检测的困难之所在，因为微弱的环境噪音都会被系统放大，甚至能够淹没有用信号，导致定位失败。因此，必须在检测之前根据情况进行各种检测参数的设定，一方面要减弱噪音的影响，同时也使系统能够更准确的识别有用信号，从而提高声发射定位精度。

3.1.1 波速和衰减的测定

声发射定位技术是利用各个声发射(AE)传感器接收信号的时间差来计算波源位置，所以波速设置的准确与否会直接影响到定位的精度。由于波在各种介质中传播的速度不同，所以进行检测前要首先进行波速的测定。为了能更直接的测定实际检测条件下的波速，本文采用在试验前原位断铅的方法测波速。将8 个传感器布置成一列，间距0.2 m，如图4 所示。在端部的1#传感器处断铅，利用各个传感器接收信号的时间差计算波速。

图4 测波速传感器布置Fig.4 The sensor layout of measuring velocity

在1#传感器处断铅3 次，分别计算出传感器间距为0.6 m 和1.0 m 的波速，最终取其平均值作为定位波速，即定位波速取2 352 m/s。实验数据见表1 所示。

表1 波速测定Tab.1 Velocity measurement cm·s-1

波的衰减曲线也是定位设置中的一项内容，利用声发射信号衰减规律，不仅可以根据传感器接收到的信号幅值来推算信号源处的信号幅值，而且可以利用波的衰减规律来滤除噪音，所以波的衰减规律的测定是声发射研究中的一项非常重要的工作。

本文测定波的衰减规律时仍采用图4 中的布置，与波速测定同时进行，系统自动记录每个传感器接收到的撞击幅值。表2 是测得的各传感器接收到的撞击幅值，图5 是幅值的衰减曲线。

表2 传感器信号幅值对照Tab.2 Comparison of the signal amplitude of sensor

图5 声发射信号衰减曲线Fig.5 Acoustic emission amplitude attenuation curve

3.1.2 声发射检测门槛值的确定

环境噪音是影响声发射定位精度的重要因素，过大的噪音甚至能够淹没有用信号而导致定位失败。试验中，可以通过设置合理的门槛值来滤除大部分的环境噪音。这里，我们从两个方面来综合考虑门槛值的确定。

首先，通过对环境噪音的采集分析，找出环境噪音的声发射特征，并通过对噪音特征的分析来确定门槛值。图6 是试验前在现场以预设25 dB 门槛值条件下所采集到的环境噪音信号的波形图。

从图6 可以看出，噪音的AE 信号幅值较低并且比较均匀，同时波形中又有很多的突出部分，可以判断出这些突出部分是由于桥上不断有各种车辆通过而产生的。

图7 是噪音信号的撞击—幅值关联图，从图7 上可以看出噪音的幅值主要集中在35 dB 以下(因为预设了25 dB 门槛值，所以25 dB 以下的撞击信号未显示)，所以当检测时将门槛设置为35 dB 左右，则可以滤除大部分的噪音。

图6 环境噪音AE 信号波形图Fig.6 AE signal waveform of ambient noise

图7 环境噪音的撞击—幅值关联图Fig.7 Hit-amplitude correlation graph of ambient noise

另外，合适的门槛值，不仅要能在试验中有效地滤除噪音，而且还不能丢失过多的有用信号，所以确定合适的门槛值是一项重要工作。本文中采用断铅试验，并利用声发射信号的衰减规律来确定声发射定位门槛值。

由AE 信号的衰减曲线(图5)可知，断铅信号在桥梁混凝土中传播距离1.4 m 后，其幅值仍超过40 dB。说明将试验门槛设为40 dB 可以保证采集信号的完整性。因此，综合分析后最终取声发射定位门槛值为40 dB。

3.1.3 桥梁损伤声发射定位时间参数的确定

利用声发射进行损伤定位，需要准确设定三个时间参数:峰值定义时间(PDT)、撞击定义时间(HDT)、撞击闭锁时间(HLT)。如果时间参数设置错误，软件将无法正确识别撞击(hit)，从而影响定位精度。虽然AEwin 软件给出了常用材料的检测时间参数的推荐值，但声发射信号在不同材料中的传播特征有很大的差别，时间参数值会有很大变化，并且随着传感器离信号源距离的不同，这些参数也会有所变化。因此，在实际声发射检测应用中，还需要通过试验确定适合被检测材料的时间参数。

为了能够更精确地测得检测条件下的时间参数值，在正式检测前我们通过在桥梁检测部位上进行原位断铅试验确定声发射检测的时间参数值。在箱梁底板上距离传感器大约30 cm 处进行断铅，得到传感器上的撞击波形，利用软件自带的数据光标直接读取撞击波形的上升时间。然后取10 次断铅信号的平均值作为依据，用来确定时间参数。图8 为一次断铅的波形，时间轴上的负值表示预触发时间。

经过对10 个撞击波形上升时间的测定，测得其平均值为80 μs，所以取峰值定义时间(PDT)为80 μs，撞击定义时间(HDT)取峰值定义时间的两倍，取为160 μs，撞击闭锁时间(HLT)适当大于撞击定义时间，取200 μs。

3.2 噪音环境下的定位试验

本文在桥梁正常运营条件下对桥梁进行了声发射源定位试验，研究中利用四个传感器(1#、2#、3#、4#)组成一个平面定位组，矩形布置，边长为900 mm×1100 mm。分别在断铅点1、2、3 点处断铅。如图9 所示。参数设置如下:检测门槛为40 dB;定位波速为2 352 m/s;峰值定义时间(PDT)为80 μs;撞击定义时间(HDT)为160 μs;撞击闭锁时间(HLT)为200 μs。

图10 是软件得到的定位图，在定位图中几乎看不出断铅点的位置，这主要是由于噪音的影响。采集信号时虽然设置了检测门槛，可以滤除一部分噪音，但是由图7 可以看出仍有部分噪音幅值超过40 dB，这些越过门槛的噪音有一部分被系统直接识别为事件，即成为定位图中散乱的定位点，同时也有一部分噪音与断铅信号共同被识别为事件，从而使断铅信号无法形成正确的定位点，即断铅信号被噪音淹没了。

图8 一个撞击的波形图Fig.8 Waveform of a hit

图9 传感器布置及断铅位置图Fig.9 Sensor placement and lead broken position

图10 断铅定位图Fig.10 Location map of lead broken

3.3 滤波除噪提高定位精度

为了提高定位效果，需要进一步消除噪音影响，所以要对噪音信号特征进行深入分析，并利用噪音特征来滤除噪音。

3.3.1 声发射噪音信号的关联图分析

为了分析噪音信号特征，从现场采集了环境噪音信号，图11 是定位组各通道传感器采集的环境噪音信号的能量—平均频率关联图。

图11 环境噪音的能量—平均频率关联图Fig.11 Energy-average frequency correlation graph of ambient noise

图12 是在噪音条件下进行断铅时的定位组各通道传感器的能量—平均频率关联图。

图12 断铅时的能量—平均频率关联图Fig.12 Energy-average frequency correlation graph of lead broken

从图11(a)可以看出(在AE 系统中通过加密网格进行对比):通道1 的噪音信号平均频率主要集中在35 kHz 以下，超过35 kHz 的信号能量很低，低于5 μJ;而从图12(a)可以看出:超过35 kHz 的信号中仍有部分较高能量的信号，大于5 个能量单位。因此，从图11(a)和图12(a)对比可知:大于35 kHz并且能量大于5 个能量单位的信号里包含断铅信号(里面也会有部分噪音信号)，利用声发射仪内置的数字滤波功能将通道1 的平均频率小于35 kHz 以及能量小于5 个能量单位的噪音信号滤除。用同样方法将通道2、3、4 中的噪音信号分别滤除(此处不再赘述)。

四个通道滤除噪音后重新进行定位，定位图如图13 所示。可以看出定位点已经集中在断铅点附近。

3.3.2 定位图的聚类

通过对事件的聚类，可以进一步明确定位点的位置。图14 是采用软件的聚类功能做出的定位图的聚类分析图，进一步提高了定位精度，聚类中心已经在断铅点的附近，误差在50 mm 以内。

图13 经过滤波除噪的定位图Fig.13 The location map after filtering

图14 定位图的聚类Fig.14 Clustering of the location map

4 结 论

本文通过在南宁市北大桥上进行声发射定位试验，获得了以下主要结论:

①声发射信号在桥梁混凝土中传播时，幅值衰减先快后慢，衰减规律符合指数曲线。波速也呈逐渐下降趋势，距离信号源1 m 时的平均波速约为2 352 m/s。

②桥梁运营期间的环境噪音幅值主要集中在35 dB 以下，所以将声发射检测门槛设为40 dB 即可滤除大部分的环境噪音，并且基本不影响有用信号的接收。

③箱梁损伤定位时，时间参数值可取为:PDT 为80 μs，HDT 为160 μs，HLT 为200 μs。

④利用声发射进行损伤定位时，采用各通道的参数关联图的特征进行滤波除噪，然后用除噪后的信号进行定位，可以达到很好的定位效果。

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