声发射技术在岩土工程研究生实验教学过程中的应用

于 洋， 洪 鹏， 刁心宏

（华东交通大学土木建筑学院岩土工程基础设施安全与控制重点实验室，南昌330013）

0 引 言

材料在荷载、温度变化等因素影响下，发生变形、挤压、摩擦、裂纹等现象，致使材料内部或表面某局域源平衡状态遭到破坏，局部能量源快速释放应变能产生瞬态弹性应力波［1］，称为声发射（Acoustic Emission，AE）。声发射信号蕴含有岩石负荷状态、微观结构、力学性质等大量的物理信息，分析声发射信号能够更加全面细致地了解岩石的破坏机理［2］。实践证明，声发射是伴随着材料发生应变普遍存在的一种物理现象，但许多材料的声发射信号强度很弱，信号不能被人耳直接捕捉到，故需借助高灵敏度电子设备将信号经一定的技术处理才能检测出来［3］。用仪器探测、记录、分析声发射信号并利用声发射信号确定声发射源，从而判断材料损伤状态的技术称为声发射信息采集技术。声发射检测主要目标之一就是确定声发射源位置［4］。对声发射进行监测并分析其信号特征，可以了解岩石内部的损伤演化过程［5］。声发射检测到的能量或者信号是来自被检测的物体自身，而不像超声波或X射线探测方法一样由无损检测仪器提供。有关岩石破坏过程中的声波、声发射特征和现象，国内外学者在这方面已经开展了许多研究，并且取得了一些令人满意的成果。20世纪70年代，我国地质学家陈颙［6］就岩石声发射室内试验展开研究。声发射对研究材料的力学性质具有重大帮助。岩石声发射信息可成为判别岩体损伤破裂的重要指标，所得结论可为岩石损伤定量评价奠定基础。

声发射检测技术对动态缺陷较为敏感，它能探测到材料在外变量如荷载、温度变化等作用下这些缺陷的活动情况。声发射特征参数能够体现岩石损伤渐进破坏的前兆信息［7］。由于稳定的缺陷不产生声发射信号，所以声发射检测技术能够整体检测和评价整个结构中活性缺陷的状态，可提供活性缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的实时或连续信息。土木工程专业或方向的研究生经常会遇到岩石、混凝土构件等强度测试、损伤评价等问题，所以把声发射信息采集技术作为土木工程专业的研究生的一个实验教学内容是必要的。该实验技术也是比较先进的，操作过程比较简单方便，结果准确可靠，有针对性地让学生掌握声发射信息采集技术探究岩石破坏的方法也是值得推广的。实验中以细颗粒大理岩作为研究对象，开展了声发射教学实验项目，精心安排了实验教学项目、教学目的、方法、原理以及内容。本实验教学项目充分发挥并提高学生的主观能动性，包括测试岩石波速、熟知声发射信号的种类和参数、合理选择传感器类型以及掌握AEWin平台操作等。通过辨别实验方案合理性，掌握基本实验技能并会进行实验操作和数据分析，最终使学生学会独立地选择科学合理的方法分析研究岩石损伤状态和破坏机制。

让学生充分自主利用先进设备开展实验研究，符合学校和国家提倡的将大型试验设备应用于实验教学中，提高设备的利用效率，发挥实验设备在科学研究和实验教学中的作用［8-10］。

1 声发射概述

1.1 信号接收工作原理

声发射检测技术的物理基础是凯赛尔（Kaiser）效应。1963年德国学者Kaiser研究金属声发射特性时发现的。Kaiser效应是典型的记忆效应［11］。材料被重新加载期间，在应力值达到先前加载最大应力之前不产生声发射信号。多数金属材料和岩石中，可观察到明显的Kaiser效应。声发射信息采集技术原理如图1所示。材料释放应变能产生瞬态弹性应力波，以材料自身为介质传播，当信号传播到材料表面时，引起声发射传感器表面震动产生位移。传感器将材料的机械振动转化为微弱电信号，经过放大器将信号放大，再将信号传递到计算机终端处理和记录。人们根据计算机终端声发射信号进行分析与推断，以研究材料产生声发射的机制，了解材料内部微观状态。在整个检测过程中只需要使传感器与材料良好接触，无需对材料进行二次处理，达到了无损检测的目的。声发射信息采集系统接收到的信号来自被测试物体自身，检测过程中信号单向传播，缩短了信号传播路径，减少了外界因素的干扰及传播过程中的能量损失。

图1 声发射工作原理

1.2 信号类型

目前，根据应力波的震动类型及技术需要，人为规定将声发射信号分为连续型和突发型。如果声发射事件信号是断续的，并在时间上非相互依赖的，以时间为单位可以划分成若干个区间信号，那么这种信号就称为突发型声发射信号，如图2所示。其波形往往呈现出突然达到峰值后快速下降后平稳波动，直到下一个信号出现。例如裂纹瞬间扩展、断铅法表现出来的信号等都是突发型声发射信号。

图2 声发射突发型信号

如果大量的声发射信号呈现较为密集而且有规律性发生，信号在时间上可分辨，并且波形图表现出无明显间断状态，这些信号就叫做连续型声发射信号，如图3所示。一般流体泄漏，某些材料在塑性变形期间产生的声发射信号等都是连续型信号。

1.3 源信号定位原理

图3 声发射连续型信号

声发射系统采集到的信号是传感器接受到的声信号经过物理转换电信号而得到的一个个复杂的波形，波形中包含着大量的声发射源信息。但是直接对波形进行整理分析难度大且计算复杂，在实际工程中难以实现，通常的做法是把声发射波形变换成一系列特征参数来处理［12］。试验常用的特征参数有事件、撞击、能量、计数、振幅、上升时间和持续时间等。事件指单位时间内所监测到的振铃计数；事件反映出了声发射信号发生的频数；撞击是指超过门槛值并被某个声发射传感器所接收到的声发射信号，它反映出声发射活动的总量和频数，常用于声发射活动性评价。能量是指观测到的声发射信号的能量，与所观测到的事件所在波形的幅度值的平方成正比，反映了声发射的强弱［13］。下面以3个传感器讲解平面问题信号源定位原理，其前提要求是3个传感器A、B、C不共线，如图4所示。

图4 传感器阵列声发射源定位原理

接收信号时间差：

根据两点间的距离公式：

联立式（1）和（2）可得：

式（3）中有xs、ys两个未知数，再结合传感器C生成的类似的等式，求解出xs、ys。对于三维问题，理论上只需要4个传感器不在同一平面，即可进行声发射源的三维定位。但是在一般情况下，由于仪器的随机误差导致接受到信号的时间识别不够精确、材料的各向异性导致波速不均匀、环境噪声等因素的影响，经常导致定位精确度达不到实际要求。为解决这一问题，在定位声发射源的过程中，最简易而又实际的做法是尽可能使用多个传感器同时工作，然后建立超静定方程组，应用最小二乘法求解，以此来消除随机误差带来的影响。因此维数D和传感器N应满足D＋1≤N的关系式。

2 实验内容

2.1 实验仪器及材料

声发射试验设备如图5所示。加载设备采用的是长春市展托实验仪器有限公司生产的ZTRE-210微机控制岩石三轴测试系统。监测设备采用的美国物理声学公司生产的Micro-ⅡExpree Digital AE System。选择Nano30（宽频）型号的传感器，Nano30接收的信号主频0 ～ 500 kHz［14］。

图5 声发射试验设备及Nano30传感器

2.2 实验流程

首先，给学生讲解岩石损伤理论知识，使同学们了解岩石损伤及破坏的概念；并指导同学们进行岩石试样的制备，根据常规三轴测试岩石应力应变实验要求，将试件安置在伺服仪中，讲解声发射工作原理，设备构造和仪器的操作步骤等知识；在讲解的过程中可以根据实际需求提出一些基础问题，这样做一方面可以检查学生们提前预习实验指导书的情况，让学生们积极主动去学习，另一个方面有助于启发学生们的探索性、创造性思维。其次，常规三轴伺服仪的功能多样性可以和声发射仪进行模块式组合，根据不同试件规格、实验目的，让学生独立设计规划出不同教学内容的实验方案，包括单轴-声发射组合、三轴-声发射组合、流变-声发射组合以及常温或者可控温度下的不同实验类型，让学生掌握各类实验的基本操作步骤。另外还可以让学生了解实验仪器的组成，传感器、放大器、滤波器等配件之间的作用和协调情况，熟练掌握AEWin软件的操作界面、参数设置、学会独立建模定点等试验步骤，实验流程见图6，AEWin软件的操作界面见图7。掌握了以上的能力有助于学生对仪器的缺陷提出、维修、改进等。让学生掌握实验原理、设备使用，可以探索学生对学生教学模式，这不仅有助于减轻老师、管理人员的工作量，还能更进一步锻炼学生的表达能力、综合实践能力等，让学生在教学过程中展现自我，让学生对科研的兴趣更进一步。最后，让学生独立自主分析、处理声发射波形、撞击数、声发射信号统计以及信号源定位等数据，对数据提出自己的看法和研究点，从数据中得出某些结论性的成果。

图6 声发射实验流程

图7 AEWin软件操作界面

2.3 教学实例

本试验选取试样规格为φ50 mm×100 mm的标准岩样圆柱体细粒大理岩为试验材料，其上下端面平整，表面无明显缺口，无肉眼可见的裂隙。首先，使用非金属超声波检测分析仪测出波在细颗粒大理岩中的传播速度；然后，进入到AEWin软件操作界面进行参数设定以及模型建立。建立的模型与试件上固定传感器的位置以及声道编号与传感器编号必须一一对应。

试验过程中，为了防止试件在变形、破坏的过程中导致传感器脱落，而影响定位的准确性，使用6个传感器。传感器分两层放置，两层距试样上下端面15 mm，每层3个传感器将圆平面3等分，呈120°角展开放置。采用以上布置方法建模并保存模型，方便下次使用。建立的模型如图8（a）所示，其中红圈、蓝圈包裹的绿点分别是上下层传感器位置，红点是声发射源。

试件安装时，先在试件对应位置画出传感器接触点的位置，用记号笔编号，下层编号为1、2、3，上层编号为4、5、6。传感器与试样接触面之间涂抹凡士林增加两者间的耦合性，使用耦合剂的目的是有效填充接触面之间的狭小空隙，并通过耦合剂的良好过渡作用，大幅度减小传感器与检测面之间的声阻抗阻力，从而有效减少能量在此界面的循环反射损失；此外，耦合剂还能起到润滑作用，减少传感器与试样表面的摩擦。然后，将传感器布设在试样表面选定的位置上，用弹性模量较大的透明胶带将其固定。最后，将引伸计固定在岩石上，此时注意引伸计的上端不要超过岩石上端垫块的上表面，防止压头直接作用在引伸计上端而影响纵向变形的数据和防止压坏引伸计。试样安装成功后，如图8（b）所示，用断铅法检测，此时测试系统上的模型图将会对该位置产生一个信号反馈，若6个通道的声发射幅值均达到要求，则表明传感器与岩样接触良好，否则需要重新固定传感器。待所有准备工作完成后，加载的同时记录下声发射数据，直至岩样压坏，如图8（c）所示，应力-应变曲线快速下降至平稳停止试验。

图8 模型与试件对照

图9 所示为一块细颗粒大理岩样品的应力-轴向应变与声发射累积曲线，应力-应变曲线对于广大力学学生而言是比较熟悉的，在此不多做描述，但是AE振铃数-时间曲线对于大部分学生来说是比较陌生的。AE振铃数对应变曲线是以时间为间接不变量做出来的，由图9可见，大理岩在应力达到峰值之前的压密阶段以及裂缝产生阶段AE个数增加较为平稳，大理岩在应力达到峰值后，AE信号迅速增加，岩石颗粒相互摩擦的活跃度增大，这是由于细颗粒状大理岩构造产生的。主裂缝基本贯通后，AE信号随后逐渐趋于平稳。结果表明岩石在变形、损伤直至破坏的过程中，内部颗粒也发生着相对位移，以波的形式向外释放能量，声发射的频数也反映出岩石能量最大化释放是在破坏阶段。

图9 应力-轴向应变及声发射累积曲线

3 结 语

依托“产教融合背景下基于‘项目驱动’的创新应用型土木工程专业人才培养实践教学研究（JXJG-18-5-11）”，以全面提高研究生创新、探索精神和实践能力为目标，按照高质量、高水平人才创新培养概念的要求，通过开设科研探究性实验，让学生主动去思索去实践，了解声发射的工作原理、材料破坏的物理特性，实验原理和方法，岩石分类、损伤阶段的概念及测试方法种类，掌握声发射仪器设备的操作过程，系统了解该方法技术的科学前沿问题所涉及的实验知识体系，培养学生的科研素养和能力，增强学生的科学探索与创新精神，对于促进学生知识、思维、能力和素质的全面协调发展具有重要意义［15］。