CN111487315A - 一种隧道衬砌厚度和脱空的声频无损检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隧道衬砌厚度和脱空的声频无损检测方法，包括以下步骤：找到与测试对象区域同等工况下已知厚度Hb或已知脱空的标定区域，采集有效声频信号；通过声频信号频谱分析或时域信号持续震荡周期对声频信号进行波形数据分析，以反射信号的主频值fb或传播信号持续震荡特性Td作为判断标准特征值；计算出测试区域的主频值fc或信号持续震荡周期Tc与相应的特征值fb或Td进行比对；对所有测点进行成像，直观呈现整个测试区域质量问题的分布状况。可高效快速地识别隧道衬砌的脱空、厚度不足、内部缺陷等质量问题，准确率高，适用范围广。
Description
技术领域
本发明涉及铁路隧道检测技术领域，具体涉及一种隧道衬砌厚度和脱空的声频无损检测方法。
背景技术
在道路交通的建设当中由于施工过程中可能存在不可抗拒因素产生一系列病害，如脱空、衬砌缺陷、衬砌厚度不足等质量问题，给隧道后期运营埋下了不确定的安全隐患，为了保证隧道施工的质量和运营的安全性，对隧道病害检测的重要性不言而喻，加强隧道病害检测可以为施工提供指导在一定程度上提升改进施工工艺，加强施工质量管理，同时在运营养管过程中及时发现处理安全隐患，该方法属于无损检测领域范畴，对结构无损伤，检测效率高，结果准确易判读，受外结构钢筋界交通环境影响小，可以全面实现隧道衬砌质量检测和评价，为隧道施工和运营维护提供技术支持。
电磁波、冲击弹性波检测是检测缺陷的常用手段，电磁波雷达通过测试在脱空面的反射信号来判断脱空的有无，但电磁雷达波受钢筋、水等影响较大，隧道衬砌内钢筋密布，多数区域含水率高，几乎无法对其有效进行检测。冲击弹性波检测仪器频带宽、无电磁阻抗、信号能量强等优点弥补了电磁雷达受钢筋、水等影响大的不足，具有很强的适用性。
发明内容
为解决隧道衬砌检测效率低的技术问题，本发明提供了一种隧道衬砌厚度、缺陷和脱空的非接触式声频无损检测方法。可高效快速地识别隧道衬砌的脱空、厚度不足、内部缺陷等质量问题，准确率高，适用范围广。
为了实现本发明的目的，本发明采用的技术方案是：
一种隧道衬砌厚度和脱空的声频无损检测方法，包括以下步骤：
A、找到与测试对象区域同等工况下已知厚度Hb或已知脱空的标定区域，在标定区域布置一定数量测点，用激振锤或自动激振装置进行敲击，采集有效声频信号；
所述有效声频信号是指信号平滑，无噪声(信号光滑无毛刺)，整体呈阻尼衰减特性。
B、通过声频信号频谱分析或时域信号持续震荡周期对声频信号进行波形数据分析，通过信号主频变化或持续时间变化对隧道衬砌质量进行分析，以反射信号的主频值fb或传播信号持续震荡特性Td作为判断标准特征值；
C、在测试区域根据测试需要布置测点，并对测点进行坐标定位和记录，用激振锤或自动激振装置进行敲击，采集有效声频信号，用声频分析***对波形数据进行处理分析，计算出测试区域的主频值fc或信号持续震荡周期Tc；
D、将得出的主频值fc或信号持续震荡周期Tc与B步骤所述相应的特征值fb或Td进行比对，并根据C步骤确定好的坐标，对所有测点进行成像，直观呈现整个测试区域质量问题的分布状况。
本发明所述的D步骤，若fc＞fb则判断结构内部无缺陷且固结灌浆质量良好；若fc＜fb则判断为衬砌厚度不足或者衬砌内部存在缺陷；若fc＝fb且上下波动5％，则判断衬砌厚度正常但存在脱空问题；若Tc＜Td则判断结构内部无缺陷且固结灌浆质量良好；若Tc＞Td则判断为衬砌厚度不足或者衬砌内部存在缺陷；若Tc＝Td且上下波动5％，则判断衬砌厚度正常但存在脱空问题。
所述成像是指在坐标系内通过对比色显示对应测点的比对结果，比对结果不同的相邻两测点之间采用过渡色显示。
本发明通过已知厚度Hb计算出标定区域混凝土波速值vb，公式为vb＝2Hbfb；再根据波速vb计算出测试区域混凝土厚度Hc，公式为Hc＝vb/2fc。
由于同一隧道衬砌施工中所采用的骨料配比基本稳定，各测点波速变化较小，对测试结果不能产生实质性的影响，可将标定获取的波速视作定值，也可进行多点标定进行统计处理采用最优波速值。通过波速vb即可计算出测试区域混凝土厚度Hc的具体数值，可对测试区域的混凝土质量做进一步的准确评估。
本发明所述频谱计算采用最大熵法或信号持续震荡周期，适于声频信号进行频谱解析。
本发明所述的C步骤，针对80cm以内厚度的测试区域，激振锤的锤头为直径17mm-40mm的不锈钢球形锤头，激振电压值为4V。采取变化激振频率的方式对结构主频进行匹配，一般情况下可通过改变激振锤的直径实现，对于隧道一般优选17mm-40mm直径的球形体进行发振80cm以内厚度的测试区域，4V即限定了振动信号的幅度稳定。
本发明采用指向型麦克风采集声频信号，采集时指向型麦克风应与测试面保持5-10mm的距离以保证信号品质。
优选地，所述指向型麦克风外包裹有隔音棉，指向型麦克风与高速动态采集仪相连接，所述隔音棉紧贴测试对象表面。
隔音棉与测试对象表面紧贴，可以有效降低或阻断敲击所产生的声音，使得指向型麦克风能够针对性的采集结构物表面的有效声场信息，以提升测试结果的准确性。
进一步优选地，所述高速动态采集仪采用直流信号作为载体进行信号传输，该方式可有效提高信号抗干扰能力，可在风扰、静电等环境下有效工作，保证了信号品质的同时扩大了适用环境。
本发明所述有效声频信号在前置带通滤波器中经过滤波处理，再将信号在1-12kHz范围内进行滤波处理，过滤掉其他频段的噪声信号，便于在优势频段进行有效信号提取分析。
本发明所述B步骤的判断标准特征值取标定区域各测点主频值或信号持续震荡周期的平均值，可与标准差进行修正，具有代表性用于对比分析时准确率高。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用机械击打产生的声频信号对隧道衬砌的混凝土厚度和脱空位置进行识别，受外界因素，例如混凝土钢筋率、含水量等因素的影响较小，较电磁雷达和冲击弹性波检测更加精准有效，且为无接触检测，检测效率更高。可准确快速地识别出脱空位置，准确率高达95％以上。
2、传统的频谱图成像法经过多次数据合成处理，分析一块隧道区域是否存在脱空用时在10-30分钟或者更多。本发明通过频谱特征值比对，采用成像技术，可快速平面成像或者加上厚度三维成像，可以更直观地对隧道的混凝土厚度、脱空位置以及脱空面积进行识别，可在30秒至1分钟之内即可完成隧道区域的全面检测成像，运算速率更高。
3、将标定获取的波速视作定值，通过波速vb即可计算出测试区域混凝土厚度Hc的具体数值，可对测试区域的混凝土厚度分布做进一步的准确评估。
4、指向型麦克风外包裹有隔音棉，并前置带通滤波器中经过滤波处理，再将信号在1-12kHz范围内进行滤波处理，有效过滤掉噪声信号，抗干扰能力强，频响范围好，***降噪好，滤波功能更好，克服了传统敲打采集的噪声问题，采集到的原始信号更接近于实际情况，采样精度更高。
附图说明
图1为信号持续震荡周期的波形图。
图2为本发明采用的带通滤波器原理图。
图3为实施例11的脱空标定区域的频谱图，纵坐标为频率值，单位Khz，横坐标为单个数据对应位置坐标，单位为m。
图4为实施例11的无脱空标定区域的频谱图，纵坐标为频率值，单位Khz，横坐标为单个测点数据对应位置坐标，单位为m。
图5为实施例11的测线3区域的频谱图。
图6为实施例11的5条测线所测信号频谱值与标定数值对比的平面成像图，x坐标为宽度方向，y坐标为长度方向。
图7为实施例11的整个测试区域的脱空分布三维空间图，x坐标为宽度方向，z坐标为测线方向，y坐标为深度方向。
图8为实施例12的脱空标定区域的单个测点数据的波形图。
图9为实施例12的无脱空标定区域的单个测点数据的波形图。
图10为实施例12的测线3区域的波形图。
图11为实施例12的5条测线所测信号持续周期与标定数值对比的平面成像图，x坐标为宽度方向，y坐标为长度方向。
图12为实施例12的整个测试区域的脱空分布三维空间图，x坐标为宽度方向，z坐标为测线方向，y坐标为深度方向。
具体实施方式
为了更加清楚、详细地说明本发明的目的技术方案，下面通过相关实施例对本发明进行进一步描述。以下实施例仅为具体说明本发明的实施方法，并不限定本发明的保护范围。
实施例1
一种隧道衬砌厚度和脱空的声频无损检测方法，包括以下步骤：
A、找到与测试对象区域同等工况下已知厚度Hb或已知脱空的标定区域，在标定区域布置一定数量测点，用激振锤或自动激振装置进行敲击，采集有效声频信号；
B、通过频谱分析对声频信号进行波形数据分析，通过信号主频变化对隧道衬砌质量进行分析，以反射信号的主频值fb作为判断标准特征值；
C、在测试区域根据测试需要布置测点，并对测点进行坐标定位和记录，用激振锤或自动激振装置进行敲击，采集有效声频信号，用声频分析***对波形数据进行处理分析，计算出测试区域的主频值fc；
D、将得出的主频值与B步骤所述相应的特征值fb进行比对，并根据C步骤确定好的坐标，对所有测点进行成像，直观呈现整个测试区域质量问题的分布状况。
所述频谱计算采用最大熵法。
最大熵法是一种自相关函数外推的方法，在分析过程中，没有固定的窗函数。在每一步外推过程中，使估计的相关函数包含过程的信息最多，即要求在过程的熵达到最大的条件，确定未知的自相关函数值，借以达到谱估计的逼真和稳定程度最好的目的。也就是采用谱熵为最大的准则来估计功率谱。
最大熵谱不仅没有传统谱受到数据加窗这一致命弱点带来的一系列缺陷，而且由于它是连续谱，从理论上讲，谱光滑，谱峰陡峭，频率分辨力无限高，不存在传统谱是离散谱带来频率分辨误差这一问题，而在实际隧道检测过程中因缺陷等信号会导致信号突变，难以存在较为理想的三角信号最大熵谱有效解决了这一问题，增加了信号分辨精度，其计算公式为：
其中：f：频率，应小于或等于奈奎斯特频率；
Pm+1：载止阶数为m的m+1点预测误差滤波器的输出功率(在去均值时等于方差
)；
amn自回归系数或线性预测系数；
Pm+1amn和由下面关系式给出：
实施例2
一种隧道衬砌厚度和脱空的声频无损检测方法，包括以下步骤：
A、找到与测试对象区域同等工况下已知厚度Hb或已知脱空的标定区域，在标定区域布置一定数量测点，用激振锤或自动激振装置进行敲击，采集有效声频信号；
B、通过时域信号持续震荡周期对声频信号进行波形数据分析，通过信号持续时间变化对隧道衬砌质量进行分析，以传播信号持续震荡特性Td作为判断标准特征值；
C、在测试区域根据测试需要布置测点，并对测点进行坐标定位和记录，用激振锤或自动激振装置进行敲击，采集有效声频信号，用声频分析***对波形数据进行处理分析，计算出测试区域的信号持续震荡周期Tc；
D、将得出的信号持续震荡周期Tc与B步骤所述相应的特征值Td进行比对，并根据C步骤确定好的坐标，对所有测点进行成像，直观呈现整个测试区域质量问题的分布状况。
信号震荡周期是根据结构质量变化引起的信号持续时间发生变化的现象，对隧道质量进行评定，一般情况下脱空后信号持续时间会变长，改值可通过原始波形时域进行获取，简单直观。
实施例3
本实施例在实施例1的基础上：
所述的D步骤，若fc＞fb则判断结构内部无缺陷且固结灌浆质量良好；若fc＜fb则判断为衬砌厚度不足或者衬砌内部存在缺陷；若fc＝fb且上下波动5％以内，则判断衬砌厚度正常但存在脱空问题。
所述B步骤的判断标准特征值取标定区域各测点主频值的平均值，可与标准差进行修正。
实施例4
本实施例在实施例2的基础上：
所述的D步骤，若Tc＜Td则判断结构内部无缺陷且固结灌浆质量良好；若Tc＞Td则判断为衬砌厚度不足或者衬砌内部存在缺陷；若Tc＝Td且上下波动5％以内，则判断衬砌厚度正常但存在脱空问题。
所述B步骤的判断标准特征值取标定区域各测点信号持续震荡周期的平均值，可与标准差进行修正。
实施例5
本实施例在实施例1的基础上：
所述成像是指在坐标系内通过对比色显示对应测点的比对结果，比对结果不同的相邻两测点之间采用过渡色显示。
实施例6
本实施例在实施例1的基础上：
通过已知混凝土厚度Hb计算出标定区域混凝土波速值vb，公式为vb＝2Hbfb；再根据波速vb计算出测试区域混凝土厚度Hc，公式为Hc＝vb/2fc。
实施例7
本实施例在实施例1的基础上：
所述的C步骤，针对40cm厚度的测试区域，激振锤的锤头为直径17mm的不锈钢球形锤头，激振电压值为4V。
实施例8
本实施例在实施例1的基础上：
所述的C步骤，针对80cm厚度的测试区域，激振锤的锤头为直径40mm的不锈钢球形锤头，激振电压值为4V。
采用指向型麦克风采集声频信号，采集时指向型麦克风与测试面保持5-10mm的距离。
实施例9
本实施例在实施例1的基础上：
所述的C步骤，针对60cm厚度的测试区域，激振锤的锤头为直径25mm的不锈钢球形锤头，激振电压值为4V。
采用指向型麦克风采集声频信号，采集时指向型麦克风与测试面保持5-10mm的距离。
所述指向型麦克风外包裹有隔音棉，指向型麦克风与高速动态采集仪相连接，所述隔音棉紧贴测试对象表面。
实施例10
本实施例在实施例2的基础上：
采用指向型麦克风采集声频信号，采集时指向型麦克风与测试面保持5-10mm的距离。
所述指向型麦克风外包裹有隔音棉，指向型麦克风与高速动态采集仪相连接，所述隔音棉紧贴测试对象表面。
所述有效声频信号在前置带通滤波器中经过滤波处理，再将信号在1-12kHz范围内进行滤波处理。
如图2所示，为高Q带通滤波电路。该电路采用两块高输入阻抗运算放大器SF356，其中第一级作为普通的单级滤波器，其Q值较低，R3取值较小，信号衰减较大，放大倍数小。但是第二级反相比例放大器具有数十倍的放大倍数，而且通过R2到第一级输入端，引入一定量的正反馈，这样就提高了整个电路的Q值，因此该滤波器具有较好的选频特性。
实施例11
贵州省内某在建隧道进行脱空检测，检测方法如下：
A、找到与测试对象区域同等工况下已知厚度Hb的标定区域，对存在脱空区域布置测线，各测点的间距取30cm，进行数据采样；通过最大熵法频谱分析声频信号，判断主频值范围，如图3所示，脱空区域主频值fb为2.1Khz(图示纵坐标为频率值，单位Khz，横坐标为单个数据对应位置坐标，单位为m)，作为判断标准特征值fb；对完好区域进行数据采样，如图4所示，完好区域主频值为4.5Khz(图示纵坐标为频率值，单位Khz，横坐标为单个数据对应位置坐标，单位为m)，用于检测结果验证和波速vb计算；通过已知厚度Hb计算出标定处混凝土波速值vb；
B、沿隧道方向布置5条测线，其中拱顶1条，拱腰2条，拱底2条，沿测线布置测点进行数据测试，测点的间距取30cm，每测线共测试5测点，在测点位置进行敲击并拾取信号,通过最大熵法频谱分析声频信号；
C、将一条测线上拾取到的频谱图汇聚到同一界面，对所有波形进行频谱分析，找到主频值fc，根据主频值判断测点位置是否存在脱空；并根据波速vb计算混凝土厚度Hc。
测试结果显示：测线1、2、4和5的主频值为4.5Khz，根据主频值fc＞fb，判断偏移部位结构内部无缺陷且固结灌浆质量良好，无脱空；测线3的主频值为2.1Khz，主频值fc＝fb，则判断衬砌厚度正常但存在脱空问题，见图5，且计算出的混凝土厚度显著低于标定区域已知厚度。再将测线1、2、4和5的主频值与标定区域的无脱空区域对比，与无脱空区域主频值一致，且计算出的混凝土厚度与标定区域已知厚度相当，证明测试结果无误。
通过对5条测线所测信号频谱值fc与脱空标定数值fb对比结果进行平面成像，在坐标系内通过对比色显示对应测点的比对结果，比对结果不同的相邻两测点之间采用过渡色显示(x坐标为宽度方向，y坐标为长度方向)，如图6所示，色差部分为测线3区域，存在明显脱空情况，异常于其它测线。图7为整个测试区域的脱空分布状态三维图(x坐标为宽度方向，z坐标为测线方向，y坐标为深度方向)。
实施例12
贵州省内某在建隧道进行脱空检测，检测方法如下：
对四川省内某在建隧道脱空检测，检测方法同实施例11，通过时域信号持续震荡周期分析声频信号，通过信号持续周期判断是否存在脱空。该方法直观、简单，从原始信号持续时间上即可判断脱空位置。
脱空标定区域各测点传播信号持续震荡特性Td见图8，数据特点持续振荡时间长，衰减较慢其以0.2V电压以上作为截止标准，其震荡时间为5ms，作为判断标准特征值Td；无脱空标定区域各测点传播信号持续震荡特性见图9，数据特点持续振荡时间短，衰减较明显0.2V电压作为震荡截止标准，其震荡时间为1.2ms，用于检测结果验证和波速vb计算；并通过无脱空标定区域已知厚度计算出标定处混凝土波速值vb。
在测点位置进行敲击并拾取信号，通过时域信号持续震荡周期分析声频信号，将一条测线上拾取到的波形图汇聚到同一界面，以0.2V电压以上作为截止标准，计算出测试区域的信号持续震荡周期Tc；并根据波速vb计算混凝土厚度Hc。
测试结果显示：测线1、2、4和5的震荡时间为1.2ms，根据Tc＜Td，判断该部位结构内部无缺陷且固结灌浆质量良好，无脱空；测线3的震荡周期为5ms，根据Tc＝Td，则判断衬砌厚度正常但存在脱空问题，见图10，且计算出的混凝土厚度显著低于标定区域已知厚度。再将测线1、2、4和5的震荡周期与标定区域的无脱空区域对比，与无脱空区域震荡周期相当，且计算出的混凝土厚度与标定区域已知厚度相当，证明测试结果无误。
通过对5条测线所测信号震荡周期Tc与脱空标定数值Td对比结果进行平面成像(x坐标为宽度方向，y坐标为长度方向)，如图11所示，色差部分为测线3区域，存在明显脱空情况，异常于其它测线。图12为整个测试区域的脱空分布状态三维图(x坐标为宽度方向，z坐标为测线方向，y坐标为深度方向)。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，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。
Claims (10)
1.一种隧道衬砌厚度和脱空的声频无损检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、找到与测试对象区域同等工况下已知厚度Hb或已知脱空的标定区域，在标定区域布置一定数量测点，用激振锤或自动激振装置进行敲击，采集有效声频信号；
B、通过声频信号频谱分析或时域信号持续震荡周期对声频信号进行波形数据分析，通过信号主频变化或持续时间变化对隧道衬砌质量进行分析，以反射信号的主频值fb或传播信号持续震荡特性Td作为判断标准特征值；
C、在测试区域根据测试需要布置测点，并对测点进行坐标定位和记录，用激振锤或自动激振装置进行敲击，采集有效声频信号，用声频分析***对波形数据进行处理分析，计算出测试区域的主频值fc或信号持续震荡周期Tc；
D、将得出的主频值fc或信号持续震荡周期Tc与B步骤所述相应的特征值fb或Td进行比对，并根据C步骤确定好的坐标，对所有测点进行成像处理，直观呈现整个测试区域质量问题的分布状况。
2.根据权利要求1所述隧道衬砌厚度和脱空的声频无损检测方法，其特征在于，所述的D步骤，若fc＞fb则判断结构内部无缺陷且固结灌浆质量良好；若fc＜fb则判断为衬砌厚度不足或者衬砌内部存在缺陷；若fc＝fb且上下波动5％，则判断衬砌厚度正常但存在脱空问题；若Tc＜Td则判断结构内部无缺陷且固结灌浆质量良好；若Tc＞cd则判断为衬砌厚度不足或者衬砌内部存在缺陷；若Tc＝Td且上下波动5％以内，则判断衬砌厚度正常但存在脱空问题。
3.根据权利要求2所述隧道衬砌厚度和脱空的的声频无损检测方法，其特征在于，所述成像是指在坐标系内通过对比色显示对应测点的比对结果，比对结果不同的相邻两测点之间采用过渡色显示。
4.根据权利要求1所述隧道衬砌厚度和脱空的声频无损检测方法，其特征在于，通过已知混凝土厚度Hb计算出标定区域混凝土波速值vb，公式为vb＝2Hbfb；再根据波速vb计算出测试区域混凝土厚度Hc，公式为Hc＝vb/2fc。
5.根据权利要求1所述隧道衬砌厚度和脱空的声频无损检测方法，其特征在于，所述频谱计算采用最大熵法或信号持续震荡周期法。
6.根据权利要求1所述隧道衬砌厚度和脱空的声频无损检测方法，其特征在于，所述的C步骤，针对80cm以内厚度的测试区域，激振锤的锤头为直径17mm-40mm的不锈钢球形锤头，激振电压值为4V。
7.根据权利要求1所述隧道衬砌厚度和脱空的声频无损检测方法，其特征在于，采用指向型麦克风采集声频信号，采集时指向型麦克风与测试面保持5-10mm的距离。
8.根据权利要求7所述隧道衬砌厚度和脱空的声频无损检测方法，其特征在于，所述指向型麦克风外包裹有隔音棉，指向型麦克风与高速动态采集仪相连接，所述隔音棉紧贴测试对象表面。
9.根据权利要求7所述隧道衬砌厚度和脱空的声频无损检测方法，其特征在于，有效声频信号在前置带通滤波器中经过滤波处理，再将信号在1-12kHz范围内进行滤波处理。
10.根据权利要求1所述隧道衬砌厚度和脱空的声频无损检测方法，其特征在于，所述B步骤的判断标准特征值取标定区域各测点主频值或信号持续震荡周期的平均值。
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