CN111521686A - 一种基于声发射b值卡尔曼滤波分析的沥青混合料低温断裂评价方法 - Google Patents

一种基于声发射b值卡尔曼滤波分析的沥青混合料低温断裂评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于声发射b值卡尔曼滤波分析的沥青混合料低温断裂评价方法，该方法利用沥青混合料低温损伤断裂过程中产生的声发射信号，通过声发射设备采集声发射技术参数，建立声发射振幅值和声发射震级的模型，确定出声发射参数b值，再通过对b值进行卡尔曼滤波分析处理，根据b值的变化规律对沥青混合料低温的断裂过程进行评价。通过声发射振幅值与声发射震级的关系得到声发射b值，对声发射b值进行卡尔曼滤波，建立断裂过程与b值的关系，实现基于声发射b值对沥青混合料低温损伤断裂过程的评价。本发明基于声发射b值卡尔曼滤波分析，为沥青混合料低温在服役过程中产生的损伤断裂提供一种可靠的评价方法。

Description

一种基于声发射b值卡尔曼滤波分析的沥青混合料低温断裂 评价方法
技术领域
本发明属于沥青混合料低温性能检测技术领域，涉及一种基于声发射b值卡尔曼滤波分析的沥青混合料低温断裂评价方法。
背景技术
为了从微观形态变化的角度对沥青混合料低温的损伤断裂进行表征，国内外学者采用如数字图像(Digital Image Correlation，DIC)、X射线、扫描电子显微镜(ScanningElectron Microscope,SEM)等技术对沥青混合料低温的断裂行为进行研究。沥青混合料在低温状态下容易产生损伤断裂，而沥青混合料低温断裂会导致路面结构严重破坏，降低沥青混合料路面的服役性能。沥青混合料低温的断裂损伤严重影响了路面的使用寿命，现有的理论分析方法依赖于材料参数和边界条件的假定，无法真实地反应沥青混合料的断裂过程，而微观形态分析方法不能对沥青混合料内部损伤进行实时监测。声发射(AcousticEmission,AE)是一种由材料局部能量快速释放产生的瞬时弹性波现象，材料内部裂缝的产生和扩展均可导致声发射信号的产生，目前的研究很难对沥青混合料低温损伤断裂过程提供准确的评价方法。
b值是采用频率大小分布数据，通过Gutenberg-Richter关系获得的，经过推广应用于沥青混合料低温声发射技术中，经卡尔曼滤波的声发射b值可以对沥青混合料低温损伤断裂过程进行准确评价。
发明内容
本发明为了克服当前沥青混合料低温损伤断裂评价中的不足，提供一种基于声发射b值卡尔曼滤波分析的沥青混合料低温断裂评价方法。该方法通过声发射技术采集沥青混合料低温损伤断裂过程中的声发射幅度值参数，计算得到沥青混合料低温损伤断裂声发射b值，对b值进行卡尔曼滤波分析，根据b值变化对沥青混合料低温损伤断裂进行评价。该方法方便可靠，易操作，容易实现且非常准确。
技术方案：为实现以上目的，本发明所述一种基于声发射b值卡尔曼滤波分析的沥青混合料低温断裂评价方法包括以下步骤：
一种基于声发射b值卡尔曼滤波分析的沥青混合料低温断裂评价方法，其特征在于，通过沥青混合料在低温状态下的SCB试验，利用声发射技术采集沥青混合料低温损伤断裂过程中的声发射振幅值，通过沥青混合料低温损伤断裂过程中的声发射振幅值与声发射震级之间的关系得到声发射b值，再建立沥青混合料低温断裂过程中声发射b值与损伤断裂的关系，实现对沥青混合料低温损伤断裂的评价，包括如下具体步骤：
步骤S1：确定沥青混合料低温损伤断裂过程中的声发射b值；
步骤S11：使用声发射***采集沥青混合料低温损伤断裂过程中的声发射振幅值；
步骤S12：取沥青混合料低温损伤断裂声发射时间次数n为100，读取n次沥青混合料低温损伤断裂声发射事件中的最大振幅值，将沥青混合料低温损伤断裂声发射阈值到沥青混合料低温损伤断裂声发射最大振幅值以5dB为间距进行分组，统计每组的沥青混合料低温损伤断裂声发射的事件数；
步骤S13：沥青混合料低温损伤断裂声发射b值采用下式计算：
Figure BDA0002470346640000021
式中N为沥青混合料低温损伤断裂过程中声发射事件的增长频度，AdB为沥青混合料低温损伤断裂过程中声发射振幅值，a和b为最小二乘拟合得到的常数；
步骤S14：采用最小二乘法对沥青混合料低温损伤断裂声发射振幅值和沥青混合料低温损伤断裂声发射事件数进行线性拟合，得到参数a和沥青混合料低温损伤断裂声发射b值；
步骤S2：根据步骤S1中得到的沥青混合料低温损伤断裂声发射b值，利用卡尔曼滤波对沥青混合料低温损伤断裂声发射b值进行处理，经过沥青混合料低温损伤断裂声发射b值数据的输入输出，根据卡尔曼滤波的5条核心公式对数据进行最优化自回归数据处理，得到卡尔曼滤波后的沥青混合料低温损伤断裂声发射b值；
步骤S3：根据步骤S2卡尔曼滤波之后的沥青混合料低温损伤断裂声发射b值曲线的变化趋势，b值增大，代表微裂缝产生，b值减小，代表大裂缝生成，可对沥青混合料低温损伤断裂过程进行评价。
进一步地，步骤S12的具体内容包括：
步骤S12：取沥青混合料低温损伤断裂声发射时间次数n为100，读取n次沥青混合料低温损伤断裂声发射事件中的最大振幅值，将沥青混合料低温损伤断裂声发射阈值到沥青混合料低温损伤断裂声发射最大振幅值以5dB为间距进行分组，如：沥青混合料低温损伤断裂声发射振幅值大于40dB同时小于45dB的归为一组，记为沥青混合料低温损伤断裂声发射振幅值42.5dB，统计每组的沥青混合料低温损伤断裂声发射的事件数；
进一步地，步骤S14的具体内容包括：
步骤S14：采用最小二乘法对沥青混合料低温损伤断裂声发射振幅值和沥青混合料低温损伤断裂声发射事件数进行线性拟合，以沥青混合料低温损伤断裂声发射振幅值每组都除以
Figure BDA0002470346640000031
的值作为横坐标，以该组的沥青混合料低温损伤断裂声发射事件数的对数log10N作为纵坐标，得到散点图，对该散点图进行最小二乘法线性拟合，所得图形斜率的相反数即为沥青混合料低温损伤断裂声发射b值。
进一步地，步骤S3的具体内容包括：
步骤S3：根据步骤S2卡尔曼滤波之后的沥青混合料低温损伤断裂声发射b值曲线的变化趋势，可对沥青混合料低温损伤断裂进行评价，沥青混合料低温损伤断裂声发射b值上升，表明沥青混合料低温损伤断裂过程中的为裂缝产生；沥青混合料低温损伤断裂声发射b值下降，表明沥青混合料低温损伤断裂过程中大裂缝形成。
本发明所测试的材料为沥青混合料。
本发明所测试材料在低温下进行测试，温度在零下的实现条件下进行。
本发明所测的沥青混合料低温采集声发射振幅值以某点为对象。
本发明所测的沥青混合料低温针对不同的点分开进行评价。
本发明的特点在于：
1、本发明通过建立声发射b值与沥青混合料低温损伤断裂的关系，实现对沥青混合料低温损伤断裂过程的评价；
2、本发明所得到的沥青混合料低温损伤断裂声发射b值经卡尔曼滤波处理之后对沥青混合料低温损伤断裂过程进行评价；
3、本发明通过建立沥青混合料低温损伤断裂声发射振幅与沥青混合料低温损伤断裂声发射频数的函数关系得到沥青混合料低温损伤断裂声发射b值；
4、本发明通过卡尔曼滤波后的沥青混合料低温损伤断裂声发射b值曲线的变化趋势对沥青混合料低温损伤断裂进行准确评价。
附图说明
图1为本发明评价方法的流程图；
图2为沥青混合料低温断裂测试图；
图3为沥青混合料低温断裂声发射幅值图；
图4为沥青混合料低温断裂声发射b值图；
图5为卡尔曼滤波后的沥青混合料低温断裂声发射b值图。
图中，1、2为夹具，3为沥青混合料试件，4为预切口，5为声发射传感器；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。
如图1所示为一种基于声发射b值卡尔曼滤波分析的沥青混合料低温断裂评价方法的流程图。该评价方法包括以下步骤：
首先依据步骤S1，计算得到沥青混合料低温损伤断裂声发射b值，具体包括以下步骤：
步骤S11：使用声发射***采集沥青混合料低温损伤断裂过程中的声发射振幅值；
步骤S12：取沥青混合料低温损伤断裂声发射时间次数n为100，读取n次沥青混合料低温损伤断裂声发射事件中的最大振幅值，将沥青混合料低温损伤断裂声发射阈值到沥青混合料低温损伤断裂声发射最大振幅值以5dB为间距进行分组，如：沥青混合料低温损伤断裂声发射振幅值大于40dB同时小于45dB的归为一组，记为沥青混合料低温损伤断裂声发射振幅值42.5dB，统计每组的沥青混合料低温损伤断裂声发射的事件数；
步骤S13：沥青混合料低温损伤断裂声发射b值采用下式计算：
Figure BDA0002470346640000041
式中N为沥青混合料低温损伤断裂过程中声发射事件的增长频度，AdB为沥青混合料低温损伤断裂过程中声发射振幅值，a和b为最小二乘拟合得到的常数；
步骤S14：采用最小二乘法对沥青混合料低温损伤断裂声发射振幅值和沥青混合料低温损伤断裂声发射事件数进行线性拟合，以沥青混合料低温损伤断裂声发射振幅值每组都除以
Figure BDA0002470346640000051
的值作为横坐标，以该组的沥青混合料低温损伤断裂声发射事件数的对数log10N作为纵坐标，得到散点图，对该散点图进行最小二乘法线性拟合，所得图形斜率的相反数即为沥青混合料低温损伤断裂声发射b值。
然后进行步骤S2，具体包括以下步骤：
步骤S2：根据步骤S1中得到的沥青混合料低温损伤断裂声发射b值，利用卡尔曼滤波对沥青混合料低温损伤断裂声发射b值进行处理。
再进行步骤S3，具体包括以下步骤：
步骤S3：根据步骤S2卡尔曼滤波之后的沥青混合料低温损伤断裂声发射b值曲线的变化趋势，可对沥青混合料低温损伤断裂过程进行评价，沥青混合料低温损伤断裂声发射b值上升，表明沥青混合料低温损伤断裂过程中的为裂缝产生；沥青混合料低温损伤断裂声发射b值下降，表明沥青混合料低温损伤断裂过程中大裂缝形成。
实施案例
对一种原始直径为150mm，厚32mm的沥青混合料半圆试件，按照步骤S1在低温状态下进行三点弯曲加载(如图2)，按照步骤S11对加载过程采用声发射***采集沥青混合料低温损伤断裂过程中的声发射振幅值(如图3)，按照步骤S12取沥青混合料低温损伤断裂声发射时间次数n为50，读取n次沥青混合料低温损伤断裂声发射事件中的最大振幅值，以5dB为间距从沥青混合料低温损伤断裂声发射阈值到沥青混合料低温损伤断裂声发射最大振幅值进行分组，统计每组的沥青混合料低温损伤断裂声发射的事件数，按照步骤S13步骤S14拟合得到沥青混合料低温断裂过程中声发射b值(如图4)；按照步骤S2对沥青混合料低温断裂过程中声发射b值进行卡尔曼滤波，得到卡尔曼滤波后的声发射b值(如图5)，按照步骤S3对沥青混合料低温损伤断裂过程进行评价，整个过程分为四个阶段，第一阶段经过滤后的声发射b值呈上升趋势，此阶段微裂缝产生，第二阶段声发射b值下降，此阶段产生宏观裂缝，第三阶段声发射b值上升，微裂缝与大裂缝结合，第四阶段声发射b值下降，表明大裂缝形成和张开，声发射b值卡尔曼滤波分析得到的结果与试验及理论符合，说明采用本发明可以很好的评价沥青混合料在低温下的损伤断裂。

Claims (4)

1.一种基于声发射b值卡尔曼滤波分析的沥青混合料低温断裂评价方法，其特征在于，通过沥青混合料在低温状态下的半圆弯拉试验，利用声发射技术采集沥青混合料低温损伤断裂过程中的声发射振幅值，通过沥青混合料低温损伤断裂过程中的声发射振幅值与声发射震级之间的关系得到声发射b值，再建立沥青混合料低温断裂过程中声发射b值与损伤断裂的关系，实现对沥青混合料低温损伤断裂的评价，包括如下具体步骤：
步骤S1：确定沥青混合料低温损伤断裂过程中的声发射b值；
步骤S11：使用声发射***采集沥青混合料低温损伤断裂过程中的声发射振幅值；
步骤S12：取沥青混合料低温损伤断裂声发射时间次数n为100，读取n次沥青混合料低温损伤断裂声发射事件中的最大振幅值，将沥青混合料低温损伤断裂声发射阈值到沥青混合料低温损伤断裂声发射最大振幅值以5dB为间距进行分组，统计每组的沥青混合料低温损伤断裂声发射的事件数；
步骤S13：沥青混合料低温损伤断裂声发射b值采用下式计算：
Figure FDA0002470346630000011
式中N为沥青混合料低温损伤断裂过程中声发射事件的增长频度，AdB为沥青混合料低温损伤断裂过程中声发射振幅值，a和b为最小二乘拟合得到的常数；
步骤S14：采用最小二乘法对沥青混合料低温损伤断裂声发射振幅值和沥青混合料低温损伤断裂声发射事件数进行线性拟合，得到参数a和沥青混合料低温损伤断裂声发射b值；
步骤S2：根据步骤S1中得到的沥青混合料低温损伤断裂声发射b值，利用卡尔曼滤波对沥青混合料低温损伤断裂声发射b值进行处理，经过沥青混合料低温损伤断裂声发射b值数据的输入输出，根据卡尔曼滤波的5条核心公式对数据进行最优化自回归数据处理，得到卡尔曼滤波后的沥青混合料低温损伤断裂声发射b值；
步骤S3：根据步骤S2卡尔曼滤波之后的沥青混合料低温损伤断裂声发射b值曲线的变化趋势，b值增大，代表微裂缝产生，b值减小，代表大裂缝生成，可对沥青混合料低温损伤断裂过程进行评价。
2.根据权利要求1所述的一种基于声发射b值卡尔曼滤波分析的沥青混合料低温断裂评价方法，其特征在于，步骤S12的具体内容包括：
步骤S12：取沥青混合料低温损伤断裂声发射时间次数n为100，读取n次沥青混合料低温损伤断裂声发射事件中的最大振幅值，将沥青混合料低温损伤断裂声发射阈值到沥青混合料低温损伤断裂声发射最大振幅值以5dB为间距进行分组，沥青混合料低温损伤断裂声发射振幅值大于40dB同时小于45dB的归为一组，记为沥青混合料低温损伤断裂声发射振幅值42.5dB，统计每组的沥青混合料低温损伤断裂声发射的事件数。
3.根据权利要求1所述的一种基于声发射b值卡尔曼滤波分析的沥青混合料低温断裂评价方法，其特征在于，步骤S14的具体内容包括：
步骤S14：采用最小二乘法对沥青混合料低温损伤断裂声发射振幅值和沥青混合料低温损伤断裂声发射事件数进行线性拟合，以沥青混合料低温损伤断裂声发射振幅值每组都除以
Figure FDA0002470346630000021
的值作为横坐标，以沥青混合料低温损伤断裂声发射事件数的对数log10N作为纵坐标，得到散点图，对该散点图进行最小二乘法线性拟合，所得图形斜率的相反数即为沥青混合料低温损伤断裂声发射b值。
4.根据权利要求1所述的一种基于声发射b值卡尔曼滤波分析的沥青混合料低温断裂评价方法，其特征在于，步骤S3的具体内容包括：
步骤S3：根据步骤S2卡尔曼滤波之后的沥青混合料低温损伤断裂声发射b值曲线的变化趋势，对沥青混合料低温损伤断裂进行评价，沥青混合料低温损伤断裂声发射b值上升，表明沥青混合料低温损伤断裂过程中的微裂缝产生；沥青混合料低温损伤断裂声发射b值下降，表明沥青混合料低温损伤断裂过程中大裂缝形成。
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