CN117630174A - 板式混凝土多通道-多自由度脉冲波无损检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种板式混凝土多通道‑多自由度脉冲波无损检测方法，包括：S1，按照设计好的观测***位置对每个测点进行脉冲波数据采集，得到多道脉冲波数据；S2，对多道脉冲波数据进行傅里叶变换，得到频率‑空间谱，对频率‑空间谱进行轻微平滑处理；S3，根据检波器位置与测点位置的远近，对频率‑空间谱曲线进行加权叠加；S4，拾取、保存叠加后的频率‑空间谱曲线上的振幅极大值点及其对应的频率值，并大到小依次排列；S5，基于多自由度模型对保存的频率值、相对振幅值进行层剥离成像，利用每一层的厚度与对应的相对振幅值进行成图；S6，对成像结果进行标定、解译。该方法抗干扰能力强、信噪比高、提取的共振频率更可靠。
Description
技术领域
本发明涉及板式混凝土结构检测领域，具体涉及一种板式混凝土多通道-多自由度脉冲波无损检测方法。
背景技术
在铁路工程建设过程中，混凝土是轨道板、桥梁、隧道衬砌等主体结构的主要施工材料之一，因此其质量对于高速行驶的列车安全至关重要，但受施工工艺影响，混凝土构件难免会出现厚度不均、内部不密实等缺陷；加之列车载荷、风雨侵蚀及温湿度变化，这些缺陷会进一步引起混凝土结构的钢筋锈蚀，导致耐久性、强度变差，从而构成安全隐患。因此，做好混凝土结构的质量检测工作对铁路施工、安全运营有着非常重要的意义。
现有的对混凝土检测鉴定的方法主要有两种，一种是钻芯法，一种是冲击回波法。
顾名思义，钻芯法就是深入混凝土结构内部采集混凝土样本，直接进行内部缺陷检查和刚度检测，这种方式对混凝土结构有一定破坏性，一般不受业主欢迎。
冲击回波法是一种基于应力波的混凝土结构厚度、密实度无损检测方法，其原理为：短时机械冲击波在结构体内多次反射产生瞬态共振，进而利用共振频率确定构件缺陷的位置和范围。现有的冲击回波法基于单自由度模型，首先需要在时间域脉冲信号中选取有效信号，然后仅仅拾取一个最大振幅值及对应的频率值进行厚度计算和强度估计，这种方法原理简单、易于处理，但是该方法存在以下缺点：
（1）短时冲击波为单道接收，数据容易受到外界影响，信噪比较低；
（2）数据处理过程基于单自由度模型，拾取到的共振频率往往是传感器自身的主频，在有效信号选取、共振频率拾取时存在很大的不确定性，从而进一步导致错误的结果。
发明内容
针对冲击回波技术的现状与不足，本发明提供一种板式混凝土多通道-多自由度脉冲波无损检测方法，该方法抗干扰能力强、信噪比高且无需对原始信号进行有效信号的识别。
为此，发明采用以下技术方案：
一种板式混凝土多通道-多自由度脉冲波无损检测方法，包括以下步骤：
S1，设计混凝土检测区域及测点位置，按照设计好的观测***位置，利用短时瞬态机械波击发与阵列采集装置对每一测点进行脉冲波数据采集，得到多道脉冲波数据；
采集时，短时瞬态机械波击发与阵列采集装置的激发点和与其相邻的检波器的中点位置与测点位置重合；
S2，对S1采集的每一个测点的多道脉冲波数据进行傅里叶变换，得到该测点位置的频率-空间谱，对所述频率-空间谱进行轻微平滑处理，有：
，
其中Smooth表示平滑算子，下标s表示平滑后的频谱；表示各通道脉冲信号的频谱，i代表通道号，i=1,2,3…；
S3，根据检波器位置与测点位置的远近，对S2得到的频率-空间谱曲线进行加权叠加：
，
S4，拾取、保存S3叠加后的频率-空间谱曲线上的振幅极大值点及其对应的频率值，
频率值从大到小依次排列为：、/>、/>、/>；保存不同频率值对应的相对振幅值/>、/>、/>、/>；其中，n为检波器个数；
S5，基于多自由度模型，对步骤S4中保存的频率值、相对振幅值进行层剥离成像：
；
；
；
；
其中，为混凝土速度，/>为每一层的厚度；
利用每一层的厚度与对应的相对振幅值进行成图；
S6，对S5的成像结果进行标定、解译。
步骤S3中，在对所述频率-空间谱曲线进行加权叠加时，各道的加权系数根据检波器与测点位置的远近进行选择，近测点位置加权系数大，远离测点位置的加权系数小，有：
。
优选的是，步骤S1中所述短时瞬态机械波击发与阵列采集装置的检波器之间的间距为5-20 cm。
优选的是，步骤S1中测点之间的距离为0.5-1 m。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1. 本发明为冲击回波无损检测方法而设计，其利用多通道叠加效应增强了有效信号的信噪比，与单通道数据采集处理方式相比，该方法抗干扰能力强、信噪比高、更能够提取出可靠的共振频率；
2. 本发明的方法采用多自由度模型成像方法，直接拾取频谱曲线中所有的极大值振幅对应的频率值，不存在丢失有效信息的可能性；通过对成像结果的整体标定，有效消除了无效信息的影响；
3. 在成像原理方面，本发明基于多自由度共振模型，无需对原始信号进行有效信号的识别，能够对拾取到的所有共振频率进行逐一的层剥离成像，能够进一步拓展至多层混凝土结构检测。
附图说明
图1是实施例1中短时瞬态机械波击发与阵列采集装置的剖面结构示意图；
图2是图1中支架的俯视结构示意图；
图3是短时瞬态机械波击发与阵列采集装置应用在被检测对象表面上的状态示意图；
图4是短时瞬态机械波击发与阵列采集装置中接收器与支架的连接结构示意图；
图5是板式混凝土多通道-多自由度脉冲波无损检测方法的流程图；
图6是实施例1中多通道-多自由度脉冲波无损检测方法的成像结果；
图7是传统冲击回波技术的成像结果。
图中：
1.击发开关 2.导杆 3.冲击弹簧 4.重锤 5.缓冲弹簧 6.检波器 7.壳体 8.U型卡槽
9.刻度尺 10.顶部开口 11.击发器支架 12.接收器支架 13.接收器
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的板式混凝土多通道-多自由度脉冲波无损检测方法进行详细说明。
本发明的板式混凝土多通道-多自由度脉冲波无损检测方法采用图1-图4所示的短时瞬态机械波击发与阵列采集装置进行脉冲波数据采集，该采集装置包括击发开关1、导杆2、冲击弹簧3、重锤4、击发器支架11和接收器支架12，击发器支架11用于安装击发器，接收器支架12用于安装接收器阵列，在接收器支架12顶部开口10的至少一侧还安装有刻度尺9。在本实施例中，接收器阵列由多个接收器组成（图中只显示了3个），每个接收器13均包括壳体7、检波器6和缓冲弹簧5，检波器6用于采集应力波。在壳体7顶面上安装有U型卡槽8。
使用时，将测点（重锤4的落点14与距离激发点最近的检波器6的落点（即与待测对象的接触点）之间的中点位置15对应的位置）对准待测对象（例如轨道板或水泥块）的采集点位置，用力按压，按压状态下该装置的状态见图3。向上拉动击发开关1至顶点位置，在松手的瞬间，重锤4在冲击弹簧3和自身重量的驱动下迅速撞击被检测对象表面，产生瞬态机械冲击波；冲击波在检测对象内多次反弹后被检波器阵列记录下来。该装置通过缓冲弹簧的缓冲作用来保证各检波器6受压均衡，进而得到能量均衡的多道应力波记录。
按上述方法，依次对测线上的所有点进行测试采集。
参见图5，本发明的板式混凝土多通道-多自由度脉冲波无损检测方法包括以下步骤：
S1，首先设计混凝土检测区域及测点位置，按照设计好的观测***位置，采用上述短时瞬态机械波击发与阵列采集装置对每一测点进行脉冲波数据采集。参见图3，采集时，短时瞬态机械波击发与阵列采集装置中的重锤4的落点14与距离激发点最近的检波器6的落点（即与待测对象的接触点）之间的中点位置15与测点位置重合，各检波器之间的间距dx越小，检测精度越高；
S2，对每一个测点采集到的多道脉冲波数据进行傅里叶变换，得到该测点位置的频率-空间（f-x）谱；
为增强混凝土结构中特征频率的辨识度，消除噪声频率对检测结果的影响，需要对f-x谱进行平滑处理：
其中Smooth表示平滑算子，下标s表示平滑后的频谱；表示各通道脉冲信号的频谱，i代表通道号（i=1,2,3……），
S3，对多道脉冲波数据的频谱-空间谱曲线进行加权叠加：
其中各道的加权系数需要根据检波器与测点位置的远近进行选择，近测点位置加权系数大，远离测点位置的加权系数小，在此给出一种选择方式：
其中，m为检波器个数。
通过频谱-空间谱曲线叠加可以有效增强频谱-空间谱数据的信噪比，提高后续特征频率提取的稳定性。
S4，拾取频谱-空间谱曲线上的振幅极大值及其对应的频率值，频率值从大到小依次排列为：、/>、/>、/>；
为了增强区分度，保存不同频率值对应的相对振幅值（绝对振幅值与振幅均值的差）：、/>、/>、/>。
S5，基于多自由度模型，对步骤S4中保存的频率值、相对振幅值进行层剥离成像：
；
；
；
......
；
其中，为弹性波在混凝土结构中的传播速度，/>为第n层的厚度。
最后利用每一层的厚度与对应的相对振幅值A n进行成图（n=1,2,3…）。
所述层剥离成像主要体现成像原理方面：本发明基于多自由度共振模型，对所有共振频率进行拾取，共振频率个数代表层数，在计算第1层厚度时采用公式：；在计算第n（n>1）层厚度时，计算公式为/>，即需要逐一剥离掉第1至第（n-1）层的厚度，因此称为层剥离成像，这种方法能够进一步拓展至多层混凝土结构的检测。
通过频谱曲线叠加可以有效增强频谱曲线的信噪比，提高后续特征频率提取稳定性。
S6，对成像结果进行标定、解译。
实施例1
为了检验本发明方法的应用效果，在某隧道衬砌检测中进行了应用测试，测线布设长度为119m，测点间距为0.5m，共239个测点。
S1，利用图1所示的装置对每个测点的脉冲波信号进行观测采集，采集过程中保持采集点与图3中标记的测点位置重合。
S2，对239个测点采集到的多道脉冲波数据进行傅里叶变换，得到所有测点位置的频率-空间（f-x）谱，并对f-x谱进行轻微的平滑处理；
S3，对每一个测点的多道数据频谱-空间谱曲线进行加权叠加；
S4，拾取、保存叠加频谱-空间谱曲线上的振幅极大值点及其对应的频率值；
S5，基于多自由度模型，对步骤4中保存的频率、振幅值进行层剥离成像，多自由度成像结果如图6所示，图中虚线所示为衬砌厚度变化曲线。相较于图7所示的传统检测方法的结果，本发明的检测结果更加清晰明了；
S6，对成像结果进行标定、解译。
Claims (4)
1.一种板式混凝土多通道-多自由度脉冲波无损检测方法，其特征在于包括以下步骤：
S1，设计混凝土检测区域及测点位置，按照设计好的观测***位置，利用短时瞬态机械波击发与阵列采集装置对每一测点进行脉冲波数据采集，得到多道脉冲波数据；
采集时，短时瞬态机械波击发与阵列采集装置的激发点和与其相邻的检波器的中点位置与测点位置重合；
S2，对S1采集的每一个测点的多道脉冲波数据进行傅里叶变换，得到该测点位置的频率-空间谱，对所述频率-空间谱进行轻微平滑处理，有：
，
其中Smooth表示平滑算子，下标s表示平滑后的频谱；表示各通道脉冲信号的频谱，i代表通道号，i=1,2,3…；
S3，根据检波器位置与测点位置的远近，对S2得到的频率-空间谱曲线进行加权叠加：
，
S4，拾取、保存S3叠加后的频率-空间谱曲线上的振幅极大值点及其对应的频率值，
频率值从大到小依次排列为：、/>、/>、/>；保存不同频率值对应的相对振幅值、/>、/>、/>；其中，n为检波器个数；
S5，基于多自由度模型，对步骤S4中保存的频率值、相对振幅值进行层剥离成像：
；
；
；
.........
；
其中，为混凝土速度，为每一层的厚度；
利用每一层的厚度与对应的相对振幅值进行成图；
其中，为混凝土速度，为每一层的厚度；
利用每一层的厚度与对应的相对振幅值进行成图；
S6，对S5的成像结果进行标定、解译。
2.据权利要求1所述的板式混凝土多通道-多自由度脉冲波无损检测方法，其特征在于：S3中，在对所述频率-空间谱曲线进行加权叠加时，各道的加权系数根据检波器与测点位置的远近进行选择，近测点位置加权系数大，远离测点位置的加权系数小，有：
。
3.根据权利要求1所述的板式混凝土多通道-多自由度脉冲波无损检测方法，其特征在于：S1中所述短时瞬态机械波击发与阵列采集装置的检波器之间的间距为5-20 cm。
4.根据权利要求1所述的板式混凝土多通道-多自由度脉冲波无损检测方法，其特征在于：S1中各测点之间的间距为0.5-1 m。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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