Page 17 - 《应用声学》2020年第3期

第 39 卷 第 3 期 余忠儒等： 基于近场辐射声压信号的索力识别方法 337

模态阻尼比进行了识别，为工程结构的模态参数识
0 引言
别提供了新的方法。
拉索常用于斜拉桥、悬索桥及拱桥等大跨径桥 本文提出利用结构近场固定位置声压信号对
拉索进行快速、准确索力测试的方法。根据振声互
梁工程体系中，随着建筑结构规模的不断扩大，拉索
易定理，结构振动近场声压响应等价于利用传感
结构也越来越广泛地运用于大跨度空间建筑工程
中 [1] 。拉索作为桥梁结构中关键的受力构件，索力 器获取的结构振动加速度响应，避免了加速度传
的分布与改变会对桥梁的内力分布以及桥面线形 感器自身重力对结构固有频率测试的影响。以单
根拉索为例，通过对结构中心表面处施加一瞬时脉
产生较大影响。索力的准确、方便、快速测量成为评
冲力，使拉索受迫振动发声，并对结构近场范围内
价桥梁结构施工质量与运营期间桥梁结构健康状
拉索振动辐射声压进行测量，以获取不同工况下不
况的关键指标。如何对索力进行快速精准的测量成
为一个关键问题 [2] 。 同位置结构近场声压信号。对原始声压信号添加
目前，针对索力的测量已有多种方法，主要包 高斯白噪声，利用希尔伯特 -黄变换 (Hilbert-Huang
transform, HHT) 方法分析并结合索力计算实用公
括压力传感器法、压力表法、频率法、磁通量法以及
式准确识别出结构固有频率和计算出拉索索力值，
以三点弯矩法为代表的静力测试方法等。传统测试
并探讨了索力识别结果随测试距离变化和测试位
方法或多或少存在些许不足。压力传感器法和压力
表法虽然能较为准确地测量出拉索索力，但是其传 置改变的影响。
感器昂贵，仪器笨重且只适用于施工阶段索力的测
1 基本原理
试；磁通量法性能稳定、精度高，但其标定复杂，且
对在役结构需现场绕制传感器，成本较高；静力测 1.1 脉冲激励下拉索结构动力响应
试方法简单易用，相关学者也对其进行了深入研究 对于一个多自由度体系其结构动力学方程可

与仪器开发，但静力测试方法只适用于小直径钢索， 表示为
测试误差随钢索直径增大而增大。频率法因其操作
′′
′
MX (t) + CX (t) + KX(t) = F(t), (1)
简单、经济实用而广泛运用于工程实际中 [3] 。传统
频率法基于精密拾振器，通过与被测物接触，拾取拉 其中：M 表示结构质量，C 为阻尼，K 表示刚度矩
阵，X(t)表示结构位移响应，F(t)为脉冲力。假设结
索在环境或者人工激励下的振动信号经由频谱分
构存在正态振型，则结构的位移和加速度响应可表
析得出拉索固有频率以确定拉索索力。由于拾振器
粘附在结构物上，其自身重力将会导致结构产生附 示成各阶模态响应的线性叠加：
n n
加质量，从而显著影响结构模态参数识别；此外，在 X(t) = ∑ Φ j q j (t), X (t) = ∑ Φ j q (t), (2)
′′
′′
j
某些特殊位置及环境下，传感器布置困难，通过传感 j=1 j=1
器难以获取结构响应 [4] 。基于激光拾振仪、微波雷 其中：Φ j 表示结构的第 j 阶模态振型，为正交矩阵，
达、高速摄影机和近场声压的非接触测量技术由于 q j (t) 表示结构的第 j 阶模态坐标。假设结构为比例
其非接触、仪器布置方便以及响应速度快等优点而 阻尼，将式 (2) 带入式 (1) 利用模态坐标表示存在解
越来越受到重视。相关学者针对声压测量获取结构 耦的结构运动方程为
振动响应也做了大量研究，Prezelj等 [5−6] 利用置于 ′′ ′ 2 T
q + 2ξ j ω j q + ω q j = Φ F(t)/m j , (3)
j
j
j
j
振动结构的非常近的场中的单麦克风，对结构近场
其中：ω j 表示结构的第j 阶模态频率；ξ j 表示结构的
声压进行测量，并采用离散 Rayleigh 积分方法反演
第j 阶模态阻尼比；m j 表示结构的第 j 阶模态质量。
实现了对结构表面振动模态的重构。Zhu等 [7] 通过
作用在结构上某点 h 的脉冲激励 f k (t) = F 0 δ(t)，其
有限元方法建立声固耦合的动力学方程，成功识别
中f j (t)表示 F(t) 矩阵的第 j 个元素，则利用模态坐
结构模态参数，现有方法测得的固有频率与有限元
标表示结构响应的第j 阶加速度为 [9]
测得的固有频率之差均小于3%，相关振型的模态保
( )
F 0 ϕ kj ω j −ξ j ω j t π
′′
证判据值均大于90%。夏茂龙等 [8] 利用结构振动近 q (t)= √ 2 e cos ω dj t+φ j + 2 , (4)
j
场辐射声压信号，成功对一平面钢板的固有频率和 m j 1−ξ j