Page 83 - 《应用声学》2021年第3期
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第 40 卷 第 3 期 李冬雪等： 混凝土中的声发射波速特性及其在源定位中的应用 401
因此，当采用 AE 技术对水泥混凝土结构进行损伤
0 引言
检测与定位时，明确水泥混凝土中的声衰减，特
别是波速的衰减规律有利于提高声发射源定位的
通过各种传感器记录传播的声波信号并对其
进行适当的分析，从而确定这些声波的来源，这一过 精度。
程通常被称为声源定位技术。利用声发射(Acoustic 为此，本文采用 SAEU3H 数字化声发射检测
emission, AE) 无损检测技术对混凝土结构进行健 仪对混凝土试件进行人工激发源 AE 波速试验，用
康检测与监测时，对 AE 源进行准确定位是该项技 于研究水灰比、砂率及骨料最大粒径对混凝土中
术的主要任务之一。 AE 波速特性，建立 AE 波速的修正模型，结合穷
近几十年来，AE 定位技术得到了飞速的发 举法建立 AE 源的优化定位算法。开展立方体混
展 [1−3] ，Kundu [4] 回顾了目前较新颖的声源定位 凝土试块单轴压缩试验，加载过程中采集 AE 信
技术，对于各向同性板的源定位技术主要包括：已 号，并利用高清摄像机记录混凝土裂缝开展图
知波速的三角测量技术 [5] 、未知波速的三角测量技 像。最后，对比本文建立的定位法与时差定位法
术 [6] 、基于优化的未知波速的技术 [7−10] 、波束形 的定位结果，验证修正 AE 波速对提高定位精度的
成技术 [11−12] 、未知波速的应变玫瑰技术 [13−16] 以 可靠性。
及通过模态声发射进行源定位 [17−20] 等 6 类。在对
混凝土类材料进行声发射源定位研究中，以已知波 1 混凝土中的AE波速特性
速的三角测量技术和波束形成技术的研究与应用
1.1 室内试验
较为成熟，其中已知波速的三角测量技术被多数商
为掌握 AE 信号在水泥混凝土中传播速度的变
用声发射检测仪所采用，而其他方法多应用于科学
研究。 化情况，分析不同材料组成时 AE波速衰减规律，开
根据 AE 源定位原理可知，源定位的关键参数 展了3 因素2∼3水平的人工激发源波速测定室内模
是到达时间和波速。对于均匀介质而言，AE在材料 拟试验，所使用的水泥混凝土试样的水灰比 (w/c)
中的传播速度更接近于材料的固有属性，因此在源 为 0.3、0.33、0.36，砂率 (S) 为 0.47、0.5、0.55，骨料
定位中采用固定值，此时通过波形降噪来提高到达 最大粒径 (d max ) 为 10 mm 和 20 mm，试件尺寸为
时间的拾取精度，进而提高定位精度。但是对于水 100 mm × 100 mm × 1800 mm，如图 1 所示。声发
泥混凝土来说，情况可能有些许不同。水泥混凝土 射监测系统采用 SAEU3H 高速数字化声发射检测
是一种由水泥、石料 (5 ∼ 20 mm)、砂和水经机械拌 仪，试验中声发射系统前放增益设置为40 dB，门槛
合而成的混合料，它的固有属性取决于原材料的性 值设置为45 dB。
质，也取决于各种原材料在混合料中的排列方式，
但通常这种排列方式是随机的、无序的，因此水泥
混凝土不是各向同性材料 (只有截面尺寸远大于石
料最大粒径时可以认为是各向同性)。声波在混凝
土中传播，也就是在石料、水泥石 (水泥硬化后) 或
者水泥砂浆 (水泥包裹砂粒后硬化) 等多相介质中
传播。传播过程中发生的散射、折射等，且水泥混
凝土本身存在着大量的微观孔隙结构，这都使声波
在混凝土中传播时产生声衰减。声衰减是 AE 在水
图 1 混凝土试样
泥混凝土中传播时的一种物理现象，主要指声波在
Fig. 1 Test sample
非理想媒介中传播时传播速度和能量等的衰减 [21] 。
已有研究表明，混凝土的配合比、骨料的类型及其 按照美国材料与试验协会标准 (American so-
尺寸、水泥用量及水灰比等对声发射波的传播规 ciety for testing and materials, ASTM)推荐的铅笔
律有显著影响 [22] 。混凝土中声波振幅衰减值与传 断芯试验 (Pencil lead break, PLB) 进行人工激发
播距离正相关，传播距离越大衰减越显著 [23−24] 。 源AE波速测量，详细试验步骤为：
