基于声发射阵列波束形成的深厚混凝土板内部缺陷检测

【摘要】：混凝土材料已成为当今应用最广泛的建筑材料，在使用期限内，由于长期的载荷作用或突然的自然灾害，混凝土结构会存在安全隐患，严重的会危及人们的生命安全，为了防止此类事故发生，对混凝土结构进行健康检测是非常必要的。声发射检测技术作为一种实时动态的无损检测技术，在混凝土结构健康检测方面有着广泛的应用。 传统的声发射检测技术需要大量的声发射传感器来布满被检构件表面，以使缺陷包含在声发射传感器阵列范围内，这种检测方法成本较高，且在大型混凝土结构健康检测中很难实现。本文基于较少数量（4~8个）声发射传感器，设计一个均匀圆形阵列，结合波束形成技术实现对混凝土结构的大范围（半径3~4m）检测。论文的主要工作包括以下几个方面： （1）对均匀圆阵和均匀矩形阵进行波束形成仿真，并比较二者的性能。首先分析阵元数目及阵元间距和信号的波长对波束形成性能的影响，接着比较在相同阵元数目的情况下二者波束形成性能的优劣，并最终选定阵形及阵元数目。 （2）基于8阵元均匀圆阵对常规波束形成测向算法和MVDR波束形成测向算法进行仿真分析，并从阵列指向性、最高旁瓣级及角分辨率等性能参数比较两种算法的测向性能。 （3）采用断芯实验方法测定声发射检测仪的检测参数。在混凝土板上进行反复断芯实验，测定混凝土结构检测时所需设置的声发射仪的检测参数，包括门槛值、时间参数以及声发射信号在混凝土结构中的传播速度。 （4）利用时频分析方法（短时傅里叶变换,小波变换，希尔伯特黄变换）对声发射信号进行时频分析，观察声发射信号在混凝土材料中传播的频率范围及衰减程度等，根据声发射信号的频率特征做进一步消噪处理。 （5）在一楼顶混凝土板上进行实验，在检测区域中心布置一个半径为0.06m的8阵元均匀圆形声发射传感器阵列，并在距阵元中心3~4m处来模拟产生一声发射信号，利用波束形成测向算法对此声发射信号进行检测，比较常规波束形成算法与MVDR波束形成算法的测向精度，同时结合双均匀圆阵对声发射源进行定位，并对实验结果进行分析。