基于混凝土的时间反转理论基本特性研究.pdf
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1、收稿日期:基金项目:湖南省研究生科研创新项目()浙江省交通运输厅科技立项项目()作者简介:张 明()男 江苏徐州人 工程师 博士 :浙江交通职业技术学院学报 第 卷第 期 年 月 基于混凝土的时间反转理论基本特性研究张 明 孔艳冬 翁奇波 叶宁波 徐建国(浙江交投交通建设管理有限公司 浙江 宁波 绍兴市交通工程管理中心 浙江 绍兴 浙江交工集团股份有限公司 浙江 杭州 )摘 要:混凝土结构内部复杂的环境易导致传统检测技术无法有效提取目标特征致使采集的数据难以分析和解释 严重影响结构的损伤识别 为研究时间反转技术在混凝土介质中的基本特性 依据导波理论通过试验分析时间反转技术系统性能(信号稳定性、
2、信号输入与输出关系、系统灵敏性)在混凝土介质中的适用性 研究结果表明 不同中心频率的聚焦信号波动范围在 以内具有很好的稳定性低频下系统灵敏度更高 受外界干扰越强关键词:混凝土 应力波 时间反转 压电材料 结构健康监测中图分类号:文献标识码:/文章编号:()引 言混凝土是一种多相复合胶凝材料 属于弹塑性、多孔性非均匀介质 具有不均匀的内部结构对传输信号易产生非均匀、多杂波、多散射的干扰 致使应力波在混凝土中的传播非常复杂 导致采集的数据难以处理 因此迫切需要寻找新技术解决在混凝土中的传播问题 时间反转()技术由于具有定量损伤识别和成像能力以及硬件要求简单等优点 已成为结构健康监测一项很有前途的技
3、术 目前 时间反转技术被广泛应用于无损检测、声学、导波、电磁场、微波和非线性波等领域 等利用压电陶瓷特性制造智能骨料 提出一种基于波动法的 加固钢筋混凝土梁脱粘识别方法 等提出基于时间反转法和瑞利阻尼模型的混凝土应力波衰减系数模型 张明等采用压电陶瓷传感器对纳米材料的混凝土梁进行损伤监测 结果表明 纳米材料的成核和填充作用降低了混凝土内部的孔隙率 增强了应力波的传播通道本文通过时间反转技术探讨应力波在混凝土材料中的重要性能 基于时间反转技术对混凝土介质中应力波传播特性进行了系统的研究 通过测试时间反转技术在混凝土中的稳定性、信号输入与输出关系、灵敏性来评价系统性能 激励信号为减少频散效应 选择
4、高斯调制的窄带五波峰正弦脉冲激励信号 由 窗函数调制的标准五峰值波激励信号如式()所示 其中:为时间 为衰减因子 为信号幅值 为归一化带宽 为信号延迟 为信号的中心频率 归一化带宽是一种无量纲处理手段 通过信号最高频率与最低频率的差值选择激励信号的参数 控制应力波信号频谱特征 影响波信号的时频分辨率 中心频率为信号的基本特征 通过滤波器通频带中间的频率 即频率的几何平均值 选择激励信号的参数通过式()发现 应力波信号频谱特征由激励信号中的中心频率和归一化带宽参数控制 且归一化带宽参数影响波信号的时频分辨率 最终导致信号的传播状态发生改变制作 立 方 体 混 凝 土 块 尺 寸 为 设计强度为
5、通过外贴锆钛酸铅压电陶瓷()激励不同参数高斯正弦脉冲信号 其 参 数 为 电 压 幅 值()、衰 减 因 子()、信号的中心频率()、归一化带宽(、)片的布设在混凝土块两面的中部 片的尺寸为 应力波在混凝土介质中传播特性研究 应力波传播速度波速在混凝土结构健康监测中影响损伤识别和定位 导波的传播方式有三种 纵波、横波、表面波 特征不同在介质中的传播速度不同 在相同介质中 纵波的波速依次高于横波和表面波 试验中外贴 片位于同一轴线的位置且处于同一平面内 使用的是伸缩式压电陶瓷 主要激励产生纵波 因此在损伤检测中首先接收到纵波 其次是纵波余振、横波以及表面波的叠加形式 试验中采用 混凝土 根据规范
6、查找弹性模量约为 泊松比约为 密度为/基于理想的固体介质中的纵波动方程 可得出理论的波速为 /为了获得混凝土试验中的实际波速 可根据纵波的起振时间计算 试验中的实际波速计算如式()所示()其中 为传感器之间的距离 为激励信号与接收信号的起振时间差值混凝土材料的非均质性 会导致采集的信号数据具有一定的复杂性 为此 试验中根据式()计算的纵波波速实际起振时间如图 所示为了探寻中心频率与波速的关系 激励不同中心频率(、)参数的高斯正弦脉冲信号 如图 所示 发现选取激励信号的中心频率对波速影响甚微 混凝土试验中 的 波 速 均 值 为 /实 际 波 速 在 之间波动 因此试验计算的波速是恒定的 具有很
7、好的稳定性 由于实测的混凝土参数与规范标准之间存在不同 试验计算的波速与理论波速相比 误差约 两者之间比较接近图 实际起振时间计算图图 中心频率 波速关系图 导波的反/折射特性导波在任何介质中都会发生一定的反/折射理想的无限均匀固体介质不存在 混凝土结构内部复杂的环境对超声波易产生非均匀、多杂波、多散射的干扰 传播时会发生一系列的折射、反射等声学现象 导波遇到界面处 穿过和反射的波分别是透射波和反射波 穿过后角度发生变化的波是折射波 如图 所示 可看出 入射波(纵波、横波、第 期张 明 孔艳冬 翁奇波 等:基于混凝土的时间反转理论基本特性研究表面波)在两种介质的界面处 会发生一系列的反射、透射
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