钻孔灌注桩声波检测信号的小波变换分析与研究

曹洁梅

(福建船政交通职业学院 土木工程学院，福州 350007)

钻孔灌注桩对于各种地质的适应性很强，而且施工难度低，便于操作，是现代工程建设中主要的桩基础形式之一.但其易出现局部夹泥、断桩、空洞等现象，这将直接影响桩身完整性和单桩承载力，给工程造成隐患甚至严重后果[1].为确保工程整体质量，须采用相应检测方法对灌注桩质量进行检测.常用的检测方法有钻孔取芯、静载试验等，这些方法虽然可以直观反映桩的承载力和完整性，但周期长、费用高，且易破坏桩基[2].声波透射法在钻孔灌注桩检测中已得到广泛应用与推广，同其他方法相比，其具有易于复检、可数字化等优点，且更能直观而准确地检测出桩身混凝土的内部缺陷，从而为桩基承载力的确定提供有力依据[3-4].

桩基检测信号分析主要包括时域分析和频域分析.在时频分析方法出现前，傅里叶变换是应用最广且处理效果最好的信号分析方法.通过傅里叶变换把信号从时域变换到频域，以频率为变量对信号波形进行描述，反映信号的频率成分和频域幅值.但这只是反映某个信号在全部时间范围内的整体频域特征，不能表现信号在时间局部的特征.

桩身缺陷种类复杂，实际的地质条件也千变万化，由此导致奇异信号.确定信号的奇异点，尤其是能量较小的奇异点时，传统的方法(如傅里叶变换)无法刻画，从而带来较大的不确定性.小波变换是在傅立叶变换的基础上发展起来的，能够自动改变窗长，很好地把信号在时间和频率上局部化，克服了其不能作局部分析的不足，同时具有多分辨率分析，不但可以有效分离原始数据中的有用信号和噪声，而且可以较好地剔除噪声信号，较大程度地减小误差对数据的影响，被逐步应用于土木工程结构损伤检测中[5-7].为克服传统方法的不足，本文结合小波变换与傅里叶变换，综合得到桩基超声波各段信号的时频曲线来分析声波信号.

1 桩基声波透射法检测

声波透射法检测原理为：由超声检测仪发射换能器激发高频弹性脉冲波，该波在混凝土内部传播，由换能器接收反射回来的信号，这些信号则包含混凝土的声波波动反应特征.当混凝土内存在不连续或破损界面时，会形成波阻抗界面，而波到达该界面时，将产生透射和反射；当混凝土内存在松散、孔洞等严重缺陷时，将产生散射和绕射，其波动特征(初至时间、波的能量衰减特征、频率变化及波形畸变程度等)也将产生相应变化[8].

2 小波变换

小波函数定义如下[5]：

把基本小波的函数φ(x) 做位移b，在不同尺度a下与待分析信号f(x) 做内积.随着a，b的变换，使得小波变换具有多分辨率的特点.

2.1 小波基函数

利用小波变换进行声波信号处理，最难把握的是小波基函数和阈值的选择.从公式(1)也可以看出，小波变换理论是用不同尺度的小波基来表征信号.在小波变换中，虽已经存在许多小波函数，但并不是所有小波基函数都适合应用于声波信号的分析.如何选择合适的小波基是一个重要研究内容.常用的小波函数包括 Haar，Daubechies，Symlets，Biorthgonal 和Coiflets，其特性如表1 所示.

表1 常用小波函数特性

钻孔灌注桩声波信号包含大量多频段信息与噪声，信号特征不规则.因此，选择的小波基应具有离散信号的能力以及紧支性和对称性.据此，初步确定用db 小波、coif 小波和sym 小波来进行信号分析.比较3 种小波重构信号的信噪比(signal to noise ratio，SNR)、均方根误差(root mean squared error，RMSE)、计算速度等实际处理效果.在消失矩和分解尺度相同的情况下，以信号进行3 层分解为例来分析，结果见表2.由表2 可知，在相同支撑长度条件下，coif 小波总能较好地保留信号能量，其信噪比高于db 小波和sym 小波；均方根误差低于后两者；随着支撑长度增加，信噪比增加，均方根误差减小.综上，coif 5 小波更适合于声波信号的分析.

表2 db 小波、coif 小波、sym 小波分解3 层信号降噪指标

2.2 阈值选择

通常使用软阈值和硬阈值对信号进行截断.阈值的确定主要包括4 项准则[9]：无偏似然估计准则(rigrsure)；固定阈值准则(sqtwolog)；混合阈值准则(heursure)；极大极小准则(minimaxi).本文以coif5 小波分析某含噪声波信号，比较在4项准则下软、硬阈值信号处理后的信噪比(SNR)和均方根误差(RMSE)，结果见表3.由表3 可知，基于无偏似然估计准则的阈值函数信噪比更高，均方根误差更小些.

由图1 可知，硬阈值函数去噪后，波形存在一些震荡点分布，信号存在较多的尖峰，但很好地保留了信号边缘特征.软阈值函数去噪后，信号尖峰相对减少，相对平滑.结合表3 分析，可以推断出基于无偏似然估计准则的软阈值函数对信号的处理效果更优.

表3 各阈值选取原则的降噪效果

图1 软、硬阈值函数去噪效果

3 声波信号处理流程

经过分析，反复试算后，总结了适合于钻孔灌注桩的处理流程，见图2.

图2 声波信号处理流程

1)数据格式转换.将声波信号格式转换为dat 格式.

其中，j为分解层数，h(n)和g(n)均为滤波器系数，分别称为低通滤波器和高通滤波器.

进一步可对分解得到的低频系数和高频系数作阈值处理，即

5)输出时频信号曲线，对信号时频特征进行分析判断.

4 资料处理与验证

4.1 现场试验

某工程钻孔灌注桩，混凝土强度等级为C25，桩径为1 800 mm，桩长为16 m.待该桩养护28 d后，对其进行声波透射法检测.根据桩基直径大小，施工时预埋4 根声测管作为换能器通道，测管间距为1 100 mm，测试时每2 根声测管为1 组，形成1 个测试剖面，共形成6 个检测剖面.

1)检测准备.检测前收集查看工程相关资料，了解工程地质情况、灌注桩成孔方式、施工工艺、施工记录、现场检测时混凝土龄期等，并据此制订检测方案.检测前，用清水冲洗声测管，查探声测管是否畅通，是否有卡管现象，以保证换能器在管中顺畅升降；清洗后，在声测管中注满清水作为耦合剂；准确量测声测管的内、外径和相邻2 声测管外壁间的距离(量测精度为±l mm)；标定超声波检测仪发射至接收系统的延迟时间t0；设置超声检测仪的采样间隔(＜正常混凝土声波传播时间的1%).

2)检测.该工程桩采用平测法进行检测.超声波信号从1 根声测管中的换能器发射，由另1根声测管中的换能器接收，并将信号储存于超声仪微电脑中，见图3.测试从孔底开始，由人工同步水平提升发射换能器和接收换能器，测试间距为20 cm，至桩顶完成测试.测试时要保证2个传感器同步升降，并对收、发换能器所在的深度随时校准，使其累计相对高程误差控制在20 mm 以内.

图3 检测示意图

检测时还应注意，为使检测结果具有可比性，同一根桩的发射电压和增益保持不变，便于比较其各声学参数.对于声时值和波幅值出现异常的部位，应采用水平加密、等差同步或扇形扫测等方法进行细测，而后结合波形分析确定桩身混凝土缺陷的位置及其严重程度.

4.2 数据处理分析

选取该桩1-2 剖面声波信号进行试验，共取1 024 个采样点，采样间隔0.4 μs，发射电压为1 000 mV，测点间距为0.2 m.

图4 为信号经小波分解后的各层细节信号和近似信号.

图4 小波分解后各层信号

由图4 可知，信号经coif 5 小波6 层分解后，各层细节信号和第6 层近似信号，均在202 和300 μs 处发生了突变.

将信号进行傅里叶变换，从时域转换至频域，可得其频率和幅值的关系，见图5.由图5 可知，低频信号曲线ca6 频带较集中，主频突出，主频为43.95 kHz；高频部分d1～d6 频谱曲线不光滑，多毛刺；d1～d2 频谱曲线呈毛刺状，近似于白噪声谱；d5～d6 主频突出，分别为41.50和43.95 kHz，振幅较低；各层细节信号及第6 层近似信号，曲线不光滑.从时频分析的结果来看，利用小波变换和傅里叶变换可以很容易分辨出信号的微弱变化，由此可以推测出该桩在相应检测剖面上存在微小缺陷.

图5 小波分解后各层信号频谱

5 结论

为提高钻孔灌注桩声波信号解释精度，本文给出了一种将阈值小波变换和傅里叶变换相结合的时频分析方法，并比较不同小波基函数和不同阈值情况下的处理效果.结果表明，采用coif 5小波和基于无偏似然估计准则的软阈值函数处理效果较好；对各层信号进行傅里叶变换，可获得其时频特征，据此能够对信号突变点进行准确定位，并可用来评价桩基础质量.