基于CT 图像的混凝土材料声发射损伤检测优化

■史攀飞，刘京红，杨跃飞，高 洋 ■河北农业大学城乡建设学院，河北 保定 071001

声发射检测技术在金属材料的探伤中已经相当成熟并且形成一定的标准，以此可以判断损伤的等级，但对材质均匀的复合材料进行分析的主要依据还是在金属方面的经验，复合材料的损伤定位还不尽人意。康玉梅等基于声发射对岩石类材料进行了实时定位分析［1-2］通过对其损伤定位可以为岩石破裂失稳做好安全预警。席婷等［3］通过小波变换，频谱分析，最小二乘发完成声发射源定位。以往学者多通过断芯实验完成声发射参数的设置。尹红宇等［4］通过模拟加载和断芯试验进行了声发射检测参数设置研究，并测定了声发射信号在被测材料中的衰减，为声发射探头的布置提供了理论依据。本文以损伤定位的准确性的角度出发，与CT 图像所表达的混凝土平面破坏形态以及运用Amira 三维可视化软件，基于CT 图像建立的混凝土裂纹模型作比较，调整声发射检测参数设置，以期望为混凝土材料声发射检测参数设置提供依据，使基于声发射自身定位系统对混凝土材料的损伤定位更加准确。

1 试验过程

本文采用混凝土圆柱体试块，高190mm，半径50mm，利用含气量测量仪测定其含气量9.2%，对其进行混凝土损伤定位研究，为声发射检测参数设置提供依据。采用DS2 系列全信息声发射信号分析仪完成混凝土压缩全过程的数据采集。采用中国矿业大学(北京)国家重点实验室ACTIS300-320/225X 射线工业CT 检测系统和3000kN 超高刚性伺服试验机完成单轴压缩试验，位移控制加载，加载速度是0.2mm/min，采用循环加载制度，每隔30KN 卸载，CT 扫描，再重新加载，直至试件达到峰值强度。

2 基于CT 图像的三维重建

2.1 图像阈值分割

生成表面模型或测量体积测量都需要进行图像分割，所谓分割就是给图像上每一个像素分配一个标签以注明该像素存在的区域及其材质属性［5］。将数据连接OrthoSlice 模块，可看到混凝土的切片图像，调整Data Window 窗口数据，可确定各材料合适的分割阈值。

2.2 三维重建

连接Resample 模块对数据重新取样，其分辨率会降低一些，但它可以减少计算时间并改善绘制的效果。连接SurfaceGen 模块完成空隙模型的表面重建，最后通过Surface View 模块观察混凝土空隙的三维重构模型。

3 声发射参数设置

声发射信号到达各通道时间差的提取至关重要，与其相关的参数是门限值和时间参数的设置。门限值一般设在检测环境噪声幅度与最大振幅之间。时间参数包括峰值定义时间(PDT)、撞击定义时间(HDT)和撞击闭锁时间(HLT)。声发射波速是撞击信号定位的另一个关键条件，分别对试验前和试验后四块不同含气量的混凝土试块进行断芯试验，完成声速标定，结果显示试验前后声速变化不大，对损伤定位可忽略不计，故取试验前的声速值即可。本文通过前期加压前声发射参数分析，确定噪声幅值70db。取含气量9.2%的混凝土试块裂纹不稳定拓展阶段，即声发射现象最激烈，主要裂纹显现阶段进行统计分析，选择55db，75db，100db 三个门限值，声速标定3000m/s，通过分别调整时间参数设置，以损伤定位点在CT 图像裂纹区域作为合格点数。结果显示，门限55db 的定位点偏少，这是因为噪声幅值高于门限值，由于噪声的影响，声发射仪器不能准确提取所有有效信号。有相关文献指出幅值较大的声发射信号对混凝土材料的变形和断裂贡献较大［6］。声发射损伤定位精度在混凝土这种复合材料的局限性是客观事实，通过损伤定位在裂纹区域的数量，比例以及计算机运算速度综合考虑，门限值取100db，PDT∶150us，HDT∶300us，HLT∶500us，裂纹损伤定位清晰。本文通过逐一分析每个损伤定位点的参数文件，发现HLT的设置不能有效消除回波的影响。部分能量特别大的损伤定位点并不是来自于主要裂纹区域，而是混凝土中部。为满足工程找出结构中的“弱面”位置，进而为混凝土材料的失稳破坏提供安全预警的要求［7］，依据软件参数分析删去能量特别小和特别大的声发射源定位，有效避免回拨的影响，使主要裂纹展现较为清晰。

4 结论

基于以上分析，得出以下研究结论:

经过损伤定位在裂纹区域的数量，比例以及计算机运算速度综合考虑，门限值取100db，PDT∶150us，HDT∶300us，HLT∶500us 相对来说最理想，表现出声发射损伤定位图与CT 实验结果的一致性。这里需要说明的是门限值的合理选择要参考实际检测噪声环境。本文根据实测混凝土单轴压缩试验，建议选择高于噪声幅值稍大些，不影响对损伤面的判断，且有效减少了计算机运算负荷。

［1］康玉梅，朱万成，白泉等.基于小波变换时频能量分析技术的岩石声发射信号时延估计J.岩石力学与工程学报，2010.29(5):152-158.

［2］吴永胜，余贤斌.单轴压缩条件下岩石声发射特性的实验研究J.金属矿山，2008.38(10):25-28.

［3］席婷.石灰岩声发射分析及源定位研究［J］.中国化工贸易，2013，(10):53-53.

［4］尹红宇，赵艳林，吕海波等.混凝土无损检测中常用声发射检测参数的设置［J］.混凝土，2009，(3):125-128.

［5］Amira4.1Manual(PDF).2005.MERCURY(Amira 用户指南).

［6］耿荣生，沈功田，刘时风.声发射信号处理和分析技术［J］.无损检测，2002，01∶23-28.

［7］Maji A K，Shah S P.Experimental Mechanics，1988，28.