冲振部位和频率对曲面板冲振回波信号的影响模拟分析

王浩宇

(沈阳兴禹水利建设工程质量检测有限公司，辽宁 沈阳 110006)

1 实验材料与模型

混凝土板厚是35cm，空气模型厚度50cm，曲率半径取为2.75m，并取为60°范围内的弧长当作环向长度。混凝土选用平面应力三角形单元(CPS3)，同时在两头设立无限单元(CINPS4)，空气模型选用平面声学三角形单元(AC2D3)，冲振点则设定在板中心上，持续时间为40μs。在板中央部位设置深度为H，长是20cm厚度5mm的分层缺陷，同时在以集中力作用部位为原点的A(3，0)、B(3，1)(单位：cm)部位逐一设立与要求相吻合的信号接收点。另外，整个模型按照之前的简支边界约束进行构建。在此环节其分析步时长设置是4ms，输出点为4000个点，也就意味着其采样频率为1×106Hz。关于各材料的力学特性及相关参数值可详见表1。

表1 曲面板存在缺陷模型材料基本参数

模型选用平面2D模型来模拟砌衬的环形断面，模拟示意如图1所示。

图1 带缺陷曲面板数值模拟效果图

在其他条件不变的情况下，另行构建多组存在明显深度差异的模型实施比对。

2 冲振部位和频率对冲振信号的影响分析

2.1 冲振点所处部位对信号的影响分析

工程实践中面临的难题是，缺陷状态未知前提下，总是在缺陷的中心部位施以冲振似乎很难。而当冲振点作用于缺陷边缘状态下，是否能准确测出缺陷的极值频率，将直接影响测量精确度。为此需要我们开展作用力偏移模拟分析，其数值模拟方案具体如图2所示。

图2 偏移应力数值模拟方案

模拟选用缺陷深度20cm的曲面板模型，如果施加力集中于缺陷正上方，模拟结果的极值频率是9500Hz。为保障集中力垂向作用于曲面板上表面，所以本研究方案选用缺陷整体每一次向左移动d距离的形式，借以模拟力与缺陷相对部位的对应演变关系。其偏移距离分别是2、4、6、8、10、12、15cm，也就是分别构建与其偏移间距相对应的7个模型，同时保证集中力与信号测点A(3，3)、B(3，1)(单位：cm)的间隔距离不发生改变。而缺陷宽度仍取为20cm，向左偏移距离是2～8cm时，集中力仍作用于缺陷上方，偏移距离是10cm时集中力作用于缺陷的边缘，而偏移距离是12cm及15cm时，力的作用部位已然超出了缺陷的范围。

加施每种工况后的频谱模拟结果如图3所示。

对上述频谱实施统计，具体结果见表2。

表2 各偏移条件下的极值频率统计

图4及表2揭示，如果冲振点作用于缺陷范围之内，FFT频谱的基本成分有所改变，但极值频率均能稳定状态在9500Hz，很明显，这与正中心模拟结果是相同的，如果冲振点与缺陷中心形成的偏移距离不在缺陷范围之内(偏移距离为12cm及15cm)极值频率变5250Hz，而且频谱包涵了一个频率为11000Hz的相对比较低的极值。如果冲振点作用于缺陷范围之内，但在偏移距离不断增大的情况下，冲振点与缺陷边缘的间距就会愈发临近，而频谱中相应实际板厚度35cm的厚度频率为5250Hz的极值逐渐变高，这意味冲振点越临近缺陷边缘，频谱基本成分会变得更为复杂，同时不仅涵盖了真实板厚频率(5250Hz)，还涉及了缺陷深度(9500Hz)频率，也就是说，同时存S1模态与A2模态。偏移距离的模拟结果意味缺陷的宽度范围及缺陷深度的比值会给频谱基本成分导致特定的影响。如果冲振点与缺陷边缘的间距不断缩小，缺陷宽度也就会随之变小，在深度不发生改变的情况下，其与深度的比值也会相应变小，这时频谱不但能如实反映缺陷深度频率，还能测出真实板厚的频率。而这与模拟结果明显一致，当缺陷宽度20cm不变条件下，如果深度达到30cm，缺陷宽度与深度比值也降低，频谱上同时反映了缺陷深度频率及真实板厚频率。

图3 缺陷深度值20cm各偏移下的频谱状态

图4 缺陷深度值20cm各偏移条件下声压云状态图

下面，笔者将围绕冲振频率与空气声场间的关联展开全面且细致的探讨与研究，具体来讲，先绘制出数值模拟声压云状态图，结果如图4所示。

图4所示云状态揭示，当偏移距离由原来的2cm慢慢增大为8cm时，其冲振回波模态引发的泄露波声场会改变原有移动方向，开始向左移动，而且都只作用于缺陷的正上方，在不存在缺陷的区域，声波衰减最明显。当偏移距离是10cm时，声场不仅无规律可循，甚至出现了混乱，而且相较于前几个云状态图，冲振回波模态也更加稀疏，表明这时声场中即包涵了缺陷部位的冲振回波模态，同时也涵盖了真实板厚的冲振回波模态，两种方式的叠加致使其声场特征过于模糊。当偏移距离达到12cm时，其声场就会恢复至常态，其原因在于此时冲振点已然在缺陷外部，局部出现的冲振回波模态是因为板的底面所引发。

需注意一点，当偏移距离达到8cm及10cm时，其相应的信号测点B已然处在缺陷边缘的外侧，而这时仍然能得到正确的极值频率为9500Hz，也便是说测点及冲振点的偏移距离在可控范围之内时，一旦冲振点在缺陷上部哪怕测点在缺陷外侧也会检测到缺陷的部位。则当冲振点没有出现在缺陷上部但测点却出现在缺陷上部时，其信号是否会受缺陷的干扰另有待探讨，所以，在偏移距离为12cm条件下(冲振点位处缺陷外侧)将上述数值模型中A、B检测点部位坐标换为(-4，0)及(-4，1)(单位：cm)，此时两测点会同时出现在冲振点的左侧及缺陷的上部，其模拟结果如图5所示。

图5 偏移12cm缺陷上部测点的移位及空气声压频谱

由图5可以知道，当冲振点处在缺陷外部时，哪怕测点位于缺陷上部但在实际测量时域信号经变换处理后生成的频谱极值频率仍然相应于冲振点部位的深度频率。综上分析可以知道，在理想情况下，当空气测点位处冲振点附近水平距离为3～4cm垂向距离为1cm时，不管冲振点位于哪个区域都可获取到精准、可靠的缺陷深度极值频率，仅是当临近缺陷边缘时频谱基本成分会变得更为复杂，不仅会涵盖一部分真实板厚的频率，同时也会涉及到A2模态频率。通过上述分析可知，不管信号测点是否出现在缺陷上部，只需确定冲振点位于缺陷上部。

2.2 冲振频率之与冲振信号的影响分析

力的触接时间及其代表的冲振锤直径和能激发的最大的频率相关，通常借助冲振回波法对构件进行整体测量，在测量过程中，可基于3～20mm区间内任意选择冲振锤直径，直径越小其冲振触接的时间就会大幅缩短，而激发频率就会不断增大，反之激发的频率就会持续走低。本节继续借助缺陷深度25cm及无缺陷的曲面砌衬模型开展分析，在模拟期间，将集中力函数的作用时间按规律调整，由最初的10μs逐步调整到20μs到80μs，然后将这些力独立作用于两个模型的原点，总共需要14个模型。将模型中B点的信号进行有效采集并实施信号处理变换得到其相应的频率谱。在作用不同力下，其信号频率变化情况可详见表3—4。

表3 在不同冲振频率作用下缺陷深度值25cm模型声压

表4 不同冲振频率作用下无缺陷模型声压

表3—4数据揭示，在集中力频率不断减小的情况下，不管曲面板是否存在缺陷，其极值频率都能稳定状态在7750H及5250Hz，也便是说在相似于数值模拟此种理想情况下，力的频率实际上不会对冲振回波模态的极值频率产生任何影响，在实际运用中如单纯记录每一次冲振的极值频率，冲振锤大小对信号造成的影响基本可忽略不计。

为详细探讨不同力作用下响应信号基本成分的区别，取为20、40、60、80μs，分别在这4种工况下进行信号对比，如图6—7所示。

图6 基于不同冲振频率的频率普比对

图7 基于不同冲振频率的声压时程曲线

综合上述图表可以获得，在受力不同的曲面板中，不管有无缺陷所测得的极值频率不会改变，频谱基本成分也高度一致，但在力作用时间不断延长的情况下，频率就会持续走低，出现的声压最大幅值及FFT频谱绝对幅值则会随之增大，也就表明会产生更强的能量。数值模拟是在特定工况下进行的并且相对比较简单，而在现实工程中，混凝土构件是牵扯到多部件的一种复杂组合体，构件内部相较于模拟的具体情况也更为复杂，所以尽管参考本研究结论选用不同的冲振锤对频谱的影响甚微，但出于现实工况方面的考虑，由于直径越大的冲振锤，其生成的能量就越大、频率就越低、波长就越长，并且应力波传播范围就越广，故选用直径较大的冲振锤更能增强检测的抗干扰性。

3 总结

本研究以有限元平面2D实验计算的方式，围绕混凝土曲面板冲振冲振部位和频率对曲面板冲振回波信号的影响课题开展专题计算分析。主要收获：

(1)空气测点位处冲振点附近水平距离为3～4cm垂向距离为1cm时，不管冲振点位于哪个区域都可获取到精准、可靠的缺陷深度极值频率，仅是当临近缺陷边缘时频谱基本成分会变得更为复杂，不仅会涵盖一部分真实板厚的频率，同时也会涉及到A2模态频率。通过上述分析可知，不管信号测点是否出现在缺陷上部，只需确定冲振点位于缺陷上部；

(2)在集中力频率不断减小的情况下，不管曲面板是否存在缺陷，其极值频率都能稳定状态在7750H及5250Hz，也便是说在相似于数值模拟此种理想情况下，力的频率实际上不会对冲振回波模态的极值频率产生任何影响，在实际运用中如单纯记录每一次冲振的极值频率，冲振锤大小对信号造成的影响基本可忽略不计。

(3)在受力不同的曲面板中，不管有无缺陷所测得的极值频率不会改变，频谱基本成分也高度一致，但在力作用时间不断延长的情况下，其频率就会持续走低，其出现的声压最大幅值及FFT频谱绝对幅值则会随之增大，也就表明会产生更强的能量。