敲击与滑动激励方法在混凝土空洞声学识别中的定量比较与有效性评估

《Buildings》：Quantitative Comparison and Effectiveness Evaluation of Striking and Sliding Excitation Methods in Acoustic Identification of Concrete Voids Ziru Zhang, Wenlong Zhang, Haoyu Wang, Shibin Teng and Fang Zhao

　　

混凝土建筑结构的长期安全性和耐久性主要取决于其内部质量。墙体空洞作为典型的隐蔽缺陷，直接影响结构承载能力和使用寿命。这类缺陷不仅可能导致表面空鼓和剥落，还可能发展为局部倒塌等严重安全事故。目前，声学检测（Acoustic Detection）方法因其便捷性和高效性在工程实践中广泛应用。其中，敲击法（Strike Method）和滑动法（Slide Method）作为两种基本激励方法，是常用的现场检测方法。然而，现有研究仍缺乏对这两种方法的系统性比较分析，特别是在基于定量特征的客观评价方面。为填补这一研究空白，研究人员设计了严格控制的实验方案。通过收集这两种激励方法下的声学信号，系统分析了时域波形（Time-Domain Waveform）特征、频域响应（Frequency-Domain Response）特征和时频分布（Time-Frequency Distribution）模式。结果表明，与传统敲击激励相比，滑动激励方法在混凝土墙体空洞检测中显示出显著优势。它不仅具有更高的检测精度，而且表现出更好的稳定性和可重复性。进一步分析发现，滑动信号在特征区分能力和抗干扰能力方面优于敲击信号。其电压分布曲线显示出更明显的分离特征，显著降低了误判风险。通过系统的定量比较，本研究为混凝土墙体空洞的声学检测提供了可靠的实验依据，对推动无损检测技术的标准化和智能化发展具有重要参考价值。

混凝土结构是土木工程中应用最广泛的材料，其内部质量直接关系到建筑的安全性和耐久性。然而，在施工和服役过程中，由于振捣不密实、材料离析或环境侵蚀，混凝土墙体内容易形成空洞等隐蔽缺陷。这类缺陷不仅削弱结构承载力，还可能导致表面空鼓、剥落甚至局部倒塌，构成严重安全隐患。现有的无损检测方法中，基于声学信号的应力波检测技术因简便高效而受到关注，其中敲击法和滑动法是两种基本激励方式。但现有研究缺乏对这两种方法的系统性定量比较，尤其在客观评价方面存在空白。为填补这一不足，研究人员开展了一项受控实验研究，成果发表在《Buildings》期刊上。

研究人员设计了严格的对比实验：选取标准现浇混凝土墙作为测试对象，在特定区域预设人工模拟空洞缺陷，控制其尺寸与埋深。使用符合规范的空心鼓锤作为激励工具，分别实施瞬态冲击（敲击）和连续滑动两种操作模式。敲击时施加30–50 N力，点间距10–15 cm；滑动时速度控制在0.3–0.5 m/s，接触压力3–5 N，并采用导轨辅助以确保匀速直线运动。声学信号通过高灵敏度录音设备采集，采样频率16 kHz，频率响应范围20 Hz–8 kHz，记录器固定于距离墙面约30 cm处。所有原始音频经过带通滤波（100 Hz–4 kHz）、去噪、标准化增益等预处理后，转换为电压信号。定量分析采用振幅差比（RA）指标，并利用Mann-Whitney U检验进行统计验证。此外，通过正态分布曲线、小提琴图（Violin Plot）和核密度图（Kernel Density Graph）等可视化工具，对信号特征分布进行深入比较。

研究结果分为三部分：
(1) 时域波形分析：通过对比滑动与敲击激励的时域波形，发现滑动激励产生的波形连续稳定，空洞区域振幅显著衰减，振幅差比RA = –4.63；敲击激励的波形呈瞬态特征，空洞与正常区域的振幅差异较小，RA = –0.17。滑动法的RA绝对值约为敲击法的27倍，表明滑动法对空洞缺陷具有更高的检测灵敏度。
(2) 幅频特性分析：通过幅度-频率图，滑动激励在特征频率处呈现尖锐峰值，频谱能量集中；敲击激励的峰值较低，频谱分布宽广，高频区域存在明显噪声干扰。
(3) 时频特性分析：通过时频图，滑动激励的能量持续集中，主频响应清晰，背景噪声低；敲击激励的能量分散、持续时间短且主频特征模糊。正态分布曲线进一步显示，滑动激励的密度曲线窄而高，能量集中于与缺陷相关的频段，信号一致性强；敲击激励的曲线平坦宽阔，能量分散于低频区，缺陷识别能力相对不足。

在讨论部分，研究人员采用正态分布可视化、小提琴图和核密度图进一步验证。滑动激励下，空洞样本与正常样本的电压分布呈现明显分离（Δσ = 2790），分布曲线陡峭集中；敲击激励下的两组样本重叠较大（Δσ = 794），曲线平坦宽阔。小提琴图显示滑动激励的空洞样本特征值波动范围小、稳定性好；敲击激励的样本数据离散度高、可重复性不足。核密度图表明，在优化参数区间内（敲击参数1.3–1.4倍，滑动参数8–11倍），滑动激励的类别分离更清晰，缺陷识别能力更强。这些结果一致表明，滑动法在信号稳定性、特征可分离性和抗干扰能力方面优于敲击法。

研究结论翻译如下：（1）滑动激励在检测灵敏度上具有相对优势。Mann-Whitney U检验结果显示，滑动激励下正常组与空洞组的声学特征差异具有统计学显著性（U = 8.582 × 10⁷，p = 0.00532），而敲击激励下两组差异不显著（U = 1.375 × 10⁸，p = 0.42284）。（2）滑动激励的信号稳定性和特征可分离性更好。在时域、频域和时频域中，滑动法均表现出能量集中、分布狭窄的特点。正态分布曲线和小提琴图均显示清晰的类别边界和低重叠度。敲击法的信号离散度和重叠程度较高，特征区分能力受限。（3）研究为工程中“平面初筛、可疑区域复检”的经验准则提供了定量依据。在受控实验条件下，滑动法在信号质量和缺陷灵敏度上优于敲击法，但敲击法因其点接触灵活性和对复杂表面的适应性，在现场检测中仍不可或缺。未来应促进两种方法的协作：在平整表面优先使用滑动法以提高精度，在复杂区域发挥敲击法的灵活优势。进一步研究方向包括开发滑动法的噪声抑制和自适应控制技术，以及探索其与红外、超声等检测技术的融合，构建智能融合诊断系统。（4）本研究的结论基于受控实验室条件（标准试块、平整表面、可控环境），直接适用于此类理想场景。将这些结论推广到更真实的工程环境（材料变异、表面复杂、环境干扰）并集成到智能检测系统中仍面临显著挑战。因此，更多现场验证、环境自适应算法开发以及与智能诊断框架的整合，应明确列为未来研究方向，而非当前成果。（5）本研究尚未系统量化温度、湿度、混凝土强度和水灰比等关键参数的具体影响，这是重要局限性。未来研究方向包括：参数敏感性分析，系统研究上述参数对声学信号特征的影响并建立补偿模型；鲁棒性验证，在更广泛的材料和环境条件下验证该方法有效性；开发自适应策略，探索能够根据环境或材料信息自动调整激励和诊断参数的智能检测框架。