基于Lamb波主动传感的混凝土竖向裂缝深度依赖性表征

《Sensors》：Depth-Dependent Characterization of Vertical Cracks in Concrete Using Lamb Wave Active Sensing

　　

混凝土中的竖向裂缝对许多传统无损检测方法（NDT）和结构健康监测（SHM）方法构成重大挑战。基于弹性波的方法与裂缝面具有强相互作用且对深度敏感，然而其有效性常受限于缺乏可重复且可调谐的激励源。可重复性至关重要，因为散射和衰减信号需要叠加才能达到足够的信噪比，而可调谐性则是关键裂缝属性具有频率依赖性且需在适当波长下探测的必要条件。在本研究中，研究人员开发了一种主动传感系统，利用线性冲击致动器作为可重复且可调谐的机械源进行基于弹性波的NDT，并将其应用于一块含有三条深度分别为6 cm、12 cm和18 cm的表面破裂竖向裂缝的0.24 m厚混凝土板。通过调整冲击条件对致动器进行调谐，以产生以A₀模式为主的Lamb波响应。针对每条裂缝，部署两个线性阵列，一个平行于裂缝迹线，另一个垂直于裂缝迹线，以研究方向各向异性。利用A₀模式Lamb波频散曲线量化相速度各向异性，同时采用有效品质因子（Q）作为方向相关衰减的补充指标。研究结果表明，平行于裂缝传播的相速度始终高于垂直于裂缝传播的相速度，且各向异性程度随裂缝深度增加而增大。品质因子随裂缝深度增加而减小，并表现出各向异性行为，垂直于裂缝的测量值系统性地低于平行于裂缝的测量值。总体而言，研究结果证明，可控且可重复的冲击激励为基于弹性波的混凝土理想化竖向裂缝表征建立了可靠框架。

**论文解读：基于Lamb波主动传感的混凝土竖向裂缝深度依赖性表征**

**研究背景与问题**

混凝土竖向裂缝是土木基础设施中的关键损伤形式，会削弱结构完整性、促进水分侵入、加速钢筋锈蚀，若未被及时发现可能演变为更严重的失效。然而，传统无损检测方法（NDT）和结构健康监测（SHM）在表征竖向裂缝方面存在局限：红外热成像主要对近表面裂缝敏感，无法提供深度信息；探地雷达（GPR）因裂缝取向不利和电磁对比度弱而灵敏度降低；声发射技术依赖主动损伤过程，难以直接成像既有裂缝。基于弹性波的方法与裂缝面具有强相互作用且对深度敏感，但实际应用中常因缺乏可重复且可调谐的高能表面激励源而受限——可重复性对于信号叠加和信噪比至关重要，可调谐性则因裂缝属性具频率依赖性而需在合适波长下探测。现有冲击源（如锤击、钢球）虽成本低、可现场部署，但冲击角度、耦合条件等变量导致力-时间历史变化，带宽和波型不稳定，尤其在存在裂缝的混凝土中，散射和衰减加剧了幅值稳定性与波场解释的困难。此外，竖向裂缝的声学响应强烈依赖于裂缝开闭、局部接触、波偏振和传播方向，其深度对相速度各向异性的影响尚不充分理解。因此，本研究旨在开发一种可控的弹性波激励策略，利用完全自动化、计算机控制的线性冲击致动器，结合导波各向异性与衰减分析，实现混凝土竖向裂缝的定量表征。论文发表在《Sensors》。

**主要关键技术方法**

研究人员采用以下关键方法：（1）线性冲击致动器（ORCA-6-48V，Iris Dynamics Ltd.）作为可重复且可调谐的机械源，通过闭环控制调节冲击力、尖端刚度、适配器重量和驱动波形，以激发A₀模式Lamb波；（2）在无钢筋的混凝土板（3.0 m × 3.0 m × 0.24 m，密度2627 kg/m³，杨氏模量34.58 GPa，泊松比0.2）中预制三条表面破裂竖向裂缝（深度6、12、18 cm，开口0.09 cm），裂缝间距88 cm；（3）部署平行和垂直于裂缝的线性加速度计阵列（5个R3α加速度计，采样率200 kHz），采用多道面波分析（MASW）几何进行数据采集；（4）利用高分辨率线性Radon变换（HRLRT）将波场数据变换至相速度-频率域，提取A₀模式频散曲线；（5）采用Bootstrap方法估计品质因子（Q），基于振幅衰减模型拟合获取有效衰减参数。

**研究结果**

**4.1. 性能验证（Performance Validation of the Impact Actuator）**
通过实验室混凝土楼板测试，研究人员验证了致动器的可重复性与可调谐性。不同冲击力（8 N、10 N、12 N）下，归一化频谱显示8 N冲击产生较高频率成分，而未归一化时12 N冲击幅值最大。不同尖端材料（金属硬尖端与白色中硬尖端）对比表明，金属尖端在7–20 kHz频段产生更高幅值。适配器质量（30 g黄铜与5 g塑料）对比显示，黄铜适配器产生更强、更宽频的频谱。六次重复冲击的平均频谱高度重叠，变异系数（CV）为0.0199，显著优于先前Seesaw Hammer的0.0488，相对变异性降低约60%。不同驱动波形（正弦、方波、三角波、锯齿波）中，正弦和方波产生最稳定的冲击。方波占空比测试（8%、40%、72%、83%）表明，40%和72%占空比下频散图像最清晰连续。因此，后续裂缝实验采用72%占空比方波、白色尖端、20 g黄铜适配器、26 N冲击力。

**4.2. 竖向裂缝混凝土板实验（Implementation of the Impact Actuator on a Concrete Slab with Vertical Cracks）**
**4.2.1. 相速度各向异性（Phase-Velocity Anisotropy）**
时域波形显示，平行于裂缝的阵列记录更清晰一致，垂直于裂缝的阵列幅值变异性更大且波形更不规则，且随裂缝深度增加，对比更显著。HRLRT频散图像表明，A₀模式能量脊在平行配置中更连续清晰，垂直于裂缝时能量脊破碎，提取的相速度曲线向低速偏移。提取的相速度曲线对比显示，对于6 cm和12 cm裂缝，平行配置的相速度在整个频带（0–20 kHz）系统性地高于垂直配置；对于18 cm裂缝，这种差异更显著，且横向位置变化导致相速度曲线偏移。各向异性比率η（根据公式(5)计算）表明，18 cm裂缝表现出最强的各向异性，6 cm和12 cm裂缝的η值较低且随频率增加呈下降趋势，即裂缝深度越大，各向异性越强。

**4.2.2. 品质因子（Quality Factor）**
Bootstrap估算的Q值（表1）显示，6 cm裂缝的Q值在平行和垂直配置间差异较小，但垂直配置的Q值较低；12 cm裂缝的Q值分布更集中，垂直配置的Q值进一步降低；18 cm裂缝的平行配置Q值较高（接近50），而垂直配置Q值极低（约2.35），表明垂直传播时能量衰减极强。横向测量表明，18 cm裂缝中心处Q值不稳定，距裂缝尖端10 cm处Q值最低（约1.95），裂缝尖端处Q值（约2.06）高于裂缝内部5 cm处（约3.49），裂缝外部5 cm处Q值恢复（约3.57）。总体而言，裂缝的存在导致Q值降低，且垂直配置的Q值始终低于平行配置，该趋势与相速度各向异性互补。

**讨论与结论**

讨论部分指出，致动器的实验室验证表明其可重复、可调谐，通过调节力、尖端刚度、适配器质量和驱动波形可控制辐射带宽，这对于导波应用中不同频率对裂缝的不同灵敏度至关重要。在混凝土板实验中，裂缝平行方向的相速度始终高于垂直方向，原因是裂缝作为柔性界面引起位移不连续性和散射。裂缝深度控制各向异性强度：18 cm裂缝（板厚的75%）产生最大各向异性，与Li和Fromme（2019）的研究一致，即缺陷深度约达板厚75%时波-缺陷相互作用最强。横向测量显示相速度在裂缝中心最低，向尖端逐渐增加，归因于衍射和模式转换。Bootstrap衰减分析表明，Q值作为有效衰减参数，与相速度各向异性系统相关，共同反映裂缝深度。研究结论翻译如下：
**6. 结论（Conclusions）**
在本研究中，研究人员部署了一种可控机械源（冲击致动器）来表征混凝土板中的表面破裂竖向裂缝。实验室验证表明，通过调节力水平、尖端刚度、适配器重量/材料和驱动波形，冲击致动器可产生稳定冲击，且频率内容可调谐，而占空比在测试范围内变化相对较小。优化这些设置以在混凝土现场可靠激发A₀模式Lamb波。利用HRLRT生成的频散图像，研究人员提取了深度为6、12和18 cm裂缝的A₀相速度曲线。结果显示明显的各向异性效应：平行于裂缝测量的相速度高于垂直于裂缝的测量值。裂缝深度也控制各向异性的大小。18 cm裂缝（板厚的75%）表现出最高的各向异性比率，而6 cm和12 cm裂缝显示相似值，12 cm裂缝略高。沿18 cm裂缝的横向测量进一步显示位置相关的频散趋势，随着阵列向裂缝尖端移动，速度增加。品质因子分析提供了补充指标。基于Bootstrap的估计显示，裂缝的存在导致品质因子降低。通常，垂直于裂缝走向测量的品质因子值低于平行于裂缝走向的测量值。对于18 cm裂缝，在其中心垂直于裂缝进行的横向测量由于强散射效应产生了不稳定的Q值。最低的Q值出现在距裂缝尖端10 cm处，而裂缝尖端测量产生的有效Q值低于裂缝内部5 cm处的测量值。然而，裂缝区域外的测量显示有效Q值有所恢复。总体而言，相速度和有效Q值分别捕捉了裂缝响应的不同方面，即刚度相关变化和能量损失。因此，结合这两种方法以及新开发的源，为受控环境下的裂缝表征建立了基础基线。然而，将这些发现外推至实际土木基础设施需解决本研究中未包含的显著物理复杂性。未来工作必须扩展这一方向各向异性框架，以评估其在钢筋混凝土环境中的可行性，其中钢筋和粗骨料会引入严重的多路径、散射和衰减。未来的实验和数值研究必须研究自然、服役诱导裂缝的声学响应，这些裂缝特征为不规则几何、可变孔径和部分面接触。