基于SPCE61A的墙体空鼓声无损检测系统设计

　　1 引 言

　　建筑墙体由于受其自身及外界各种因素的影响常常会产生空鼓现象[1,2], 对建筑物承载能力和耐久性造成严重危害、高层建筑外墙空鼓会导致外墙脱落,由此造成人身伤害以及经济损失的报道屡见不鲜。而传统的根据人耳听取敲击声特点 进行检测的方法依赖于检测者的经验、主观随意性大, 准确性不高且无法给出量化结果, 因此迫切需要一种快速、方便检测建筑墙体空鼓的检测手段。无损检测(Non-des-tructive Testing 或 Non-destructive Evaluation,简称 NDT 或 NDE), 又称非破坏性检测, 是指在不破坏墙体内部结构和使用性能的情况下, 利用声、光、热、电、磁和射线等方法, 检测有关墙体的性能。用于墙体空鼓检测的方法很多[3-7], 文献[5] 利用的是超声检测法、文献[6]、[7]则分别用冲击回波法和电磁波检测法, 常用的方法还包括射线检测法、超声-回弹综合法等。但上述方法有的需要将传感器紧贴在墙面上(超声、冲击回波法)、或是需要在同时墙体的背面一侧放置传感 器(电磁波法), 使用不够方便。

　　本文研究了敲击声信号特性的墙体空鼓检测,利用敲击球敲击墙体表面, 提取敲击声信号进行空鼓检测。首先通过理论建模和实验数据对敲击过程及其产生的声信号特征与墙体空鼓情况间关系进行理论分析[6], 在此基础上研究根据敲击声信号参数来判断墙体的空鼓情况的检测系统。由于这种方法采用的传感器即麦克风不需要和物体表面紧密接触, 在检测中具有更好的实用性。

　　随着数字信号处理、单片微处理器及智能识别技术的迅速发展, 无损检测技术将向着智能化、小型化、自动化方向发展。在文献[8] 的基础上, 本文采用凌阳公司 16 位单片机 SPCE61A 嵌入式系统进行敲击声信号采集与处理, 并针对单片机有限的片内资源进行资源调配和算法优化, 实现高性能信号分析与检测, 以满足快速、方便、便携式墙体空鼓检测的要求。

　　2 敲击过程的能量分析[8]

　　球形实心物体敲击均质物体的动力学过程已被许多文献研究过, 为简化起见, 本文用一个二自由度的弹簧系统对敲击动力学过程进行建模分析如图 1所示。

　　Kf和 Kc分别为两个弹簧的倔强系数, 分别表示墙体的弯曲强度和非线性接触区域的强度, M2和 M1分别表示墙体的等效质量和敲击球的等效质量。首先分析敲击过程的能量分布情况, 在敲击过程中, 敲击球的初动能转化为墙体结构的弯曲振动能量及接触区域形变能量, 假设墙体结构初始是静态的, 当它达到最大形变时, 敲击球的速度变为零，这时所有的初动能都转化为墙体结构的弯曲振动的能量和接触区域形变所产生的能量。因此忽略墙体结构变形的剪切力以及敲击过程中产生的 压缩波等成分, 可写出能量守恒方程如下: