本發(fā)明屬于鋼筋混凝土損傷檢測，具體涉及一種基于mfcc（梅爾頻率倒譜系數(shù)）和ra-af（ra-af值，包括?ra值（rising?amplitude）和af值（frequency），?ra值和af值?是聲發(fā)射技術中的兩個重要參數(shù)，ra值表示聲發(fā)射信號的振幅上升速率，af值表示聲發(fā)射信號的頻率?）的鋼筋混凝土粘結失效全過程特征預測方法。

背景技術：

1、鋼筋混凝土結構是現(xiàn)代建筑工程中不可或缺的一部分，其性能高度依賴于鋼筋與混凝土之間的粘結作用。隨著結構服役年限的增長或受到外界不利因素的影響，如溫度變化、濕度波動、化學侵蝕等，鋼筋與混凝土之間的粘結可能會逐漸退化，最終導致滑移甚至完全失效。這種失效不僅影響結構的安全性，還可能導致更高的維修和加固成本，因此，準確預測這一過程的特征對于確保結構安全性和耐久性至關重要。

2、現(xiàn)有技術中，關于鋼筋混凝土粘結失效特征的預測已經(jīng)做了很多研究，其中主要分為理論公式、經(jīng)驗公式和半理論半經(jīng)驗公式，雖然能夠提供一定的預測能力，但受限于特定的材料參數(shù)條件，在實際工程上應用范圍較小。鋼筋混凝土粘結機理復雜，粘結失效過程出現(xiàn)損傷后展現(xiàn)的特征是不易探查和預測的。然而，聲發(fā)射（ae）技術能夠捕捉到材料在受力時由微小應變引起的聲信號，可以直接反應材料內部損傷的發(fā)展情況，被廣泛應用于材料的損傷檢測領域。聲發(fā)射技術在鋼筋混凝土領域應用較廣，主要方式是通過ae波形和ae參數(shù)進行分析的。mfcc和ra-af是聲發(fā)射信號重要的處理和分析方法，可以實時反映材料損傷的真實情況。但如何利用mfcc和ra-af評估鋼筋混凝土粘結失效全過程的特征，仍然缺少有效、精確的方法。

技術實現(xiàn)思路

1、針對上述現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于mfcc和ra-af的鋼筋混凝土粘結失效全過程特征預測方法，其目的在于，結合聲發(fā)射技術實時監(jiān)測鋼筋混凝土失效過程的真實損傷，提供一種可以預測鋼筋混凝土粘結失效全過程特征的方法，為鋼筋混凝土的粘結損傷評估提供重要依據(jù)，為鋼筋混凝土結構的維護加固提供參考，對于降低維護成本、完善結構壽命設計方法具有重要意義。

2、為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術方案予以實現(xiàn)：

3、基于mfcc和ra-af的鋼筋混凝土粘結失效全過程特征預測方法，包括以下步驟：

4、步驟s1，獲取鋼筋混凝土參數(shù)以及鋼筋混凝土粘結失效過程的聲發(fā)射直接特征參數(shù)，所述聲發(fā)射直接特征參數(shù)包括振幅參數(shù)、能量參數(shù)、振鈴計數(shù)、上升時間和持續(xù)時間；

5、步驟s2，先基于聲發(fā)射直接特征參數(shù)，提取聲發(fā)射間接特征參數(shù)，所述聲發(fā)射間接特征參數(shù)包括mfcc特征參數(shù)和ra-af特征參數(shù)，然后基于聲發(fā)射間接特征參數(shù)，確定所述鋼筋混凝土參數(shù)的粘結失效過程特征的預測結果，所述粘結失效過程特征包括損傷階段、損傷模式和損傷程度；

6、步驟s3，先將聲發(fā)射間接特征參數(shù)進行平均化處理，得到聲發(fā)射平均間接特征參數(shù)，然后基于聲發(fā)射平均間接特征參數(shù)，建立所述鋼筋混凝土參數(shù)的聲發(fā)射間接特征參數(shù)-粘結失效結果特征的關系式，所述粘結失效結果特征為粘結強度和峰值滑移；

7、步驟s4，輸入所述鋼筋混凝土參數(shù)對應的聲發(fā)射平均間接特征參數(shù)，基于得到的聲發(fā)射間接特征參數(shù)-粘結失效結果特征的關系式，得到所述鋼筋混凝土參數(shù)對應的粘結失效結果特征的預測結果。

8、進一步地，所述步驟s1的過程為：

9、步驟s11，獲取鋼筋混凝土參數(shù)；

10、步驟s12，采用拉拔試驗實現(xiàn)所述鋼筋混凝土的粘結失效，并利用聲發(fā)射技術對拉拔試驗實時監(jiān)測，獲取聲發(fā)射直接特征參數(shù)。

11、進一步地，步驟s1中，所述鋼筋混凝土參數(shù)包括鋼筋參數(shù)和混凝土參數(shù)，所述鋼筋參數(shù)包括鋼筋類型、鋼筋化學元素組成、鋼筋總體長度、鋼筋粘結長度、鋼筋嵌入混凝土位置中的一種或多種，所述混凝土參數(shù)包括混凝土配合比、混凝土尺寸、混凝土養(yǎng)護的溫度、混凝土養(yǎng)護的濕度、混凝土養(yǎng)護的時間中的一種或多種。

12、進一步地，所述步驟s2的過程為：

13、步驟s21，先將振幅參數(shù)進行預加重處理，得到預加重聲發(fā)射信號，然后將預加重聲發(fā)射信號分幀，將每幀預加重聲發(fā)射信號乘加窗函數(shù)，得到分幀加窗聲發(fā)射信號，然后通過離散傅里葉變換將分幀加窗聲發(fā)射信號從時域轉換到頻域，計算得到信號功率譜，再將信號功率譜通過一組梅爾濾波器，定義梅爾濾波器數(shù)量，計算梅爾濾波器輸出的對數(shù)能量，最后使用離散余弦變換（dct）將對數(shù)能量進行去相關和降維，最終計算得到多個mfcc特征參數(shù)；

14、步驟s22，基于多個mfcc特征參數(shù)和能量參數(shù)繪制mfcc特征圖，選擇第個mfcc特征；

15、步驟s23，在范圍內取選擇的第個mfcc特征的波動響應的最大點作為鋼筋混凝土粘結失效過程真實損傷階段的第k個突變點，得到對應的個真實損傷階段，，，式中，分別為聲發(fā)射特征參數(shù)中的振幅參數(shù)、振鈴計數(shù)、上升時間和持續(xù)時間的第個階段突變點（能夠基于聲發(fā)射直接特征參數(shù)定性確定）；

16、步驟s24，基于聲發(fā)射直接特征參數(shù)計算ra值與af值，得到ra-af特征參數(shù)，建立由數(shù)據(jù)點組成的數(shù)據(jù)集，為第個階段的ra-af數(shù)據(jù)集，為第個真實損傷階段的第個數(shù)據(jù)點，為第個真實損傷階段的第個ra值，為第個真實損傷階段的第個af值；

17、步驟s25，基于數(shù)據(jù)集繪制ra-af散點圖，使用高斯混合模型聚類，將破壞模式聚類為拉伸模式和剪切模式；

18、步驟s26，基于聚類的結果，確定粘結失效過程每個真實損傷階段的損傷模式；

19、步驟s27，基于ra-af特征參數(shù)，確定粘結失效過程每個真實損傷階段的損傷程度。

20、更進一步的，步驟s21中，所述預加重處理的公式為：

21、；

22、式中，取0.97，為預加重聲發(fā)射信號，為第個采樣點的振幅，為第個采樣點的振幅，為正整數(shù)；

23、所述分幀的公式為：

24、；

25、式中，為第幀預加重聲發(fā)射信號，為正整數(shù)，為幀移，為幀長；

26、所述加窗函數(shù)的公式為：

27、；

28、式中，為第幀分幀加窗聲發(fā)射信號，為漢明窗系數(shù)，取0.46；

29、所述離散傅里葉變換的公式為：

30、;

31、；

32、式中，為信號功率譜函數(shù)，為的第個值的離散傅里葉變換，為虛數(shù)單位，為正整數(shù)；

33、所述對數(shù)能量的計算公式為：

34、；

35、式中，為對數(shù)能量的第個值，為第個梅爾濾波器傳遞函數(shù)的第個值，為梅爾濾波器總數(shù)；

36、所述去相關和降維的計算公式為：

37、；

38、式中，為mfcc特征參數(shù)的第個系數(shù)，為梅爾倒譜系數(shù)的數(shù)量，取12-24個；

39、更進一步的，步驟s22中，所述第個mfcc特征的波動響應與能量參數(shù)的波動相似；再更進一步的，所述≤12；尤其進一步的，所述=1或2（多數(shù)情況下各個mfcc特征的波動響應均相似，與能量參數(shù)的波動也均相似）。

40、進一步的，步驟s24中，基于聲發(fā)射直接特征參數(shù)計算ra值與af值的公式分別為：

41、，；

42、式中，為ra值，為af值，為上升時間，為振幅參數(shù)，為振鈴計數(shù)，為持續(xù)時間。

43、更進一步的，步驟s25中，所述高斯混合模型的整體表達式為：

44、；

45、式中，為數(shù)據(jù)點在高斯混合模型下的概率密度值，為輸入的二維數(shù)據(jù)點，（即由和組成的數(shù)據(jù)點），為預設的聚類數(shù)目，=2（即聚類為剪切模式和拉伸模式兩類），為第個高斯分布的混合權重，為第個高斯分布的概率密度函數(shù)，為第個高斯分布的均值向量，為第個高斯分布的協(xié)方差矩陣。

46、更進一步的，步驟s26，所述基于聚類的結果，確定粘結失效過程每個真實損傷階段的損傷模式計算公式為：

47、；

48、式中，為第個真實損傷階段剪切損傷模式百分占比，為第個真實損傷階段被聚類為剪切模式的數(shù)據(jù)點數(shù)量，為第個真實損傷階段數(shù)據(jù)點總數(shù)；當大于50%時，所述鋼筋混凝土參數(shù)的第個真實損傷階段為剪切模式，當小于50%時，所述鋼筋混凝土參數(shù)的第個真實損傷階段為拉伸模式，當?shù)扔?0%時，所述鋼筋混凝土參數(shù)的第個真實損傷階段為剪切-拉伸混合模式。

49、更進一步的，步驟s27，所述基于ra-af特征參數(shù)，確定粘結失效過程每個真實損傷階段的損傷程度的計算公式為：

50、；

51、式中，式中，為第個真實損傷階段的破壞程度，為第個真實損傷階段的第個ra值，為第個真實損傷階段的第個af值，為第個真實損傷階段數(shù)據(jù)點總數(shù)；

52、將b0m進行最大值歸一化處理，計算公式為：

53、b1m=b0m/bmax；

54、式中，為最大值歸一化處理后的第個真實損傷階段的破壞程度，為所有真實損傷階段的最大值。

55、進一步地，所述步驟s3的過程為：

56、步驟s31，先將聲發(fā)射間接特征參數(shù)進行平均化處理，得到聲發(fā)射平均間接特征參數(shù)，所述聲發(fā)射平均間接特征參數(shù)包括mfcc特征密度和均化ra；

57、步驟s32，結合所述鋼筋混凝土參數(shù)，判斷是否存在所述鋼筋混凝土參數(shù)對應的聲發(fā)射間接特征參數(shù)-粘結失效結果特征的關系式，若存在，則得到聲發(fā)射間接特征參數(shù)-粘結失效結果特征的關系式后，執(zhí)行步驟s4，若不存在，則執(zhí)行步驟s33；

58、步驟s33，基于聲發(fā)射平均間接特征參數(shù)建立所述鋼筋混凝土參數(shù)對應的聲發(fā)射間接特征參數(shù)-粘結失效結果特征關系式，執(zhí)行步驟s4。

59、更進一步地，步驟s31中，所述mfcc特征密度和均化ra計算公式為：

60、；

61、式中，?為mfcc經(jīng)平均化處理得到的mfcc特征密度，為第個mfcc特征參數(shù)的第個數(shù)值，為抽幀后的時間，表示共有個mfcc特征參數(shù)，表示每個mfcc特征參數(shù)共有個數(shù)值；

62、；

63、式中，為ra值經(jīng)平均化處理得到的均化ra，為第個上升時間的數(shù)據(jù)，為第個振幅參數(shù)的數(shù)據(jù)，為所有數(shù)據(jù)的數(shù)量。

64、更進一步地，步驟s33中，所述基于聲發(fā)射平均間接特征參數(shù)建立鋼筋混凝土參數(shù)對應的聲發(fā)射間接特征參數(shù)-粘結失效結果特征關系式，計算公式為：

65、，；

66、式中，為鋼筋混凝土粘結失效后的粘結強度，為鋼筋混凝土粘結失效后的峰值滑移，、、、、、為待定系數(shù)，使用矩陣實驗室?(matlab)擬合獲得。

67、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：

68、本發(fā)明提供的基于mfcc和ra-af的鋼筋混凝土粘結失效全過程特征預測方法，能夠有效地利用聲發(fā)射實時監(jiān)測反應真實損傷的特點，對鋼筋混凝土粘結失效的全過程特征進行預測，即對鋼筋混凝土粘結失效的過程特征（損傷階段/模式/程度）和結果特征（粘結強度/峰值滑移）進行預測，可以有效地全面覆蓋粘結失效的全部過程，能夠反應真實損傷，實用性強，可信度高，適用范圍廣，這可以為鋼筋混凝土結構的維護加固提供參考，對于降低維護成本、完善結構壽命設計方法具有重要意義。