劉志豪

（安徽維尼檢測(cè)科技有限公司,安徽 合肥 230088）

0 引言

裂縫和空隙是影響混凝土耐久性的缺陷。為了不僅檢測(cè)這些缺陷,而且檢測(cè)混凝土厚度,UE 和IE 方法被廣泛使用。這兩種方法都是基于波源產(chǎn)生的彈性波,在測(cè)試介質(zhì)中傳播。在UE 中,可以通過(guò)使用兩個(gè)傳感器確定傳播時(shí)間來(lái)識(shí)別缺陷位置和深度,其中一個(gè)用作波源,另一個(gè)用作記錄器。合成孔徑聚焦技術(shù)（SAFT）在混凝土缺陷和嵌入物體的超聲成像方面具有巨大潛力,在IE 中,瞬態(tài)應(yīng)力脈沖通過(guò)表面上某點(diǎn)的機(jī)械沖擊引入結(jié)構(gòu)。此外,為了改進(jìn)IE 技術(shù),本文開(kāi)發(fā)了一種掃描程序,即基于IE（SIBIE）的光譜振幅疊加成像。需要確定嵌入混凝土中的材料類(lèi)型,如鋼筋或空隙。除此之外,還應(yīng)考慮反射超聲信號(hào)的相位角,本文通過(guò)確定超聲波信號(hào)的相位角識(shí)別管道內(nèi)的材料屬性。

1 沖擊回波和超聲波回波法

1.1 IE 和UE 原理

在IE 方法中,通過(guò)機(jī)械沖擊引入瞬態(tài)應(yīng)力脈沖,例如將一個(gè)小鋼球落在混凝土表面上,并將其作為P、S 和R 波傳播到結(jié)構(gòu)中。這些波傳播到結(jié)構(gòu)中被元件的內(nèi)部缺陷和邊界反射。在這種方法中,P 波是最重要的,因?yàn)镻 波引起的位移比S 波引起的位移大得多。在此過(guò)程中,通過(guò)靠近撞擊點(diǎn)的傳感器,監(jiān)測(cè)反射波到達(dá)引起的表面位移,并使用快速傅里葉變換（FFT）技術(shù)將記錄的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域（圖1）,與大振幅峰值相關(guān)的頻率代表波形中的主要振動(dòng)頻率[1-2]。因此,傳感器處的P 波接收頻率已確定,且P 波的速度（Cp）已知,可根據(jù)方程式（1）計(jì)算缺陷深度：

圖1 沖擊波成像法

式中：D 為缺陷深度,m；Cp為P 波的速度,m/s；f 為頻率。

在UE 方法中,從超聲傳感器傳輸?shù)膹椥圆▊鞑サ浇Y(jié)構(gòu)中,當(dāng)波路徑中存在不連續(xù)（如裂紋）時(shí),部分能量從缺陷表面反射回來(lái)。這些反射波由超聲波傳感器收集并記錄。傳統(tǒng)的UE 技術(shù)見(jiàn)圖2。超聲波檢測(cè)可用于缺陷檢測(cè)、尺寸測(cè)量、材料表征等。

圖2 超聲波檢測(cè)法

典型的UE 系統(tǒng)由多個(gè)功能單元組成,如脈沖發(fā)生器、接收器、傳感器和顯示設(shè)備。反射波信號(hào)由傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào),并顯示在屏幕上。超聲波檢測(cè)法與沖擊波成像法不同,不需要將時(shí)域轉(zhuǎn)換為頻域。信號(hào)傳輸時(shí)間與信號(hào)傳輸距離直接相關(guān)。因此,從該信號(hào)可以獲得關(guān)于反射器位置、尺寸和其他特征的信息。

1.2 SIBIE 和SAFT 成像算法

SIBIE程序是解釋撞擊回波數(shù)據(jù)的一種改進(jìn)的替代方法。在IE 方法中,通過(guò)識(shí)別頻譜中的峰值頻率來(lái)估計(jì)混凝土中缺陷的深度。然而,由于沖擊波的多次反射和衍射,頻譜中經(jīng)常觀(guān)察到許多峰值,因此不能很好地解釋頻譜。為了解釋撞擊回波數(shù)據(jù)并改進(jìn)方法,將成像技術(shù)SIBIE 應(yīng)用于頻域數(shù)據(jù)。該方法已應(yīng)用于混凝土裂縫評(píng)估,相關(guān)研究結(jié)果表明該方法可用于識(shí)別混凝土中的缺陷[3-4]。

在該程序中,首先,將混凝土橫截面劃分為方形構(gòu)件,見(jiàn)圖3。然后,計(jì)算每個(gè)元件處反射引起的共振頻率。通過(guò)元件從輸入位置到輸出位置的行程距離進(jìn)行計(jì)算：

圖3 光譜成像模型

式中：R 為行程距離,m；r1為輸入距離,m；r2為輸出距離,m。

由每個(gè)元件處的反射引起的共振頻率計(jì)算如下：

將頻譜中這兩個(gè)共振頻率對(duì)應(yīng)的譜幅值歸結(jié)在每個(gè)網(wǎng)格上。因此,反射強(qiáng)度估計(jì)為每個(gè)元素的堆棧圖像。SIBIE 分析的最小二乘網(wǎng)格尺寸?應(yīng)近似等于Cp?t/ 2,其中Cp為縱波速度m/s,?t 為記錄波的采樣時(shí)間,s。

在UE 分析中,可以對(duì)A、B、C 掃描等不同狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。然而,在對(duì)非均質(zhì)材料進(jìn)行截面分析時(shí),由于非均質(zhì)結(jié)構(gòu)阻止了獲得預(yù)期的信號(hào)形式,從而使超聲掃描的真實(shí)感和效率產(chǎn)生了諸如信號(hào)衰減和散射等問(wèn)題。因此,為了消除這些問(wèn)題,開(kāi)發(fā)了SAFT。

一般來(lái)說(shuō),當(dāng)超聲波源遠(yuǎn)離檢測(cè)點(diǎn)時(shí),信號(hào)到達(dá)時(shí)間值相對(duì)高于接近檢測(cè)點(diǎn)時(shí)的值。這些合成的時(shí)間延遲會(huì)造成掃描區(qū)域幾何形狀的錯(cuò)覺(jué)。因此,點(diǎn)散射體將產(chǎn)生雙曲線(xiàn)模式。在這種情況下,必須評(píng)估和糾正時(shí)間延遲。如圖4 所示,（xi,yi）和（xn,yn）分別是檢查點(diǎn)和傳感器的坐標(biāo)。反射距離“Zi”和時(shí)間“ti”可分別由式（4）和式（5）確定。

圖4 SAFT 算法在節(jié)中的應(yīng)用

超聲波源在表面上以“d”間隔移動(dòng)。因此,時(shí)間延遲值“?ti”可由式（6）計(jì)算得到：

因此,通過(guò)移位的時(shí)間延遲,可以找到振幅。為了識(shí)別材料的性能,使用信號(hào)相位變化。確定信號(hào)的相位角,并從這一角度出發(fā),根據(jù)信號(hào)波形的反射原理對(duì)截面進(jìn)行分層。當(dāng)層厚增加時(shí),相角變化上升到180°。

由于峰值頻率值較為復(fù)雜且彼此接近,因此波傳播采用傅里葉變換。經(jīng)過(guò)變換后,可以從脈沖的真實(shí)部分和成像部分之間的角度確定所獲得信號(hào)的相位角。若比較聲阻抗和相位角,可以很容易地找到該層的材料特性。此外,影響層間通過(guò)的主要因素之一是層厚度。當(dāng)厚度增加到一定程度時(shí),信號(hào)的峰值頻率和相位角也會(huì)增加。但是,如果厚度達(dá)到較高值,則無(wú)法明顯觀(guān)察到反射。因此,為了確定理想厚度,必須控制材料的聲阻抗和波反射系數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 樣本

在研究范圍內(nèi),制作了兩個(gè)尺寸為0.5 m ×0.4 m×1 m的混凝土試樣（C30）（圖5）。每個(gè)試樣都有20 cm 深的后張管道。一半的管道用砂漿填充,分別由0.2 mm 和2 mm 厚的金屬制成。

圖5 試樣

2.2 IE 和UE 測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)研究中,使用具有24 個(gè)傳感器和記錄器的超聲波進(jìn)行UE 測(cè)量。所有傳感器同時(shí)作為超聲波信號(hào)接收器和發(fā)射器工作。最合適的頻率間隔為50 kHz,并在此范圍內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)于所有點(diǎn),接收信號(hào)取自4 個(gè)信號(hào)的平均值,因此測(cè)量誤差最小化。將試塊的頂面劃分為間隔3 cm 的方形單元,并通過(guò)移動(dòng)超聲波進(jìn)行測(cè)量。所得數(shù)據(jù)在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行分析。上述SAFT 算法對(duì)兩個(gè)樣本重復(fù)了13 次,并指出涉及濃度的區(qū)域提供了有關(guān)肌腱導(dǎo)管位置和幾何形狀的信息。為確定鋼筋束管道中的孔隙比,采用相移原理。為應(yīng)用IE 方法,使用幾個(gè)球體來(lái)產(chǎn)生彈性波。直徑為4 mm 的球體在以足夠的能量和波長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)沖擊方面提供最佳結(jié)果。加速度計(jì)用于檢測(cè)彈性波反射引起的表面位移。加速度計(jì)系統(tǒng)的頻率范圍為直流至50 kHz。用快速傅里葉變換（FFT）分析加速度的傅里葉譜。采樣時(shí)間為4 s,每個(gè)波形的數(shù)字化數(shù)據(jù)數(shù)為2048。將被測(cè)混凝土試樣的橫截面劃分為方形單元,以進(jìn)行SIBIE分析。通過(guò)超聲波脈沖速度測(cè)試,混凝土砌塊的P 波速度為4200 m/s。

3 結(jié)果和討論

在試驗(yàn)中,主要調(diào)查了鋼筋束導(dǎo)管的位置。通過(guò)SAFT,用交叉陰影線(xiàn)監(jiān)控截面的幾何結(jié)構(gòu)。檢查每個(gè)網(wǎng)格組的A和B 掃描。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和對(duì)應(yīng)于點(diǎn)坐標(biāo)的振幅值進(jìn)行比較,并評(píng)估具有高濃度的區(qū)域。在目標(biāo)框架內(nèi)解釋B 和C 掃描。在x=0.25 m 的y-z 剖面中獲得的D 掃描顯示了圖6 中的安全和相位分析結(jié)果。根據(jù)安全原則,對(duì)管道灌漿和缺陷部分的位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)。灌漿部分獲得高集中振幅值,而缺陷部分獲得較低振幅值。類(lèi)似地,底部表面的反射可以在圖7 中看到。

圖6 y-z 截面掃描x=0.25 m

圖7 x-y 截面掃描z=0.198 m、t=0.2 mm

在圖7 和圖8 中,分別給出了在19.8 cm 深度處具有0.2 mm和2 mm 金屬導(dǎo)管的試樣的SAFT 分析C 掃描結(jié)果。該深度約為鋼筋束管道的中心。成功監(jiān)測(cè)鋼筋束導(dǎo)管,并對(duì)其進(jìn)行灌漿,識(shí)別出空部分。導(dǎo)管上方區(qū)域的振幅值更高,圖像更清晰。因此,通過(guò)相分析對(duì)相同試樣進(jìn)行評(píng)估,并清楚地接收到相移。此外,在灌漿部分觀(guān)察到一些相移,認(rèn)為這可能是注入故障造成的。圖9 顯示了應(yīng)用于試樣頂部記錄的沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)的SIBIE 分析結(jié)果。這些數(shù)字分別對(duì)應(yīng)于有缺陷零件和滿(mǎn)灌漿零件。圖9（a）表示風(fēng)管內(nèi)的空隙。在這里,較暗的色調(diào)表示高強(qiáng)度振幅區(qū)。對(duì)比兩個(gè)圖,可以說(shuō),通過(guò)應(yīng)用SIBIE 可以區(qū)分管道的空部分和灌漿部分。

圖8 x-y 截面掃描z=0.198 m、t=2 mm

圖9 沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)SIBIE 分析結(jié)果

4 結(jié)論

在后張法施工結(jié)構(gòu)構(gòu)件中,鋼筋由于從空隙中滲出的水而腐蝕,結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性。導(dǎo)管的位置可以用UE 方法進(jìn)行識(shí)別,然而并不總是可以確定導(dǎo)管內(nèi)的空隙。為此,將UE 和IE 方法應(yīng)用于試件,應(yīng)用SAFT 和SIBIE 技術(shù)進(jìn)行可視化,利用信號(hào)的相位信息確定導(dǎo)管位置,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較。在所有檢測(cè)情況下,獲得的結(jié)果誤差為1 mm～3 mm。使用具有高頻率的傳感器可以很容易地確定缺陷。然而,由于試樣尺寸較小且壓實(shí)不好,信號(hào)不容易解讀,因此在圖像中可以看到壓實(shí)缺陷,觀(guān)察導(dǎo)管和空隙的位置。