波紋管注漿缺陷超聲檢測方法

王 茜， 韓慶邦， 趙勝永， 朱昌平， 徐 杉

(河海大學 江蘇省輸配電裝備技術(shù)重點實驗室，常州市傳感網(wǎng)與環(huán)境感知重點實驗室， 江蘇 常州 213022)

波紋管孔道壓漿是橋梁建造后張法的關(guān)鍵工序之一，這一工序既可以保護鋼絞線，又能控制超載時裂縫的間距和寬度，因而其壓漿質(zhì)量將直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。由于壓漿不密實導致預應(yīng)力管道內(nèi)鋼絞線銹蝕和預應(yīng)力的提前喪失，將會造成橋梁實際壽命大幅度的縮短[1-3]。目前常用的波紋管缺陷無損檢測方法主要有沖擊回波法[4]、射線法[5]、探地雷達法[6]等。孔道波紋管、混凝土鋼筋及鋼絞線都是金屬，對電磁波的干擾及吸收都較大，射線法的實現(xiàn)又具有一定危險性，因而超聲波探測法較適合用于波紋管缺陷無損檢測。

本文從回波信號能量變化的角度進行檢測，結(jié)合了超聲波反射法與合成孔徑聚焦技術(shù)，提出了一種可以有效增加系統(tǒng)方位向分辨率的混凝土無損檢測方法。

1 超聲反射法檢測原理

超聲波作為一種彈性波，在從一種結(jié)構(gòu)界面向另一種結(jié)構(gòu)界面?zhèn)鞑サ臅r候，會發(fā)生較強的反射。因此，超聲波在混凝土中傳播時，如果遇到因注漿不密實而產(chǎn)生的缺陷，就會被這些缺陷結(jié)構(gòu)反射，產(chǎn)生回波信號。這些回波信號帶有物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特征信息，將其進行處理，就可以得到混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[7-8]。超聲波檢測判別缺陷的基本依據(jù)有聲速變化、能量變化、頻率變化、相位變化等。

超聲波在通過聲阻抗不同的結(jié)構(gòu)界面時，會發(fā)生較強的反射、散射等現(xiàn)象[9]。超聲波在注漿管道內(nèi)進行傳播的過程中，遇到孔隙、空氣泡等缺陷結(jié)構(gòu)時，由于它們的聲學特性與周圍介質(zhì)不完全一樣，聲波就會被這些結(jié)構(gòu)反射、折射或散射，于是接收到的信號的波形就會產(chǎn)生一定程度的畸變。

在超聲波聲場所及的空間內(nèi)的任何一點，都存在著一次聲波(入射聲波)及二次聲波(反射波、折射聲波和波型轉(zhuǎn)換后的橫波)，換能器所接收的信號是一次聲波和二次聲波的疊加。橋梁路面具有單面性，因此用超聲反射法對其進行缺陷檢測，簡單經(jīng)濟。但是，由于換能器的余震、表面波等的干擾，反射波的起跳點不易被識別[10]。本文通過研究反射回波信號的能量對波紋管注漿密實度進行分析。

本文所用的反射法的原理如圖1。發(fā)射和接收換能器都在試件的同側(cè)，并采取一發(fā)一收的模式進行測量。

圖1 超聲波反射法原理及反射波顯示圖

波紋管內(nèi)注漿密實時，接收到的聲波信號主要包括波紋管外表面反射波和試件底面反射波。當波紋管內(nèi)注漿存在缺陷時，除了可以接收到以上兩種波之外，還會存在來自缺陷的反射信號。通過對反射波進行檢測、處理和分析，就可以得到缺陷的相關(guān)信息。注漿飽滿度越差，缺陷反射波越明顯，缺陷反射的回波信號的能量越大。

2 合成孔徑算法

2.1 合成孔徑成像原理

混凝土的結(jié)構(gòu)是一種多孔質(zhì)非均勻復合材料，其結(jié)構(gòu)比較復雜，內(nèi)部存在各種不同的界面。這使得超聲波在其內(nèi)部傳播時，高頻成分衰減較大。同時，在不同界面出現(xiàn)的許多折射、反射現(xiàn)象也使得超聲波在混凝土中的聲波指向性較差[11-12]。因此，提高超聲檢測系統(tǒng)的分辨率在工程上便顯得尤為重要。然而，目前的檢測技術(shù)大多還難以達到工程上的精度要求。

合成孔徑技術(shù)是一種不需要長的接收陣就可以顯著提高方位分辨率的技術(shù)，這一技術(shù)最初是為了改善雷達的角分辨力。合成孔徑超聲成像是自20世紀70年代發(fā)展起來的一種超聲成像技術(shù)，它是由合成孔徑雷達技術(shù)(SAR)發(fā)展來的。該方法的好處是可以應(yīng)用小孔徑的換能器以及比較低的工作頻率，來獲得方位向的高分辨率[13-14]。目前，合成孔徑超聲成像已廣泛應(yīng)用于水下探測等領(lǐng)域，合成孔徑聲納技術(shù)已經(jīng)較為成熟。

合成孔徑成像是把換能器陣列分為若干個發(fā)射或接收單元，各單元依次發(fā)射或接收信號，并將各接收單元得到的信號進行適當?shù)难訒r后疊加，最終得到目標點的聚焦圖像[15]，如圖2所示。

圖2 合成孔徑技術(shù)原理

換能器發(fā)射的波束都有一定的擴散角。假設(shè)有一個小孔徑換能器，以下稱為基元換能器，其孔徑大小為d，沿水平方向移動，如圖3所示?；獡Q能器的半功率點波束角β0.5為

(1)

式中λ為超聲波長。設(shè)點目標P到基元換能器移動軌跡垂直距離為R，則基元換能器輻射聲波在方位向的照射區(qū)域如圖3所示。

圖3 合成孔徑綜合長度示意圖

基元換能器在a到b之間時，P點在聲波輻射區(qū)，這一段長度稱為合成孔徑最大綜合長度，即

(2)

在合成孔徑技術(shù)中，各個等效基元是依順序發(fā)射并接收信號。因此，各等效基元間的相位差是由發(fā)射到接收的“雙程”距離差引起的。合成孔徑線陣半功率波束角為

(3)

此時，對應(yīng)的合成孔徑的方位分辨率ρ為

(4)

經(jīng)過上面的推導，得出合成孔徑的方位向分辨率為d/2，是個常數(shù)，與目標物至換能器的距離無關(guān)?；獡Q能器孔徑d越小，方位向分辨率越高。而且，使用小孔徑換能器有更好的近場適用性。由此可見，這一技術(shù)利用動態(tài)聚焦的技術(shù)，可以節(jié)約成本并有效地提高系統(tǒng)的方位向分辨率。

2.2 合成孔徑聚焦算法模型

合成孔徑聚焦成像，即每次發(fā)射和接收信號只有一個基元換能器有效[16]。該方法簡單易行，目前應(yīng)用較多。

由于換能器具有一定的擴散角，混凝土模型內(nèi)的每一個缺陷散射信號，都可能被不同位置的換能器接收到。由此可得合成孔徑聚焦成像簡化模型如圖4所示。

設(shè)缺陷點P到換能器的距離為rm，則：

(5)

其中，R為缺陷點P到換能器的垂直距離，dm為基元換能器到點P的橫向垂直距離。

距離rm隨著dm的變化呈拋物線型。P點的回波到基元換能器m的時間tm也相應(yīng)變化：

(6)

其中vc為聲波在被測物體中傳播的平均聲速。

圖4 合成孔徑聚焦模型

于是，將點P的各個回波信號疊加再求平均值，即可得到聚焦后的回波公式：

(7)

式中，s(t-tm)表示第m個孔徑信號中點P的回波，sr(t)就是P點的重建信號。

3 仿真實驗

本實驗采用COMSOL Multiphysics仿真軟件的聲學模塊仿真混凝土超聲探測，在COMSOL聲場模塊下構(gòu)建聲固耦合模型，設(shè)定相應(yīng)的求解域、邊界條件、網(wǎng)格剖分方式、求解器參數(shù)等，通過該軟件處理后，可得到聲波在混凝土中傳播的瞬態(tài)聲場。實驗中，混凝土模型為290 mm×290 mm×400 mm的立方體，在模型中央放置一個直徑90 mm、厚3 mm的圓柱形金屬波紋管，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 混凝土模型

在本實驗中，仿真采用單脈沖激勵方式，激勵信號為一定寬度的方波信號。每個采集點在試件上表面等間距設(shè)置，其間距為1 mm，每次發(fā)射和接收信號的點均為同一個點。圖6為位于所設(shè)缺陷點的正上方的探測點仿真獲得的時域波形。從仿真獲得的波形中可以看出，混凝土結(jié)構(gòu)的復雜性使得所得信號的雜波較多，如果不經(jīng)過任何后期處理，很難準確找出缺陷信號的相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖6 缺陷點正上方的探測點采集的信號

本實驗采用matlab編程實現(xiàn)合成孔徑聚焦算法，對仿真數(shù)據(jù)進行分析處理。無缺陷部位處理前后功率譜密度函數(shù)曲線見圖7，有缺陷部位處理前后功率譜密度函數(shù)曲線見圖8。為了便于觀察，本文截取了功率譜密度函數(shù)幅值在120到140之間波形圖像。從圖7中可以看出，對于無缺陷部位，經(jīng)本文所述的方法處理后，功率譜密度函數(shù)曲線的幅值整體有所下降，這說明在此處回波信號經(jīng)處理后，能量有所減小，即抑制了非缺陷信號；從圖8中可以看出，對于有缺陷部位，處理后功率譜密度函數(shù)曲線的幅值整體有所上升，能量有所增加，即加強了缺陷信號。

圖7 無缺陷部位功率譜密度函數(shù)

圖8 有缺陷部位功率譜密度函數(shù)

圖9為處理后各探測點回波信號能量，從圖中可明顯看出探測點4—7處回波信號能量較強，即該點下方有缺陷，與實際相符。

圖9 處理后各探測點回波信號能量

4 結(jié)論

本文以波紋管的超聲無損檢測為背景，建立了合理的波紋管缺陷檢測模型，分析了應(yīng)用超聲波反射法獲取回波信號并且從能量的角度分析回波信號的可行性。同時，本文采用小孔徑的換能器、較低的工作頻率獲得方位向的高分辨率的合成孔徑聚焦技術(shù)并應(yīng)用到了波紋管檢測領(lǐng)域；利用COMSOL Multiphysics仿真混凝土超聲探測以獲得數(shù)據(jù)，并通過matlab編程實現(xiàn)合成孔徑聚焦算法，對數(shù)據(jù)進行處理。實驗結(jié)果表明，缺陷信息得到了有效放大，即可以在使用較低的頻率和較小孔徑的換能器的情況下有效地提高了系統(tǒng)的方位分辨率。

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