混凝土缺陷超聲橫波三維成像法探測精度影響因素的研究

朱燕梅，范泯進，沙 椿

(四川中水成勘院工程勘察有限責任公司，四川 成都 610072)

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混凝土缺陷超聲橫波三維成像法探測精度影響因素的研究

朱燕梅，范泯進，沙 椿

(四川中水成勘院工程勘察有限責任公司，四川 成都 610072)

超聲橫波三維成像法應用于探測水工混凝土缺陷在國內(nèi)尚處于初步階段。以MIRA超聲橫波三維成像儀為基礎，通過解析其探測原理，并結合試驗研究超聲橫波波速和頻率對其探測成像深度以及對鋼筋、細小異常體識別精度的影響。結果表明，當計算波速與實際波速相差10%以上時，對缺陷成像深度會出現(xiàn)較大偏差；而不同的探測頻率對于不同埋深和尺寸缺陷的識別能力差別較大，需現(xiàn)場預估和試驗以確定合適的頻率。此外，給出了采用超聲橫波三維成像法探測缺陷時橫波波速測定、探測頻率選取的建議，為該技術的工程應用提供參考。

超聲橫波三維成像;混凝土;缺陷;檢測

1 引 言

超聲橫波三維成像法已成為當前國內(nèi)外無損檢測混凝土缺陷的前沿技術。該技術以超聲橫波的反射理論為基礎，結合無需耦合劑的多觸點干式檢波器、“合成孔徑聚焦技術”(SAFT,Synthetic Aperture Focusing Technique)和三維層析成像技術，能對混凝土內(nèi)部缺陷埋深和形態(tài)特征精確成像[1,2](圖1)。當前國內(nèi)僅少數(shù)幾家單位開展對該技術的研究工作，實際工程應用也處在初步階段。本文通過采用先進的MIRA超聲橫波三維成像儀(圖2)探測混凝土內(nèi)鋼筋和缺陷情況的試驗研究，探討波速、頻率對超聲橫波三維成像檢測結果的影響，為該技術工程應用提供參考*Low-Frequency Ultrasonic Tomographer Operation Manual[M],Evanston,GERMAN INSTRUMENTS,Inc.，2015.。

圖1 超聲橫波三維成像法檢測成果展示Fig.1 Display of the detecting results of ultrasonic S-wave 3D imaging method

圖2 MIRA超聲橫波三維成像儀與三維檢測成像展示Fig.2 Display of the detecting results of MIRA S-wave 3D imaging instrument

2 波速的影響

2.1 SAFT原理

超聲橫波三維成像法采用48道干式點接觸傳感器“發(fā)射-接收”信號，以“合成孔徑聚焦技術”(SAFT)作為信號的主要處理方法。在聲學射線反射模型中超聲波傳感器作為點相位發(fā)射信號，信號呈錐形向混凝土內(nèi)部傳播，錐形的角度取決于傳感器的直徑和焦距。當傳感器下方混凝土內(nèi)存在缺陷時，信號將會在缺陷表面形成反射波，通過分析反射波旅行路徑和時間即可推斷出缺陷埋深。然而大孔徑的傳感器制造復雜、使用不便，故研發(fā)生產(chǎn)了使用多道小尺寸傳感器以陣列方式排布的傳感器“天線陣列”。然而“天線陣列”中傳感器排布存在偏移距，所采集的波形存在相位移動，導致缺陷成像扭曲(圖3)，解決這一問題就需要采用合成孔徑聚焦技術[3-9]。

如圖4所示，如果“天線陣列”中第1個傳感器與缺陷距離為d1(mm),而與天線陣列缺陷正上方距離為L1(mm)，當天線陣列與缺陷的垂直距離為h(mm)時，三者關系為

(1)

則第n個傳感器距離dn(mm)為

(2)

超聲橫波在被測混凝土內(nèi)傳播速度為v(m/s),則每個檢波器收到信號的傳播時間tn(μs)與距離Ln(mm)關系為：

(3)

通過對不同傳感器采集的信號分別加以延時，并進行疊加凸顯異常反射，即可重建缺陷埋深和形態(tài)，這便是SAFT的基本原理(圖5)。其中，混凝土波速v將直接影響信號合成“聚焦”位置和缺陷重建時的深度。

圖3 缺陷探測成像扭曲示意圖Fig.3 Schematic diagram of the imaging distortion of detecting defects

圖4 天線陣列缺陷探測原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of detecting defects of antenna array

圖5 信號合成孔徑聚焦處理示意圖Fig.5 The processing schematic diagram of signal synthetic aperture focusing(SAFT)

2.2 試驗研究

通過采用MIRA(據(jù)儀器廠家解釋，“MIRA”主要定義為特定儀器名稱。儀器全稱為“ultrasonic low-fraquency tomograph A1040 MIRA”。一般均用簡寫，未將“MIRA”含義展開使用。)超聲橫波三維成像儀，分別以1 600 m/s、2 000 m/s、2 200 m/s、2 400 m/s和3 000 m/s預設波速對某水電站混凝土面板厚度及鋼筋埋設情況進行探測，其中2 400 m/s為該部位混凝土超聲橫波實際波速。混凝土面板設計厚度450 mm，內(nèi)部采用雙層鋼筋設計，鋼筋埋深分別為5 cm和20 cm，鋼筋直徑為25 mm。

圖6為不同預設波速探測成像剖面圖，圖中無異常區(qū)域為深藍色，以黃色表示輕微異常、紅色表示強烈異常(如缺陷、鋼筋或面板自由界面等)。當以小于混凝土實際波速的1 600 m/s和2 000 m/s作為預設波速進行探測時，剖面成像圖中鋼筋和界面反射極不明顯，難以識別出有效信息。

當以2 200 m/s預設波速進行探測時(圖7)，在50 mm深度位置出現(xiàn)輕微鋼筋反應；在埋深200 mm處圖像右側鋼筋以明顯紅色圓形強反應出現(xiàn)，但中部和左側兩處反應均十分微弱；而在370 mm深度時，再次出現(xiàn)輕微圓形狀異常，從該異常形態(tài)難以確定其為鋼筋或是面板底部臨空面。當以該部位混凝土橫波實際傳播速度2 400 m/s進行探測時，可以從剖面成像圖中清晰識別出深度50 mm處圓形狀鋼筋，以及在深度250 mm處圖像右側間距約為100 mm的兩處鋼筋；此外，在深度450 mm處，剖面圖像中出現(xiàn)條狀較強烈異常反應，通過參照設計面板厚度可以確定該處即為面板底部反應。

在以3 000 m/s預設波速進行探測時(圖7)，剖面圖像中在深度300 mm和540 mm處出現(xiàn)強烈異常反應。然而由于預設波速較大，上面兩處深度強異常所分別代表的鋼筋和面板底部位置均較實際大幅增加。此外，混凝土內(nèi)埋設50mm處的鋼筋在圖像中已無法準確“聚焦”顯示。

圖6 超聲橫波預設波速探測成像Fig.6 The imaging pictures of ultrasonic shear wave to presuppose the wave velocity detection

圖7 超聲橫波預設波速探測成像圖Fig.7 The imaging pictures of ultrasonic shear wave to presuppose the wave velocity detection

因此，在混凝土超聲橫波三維成像檢測中，當設定波速低于或超過實際波速10%后將嚴重影響成像準確度。在實際工程檢測時可在檢測部位臨近的完整混凝土區(qū)域進行多次波速值測定，并采用其平均值；此外，雖然超聲橫波三維成像儀采用的干式點接觸傳感器無需耦合劑即可與測試混凝土表明接觸良好，但在波速測定和缺陷探測時應去除混凝土表面附著物(如塵土、膠質(zhì)保護層以及混凝土析出物等松散層)，以免對測試結果產(chǎn)生影響。

3 頻率的影響

3.1 超聲橫波的衰減

超聲橫波在混凝土內(nèi)部傳播過程中因散射和黏滯作用影響，其強度會存在不同程度的衰減；一般而言混凝土內(nèi)部骨料越不均勻、傳播距離越大，這種衰減越明顯。超聲橫波檢測主要基于聲波反射法理論，需要通過獲取反射波信號來確定缺陷狀態(tài)，如果超聲橫波在混凝土中衰減過大、過快，就難以到達缺陷位置并通過反射帶回有效信息。

超聲橫波在混凝土內(nèi)衰減情況可簡單表示為

N=N0e-Q L

(4)

其中，Q為混凝土衰減系數(shù)(dB/mm)；L為超聲橫波傳播路徑長度(mm)；N為超聲橫波在混凝土內(nèi)經(jīng)傳播路徑L后的強度(dB)；N0為超聲橫波發(fā)射初始強度(dB)。

而衰減系數(shù)Q與入射超聲橫波頻率直接相關，其關系為

Q=b·f

(5)

其中，b為相關系數(shù)，單位：dB/(Hz·mm)，f為入射超聲波頻率(Hz)。

上式表明，當檢測同種混凝土時，入射超聲橫波頻率越大，其在混凝土傳播衰減越明顯，穿透能力越低；而頻率越低時，超聲橫波傳播衰減越小，穿透能力越強。

此外大量研究表明，不同頻率的超聲波對不同尺寸的缺陷探測精度存在較大差異。采用超聲波頻率越高，能探測的缺陷尺寸越??；而頻率越低時，對小尺寸缺陷探測能力越低。當采用超聲波頻率與缺陷尺寸滿足下式時探測反應越明顯，即

(6)

其中，S為鋼筋或缺陷尺寸(m)；f為入射超聲波頻率(Hz)；v為超聲波波速(m/s)；

3.2 試驗研究

MIRA超聲橫波三維成像儀“天線陣列”中采用48道可調(diào)制頻率范圍為25～80 kHz的點式壓電傳感器。通過采用不同頻率的超聲橫波對某水電站大壩混凝土內(nèi)埋設鋼筋進行探測，分析其對成像結果的影響。其中，混凝土內(nèi)埋設鋼筋直徑為25 mm，深度200 mm，排布間距100 mm。

1)在圖8中當探測頻率為25 kHz和30 kHz時，在剖面成像圖中于埋深200 mm位置存在4處清晰的“圓形狀”鋼筋反應，并顯示其間距約為50～100 mm。但在兩幅成像圖中，第三根鋼筋圖像形態(tài)呈現(xiàn)“扁圓”狀，寬度約是其余3根的兩倍。

圖8 25～40 kHz頻率超聲橫波探測剖面成像Fig.8 The sectional imaging pictures of ultrasonic shear wave detecion on frequency 25～40 kHz

在采用頻率為35 kHz、40 kHz探測時，剖面成像圖中兩種頻率均能準確探測鋼筋深度，但鋼筋“圓形”尺寸均較之前兩幅成像圖小；特別是第3根鋼筋，其形態(tài)已從“扁圓”過渡到“圓形帶拖尾”狀。此外，于鋼筋層上方出現(xiàn)明顯細小尺寸異常，表明系統(tǒng)“聚焦”異常尺寸隨頻率增大而變小。

2)在圖9中，當探測頻率為45 kHz、50 kHz時的剖面成像圖顯示鋼筋顯示尺寸更小，鋼筋間距更加分明，并且在圖8中寬度較大的第3根鋼筋，也已與其余鋼筋寬度基本一致，特別在45 kHz成像圖中明顯分離成為兩處強反應。從中可以得出，當探測采用的超聲橫波頻率較小時，小于其識別尺寸精度的異常無法準確區(qū)分。隨著檢測頻率提高到55 kHz、60 kHz，成像圖中鋼筋圖像開始扭曲，鋼筋層上、下方的小尺寸異常逐漸增多、增強。表明系統(tǒng)對小尺寸異常的“聚焦”能力在增強，而對直徑為25 mm的鋼筋的“聚焦”能力卻在減弱。

3)隨著探測頻率提高到65～80kHz，超聲波衰減逐漸增大，圖10中所示鋼筋圖形也愈加扭曲。當采用70 kHz時，剖面成像圖已基本不能準確識別出4根鋼筋形狀和其排布間距；在80 kHz頻率時，成像圖中200 mm埋深處的鋼筋反應已十分微弱。此外，在頻率從65 kHz逐漸提高80 kHz時，鋼筋層上方的小尺寸異常強度并未繼續(xù)增強，而呈減弱態(tài)勢。說明隨著探測頻率增大，雖然對小尺寸異常的識別能力在增強，但由于混凝土對超聲波的衰減劇增，反而會導致小尺寸異常的反應減弱。

因此在采用超聲橫波三維成像對混凝土內(nèi)部鋼筋或缺陷探測時，有必要對混凝土內(nèi)部結構和探測目標的可能埋深、尺寸進行預估，并選定合適頻率的超聲橫波進行探測；此外，可采用不同頻率進行多次探測以識別不同尺寸、不同埋深的異常目標。

圖9 45～60 kHz頻率超聲橫波探測剖面成像Fig.9 The sectional imaging pictures of ultrasonic shear wave detecion on frequency 45～60 kHz

圖10 65～80 kHz頻率超聲橫波探測剖面成像Fig.10 The sectional imaging pictures of ultrasonic shear wave detecion on frequency 65～80 kHz

4 結 語

超聲橫波三維成像法是一種新型的混凝土內(nèi)部缺陷無損檢測技術，其不受電磁屏蔽影響、抗干擾性強，探測結果直觀、形象。在工程應用中，為實現(xiàn)對異常體的尺寸和形態(tài)準確成像，應重視預設波速和探測頻率的影響。當計算波速小于或大于實際波速10%時，不僅可能導致對缺陷無法“聚焦”，對缺陷的成像深度也會出現(xiàn)較大偏差；實際工作時應在作業(yè)現(xiàn)場對混凝土橫波速度多次測試，并采用其平均值。此外，不同的探測頻率對于不同埋深和尺寸缺陷的識別能力差別較大，現(xiàn)場工作前應通過預估和試驗的方式確定合適的探測頻率。

[1]KrauseM,ChintaPK,MayerK,et al. NDTof Structural Timber Members by Meansof 3D Ultrasonic Imaging Techniques and Modelling[J]. Rilem Bookseries,2013,6:31-36.

[2]V N Kozlov,A A Samokrutov,V G Shevaldykin. Thickness Measurements and Flaw Detection in Concrete Using Ultrasonic Echo Method[J]. Nondestructive Testing & Evaluation,1997,13(2): 73-84.

[3]Corl P D,Kino G S,Desilets C S,et al. A Digital Synthetic Focus Acoustic Imaging System[M]. New York: Springer US,1980.

[4]程繼隆.超聲相控陣檢測關鍵技術的研究[D].南京：南京航空航天大學,2010.

[5]王鄧志,羅斌,羅宏建.合成孔徑聚焦超聲成像系統(tǒng)研究[J].東北電力技術,2002(12):42-44.

[6]Mayer K,Chinta P K,Langenberg K J,et al. Ultrasonic Imaging of Defects in Known Anisotropic and Inhomogeneous Structures with Fast Synthetic Aperture Methods[J]. Rokkodai Ronshu,1991,38:81-92.

[7]申永利,孫永波.基于超聲波CT技術的混凝土內(nèi)部缺陷探測[J].工程地球物理學報,2013,10(4):560-565.

[8]Maurer A,Strauss M,De Odorico W,et al. Method and circuit arrangement for disturbance-free examination of objects by means of ultrasonic waves[P]. US7581444B2,2009.

[9]謝春,黃永進,唐堅.快速掃描算法在超聲波層析中的應用[J].工程地球物理學報,2015,12(1):89-95.

The Study on Accuracy Effects of Ultrasonic S-wave 3D Imaging Method to Detect Defects of Concrete

Zhu Yanmei，F(xiàn)an Minjin，Sha Chun

(SichuanHydropowerEngineeringInvestigationCo.,Ltd.,ChengduSichuan610072,China)

The application of ultrasonic S-wave 3D imaging method to detect the defects of hydraulic concrete is still in the primary stage in China. This paper,based on the MIRA S-wave 3D imaging instrument,through the analysis of the detection principle,combined with the experimental study on the velocity and frequency of ultrasonic wave detects,its imaging depth and its effect of identification occuracy on steelsand tiny abnormity body. The results show that the depth of defect imaging will appear larger deviation,when the difference between calculative wave velocity and the actual is up to 10% or more. We need to estimate and test on the spot to determine the appropriate frequency for the difference of detection frequencies has larger difference in recognition capacity between different embedding depth and defect size. In addition,this paper gives some suggestions on adopting S-wave 3D imaging method to detect the measure of shear wave velocity when defects exist and how to choose the frequency which provides reference for the technology of engineering application.

ultrasonic S-wave 3D imaging; concrete; defect; detection

1672—7940(2016)06—0739—07

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.06.009

朱燕梅(1980-)，女，工程師，主要從事水電水利工程物探勘測及檢測方法技術研究與應用工作。E-mail: 550581819@qq.com

P631.5

A

2016-03-21