混凝土表面開口裂縫對近表面聲波影響

王鵬，韓慶邦，姜學(xué)平，鄭豪，許洲琛

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混凝土表面開口裂縫對近表面聲波影響

王鵬，韓慶邦，姜學(xué)平，鄭豪，許洲琛

(河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇常州，213022)

基于混凝土近表面不同波型的聲速，分析開口裂縫對聲波的影響。有限元仿真結(jié)果表明，激勵源輻射的初始縱波經(jīng)裂縫端點衍射產(chǎn)生縱波-與橫波-，-以一定的角度射向混凝土表面經(jīng)模式轉(zhuǎn)換產(chǎn)生縱波--；初始橫波在裂縫端點衍射產(chǎn)生縱波-與橫波-；初始瑞利波在裂縫端點衍射后除了產(chǎn)生縱波-與橫波-外繼續(xù)沿著固體表面?zhèn)鞑?-)。在此基礎(chǔ)上，基于變型波到達接收陣元的時刻定量檢測裂縫的深度，檢測結(jié)果較單面平測法具有更高的信噪比與檢測精度，可輔助單面平測法更精確地定量檢測混凝土開口裂縫的深度。

無損檢測；開口裂縫；混凝土

0 引言

隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展，對大體積大跨度混凝土構(gòu)建(高速公路、橋梁、壩體)的需求越來越大。這些結(jié)構(gòu)往往體積龐大，要求使用壽命長。而受溫度驟變、自身體積變形、水分蒸發(fā)、不均勻沉陷以及施工條件等的影響，在混凝土表面很容易形成不同深度的裂縫，對建筑物傷害很大。因此有必要對這些裂縫進行檢測，掌握其寬度深度等參數(shù)以判斷裂縫對建筑物的損傷及壽命的影向。超聲法檢測混凝土具有許多其他無損檢測方法所沒有的優(yōu)勢，如穿透性良好、操作方便、價格低廉、檢測精確度高等。超聲檢測混凝土表面開口裂縫深度的常用方法有：(1)單面平測法[1]；(2)鉆孔法；(3)瑞利波法[2-4]。鉆孔法屬破壞性檢測，代價高昂，應(yīng)用有限；基于縱波的單面平測法能準(zhǔn)確地定量檢測混凝土表面開口裂縫的深度，一般最大檢測深度是500 mm；相比體波，瑞利波檢測混凝土表面開口裂縫的優(yōu)勢，主要在于能量更大且不受流體的影響，潛在探測深度更高。

國內(nèi)外學(xué)者在開口裂縫對聲波的影響方面做了很多有價值的研究。Foo Wei Lee[2]等人使用中心能量匹配濾波法(Matched Filtering of Center of Energy，MFCE)確定了瑞利波的到達時刻，能從探頭接收的復(fù)雜信號中有效提取出瑞利波。張在東[3]等人數(shù)值模擬了鋼表面開口斜裂縫對瑞利波的影響，模擬結(jié)果表明瑞利波在到達裂縫處會分成兩個部分，第一部分繞過裂縫尖端，第二部分沿著鋼表面(包括裂縫)傳播。G Hevin[5]等人發(fā)現(xiàn)頻譜比的截止頻率可以判斷裂縫深度，仿真結(jié)果表明判斷裂縫深度誤差率不超過15%。楊洋[6]等人將時間反轉(zhuǎn)法應(yīng)用到檢測混凝土表面開口裂縫深度中，發(fā)現(xiàn)混凝土表面裂縫越深，與表面波波長越接近，重構(gòu)波形與激勵波形差異越大，其損傷指數(shù)越高。Baskaran G[7]等人利用衍射時差法(Time of Flight Diffraction，TOFD)中的變型波(Shear-wave Time of Flight Diffraction，S-TOFD)進行檢測，發(fā)現(xiàn)S-TOFD能夠有效檢測固體近表面的缺陷，增大了檢測區(qū)域，提高了檢測精度。

針對混凝土內(nèi)部聲場復(fù)雜的特點，本文基于混凝土近表面聲波的波速來研究開口裂縫對近表面聲波的影響，并進行有限元仿真驗證。仿真結(jié)果顯示，能清楚地分辨接收陣元接收的聲波類型，判斷它們的傳播路徑。此外，本文利用對裂縫端點處由模式轉(zhuǎn)換衍生的變型波(橫波或縱波)進行裂縫深度定量檢測，發(fā)現(xiàn)變型波法檢測精度高于單面平測法，變型波檢測所用波型的信噪比高于單面平測法所用的波型。另外，變型波檢測可結(jié)合平行掃查[8]，減小衍射點不在兩探頭中線帶來的誤差，大幅度提高了檢測精度。

1 裂縫對表面聲波的影響

混凝土表面上傳播的表面聲波有：縱波、橫波和瑞利波。其中縱波的波速最大，瑞利波波速與橫波波速約為的一半。與的比值跟材料泊松比有很大關(guān)系。當(dāng)混凝土的泊松比=0.33時，瑞利波波速約為橫波的0.93倍。

圖1 混凝土近表面聲波傳播示意圖

根據(jù)混凝土近表面聲波的波速，分析幾何體中聲波的傳播規(guī)律如圖1所示，圖中、、分別表示縱波、橫波及瑞利波；為激勵源，為接收點，為裂紋端點，為裂紋根部；圓圈表示衍射，其中黑色表示衍射縱波，紅色表示衍射橫波。根據(jù)文獻[7]，固體近表面聲波經(jīng)裂縫端點的表現(xiàn)主要有，激勵源輻射的初始縱波在裂縫端點衍射，經(jīng)模式轉(zhuǎn)換產(chǎn)生衍射縱波-與橫波-，到達接收點；相似地，激勵源輻射的初始橫波在裂縫端點衍射，經(jīng)模式轉(zhuǎn)換產(chǎn)生衍射縱波-與橫波-，到達接收點；能量最大的瑞利波在裂縫端點衍射，產(chǎn)生衍射縱波-、橫波-以及繼續(xù)沿著固體表面?zhèn)鞑サ娜鹄?。需要注意的是，如果激勵源與接收點對稱地放置在衍射點的兩邊，-與-到達接收點的時刻相同，兩者疊加在一起。根據(jù)以上分析，可得出各聲波到達接收陣元的聲時為

式(1)～(7)中：表示裂紋的長度；線段表示從點到點的聲程；線段表示從點到接收陣元的聲程；線段表示從點到點的聲程；線段表示從點到接收陣元的聲程。

2 有限元仿真與結(jié)果分析

2.1 有限元建模

宏觀上，混凝土由砂、骨料、水等按一定比例配合攪拌而成，屬各向異性介質(zhì)。而本文從微觀上探究界面處聲波的傳播規(guī)律，僅包括體波與面波，因此可將混凝土簡化為各向同性介質(zhì)。

本文采用有限元算法，仿真二維半無限混凝土界面處聲波的傳播規(guī)律。模型幾何如圖2所示，長寬分別為：600、200 mm，內(nèi)部填充材質(zhì)為混凝土，材料參數(shù)見表1。由表1可知，混凝土中縱波聲速、橫波聲速、瑞利波聲速。網(wǎng)格最大尺寸為1.67 mm；時間步長為4.16×10-8 s；采樣頻率為50 MHz；施加激勵為點聲源。采用一發(fā)多收的方式，200 mm處激發(fā)，400、420、440、460、480 mm處接收，各接收陣元依次記為1、2、3、4、5，所設(shè)裂縫寬度為2 mm，深度分別為20、30、40、50、60、70、80 mm。

圖2 有限元幾何模型

表1 混凝土參數(shù)

現(xiàn)實中，混凝土表面與空氣接觸，由于兩者聲阻抗相差很大，接觸邊界可等效為自由邊界[9]。模型中，上邊界為自由邊界(外部為真空)，裂縫側(cè)壁也為自由邊界，其余邊界均設(shè)置為吸收邊界，防止聲波經(jīng)由邊界反射干擾接收信號。由于近場效應(yīng)，發(fā)射、接收傳感器相距較小時，橫波與瑞利波混在一起難以分辨，文獻[4]指出，發(fā)射、接收傳感器的距離不宜低于150 mm，本文選取200 mm。

2.2 裂縫對混凝土近表面聲波的影響

裂縫深度為40 mm的模型仿真結(jié)果見圖3，從圖3中可清晰地觀察初始激勵縱波，初始激勵橫波，初始瑞利波，衍射縱波-、-、-，衍射橫波-、-、-與瑞利波-的產(chǎn)生和傳播。圖4為1接收的聲波信號，通過觀察聲場的變化，結(jié)合不同波型的聲速可以判定依次到達1的波型分別是：

(1) 初始縱波經(jīng)裂縫端點衍射而產(chǎn)生的縱波-；

(2) 初始縱波經(jīng)裂縫端點衍射產(chǎn)生的橫波，以一定的角度射向混凝土表面經(jīng)模式轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的縱波--；

(3) 初始縱波在裂縫端點衍射產(chǎn)生的橫波-與初始橫縱在裂縫端點衍射產(chǎn)生的縱波-[7]，兩者同時到達接收陣元；

(4) 初始瑞利波沿著混凝土表面?zhèn)鞑サ搅芽p端點，經(jīng)衍射產(chǎn)生的縱波-；

(5) 初始橫波經(jīng)裂縫端點衍射產(chǎn)生的橫波-；

(6) 瑞利波經(jīng)裂縫端點衍射產(chǎn)生的橫波-；

(7) 一直沿著固體表面?zhèn)鞑サ娜鹄?。

圖5是1～5接收的聲波信號，圖中的斜線連接不同陣元接收相應(yīng)聲波的峰值：紅線對應(yīng)的波型為縱波；藍(lán)線對應(yīng)的波型為橫波；黑線對應(yīng)的波型為瑞利波。為了更準(zhǔn)確地判定各聲波的類型，基于各陣元的位置及其接收不同波型波峰的到達時刻，計算不同波型的聲速，結(jié)果縱波的聲速為4 013 m/s；橫波的聲速為2 021 m/s；瑞利波的聲速為1 886 m/s，計算所得速度與材料中不同波型的聲速吻合。

(a)40 μs

(b)63 μs

(c)66 μs

(d)85 μs

圖3 不同時刻的聲場

Fig.3 Ultrasonic fields at different moments

圖4 R1接收的聲波信號

圖5 R1～R5接收的聲波信號

2.3 混凝土表面裂縫的定量檢測

在超聲法檢測混凝土規(guī)程中涉及的單面平測法中，檢測混凝土開口裂縫深度所用的波型是圖4中的-。將不同深度裂縫模型接收到-的聲時代入式(8)可算得裂縫的深度[1]：

式中：為裂縫深度；為到達接收陣元的時刻；為激勵與接收陣元距離的一半。計算結(jié)果如表2和圖6所示。

表2 單面平測法與變型波法檢測裂縫深度值

圖6 單面平測法與變型波法檢測的裂縫深度值

如果激勵源與接收點對稱放置在衍射點兩邊，-與-到達接收點的時刻相同。需要注意的是，如果激勵源與接收點非對稱放置在衍射點兩邊，裂縫深度的計算有誤差?？赏ㄟ^繪制偏離衍射點的水平距離-變型波到達時間函數(shù)曲線，根據(jù)曲線之間的交點來計算衍射點的深度，能有效減小計算誤差[8]。根據(jù)激勵接收點的距離2、工件橫波聲速、縱波聲速，混凝土表面裂縫深度值可由式(9)定量確定：

式中，是接收陣元接收-或者-的時刻。變型波法檢測結(jié)果如表2和圖6所示。

根據(jù)圖6和表2中的數(shù)據(jù)可知，變型波法檢測的裂縫深度誤差小于單面平測法，檢測精度高于單面平測法，原因在于變型波法所用的-波長小于單面平測法所用的-。另外，較單面平測法所用的縱波，變型波的信噪比更高。

3 結(jié)論

本文基于混凝土近表面聲波的波速，分析了開口裂縫對近表面聲波的影響，得出：激勵源輻射的初始縱波經(jīng)過裂縫端點產(chǎn)生衍射縱波-與橫波-；激勵源輻射的初始橫波經(jīng)過裂縫端點產(chǎn)生衍射縱波-與橫波-；-在傳播至接收點的過程中，會以一定的角度射向工件表面，經(jīng)模式轉(zhuǎn)換產(chǎn)生新的縱波--；瑞利波沿固體表面?zhèn)鞑ィ诹芽p端點處衍射產(chǎn)生縱波-、橫波-，隨后瑞利波繼續(xù)沿著固體表面?zhèn)鞑?-)。

基于開口裂縫對近表面聲波的影響，本文根據(jù)變型波-或-到達接收陣元的時刻來定量檢測裂縫深度，變型波的波長小于縱波，因此變型波檢測精度高于單面平測法，變型波檢測所用的-(或-)信噪比也高于單面平測法所用的-。另外，變型波檢測可結(jié)合平行掃查，有效減小衍射點不在兩探頭中線帶來的誤差，大幅度提高檢測精度。

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The influence of surface opening cracks on the sound wave near concrete surface

WANG Peng, HAN Qing-bang, JIANG Xue-ping, ZHENG Hao, XU Zhou-chen

(College of Interhet of Things Engineering, Hohai University, Changzhou 213022, Jiangsu, China)

Based on the velocities of different wave modes near concrete surface, the influences of surface-crack on these wave modes are analyzed. Finite Element Method (FEM) simulation results show that the original longitudinal waveis diffracted at crack tip togenerate longitudinal wave-and transverse wave-, and the latter propagates onto surface with a certain angle of incidence to result in a new longitudinal wave--; the original transverse waveis diffracted at crack tip togenerate longitudinal waveand transverse wave-;the original Rayleigh waveis diffracted at crack tip to generate longitudinal waveand transverse wave-, and continues to propagatealong the solid surface (-). On the basis of the simulation results, the multi-mode wave method by measuring the arrival times of variant waves to receiver can be utilized to measure the depth of surface crack with higher signal-to-noise ratio and more precise resolution compared to the single plane method.

nondestructive testing; surface-crack; concrete

TB556

A

1000-3630(2017)-03-0247-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2017.03.009

2016-12-02;

2017-04-01

國家自然科學(xué)基金資助項目(11274091、11574072)、江蘇省重點研發(fā)計劃(BE2016056)、河海大學(xué)中央高?；痦椖?2011B11014)、河海大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費資助項目(2016B48814)

王鵬(1993－), 男, 江蘇宿遷人, 碩士研究生, 研究方向為通信與信息系統(tǒng)。

韓慶邦, E-mail: hqb0092@163.com