混凝土超聲波衰減成像中兩種聲場(chǎng)特性的實(shí)驗(yàn)研究

董清華, 彭土有

(1. 五邑大學(xué) 土木系，廣東 江門 529020； 2. 江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息技術(shù)系，江門 529000)

超聲波已經(jīng)在混凝土構(gòu)件與混凝土灌注樁的無損檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。在混凝土超聲波檢測(cè)中，常用的對(duì)測(cè)法與斜測(cè)法[4]得到的是一維超聲波檢測(cè)曲線，根據(jù)此曲線很難判斷缺陷體的準(zhǔn)確位置與形態(tài)；而用混凝土超聲波成像技術(shù)得到的是整個(gè)檢測(cè)斷面的二維圖像，據(jù)此圖像可直觀看出異常體的位置與形態(tài)，且具有較高的檢測(cè)精度[5]。目前混凝土超聲波成像中多為速度成像[6-7]，但大量的檢測(cè)實(shí)例表明：超聲波在穿過混凝土內(nèi)部裂縫、蜂窩等缺陷時(shí)，波幅的異常比速度的異常更為明顯[8-10]，這表明用波幅衰減系數(shù)進(jìn)行成像會(huì)有更好的效果。用于混凝土檢測(cè)的超聲波儀器配有兩種換能器，一種是平面換能器，另一種為徑向換能器，分別用于檢測(cè)混凝土構(gòu)件與混凝土灌注樁。在一般的混凝土超聲波檢測(cè)中，幾乎感覺不到這兩種換能器的檢測(cè)結(jié)果有什么差異，但在混凝土超聲波衰減成像中卻有著明顯的不同。本文將通過對(duì)預(yù)制混凝土模型的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果來研究兩種換能器產(chǎn)生超聲波場(chǎng)的差異，并對(duì)兩者超聲波衰減成像效果進(jìn)行分析。

1 混凝土中超聲波場(chǎng)衰減特性分析

為了研究超聲波在混凝土中傳播時(shí)速度與波幅的衰減規(guī)律，預(yù)制了如圖1(a)所示的臺(tái)階形混凝土模型，尺寸如圖1(b)所示，厚度0.2 m。該模型所用石子粒徑為20～30 mm，砂子細(xì)度模數(shù)為2.7，普通硅酸鹽水泥，混凝土強(qiáng)度C20，齡期為40天以上。

圖1 預(yù)制臺(tái)階形混凝土模型

沿圖1(b)模型左邊與右邊等距布點(diǎn)，采用對(duì)測(cè)法進(jìn)行觀測(cè)，點(diǎn)距為0.2 m，共5個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)距自下而上依次為0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m與1.0 m，觀測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 聲速與波幅的衰減

由圖2可知：隨著測(cè)距的增大，聲速變化較小，波幅衰減較大。距離從0.2 m到1.0 m，聲速基本按線性減小，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)從4 219 m/s降為4 098 m/s，減小了約2.9%，每米減小量151.25 m/s；波幅的衰減若也按線性來近似，從90 dB降為71 dB，衰減了約21.1%，每米衰減23.75 dB。可知隨著超聲波傳播距離的增加，波幅的衰減要快得多，這充分說明混凝土是由石子、砂子、水泥等多種材料制成的一種復(fù)合體，其內(nèi)部又富含空隙，對(duì)超聲波的散射與吸收很強(qiáng)，使其能量衰減很快[11]。

2 兩種換能器的波場(chǎng)特性的實(shí)驗(yàn)分析

2.1 預(yù)制的混凝土模型

為了研究平面換能器與徑向換能器所產(chǎn)生的波場(chǎng)在混凝土超聲波衰減成像中的差異，預(yù)制了2個(gè)無缺陷的混凝土模型(見圖3)，分別用于平面換能器和徑向換能器的波場(chǎng)特性實(shí)驗(yàn)。

圖3 預(yù)制無缺陷混凝土模型

矩形模型(見圖3(a))長0.8 m，寬0.6 m，厚0.2 m；灌注樁模型(見圖3(b))樁長度1.2 m，直徑0.9 m，設(shè)兩根無縫不銹鋼超聲測(cè)管，兩管邊緣距離0.7 m。兩模型混凝土強(qiáng)度均為C20，所用材料同前述臺(tái)階形混凝土模型。

2.2 平面換能器的波場(chǎng)特性分析

超聲波衰減成像一般取方形成像區(qū)域，這樣既可減小由于觀測(cè)傾角的增大對(duì)波幅數(shù)據(jù)的影響，又可保證成像方程組不是過于欠定[12]，過于欠定會(huì)由于數(shù)據(jù)量的嚴(yán)重不足而導(dǎo)致成像計(jì)算失敗。圖3(a)模型成像區(qū)宜取0.6 m×0.6 m的正方形成像單元，單元邊長0.05 m，左側(cè)布置超聲波發(fā)射點(diǎn)，右側(cè)布置接收點(diǎn)，點(diǎn)距為0.05 m，如圖4所示。

圖4 成像區(qū)及單元剖分示意圖

對(duì)超聲波成像要進(jìn)行扇形觀測(cè)，即圖4中左側(cè)下第一個(gè)發(fā)射點(diǎn)發(fā)射超聲波，右側(cè)所有接收點(diǎn)均接收，可知對(duì)方形成像區(qū)域成像觀測(cè)的最大傾角為45°，觀測(cè)時(shí)各測(cè)點(diǎn)均需打磨處理，用凡士林作耦合劑，觀測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 平面換能器聲速與波幅的變化

由圖5可知：隨著觀測(cè)傾斜角與測(cè)距的增大，速度雖然小有波動(dòng)，但總體變化不大，基本平穩(wěn)；而波幅的衰減明顯大很多，并存在有突變點(diǎn)，這說明波幅數(shù)據(jù)觀測(cè)誤差可能較大。

2.3 徑向換能器的波場(chǎng)特性分析

對(duì)圖3(b)灌注樁模型觀測(cè)時(shí)需在超聲測(cè)管內(nèi)注滿清水。成像區(qū)取0.7 m×0.7 m方形，取邊長為0.05 m的正方形單元，左側(cè)超聲管內(nèi)布置發(fā)射點(diǎn)，右側(cè)管內(nèi)為接收點(diǎn)，點(diǎn)距均為0.05 m，左側(cè)最下發(fā)射點(diǎn)發(fā)射，右側(cè)所有接收點(diǎn)均接收，觀測(cè)模式見圖4，觀測(cè)結(jié)果如圖6所示

從圖6可知：隨著觀測(cè)傾斜角與測(cè)距的增大，速度變化基本平穩(wěn)，但波幅依次減小。與圖5平面換能器觀測(cè)結(jié)果相比，波幅減小較平穩(wěn)，且沒有明顯的突變點(diǎn)。

圖6 徑向換能器聲速與波幅的變化

2.4 兩種換能器波場(chǎng)特性比較

以上分析可知，波幅減小的原因有二：一為由于觀測(cè)距離的增大引起波幅的衰減；二為波場(chǎng)本身的輻射特性。若將由于距離的增大引起的波幅衰減按圖1觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償，即按每米衰減約23.75 dB補(bǔ)償,可得補(bǔ)償后的波場(chǎng)輻射模式如圖7所示。

圖7 距離補(bǔ)償后兩換能器波場(chǎng)輻射模式

由圖7可知：隨著觀測(cè)傾角的增大，徑向換能器波幅緩慢單調(diào)減小且變化平穩(wěn)，從125.14 dB降到114.39 dB，衰減了8.6%；平面換能器所測(cè)波幅總體也減小，其數(shù)值從61.45 dB降到43.92 dB，衰減了28.5%，且存在突變點(diǎn)。由此可知：隨著觀測(cè)傾角的增大，平面換能器波幅的減小比徑向換能器要大得多，突變點(diǎn)有可能是觀測(cè)誤差所引起，也有可能是波場(chǎng)本身的不穩(wěn)定。突變點(diǎn)的存在必將影響衰減成像的效果。

3 兩種換能器衰減成像結(jié)果比較

為了比較兩種換能器衰減成像效果，預(yù)制了一個(gè)有蜂窩缺陷體的混凝土構(gòu)件模型與一個(gè)灌注樁模型，模型外形尺寸與圖3相同，在其內(nèi)部中間各有一個(gè)0.2 m×0.2 m×0.2 m的砂漿塊，以模擬蜂窩缺陷體。混凝土強(qiáng)度C20、所用材料與圖1中臺(tái)階形混凝土模型相同。按圖4觀測(cè)模式，對(duì)每一個(gè)發(fā)射點(diǎn)發(fā)射超聲波時(shí)，所有接收點(diǎn)都接收，將所有發(fā)射點(diǎn)發(fā)射完畢，就完成了超聲波衰減成像的觀測(cè)。最后將接收波幅數(shù)據(jù)輸入成像軟件進(jìn)行計(jì)算，可得衰減成像。圖8為Tikhonov正則化算法衰減成像結(jié)果[13]。

由圖8可知，兩種換能器對(duì)缺陷體均有反映，徑向換能器觀測(cè)數(shù)據(jù)成像結(jié)果清晰表示出缺陷輪廓，且圖面較整潔；而平面換能器觀測(cè)數(shù)據(jù)成像誤差較大，虛假異常較多，容易造成誤判，尤其是在實(shí)際工程檢測(cè)中。

圖8 兩種換能器衰減成像結(jié)果

4 結(jié)論

本文實(shí)驗(yàn)研究可得出如下結(jié)論：(1)在混凝土超聲波成像觀測(cè)中，隨著觀測(cè)傾角與測(cè)距的增大，波速變化較小，波幅衰減較大；(2)隨著觀測(cè)傾角的增大，徑向換能器所測(cè)波幅單調(diào)緩慢較小，平面換能器所測(cè)波幅減小較快、變化較不規(guī)則、存在有突變點(diǎn)，這必將影響衰減成像的效果；(3)在實(shí)際工程檢測(cè)中，如用徑向換能器觀測(cè)，其波幅數(shù)據(jù)可進(jìn)行衰減成像，如用平面換能器觀測(cè)，其衰減成像誤差則較大。

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