基于超聲波透射法對樁基檢測的應用研究

重慶交通大學 400074

摘要：超聲波透射法樁基檢測是利用超聲波在混凝土傳播過程中聲學參數和波形產生的變化，對樁身缺陷的位置、范圍、程度及力學性質進行推斷和表征的基樁測試方法。本文通過分析超聲波在混凝土中的傳播特點，了解頻譜泄露產生的原因以及在不同窗函數下的頻譜形狀，確認此次實驗中所采用的窗函數。接著分別模擬不同截面固定長度的樁進行試驗，通過計算分析，確認頻譜圖低頻部分的值的意義。然后通過斜測法對樁基進行聲波檢測，得出在樁基內無缺陷情況下，除頂部底部的面部效應，所得頻譜圖都是反應出聲波在該接收器水平面內的傳播規律。最后模擬樁內部存在缺陷，在不同位置不同大小來比較頻譜圖差異，實驗所得精度均滿足在誤差范圍內。

關鍵詞：超聲波檢測；頻譜泄露；窗函數；低頻頻率；斜測法

1.前言

混凝土灌注樁易出現各種各樣的質量問題，如何測定缺陷的位置，并準確地對其進行評價成為基樁質量檢測的一個核心問題[1]。超聲波檢測法在灌注樁檢測中具有絕對的優勢。本文說明了頻譜分析中頻譜泄露產生的原因以及不同窗函數下頻譜分析的特點，確定使用的窗函數。在應用研究方面，分析了完整樁聲波檢測得到頻譜圖低頻頻率意義，對樁進行斜測，分析不同接收點數據的意義，最后進行不同缺陷大小、位置的檢測[2]。

2.基樁缺陷的超聲波透射法檢測

當超聲波經混凝土傳播后，它將攜帶有關混凝土材料性質、內部結構與組成的信息，準確測定超聲波經混凝土傳播后各種聲學參數的量值及變化，就可以推斷混凝土的性能、內部結構與組成情況。當混凝土無缺陷時，混凝土是連續體，超聲波在其中正常傳播。但當混凝土存在缺陷時，混凝土連續性中斷，缺陷區與混凝土之間成為界面（空氣與混凝土）。在界面上，超聲波傳播情況發生變化，發生反射、散射和繞射。

基樁的超聲波透射法檢測需要分析和處理的主要聲學參數是聲速、波幅、主頻，同時要注意對實測波形的觀察和記錄。如何在這些數據的基礎上，對樁的完整性、連續性、強度等級等做出判斷，是超聲法檢測的關鍵。此次采用聲場陰影區重疊法。

3.頻譜泄露與窗函數

對被測信號進行快速傅立葉變換，就要對時域信號進行截斷，截斷會使譜分析精度受到影響。也就是說，當信號周期為，采樣周期為，數據窗內采樣點數為整數N時，必須滿足（3-1）式

（3-1）

非整周期截取數據，則會產生頻譜泄漏影響測量結果。采取簡單的措施很難使數據窗記錄的是整數個周期。當（3-1）式不成立時，由此卷積得到的FFT頻譜與信號的真實頻譜存在誤差，產生泄露失真。目前主要使用加窗來減少誤差。

下面采用矩形窗、漢寧窗、布萊克曼窗做matlab仿真[10]，分析窗函數的選擇問題。

設待分析連續信號為 x（t）=cos（2πft），其中 f=100 Hz，設采樣頻率 fs= 600 Hz采樣長度分別為 32。利用 Matlab 軟件加矩形窗、漢寧窗和布萊克曼窗可以得到如圖3-1所示的仿真結果。

圖3-1不同加窗處理方式頻域圖

總結三種不同加窗的特點

（1）矩形窗主頻精度最高，而且寬度最窄，但是頻譜泄露最為嚴重。

（2）漢寧窗主瓣高度明顯降低，但是寬度變寬，頻譜泄露減小。

（3）布萊克曼窗主瓣精度最低，并且主瓣寬度最寬，但是幾乎沒有了頻譜泄露。

4.應用實例

4.1完整樁的數值模擬

4.1.1波速驗證

分別模擬截面為，長度為2m的樁。材料性質彈性模量為EX=MPa，密度為，泊松比為，30KHZ正弦激勵波，采用常規對測接收，A為點發射，B為點接收。

圖4-1 完整樁結構圖

接受波低頻部分有一個最高的凸起，為了分析其意義。首先從得到接收波和發射波首波峰值對應時間的差值作為初至時間，為，計算得到的波速。

聲波在樁中傳播速度公式為：

（4-2）

混凝土灌注樁材料參數代入公式（4-2）得到理論波速為4.49km/h，

誤差滿足精度要求。

所有數據列入表中

表4-1 不同截面樁計算值

截面形狀計算速度（km/s）精度（%）

4.56

4.46

4.431.6

0.1

1.3

所得精度滿足在誤差范圍內，所以說明可以選擇頻譜圖來進行低頻峰值驗證。

4.1.2振諧法分析

設計五種不同截面尺寸的完整樁來做聲波檢測，分析低頻值。完整樁材料參數同上，橫截面為邊長是的正方形。發射30KHZ正弦激勵波。在樁距離頂部1m設置常規對測接收，讀出低頻部分的最大幅值及對應頻率，列入表4-2

表4-2 不同樁徑低頻幅值

樁徑（m）頻率（Hz）幅值（）

0.40

0.48

0.60

0.72

0.805641

4863

3696

3307

31133.875

3.293

1.963

1.821

1.650

低頻部分的峰值究竟有什么意義，現考慮低頻值是否表示聲波在樁中橫向傳播的頻率。由公式

（4-3）

得出

（4-4）

將所得到低頻部分峰值所對應頻率值代入公式（4-4），c為理論波速，之前已經計算得出

表4-3 不同樁徑計算值

截面形狀計算樁徑（m）精度（%）

0.72

0.678

0.61

0.46

0.3989.85

5.7

3.80

3.80

0.5

可以得出結論：

低頻部分頻率的峰值反映了聲波在樁中傳播的時間，但是精度會隨著隨著樁徑增大而度有所降低。是因為在傳播過程中由于聲能衰減以及其他外部因素的影響，樁徑越大，影響越大。

4.1.3完整樁斜側法

樁基的聲波檢測分為平測法與斜測法。所謂斜測法就是改變接收點的位置，即接收點與發射點不在同一水平面上。取樁，從樁頂到樁底依次每隔0.1m安裝一個接收器，所得低頻部分峰值頻率，計算樁徑和精度。

分析數據得出：

（1）距樁頂0.5m到1.5m的中間部分樁徑計算值精度滿足在允許誤差范圍內。

（2）在樁的頂部0.1m到0.4m和底部1.6m到1.9m精度超出允許范圍，通過分析這是由于面部效應引起的。

4.2缺陷樁分析

4.2.1缺陷大小、位置檢測

現在討論當樁內部有缺陷時，低頻部分的意義。模型為混凝土灌注樁，橫截面為邊長是0.8m的正方形，樁長L=2m，在樁內部中心處分別設置邊長為0.12m，0.2m，0.32m，0.4m的正方形，厚度為0.05m的缺陷，參數同上。給以30Hz正弦激勵波。

分析結果得出：

（1）缺陷越大，越能檢測出缺陷的存在。

（2）當精度計算不能顯示出缺陷存在，這是由于缺陷較小無法測出來，可以忽略不計。

現在移動缺陷的位置，之前缺陷離接收點的距離為0.3m，現選取離接收點分別為0.1m與0.6m，缺陷位置不同對應低頻部分最高點的頻率和計算出的樁徑及精度。

分析數據得出：

（1）缺陷較小的時候，若靠近接收點和發射點，能夠通過計算判斷出缺陷存在；而缺陷位置位于樁的中間部分不容易看出有缺陷存在。

（2）缺陷較大的時候不管缺陷位于什么地方都能清楚的測量出來。實際測量中由于并不知道缺陷真實的位置，所以只能借此判斷出缺陷的存在，至于缺陷的精確位置還需找到其他方法來判斷。

4.2.2斜測法檢測缺陷位置

到目前所模擬的檢測缺陷均在發射點與接收點的直線上，而缺陷是有具體長寬的。為了獲得缺陷具體形狀大小，采用在完整樁檢測法中使用過的斜測法。

設置大小為的缺陷，缺陷底部距離樁底部的位置為1.1m，每隔0.1m設置一個接收點，從距離樁底0.9m到1.6m每隔0.1m設置一個接收點。

分析結果得出：

（1）在有缺陷的1.1m到1.5m之內精度誤差明顯偏大（大于10%），可以判斷出在此范圍內有缺陷存在。

（2）當改變接收點，所得數據不滿足精度的時候便能反應出缺陷的存在，通過多個面多個點斜測就能判斷出缺陷精確的位置。

5.結論

（1）加窗可以改善頻譜泄露，非金屬材料進行聲波檢測一般加矩形窗效果比較好。

（2）完整樁所得低頻頻率反映了聲波在樁中水平面傳播時間，但樁徑越大所得頻率誤差越大

（3）斜測法的不同接收點所得到的數據差別不大（除面部效應外），都是反映聲波在接收點所在水平面上的傳播規律

（4）缺陷位置能夠通過斜測法測試出來，但缺陷很小的時候不一定能夠檢測出來。

參考文獻：

[1]王雪峰，吳世明.樁基動測技術.北京：科學出版社，2001：8-133

[2]王建華.基樁缺陷與承載力無損檢測的動力學研究：[博士學位論文].天津：天津大學，2002.

[3]Anish K，Thavasimuthu M，Jayakumar T，Kalyanasundarm P.Structural integrity assessment of ring beam of a pressurized heavy water nuclear using impact-echo technique.15th World Confrerence on No-Destructive Testsng，2000.10