超聲波角測平測的場合轉換成對測聲速的方法

嚴 振 ，童壽興 ，吳 青

（1.通標標準技術服務（上海）有限公司，上海 201319；2.上海同濟檢測技術有限公司，上海 200092）

中國工程建設標準化協會標準《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術規程（T/CECS 02—2020）》[1]經總結實踐經驗，吸收了國內外回彈儀和混凝土超聲波檢測儀的最新成果，結合我國建設工程中混凝土質量檢測的實際需要，且在CECS02：2005 版[2]的基礎上進行了修訂，其中，2020 版的附錄D“超聲角測、平測和聲速計算方法”修正了2005 版中這一章節的錯誤，但其改良的檢測方法相對比較煩瑣，不適應在實際工程中的運用。本文提出的“等效對測法聲速的模擬測距”檢測方法，在需要采用超聲角測、超聲平測法檢測混凝土構件的場合，通過檢測前事先在結構中有代表性部位進行修正試驗獲得的模擬測距，在以后各構件的檢測時超聲儀可用常規的操作步驟得到對測聲速值，且在平測法中其測距無需在每個測區采用“聲時～距離”進行回歸處理；在角測法中無需用勾股定理計算其斜邊測距，極大地減少了現場檢測工作量，提高了工作效率。

1 問題的提出

1.1 超聲波的聲速

超聲波的聲速計算公式：V=L/T。

式中：V-超聲波聲速，km/s；T-聲時，μs；L-測距，mm。

1.2 混凝土超聲波的測點布置方式

（1）對測法檢測：采用厚度振動式換能器，兩換能器的輻射端面平行。將一對發射T、接收R 換能器，分別耦合于被測構件相互平行的兩個表面，且兩個換能器的軸線位于同一直線上。該方法適用于具有兩對相互平行表面可供檢測的構件。

（2）平測法檢測：采用厚度振動式換能器，兩換能器的輻射端面在一個平面上。將一對T、R 換能器，置于被測構件同一個表面進行檢測。該方法適用于被測部位只有一個表面可供測試的結構或構件。

（3）角測法檢測：采用厚度振動式換能器，兩換能器的輻射端面相互垂直。將一對T、R 換能器分別耦合于被測構件上相互垂直的兩個平面。該方法適用于當構件被測部位只有兩個相鄰表面可供檢測的場合。

1.3 超聲對測、角測、平測時的測距

（1）超聲波對測的測距：在超聲波對測聲速的檢測時，超聲波對測的測距L 是明確的，即兩換能器的平行輻射端面間的距離。

（2）超聲波平測的測距：在超聲波平測聲速的檢測時，超聲波平測的測距是不明確的，如將一對T、R 換能器，置于被測構件同一個表面時，此時平測的測距不是一對T、R 換能器的中心點之間、也不是T、R 換能器內邊緣之間的距離，它可以通過采用“時～距法”得到。

（3）超聲波角測的測距：CECS02 標準中超聲波角測時換能器布置如圖1 所示，超聲測距按公式計算。

圖1 超聲波角測法換能器布置

式中：li-角測第 i 個測點的超聲測距，mm；lli、l2i-角測第 i 個測點換能器的中心點與構件邊緣的距離，mm。

1.4 超聲回彈綜合法檢測混凝土強度公式

T/CECS 02—2020 規程超聲回彈綜合法檢測混凝土強度的公式為

通常超聲回彈綜合法的混凝土測強公式是采用超聲對測的聲速值、回彈值及其混凝土立方試塊的抗壓強度值，通過回歸處理而成。采用平測、角測換能器布置形式得到的超聲檢測聲速不能或不宜直接代入公式計算混凝土強度值。

1.5 問題的提出

（1）超聲回彈綜合法檢測混凝土強度公式中的聲速值必須采用對測的超聲聲速值。

（2）因平測法中的測距不是一對T、R 換能器的中心點之間、也不是T、R 換能器內邊緣之間的距離，雖可通過采用“時～距法”得到回歸方程l=a+bt，真實的測距是2 個換能器內邊緣間距加修正距α，但回歸方程中的斜率b 是平測法的聲速值，眾所周知由回歸方程得到的平測法超聲聲速值低于對測的超聲聲速值，它不能直接代入采用對測聲速值回歸的混凝土測強公式中計算混凝土強度。

（3）在超聲波角測法中，其測距采用三角形的直角邊通過勾股定理計算得出，由圖1 超聲波角測法換能器布置圖顯而易見：超聲波角測時，布置在直角邊上的一對換能器的測距，可以視作為兩換能器分別與構件邊緣的距離構成的直角三角形的斜邊。問題是關于斜邊距的計算：因為換能器的直徑尺寸，①取兩個換能器的中心點距？這是目前流行檢測標準中的方法；②取兩個換能器的近邊緣距？這是兩換能器相鄰最近點，理論上是超聲傳播最先到達的距離[3]；③還是上述兩者都不是？CECS02 標準中三角形的直角邊長取兩換能器的中心點與構件邊緣的距離，顯然，斜邊計算值取換能器近邊緣距比取換能器中心點距小。設換能器在構件直角邊上對稱布置，換能器的直徑為38mm，當取換能器近邊緣距200～500mm 時，中心點距與其的測距比值見表1。

表1 角測法時換能器近邊緣距與中心點距的測距比值

顯而易見，表1 中200mm、250mm、300mm 換能器的近邊緣距與中心點距，其直角三角形斜邊距的比值較大，當400mm 以上，二測距的比值小于5%時，其換能器直徑尺寸效應的誤差可忽略不計[4]。CECS02：2005 版B.1.2 布置超聲角測點時，換能器中心與構件邊緣的距離“不宜小于200mm”，編制組成員對“不宜小于200mm”存疑：認為200mm 偏小了，為了減小測距的換能器直徑尺寸效應，T/CECS02：2020 版修改為“不宜小于 300mm”，但未對直角三角形斜邊距的取值做出進一步的細化。

2 模擬測距

2.1 等效對測法聲速的模擬測距

“等效對測法的模擬測距”的定義：在需要采用超聲角測法或超聲平測法檢測混凝土構件的場合，事先通過在有代表性部位檢測得到超聲對測的聲速值v，并計算該聲速值v 與角測時換能器設定的布點畫線尺寸Lj或平測時換能器設定的布點畫線尺寸Lp相對應的聲時t 的乘積，這個乘積v×t 即等效對測法的模擬測距L，當工程檢測前超聲儀在設置超聲檢測的“測距”時，輸入該等效對測法的模擬測距值，在以后各構件的檢測時按常規超聲檢測的操作步驟，因為已經在構件同部位進行了比對，超聲儀輸出的聲速值可作為對測聲速值。

2.2 超聲平測法

2.2.1 模擬內邊緣間距L

平測法等效測距修正方法如下：選擇一個可以同時做超聲對測和超聲平測比對的區域：

（1）先做對測，測3～5 點得平均對測聲速V。

（2）再做平測，鑒于平測法時的測距300～400mm 較合適，推薦取兩換能器的內邊緣距Lp=300mm，測3～5 點得到平均聲時t。

（3）將（1）中對測法的平均聲速V 與（2）中平測法的平均聲時t 的乘積作為模擬平測法內邊緣間距L。

2.2.2 平測法檢測

推薦布點定位劃線Lp取兩換能器的內邊緣距為300mm，也可以根據每個工程的實際情況自定。超聲儀在設置“測距”時輸入2.2.1（3）計算的模擬平測法內邊緣間距L。模擬測距不是換能器定位劃線的內邊緣距Lp，L＞Lp，它存在平測法和對測法用相同聲時t 進行轉換的修正差值。因為無須在每個測區做原來平測法“時～距”回歸法的檢測，減少了現場檢測工作量，提高了工作效率。超聲儀輸出的聲速值即為超聲換能器非對測布置獲得的對測聲速，可直接將這一聲速代入測強公式計算混凝土強度值。

2.3 超聲角測法

2.3.1 模擬對測法測距L

與2.2.1 相當，選擇一個可以同時做超聲對測和超聲角測比對的區域：

（1）先做對測，測3～5 點得平均對測聲速v。

（2）再做角測，在構件拐角布置3～5 個測點，其相鄰直角邊上各取Lj=300mm 定位劃線，角測時2 個換能器各自與定位直線相切，得到角測法平均聲時t。

（3）將對測法平均聲速v 與角測法平均聲時t 的乘積作為模擬對測法測距L。

2.3.2 角測法檢測

角測法檢測時，預先在超聲儀設置“測距”時輸入2.3.1（3）得到的模擬對測法測距L，但實際檢測時是置換能器相切在Lj=300mm 定位線，超聲儀輸出的聲速值即為對測聲速，（即超聲換能器非對測布置獲得對測聲速）將這一聲速直接代入測強公式計算混凝土強度值。

在超聲波角測法中，現在的檢測標準是需要采用勾股定理計算斜邊距，但因上述1.5 節問題的提出中（C）所述換能器直徑的尺寸效應，2 條直角邊的取值不明確，其斜邊距是不能確準計算的。當采用2.3.1 對測法平均聲速v 與角測法平均聲時t 的乘積作為模擬對測法測距L，避免了勾股定理計算斜邊距不準確的技術難題，試驗表明模擬對測法測距L 設置的測距接近超聲角測法的真實測距，且提高了檢測精度。

3 超聲試驗檢測結果

根據“等效對測法的模擬測距”的定義：如圖2 在某工程取混凝土柱進行了驗證試驗，超聲檢測數據見表2。

圖2 工程現場模擬測距試驗照片

表2 超聲波對測、角測、平測比對的檢測數據

查表1：當換能器的直徑為38mm，取換能器近邊緣距200mm、300mm、400mm、500mm 時，按換能器“近邊緣距”以及“中心點距”采用勾股定理計算直角三角形的斜邊測距分別為283mm、424mm、566mm、707mm 以 及 310mm、451mm、593mm、734mm；查表2：當角測法定位劃線距Lj分別取200mm、300mm、400mm、500mm 時，其模擬測距 L 為 293mm、443mm、587mm、726mm，即證明了角測法的實際測距比“近邊緣距”計算的斜邊測距大，而比“中心點距”計算的斜邊測距小，且采用本文的檢測技術簡化了現行T/CECS 02—2020 標準角測法中必須用勾股定理計算直角三角形測距的步驟。

從表2 可知：當角測法定位劃線距Lj取200mm、300mm、400mm、500mm 以及平測法定位劃線距 Lp取 200mm、300mm、400mm 時獲得的超聲聲速與對測聲速相當。在需要采用超聲波平測法或角測法檢測混凝土構件時，事先通過在有代表性部位檢測得到超聲對測的聲速值v，并計算該聲速值v 與角測或平測時換能器設定的布點畫線尺寸Lj或Lp相對應的聲時t 的乘積獲得模擬測距L 根據經驗。建議超聲儀在超聲檢測前預先設置超聲的“測距”，輸入布點定位劃線測距為300mm 時的等效對測法的模擬測距值。

4 結論

（1）平測法或角測法不受結構物尺寸和形狀的影響，不苛求對測法必需的兩個平行檢測面，必要時比對測法檢測實體結構更具可操作性，但現行檢測標準中平測法或角測法的聲速不易準確采集，直接采用傳統方法得到的聲速值代入公式計算，混凝土強度將被嚴重誤判。

（2）提出了超聲波“等效對測法聲速的模擬測距”的檢測方法，在需要采用超聲波平測法或角測法檢測混凝土構件時，通過事先在有代表性部位進行其與對測法比對修正獲得的模擬測距，即可按通常的操作步驟進行超聲檢測。

（3）在平測法檢測中，無需在每個測區采用“聲時～距離”回歸處理，極大的減少了現場檢測工作量，提高了工作效率；在角測法檢測中，無需用勾股定理計算測距，避免了現行檢測標準中取兩換能器的中心點與構件邊緣的距離按勾股定理計算不準確的斜邊距難題。

（4）在需要采用超聲波平測法或角測法檢測混凝土構件時，采用模擬測距得到的對測聲速值，比現行T/CECS02-2020 標準規定的檢測方法簡單實用、準確可靠。