超聲反射波法檢測水泥混凝土板厚度的研究＊

王正君 金曉鷗 王紅梅

（黑龍江大學建筑工程學院 哈爾濱 150086）

超聲法在灌注樁缺陷檢測方面研究的比較成熟，并有相應的檢測規(guī)程，因可以采用對測法，縱波信號比較強，效果較好；在樁身勻質(zhì)性、強度推定方面也有較多的探討，并建立了相應的地區(qū)測強曲線.在水泥混凝土裂縫檢測及瀝青混凝土探傷方面也有一定的探索［1－2］.然而路面具有單面性，超聲檢測時只能采用反射波法進行檢測，并且表面波先于反射波到達，如換能器余振長，則反射波起跳點會淹沒，故無法識別反射波到達時間，也就無從對其進行檢測.基于以上原因，超聲波在水泥混凝土路面的檢測一直是一個國際難題［3－4］.如想準確判斷反射縱波的到達時間點，需要排除表面波、橫波及直達縱波的干擾.

1 反射波起跳點位置的識別

1.1 第一階段分析

1.1.1 超聲平測法檢測原理 超聲波在傳輸過程中，服從波的反射定律，即在傳輸過程中碰到不同介電常數(shù)或不同物質(zhì)的界面時會發(fā)生反射，見圖1.

聲波所通過的結(jié)構(gòu)層，如無缺陷則可應用如下公式得到

圖1 檢測示意圖

計算結(jié)構(gòu)層厚度，聲時t可由機器判讀；v可進行標定或測定，如預先建立聲速－強度回歸方程，可通過此方程對該結(jié)構(gòu)曾進行強度推定.如存在空洞、松軟等缺陷，可通過聲參量的變化，分析缺陷的種類和尺寸［5］.

1.1.2 排除表面波及橫波干擾 在反射法中，需確定反射波起跳點準確位置，但是由于橫波和表面波的存在，有時反射縱波的初至波形淹沒在橫波或表面波的后續(xù)波形中，這也是平測法應用的難點之一.本文根據(jù)聲波的傳播特性，通過調(diào)整探頭位置即可以消除表面波及橫波的干擾.

固體介質(zhì)不僅能傳播縱波，而且可以傳播橫波和表面波等，但其聲速不相同.并且介質(zhì)尺寸的大小對聲速也有一定的影響，在無限體固體中的聲速（無限體的邊界條件：D＞（2～5）λ）［6－9］：

反射波縱波的距離要大于橫波和表面波（L），但是根據(jù)圖1當探頭在某一位置L時總會有這樣一種情況：反射波和橫波同時到達，超過這個距離以后，就是反射波先到，然后是橫波，最后是面波.據(jù)此，應用平測法時只需確定此距離，然后在此距離以外檢測，首先到達的波形就是反射波.因cP＞cS＞cR，面波速小，所以只需比較縱波和橫波.過程如下：在某一L情況，體波和橫波同時到達，所用時間為t，得到在某點同時到達時，如兩式相比：

2）μ＝0.20，將式（2）、（3）代入式（5），則有；L＞L02時縱波先到達；L＜L02時橫波先到達.

故檢測時通過大致判斷板的厚度，依據(jù)泊松比的變化范圍內(nèi)，通過調(diào)整探頭位置即可以排除橫波和表面波的干擾.

1.2 第二階段分析

由于直達縱波傳播距離近，先于反射縱波到達，所以首先檢測到的是直達縱波，通過以上分析，探頭大于某一距離后，隨后到達的就是反射縱波.如圖2.

圖2 不同的波型傳播示意圖

至于反射波到達的時間點的確定，可以首先依據(jù)縱波聲速特性、檢測厚度來預估到達時間.然后，通過波形分析確定反射縱波具體的到達時間.波形分析方法：超聲波的傳播波形是一個簡諧波，并且是一個振幅逐漸衰減簡諧波.反射縱波達到的時間點有以下幾種情況［10］：（1）在波峰和波谷之間；（2）波谷和波峰之間；（3）在波峰處；（4）在波谷處.如圖3.

圖3 反射縱波到達的幾種情況

在波形分析中，直達縱波在傳播過程中會有衰減，體現(xiàn)在振幅變小.當反射縱波達到后，由于波形的疊加，使得接收信號振幅反轉(zhuǎn)變大.通過以上反射縱波到達的幾種可能情況，結(jié)合預估分析可較為準確的識別反射波起跳點位置.

2 實驗室模擬研究驗證

考慮到尺寸效應［11］，結(jié)合以上分析，在工地實驗室澆筑100 c m×50 c m×20 c m的混凝土小板：C30混凝土；水灰質(zhì)量比0.46；為增加面板與基層界面的信號反射，基層采用夯實的粉質(zhì)粘性土，檢測儀器為NM－4 A型非金屬超聲檢測儀，測點布置見圖4.

圖4 測點布置示意圖（單位：c m）

經(jīng)過測試，并基于以上的信號分析及反射波起跳點識別分析，可以確定該測點的反射波到達的時間點，數(shù)據(jù)見表1和表2所列.

表1 不同測距時的擬合速度表

表2 測試精度對照表

通過以上的研究可以看出，在以粉質(zhì)粘性土為基層的接觸面及板厚20 c m情況下，經(jīng)多小波提升后時域曲線在反射波到達時間范圍的波形效果較好，在此基礎(chǔ)上，采用“兩階段分析法”可以較好分析和判定超聲反射波起跳點的位置.

3 結(jié) 論

1）基于惠更斯原理及超聲波在無限介質(zhì)中傳播的聲學特性，根據(jù)水泥混凝土路面板的預估厚度，依據(jù)泊松比的變化范圍內(nèi)，調(diào)整換能器之間的距離，排除表面波及橫波的干擾.從而，實現(xiàn)第一階段分析.

2）考慮到信號的衰減及波形分析，結(jié)合時間預估，可實現(xiàn)反射縱波首波起跳點的位置的識別，實現(xiàn)第二階段分析.

3）檢測時，耦合質(zhì)量很重要，一定在多次采樣，數(shù)據(jù)穩(wěn)定后再進行數(shù)據(jù)讀取.由于所采用的材料等是當?shù)氐淖圆刹牧希倚“鍧仓穸燃芭c基層的不同接觸情況對反射波的影響均未作分析對比.

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