混凝土超聲波衰減成像中兩種聲場特性的實驗研究

董清華, 彭土有

(1. 五邑大學 土木系，廣東 江門 529020； 2. 江門職業技術學院 信息技術系，江門 529000)

超聲波已經在混凝土構件與混凝土灌注樁的無損檢測中得到了廣泛應用[1-3]。在混凝土超聲波檢測中，常用的對測法與斜測法[4]得到的是一維超聲波檢測曲線，根據此曲線很難判斷缺陷體的準確位置與形態；而用混凝土超聲波成像技術得到的是整個檢測斷面的二維圖像，據此圖像可直觀看出異常體的位置與形態，且具有較高的檢測精度[5]。目前混凝土超聲波成像中多為速度成像[6-7]，但大量的檢測實例表明：超聲波在穿過混凝土內部裂縫、蜂窩等缺陷時，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進行成像會有更好的效果。用于混凝土檢測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，分別用于檢測混凝土構件與混凝土灌注樁。在一般的混凝土超聲波檢測中，幾乎感覺不到這兩種換能器的檢測結果有什么差異，但在混凝土超聲波衰減成像中卻有著明顯的不同。本文將通過對預制混凝土模型的實驗觀測結果來研究兩種換能器產生超聲波場的差異，并對兩者超聲波衰減成像效果進行分析。

1 混凝土中超聲波場衰減特性分析

為了研究超聲波在混凝土中傳播時速度與波幅的衰減規律，預制了如圖1(a)所示的臺階形混凝土模型，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，砂子細度模數為2.7，普通硅酸鹽水泥，混凝土強度C20，齡期為40天以上。

圖1 預制臺階形混凝土模型

沿圖1(b)模型左邊與右邊等距布點，采用對測法進行觀測，點距為0.2 m，共5個測點，測距自下而上依次為0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m與1.0 m，觀測結果如圖2所示。

圖2 聲速與波幅的衰減

由圖2可知：隨著測距的增大，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，實測數據從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合體，其內部又富含空隙，對超聲波的散射與吸收很強，使其能量衰減很快[11]。

2 兩種換能器的波場特性的實驗分析

2.1 預制的混凝土模型

為了研究平面換能器與徑向換能器所產生的波場在混凝土超聲波衰減成像中的差異，預制了2個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特性實驗。

圖3 預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，設兩根無縫不銹鋼超聲測管，兩管邊緣距離0.7 m。兩模型混凝土強度均為C20，所用材料同前述臺階形混凝土模型。

2.2 平面換能器的波場特性分析

超聲波衰減成像一般取方形成像區域，這樣既可減小由于觀測傾角的增大對波幅數據的影響，又可保證成像方程組不是過于欠定[12]，過于欠定會由于數據量的嚴重不足而導致成像計算失敗。圖3(a)模型成像區宜取0.6 m×0.6 m的正方形成像單元，單元邊長0.05 m，左側布置超聲波發射點，右側布置接收點，點距為0.05 m，如圖4所示。

圖4 成像區及單元剖分示意圖

對超聲波成像要進行扇形觀測，即圖4中左側下第一個發射點發射超聲波，右側所有接收點均接收，可知對方形成像區域成像觀測的最大傾角為45°，觀測時各測點均需打磨處理，用凡士林作耦合劑，觀測結果如圖5所示。

圖5 平面換能器聲速與波幅的變化

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

2.3 徑向換能器的波場特性分析

對圖3(b)灌注樁模型觀測時需在超聲測管內注滿清水。成像區取0.7 m×0.7 m方形，取邊長為0.05 m的正方形單元，左側超聲管內布置發射點，右側管內為接收點，點距均為0.05 m，左側最下發射點發射，右側所有接收點均接收，觀測模式見圖4，觀測結果如圖6所示

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

圖6 徑向換能器聲速與波幅的變化

2.4 兩種換能器波場特性比較

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

圖7 距離補償后兩換能器波場輻射模式

由圖7可知：隨著觀測傾角的增大，徑向換能器波幅緩慢單調減小且變化平穩，從125.14 dB降到114.39 dB，衰減了8.6%；平面換能器所測波幅總體也減小，其數值從61.45 dB降到43.92 dB，衰減了28.5%，且存在突變點。由此可知：隨著觀測傾角的增大，平面換能器波幅的減小比徑向換能器要大得多，突變點有可能是觀測誤差所引起，也有可能是波場本身的不穩定。突變點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果比較

為了比較兩種換能器衰減成像效果，預制了一個有蜂窩缺陷體的混凝土構件模型與一個灌注樁模型，模型外形尺寸與圖3相同，在其內部中間各有一個0.2 m×0.2 m×0.2 m的砂漿塊，以模擬蜂窩缺陷體。混凝土強度C20、所用材料與圖1中臺階形混凝土模型相同。按圖4觀測模式，對每一個發射點發射超聲波時，所有接收點都接收，將所有發射點發射完畢，就完成了超聲波衰減成像的觀測。最后將接收波幅數據輸入成像軟件進行計算，可得衰減成像。圖8為Tikhonov正則化算法衰減成像結果[13]。

由圖8可知，兩種換能器對缺陷體均有反映，徑向換能器觀測數據成像結果清晰表示出缺陷輪廓，且圖面較整潔；而平面換能器觀測數據成像誤差較大，虛假異常較多，容易造成誤判，尤其是在實際工程檢測中。

圖8 兩種換能器衰減成像結果

4 結論

本文實驗研究可得出如下結論：(1)在混凝土超聲波成像觀測中，隨著觀測傾角與測距的增大，波速變化較小，波幅衰減較大；(2)隨著觀測傾角的增大，徑向換能器所測波幅單調緩慢較小，平面換能器所測波幅減小較快、變化較不規則、存在有突變點，這必將影響衰減成像的效果；(3)在實際工程檢測中，如用徑向換能器觀測，其波幅數據可進行衰減成像，如用平面換能器觀測，其衰減成像誤差則較大。

[1] 林維正.土木工程質量無損檢測技術[M].北京：中國電力出版社，2008.

[2] 張流文，李文軍.超聲波檢測預制混凝土T梁不密實區和空洞技術初探[J].公路交通科技，2013(3)：449-453.

[3] 田暉，辛純濤，張坤.超聲波單面平測法檢測混凝土構件裂縫深度可靠性分析[J].蘭州理工大學學報，2013，39(6)：133-136.

[4] 陜西省建筑科學研究設計院，上海同濟大學. CECS 21:2000 超聲法檢測混凝土缺陷技術規程[S].北京：中國工程建設標準化協會.

[5] 楊文采.地球物理反演的理論與方法[M].北京:地質出版社,1997.

[6] 曹獲.層析成像二階段射線追蹤技術在工程中的應用[J].巖土力學，2005，26(7)：1157-1160.

[7] 王五平，宋人心，傅翔,等.用超聲波CT探測混凝土內部缺陷[J].水利水運工程學報，2003(2)：56-60.

[8] 張治泰，邱平.超聲波在混凝土質量檢測中的應用[M].北京：化學工業出版社，2006.

[9] Francois S, Patrice R, Gerard B. Measurement of alkali-silica reaction progression by ultrasonic waves attenuation[J].Cement and Concrete Research，2007，37(6), 948-956.

[10] 浙江省交通廳工程質量監督站.JTG/T F81-01-2004 公路工程基樁動測技術規程[S].北京：人民交通出版社，2004.

[11] 吳新璇.混凝土無損檢測技術手冊[M].北京：人民交通出版社，2003.

[12] 王彥飛.反演問題的計算方法及其應用[M].北京：高等教育出版社，2007.

[13] 董清華，林逸標.基于Tikhonov正則化的灌注樁超聲波衰減成像方法[J].巖土工程學報，2010，32(增刊2)：483-486.