MIRAA1040三維超聲斷層掃描技術在工程檢測當中的應用

邵文

（浙江華東工程安全技術有限公司，浙江 杭州 310000）

超聲波檢測法是工程安全無損檢測當中的重要手段之一，超聲波檢測已被諸多學者運用于大量的工程檢測和科研工作當中。20世紀40年代末，加拿大的Leslie和Chessman、英國的R.Jones和Gatfield采用超聲脈沖對混凝土進行檢測，當時的超聲檢測側重于混凝土強度方面的研究，其開創性的研究手段受到了國際土木行業的重視。我國20世紀50～60年代開始將超聲應用于構筑物完整性檢測，從樁基到水工結構、地下工程，其檢測應用領域不斷擴大，研究深度不斷延伸，從超聲聲速單一參數的研究發展到將振幅、頻率、波形多參數綜合研究與運用。

1 設備簡介

MIRA A1040三維超聲斷層超聲成像儀由俄羅斯著名廠家ACSYS公司制造，它的探頭由4×12個干點換能器陣列和一個控制單元組成，換能器為信號發射和接收裝置，可發射周期脈沖，其頻率范圍為25～85 kHz。探頭內的控制單元激活一排換能器作為信號發射端，而其它排的換能器作為信號接收端。如圖1所示，第一排換能器發射信號，其它為換能器接收信號。圖1中顯示了信號傳播路徑。此后，下一排換能器發射信號，其右側的換能器接收信號。此過程循環重復，直至前11排換能器都已經發、收過信號為止。

圖1

圖2

如果構件內部的混凝土與空氣界面足夠大，一部分發射的超聲波脈沖信號會被該缺陷提前反射。因為路徑更短，由缺陷反射的信號會早于構件底面反射的信號到達接收端。信號處理軟件依據每排換能器接收到的反射脈沖的到達時間，來推斷構件內部缺陷的位置，如圖2。

2 三維超聲波成像儀技術特點

（1）陣列式系統：MIRA的控制器是一個陣列式的控制器，由12個模塊組成，每一個模塊包含4個橫波傳感器。當超聲波信號發出后，接受到的信號會被控制器進行處理，然后轉移到電腦中用合適的軟件進行處理。

（2）合成孔徑聚焦超聲成像：如圖3，通過將陣列小探頭接收的超聲信號合成處理而得到與較大孔徑探頭等效的聲學圖像，對接收到的信號作適當的聲時延遲或相位延遲后再合成得到的被成像物體的逐點聚焦的聲學圖像。其特點是可以獲得較好的橫向分辨率。

圖3

（3）DCP干耦合換能器：傳統的換能器需要使用耦合劑才能與混凝土表面緊密接觸。如圖4所示，干耦合即不使用耦合劑，通過彈簧彈力實現與被測表面的耦合。使用干耦合換能器加快了檢測速度，并消除了由于耦合劑涂抹不均勻而對測量結果造成的影響。

圖4

圖5

（4）橫波檢測：固體中的聲波有縱波、橫波和表面波三種類型。傳統方法只利用縱波，橫波和表面波攜帶的信息被忽略。改用橫波檢測有以下好處：信噪比提高：超聲橫波在混凝土中的散射比縱波弱，因而橫波檢測的噪聲更低；分辨能力有所增強：識別越小的細節需要的波長越短，而混凝土中橫波的波長大約是同頻率縱波波長的60%；缺陷的反映更明顯：因流體中的聲波只有縱波，橫波遇到欠密實、縫隙和空洞等缺陷后幾乎全被反射，其反射系數大于縱波。

（5）圖像顯示：如圖5所示，數據采集得到的實時二維圖像。用不同的顏色表示不同強度的反射，再通過使用idealViwer 3D軟件將在多個位置測量的結果整合，在計算機中生成三維圖像。

現場檢測案例：MIRA A1040現場采集的測點數據(2D圖像)存儲在MIRA主機中用戶命名的文件夾內。測試結束后，將MIRA中的數據導入到裝有idealViwer 3D軟件的筆記本電腦中進行處理。idealViwer軟件將2D圖像拼接成被測結構的3D模型。如圖6所示為地鐵240環處道床的3D重建模型。 用戶可以在軟件中旋轉觀察3D模型，也可從不同的正交方向以切片方式觀察模型。三個正交方向的視圖都有正式的名稱。C-scan表示不同深度與Z軸垂直的平面，即反射體的水平視圖；B-scan是由MIRA在測試時直接產生的圖像，是與測線方向垂直的平面；D-scan是與B-scan垂直的平面。用戶可在3D模型特定的切片模式觀察模型：沿Z軸觀察C-scan，沿Y軸觀察B-scan，沿X軸觀察D-scan。下圖顯示隧道道床結構的3D切片視圖的實例。 C-scan中顯示截面中有強烈的反射。B-scan中在100mm左右深度的位置可見3個直徑80mm左右高振幅信號，顯示紅色，指示此處很有可能存在內部中空的埋設管線，對比設計圖紙確為預埋設的管道。鋼筋混凝土道床與底板之間（300mm-400mm）反射信號均勻、穩定，未見強烈反射信號，未出現道床脫空情況。底板與隧道環片結構之間（500mm-600mm）的弧形空氣分界層振幅強烈，存在明顯的空氣分隔界面。

圖6

采用MIRA檢測箱梁橋錨固區附近的后預應力孔道的質量。在測試之前，孔道的位置已對照施工圖紙在箱梁上進行了標記（圖7）。其中的一個測試記錄如圖8所示。B-scan的所在位置在C-scan中顯示為白色虛線。D-scan中孔道所在位置的高振幅信號，指示此孔道很有可能未被完全灌注。打鉆揭示后證明MIRA的探測結果是正確的。

圖7

圖8

預板樣品的孔道：400mm的厚板，其中貫通2個直徑100mm的金屬管道，覆蓋層100mm。其中一個管道中空，另外一個充填無收縮水泥漿。此外，預制板淺部布有鋼筋，且方向與管道平行。圖9所示為從預制板頂面采集的3D掃描結果。為使孔 道看得更清楚，深部包含預制板底面的數據被截斷。中空孔道顯示為紅色，反映空氣界面的強烈反射。灌漿管道則顯示為黃綠色，反映鋼絞線的較弱 反射。兩孔之間和灌漿孔右側的鋼筋顯示為淺藍色。可以看出，灌漿孔道 遠端顯示為紅色，表現為空洞特征的強烈反射。為驗證灌漿不完全，對灌漿孔的兩處進行了開挖：①遠端150mm處，即空洞反射所在位置；②在大概中央位置，即沒有空洞反射顯示的位置。

圖9

某水工重要構件試件經常出現漏水現象，存在內部結構損傷風險，對其內部進行三維超聲成像檢測，如圖10所示，三維構件超聲圖像顯示構件內部存在強烈的超聲反射信號，存在明顯的空氣反射層，并且呈現出無規則狀態，中下部反射尤為強烈，最后進行鉆芯取樣驗證，發現內部混凝土樣芯已呈現斷裂式狀態，構件內部損壞較為嚴重，與超聲成圖較為吻合，需要對重點損壞面進行灌漿填充修復工作。

圖10

3 總結與思考

（1）MIRA可為建筑結構完整性評估提供良好的檢測，相對于其它混凝土超聲波檢測產品，MIRA優勢明顯，可檢測厚度更大的鋼筋混凝土構件，提供分辨率更高的解析圖像，能夠很好地用于查找混凝土、鋼筋混凝土或自然石塊中的外來包體、孔洞、空隙、分層、充填泄露等。通過本次對地鐵隧道的檢測，反映該設備在隧道道床脫空情況的檢測上有較好的應用。

（2）與其他超聲檢測產品相比相比，MIRA不需要進行體混凝土聲速的校準，直接通過Scan模式表面即可自動根據剪切橫波Cs速度進行波速計算，大大簡化了測試流程。然而，實際現場工況條件多樣復雜，檢測對象物理特性可能不穩定，如混凝土的大骨料出現沉淀下部，混凝土表層性質不均一或者存在雜質，超聲波本身衰減是非常敏感、快速的，可能會對波速造成較大的影響。對于需要準確知道鋼筋、缺陷或底面位置的測試，聲速非常重要。參照此次現場檢測，道床澆筑的混凝土強度等級為C28，MIRA自動計算速度為1850 m/s(剪切橫波Cs)，根據該波速，圖形計算得到底板空氣反射層深度約為500mm；對比設計圖紙，底板深度為550mm，此時應該對波速進行調整，手動輸入2050m/s的波速。因此建議用戶測試操作前，在條件允許的情況下，如根據設計圖紙，或者其它明顯的參考物進行波速標定，以切合實際工況。

（3）對于各參數的設置，首先，增益值的選擇，色彩增益值過高或者過低，都會導致不同介質之間的超聲波振幅無法區分，需要不同材質、強度的混凝土波速進行調整。此次檢測色彩增益值設置為25dB，模擬增益值設置為27dB。對于其它強度的混凝土，可在此分貝值基礎上進行微調。期數的選擇，MIRA的超聲波期數可設范圍為1～9，依舊需要跟檢測物的性質進行選擇，對于混凝土這種材質性質，期數值需設置為1.0。對于發射脈沖停頓時間的設置（開或關），只有對某些檢測物（非混凝土材質）超聲波波速傳播緩慢，或者厚度大的物件時才進行設置，通常設置為關閉狀態。