非接觸混凝土無損檢測

曹一波　李帥帥

摘 要：傳統的超聲波檢測混凝土均采用接觸式換能方法，對混凝土的組織結構和力學性能有影響，因此，必須采用非接觸式超聲波檢測技術。本項目即采用高靈敏度非接觸空氣耦合超聲波檢測系統來進行非接觸混凝土無損檢測。

關鍵詞：無損檢測;非接觸檢測;混凝土檢測

1 ? ?混凝土無損檢測發展現狀

混凝土在古羅馬時期已經有了具體的概念，距今已有數千年的歷史，可以說混凝土也是人類不可缺少的資源[1]。幾千年的歷史進程中，人類不斷進行著改進以便于滿足自身的需求，混凝土的使用功能也越來越豐富，生產工藝也逐漸成熟。同時，人們逐漸注意到混凝土在應用的過程中，需要定期維護。檢測相關的技術指標，內部構建形態以及耐久性、適用性和安全性是否能繼續滿足要求。早在20世紀30年代，格里姆、愛德通過用共振法成功地測量出了混凝土彈性模量，對于混凝土無損檢測的發展奠定了基礎。接著瑞士人施密特（Eschmid）在1945年發明了回彈儀，用于混凝土檢測。到20世紀50年代學者提出了更加現代化的檢測技術，超聲法檢測的提出備受關注，代表人物有加拿大的萊斯利（Leslie）、奇斯曼（Chesman）等。隨著新方法和新理論的不斷提出以及大量的實驗和論證，目前，混凝土檢測技術已經獲得了巨大的發展。

中國對混凝土無損檢測的研究開始于20世紀50年代，并將其列入我國第一個科技發展十二年規劃，我國國家建筑委員會于1978年把《混凝土質量非破損檢測技術研究》列入了重要的科研項目，該《研究》包含了回彈法等相關技術，并舉辦了多次全國性混凝土無損檢測技術學術交流會、國際性的交流會和多項先進的技術攻關，這些努力大大地推進了我國混凝土無損檢測技術的發展，無損檢測方法越來越精確，檢測技術更加精湛。

項目采用的非接觸混凝土無損檢測實驗主要運用高靈敏度非接觸空氣耦合超聲波檢測系統（Non-Contact AirCoupled Ultrasonic Testing，NAUT），包括超聲波發射接收器、前置放大器、機械裝置、數據處理系統和探頭庫。采用的原理：利用空氣耦合形式的超聲波檢測技術原理，通過空氣耦合式的超聲波換能器將力、電和聲的耦合并進行能量的轉化，從而達到不需要水浸或者其他耦合劑的目的，整個過程對試件沒有任何接觸（完全無損），通過在線的掃描能夠對試件快速地分析，還可以結合有限元仿真分析，從而達到非接觸混凝土無損檢測的目的。

傳統的超聲檢測方法需要使用水油類等作為檢測的耦合劑，傳統的耦合劑會使材料試件受潮或變污，甚至會沿缺陷滲入試件內部，影響試件的力學性能和機械性能等。非接觸空氣耦合超聲檢測的出現很好地填補了缺憾，以空氣作為檢測耦合劑的空氣耦合超聲檢測，能夠很好地擺脫材料和環境的限制，實現完全非接觸的超聲檢測，對氣孔、分層、疏松、脫膠、纖維斷裂等缺陷和損傷的檢測也能取得較好的檢測效果，尤其是能夠實現快速在線掃查這一特點，使空氣耦合超聲檢測在未來的無損檢測領域中將有著更為廣泛的應用。

非接觸空氣耦合超聲檢測技術具有非接觸、非破壞、非浸入及安全無害的特點，具有很好的應用前景[2]。但是要實現這些優點，要求非接觸空氣耦合超聲波超聲檢測儀的靈敏度很高。由于空氣的聲阻抗與換能器材料不匹配，常見的空氣耦合超聲波換能器還存在著效率較低、頻帶較窄等方面的缺點，影響實驗的相關參數，進而影響到實驗結果的精確度。然而，NAUT可以較好地解決這個問題，其已成為一種全新的無損檢測方式。

2 ? ?空氣耦合超聲檢測的基本原理

2.1 ?氣固界面間的超聲能量透射原理

當超聲波垂直入射在不同的物質界面處時，聲壓往返時的透射系數T12可表示為式（1）：

T12 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中，Z1，Z2分別是從入射介質進入到透射介質（一般為需要被檢測的材料）具有的相應特性聲阻抗，將其定義為Z =ρv（ρ是材料密度，v是在介質中聲波的傳播速度），其單位為kg/（m2s），一般用Rayl表示[1 Rayl=1 kg/（m2s）]。但是空氣與混凝土之間存在著巨大的特性聲阻抗差，使空氣耦合超聲波檢測技術難以應用。此外，在傳播過程中超聲波能量吸收衰減、散射的衰減和傳播距離以及發射頻率均有關，發射頻率越高衰減就會越大。同樣，傳播距離越遠衰減也越大。所以，選用高功率發射接收器JPR-600C來發射超聲波，在內部增幅80 dB，為實現空氣耦合超聲波檢測技術的實際應用提供了有效手段[3]。

2.2 ?空氣耦合超聲波穿透能量透射率的實驗

當超聲波向薄板結構入射時內部會產生共振。因此，能量透射率會有較大的浮動，遠比式（1）透射率大。超聲波傾斜入射時的反射波和透射波如圖1所示，當超聲波由空氣（密度ρa，聲速va）以頻率f、入射角θ向固體薄板（厚度d，密度ρs，縱波聲速vl，橫波聲速vt）發射簡諧振動時，在板中激發并向前傳播蘭姆波。同時向空氣中產生泄漏波，該泄漏波的能量透射率T可由式（2）求得[4]：

由式（2）可知，超聲波穿透混凝土試件薄板的能量透射率是兩側空氣與混凝土密度和聲速的函數，也是入射角和fd（頻率·板厚）的函數，θl是入射角。入射角θl引起的縱波和橫波的折射角分別是θl和θt，kty和k1y分別是沿板厚的橫波波數與縱波波數，Z，Zl和Zt是考慮入射角影響的聲阻抗，w是發射超聲波角頻率。

以超聲波在從沒有剪切剛性的媒質空氣或水中傳播穿透薄板為例。首先，將簡諧振動超聲波從空氣（ρa=1.3 kg/m2，va= 340 m/s）或水（ρa=1.0 kg/m2，va=1 500 m/s）中向混凝土試件中垂直入射，由式（2）可求得其能量透射率與fd的相關性曲線，具體如圖2所示。

可以看到，兩者（空氣和水）均在2.95 MHz·mm（頻率·板厚）和5.9 MHz·mm（頻率·板厚）處發生全透射現象并呈現周期性，可用式（3）表示：

（3）

這與板厚方向的縱波共打質率對應。當縱波波長是板厚兩倍整數倍時，此時無論所測的試件是什么，都符合全透射的理論。在以水為介質的情況下，高透射率區域的面積要比空氣領域的面積大很多，也就是巨大聲阻抗差。因為聲阻抗差的存在，大大減低了透射率，約﹣95 dB（即使是水為介質也約為﹣23 dB），導致了能量透射率的半值寬很窄。

3 ? ?空氣耦合超聲波檢測的儀器

3.1 ?高頻率超聲波發射接收器

功用是把接受到的超聲波（機械能），換成由其兩電極上的電壓（電能）輸出，所以要做成高效的機械能換電能裝置。由于采用的是高頻率超聲波發射接收器，需要把陶瓷片做得特別易振，并帶有阻抗匹配器，使其對微弱的超聲波特別靈敏，又可有高電壓輸出。

3.2 ?高靈敏度空氣耦合超聲換能器

將傳感器的材質用復合晶片替代能夠減小傳感器的材料阻抗，從而使得傳感器的靈敏度得到提高，同時提高了工作效率以及耦合性，聲功率的輸出也隨之增大，其原理是將壓電陶瓷超聲波換能器增加耦合層數量，再選用多孔的復合材料對耦合層進行設計。考慮向空氣中發射超聲波時，在近距離聲場界限距離和指向角的基礎之上，制作出適應將空氣作為耦合介質的超聲波探測頭[5]。

3.3 ?空氣耦合超聲波檢測儀的前置放大器

實際情況下，發射接收器的增幅率達到了80 dB，但仍然不能達到超聲檢測的要求。因此，需要把超聲信號進行進一步地增大，前置放大器具有很高聲噪比的帶通濾波的放大器。最大增幅率達到了140 dB，空氣耦合超聲波檢測的放大參數得到了滿足。

3.4 ?數據處理系統以及探頭庫，數據處理系統

（1）支持Windows 7操作系統。

（2）高級的數據分析功能具體包括：分析掃描數據、注釋功能、版始數據濾波，同時可顯示聲波波形。

（3）隨意移動光標。

（4）彈頭庫的使用則需要根據不同的頻率進行選擇。

4 ? ?空氣耦合超聲波檢測實驗

項目在所測混凝土試件的兩邊固定空氣耦合超聲波探頭，如圖3所示。

左面是發射超聲波探頭，右面是接收超聲波探頭。夾持試件的用具可以調節任意角度。發射接收探頭的固定在左右兩側30 mm，高度調整在透射波形的最大振幅變化處。耦合探頭的最大頻率為0.35 MHz，規格為20×24 mm，公稱頻率為0.4 MHz，使得超聲發射器可以發射頻率為0.35 MHz，300 Vp-p的電壓，同時，在超聲發射接收器的內部安置了0.8 MHz的增幅器，進而可以提升發射信號的接收效果。增幅80 dB的超聲波發射接收器很好進行了信號的接受，將增幅的信號輸出。在接收探頭中央插入混凝土試件，控制入射角從θ=0°～20°緩慢變化，同時每變化1°，收集一條波形并輸出。試驗最終結果如圖4所示。

參考圖3中的曲實線為試驗得到的試件透射率是通過fd=0.350 MHz×2.300 mm=0.805 MHz·mm代入式（2），同時結合聲壓投射率得到。在實驗的過程中，發現即使調整了入射角角度，使它與理論公式得到的盡量接近，但是依舊無法在A0模式臨界角附近得到全透射，也不能得到S0模式臨界角處的透射率。

經過反復的實驗驗證以及相關資料的查閱，初步確定是實際接收波形不是理想簡諧振動波形的原因，同時，實驗中空氣耦合探頭的規格有限，不能產生理想的平面波形，導致實驗的結果與理論應得到的結論有一些偏差。

（1）波蘭對40～120 MPa混凝土利用回彈、超聲等方法進行試驗得到強度擬合公式[6-7]，

回彈法：fc=（1.1-1.4）（0.040 9 N2-0.195 N+7.4）MPa

超聲法：fc=（2.0-2.7）（27.48V2-8.12 V+4.80）MPa

（2）意大利利用超聲、回彈、拔出、取芯等試驗，對30～150 MPa混凝土進行強度公式的擬合[8]，

超聲法：fc=10﹣28 V8.127 2 MPa

回彈法：fc=0.000 135 N3.442 4 MPa

拔出法：fc=0.017 140 P1.638 3 MPa

V-測區聲速值（km/s）;N-測區回彈值;P-拔出力（kN）。

5 ? ?空氣耦合超聲波超聲檢測與回彈法混凝土檢測方法的比較

對混凝土進行回彈法的檢測，實質上是表面硬度法的一種。原理是利用回彈儀內部的運動重錘，通過一定的沖擊動能對定在砼表面的沖擊桿進行彈擊。在回彈過程中，重錘會帶動回彈儀指針的運動，便可得到相應的回彈值，得到的回彈值能夠體現回彈的能量。然而，其中的能量又能體現出砼表層的硬度和砼抗壓強度兩者之間的關系。因此回彈值的大小與砼表面的硬度（砼的強度）密切相關，進而達到檢測混凝土的目的。

通過上述對回彈法原理的相關介紹可見，由于回彈法需要對砼的表面進行彈擊，因此屬于接觸式的檢測方法。此外，對于混凝土表面的相關要求也要達到回彈檢測的條件，因為混凝土的表面易受到外界環境的影響，比如混凝土的碳化、干濕條件下的構件，都會對回彈法的檢測精度產生影響。加上回彈儀屬于機械儀器，其精度受到內部各個相關構件的影響，儀器的同一性相對而言較差，同時還會受到時間的影響[9]。

6 ? ?結語

回彈儀的使用僅適用于下述兩種情況：規定只作各構件質量的相對比較及均勻性的判斷，不作強度推算;以一定數量試件來標定，求出強度與回彈值相關關系后可作為判斷強度的輔助手段，同時可作為推算強度的一種手段。通過與回彈法的比較，空氣耦合超聲波無損檢測技術對檢測試件的要求相對較低，并且屬于無損檢測，對試件不產生任何影響，檢測靈敏度較高。

[參考文獻]

[1]張科強，楊波.混凝土的無損檢測方法及其新發展[J].混凝土，2007（5）：99-101.

[2]林書玉.超聲換能器的原理與設計[M].北京：科學出版社，2004.

[3]常俊杰，盧超，川鴝統一郎.非接觸空氣耦合超聲波的材料無損評價與檢測[J].浙江理工大學學報，2015（4）：532-536.

[4]NISHINO H，MASUDAS，YOSHIDA K，etal.Theoretical and experimental investigations of transmission coefficients of longitudinal waves through metal platesimmersed in air for uses of air coupled uitrasounds[J].Materials Transactions，2008（12）：2861-2867.

[5]常俊杰，盧超，小倉幸夫.非接觸空氣耦合超聲檢測原理及應用研究[J].無損探傷，2013（4）：6-11.

[6]MALHOTRA V.Testing hardened concrete：nondestructive methods[J].Amer Concr Inst，1976（9）：180-188.

[7]俞輝.合肥地區結構混凝土測強曲線的建立和應用[J].安徽建筑，1999（5）：99-100.

[8]SOROUSHIAN P，KHAN A，HSU J W.Mechanical properties of concrete materials reinforced with polypropylene or polyethylene fibers[J].Aci Materials Journal，1992（6）：535-540.

[9]姚鋒，廖烈奎.無損檢測技術在混凝土工程中的應用[J].鐵道技術監督，2002（1）：34.

基金項目：江蘇省2019年度大學生實踐創新創業訓練計劃項目（201913986010Y）

作者簡介：曹一波（1999— ），男，漢族，江蘇南通人，本科生;研究方向：土木工程。