基于合成孔徑聚焦成像技術的混凝土缺陷檢測實驗分析

徐俊濤 王強 朱凱 吳錦豪 吳珂

摘要：為研究合成孔徑聚焦成像技術在混凝土缺陷識別中的應用，先后采用常規的超聲脈沖法（探頭頻率50 kHz）與合成孔徑聚焦成像法（探頭頻率50 kHz，32陣元）對預制缺陷的混凝土試塊進行檢測對比，分析混凝土內部預制缺陷在兩種超聲檢測方法中的成像特征。研究結果表明，傳統的超聲檢測方法無法準確判斷出混凝土內部結構缺陷，且對缺陷尺寸信息的獲取較少。采用合成孔徑聚焦成像法獲得混凝土內部結構的二維 B 掃圖像可以準確識別出50 mm 深度以下，缺陷橫向直徑為40 mm，縱向厚度為3 mm 的空洞缺陷，并能夠準確讀取該缺陷在混凝土試塊中的相對位置信息，從而達到定量分析的目的。

關鍵詞：無損檢測;混凝土;空洞;超聲脈沖法;合成孔徑聚焦成像法

中圖分類號： TU528.1;TB9文獻標志碼： A文章編號：1674–5124（2021）12–0047–05

Experimental analysis of concrete defect detection based on synthetic aperture focusing technology

XU Juntao1，WANG Qiang1，ZHU Kai1，WU Jinhao1，WU Ke2

（1. College of Quality and Safety Engineering， China Jiliang University， Hangzhou 310018， China;2. School of Civil Engineering， Zhejiang University， Hangzhou 310058， China）

Abstract： Inordertostudytheapplicationofsyntheticaperturefocusingimagingtechnologyinthe identificationofconcretedefects，conventionalultrasonicpulsemethod （probefrequency 50 kHz） and synthetic aperture focusing imaging method （probe frequency 50 kHz， 32 elements） were used to carry out precast defects on concrete test blocks. Inspection and comparison， analysis of the imaging characteristics of concrete internal precast defects in two ultrasonic inspection methods. The research resultsshow that the traditional ultrasonic inspection method cannot accurately determine the internal structural defects of concrete， and the information on the size of the defects is less obtained. Using synthetic aperture focusing imaging method to obtain two-dimensional B-scan images of concrete internal structure can accurately identify void defects with a depth of less than 50 mm， a defect with a transverse diameter of 40 mm and a longitudinalthickness of 3 mm， and can accurately read the relative position information of the defect in thde concrete block， so as to achieve the purpose of quantitative analysis.

Keywords ： non-destructive testing; concrete; cavity; ultrasonic pulse method; synthetic aperture focusing imaging method

0 引 言

當前被廣泛應用于建筑、橋梁、隧道等各類大型基礎設施建造中的混凝土是由骨料、水、水泥、沙等摻合料混合加工而成的復合材料[1]。由于在使用混凝土材料進行建筑施工時，其施工條件以及工藝等因素，混凝土內部結構容易出現裂縫、空洞、蜂窩等不同類型的缺陷[2]，一旦混凝土內部缺陷達到一定程度將產生安全隱患，極有可能發生一系列非必要的安全生產事故，造成不必要的損失。因此，測定混凝土缺陷位置，準確對混凝土結構質量進行檢測評估成為混凝土結構質量檢測的一個核心問題。

目前國家實施的 CECS?21：2000《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》[3] 中檢測不密實區和空洞時，將測得的數據按照概率法[4] 進行篩選判斷，通過計算波幅、聲速、頻率等聲學參數的平均值、標準差來確定異常值。使用概率法判定缺陷需要重復迭代運算，特別是測點較多時，計算統計的數據量大，計算相當復雜，且存在其他非缺陷因素的影響，容易造成誤判。

隨著超聲無損檢測技術應用領域的不斷拓展，以及其基礎理論研究和儀器設備的不斷開發，混凝土無損檢測技術也取得了很大進展。常俊杰等[5] 利用合成孔徑聚焦成像技術分別對模擬試塊和混凝土進行三視圖的二維成像，清晰的得到了缺陷位置信息。鄭丹等[6] 通過對混凝土試塊進行高溫試驗，研究混凝土在高溫損傷情況下超聲波速和非線性超聲系數的演化規律，實驗結果可用于評估測量混凝土結構高溫低損傷情況。周迪等[7] 在研究沖擊回波法檢測混凝土缺陷時，提出一種將小波變化與傅里葉變換相結合的信號處理方法，抑制了傅里葉譜中的多個波峰，提高了信號的特征頻率清晰度和準確性。FRAN?OIS?S?P 等[8] 通過比較現場實際混凝土 UPV（超聲脈沖速度）與完好混凝土試塊 UPV 提出一種 CQD 評估混凝土建筑結構質量的方法，該方法能夠確定相對于未受損狀態的損傷程度并呈現出混凝土結構整體狀況的等高線圖。HAM?S 等[9] 通過一個簡化的弱散射模型證明了表面波沿反向投射的散射場對亞波長散射體比較敏感，并由此提出了一種用非接觸式超聲表面波背散射場來表征大型混凝土結構中的分布式裂縫損傷的無損檢測方法。 ASADOLLAHI A 等[10]通過使用超聲波干點接觸傳感器采集數據，解決了逆時偏移成像技術所需內存大，成本高的問題。LAURETI S 等[11]將壓電復合換能器獲與脈沖壓縮處理技術相結合，在55 mm 覆蓋深度下可很好地從包含10mm 骨料的混凝土中區分出直徑20 mm 的鋼筋。LIN S 等[12]將合成孔徑聚焦成像技術與多層延遲求和法相結合來處理陣列成像儀等超聲設備的原始數據，明顯改善了多層混凝土結構的超聲成像效果。CHOI P 等[13]采用基于合成孔徑聚焦成像算法的 MIRA 儀器對混凝土路面、橋墩、跑道等進行缺陷檢測，結果表明 MIRA 能準確檢測到混凝土內部的鋼筋位置和分層。

本文首先使用超聲脈沖法對混凝土試塊進行缺陷檢測，分析聲學參數在混凝土結構缺陷中的特征顯示，再利用基于合成孔徑聚焦成像技術的 MIRA 超聲儀器對混凝土試塊進行檢測實驗，對比兩種檢測方法在檢測混凝土內部缺陷的能力。

1基于合成孔徑聚焦成像的超聲檢測法

采用陣列超聲成像法并利用合成孔徑聚焦成像后處理算法（SAFT）分別對完整混凝土試塊和含空洞缺陷的混凝土試塊進行檢測，檢測系統的探頭采用4×8的陣列方式排布，共8個通道，每個通道包含4個超聲探頭，每個探頭即可作為超聲信號的發射端，也可作為接收端。如圖1最左側第一排通道首先激發超聲信號，其余7個通道接收回波信號，然后下一排通道激發超聲信號，右側剩余超聲探頭接收回波信號，直至前7排通道都已激發過超聲信號。單次檢測可獲得28條超聲信號，將接收到的回波信號通過 SAFT 后處理算法對信號進行適當的延時處理獲得二維掃描圖像。

如圖2，天線陣列中第一個探頭 N1與缺陷 P 之間的直線距離為 L1，缺陷 P 到檢測水平面的垂直距離為 h，缺陷P 到第一個探頭 N1的水平橫向距離為 D 。其關系式為：

則第 Ni 個探頭與缺陷 P 之間的距離 Li 為：

每個探頭接收到來自缺陷 P 的回波時間為：

其中 V 為超聲波在混凝土試塊中的傳播速度，通過對不同位置的探頭接收的超聲波進行延時疊加處理并取其平均值，所得到的即為該缺陷P處的聚焦信號：

式中G（Di ， ti）為在第i個探頭處來自缺陷 P 的回波信號。

該設備采用干耦合點接觸探頭（dry point contact），簡稱 DPC 探頭。DPC 探頭已經被證實可以緩解信號變化和探頭位置不穩定帶來的誤差影響[14]。DPC 探頭利用彈簧彈力實現與混凝土表面耦合，無需耦合劑避免因耦合劑涂抹不均造成的誤差。

傳統的超聲無損檢測技術中一般都采用的超聲波類型是縱波，而在陣列超聲成像法中采用的超聲波類型是橫波。

在無限大的固體介質中的縱波 VP 與橫波 VS 聲速分別為[15]：

式中：E——介質彈性模量;

?——介質泊松比;

ρ——介質密度

由公式（5）和（6）可看出，在同一固體介質中????? （本文為混凝土試塊），縱波速度約為1.6倍的橫波速度。根據T =λ/C，在相同頻率下，速度越小，其波長也越小，分辨率就越高，因此與縱波探頭相比，采用橫波探頭能檢測到更加細小的缺陷和夾雜物。

2實驗設計

2.1實驗材料

本試驗以普通硅酸鹽水泥、水、碎石作粗骨料、黃沙作細骨料為原材料，按水泥∶石子∶砂∶水=1.00∶3.03∶1.36∶0.45配合比制作了強度為 C30[16]的300 mm×150 mm×100 mm 的完整長方體混凝土試塊以及預制了內含空洞尺寸為150 mm×40 mm×3 mm 的混凝土試塊，如圖3所示。

2.2實驗過程

超聲脈沖法采用 NM-4A 非金屬超聲檢測分析儀，參照 CECS 21：2000《超聲法檢測混凝土缺陷技術規程》規定的超聲法測不密實區和空洞的標準實施檢測。本文采用超聲對側法的方法選取50 kHz 探頭進行檢測，按照圖4中的布點從左至右，從上往下方向進行逐點檢測。并對存疑的測點進行多次復測以減少偶然性。圖5為實際檢測圖，檢測過程中采用凡士林為耦合劑，涂抹均勻。

檢測設備為俄羅斯 ACS 公司制造的 MIRA1020陣列超聲成像檢測儀，系統參數設置如表1所示。將儀器置于300 mm×150 mm 一面的上方利用 DPC 探頭的彈簧彈力實現耦合，將模擬增益調節至15 dB，探頭頻率設置為50 kHz 激發超聲橫波信號檢測混凝土內部結構，如圖6所示。

3實驗數據分析

3.1超聲脈沖法檢測結果分析

完整試塊與含空洞缺陷試塊的聲學參數變化情況，如圖7所示。對于完整混凝土試塊圖7（ a ），完整混凝土試塊測得的平均聲速為3.75km/s，聲速的標準差為0.029 km/s，由此可見完整混凝土的各區域聲速值離散程度相對較小。但幅值相對聲速而言波動較為明顯，幅值平均值為111.79 dB，標準差為3.37 dB 明顯高于聲速。最大幅值出現在測點1，為118.65 dB，最小值出現在測點19，幅值為101.27 dB，兩者相差17.4 dB，變化幅度為17.2%。對于含空洞的缺陷試塊來說，測點9以及測點27的聲速值分別為3.97 km/s、3.91 km/s 都超過了3.9 km/s，特別是測點5，其聲速值為3.38 km/s 明顯小于其他測點位置的數值，由聲速可以確定測點5存在空洞缺陷，但無法辨別出其余位置的缺陷。圖7（b）可以看出，測點12（100.03 dB ）、13（94.99 dB ）、15（103.52 dB ）、20（98.26 dB ）、21（88.78 dB ）、28（102.25 dB ）、29（86.99 dB ）、32（100.78 dB）處的幅值明顯小于其余點位，但是實際預制缺陷所在位置為測點4、5、12、13、20、21、28、29區域，與事實不符。無論是完整試塊測得的幅值還是含缺陷試塊測得的幅值，其數值波動都非常明顯。造成該現象是由于超聲探頭直徑為30 mm，直徑較大，加上混凝土試塊尺寸相對較小且混凝土本身結構相對復雜，因此只能選則較低頻率的探頭，這也導致了超聲波波長的增加，使得超聲探頭的擴散角變大，超聲探頭的指向性變差，聲波在混凝土內部傳播的路徑變得更為豐富，導致最后計算出來的聲速存在誤差;幅值對于細小缺陷或者一些極小的空洞反應都較為敏感;對測法中耦合劑涂抹的均勻程度影響耦合條件的一致性，因此利用波幅值的判斷可能存在較大誤差。綜合上述聲學參數僅可以確定測點5存在空洞缺陷，無法確定其余位置的空洞缺陷。

3.2合成孔徑聚焦成像法檢測結果分析

合成孔徑聚焦成像法檢測結果以斷面影像的形式呈現出來即 B 掃圖像，結果更為直觀。對于完整混凝土試塊，圖8（ a ），在深度100 mm 處產生的反射圖像與實際混凝土厚度相符，即混凝土試塊的底部界面反射，且在該深度處的反射圖像總長度為300 mm 與實際混凝土試塊長度完全一致。但圖像并非連續，這是因為混凝土試塊尺寸較小，掃查時靠外側的探頭發出的超聲信號被混凝土邊界散射，導致兩側的信號相對中間信號弱，因此造成了圖像的不連續性。混凝土試塊實際厚度為100 mm，對于含空洞缺陷的混凝土試塊，圖8（b），4×8超聲陣列中的8個通道，從左到右逐一發射超聲橫波信號，當橫波信號遇到內部深度50 mm 處的預置缺陷時產生超聲回波，通過接收探頭接收存儲每一個在缺陷位置產生的回波信號，通過合成孔徑聚焦成像技術對缺陷位置的回波信號進行延時疊加求和，實現了大孔徑超聲探頭的聚焦特性，從而利用缺陷位置的聚焦信號得到二維圖像，實現了對缺陷位置的定位以及定量。在深度為50 mm 處可很明顯發現預制空洞缺陷的反射圖像，深度位置與實際（50 mm）相符。圖像中紅色區域為類似矩形的圖形，與實際空洞缺陷實際截面形狀基本一致，測量得到空洞的橫向尺寸（紅色區域部分）為40 mm，與實際預制的空洞尺寸大小相符，且在深度100 mm 處的產生了底部界面的反射圖像。

4結束語

根據實驗結果，本文得出以下結論：

1）常規的超聲脈沖法可以利用聲速、幅值特征來對混凝土內部結構空洞缺陷進行初步定性判斷，但是不能準確檢測出空洞缺陷的全貌，會有漏檢現象發生且定量空洞缺陷的具體尺寸大小的能力不足。

2）采用4×8陣列排布超聲橫波傳感器的方式對每次提取的28條超聲信號進行合成孔徑聚焦成像算法處理能夠檢測到混凝土結構100 mm 處的底部界面可為混凝土結構測厚提供參考。

3）從得到的二維截面圖像中能夠識別到50 mm 深度以下，缺陷橫向直徑為40 mm，縱向厚度為3 mm 的空洞缺陷從而做出較好的定量判斷。該方法可用于確定現場混凝土結構的修復邊界，制定有效的修復方案，減少工程量。

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（編輯：劉楊）