基于聲波頻譜特征的土體障礙物超聲探測分析

楊立君，諸 岧

（1.同濟大學土木工程學院，上海市 200092；2.上海隧道工程質量檢測有限公司，上海市 201109）

0 引言

近年來，隨著中國社會經濟水平的快速發展，交通工程的規模和數量也呈現出不斷上升的趨勢[1]。同時，我國的隧道及地下工程建設也得到了空前的發展[2]。我國已經成為世界上隧道及地下工程的建設大國[3]。在多年的城市地鐵建設中，發展了一系列適合我國實際條件的地鐵隧道施工方法，其中，盾構法因施工速度快，對環境影響小，適應能力強以及安全、環保等優點，在城市地鐵建設中得到了廣泛的應用[4-5]。

隨著城市建設的快速發展，地鐵隧道建設的空間受到越來越多的限制，出現了越來越多的復雜困難情況[6]。目前，多樣化的地質水文條件依然是盾構法施工過程中不可忽視的難題，包括斷層、暗河、孤石等不良地質。其中，孤石是存在于軟質風化層中的花崗巖球狀風化體[7]，是地鐵隧道盾構法施工過程中的巨大障礙[8]。這些孤石會導致盾構機刀盤頻繁卡住甚至變形，影響工期進展，在嚴重情況下，孤石還會引起工作面的噴涌和塌方，從而導致突發的地質災害[9]。因此，在盾構開挖之前，精確地勘察清楚挖掘區域范圍內孤石群的分布情況，是地鐵盾構工程建設過程中急需解決的難題[10]。

為了提高對不良地質體預報的精確度，周輪[10]提出運用隧道綜合超前地質預報技術，即運用宏觀地質分析法、TSP 地震波法、地質雷達法以及超前鉆探相結合的綜合解決方案，提高不良地質體超前地質預報精度。超聲波探測技術最初在我國巖土行業中被應用于地層探測，后來在混凝土無損檢測和樁身完整性檢測方面得到廣泛應用，并在海底殘樁檢測中也表現出良好的效果。該技術具有探測精度高、穿透性強以及操作簡便等優點。因此，將超聲波探測技術加入到盾構隧道超前預報的綜合探測方案，與其他超前地質預報技術相結合，共同解決目前盾構施工遇到的孤石等各類地質問題具有十分重要的意義。

1 超聲波檢測

超聲波檢測技術是一種利用超聲波在物體內部的傳播特性來對物體進行非破壞性檢測的技術[11]。在實際超聲波檢測中，利用超聲波發射換能器產生高頻振動，將超聲波傳播到被測物體的內部，當超聲波在物體內部傳播過程中遇到缺陷或異質界面時，會發生聲波的反射、折射、繞射等現象，即一部分聲能會反射回來，另一部分聲能會透過缺陷區域繼續傳播，并到達接收換能器。通過對接收到的信號進行分析，可以得到被檢測物體內部結構特性及缺陷信息，從而實現了對物體的檢測。

超聲波透射法是超聲波檢測方法中十分常用的一種方法，其檢測原理如圖1 所示，利用這種檢測原理制造的無損檢測設備已經在許多實際工程中得到應用。透射法是通過對比不同位置處超聲波接收換能器接收到的信號的幅值、頻率等指標的變化來判斷被測物體內部的缺陷情況[12]。而頻率是指聲波振動的周期性特征，描述的是波列中質點在單位時間內振動的次數。當超聲波在性質不均勻的材料中傳播時，由于超聲脈沖波具有復頻性，其包含多種不同頻率成分的聲波，且不同頻率成分聲波在傳播過程中吸收、衰減也不同，以及超聲波在不均質材料中具有不同的振動特性，導致換能器接收到的信號頻譜非常復雜[13]。當被檢測物體內部存在缺陷或障礙物時，超聲波的傳播路徑變長，同時，由于頻散現象使得到達接收換能器的波形是多種不同頻率波的疊加，因此缺陷或障礙物會對接收信號的頻率成分產生影響，研究接收信號的頻率成分可以反映出被檢測物體的內部情況。

圖1 聲波透射法原理示意圖

2 室內試驗方案

為了探究土體中超聲波的傳播特性，以及在不同情況下對障礙物的探測能力，采用室內模型試驗的方法，以上海市某地區的黏性土為研究介質。試驗采用的模型箱長2.5 m，寬和高均為2.0 m。為了模擬土中障礙物的探測情況，選擇了混凝土試塊作為障礙物，混凝土試塊的大小為40×40×40 cm。試驗采用的探測設備是北京智博聯生產的ZBL-U5600 非金屬超聲檢測儀，其主要技術參數如表1 所示。

表1 非金屬超聲檢測儀主要技術參數

試驗流程如下，先在模型箱內鋪塑料膜進行防水處理。將過篩后的土裝入模型箱，每15 cm 壓實一層土體，避免拱起并刮毛表面，保證粘合。布置直徑50 mm 的PVC 管和直徑32 mm 的PVC 管，其中50 mm的PVC 管加水作為超聲探測通道，32 mm 的PVC 管加密封膠作密封處理，作為加水通道，同時混凝土試塊放置在箱內，位置如圖2 所示。不斷填土至模型箱內土體高度達到130 cm，之后在不同位置和深度處取土測定含水率。在四種距離下使用超聲波設備進行探測，四種探測距離如表2 所示。超聲檢測儀參數為采樣周期0.8，記錄長度1024，發射電壓1000 V，記錄間距2 cm，超聲波換能器中心頻率為45 kHz。通過預埋的PVC 管加水改變含水率，三種含水率如表3 所示，進行超聲探測。

表2 探測距離

表3 含水率

圖2 模型箱內P VC 管和混凝土布置（單位：mm）

3 傅里葉變換

傅里葉變換是法國數學家傅里葉所提出的，指出了任何一個復雜的函數都可以表示為簡單的正弦之和[14]。一個信號經傅里葉變換之后，橫坐標為分離出的正弦信號的頻率，縱坐標為對應的加權密度。傅里葉變換是一種信號分析方法，不僅能分析一個信號所包含的成分，而且能用不同的成分合成信號。通過傅里葉變換可以將時域形式表達的信號轉換成為頻域形式表達的信號，可以從頻域的角度對信號進行分析處理[15]。

連續函數f（t）的傅里葉變換公式為：

式中：t 為時域變量，μ 為頻域變量。

4 頻譜變化特征分析

頻譜是頻率譜密度的簡稱，是表示信號頻率分布的曲線[13]。在信號分析中，通常使用傅里葉變換來將信號從時域轉換為頻域，得到信號的頻譜。頻譜將對信號的研究從時域引入到頻域，從而帶來信號更為直觀的理解和認識。信號的頻譜可以提供信號在頻域上的信息，對于信號的分析具有十分重要的作用[16]。

4.1 含水率對超聲探測信號頻譜的影響

為了探究含水率對超聲探測信號的頻譜影響，以③至④管間超聲探測信號為例，分析不同含水率下超聲探測信號的頻譜特征變化。圖3 是三種含水率下180 cm 深度處信號的頻譜，此位置不存在障礙物，從圖中可以發現，含水率①下信號的頻率成分主要位于0～200 kHz 范圍內，且在低頻10.99 kHz 處存在一個極值點，整個信號頻譜畸變嚴重，存在許多毛刺；含水率②下信號的頻率成分主要位于0～150 kHz范圍內，且在低頻7.324 kHz 處存在一個極值點，整個信號頻譜在0～100 kHz 范圍內畸變減少，頻譜曲線毛刺減少，但其余頻率范圍內仍存在較多毛刺；含水率③下信號的頻率成分主要位于0～150kHz 范圍內，且在低頻6.104 kHz 處存在一個極值點，整個信號頻譜在0～100 kHz 范圍內，頻譜曲線毛刺進一步減少，曲線變得光滑，但其余頻率范圍內仍存在許多毛刺。隨著含水率從10.4%增大至39.6%，信號的頻譜發生了明顯的變化。首先，隨著含水率的增大，信號頻譜曲線的畸變減少，曲線變得平滑，在主要頻率范圍內毛刺減少；其次，信號頻率的主要成分幅值也與黏性土的含水率有關，隨著含水率的增加，0～100 kHz范圍內的頻率幅值明顯增大；另外，對于低頻存在的極值點，隨著含水率的增大，極值點在逐漸向低頻偏移。

圖3 不同含水率同一位置處超聲探測信號頻譜

因為超聲脈沖在土中傳播時會受到土顆粒、孔隙、水等影響，從而發生反射、折射、散射等現象，導致頻率成分發生變化，由此可得，含水率增大會影響超聲信號的頻譜特征。此外，黏性土含水率增大會減少土體孔隙中氣體的體積，使超聲波在傳播過程中反射、折射及衰減減少，使接收信號的波形頻譜變得光滑。

4.2 探測距離對超聲探測信號頻譜的影響

以含水率③下超聲探測信號為例，分析不同探測距離下信號頻譜的變化特征。圖4 是③-④、②-④、②-⑤、①-⑤四種探測距離下180 cm 深度處的信號頻譜，該深度處不存在障礙物。從圖中可以看出，不同距離下信號頻譜曲線的整體趨勢大致相同，主要頻率范圍分布在0～90 kHz 范圍內，在90～300 kHz范圍內存在少量頻率成分。觀察四種探測距離下信號頻譜在低頻的極值點情況，③至④管間在低頻6.104 kHz 存在極值點，②至④管間在低頻4.883 kHz存在極值點，②至⑤管間在低頻4.883 kHz 和7.324 kHz 存在兩個相近的極值點，①至⑤管間在低頻4.883 kHz 和8.545 kHz 存在兩個相近的極值點，可以發現，隨著探測距離的增大，信號頻譜在低頻的極值點會由一個變為兩個，且極值點對應的幅值也相應變大。觀察信號的主要頻率成分范圍0～90 kHz，可以發現，隨著距離的增大，這一范圍內信號頻譜曲線上毛刺逐漸變多，畸變程度增大，且幅值逐漸減小。對于90～300 kHz 范圍內的頻率成分，在四種探測距離下均包含大量毛刺，畸變程度較高，且隨著探測距離的增大，其曲線幅值及畸變程度未發生明顯變化，表明這一部分頻率主要是噪聲信號。

圖4 不同探測距離同一位置處超聲探測信號頻譜

上述現象表明發射探頭和接收探頭之間距離增大會影響接收信號的頻譜特征，因為土體會對超聲波的能量產生吸收和散射作用，導致頻譜主要成分的振幅逐漸降低，衰減程度增加。同時，超聲波在傳播過程中的傳播速度和衰減程度發生變化，不同頻率的波具有不同傳播速度，導致波形失真、頻率成分改變。反射和折射現象也會越來越明顯，導致信號的變化和失真，表現為頻譜曲線畸變程度變大、突變點增多。超聲波在傳播過程中還會發生頻散現象，使信號的高頻成分轉變為低頻成分，即信號的低頻幅值增大。

4.3 障礙物對超聲探測信號頻譜的影響

為了探究在不同含水率下障礙物對超聲探測信號的頻譜影響，以③至④管間超聲探測信號為例，分析相同含水率下180 cm 深度和140 cm 深度兩個位置處超聲探測信號的頻譜特征變化，其中180 cm 深度處不存在障礙物，140 cm 深度處存在障礙物。圖5至圖7 分別是三種含水率下存在障礙物和不存在障礙物兩個位置處信號的頻譜。從圖5 中可以看出，在含水率較低的情況下，障礙物位置處信號頻譜和無障礙物位置處信號頻譜的曲線走勢大致相同，且曲線上的突變點很多，畸變程度嚴重。這種情況下，障礙物的存在對超聲探測接收的信號頻譜影響不再明顯，無法從頻譜圖中看出差別。這是因為在含水率較低的情況下，黏性土中孔隙率高，土體中存在大量孔隙及空氣與土顆粒界面，超聲波在傳播過程中在遇到孔隙及空氣與土顆粒界面時會發生大量反射、折射現象，造成接收信號頻譜存在大量突變點，曲線發生明顯畸變，在這種情況下，障礙物的存在對超聲波的傳播和反射影響小于土體對超聲波傳播的影響。

圖5 含水率①下③至④管間有無障礙物兩個位置處信號頻譜

從圖6 中可以看出，在含水率進一步升高的情況下，障礙物位置處信號頻譜和無障礙物位置處信號頻譜的曲線走勢大致相同，且信號的頻率的主要成分范圍也相同。隨著含水率的進一步提高，有、無障礙物兩個位置處信號的頻譜差異相比于含水率①會更加明顯。存在障礙物位置處信號的頻譜相比于無障礙物位置處信號頻譜在主要頻率成分方面會出現更多的突變點，即畸變程度更大。同時，由于障礙物的存在也導致接收信號的主要頻率成分幅值出現略微的降低。出現這一系列現象的原因是在含水率較高的情況下，黏性土中孔隙部分被水填滿，土體的孔隙率下降，一部分空氣與土顆粒的界面轉變成水與土顆粒的界面，這種變化導致接收信號頻譜的突變點大量減少，曲線的畸變程度也進一步降低，在這種情況下，障礙物的存在對超聲波的傳播和反射影響逐漸變得明顯。

圖6 含水率②下③至④管間有無障礙物兩個位置處信號頻譜

從圖7 中可以看出，在含水率進一步提高的情況下，障礙物位置處信號頻譜和無障礙物位置處信號頻譜的曲線走勢大致保持相同，且信號的頻率的主要成分范圍相同。但是，在這種情況下，障礙物的存在對超聲探測接收的信號頻譜影響變得更加明顯，從信號的頻譜圖上可以看出非常明顯的差異，即存在障礙物位置的信號頻譜相比于不存在障礙物位置的信號頻譜，在主要頻率成分范圍內會出現更多的突變點，二者的頻譜曲線的畸變程度明顯不同。且存在障礙物位置處信號的主要頻率成分的幅值也明顯低于不存在障礙物位置處信號對應頻率成分的幅值。出現這一現象的原因是在含水率進一步提高的情況下，黏性土中的孔隙大部分被水填滿，土體的孔隙率變得很小，大量的空氣與土顆粒的界面轉變成水與土顆粒的界面，且超聲波在水中的衰減小于在空氣中的衰減，這種土體內部結構的變化導致超聲波在土體的傳播路徑發生很大變化，使得接收信號頻譜的突變點大量減少，曲線的畸變程度也進一步降低，在這種情況下，障礙物的存在使得超聲波在遇到障礙物時產生的反射、折射現象對接收信號的影響逐漸變得明顯。

圖7 含水率③下③至④管間有無障礙物兩個位置處信號頻譜

5 結 論

根據超聲檢測信號的頻譜分析可知，在含水率較低的情況下，不同探測距離下接收信號的頻譜呈畸變狀態，整個頻譜曲線上存在大量的突變點；當含水率逐漸增大時，不同探測距離下的接收信號的頻譜曲線逐漸變得平滑，突變點數量減少。這表明含水率的高低對超聲波的探測效果有著一定的影響，當含水率較低時，不同探測距離下的頻譜曲線畸變均很嚴重，障礙物的存在在頻譜上不能表現出來，無法通過頻譜對障礙物進行識別；當含水率逐漸增大時，不同探測距離下的頻譜曲線逐漸平滑，此時障礙物的存在會導致頻譜曲線上出現一定畸變，故可以對障礙物進行識別。