基于聲學回聲定位技術的建筑物內部損傷檢測

劉 振，張 鑫

（山東立德工程檢測鑒定有限公司，山東 濟南 250000）

1 引言

1.1 聲學回聲定位技術在建筑物損傷檢測中的重要性探討

在當前的建筑物維護和安全評估領域，聲學回聲定位技術逐漸成為一種關鍵的非破壞性檢測方法。這種技術通過分析建筑材料內部聲波的反射特性，能夠有效地定位并評估結構中的損傷，如裂縫或空洞。與傳統的檢測方法相比，聲學回聲定位技術具有許多顯著優勢，包括更高的檢測精度、更深的穿透能力以及對復雜結構的適應性。因此，這種技術在保障建筑物結構安全和延長建筑壽命方面發揮著日益重要的作用。

1.2 現有建筑物損傷檢測方法的限制和改進需求

傳統的建筑物損傷檢測方法，如視覺檢查、錘擊測試和超聲波檢測，雖然廣泛應用，但各有局限。例如，視覺檢查依賴于檢測人員的經驗，難以發現微小或內部的損傷；而錘擊測試則無法提供關于深層結構損傷的信息。超聲波檢測雖然能提供更多內部信息，但在復雜結構的檢測中仍有其局限性。因此，現有方法亟需技術上的改進，以提高檢測的準確性、可靠性和效率。

1.3 聲學回聲定位技術的發展趨勢與應用前景

隨著技術的不斷發展，聲學回聲定位技術正變得更加精確和智能化。當前和未來的研究趨勢集中在提高聲波信號處理的精度、開發更先進的算法，以及結合人工智能技術以實現自動化和智能化的損傷檢測。這些進步不僅能提高檢測的準確率和效率，而且能拓展技術的應用范圍，如適用于更復雜和異質的建筑材料。展望未來，聲學回聲定位技術有望成為建筑健康監測領域的一個重要工具，為建筑物的安全管理和維護提供強有力的支持。

2 聲學回聲定位技術的基本原理

2.1 聲波特性及其在建筑物損傷檢測中的作用

聲學回聲定位技術的實質是利用聲波的傳播特性，在建筑物結構中探測損傷。該技術核心依托于聲波頻率、波速、振幅和波長等關鍵物理參數。頻率的選擇直接影響聲波的穿透能力與分辨率，高頻聲波雖分辨率高但穿透力有限，適用于淺層結構損傷檢測，而低頻聲波則可深入建筑材料內部，適合深層缺陷探測。聲波在建筑材料中的傳播速度可映射材料性質，不同介質的聲速差異為損傷定位提供了重要依據。振幅變化則揭示了材料內部的不連續性，如裂縫或空洞，其分析對于識別和定量損傷至關重要。波長的選擇則需考慮損傷的尺寸及材料的復雜程度，短波長適用于小尺寸缺陷檢測，但在復雜結構中易受散射影響。綜合這些聲波特性，配合精確的信號發射與接收技術，以及先進的數據處理算法，聲學回聲定位技術在建筑物內部損傷檢測中展現出高效與精準的檢測能力，為建筑物結構安全性的評估與監測提供了一種高度科學且非破壞性的方法論。

2.2 基礎理論與關鍵技術參數分析

2.2.1 聲波頻率

頻率通常在幾十kHz到幾MHz的范圍內。高頻率（例如1～5 MHz）提供較高的分辨率，適用于檢測小尺寸損傷，但其穿透深度較淺。低頻率（例如20～100 kHz）能更深入地穿透材料，適合大面積和深層損傷檢測，但分辨率較低。

2.2.2 脈沖寬度

脈沖寬度決定了時間分辨率。短脈沖（例如0.5～2μs）可以提高檢測的時間精度，有助于更清晰地區分相近兩點的反射信號，從而提高損傷定位的精度。

2.2.3 聲波能量

聲波的能量決定了其穿透深度和檢測距離。能量較高的聲波可用于深層或大范圍的損傷探測，但也可能導致信號過度散射，降低信號的清晰度。

2.2.4 時延測量

時延是指聲波從發射到接收的時間差，這個時間與聲波在介質中的傳播速度和路徑長度有關。精確的時延測量是定位損傷位置的關鍵，通常需要高精度的時間測量設備，如具有納秒級分辨率的時鐘。

2.2.5 空間分辨率

空間分辨率與聲波的波長相關，波長較短的聲波（由高頻率產生）可以提供更高的空間分辨率。例如，在1 MHz的頻率下，聲波的波長大約在1.5～2 mm，這決定了最小可檢測損傷的尺寸。

在信號處理方面，先進的算法如傅里葉變換、小波變換和高級濾波技術被廣泛應用于提取有用信息。這些算法有助于從復雜背景噪聲中分離出有意義的回聲信號，并進行圖像重建和損傷特征分析。通過這些高度精確的技術參數和復雜的數據處理技術，回聲定位技術能夠在建筑物損傷檢測中提供精確、細致的檢測結果，從而確保結構的安全性和完整性。

2.3 聲學回聲定位與其他建筑物檢測技術的比較研究

在建筑物損傷檢測領域，聲學回聲定位技術與其他主流技術相比展現出顯著特性。聲學回聲定位以其高頻率（20 kHz～5 MHz）提供毫米級分辨率，適合探測固體如混凝土、石材中的內部損傷。此技術以非破壞性、無輻射和高成本效益脫穎而出，但在多層復雜結構檢測中存在限制。對比之下，X射線檢測以30 PHz～30 EHz頻率操作，能穿透厚重的金屬和混凝土，提供極高分辨率的損傷顯示。然而，輻射風險、高成本和操作復雜性限制了其廣泛應用。紅外熱像技術操作于3 THz～430 THz頻段，主要用于建筑表面溫度異常檢測，以其非接觸式、快速性質和無輻射優勢受到青睞，但僅限于表面問題檢測，且易受環境溫度影響。電磁波檢測則在300 MHz～300 GHz范圍內工作，中等分辨率使其適合探測表層至中層結構的金屬構件、空洞及水分分布，但其信號易受濕度和金屬影響，穿透能力有限。具體如表1所示。

表1 建筑物檢測技術對比圖

3 聲學回聲定位技術在建筑物損傷檢測中的應用

3.1 聲波傳播模型在建筑物內部結構分析中的應用

在建筑物損傷檢測的領域中，聲學回聲定位技術的應用核心在于精確地解析聲波在建筑結構內的傳播機制。這一過程涉及對聲波頻率、傳播速度、反射特性及衰減系數等關鍵物理參數的深入分析。以聲波頻率為例，其選擇需根據損傷的性質和位置進行優化，以保證穿透力與分辨率之間的平衡。低頻波段（例如50 kHz）能實現對深層結構的滲透，而高頻波段（如2 MHz）則適于揭示表層或細微裂縫。聲波在建筑材料中的傳播速度反映了材料的密度和彈性特性，如在混凝土中可達3 500～4 000 m/s，此參數的精確測定是推斷聲波路徑和識別損傷區域的關鍵。再考慮到聲波在介質交界處的反射特性，其反射強度、時間延遲及波形特征的綜合分析能有效揭示內部結構的完整性和損傷程度。衰減系數作為描述聲波能量損失的指標，其變化趨勢能指示材料密度變化和潛在缺陷的存在。

3.2 數據采集、處理與分析算法在損傷檢測中的作用

在聲學回聲定位技術中，數據采集、處理與分析算法的應用對于實現精確的建筑物損傷檢測至關重要。這些過程涉及高度復雜的信號理論和算法設計，旨在從原始聲波數據中提取關鍵信息，以準確識別和定位損傷。

數據采集階段是基礎，要求使用高靈敏度的傳感器系統捕獲聲波反射信號。這些信號由于傳播路徑的復雜性，通常包含大量的噪聲和干擾。因此，數據采集系統需要具備高動態范圍和足夠的時間分辨率，以保證捕獲的信號能夠精確反映聲波在建筑材料中的傳播和反射特性。

在數據處理階段，采用的算法必須能夠有效地從噪聲中分離出有用的信號。這通常涉及復雜的濾波技術，如帶通濾波器和噪聲抑制算法，以提升信號的信噪比。此外，波形分析技術如快速傅里葉變換（FFT）和小波變換在此階段被廣泛應用，用于分解和重構聲波信號，從而揭示信號中的細微特征和模式。

在分析算法階段，高級計算方法被用于解釋處理后的數據。這些算法包括但不限于機器學習技術、統計模型和圖像重建技術。它們能夠對聲波信號進行深度分析，識別出損傷的具體位置、大小和可能的性質。例如，通過使用基于人工智能的模式識別技術，可以從復雜的聲波數據中準確區分正常結構和損傷區域。

3.3 試驗研究與案例分析

以一棟歷史悠久的大型辦公樓為例，該建筑因年久失修出現了結構問題。在這個案例中，研究團隊運用聲學回聲定位技術進行了一系列損傷檢測試驗。試驗目的在于確定建筑物承重墻和柱子中可能存在的裂縫和空洞。實驗中，使用的主要設備包括頻率為2 MHz的高靈敏度聲學傳感器和專用的數據采集系統。為了模擬實際的損傷情況，團隊在一個類似的測試建筑模型中人為制造了不同尺寸和深度的裂縫。這些裂縫的尺寸從微小裂紋（幾毫米）到較大裂縫（幾厘米）不等，深度從表層到深入結構的幾十厘米不等。在數據采集階段，傳感器捕獲到的聲波反射信號清晰地指示了裂縫的存在。試驗數據顯示，裂縫的尺寸和深度與反射信號的特征（如幅度、頻率和時間延遲）之間存在明顯的相關性。通過分析這些信號特征，研究團隊能夠粗略估計裂縫的大小和深度。在數據處理階段，應用了高級的信號處理技術，包括小波變換和數字濾波，這些技術有效地提高了信號的信噪比，并揭示了裂縫特有的信號模式。最終，在分析算法階段，通過應用基于深度學習的分類算法，實驗團隊成功地從復雜的信號中識別出不同類型的裂縫。這種算法利用大量的訓練數據學習裂縫信號的特征，從而能夠準確地識別和分類不同大小和深度的裂縫。

4 技術挑戰與未來方向

4.1 當前技術面臨的主要挑戰與局限性

盡管聲學回聲定位技術在建筑物損傷檢測中顯示出巨大潛力，但仍面臨若干挑戰和局限性。首先，復雜的建筑結構和異質性材料對聲波的傳播路徑產生影響，可能導致數據解析的難度增加，從而影響檢測的準確性。其次，高頻聲波雖提供較高的分辨率，但其在深層結構中的穿透能力有限，限制了檢測的深度范圍。此外，環境噪聲和設備本身的限制也可能影響信號的質量和可靠性。

4.2 結合新興技術的聲學回聲定位系統的潛力探討

未來，聲學回聲定位技術的發展潛力在于其與新興技術的結合。例如，人工智能和機器學習的引入可以顯著提高數據處理和解析的效率和準確性。通過訓練算法識別復雜信號模式，可以更精確地定位和評估建筑物內部的損傷。另外，物聯網技術的應用能夠實現對建筑物的實時監控，通過持續收集聲學數據來動態評估建筑物的健康狀況。此外，高級圖像處理和三維建模技術的結合可以提供更直觀的損傷展示，增強了技術的應用價值。