超声反射波法检测水泥混凝土板厚度的研究＊

王正君 金晓鸥 王红梅

（黑龙江大学建筑工程学院 哈尔滨 150086）

超声法在灌注桩缺陷检测方面研究的比较成熟，并有相应的检测规程，因可以采用对测法，纵波信号比较强，效果较好；在桩身匀质性、强度推定方面也有较多的探讨，并建立了相应的地区测强曲线.在水泥混凝土裂缝检测及沥青混凝土探伤方面也有一定的探索［1－2］.然而路面具有单面性，超声检测时只能采用反射波法进行检测，并且表面波先于反射波到达，如换能器余振长，则反射波起跳点会淹没，故无法识别反射波到达时间，也就无从对其进行检测.基于以上原因，超声波在水泥混凝土路面的检测一直是一个国际难题［3－4］.如想准确判断反射纵波的到达时间点，需要排除表面波、横波及直达纵波的干扰.

1 反射波起跳点位置的识别

1.1 第一阶段分析

1.1.1 超声平测法检测原理 超声波在传输过程中，服从波的反射定律，即在传输过程中碰到不同介电常数或不同物质的界面时会发生反射，见图1.

声波所通过的结构层，如无缺陷则可应用如下公式得到

图1 检测示意图

计算结构层厚度，声时t可由机器判读；v可进行标定或测定，如预先建立声速－强度回归方程，可通过此方程对该结构曾进行强度推定.如存在空洞、松软等缺陷，可通过声参量的变化，分析缺陷的种类和尺寸［5］.

1.1.2 排除表面波及横波干扰 在反射法中，需确定反射波起跳点准确位置，但是由于横波和表面波的存在，有时反射纵波的初至波形淹没在横波或表面波的后续波形中，这也是平测法应用的难点之一.本文根据声波的传播特性，通过调整探头位置即可以消除表面波及横波的干扰.

固体介质不仅能传播纵波，而且可以传播横波和表面波等，但其声速不相同.并且介质尺寸的大小对声速也有一定的影响，在无限体固体中的声速（无限体的边界条件：D＞（2～5）λ）［6－9］：

反射波纵波的距离要大于横波和表面波（L），但是根据图1当探头在某一位置L时总会有这样一种情况：反射波和横波同时到达，超过这个距离以后，就是反射波先到，然后是横波，最后是面波.据此，应用平测法时只需确定此距离，然后在此距离以外检测，首先到达的波形就是反射波.因cP＞cS＞cR，面波速小，所以只需比较纵波和横波.过程如下：在某一L情况，体波和横波同时到达，所用时间为t，得到在某点同时到达时，如两式相比：

2）μ＝0.20，将式（2）、（3）代入式（5），则有；L＞L02时纵波先到达；L＜L02时横波先到达.

故检测时通过大致判断板的厚度，依据泊松比的变化范围内，通过调整探头位置即可以排除横波和表面波的干扰.

1.2 第二阶段分析

由于直达纵波传播距离近，先于反射纵波到达，所以首先检测到的是直达纵波，通过以上分析，探头大于某一距离后，随后到达的就是反射纵波.如图2.

图2 不同的波型传播示意图

至于反射波到达的时间点的确定，可以首先依据纵波声速特性、检测厚度来预估到达时间.然后，通过波形分析确定反射纵波具体的到达时间.波形分析方法：超声波的传播波形是一个简谐波，并且是一个振幅逐渐衰减简谐波.反射纵波达到的时间点有以下几种情况［10］：（1）在波峰和波谷之间；（2）波谷和波峰之间；（3）在波峰处；（4）在波谷处.如图3.

图3 反射纵波到达的几种情况

在波形分析中，直达纵波在传播过程中会有衰减，体现在振幅变小.当反射纵波达到后，由于波形的叠加，使得接收信号振幅反转变大.通过以上反射纵波到达的几种可能情况，结合预估分析可较为准确的识别反射波起跳点位置.

2 实验室模拟研究验证

考虑到尺寸效应［11］，结合以上分析，在工地实验室浇筑100 c m×50 c m×20 c m的混凝土小板：C30混凝土；水灰质量比0.46；为增加面板与基层界面的信号反射，基层采用夯实的粉质粘性土，检测仪器为NM－4 A型非金属超声检测仪，测点布置见图4.

图4 测点布置示意图（单位：c m）

经过测试，并基于以上的信号分析及反射波起跳点识别分析，可以确定该测点的反射波到达的时间点，数据见表1和表2所列.

表1 不同测距时的拟合速度表

表2 测试精度对照表

通过以上的研究可以看出，在以粉质粘性土为基层的接触面及板厚20 c m情况下，经多小波提升后时域曲线在反射波到达时间范围的波形效果较好，在此基础上，采用“两阶段分析法”可以较好分析和判定超声反射波起跳点的位置.

3 结 论

1）基于惠更斯原理及超声波在无限介质中传播的声学特性，根据水泥混凝土路面板的预估厚度，依据泊松比的变化范围内，调整换能器之间的距离，排除表面波及横波的干扰.从而，实现第一阶段分析.

2）考虑到信号的衰减及波形分析，结合时间预估，可实现反射纵波首波起跳点的位置的识别，实现第二阶段分析.

3）检测时，耦合质量很重要，一定在多次采样，数据稳定后再进行数据读取.由于所采用的材料等是当地的自采材料，且小板浇筑厚度及与基层的不同接触情况对反射波的影响均未作分析对比.

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