波纹管注浆缺陷超声检测方法

王 茜， 韩庆邦， 赵胜永， 朱昌平， 徐 杉

(河海大学 江苏省输配电装备技术重点实验室，常州市传感网与环境感知重点实验室， 江苏 常州 213022)

波纹管孔道压浆是桥梁建造后张法的关键工序之一，这一工序既可以保护钢绞线，又能控制超载时裂缝的间距和宽度，因而其压浆质量将直接影响桥梁结构的安全性和耐久性。由于压浆不密实导致预应力管道内钢绞线锈蚀和预应力的提前丧失，将会造成桥梁实际寿命大幅度的缩短[1-3]。目前常用的波纹管缺陷无损检测方法主要有冲击回波法[4]、射线法[5]、探地雷达法[6]等。孔道波纹管、混凝土钢筋及钢绞线都是金属，对电磁波的干扰及吸收都较大，射线法的实现又具有一定危险性，因而超声波探测法较适合用于波纹管缺陷无损检测。

本文从回波信号能量变化的角度进行检测，结合了超声波反射法与合成孔径聚焦技术，提出了一种可以有效增加系统方位向分辨率的混凝土无损检测方法。

1 超声反射法检测原理

超声波作为一种弹性波，在从一种结构界面向另一种结构界面传播的时候，会发生较强的反射。因此，超声波在混凝土中传播时，如果遇到因注浆不密实而产生的缺陷，就会被这些缺陷结构反射，产生回波信号。这些回波信号带有物体内部结构的特征信息，将其进行处理，就可以得到混凝土的内部结构[7-8]。超声波检测判别缺陷的基本依据有声速变化、能量变化、频率变化、相位变化等。

超声波在通过声阻抗不同的结构界面时，会发生较强的反射、散射等现象[9]。超声波在注浆管道内进行传播的过程中，遇到孔隙、空气泡等缺陷结构时，由于它们的声学特性与周围介质不完全一样，声波就会被这些结构反射、折射或散射，于是接收到的信号的波形就会产生一定程度的畸变。

在超声波声场所及的空间内的任何一点，都存在着一次声波(入射声波)及二次声波(反射波、折射声波和波型转换后的横波)，换能器所接收的信号是一次声波和二次声波的叠加。桥梁路面具有单面性，因此用超声反射法对其进行缺陷检测，简单经济。但是，由于换能器的余震、表面波等的干扰，反射波的起跳点不易被识别[10]。本文通过研究反射回波信号的能量对波纹管注浆密实度进行分析。

本文所用的反射法的原理如图1。发射和接收换能器都在试件的同侧，并采取一发一收的模式进行测量。

图1 超声波反射法原理及反射波显示图

波纹管内注浆密实时，接收到的声波信号主要包括波纹管外表面反射波和试件底面反射波。当波纹管内注浆存在缺陷时，除了可以接收到以上两种波之外，还会存在来自缺陷的反射信号。通过对反射波进行检测、处理和分析，就可以得到缺陷的相关信息。注浆饱满度越差，缺陷反射波越明显，缺陷反射的回波信号的能量越大。

2 合成孔径算法

2.1 合成孔径成像原理

混凝土的结构是一种多孔质非均匀复合材料，其结构比较复杂，内部存在各种不同的界面。这使得超声波在其内部传播时，高频成分衰减较大。同时，在不同界面出现的许多折射、反射现象也使得超声波在混凝土中的声波指向性较差[11-12]。因此，提高超声检测系统的分辨率在工程上便显得尤为重要。然而，目前的检测技术大多还难以达到工程上的精度要求。

合成孔径技术是一种不需要长的接收阵就可以显著提高方位分辨率的技术，这一技术最初是为了改善雷达的角分辨力。合成孔径超声成像是自20世纪70年代发展起来的一种超声成像技术，它是由合成孔径雷达技术(SAR)发展来的。该方法的好处是可以应用小孔径的换能器以及比较低的工作频率，来获得方位向的高分辨率[13-14]。目前，合成孔径超声成像已广泛应用于水下探测等领域，合成孔径声纳技术已经较为成熟。

合成孔径成像是把换能器阵列分为若干个发射或接收单元，各单元依次发射或接收信号，并将各接收单元得到的信号进行适当的延时后叠加，最终得到目标点的聚焦图像[15]，如图2所示。

图2 合成孔径技术原理

换能器发射的波束都有一定的扩散角。假设有一个小孔径换能器，以下称为基元换能器，其孔径大小为d，沿水平方向移动，如图3所示。基元换能器的半功率点波束角β0.5为

(1)

式中λ为超声波长。设点目标P到基元换能器移动轨迹垂直距离为R，则基元换能器辐射声波在方位向的照射区域如图3所示。

图3 合成孔径综合长度示意图

基元换能器在a到b之间时，P点在声波辐射区，这一段长度称为合成孔径最大综合长度，即

(2)

在合成孔径技术中，各个等效基元是依顺序发射并接收信号。因此，各等效基元间的相位差是由发射到接收的“双程”距离差引起的。合成孔径线阵半功率波束角为

(3)

此时，对应的合成孔径的方位分辨率ρ为

(4)

经过上面的推导，得出合成孔径的方位向分辨率为d/2，是个常数，与目标物至换能器的距离无关。基元换能器孔径d越小，方位向分辨率越高。而且，使用小孔径换能器有更好的近场适用性。由此可见，这一技术利用动态聚焦的技术，可以节约成本并有效地提高系统的方位向分辨率。

2.2 合成孔径聚焦算法模型

合成孔径聚焦成像，即每次发射和接收信号只有一个基元换能器有效[16]。该方法简单易行，目前应用较多。

由于换能器具有一定的扩散角，混凝土模型内的每一个缺陷散射信号，都可能被不同位置的换能器接收到。由此可得合成孔径聚焦成像简化模型如图4所示。

设缺陷点P到换能器的距离为rm，则：

(5)

其中，R为缺陷点P到换能器的垂直距离，dm为基元换能器到点P的横向垂直距离。

距离rm随着dm的变化呈抛物线型。P点的回波到基元换能器m的时间tm也相应变化：

(6)

其中vc为声波在被测物体中传播的平均声速。

图4 合成孔径聚焦模型

于是，将点P的各个回波信号叠加再求平均值，即可得到聚焦后的回波公式：

(7)

式中，s(t-tm)表示第m个孔径信号中点P的回波，sr(t)就是P点的重建信号。

3 仿真实验

本实验采用COMSOL Multiphysics仿真软件的声学模块仿真混凝土超声探测，在COMSOL声场模块下构建声固耦合模型，设定相应的求解域、边界条件、网格剖分方式、求解器参数等，通过该软件处理后，可得到声波在混凝土中传播的瞬态声场。实验中，混凝土模型为290 mm×290 mm×400 mm的立方体，在模型中央放置一个直径90 mm、厚3 mm的圆柱形金属波纹管，具体结构如图5所示。

图5 混凝土模型

在本实验中，仿真采用单脉冲激励方式，激励信号为一定宽度的方波信号。每个采集点在试件上表面等间距设置，其间距为1 mm，每次发射和接收信号的点均为同一个点。图6为位于所设缺陷点的正上方的探测点仿真获得的时域波形。从仿真获得的波形中可以看出，混凝土结构的复杂性使得所得信号的杂波较多，如果不经过任何后期处理，很难准确找出缺陷信号的相关数据。

图6 缺陷点正上方的探测点采集的信号

本实验采用matlab编程实现合成孔径聚焦算法，对仿真数据进行分析处理。无缺陷部位处理前后功率谱密度函数曲线见图7，有缺陷部位处理前后功率谱密度函数曲线见图8。为了便于观察，本文截取了功率谱密度函数幅值在120到140之间波形图像。从图7中可以看出，对于无缺陷部位，经本文所述的方法处理后，功率谱密度函数曲线的幅值整体有所下降，这说明在此处回波信号经处理后，能量有所减小，即抑制了非缺陷信号；从图8中可以看出，对于有缺陷部位，处理后功率谱密度函数曲线的幅值整体有所上升，能量有所增加，即加强了缺陷信号。

图7 无缺陷部位功率谱密度函数

图8 有缺陷部位功率谱密度函数

图9为处理后各探测点回波信号能量，从图中可明显看出探测点4—7处回波信号能量较强，即该点下方有缺陷，与实际相符。

图9 处理后各探测点回波信号能量

4 结论

本文以波纹管的超声无损检测为背景，建立了合理的波纹管缺陷检测模型，分析了应用超声波反射法获取回波信号并且从能量的角度分析回波信号的可行性。同时，本文采用小孔径的换能器、较低的工作频率获得方位向的高分辨率的合成孔径聚焦技术并应用到了波纹管检测领域；利用COMSOL Multiphysics仿真混凝土超声探测以获得数据，并通过matlab编程实现合成孔径聚焦算法，对数据进行处理。实验结果表明，缺陷信息得到了有效放大，即可以在使用较低的频率和较小孔径的换能器的情况下有效地提高了系统的方位分辨率。

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