混凝土缺陷超声横波三维成像法探测精度影响因素的研究

朱燕梅，范泯进，沙 椿

(四川中水成勘院工程勘察有限责任公司，四川 成都 610072)



混凝土缺陷超声横波三维成像法探测精度影响因素的研究

朱燕梅，范泯进，沙 椿

(四川中水成勘院工程勘察有限责任公司，四川 成都 610072)

超声横波三维成像法应用于探测水工混凝土缺陷在国内尚处于初步阶段。以MIRA超声横波三维成像仪为基础，通过解析其探测原理，并结合试验研究超声横波波速和频率对其探测成像深度以及对钢筋、细小异常体识别精度的影响。结果表明，当计算波速与实际波速相差10%以上时，对缺陷成像深度会出现较大偏差；而不同的探测频率对于不同埋深和尺寸缺陷的识别能力差别较大，需现场预估和试验以确定合适的频率。此外，给出了采用超声横波三维成像法探测缺陷时横波波速测定、探测频率选取的建议，为该技术的工程应用提供参考。

超声横波三维成像;混凝土;缺陷;检测

1 引 言

超声横波三维成像法已成为当前国内外无损检测混凝土缺陷的前沿技术。该技术以超声横波的反射理论为基础，结合无需耦合剂的多触点干式检波器、“合成孔径聚焦技术”(SAFT,Synthetic Aperture Focusing Technique)和三维层析成像技术，能对混凝土内部缺陷埋深和形态特征精确成像[1,2](图1)。当前国内仅少数几家单位开展对该技术的研究工作，实际工程应用也处在初步阶段。本文通过采用先进的MIRA超声横波三维成像仪(图2)探测混凝土内钢筋和缺陷情况的试验研究，探讨波速、频率对超声横波三维成像检测结果的影响，为该技术工程应用提供参考*Low-Frequency Ultrasonic Tomographer Operation Manual[M],Evanston,GERMAN INSTRUMENTS,Inc.，2015.。

图1 超声横波三维成像法检测成果展示Fig.1 Display of the detecting results of ultrasonic S-wave 3D imaging method

图2 MIRA超声横波三维成像仪与三维检测成像展示Fig.2 Display of the detecting results of MIRA S-wave 3D imaging instrument

2 波速的影响

2.1 SAFT原理

超声横波三维成像法采用48道干式点接触传感器“发射-接收”信号，以“合成孔径聚焦技术”(SAFT)作为信号的主要处理方法。在声学射线反射模型中超声波传感器作为点相位发射信号，信号呈锥形向混凝土内部传播，锥形的角度取决于传感器的直径和焦距。当传感器下方混凝土内存在缺陷时，信号将会在缺陷表面形成反射波，通过分析反射波旅行路径和时间即可推断出缺陷埋深。然而大孔径的传感器制造复杂、使用不便，故研发生产了使用多道小尺寸传感器以阵列方式排布的传感器“天线阵列”。然而“天线阵列”中传感器排布存在偏移距，所采集的波形存在相位移动，导致缺陷成像扭曲(图3)，解决这一问题就需要采用合成孔径聚焦技术[3-9]。

如图4所示，如果“天线阵列”中第1个传感器与缺陷距离为d1(mm),而与天线阵列缺陷正上方距离为L1(mm)，当天线阵列与缺陷的垂直距离为h(mm)时，三者关系为

(1)

则第n个传感器距离dn(mm)为

(2)

超声横波在被测混凝土内传播速度为v(m/s),则每个检波器收到信号的传播时间tn(μs)与距离Ln(mm)关系为：

(3)

通过对不同传感器采集的信号分别加以延时，并进行叠加凸显异常反射，即可重建缺陷埋深和形态，这便是SAFT的基本原理(图5)。其中，混凝土波速v将直接影响信号合成“聚焦”位置和缺陷重建时的深度。

图3 缺陷探测成像扭曲示意图Fig.3 Schematic diagram of the imaging distortion of detecting defects

图4 天线阵列缺陷探测原理示意图Fig.4 Schematic diagram of detecting defects of antenna array

图5 信号合成孔径聚焦处理示意图Fig.5 The processing schematic diagram of signal synthetic aperture focusing(SAFT)

2.2 试验研究

通过采用MIRA(据仪器厂家解释，“MIRA”主要定义为特定仪器名称。仪器全称为“ultrasonic low-fraquency tomograph A1040 MIRA”。一般均用简写，未将“MIRA”含义展开使用。)超声横波三维成像仪，分别以1 600 m/s、2 000 m/s、2 200 m/s、2 400 m/s和3 000 m/s预设波速对某水电站混凝土面板厚度及钢筋埋设情况进行探测，其中2 400 m/s为该部位混凝土超声横波实际波速。混凝土面板设计厚度450 mm，内部采用双层钢筋设计，钢筋埋深分别为5 cm和20 cm，钢筋直径为25 mm。

图6为不同预设波速探测成像剖面图，图中无异常区域为深蓝色，以黄色表示轻微异常、红色表示强烈异常(如缺陷、钢筋或面板自由界面等)。当以小于混凝土实际波速的1 600 m/s和2 000 m/s作为预设波速进行探测时，剖面成像图中钢筋和界面反射极不明显，难以识别出有效信息。

当以2 200 m/s预设波速进行探测时(图7)，在50 mm深度位置出现轻微钢筋反应；在埋深200 mm处图像右侧钢筋以明显红色圆形强反应出现，但中部和左侧两处反应均十分微弱；而在370 mm深度时，再次出现轻微圆形状异常，从该异常形态难以确定其为钢筋或是面板底部临空面。当以该部位混凝土横波实际传播速度2 400 m/s进行探测时，可以从剖面成像图中清晰识别出深度50 mm处圆形状钢筋，以及在深度250 mm处图像右侧间距约为100 mm的两处钢筋；此外，在深度450 mm处，剖面图像中出现条状较强烈异常反应，通过参照设计面板厚度可以确定该处即为面板底部反应。

在以3 000 m/s预设波速进行探测时(图7)，剖面图像中在深度300 mm和540 mm处出现强烈异常反应。然而由于预设波速较大，上面两处深度强异常所分别代表的钢筋和面板底部位置均较实际大幅增加。此外，混凝土内埋设50mm处的钢筋在图像中已无法准确“聚焦”显示。

图6 超声横波预设波速探测成像Fig.6 The imaging pictures of ultrasonic shear wave to presuppose the wave velocity detection

图7 超声横波预设波速探测成像图Fig.7 The imaging pictures of ultrasonic shear wave to presuppose the wave velocity detection

因此，在混凝土超声横波三维成像检测中，当设定波速低于或超过实际波速10%后将严重影响成像准确度。在实际工程检测时可在检测部位临近的完整混凝土区域进行多次波速值测定，并采用其平均值；此外，虽然超声横波三维成像仪采用的干式点接触传感器无需耦合剂即可与测试混凝土表明接触良好，但在波速测定和缺陷探测时应去除混凝土表面附着物(如尘土、胶质保护层以及混凝土析出物等松散层)，以免对测试结果产生影响。

3 频率的影响

3.1 超声横波的衰减

超声横波在混凝土内部传播过程中因散射和黏滞作用影响，其强度会存在不同程度的衰减；一般而言混凝土内部骨料越不均匀、传播距离越大，这种衰减越明显。超声横波检测主要基于声波反射法理论，需要通过获取反射波信号来确定缺陷状态，如果超声横波在混凝土中衰减过大、过快，就难以到达缺陷位置并通过反射带回有效信息。

超声横波在混凝土内衰减情况可简单表示为

N=N0e-Q L

(4)

其中，Q为混凝土衰减系数(dB/mm)；L为超声横波传播路径长度(mm)；N为超声横波在混凝土内经传播路径L后的强度(dB)；N0为超声横波发射初始强度(dB)。

而衰减系数Q与入射超声横波频率直接相关，其关系为

Q=b·f

(5)

其中，b为相关系数，单位：dB/(Hz·mm)，f为入射超声波频率(Hz)。

上式表明，当检测同种混凝土时，入射超声横波频率越大，其在混凝土传播衰减越明显，穿透能力越低；而频率越低时，超声横波传播衰减越小，穿透能力越强。

此外大量研究表明，不同频率的超声波对不同尺寸的缺陷探测精度存在较大差异。采用超声波频率越高，能探测的缺陷尺寸越小；而频率越低时，对小尺寸缺陷探测能力越低。当采用超声波频率与缺陷尺寸满足下式时探测反应越明显，即

(6)

其中，S为钢筋或缺陷尺寸(m)；f为入射超声波频率(Hz)；v为超声波波速(m/s)；

3.2 试验研究

MIRA超声横波三维成像仪“天线阵列”中采用48道可调制频率范围为25～80 kHz的点式压电传感器。通过采用不同频率的超声横波对某水电站大坝混凝土内埋设钢筋进行探测，分析其对成像结果的影响。其中，混凝土内埋设钢筋直径为25 mm，深度200 mm，排布间距100 mm。

1)在图8中当探测频率为25 kHz和30 kHz时，在剖面成像图中于埋深200 mm位置存在4处清晰的“圆形状”钢筋反应，并显示其间距约为50～100 mm。但在两幅成像图中，第三根钢筋图像形态呈现“扁圆”状，宽度约是其余3根的两倍。

图8 25～40 kHz频率超声横波探测剖面成像Fig.8 The sectional imaging pictures of ultrasonic shear wave detecion on frequency 25～40 kHz

在采用频率为35 kHz、40 kHz探测时，剖面成像图中两种频率均能准确探测钢筋深度，但钢筋“圆形”尺寸均较之前两幅成像图小；特别是第3根钢筋，其形态已从“扁圆”过渡到“圆形带拖尾”状。此外，于钢筋层上方出现明显细小尺寸异常，表明系统“聚焦”异常尺寸随频率增大而变小。

2)在图9中，当探测频率为45 kHz、50 kHz时的剖面成像图显示钢筋显示尺寸更小，钢筋间距更加分明，并且在图8中宽度较大的第3根钢筋，也已与其余钢筋宽度基本一致，特别在45 kHz成像图中明显分离成为两处强反应。从中可以得出，当探测采用的超声横波频率较小时，小于其识别尺寸精度的异常无法准确区分。随着检测频率提高到55 kHz、60 kHz，成像图中钢筋图像开始扭曲，钢筋层上、下方的小尺寸异常逐渐增多、增强。表明系统对小尺寸异常的“聚焦”能力在增强，而对直径为25 mm的钢筋的“聚焦”能力却在减弱。

3)随着探测频率提高到65～80kHz，超声波衰减逐渐增大，图10中所示钢筋图形也愈加扭曲。当采用70 kHz时，剖面成像图已基本不能准确识别出4根钢筋形状和其排布间距；在80 kHz频率时，成像图中200 mm埋深处的钢筋反应已十分微弱。此外，在频率从65 kHz逐渐提高80 kHz时，钢筋层上方的小尺寸异常强度并未继续增强，而呈减弱态势。说明随着探测频率增大，虽然对小尺寸异常的识别能力在增强，但由于混凝土对超声波的衰减剧增，反而会导致小尺寸异常的反应减弱。

因此在采用超声横波三维成像对混凝土内部钢筋或缺陷探测时，有必要对混凝土内部结构和探测目标的可能埋深、尺寸进行预估，并选定合适频率的超声横波进行探测；此外，可采用不同频率进行多次探测以识别不同尺寸、不同埋深的异常目标。

图9 45～60 kHz频率超声横波探测剖面成像Fig.9 The sectional imaging pictures of ultrasonic shear wave detecion on frequency 45～60 kHz

图10 65～80 kHz频率超声横波探测剖面成像Fig.10 The sectional imaging pictures of ultrasonic shear wave detecion on frequency 65～80 kHz

4 结 语

超声横波三维成像法是一种新型的混凝土内部缺陷无损检测技术，其不受电磁屏蔽影响、抗干扰性强，探测结果直观、形象。在工程应用中，为实现对异常体的尺寸和形态准确成像，应重视预设波速和探测频率的影响。当计算波速小于或大于实际波速10%时，不仅可能导致对缺陷无法“聚焦”，对缺陷的成像深度也会出现较大偏差；实际工作时应在作业现场对混凝土横波速度多次测试，并采用其平均值。此外，不同的探测频率对于不同埋深和尺寸缺陷的识别能力差别较大，现场工作前应通过预估和试验的方式确定合适的探测频率。

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The Study on Accuracy Effects of Ultrasonic S-wave 3D Imaging Method to Detect Defects of Concrete

Zhu Yanmei，Fan Minjin，Sha Chun

(SichuanHydropowerEngineeringInvestigationCo.,Ltd.,ChengduSichuan610072,China)

The application of ultrasonic S-wave 3D imaging method to detect the defects of hydraulic concrete is still in the primary stage in China. This paper,based on the MIRA S-wave 3D imaging instrument,through the analysis of the detection principle,combined with the experimental study on the velocity and frequency of ultrasonic wave detects,its imaging depth and its effect of identification occuracy on steelsand tiny abnormity body. The results show that the depth of defect imaging will appear larger deviation,when the difference between calculative wave velocity and the actual is up to 10% or more. We need to estimate and test on the spot to determine the appropriate frequency for the difference of detection frequencies has larger difference in recognition capacity between different embedding depth and defect size. In addition,this paper gives some suggestions on adopting S-wave 3D imaging method to detect the measure of shear wave velocity when defects exist and how to choose the frequency which provides reference for the technology of engineering application.

ultrasonic S-wave 3D imaging; concrete; defect; detection

1672—7940(2016)06—0739—07

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.06.009

朱燕梅(1980-)，女，工程师，主要从事水电水利工程物探勘测及检测方法技术研究与应用工作。E-mail: 550581819@qq.com

P631.5

A

2016-03-21