彭雙光 劉志華 陳倩茹

摘要：超聲波無(wú)損檢測(cè)方法及信號(hào)處理為高速公路路面的檢測(cè)研究提供了必要的理論基礎(chǔ)。根據(jù)高速公路的路面結(jié)構(gòu)，建立起多傳感器測(cè)試模型，把多傳感器合成孔徑聚焦技術(shù)應(yīng)用在高速公路水泥路面的超聲波檢測(cè)中。文章分析了在不同路面情況下，接收端各傳感器接收到的頻域信號(hào)特點(diǎn)，并驗(yàn)證Multi-SAFT在缺陷處聚焦的可行性。

關(guān)鍵詞：超聲波;高速公路路面;多傳感器;合成孔徑聚焦技術(shù)

1引言

高速公路在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活中占有重要地位，近幾十年高速公路在世界各國(guó)得到迅速發(fā)展，它不但是交通現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，也是國(guó)家現(xiàn)代化的標(biāo)志。隨著高速公路重心逐步向中、西部地區(qū)推移，東南沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)就要加強(qiáng)路面維護(hù)，從而使養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)[1]。

超聲波在非金屬材料的無(wú)損檢測(cè)和頻譜分析方法在材料的缺陷檢測(cè)、組織結(jié)構(gòu)表征、材料性能評(píng)價(jià)等方面得到了推廣應(yīng)用[2]，本文將超聲波應(yīng)用在高速公路路面的檢測(cè)中，并根據(jù)多傳感器檢測(cè)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)提取和實(shí)驗(yàn)。

2高速公路水泥路面模型分析

2.1高速公路路面的結(jié)構(gòu)模型

通常按照各個(gè)層面功能的不同，公路路面結(jié)構(gòu)一般由面層、基層和路基層三層組成[3]。根據(jù)材質(zhì)和公路等級(jí)，各層結(jié)構(gòu)厚度會(huì)有所不同。本文的檢測(cè)對(duì)象為水泥混凝土路面，這是一種剛性大、荷載擴(kuò)散能力強(qiáng)且穩(wěn)定性好的結(jié)構(gòu)[4]。面層厚度一般為20cm，基層為20-40cm，而路基的厚度變化范圍是比較大的，最小厚度為15cm。

2.2多傳感器模型

系統(tǒng)采用型號(hào)為50K-P28F非金屬式低頻直傳感器，頻率為50KHz，壓電陶瓷晶片尺寸為Φ28mm。高速公路檢測(cè)中通常借助小車(chē)來(lái)安放檢測(cè)裝置。系統(tǒng)中采用多傳感器檢測(cè)模型，用8對(duì)收發(fā)分置的傳感器對(duì)，發(fā)射端均平行于接收端陣列，且發(fā)射和接收各陣列中兩相鄰傳感器間距相等。

結(jié)合小車(chē)的行駛速度和方向，最終可轉(zhuǎn)換到收發(fā)分置型一發(fā)多收式模型。收發(fā)陣列呈最近距離排列，兩陣列間距設(shè)為固定值45mm，接收陣列中各傳感器間距設(shè)為48mm，16個(gè)傳感器均固定在車(chē)身底面。傳感器放置平面圖如圖1所示。T1，T2……為發(fā)射傳感器，R1，R2……為接收傳感器。

設(shè)定小車(chē)的速度為，超聲波在路面中的傳播速度約為。兩者速度相差10倍以上，可認(rèn)為小車(chē)在超聲波檢測(cè)過(guò)程中相對(duì)靜止。小車(chē)前進(jìn)的方向?yàn)橛山邮斩说桨l(fā)射端的方向，從而當(dāng)發(fā)射端T1，T2……中的任一傳感器發(fā)射信號(hào)時(shí)，接收端傳感器R1，R2……同時(shí)接收回波信號(hào)。此檢測(cè)模型采用切換電路進(jìn)行發(fā)射傳感器間的切換，來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器收發(fā)分置式一發(fā)多收的超聲檢測(cè)方式。第一次由傳感器T1發(fā)射，接收端R1，R2……全陣列接收;第二次由傳感器T2發(fā)射，接收端R1，R2……全陣列接收;依此類(lèi)推。

3多傳感器SAFT檢測(cè)技術(shù)

合成孔徑聚焦技術(shù)（SAFT）實(shí)際上就是利用各種點(diǎn)源超聲傳感器來(lái)合成大孔徑超聲傳感器[5]。多傳感器合成孔徑聚焦技術(shù)（Multi-SAFT）[6]利用的是收發(fā)分置式檢測(cè)模型，在同一聲源處，采用單一信號(hào)激勵(lì)發(fā)射傳感器，把各接收傳感器接收到的回波信號(hào)采集存入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行缺陷處的信號(hào)疊加[7]。接收傳感器基本能將缺陷回波信號(hào)接收，使缺陷回波有用信號(hào)丟失較少。依次改變發(fā)射傳感器的位置，根據(jù)各發(fā)射端到達(dá)缺陷點(diǎn)的位置，計(jì)算出聲程和時(shí)延，最后把不同時(shí)間依次發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行虛擬延時(shí)發(fā)射來(lái)定點(diǎn)聚焦[8]。通過(guò)計(jì)算機(jī)把數(shù)值信號(hào)進(jìn)行非實(shí)時(shí)聚焦，能集中能量到探測(cè)區(qū)，使得接收到的被測(cè)點(diǎn)散射信號(hào)達(dá)到最大限度。

缺陷處的合成孔徑聚焦圖如圖2所示，聲源點(diǎn)固定不變時(shí)，A、B、C……分別為接收傳感器的測(cè)試點(diǎn)。依次移動(dòng)接收傳感器到移動(dòng)的直線距離相當(dāng)于實(shí)際需要的陣列傳感器的長(zhǎng)度。

4檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果分析

4.1現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境及模型

實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)采用的是雙探頭傳感器進(jìn)行發(fā)射和接收，通過(guò)波形發(fā)生器發(fā)射脈沖驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路，存儲(chǔ)每組實(shí)驗(yàn)測(cè)得的信號(hào)數(shù)據(jù)和回波波形。水泥路面檢測(cè)的具體情況如圖3所示。第一組為發(fā)射接收傳感器均在路面無(wú)損狀況下的測(cè)試;第二組為發(fā)射傳感器在裂縫上，傳感器陣列均平行于第一組陣列的測(cè)試;第三組為發(fā)射傳感器位于裂縫一邊，接收傳感器均位于裂縫的另一邊的測(cè)試。

4.2測(cè)試數(shù)據(jù)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集到的回波信號(hào)，進(jìn)行兩種不同方法的比較。第一種，在同一組測(cè)試情況下，比較不同位置接收到的回波信號(hào)，并分析頻譜圖中一些特征參數(shù)隨距離變化的規(guī)律。第二種，在固定測(cè)距的情況下，通過(guò)頻譜分析和信號(hào)處理方法比較不同路面狀況的特點(diǎn)[9]，隨后對(duì)其同一發(fā)射信號(hào)不同接收端的信號(hào)進(jìn)行疊加，分析無(wú)損和有缺陷情況下回波信號(hào)的規(guī)律。

三組測(cè)試情況下，接收陣列接收到的回波信號(hào)經(jīng)FFT變換得到的頻譜圖如圖4所示：

圖4中a）得出在路面無(wú)損狀況下，隨著收發(fā)傳感器間距的增大，接收信號(hào)幅值明顯變小。當(dāng)收發(fā)間距為4cm時(shí)，路面反射回的三次回波分界線很明顯;當(dāng)收發(fā)間距約為20cm時(shí)，信號(hào)的三次回波也可以分辨出;當(dāng)收發(fā)間距大于28cm時(shí)，接收到的回波信號(hào)波形、幅值變化都不大，頻移變化范圍也相應(yīng)減小。

圖4中b）得出發(fā)射傳感器置于裂縫上時(shí)，波形變化沒(méi)有無(wú)損狀況時(shí)明顯，路面反射回的三次回波分界線不明顯。隨著收發(fā)間距的增大，回波信號(hào)有一定的頻移，頻移范圍逐漸減小，越來(lái)越不明顯;信號(hào)幅值變化也很小，不明顯，接收到的信號(hào)幅值均小于60mV。

圖4中c）得出收發(fā)傳感器置于裂縫兩邊時(shí)，裂縫上的2號(hào)傳感器接收到的三次回波明顯，頻譜圖回波信號(hào)幅值相對(duì)較大，頻移也較明顯。接收端在4、5、6、7、8號(hào)位置時(shí)，回波信號(hào)的各次回波無(wú)明顯分界線，較難分辨;且隨著收發(fā)間距的增大，頻移變得不明顯，頻移范圍逐漸減小。

上述各頻譜圖中幅值出現(xiàn)了一個(gè)極大值，其對(duì)應(yīng)的是基波。根據(jù)基波幅值大小、聲壓衰減等來(lái)比較三種路面狀況的強(qiáng)度和材料密度[10]。同一測(cè)距條件下的結(jié)果分析如下：雙傳感器均在表面無(wú)損路面的信號(hào)幅值大，聲壓衰減小，強(qiáng)度大，材料密度大。收發(fā)傳感器分置于裂縫兩端信號(hào)幅值小，聲壓衰減大，強(qiáng)度小，材料密度小。發(fā)射傳感器置于裂縫上信號(hào)幅值中，聲壓衰減中，強(qiáng)度中，材料密度中。

將檢測(cè)到的回波信號(hào)進(jìn)行疊加并比較三種路面狀況下接收端聚焦的情況，比較疊加后的頻譜圖，如圖5所示。

a）圖為收發(fā)雙傳感器均在路面無(wú)損狀況下，所有接收傳感器接收到的信號(hào)疊加時(shí)，信號(hào)幅值最大值為100mV左右，頻率范圍很寬，聲束擴(kuò)散性大。b）圖和c）圖中，當(dāng)合成后的大孔徑傳感器位于裂縫上時(shí)，疊加后信號(hào)的主頻處幅值都接近300mV，比a）圖中的大很多。從而證明了利用Multi-SAFT在缺陷處聚焦的可行性，當(dāng)掃描到缺陷時(shí)，接收到的回波疊加信號(hào)比無(wú)缺陷點(diǎn)時(shí)的信號(hào)明顯增強(qiáng)。

5總結(jié)

通過(guò)建立多傳感器測(cè)試模型，分別在幾種不同路面狀況下，對(duì)同一聲源不同間距條件下接收到的回波信號(hào)及頻譜變化規(guī)律進(jìn)行分析。對(duì)比分析了間距相同條件下不同路面狀況時(shí)的頻譜圖，并對(duì)其強(qiáng)度、材料密度進(jìn)行比較。從而證明了Multi-SAFT在高速公路路面缺陷處聚焦的可行性。

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