徐俊濤 王強(qiáng) 朱凱 吳錦豪 吳珂

摘要：為研究合成孔徑聚焦成像技術(shù)在混凝土缺陷識(shí)別中的應(yīng)用，先后采用常規(guī)的超聲脈沖法（探頭頻率50 kHz）與合成孔徑聚焦成像法（探頭頻率50 kHz，32陣元）對(duì)預(yù)制缺陷的混凝土試塊進(jìn)行檢測(cè)對(duì)比，分析混凝土內(nèi)部預(yù)制缺陷在兩種超聲檢測(cè)方法中的成像特征。研究結(jié)果表明，傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)方法無(wú)法準(zhǔn)確判斷出混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷，且對(duì)缺陷尺寸信息的獲取較少。采用合成孔徑聚焦成像法獲得混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的二維 B 掃圖像可以準(zhǔn)確識(shí)別出50 mm 深度以下，缺陷橫向直徑為40 mm，縱向厚度為3 mm 的空洞缺陷，并能夠準(zhǔn)確讀取該缺陷在混凝土試塊中的相對(duì)位置信息，從而達(dá)到定量分析的目的。

關(guān)鍵詞：無(wú)損檢測(cè);混凝土;空洞;超聲脈沖法;合成孔徑聚焦成像法

中圖分類(lèi)號(hào)： TU528.1;TB9文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1674–5124（2021）12–0047–05

Experimental analysis of concrete defect detection based on synthetic aperture focusing technology

XU Juntao1，WANG Qiang1，ZHU Kai1，WU Jinhao1，WU Ke2

（1. College of Quality and Safety Engineering， China Jiliang University， Hangzhou 310018， China;2. School of Civil Engineering， Zhejiang University， Hangzhou 310058， China）

Abstract： Inordertostudytheapplicationofsyntheticaperturefocusingimagingtechnologyinthe identificationofconcretedefects，conventionalultrasonicpulsemethod （probefrequency 50 kHz） and synthetic aperture focusing imaging method （probe frequency 50 kHz， 32 elements） were used to carry out precast defects on concrete test blocks. Inspection and comparison， analysis of the imaging characteristics of concrete internal precast defects in two ultrasonic inspection methods. The research resultsshow that the traditional ultrasonic inspection method cannot accurately determine the internal structural defects of concrete， and the information on the size of the defects is less obtained. Using synthetic aperture focusing imaging method to obtain two-dimensional B-scan images of concrete internal structure can accurately identify void defects with a depth of less than 50 mm， a defect with a transverse diameter of 40 mm and a longitudinalthickness of 3 mm， and can accurately read the relative position information of the defect in thde concrete block， so as to achieve the purpose of quantitative analysis.

Keywords ： non-destructive testing; concrete; cavity; ultrasonic pulse method; synthetic aperture focusing imaging method

0 引 言

當(dāng)前被廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、隧道等各類(lèi)大型基礎(chǔ)設(shè)施建造中的混凝土是由骨料、水、水泥、沙等摻合料混合加工而成的復(fù)合材料[1]。由于在使用混凝土材料進(jìn)行建筑施工時(shí)，其施工條件以及工藝等因素，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)裂縫、空洞、蜂窩等不同類(lèi)型的缺陷[2]，一旦混凝土內(nèi)部缺陷達(dá)到一定程度將產(chǎn)生安全隱患，極有可能發(fā)生一系列非必要的安全生產(chǎn)事故，造成不必要的損失。因此，測(cè)定混凝土缺陷位置，準(zhǔn)確對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估成為混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測(cè)的一個(gè)核心問(wèn)題。

目前國(guó)家實(shí)施的 CECS?21：2000《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》[3] 中檢測(cè)不密實(shí)區(qū)和空洞時(shí)，將測(cè)得的數(shù)據(jù)按照概率法[4] 進(jìn)行篩選判斷，通過(guò)計(jì)算波幅、聲速、頻率等聲學(xué)參數(shù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)確定異常值。使用概率法判定缺陷需要重復(fù)迭代運(yùn)算，特別是測(cè)點(diǎn)較多時(shí)，計(jì)算統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)量大，計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，且存在其他非缺陷因素的影響，容易造成誤判。

隨著超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，以及其基礎(chǔ)理論研究和儀器設(shè)備的不斷開(kāi)發(fā)，混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)也取得了很大進(jìn)展。?？〗艿萚5] 利用合成孔徑聚焦成像技術(shù)分別對(duì)模擬試塊和混凝土進(jìn)行三視圖的二維成像，清晰的得到了缺陷位置信息。鄭丹等[6] 通過(guò)對(duì)混凝土試塊進(jìn)行高溫試驗(yàn)，研究混凝土在高溫?fù)p傷情況下超聲波速和非線(xiàn)性超聲系數(shù)的演化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可用于評(píng)估測(cè)量混凝土結(jié)構(gòu)高溫低損傷情況。周迪等[7] 在研究沖擊回波法檢測(cè)混凝土缺陷時(shí)，提出一種將小波變化與傅里葉變換相結(jié)合的信號(hào)處理方法，抑制了傅里葉譜中的多個(gè)波峰，提高了信號(hào)的特征頻率清晰度和準(zhǔn)確性。FRAN?OIS?S?P 等[8] 通過(guò)比較現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際混凝土 UPV（超聲脈沖速度）與完好混凝土試塊 UPV 提出一種 CQD 評(píng)估混凝土建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量的方法，該方法能夠確定相對(duì)于未受損狀態(tài)的損傷程度并呈現(xiàn)出混凝土結(jié)構(gòu)整體狀況的等高線(xiàn)圖。HAM?S 等[9] 通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)化的弱散射模型證明了表面波沿反向投射的散射場(chǎng)對(duì)亞波長(zhǎng)散射體比較敏感，并由此提出了一種用非接觸式超聲表面波背散射場(chǎng)來(lái)表征大型混凝土結(jié)構(gòu)中的分布式裂縫損傷的無(wú)損檢測(cè)方法。 ASADOLLAHI A 等[10]通過(guò)使用超聲波干點(diǎn)接觸傳感器采集數(shù)據(jù)，解決了逆時(shí)偏移成像技術(shù)所需內(nèi)存大，成本高的問(wèn)題。LAURETI S 等[11]將壓電復(fù)合換能器獲與脈沖壓縮處理技術(shù)相結(jié)合，在55 mm 覆蓋深度下可很好地從包含10mm 骨料的混凝土中區(qū)分出直徑20 mm 的鋼筋。LIN S 等[12]將合成孔徑聚焦成像技術(shù)與多層延遲求和法相結(jié)合來(lái)處理陣列成像儀等超聲設(shè)備的原始數(shù)據(jù)，明顯改善了多層混凝土結(jié)構(gòu)的超聲成像效果。CHOI P 等[13]采用基于合成孔徑聚焦成像算法的 MIRA 儀器對(duì)混凝土路面、橋墩、跑道等進(jìn)行缺陷檢測(cè)，結(jié)果表明 MIRA 能準(zhǔn)確檢測(cè)到混凝土內(nèi)部的鋼筋位置和分層。

本文首先使用超聲脈沖法對(duì)混凝土試塊進(jìn)行缺陷檢測(cè)，分析聲學(xué)參數(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)缺陷中的特征顯示，再利用基于合成孔徑聚焦成像技術(shù)的 MIRA 超聲儀器對(duì)混凝土試塊進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比兩種檢測(cè)方法在檢測(cè)混凝土內(nèi)部缺陷的能力。

1基于合成孔徑聚焦成像的超聲檢測(cè)法

采用陣列超聲成像法并利用合成孔徑聚焦成像后處理算法（SAFT）分別對(duì)完整混凝土試塊和含空洞缺陷的混凝土試塊進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)系統(tǒng)的探頭采用4×8的陣列方式排布，共8個(gè)通道，每個(gè)通道包含4個(gè)超聲探頭，每個(gè)探頭即可作為超聲信號(hào)的發(fā)射端，也可作為接收端。如圖1最左側(cè)第一排通道首先激發(fā)超聲信號(hào)，其余7個(gè)通道接收回波信號(hào)，然后下一排通道激發(fā)超聲信號(hào)，右側(cè)剩余超聲探頭接收回波信號(hào)，直至前7排通道都已激發(fā)過(guò)超聲信號(hào)。單次檢測(cè)可獲得28條超聲信號(hào)，將接收到的回波信號(hào)通過(guò) SAFT 后處理算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)难訒r(shí)處理獲得二維掃描圖像。

如圖2，天線(xiàn)陣列中第一個(gè)探頭 N1與缺陷 P 之間的直線(xiàn)距離為 L1，缺陷 P 到檢測(cè)水平面的垂直距離為 h，缺陷P 到第一個(gè)探頭 N1的水平橫向距離為 D 。其關(guān)系式為：

則第 Ni 個(gè)探頭與缺陷 P 之間的距離 Li 為：

每個(gè)探頭接收到來(lái)自缺陷 P 的回波時(shí)間為：

其中 V 為超聲波在混凝土試塊中的傳播速度，通過(guò)對(duì)不同位置的探頭接收的超聲波進(jìn)行延時(shí)疊加處理并取其平均值，所得到的即為該缺陷P處的聚焦信號(hào)：

式中G（Di ， ti）為在第i個(gè)探頭處來(lái)自缺陷 P 的回波信號(hào)。

該設(shè)備采用干耦合點(diǎn)接觸探頭（dry point contact），簡(jiǎn)稱(chēng) DPC 探頭。DPC 探頭已經(jīng)被證實(shí)可以緩解信號(hào)變化和探頭位置不穩(wěn)定帶來(lái)的誤差影響[14]。DPC 探頭利用彈簧彈力實(shí)現(xiàn)與混凝土表面耦合，無(wú)需耦合劑避免因耦合劑涂抹不均造成的誤差。

傳統(tǒng)的超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中一般都采用的超聲波類(lèi)型是縱波，而在陣列超聲成像法中采用的超聲波類(lèi)型是橫波。

在無(wú)限大的固體介質(zhì)中的縱波 VP 與橫波 VS 聲速分別為[15]：

式中：E——介質(zhì)彈性模量;

?——介質(zhì)泊松比;

ρ——介質(zhì)密度

由公式（5）和（6）可看出，在同一固體介質(zhì)中????? （本文為混凝土試塊），縱波速度約為1.6倍的橫波速度。根據(jù)T =λ/C，在相同頻率下，速度越小，其波長(zhǎng)也越小，分辨率就越高，因此與縱波探頭相比，采用橫波探頭能檢測(cè)到更加細(xì)小的缺陷和夾雜物。

2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1實(shí)驗(yàn)材料

本試驗(yàn)以普通硅酸鹽水泥、水、碎石作粗骨料、黃沙作細(xì)骨料為原材料，按水泥∶石子∶砂∶水=1.00∶3.03∶1.36∶0.45配合比制作了強(qiáng)度為 C30[16]的300 mm×150 mm×100 mm 的完整長(zhǎng)方體混凝土試塊以及預(yù)制了內(nèi)含空洞尺寸為150 mm×40 mm×3 mm 的混凝土試塊，如圖3所示。

2.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程

超聲脈沖法采用 NM-4A 非金屬超聲檢測(cè)分析儀，參照 CECS 21：2000《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的超聲法測(cè)不密實(shí)區(qū)和空洞的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施檢測(cè)。本文采用超聲對(duì)側(cè)法的方法選取50 kHz 探頭進(jìn)行檢測(cè)，按照?qǐng)D4中的布點(diǎn)從左至右，從上往下方向進(jìn)行逐點(diǎn)檢測(cè)。并對(duì)存疑的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行多次復(fù)測(cè)以減少偶然性。圖5為實(shí)際檢測(cè)圖，檢測(cè)過(guò)程中采用凡士林為耦合劑，涂抹均勻。

檢測(cè)設(shè)備為俄羅斯 ACS 公司制造的 MIRA1020陣列超聲成像檢測(cè)儀，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1所示。將儀器置于300 mm×150 mm 一面的上方利用 DPC 探頭的彈簧彈力實(shí)現(xiàn)耦合，將模擬增益調(diào)節(jié)至15 dB，探頭頻率設(shè)置為50 kHz 激發(fā)超聲橫波信號(hào)檢測(cè)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1超聲脈沖法檢測(cè)結(jié)果分析

完整試塊與含空洞缺陷試塊的聲學(xué)參數(shù)變化情況，如圖7所示。對(duì)于完整混凝土試塊圖7（ a ），完整混凝土試塊測(cè)得的平均聲速為3.75km/s，聲速的標(biāo)準(zhǔn)差為0.029 km/s，由此可見(jiàn)完整混凝土的各區(qū)域聲速值離散程度相對(duì)較小。但幅值相對(duì)聲速而言波動(dòng)較為明顯，幅值平均值為111.79 dB，標(biāo)準(zhǔn)差為3.37 dB 明顯高于聲速。最大幅值出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)1，為118.65 dB，最小值出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)19，幅值為101.27 dB，兩者相差17.4 dB，變化幅度為17.2%。對(duì)于含空洞的缺陷試塊來(lái)說(shuō)，測(cè)點(diǎn)9以及測(cè)點(diǎn)27的聲速值分別為3.97 km/s、3.91 km/s 都超過(guò)了3.9 km/s，特別是測(cè)點(diǎn)5，其聲速值為3.38 km/s 明顯小于其他測(cè)點(diǎn)位置的數(shù)值，由聲速可以確定測(cè)點(diǎn)5存在空洞缺陷，但無(wú)法辨別出其余位置的缺陷。圖7（b）可以看出，測(cè)點(diǎn)12（100.03 dB ）、13（94.99 dB ）、15（103.52 dB ）、20（98.26 dB ）、21（88.78 dB ）、28（102.25 dB ）、29（86.99 dB ）、32（100.78 dB）處的幅值明顯小于其余點(diǎn)位，但是實(shí)際預(yù)制缺陷所在位置為測(cè)點(diǎn)4、5、12、13、20、21、28、29區(qū)域，與事實(shí)不符。無(wú)論是完整試塊測(cè)得的幅值還是含缺陷試塊測(cè)得的幅值，其數(shù)值波動(dòng)都非常明顯。造成該現(xiàn)象是由于超聲探頭直徑為30 mm，直徑較大，加上混凝土試塊尺寸相對(duì)較小且混凝土本身結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，因此只能選則較低頻率的探頭，這也導(dǎo)致了超聲波波長(zhǎng)的增加，使得超聲探頭的擴(kuò)散角變大，超聲探頭的指向性變差，聲波在混凝土內(nèi)部傳播的路徑變得更為豐富，導(dǎo)致最后計(jì)算出來(lái)的聲速存在誤差;幅值對(duì)于細(xì)小缺陷或者一些極小的空洞反應(yīng)都較為敏感;對(duì)測(cè)法中耦合劑涂抹的均勻程度影響耦合條件的一致性，因此利用波幅值的判斷可能存在較大誤差。綜合上述聲學(xué)參數(shù)僅可以確定測(cè)點(diǎn)5存在空洞缺陷，無(wú)法確定其余位置的空洞缺陷。

3.2合成孔徑聚焦成像法檢測(cè)結(jié)果分析

合成孔徑聚焦成像法檢測(cè)結(jié)果以斷面影像的形式呈現(xiàn)出來(lái)即 B 掃圖像，結(jié)果更為直觀(guān)。對(duì)于完整混凝土試塊，圖8（ a ），在深度100 mm 處產(chǎn)生的反射圖像與實(shí)際混凝土厚度相符，即混凝土試塊的底部界面反射，且在該深度處的反射圖像總長(zhǎng)度為300 mm 與實(shí)際混凝土試塊長(zhǎng)度完全一致。但圖像并非連續(xù)，這是因?yàn)榛炷猎噳K尺寸較小，掃查時(shí)靠外側(cè)的探頭發(fā)出的超聲信號(hào)被混凝土邊界散射，導(dǎo)致兩側(cè)的信號(hào)相對(duì)中間信號(hào)弱，因此造成了圖像的不連續(xù)性?；炷猎噳K實(shí)際厚度為100 mm，對(duì)于含空洞缺陷的混凝土試塊，圖8（b），4×8超聲陣列中的8個(gè)通道，從左到右逐一發(fā)射超聲橫波信號(hào)，當(dāng)橫波信號(hào)遇到內(nèi)部深度50 mm 處的預(yù)置缺陷時(shí)產(chǎn)生超聲回波，通過(guò)接收探頭接收存儲(chǔ)每一個(gè)在缺陷位置產(chǎn)生的回波信號(hào)，通過(guò)合成孔徑聚焦成像技術(shù)對(duì)缺陷位置的回波信號(hào)進(jìn)行延時(shí)疊加求和，實(shí)現(xiàn)了大孔徑超聲探頭的聚焦特性，從而利用缺陷位置的聚焦信號(hào)得到二維圖像，實(shí)現(xiàn)了對(duì)缺陷位置的定位以及定量。在深度為50 mm 處可很明顯發(fā)現(xiàn)預(yù)制空洞缺陷的反射圖像，深度位置與實(shí)際（50 mm）相符。圖像中紅色區(qū)域?yàn)轭?lèi)似矩形的圖形，與實(shí)際空洞缺陷實(shí)際截面形狀基本一致，測(cè)量得到空洞的橫向尺寸（紅色區(qū)域部分）為40 mm，與實(shí)際預(yù)制的空洞尺寸大小相符，且在深度100 mm 處的產(chǎn)生了底部界面的反射圖像。

4結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文得出以下結(jié)論：

1）常規(guī)的超聲脈沖法可以利用聲速、幅值特征來(lái)對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)空洞缺陷進(jìn)行初步定性判斷，但是不能準(zhǔn)確檢測(cè)出空洞缺陷的全貌，會(huì)有漏檢現(xiàn)象發(fā)生且定量空洞缺陷的具體尺寸大小的能力不足。

2）采用4×8陣列排布超聲橫波傳感器的方式對(duì)每次提取的28條超聲信號(hào)進(jìn)行合成孔徑聚焦成像算法處理能夠檢測(cè)到混凝土結(jié)構(gòu)100 mm 處的底部界面可為混凝土結(jié)構(gòu)測(cè)厚提供參考。

3）從得到的二維截面圖像中能夠識(shí)別到50 mm 深度以下，缺陷橫向直徑為40 mm，縱向厚度為3 mm 的空洞缺陷從而做出較好的定量判斷。該方法可用于確定現(xiàn)場(chǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的修復(fù)邊界，制定有效的修復(fù)方案，減少工程量。

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（編輯：劉楊）