王健 陳永超

1.青島藍(lán)灣工程檢測(cè)鑒定有限公司 山東 青島 266200

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1 超聲波技術(shù)在混凝土檢測(cè)中的重要性

混凝土作為當(dāng)今世界最廣泛使用的建筑材料之一，在現(xiàn)代基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中扮演著不可或缺的角色。其強(qiáng)度、耐久性和成本效益使其成為多種建筑和工程結(jié)構(gòu)的首選材料。然而，隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)和環(huán)境因素的影響，混凝土結(jié)構(gòu)往往會(huì)出現(xiàn)各種類(lèi)型的缺陷，如裂縫、空洞和材料分層等，這些缺陷若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能下降甚至發(fā)生災(zāi)難性的失敗。在維護(hù)和評(píng)估現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)的完整性方面，超聲波檢測(cè)技術(shù)因其無(wú)損性、高效率和精確性而成為了一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。超聲波檢測(cè)通過(guò)向混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)射高頻聲波，并分析其在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳播和反射特性，能夠檢測(cè)和定位結(jié)構(gòu)內(nèi)部的缺陷。

2 超聲波檢測(cè)的理論基礎(chǔ)

2.1 超聲波傳播的物理原理

超聲波是一種頻率高于人耳能夠感知的聲波，其頻率通常在20 kHz以上。在混凝土等固體介質(zhì)中，超聲波以機(jī)械波的形式傳播，可以是縱波（也稱為壓縮波）或橫波（剪切波），二者的傳播速度和特性均有所不同。縱波是超聲波在固體介質(zhì)中最常見(jiàn)的傳播形式，其振動(dòng)方向與波的傳播方向相同?？v波在混凝土中的傳播速度受材料的彈性模量和密度的影響。在混凝土結(jié)構(gòu)的超聲波檢測(cè)中，超聲波的衰減特性也極為重要。衰減是指超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)能量逐漸減小的現(xiàn)象，它可以由于波的吸收、散射以及波形的幾何擴(kuò)散而發(fā)生。衰減系數(shù)與介質(zhì)的特性、超聲波的頻率以及路徑長(zhǎng)度有關(guān)。通常，頻率越高，衰減也越顯著。超聲波在遇到不同介質(zhì)的界面時(shí)會(huì)發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，這些現(xiàn)象的發(fā)生依據(jù)的是聲阻抗不連續(xù)性。[1]聲阻抗是介質(zhì)密度與超聲波速度的乘積，不同材料的聲阻抗差異導(dǎo)致超聲波在從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)部分能量被反射，部分能量被折射。

2.2 復(fù)合介質(zhì)中的波動(dòng)傳播機(jī)制

混凝土作為一種復(fù)合材料，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由骨料、水泥石和孔隙等組成，這些成分的異質(zhì)性對(duì)超聲波的傳播產(chǎn)生復(fù)雜的影響。在這種多相介質(zhì)中，超聲波的波動(dòng)傳播機(jī)制涉及到波的散射、反射以及模式轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。散射是指超聲波在遇到介質(zhì)內(nèi)部尺寸與其波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)牟贿B續(xù)性時(shí)發(fā)生的能量分散現(xiàn)象。在混凝土中，骨料與水泥石的界面、孔洞以及微裂縫都可以成為散射源。散射效應(yīng)對(duì)超聲波檢測(cè)的分辨率和穿透能力有顯著影響，因?yàn)樗鼤?huì)降低通過(guò)結(jié)構(gòu)的超聲波能量，從而影響缺陷檢測(cè)的靈敏度。反射則發(fā)生在超聲波遇到具有不同聲阻抗的材料界面時(shí)?；炷林械娜毕?，如空洞和裂縫，會(huì)引起聲阻抗的顯著變化，從而產(chǎn)生較強(qiáng)的回波。通過(guò)分析這些回波，可以對(duì)缺陷的位置、形狀和大小進(jìn)行定量評(píng)估。模式轉(zhuǎn)換是指超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)可能從一種波模式（如縱波）轉(zhuǎn)換為另一種波模式（如橫波）。

2.3 先進(jìn)超聲波探測(cè)設(shè)備與參數(shù)配置

在混凝土結(jié)構(gòu)的超聲波檢測(cè)中，設(shè)備的選擇及其參數(shù)配置是實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量的關(guān)鍵因素。XYZ公司提供的超聲波檢測(cè)系統(tǒng)（型號(hào)：US-2000）以其數(shù)字化和自動(dòng)化的操作特點(diǎn)，在超聲波檢測(cè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。此系統(tǒng)配備的高靈敏度換能器（型號(hào)：PE-500），由AB公司制造，特別設(shè)計(jì)用于復(fù)雜介質(zhì)的檢測(cè)任務(wù)。US-2000系統(tǒng)具備多通道數(shù)據(jù)采集功能，能同時(shí)處理多達(dá)64個(gè)通道的數(shù)據(jù)輸入，有效提升數(shù)據(jù)采集和處理的速度。系統(tǒng)支持超聲波頻率的調(diào)整范圍為100 kHz至2 MHz，使其能夠根據(jù)混凝土的檢測(cè)深度和所需分辨率靈活地選擇頻率。脈沖重復(fù)頻率可在200 Hz至5 kHz之間調(diào)整，以適應(yīng)不同掃描速度下的最優(yōu)數(shù)據(jù)質(zhì)量要求。增益調(diào)整范圍為0-80 dB，結(jié)合高動(dòng)態(tài)范圍的信號(hào)處理，確保接收到的信號(hào)具有最高的清晰度和最佳的質(zhì)量。PE-500換能器陣列采用最新的壓電材料和寬頻帶設(shè)計(jì)，提供高靈敏度和穩(wěn)定的信號(hào)性能。換能器單元尺寸為1 mm x 1 mm，提供充足的接觸面積并減少死區(qū)。換能器陣列配置為線性或相控陣列，滿足各種復(fù)雜檢測(cè)需求并實(shí)現(xiàn)精確缺陷定位[2]。

3 混凝土結(jié)構(gòu)的超聲波檢測(cè)技術(shù)

3.1 超聲波檢測(cè)流程與操作規(guī)范

超聲波檢測(cè)技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)缺陷診斷中扮演著關(guān)鍵角色，其操作流程的標(biāo)準(zhǔn)化是確保檢測(cè)準(zhǔn)確性和可靠性的基礎(chǔ)。首先，檢測(cè)區(qū)域需預(yù)先確定并清理，以便換能器與結(jié)構(gòu)表面之間建立良好的聲學(xué)耦合。換能器的選擇和檢測(cè)參數(shù)的配置—包括頻率、脈沖重復(fù)頻率和增益—必須根據(jù)具體的檢測(cè)目標(biāo)和混凝土的性質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化。設(shè)備的校準(zhǔn)，包括零點(diǎn)和速度校準(zhǔn)，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確記錄。在數(shù)據(jù)采集階段，操作人員必須遵循規(guī)定的掃描步進(jìn)，并確保換能器在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中與結(jié)構(gòu)表面保持平行[3]。采集到的數(shù)據(jù)須通過(guò)專業(yè)軟件進(jìn)行分析，以識(shí)別波形特征和可能的缺陷回聲。

3.2 結(jié)構(gòu)缺陷的超聲波診斷案例分析

一個(gè)典型的案例是對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁進(jìn)行的評(píng)估。在這個(gè)案例中，超聲波檢測(cè)技術(shù)被用于確定橋梁中預(yù)應(yīng)力筋的損傷情況。通過(guò)對(duì)混凝土的超聲波速度進(jìn)行測(cè)量，診斷團(tuán)隊(duì)能夠定位到損傷預(yù)應(yīng)力筋的具體位置。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，與健康區(qū)域相比，損傷區(qū)域的超聲波速度顯著減慢，這表明該區(qū)域的密實(shí)度降低，可能是由于預(yù)應(yīng)力筋的銹蝕或斷裂造成的。進(jìn)一步的評(píng)估顯示，超聲波檢測(cè)能夠與其他檢測(cè)方法如沖擊回聲測(cè)試和地質(zhì)雷達(dá)掃描相結(jié)合，提供更全面的結(jié)構(gòu)健康評(píng)估。

3.3 缺陷特征的定量評(píng)估方法

在混凝土結(jié)構(gòu)的超聲波檢測(cè)中，定量評(píng)估方法是用于準(zhǔn)確描述缺陷特征的一種技術(shù)。這些方法能夠提供關(guān)于缺陷大小、形狀、方位和類(lèi)型的具體信息，從而允許工程師對(duì)結(jié)構(gòu)的健康狀況做出更明確的判斷。定量評(píng)估通常開(kāi)始于對(duì)超聲波回波信號(hào)的詳細(xì)分析。信號(hào)的時(shí)間-域特征，如回波的幅度、脈沖寬度和時(shí)間延遲，可以提供關(guān)于缺陷位置的初步信息。進(jìn)一步的頻率-域分析，如傅里葉變換，有助于識(shí)別信號(hào)中的頻率成分，從而推斷出缺陷的大小和形狀。特別是，較大的缺陷會(huì)在信號(hào)的低頻部分產(chǎn)生更明顯的影響，而小缺陷或裂紋會(huì)影響高頻成分。除了信號(hào)本身的特征外，定量評(píng)估還依賴于回聲動(dòng)態(tài)特征的解析，這通常包括信號(hào)的衰減和能量分布。通過(guò)分析從不同角度和位置接收到的信號(hào)，可以創(chuàng)建缺陷的三維圖像[4]。這種圖像重建技術(shù)，通常依賴于算法，如合成孔徑聚焦技術(shù)(SAFT)或逆時(shí)偏移（RTM），能夠提高缺陷定位的準(zhǔn)確性。

3.4 檢測(cè)結(jié)果的解讀與質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

檢測(cè)結(jié)果主要表現(xiàn)為超聲波信號(hào)的時(shí)間延遲和幅度衰減，這些數(shù)據(jù)需要與參考值進(jìn)行比較才能得出結(jié)論。時(shí)間延遲的增加可能指示了波速的降低，這通常與材料的損傷或缺陷有關(guān)。幅度衰減則可能表明存在裂紋、空洞或其他不連續(xù)性。為了精確解讀這些信號(hào)特性，需要依據(jù)如下質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：

（1）波速（( V )）：對(duì)于新澆筑的混凝土，縱波速度通常應(yīng)在4000至6000米/秒。若超聲波檢測(cè)結(jié)果顯示波速顯著低于此范圍，比如低于3500米/秒，可能表明存在缺陷，如裂縫或孔洞。

（2）衰減系數(shù)（( alpha )）：在頻率為50kHz的超聲波檢測(cè)中，衰減系數(shù)通常不應(yīng)超過(guò)4dB/m。如果衰減系數(shù)高于此值，可能意味著混凝土內(nèi)部存在較大的缺陷或非均勻性。

（3）頻譜特性：對(duì)于沒(méi)有缺陷的混凝土，頻譜分析應(yīng)顯示出清晰的連續(xù)譜。若頻譜出現(xiàn)不連續(xù)性，尤其是在高頻區(qū)域，則可能表明裂縫的存在。

（4）回波形態(tài)：在無(wú)缺陷的混凝土中，回波幅度不應(yīng)出現(xiàn)突然的大幅降低，且脈沖寬度應(yīng)保持一致。若觀察到回波幅度降低超過(guò)20%或脈沖寬度變化超過(guò)25%，則需進(jìn)行進(jìn)一步檢查。

（5）信號(hào)與噪聲比（SNR）：質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)可能要求SNR至少為12dB，以確保檢測(cè)結(jié)果的可靠性。低于此值的信號(hào)可能不足以區(qū)分噪聲和真正的缺陷回波。

（6）缺陷尺寸和位置：對(duì)于大多數(shù)結(jié)構(gòu)，允許的最小缺陷直徑可能被設(shè)定為3毫米，且不得靠近結(jié)構(gòu)的承載區(qū)域超過(guò)一定的距離，比如不得小于50毫米。

（7）復(fù)現(xiàn)性和一致性：質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)可能要求在重復(fù)檢測(cè)中，相同測(cè)點(diǎn)的波速變化不應(yīng)超過(guò)±2%的范圍內(nèi)，確保檢測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性。

4 超聲波檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)化策略

4.1 信號(hào)處理與高級(jí)數(shù)據(jù)分析

在混凝土結(jié)構(gòu)的超聲波檢測(cè)技術(shù)中，信號(hào)處理與數(shù)據(jù)分析的精細(xì)化是提升檢測(cè)精確度與效率的關(guān)鍵。精確的噪聲抑制技術(shù)，如自適應(yīng)濾波和小波去噪，是基礎(chǔ)，確保了原始信號(hào)從環(huán)境噪聲中的有效分離。信號(hào)增強(qiáng)算法，包括時(shí)域平均和相位數(shù)組處理，對(duì)于提升微小缺陷回波的可識(shí)別度至關(guān)重要。此外，先進(jìn)的特征提取方法，例如機(jī)器學(xué)習(xí)算法，已被證實(shí)可以從高維數(shù)據(jù)中有效地隔離和識(shí)別信號(hào)模式，這對(duì)于加速診斷過(guò)程尤為有價(jià)值。多模態(tài)數(shù)據(jù)融合，將超聲波檢測(cè)結(jié)果與其他非破壞性檢測(cè)技術(shù)的數(shù)據(jù)相整合，為混凝土內(nèi)部缺陷的多維表征提供了更為全面的信息框架。在圖像重建領(lǐng)域，復(fù)雜算法如合成孔徑聚焦技術(shù)（SAFT）和逆時(shí)偏移（RTM）的應(yīng)用，已成為提高缺陷定位精度和圖像分辨率的先鋒。

4.2 超聲波檢測(cè)的數(shù)值模擬優(yōu)化

在混凝土結(jié)構(gòu)超聲波檢測(cè)領(lǐng)域，優(yōu)化數(shù)值模擬的策略是提升檢測(cè)精度和可信度的關(guān)鍵。數(shù)值模擬的核心在于精確再現(xiàn)超聲波在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的傳播行為，以此來(lái)預(yù)測(cè)實(shí)際檢測(cè)場(chǎng)景中的波動(dòng)特性。采用先進(jìn)的計(jì)算方法，如有限元分析（FEA）和邊界元分析（BEA），能夠模擬超聲波在多相材料中的傳播機(jī)制，考慮到材料非均質(zhì)性和微觀結(jié)構(gòu)的影響。優(yōu)化策略的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是對(duì)材料參數(shù)進(jìn)行精確校準(zhǔn)。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果，逆向工程技術(shù)可以用來(lái)優(yōu)化模型參數(shù)，以確保模擬能夠真實(shí)反映材料的物理特性。此外，對(duì)于模擬結(jié)果的校驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)與模擬之間的一致性是一個(gè)重要指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用優(yōu)化算法，比如遺傳算法或粒子群優(yōu)化，可以系統(tǒng)地搜索最優(yōu)解，從而確定最佳的檢測(cè)參數(shù)和設(shè)備配置。將數(shù)值模擬的輸出進(jìn)行高效的可視化處理，可以直觀地展示超聲波在材料內(nèi)部的傳播路徑和缺陷界面的影響，增加了理解波動(dòng)現(xiàn)象的直觀性，為進(jìn)一步的分析提供了便利[5]。

4.3 檢測(cè)參數(shù)的精確調(diào)控與優(yōu)化

在混凝土結(jié)構(gòu)的超聲波檢測(cè)中，檢測(cè)參數(shù)的精確調(diào)控與優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)高效率和高精度檢測(cè)的重要策略。關(guān)鍵參數(shù)包括頻率選擇、脈沖寬度、能量水平、探頭類(lèi)型與放置位置、掃描策略、數(shù)據(jù)采集同步以及環(huán)境因素的考量。優(yōu)選的頻率應(yīng)平衡穿透深度和分辨率，以適應(yīng)特定的混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)期內(nèi)部缺陷的特征。脈沖寬度和能量的精細(xì)調(diào)節(jié)能夠優(yōu)化信號(hào)的穿透力和接收質(zhì)量，提高檢測(cè)的靈敏度。探頭選擇應(yīng)考慮其頻率響應(yīng)和尺寸，以便實(shí)現(xiàn)最佳的耦合效果和信號(hào)接收。掃描策略的制定要保證全面覆蓋被檢區(qū)域，同時(shí)根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何形狀和缺陷預(yù)期位置進(jìn)行優(yōu)化。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)高精度同步，確保信號(hào)的時(shí)域準(zhǔn)確性。環(huán)境因素，如溫度和濕度，也必須監(jiān)控和調(diào)整，以補(bǔ)償其對(duì)超聲波速度和衰減的影響。

4.4 綜合檢測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用

在混凝土結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，創(chuàng)新地綜合超聲波檢測(cè)與其他非破壞性評(píng)估技術(shù)已成為提高檢測(cè)準(zhǔn)確性與效率的前沿策略。這種多維度檢測(cè)方法利用超聲波技術(shù)與地穿雷達(dá)（GPR）、電磁波測(cè)試、紅外熱成像等技術(shù)的數(shù)據(jù)相結(jié)合，通過(guò)高級(jí)數(shù)據(jù)融合算法，如機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)，進(jìn)行全面的缺陷特征分析。此外，微觀結(jié)構(gòu)分析的融合，例如將超聲波微觀成像與電子顯微鏡和X射線衍射技術(shù)結(jié)合，進(jìn)一步揭示了混凝土內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，為缺陷識(shí)別提供了更深層次的科學(xué)依據(jù)。定制化檢測(cè)解決方案的開(kāi)發(fā)，考慮到特定的混凝土結(jié)構(gòu)特性和服務(wù)環(huán)境，能夠針對(duì)性地設(shè)計(jì)傳感器陣列和信號(hào)處理流程，從而實(shí)現(xiàn)精確的缺陷定位和特征評(píng)估。

5 結(jié)語(yǔ)

本文匯集并討論了超聲波檢測(cè)技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)缺陷檢測(cè)中的應(yīng)用及其優(yōu)化方法，彰顯了該技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的重要價(jià)值。從超聲波檢測(cè)的基礎(chǔ)理論到實(shí)際操作流程，再到先進(jìn)的優(yōu)化策略，本研究提供了全面的視角。特別是，綜合檢測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，不僅提升了檢測(cè)效率和準(zhǔn)確度，還為混凝土結(jié)構(gòu)的持續(xù)監(jiān)測(cè)和預(yù)防性維護(hù)開(kāi)辟了新途徑。