深圳市业昕工程检测有限公司
摘要：混凝土由于具有稳固、耐久、价格低等优点而被广泛应用楼房、桥梁、水利等公共设施的建设之中。但是近几年公路、桥梁坍塌等灾难事件频繁发生，为了保证人身财产安全，对混凝土结构无损检测已成为我国急需重点解决的问题。
关键词：超声波检测；扫描成像技术；数值模拟；实验分析；
引言
混凝土是由砂子、水泥和石子等材料按照适当比例浇筑而成的材料，因其制作方便、价格低廉、硬度高的特点，已经成为现代建筑中用量最大的建筑材料之一。近几年，由于自然环境的变化和人为因素的影响，我国公路、桥梁坍塌等灾难事件频繁发生，严重威胁我们的人身安全和财产安全。因此必须加强对混凝土结构质量的监督和管理，确保建筑工程的安全运行。
一、超声波检测方法
超声波检测方法按照探头数目，可分为单探头扫查方式、双探头扫查方式和阵列探头扫查方式。单探头法检测是用一个探头发射并接收超声波；双探头检测法是用一个探头发射超声波，一个探头接收超声波；多个探头检测法是使用两个以上探头进行检测的方法。
超声波检测方法按照探头数目，可以分为单面扫查和双面扫查方式。单面扫查是将发射探头和接收探头放置在同一个检测平面上进行检测。双面扫查是将发射探头和接收探头放置在两个不同的检测平面上进行检测。实际混凝土检测中，通常只有一个检测面可以检测，所以本文用两个探头在同一个检测面上进行检测。
二、超声波扫描成像技术
超声波扫描成像技术是对缺陷进行定量和无损评价的关键技术之一，在无损检测中有着广泛的应用前景。按照超声信号的显示方式可将超声波扫成像技术分为A型显示和超声波扫描成像方法。A型显示是一种波形显示，是将超声回波信号的声压幅值和传播时间的关系以直角坐标系的形式显示出来。图2-1是脉冲反射法检测的典型A型显示图形，脉冲T称为是脉冲或始波，B是底面回波，F是缺陷回波。A型显示是一种最简单最基础的成像方式。
超声波检测时主要成像方法有以下几种：B扫描成像、C扫描成像和D扫描成像等。以下几种扫描成像都是由A扫描信号合成的，可以更直观的显示出缺陷的位置和大小，直接反映出工件的内部结构，在科学研究和工业无损检测中应用越来越广泛。B、C、D三种扫描成像的显示方式如图2-2所示，可知B扫描成像显示的是与声束传播方向平行且与工件的检测面垂直的剖面；D扫描成像显示的是与声束平面及工件的检测面都垂直的剖面；C扫描所显示的是工件的横断面。
三、混凝土中超声波传播的数值模拟和实验
从理论研究和实际工程应用出发，采用有限差分仿真软件建立数值模型模拟超声波在混凝土中的传播过程。有限差分法是用差商代替微分方程中的偏导数，得到相应的差分方程，用差分方程的解作为微分方程的近似解，是求解波动方程的重要方法。
2-1A型显示
2-2超声波扫描成像方法
3.1有限差分法的基本理论
以一维弹性波动方程为例，波动方程中涉及波函数（位移、应力等物理量）相对于空间坐标和时间的变化率（即偏导数）可用公式（3-1）表示。
其中，A是幅值，a是带宽系数，f是中心频率，t是持续时间。
通过查阅文献可知超声波检测混凝土时探头的频率一般在20kHz-200kHz的之间。激励信号的中心频率为50kHz、100kHz和150kHz时的波形图如图3-1所示，频谱分析结果图3-2所示。
图3-2（a）50kHz（b）100kHz（c）150kHz
四、混凝土结构超声波成像检测模拟与实验分析
4.1数值模拟及成像结果
4.1.1深度85mm直径50mm孔的B扫成像与合成孔径成像
数值模拟时在模型中发射探头的位置为X=155mmY=300mm，第一个接收探头的位置为X=195mmY=300mm，最后一个探头的位置为X=315mmY=300mm，共采集25组A扫描信号。
上面的数值模拟已经研究过边界条件和衰减系数对检测结果的影响，在本章的以下数值模拟中仅对衰减系数为1dB/mm的情况进行研究。根据数值模拟得到的A扫描信号合成的B扫图像。合成孔径聚焦技术处理后的成像，可以观察出缺陷和底面的位置，并且成像结果有较高的分辨率。
B扫描图像相比,可以看出深85mm的缺陷回波的幅值比165mm的缺陷的幅值高，相反缺陷的深度为165mm时底面回波比缺陷深度为85mm时底面回波低。这主要是由于缺陷的深度较小时，发射探头发射的能量在混凝土中传播小衰减小，大部分都被缺陷反射回去；剩余的小部分能量绕过缺陷被底面反射之后再被接收探头接收到。
4.1.2深度165mm直径30mm孔的B扫描成像与合成孔径成像
数值模拟中发射探头的中心位置为X=180mmY=0mm，第一个接收探头的中心位置为X=220mmY=0mm，最后一个探头的位置为X=340mmY=0mm，共采集25组A扫描信号。
当超声波在混凝土中传播时衰减系数为1dB/mm时，根据数值模拟得到的A扫描信号合成的B扫图像，合成孔径处理后的图像。数值模型中缺陷的直径为30mm比缺陷的直径为50mm时的回波信号的幅值低，底面回波的幅值高。这主要是由于缺陷的直径变小时，发射探头发射的能量中小部分被缺陷反射回，大部分绕过缺陷被底面发射之后被接收探头接收到。
4.2实验及检测结果
4.2.1深度85mm直径50mm孔的B扫成像与合成孔径成像
在检测缺陷深度为85mm的情况时，发射探头的位置为X=155mmY=300mm，第一个接收探头的位置为X=195mmY=300mm，最后一个探头的位置为X=315mmY=300mm，实验时采集到的25组A扫描信号，从整体上看出缺陷回波和底面基本在同一时刻被接收探头接收到，并且缺陷回波信号的幅值较高，底面回波的幅值较低。这主要是由于缺陷和检测面的距离较近，大部分的能量都被缺陷反射回来，小部分能量绕过缺陷到达底面。
根据A扫描信号合成的B扫描信号，可知B扫描图像的信噪比有所提高，这主要是由于缺陷与检测面之间的距离减小，超声波在混凝土中的传播距离减小引起的。
合成孔径技术处理后的图像，与B扫描图像相比，合成孔径技术处理之后缺陷处和底面处的回波能量得到增强，结构噪声信号的能量在一定程度上得到抑制。
4.2.2深度165mm直径30mm孔的B扫成像与合成孔径成像
试块3中缺陷的深度为165mm，与试块2中缺陷的深度基本一致。在检测试块3时，发射探头的中心位置为X=180mmY=0mm，接收探头起始的位置为X=220mmY=0mm，终止位置为X=340mmY=0mm，移动步进为5mm。
根据A扫描信号合成的B扫描信号，从整体上可以看出接收探头基本在同一时刻接收到缺陷回波信号和底面回波信号，并且缺陷回波的到达时刻基本一致。但是由于试块3中缺陷直径的较小，缺陷回波的幅值较低，回波信号中的结构噪声比较强烈。
合成孔径技术处理之后的图像，从图像中可以看出合成孔径技术处理之后缺陷和底面回波的能量得到增强，结构噪声信号的能量在一定程度上得到抑制。
通过对试块1、试块2和试块3的成像结果进行分析发现成像结果与实际情况存在一定的误差，引起这种情况的因素有传感器与检测表面的耦合情况、混凝土的内部结构以及人为操作原因等，并且超声波在混凝土中传播时会发生强烈的折射和散射现象，即便是在应用合成孔径聚焦成像技术之后，这些噪声信号也对成像产生一定的影响，给缺陷定位和定量带来一定影响。
结束语
超声波检测技术是一种应用非常广泛的无损检测技术，在工业无损检测中具有重要地位。超声波混凝土检测技术是根据超声波在混凝土中传播时声时、波幅或主频等声学参量的变化，判断物混凝土内部是否有缺陷存在，并确定缺陷的位置、大小和性质。但是，用超声波检测技术对混凝土进行检测时遇到了许多实际的困难，如超声波衰减大、信噪比低、表面耦合不一致等，这些因素都会给成像结果带来一定的影响。
参考文献
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