雷達和超聲波法無損檢測木結(jié)構(gòu)

張 玨 林錦濤 張世民

(1.浙江省杭州市園林文物局錢江管理處，浙江杭州 310008; 2.浙江大學城市學院，浙江杭州 310015)

雷達檢測法是近年來快速壯大起來的一種無損檢測方法，具有快速、無損、能連續(xù)檢測、檢測結(jié)果可視等特點［1］。

超聲波在檢測混凝土內(nèi)部缺陷與勻質(zhì)性等方面非常有效，該技術(shù)也是檢測木結(jié)構(gòu)破損情況的重要手段，在木結(jié)構(gòu)工程檢測中應用極為廣泛［2-4］。本文根據(jù)雷達和超聲波基本原理，采用雷達并結(jié)合超聲波法，無損探測木結(jié)構(gòu)柱腐蝕狀況、缺陷位置及質(zhì)量。

1 工程概況

某公園鐘樓為三層木結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建于明代洪武年間，歷代多次重修，清代商賈胡雪巖從日本購大鐘安置于頂樓，一層平面共16根木結(jié)構(gòu)柱，尺寸200 mm～350 mm，外圍12根，有磚墻包裹，受潮及雨水滲漏侵蝕的影響，結(jié)構(gòu)柱木材可能會受到白蟻及微生物的襲擊。該鐘樓結(jié)構(gòu)柱及測點布置見圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)柱及平面布置示意圖

2 雷達和超聲波的工作原理

2.1 雷達工作原理

雷達無損檢測技術(shù)具有簡便快捷、抗干擾能力強、工作條件受限較小、適應性較強、探測精度和分辨率較高等方面的優(yōu)點。它利用主頻為數(shù)十兆赫至數(shù)百兆赫以至上千兆赫的高頻電磁波，通過發(fā)射天線(T)送入檢測介質(zhì)，接收天線(R)接收經(jīng)各層介質(zhì)反射后返回表面的信息(見圖2，圖3)，分析各反射層間的關(guān)系，確定各層間厚度。檢測過程中脈沖波行程耗時:t=(其中，V為電磁波速;X為天線距;Z為探測深度)。式中的X一般為固定值，如果V未知，此時可以采用近似計算(C為光速，即3×108m/s;εr為介質(zhì)相對介電常數(shù))。在介質(zhì)電磁波速速度已知情況下，可根據(jù)探測精確的t值(ns，1 ns=10－9s)，按上式計算反射物體的深度，m。

圖2 雷達工作示意圖

圖3 反射探測原理圖

在探測物體埋深Z值確定后，利用公式計算εr，V的值。實際中，一般通過預定埋設(shè)的物標測定計算εr，V的值，并進行比較、修正，從而確保探測精度。雷達檢測結(jié)果以脈沖波的波形參數(shù)被記錄，采用黑、白色或者以灰階或彩色表示波谷、峰。如此，可利用等色線或等灰度、同相軸形象地表征出地下反射界面。

2.2 超聲波工作原理

1)基本原理。聲學參數(shù)(如聲速、波幅、頻率等)可以反映出各種固體材料的內(nèi)部質(zhì)量情況(如強度、密實性、內(nèi)部缺陷等)。由此，可借超聲波測得固體材料的聲學參數(shù)，來判斷被檢測物體內(nèi)部的質(zhì)量情況，這便是超聲波檢測儀檢測原理。木材質(zhì)量主要是指木材內(nèi)部材質(zhì)的均質(zhì)性、裂紋發(fā)育、紋理縱橫分布、腐朽程度及范圍等方面。超聲波穿透法(或超聲波透射法)通常采用發(fā)射換能器發(fā)射超聲脈沖波，然后利用接收換能器接收在被檢測的物體中傳播脈沖波，儀器把接收到的超聲波信號轉(zhuǎn)化為電信號，再經(jīng)放大器放大和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息存貯到計算機，存儲的數(shù)據(jù)經(jīng)專用的處理程序分析后即可確定被檢測物體內(nèi)部質(zhì)量情況，確定缺陷存在的位置與分布。

超聲波發(fā)生器，也稱之為超聲波換能器，它把其他形式的能量轉(zhuǎn)換為超聲波能量，從而使得超聲脈沖波信號在被檢測物體中傳播，超聲波檢測基本原理如圖4所示。對于在被測物體的厚度相比脈沖波長小很多，可以忽略的情況下，材料中傳播的超聲波波速V與材料的密度ρ及彈性模量E存在如下關(guān)系:

圖4 超聲波檢測原理

因此可以根據(jù)上述原理，測定超聲波經(jīng)過既定傳播距離所需的時間，計算波速，測得材料密度，利用公式即可得到木材的彈性模量。由于木材的力學破壞強度與彈性模量之間存在正相關(guān)性，并且彈性模量與密度、波速之間的關(guān)系，因而聲學參數(shù)不同程度的反映了木材的力學強度，因此測定木材的聲學參數(shù)即可簡便快捷的獲得材料彈性模量，同時也可以有效的預測材料的力學強度，從而間接的檢測出材料的內(nèi)部質(zhì)量分布情況。

2)波速、振幅與頻率等參數(shù)。聲速為超聲脈沖波在木材介質(zhì)中的傳播速度，是木材超聲波檢測中的一個重要的參數(shù)。它間接反映了木材彈性模量和力學強度高低，同時也反映了材料的內(nèi)部質(zhì)量，一般講，木材越堅硬致密，聲速就越高;內(nèi)部腐朽或越稀疏，聲速就越低。若材料內(nèi)部存在局部腐朽，聲速傳播經(jīng)過該部分時，波速值遠遠低于標準值，其計算公式如下:V=L/T。其中，V為縱波速度，km/s;L為檢測深度，mm;T為傳播時間，s。

振幅值高低表示聲波在傳遞過程中能量的強弱，木材愈堅硬，聲波傳播衰減較小，接受到的能量相對較高，因而振幅較高;若木材愈腐朽或者質(zhì)地松軟，超聲波在傳播時相當一部分能量被吸收，接受到的能量較低，因而振幅也愈低。由此可以通過接收器收到的第一個波幅值大小來診斷被檢木材的內(nèi)部質(zhì)量狀況。

不同質(zhì)地木材對超聲脈沖波包含各種頻率成分的吸收和過濾效果也不一樣，聲波穿過一定厚度的木材，質(zhì)地愈稀疏，高頻成分被吸收愈多，因此高頻成分衰減損失愈多。超聲波發(fā)生器產(chǎn)生固定頻率成分的脈沖波，穿透木材被吸收過濾后的頻率成分間接反映了木材密實度以及材料內(nèi)部質(zhì)量狀況。

3 工程實例分析

對鐘樓木結(jié)構(gòu)柱應用雷達、超聲波進行檢測與數(shù)據(jù)采集工作。雷達檢測儀沿結(jié)構(gòu)自下而上方向每根木結(jié)構(gòu)柱測2條側(cè)線，其中 JZ3，JZ9，JZ10，JZ11，JZ12，JZ13，JZ14，JZ15，JZ16 由于現(xiàn)場條件限制只測1條，測線長度為2.0 m左右。與此同時，針對性的采用超聲波檢測儀對每根結(jié)構(gòu)柱隨機抽樣檢測。

在雷達圖像里，標示區(qū)域通常表現(xiàn)為不密實，為木結(jié)構(gòu)柱內(nèi)腐蝕、質(zhì)量缺陷所致，通過分析即可以確定缺陷不密實的位置。

木柱表層深度20 cm以上，能量條帶連續(xù)規(guī)整，但在深度為20 cm左右，存在相鄰條帶之間錯位，波形局部錯亂;在深度5 cm左右處能量條帶存在同軸相錯斷，波形變得不規(guī)整，因此可以判斷此處不密實。由于多界面多次反射電磁波的結(jié)果，強反射能量條帶異常不連續(xù)，波形局部雜亂，存在同軸相錯斷，可以判斷此處木柱表層下存在不密實。

圖5為木結(jié)構(gòu)柱JZ11超聲波測試波列，腐蝕缺陷處聲速有降低，測點處聲速明顯偏低，測點幅度明顯變化，幅值偏低。

圖5 木結(jié)構(gòu)柱JZ11超聲波列圖

4 結(jié)語

1)雷達和超聲波法是無損檢測中常見的技術(shù)，利用雷達和超聲波檢測木結(jié)構(gòu)層密實狀況是可行的，其精度達到工程要求。2)利用雷達和超聲波法無損檢測木質(zhì)古建筑結(jié)構(gòu)，可以提高檢測效率，便于盡早處理隱患，提高建筑物壽命，對維護木質(zhì)古建筑具有重要意義。3)雷達和超聲波法檢測一定要按合理的程序和步驟進行，做好準備工作，這是獲取高質(zhì)量木結(jié)構(gòu)信息的關(guān)鍵。

［1］王 欣，賈留東，夏風敏，等.混凝土雷達(超聲法)檢測混凝土結(jié)構(gòu)施工縫［J］.建筑技術(shù)，2006，37(4):303.

［2］肖 江，楊建華，黃 娜.基于DSP的木材強度超聲波檢測系統(tǒng)研究［J］.林業(yè)機械與木工設(shè)備，2008，36(1):83-84.

［3］嵇偉兵，馬靈飛.利用超聲波檢測杉木抗彎彈性模量［J］.浙江林業(yè)科技，2006(3):36-37.

［4］楊學春，徐凱宏，王立海.木材無損檢測技術(shù)的研究現(xiàn)狀與進展［J］.林業(yè)科技，2002(3):18-19.