非接觸混凝土無損檢測(cè)

曹一波　李帥帥

摘 要：傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)混凝土均采用接觸式換能方法，對(duì)混凝土的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能有影響，因此，必須采用非接觸式超聲波檢測(cè)技術(shù)。本項(xiàng)目即采用高靈敏度非接觸空氣耦合超聲波檢測(cè)系統(tǒng)來進(jìn)行非接觸混凝土無損檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：無損檢測(cè);非接觸檢測(cè);混凝土檢測(cè)

1 ? ?混凝土無損檢測(cè)發(fā)展現(xiàn)狀

混凝土在古羅馬時(shí)期已經(jīng)有了具體的概念，距今已有數(shù)千年的歷史，可以說混凝土也是人類不可缺少的資源[1]。幾千年的歷史進(jìn)程中，人類不斷進(jìn)行著改進(jìn)以便于滿足自身的需求，混凝土的使用功能也越來越豐富，生產(chǎn)工藝也逐漸成熟。同時(shí)，人們逐漸注意到混凝土在應(yīng)用的過程中，需要定期維護(hù)。檢測(cè)相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)，內(nèi)部構(gòu)建形態(tài)以及耐久性、適用性和安全性是否能繼續(xù)滿足要求。早在20世紀(jì)30年代，格里姆、愛德通過用共振法成功地測(cè)量出了混凝土彈性模量，對(duì)于混凝土無損檢測(cè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。接著瑞士人施密特（Eschmid）在1945年發(fā)明了回彈儀，用于混凝土檢測(cè)。到20世紀(jì)50年代學(xué)者提出了更加現(xiàn)代化的檢測(cè)技術(shù)，超聲法檢測(cè)的提出備受關(guān)注，代表人物有加拿大的萊斯利（Leslie）、奇斯曼（Chesman）等。隨著新方法和新理論的不斷提出以及大量的實(shí)驗(yàn)和論證，目前，混凝土檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)獲得了巨大的發(fā)展。

中國對(duì)混凝土無損檢測(cè)的研究開始于20世紀(jì)50年代，并將其列入我國第一個(gè)科技發(fā)展十二年規(guī)劃，我國國家建筑委員會(huì)于1978年把《混凝土質(zhì)量非破損檢測(cè)技術(shù)研究》列入了重要的科研項(xiàng)目，該《研究》包含了回彈法等相關(guān)技術(shù)，并舉辦了多次全國性混凝土無損檢測(cè)技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)、國際性的交流會(huì)和多項(xiàng)先進(jìn)的技術(shù)攻關(guān)，這些努力大大地推進(jìn)了我國混凝土無損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，無損檢測(cè)方法越來越精確，檢測(cè)技術(shù)更加精湛。

項(xiàng)目采用的非接觸混凝土無損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)主要運(yùn)用高靈敏度非接觸空氣耦合超聲波檢測(cè)系統(tǒng)（Non-Contact AirCoupled Ultrasonic Testing，NAUT），包括超聲波發(fā)射接收器、前置放大器、機(jī)械裝置、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和探頭庫。采用的原理：利用空氣耦合形式的超聲波檢測(cè)技術(shù)原理，通過空氣耦合式的超聲波換能器將力、電和聲的耦合并進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)化，從而達(dá)到不需要水浸或者其他耦合劑的目的，整個(gè)過程對(duì)試件沒有任何接觸（完全無損），通過在線的掃描能夠?qū)υ嚰焖俚胤治?，還可以結(jié)合有限元仿真分析，從而達(dá)到非接觸混凝土無損檢測(cè)的目的。

傳統(tǒng)的超聲檢測(cè)方法需要使用水油類等作為檢測(cè)的耦合劑，傳統(tǒng)的耦合劑會(huì)使材料試件受潮或變污，甚至?xí)厝毕轁B入試件內(nèi)部，影響試件的力學(xué)性能和機(jī)械性能等。非接觸空氣耦合超聲檢測(cè)的出現(xiàn)很好地填補(bǔ)了缺憾，以空氣作為檢測(cè)耦合劑的空氣耦合超聲檢測(cè)，能夠很好地?cái)[脫材料和環(huán)境的限制，實(shí)現(xiàn)完全非接觸的超聲檢測(cè)，對(duì)氣孔、分層、疏松、脫膠、纖維斷裂等缺陷和損傷的檢測(cè)也能取得較好的檢測(cè)效果，尤其是能夠?qū)崿F(xiàn)快速在線掃查這一特點(diǎn)，使空氣耦合超聲檢測(cè)在未來的無損檢測(cè)領(lǐng)域中將有著更為廣泛的應(yīng)用。

非接觸空氣耦合超聲檢測(cè)技術(shù)具有非接觸、非破壞、非浸入及安全無害的特點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景[2]。但是要實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)點(diǎn)，要求非接觸空氣耦合超聲波超聲檢測(cè)儀的靈敏度很高。由于空氣的聲阻抗與換能器材料不匹配，常見的空氣耦合超聲波換能器還存在著效率較低、頻帶較窄等方面的缺點(diǎn)，影響實(shí)驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而影響到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度。然而，NAUT可以較好地解決這個(gè)問題，其已成為一種全新的無損檢測(cè)方式。

2 ? ?空氣耦合超聲檢測(cè)的基本原理

2.1 ?氣固界面間的超聲能量透射原理

當(dāng)超聲波垂直入射在不同的物質(zhì)界面處時(shí)，聲壓往返時(shí)的透射系數(shù)T12可表示為式（1）：

T12 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

其中，Z1，Z2分別是從入射介質(zhì)進(jìn)入到透射介質(zhì)（一般為需要被檢測(cè)的材料）具有的相應(yīng)特性聲阻抗，將其定義為Z =ρv（ρ是材料密度，v是在介質(zhì)中聲波的傳播速度），其單位為kg/（m2s），一般用Rayl表示[1 Rayl=1 kg/（m2s）]。但是空氣與混凝土之間存在著巨大的特性聲阻抗差，使空氣耦合超聲波檢測(cè)技術(shù)難以應(yīng)用。此外，在傳播過程中超聲波能量吸收衰減、散射的衰減和傳播距離以及發(fā)射頻率均有關(guān)，發(fā)射頻率越高衰減就會(huì)越大。同樣，傳播距離越遠(yuǎn)衰減也越大。所以，選用高功率發(fā)射接收器JPR-600C來發(fā)射超聲波，在內(nèi)部增幅80 dB，為實(shí)現(xiàn)空氣耦合超聲波檢測(cè)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供了有效手段[3]。

2.2 ?空氣耦合超聲波穿透能量透射率的實(shí)驗(yàn)

當(dāng)超聲波向薄板結(jié)構(gòu)入射時(shí)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生共振。因此，能量透射率會(huì)有較大的浮動(dòng)，遠(yuǎn)比式（1）透射率大。超聲波傾斜入射時(shí)的反射波和透射波如圖1所示，當(dāng)超聲波由空氣（密度ρa(bǔ)，聲速va）以頻率f、入射角θ向固體薄板（厚度d，密度ρs，縱波聲速vl，橫波聲速vt）發(fā)射簡諧振動(dòng)時(shí)，在板中激發(fā)并向前傳播蘭姆波。同時(shí)向空氣中產(chǎn)生泄漏波，該泄漏波的能量透射率T可由式（2）求得[4]：

由式（2）可知，超聲波穿透混凝土試件薄板的能量透射率是兩側(cè)空氣與混凝土密度和聲速的函數(shù)，也是入射角和fd（頻率·板厚）的函數(shù)，θl是入射角。入射角θl引起的縱波和橫波的折射角分別是θl和θt，kty和k1y分別是沿板厚的橫波波數(shù)與縱波波數(shù)，Z，Zl和Zt是考慮入射角影響的聲阻抗，w是發(fā)射超聲波角頻率。

以超聲波在從沒有剪切剛性的媒質(zhì)空氣或水中傳播穿透薄板為例。首先，將簡諧振動(dòng)超聲波從空氣（ρa(bǔ)=1.3 kg/m2，va= 340 m/s）或水（ρa(bǔ)=1.0 kg/m2，va=1 500 m/s）中向混凝土試件中垂直入射，由式（2）可求得其能量透射率與fd的相關(guān)性曲線，具體如圖2所示。

可以看到，兩者（空氣和水）均在2.95 MHz·mm（頻率·板厚）和5.9 MHz·mm（頻率·板厚）處發(fā)生全透射現(xiàn)象并呈現(xiàn)周期性，可用式（3）表示：

（3）

這與板厚方向的縱波共打質(zhì)率對(duì)應(yīng)。當(dāng)縱波波長是板厚兩倍整數(shù)倍時(shí)，此時(shí)無論所測(cè)的試件是什么，都符合全透射的理論。在以水為介質(zhì)的情況下，高透射率區(qū)域的面積要比空氣領(lǐng)域的面積大很多，也就是巨大聲阻抗差。因?yàn)槁曌杩共畹拇嬖?，大大減低了透射率，約﹣95 dB（即使是水為介質(zhì)也約為﹣23 dB），導(dǎo)致了能量透射率的半值寬很窄。

3 ? ?空氣耦合超聲波檢測(cè)的儀器

3.1 ?高頻率超聲波發(fā)射接收器

功用是把接受到的超聲波（機(jī)械能），換成由其兩電極上的電壓（電能）輸出，所以要做成高效的機(jī)械能換電能裝置。由于采用的是高頻率超聲波發(fā)射接收器，需要把陶瓷片做得特別易振，并帶有阻抗匹配器，使其對(duì)微弱的超聲波特別靈敏，又可有高電壓輸出。

3.2 ?高靈敏度空氣耦合超聲換能器

將傳感器的材質(zhì)用復(fù)合晶片替代能夠減小傳感器的材料阻抗，從而使得傳感器的靈敏度得到提高，同時(shí)提高了工作效率以及耦合性，聲功率的輸出也隨之增大，其原理是將壓電陶瓷超聲波換能器增加耦合層數(shù)量，再選用多孔的復(fù)合材料對(duì)耦合層進(jìn)行設(shè)計(jì)。考慮向空氣中發(fā)射超聲波時(shí)，在近距離聲場界限距離和指向角的基礎(chǔ)之上，制作出適應(yīng)將空氣作為耦合介質(zhì)的超聲波探測(cè)頭[5]。

3.3 ?空氣耦合超聲波檢測(cè)儀的前置放大器

實(shí)際情況下，發(fā)射接收器的增幅率達(dá)到了80 dB，但仍然不能達(dá)到超聲檢測(cè)的要求。因此，需要把超聲信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步地增大，前置放大器具有很高聲噪比的帶通濾波的放大器。最大增幅率達(dá)到了140 dB，空氣耦合超聲波檢測(cè)的放大參數(shù)得到了滿足。

3.4 ?數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及探頭庫，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

（1）支持Windows 7操作系統(tǒng)。

（2）高級(jí)的數(shù)據(jù)分析功能具體包括：分析掃描數(shù)據(jù)、注釋功能、版始數(shù)據(jù)濾波，同時(shí)可顯示聲波波形。

（3）隨意移動(dòng)光標(biāo)。

（4）彈頭庫的使用則需要根據(jù)不同的頻率進(jìn)行選擇。

4 ? ?空氣耦合超聲波檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

項(xiàng)目在所測(cè)混凝土試件的兩邊固定空氣耦合超聲波探頭，如圖3所示。

左面是發(fā)射超聲波探頭，右面是接收超聲波探頭。夾持試件的用具可以調(diào)節(jié)任意角度。發(fā)射接收探頭的固定在左右兩側(cè)30 mm，高度調(diào)整在透射波形的最大振幅變化處。耦合探頭的最大頻率為0.35 MHz，規(guī)格為20×24 mm，公稱頻率為0.4 MHz，使得超聲發(fā)射器可以發(fā)射頻率為0.35 MHz，300 Vp-p的電壓，同時(shí)，在超聲發(fā)射接收器的內(nèi)部安置了0.8 MHz的增幅器，進(jìn)而可以提升發(fā)射信號(hào)的接收效果。增幅80 dB的超聲波發(fā)射接收器很好進(jìn)行了信號(hào)的接受，將增幅的信號(hào)輸出。在接收探頭中央插入混凝土試件，控制入射角從θ=0°～20°緩慢變化，同時(shí)每變化1°，收集一條波形并輸出。試驗(yàn)最終結(jié)果如圖4所示。

參考圖3中的曲實(shí)線為試驗(yàn)得到的試件透射率是通過fd=0.350 MHz×2.300 mm=0.805 MHz·mm代入式（2），同時(shí)結(jié)合聲壓投射率得到。在實(shí)驗(yàn)的過程中，發(fā)現(xiàn)即使調(diào)整了入射角角度，使它與理論公式得到的盡量接近，但是依舊無法在A0模式臨界角附近得到全透射，也不能得到S0模式臨界角處的透射率。

經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以及相關(guān)資料的查閱，初步確定是實(shí)際接收波形不是理想簡諧振動(dòng)波形的原因，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中空氣耦合探頭的規(guī)格有限，不能產(chǎn)生理想的平面波形，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與理論應(yīng)得到的結(jié)論有一些偏差。

（1）波蘭對(duì)40～120 MPa混凝土利用回彈、超聲等方法進(jìn)行試驗(yàn)得到強(qiáng)度擬合公式[6-7]，

回彈法：fc=（1.1-1.4）（0.040 9 N2-0.195 N+7.4）MPa

超聲法：fc=（2.0-2.7）（27.48V2-8.12 V+4.80）MPa

（2）意大利利用超聲、回彈、拔出、取芯等試驗(yàn)，對(duì)30～150 MPa混凝土進(jìn)行強(qiáng)度公式的擬合[8]，

超聲法：fc=10﹣28 V8.127 2 MPa

回彈法：fc=0.000 135 N3.442 4 MPa

拔出法：fc=0.017 140 P1.638 3 MPa

V-測(cè)區(qū)聲速值（km/s）;N-測(cè)區(qū)回彈值;P-拔出力（kN）。

5 ? ?空氣耦合超聲波超聲檢測(cè)與回彈法混凝土檢測(cè)方法的比較

對(duì)混凝土進(jìn)行回彈法的檢測(cè)，實(shí)質(zhì)上是表面硬度法的一種。原理是利用回彈儀內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)重錘，通過一定的沖擊動(dòng)能對(duì)定在砼表面的沖擊桿進(jìn)行彈擊。在回彈過程中，重錘會(huì)帶動(dòng)回彈儀指針的運(yùn)動(dòng)，便可得到相應(yīng)的回彈值，得到的回彈值能夠體現(xiàn)回彈的能量。然而，其中的能量又能體現(xiàn)出砼表層的硬度和砼抗壓強(qiáng)度兩者之間的關(guān)系。因此回彈值的大小與砼表面的硬度（砼的強(qiáng)度）密切相關(guān)，進(jìn)而達(dá)到檢測(cè)混凝土的目的。

通過上述對(duì)回彈法原理的相關(guān)介紹可見，由于回彈法需要對(duì)砼的表面進(jìn)行彈擊，因此屬于接觸式的檢測(cè)方法。此外，對(duì)于混凝土表面的相關(guān)要求也要達(dá)到回彈檢測(cè)的條件，因?yàn)榛炷恋谋砻嬉资艿酵饨绛h(huán)境的影響，比如混凝土的碳化、干濕條件下的構(gòu)件，都會(huì)對(duì)回彈法的檢測(cè)精度產(chǎn)生影響。加上回彈儀屬于機(jī)械儀器，其精度受到內(nèi)部各個(gè)相關(guān)構(gòu)件的影響，儀器的同一性相對(duì)而言較差，同時(shí)還會(huì)受到時(shí)間的影響[9]。

6 ? ?結(jié)語

回彈儀的使用僅適用于下述兩種情況：規(guī)定只作各構(gòu)件質(zhì)量的相對(duì)比較及均勻性的判斷，不作強(qiáng)度推算;以一定數(shù)量試件來標(biāo)定，求出強(qiáng)度與回彈值相關(guān)關(guān)系后可作為判斷強(qiáng)度的輔助手段，同時(shí)可作為推算強(qiáng)度的一種手段。通過與回彈法的比較，空氣耦合超聲波無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)檢測(cè)試件的要求相對(duì)較低，并且屬于無損檢測(cè)，對(duì)試件不產(chǎn)生任何影響，檢測(cè)靈敏度較高。

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基金項(xiàng)目：江蘇省2019年度大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201913986010Y）

作者簡介：曹一波（1999— ），男，漢族，江蘇南通人，本科生;研究方向：土木工程。