超聲波角測(cè)平測(cè)的場(chǎng)合轉(zhuǎn)換成對(duì)測(cè)聲速的方法

嚴(yán) 振 ，童壽興 ，吳 青

（1.通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)（上海）有限公司，上海 201319；2.上海同濟(jì)檢測(cè)技術(shù)有限公司，上海 200092）

中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《超聲回彈綜合法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程（T/CECS 02—2020）》[1]經(jīng)總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，吸收了國(guó)內(nèi)外回彈儀和混凝土超聲波檢測(cè)儀的最新成果，結(jié)合我國(guó)建設(shè)工程中混凝土質(zhì)量檢測(cè)的實(shí)際需要，且在CECS02：2005 版[2]的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修訂，其中，2020 版的附錄D“超聲角測(cè)、平測(cè)和聲速計(jì)算方法”修正了2005 版中這一章節(jié)的錯(cuò)誤，但其改良的檢測(cè)方法相對(duì)比較煩瑣，不適應(yīng)在實(shí)際工程中的運(yùn)用。本文提出的“等效對(duì)測(cè)法聲速的模擬測(cè)距”檢測(cè)方法，在需要采用超聲角測(cè)、超聲平測(cè)法檢測(cè)混凝土構(gòu)件的場(chǎng)合，通過檢測(cè)前事先在結(jié)構(gòu)中有代表性部位進(jìn)行修正試驗(yàn)獲得的模擬測(cè)距，在以后各構(gòu)件的檢測(cè)時(shí)超聲儀可用常規(guī)的操作步驟得到對(duì)測(cè)聲速值，且在平測(cè)法中其測(cè)距無需在每個(gè)測(cè)區(qū)采用“聲時(shí)～距離”進(jìn)行回歸處理；在角測(cè)法中無需用勾股定理計(jì)算其斜邊測(cè)距，極大地減少了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作量，提高了工作效率。

1 問題的提出

1.1 超聲波的聲速

超聲波的聲速計(jì)算公式：V=L/T。

式中：V-超聲波聲速，km/s；T-聲時(shí)，μs；L-測(cè)距，mm。

1.2 混凝土超聲波的測(cè)點(diǎn)布置方式

（1）對(duì)測(cè)法檢測(cè)：采用厚度振動(dòng)式換能器，兩換能器的輻射端面平行。將一對(duì)發(fā)射T、接收R 換能器，分別耦合于被測(cè)構(gòu)件相互平行的兩個(gè)表面，且兩個(gè)換能器的軸線位于同一直線上。該方法適用于具有兩對(duì)相互平行表面可供檢測(cè)的構(gòu)件。

（2）平測(cè)法檢測(cè)：采用厚度振動(dòng)式換能器，兩換能器的輻射端面在一個(gè)平面上。將一對(duì)T、R 換能器，置于被測(cè)構(gòu)件同一個(gè)表面進(jìn)行檢測(cè)。該方法適用于被測(cè)部位只有一個(gè)表面可供測(cè)試的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件。

（3）角測(cè)法檢測(cè)：采用厚度振動(dòng)式換能器，兩換能器的輻射端面相互垂直。將一對(duì)T、R 換能器分別耦合于被測(cè)構(gòu)件上相互垂直的兩個(gè)平面。該方法適用于當(dāng)構(gòu)件被測(cè)部位只有兩個(gè)相鄰表面可供檢測(cè)的場(chǎng)合。

1.3 超聲對(duì)測(cè)、角測(cè)、平測(cè)時(shí)的測(cè)距

（1）超聲波對(duì)測(cè)的測(cè)距：在超聲波對(duì)測(cè)聲速的檢測(cè)時(shí)，超聲波對(duì)測(cè)的測(cè)距L 是明確的，即兩換能器的平行輻射端面間的距離。

（2）超聲波平測(cè)的測(cè)距：在超聲波平測(cè)聲速的檢測(cè)時(shí)，超聲波平測(cè)的測(cè)距是不明確的，如將一對(duì)T、R 換能器，置于被測(cè)構(gòu)件同一個(gè)表面時(shí)，此時(shí)平測(cè)的測(cè)距不是一對(duì)T、R 換能器的中心點(diǎn)之間、也不是T、R 換能器內(nèi)邊緣之間的距離，它可以通過采用“時(shí)～距法”得到。

（3）超聲波角測(cè)的測(cè)距：CECS02 標(biāo)準(zhǔn)中超聲波角測(cè)時(shí)換能器布置如圖1 所示，超聲測(cè)距按公式計(jì)算。

圖1 超聲波角測(cè)法換能器布置

式中：li-角測(cè)第 i 個(gè)測(cè)點(diǎn)的超聲測(cè)距，mm；lli、l2i-角測(cè)第 i 個(gè)測(cè)點(diǎn)換能器的中心點(diǎn)與構(gòu)件邊緣的距離，mm。

1.4 超聲回彈綜合法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度公式

T/CECS 02—2020 規(guī)程超聲回彈綜合法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度的公式為

通常超聲回彈綜合法的混凝土測(cè)強(qiáng)公式是采用超聲對(duì)測(cè)的聲速值、回彈值及其混凝土立方試塊的抗壓強(qiáng)度值，通過回歸處理而成。采用平測(cè)、角測(cè)換能器布置形式得到的超聲檢測(cè)聲速不能或不宜直接代入公式計(jì)算混凝土強(qiáng)度值。

1.5 問題的提出

（1）超聲回彈綜合法檢測(cè)混凝土強(qiáng)度公式中的聲速值必須采用對(duì)測(cè)的超聲聲速值。

（2）因平測(cè)法中的測(cè)距不是一對(duì)T、R 換能器的中心點(diǎn)之間、也不是T、R 換能器內(nèi)邊緣之間的距離，雖可通過采用“時(shí)～距法”得到回歸方程l=a+bt，真實(shí)的測(cè)距是2 個(gè)換能器內(nèi)邊緣間距加修正距α，但回歸方程中的斜率b 是平測(cè)法的聲速值，眾所周知由回歸方程得到的平測(cè)法超聲聲速值低于對(duì)測(cè)的超聲聲速值，它不能直接代入采用對(duì)測(cè)聲速值回歸的混凝土測(cè)強(qiáng)公式中計(jì)算混凝土強(qiáng)度。

（3）在超聲波角測(cè)法中，其測(cè)距采用三角形的直角邊通過勾股定理計(jì)算得出，由圖1 超聲波角測(cè)法換能器布置圖顯而易見：超聲波角測(cè)時(shí)，布置在直角邊上的一對(duì)換能器的測(cè)距，可以視作為兩換能器分別與構(gòu)件邊緣的距離構(gòu)成的直角三角形的斜邊。問題是關(guān)于斜邊距的計(jì)算：因?yàn)閾Q能器的直徑尺寸，①取兩個(gè)換能器的中心點(diǎn)距？這是目前流行檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中的方法；②取兩個(gè)換能器的近邊緣距？這是兩換能器相鄰最近點(diǎn)，理論上是超聲傳播最先到達(dá)的距離[3]；③還是上述兩者都不是？CECS02 標(biāo)準(zhǔn)中三角形的直角邊長(zhǎng)取兩換能器的中心點(diǎn)與構(gòu)件邊緣的距離，顯然，斜邊計(jì)算值取換能器近邊緣距比取換能器中心點(diǎn)距小。設(shè)換能器在構(gòu)件直角邊上對(duì)稱布置，換能器的直徑為38mm，當(dāng)取換能器近邊緣距200～500mm 時(shí)，中心點(diǎn)距與其的測(cè)距比值見表1。

表1 角測(cè)法時(shí)換能器近邊緣距與中心點(diǎn)距的測(cè)距比值

顯而易見，表1 中200mm、250mm、300mm 換能器的近邊緣距與中心點(diǎn)距，其直角三角形斜邊距的比值較大，當(dāng)400mm 以上，二測(cè)距的比值小于5%時(shí)，其換能器直徑尺寸效應(yīng)的誤差可忽略不計(jì)[4]。CECS02：2005 版B.1.2 布置超聲角測(cè)點(diǎn)時(shí)，換能器中心與構(gòu)件邊緣的距離“不宜小于200mm”，編制組成員對(duì)“不宜小于200mm”存疑：認(rèn)為200mm 偏小了，為了減小測(cè)距的換能器直徑尺寸效應(yīng)，T/CECS02：2020 版修改為“不宜小于 300mm”，但未對(duì)直角三角形斜邊距的取值做出進(jìn)一步的細(xì)化。

2 模擬測(cè)距

2.1 等效對(duì)測(cè)法聲速的模擬測(cè)距

“等效對(duì)測(cè)法的模擬測(cè)距”的定義：在需要采用超聲角測(cè)法或超聲平測(cè)法檢測(cè)混凝土構(gòu)件的場(chǎng)合，事先通過在有代表性部位檢測(cè)得到超聲對(duì)測(cè)的聲速值v，并計(jì)算該聲速值v 與角測(cè)時(shí)換能器設(shè)定的布點(diǎn)畫線尺寸Lj或平測(cè)時(shí)換能器設(shè)定的布點(diǎn)畫線尺寸Lp相對(duì)應(yīng)的聲時(shí)t 的乘積，這個(gè)乘積v×t 即等效對(duì)測(cè)法的模擬測(cè)距L，當(dāng)工程檢測(cè)前超聲儀在設(shè)置超聲檢測(cè)的“測(cè)距”時(shí)，輸入該等效對(duì)測(cè)法的模擬測(cè)距值，在以后各構(gòu)件的檢測(cè)時(shí)按常規(guī)超聲檢測(cè)的操作步驟，因?yàn)橐呀?jīng)在構(gòu)件同部位進(jìn)行了比對(duì)，超聲儀輸出的聲速值可作為對(duì)測(cè)聲速值。

2.2 超聲平測(cè)法

2.2.1 模擬內(nèi)邊緣間距L

平測(cè)法等效測(cè)距修正方法如下：選擇一個(gè)可以同時(shí)做超聲對(duì)測(cè)和超聲平測(cè)比對(duì)的區(qū)域：

（1）先做對(duì)測(cè)，測(cè)3～5 點(diǎn)得平均對(duì)測(cè)聲速V。

（2）再做平測(cè)，鑒于平測(cè)法時(shí)的測(cè)距300～400mm 較合適，推薦取兩換能器的內(nèi)邊緣距Lp=300mm，測(cè)3～5 點(diǎn)得到平均聲時(shí)t。

（3）將（1）中對(duì)測(cè)法的平均聲速V 與（2）中平測(cè)法的平均聲時(shí)t 的乘積作為模擬平測(cè)法內(nèi)邊緣間距L。

2.2.2 平測(cè)法檢測(cè)

推薦布點(diǎn)定位劃線Lp取兩換能器的內(nèi)邊緣距為300mm，也可以根據(jù)每個(gè)工程的實(shí)際情況自定。超聲儀在設(shè)置“測(cè)距”時(shí)輸入2.2.1（3）計(jì)算的模擬平測(cè)法內(nèi)邊緣間距L。模擬測(cè)距不是換能器定位劃線的內(nèi)邊緣距Lp，L＞Lp，它存在平測(cè)法和對(duì)測(cè)法用相同聲時(shí)t 進(jìn)行轉(zhuǎn)換的修正差值。因?yàn)闊o須在每個(gè)測(cè)區(qū)做原來平測(cè)法“時(shí)～距”回歸法的檢測(cè)，減少了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作量，提高了工作效率。超聲儀輸出的聲速值即為超聲換能器非對(duì)測(cè)布置獲得的對(duì)測(cè)聲速，可直接將這一聲速代入測(cè)強(qiáng)公式計(jì)算混凝土強(qiáng)度值。

2.3 超聲角測(cè)法

2.3.1 模擬對(duì)測(cè)法測(cè)距L

與2.2.1 相當(dāng)，選擇一個(gè)可以同時(shí)做超聲對(duì)測(cè)和超聲角測(cè)比對(duì)的區(qū)域：

（1）先做對(duì)測(cè)，測(cè)3～5 點(diǎn)得平均對(duì)測(cè)聲速v。

（2）再做角測(cè)，在構(gòu)件拐角布置3～5 個(gè)測(cè)點(diǎn)，其相鄰直角邊上各取Lj=300mm 定位劃線，角測(cè)時(shí)2 個(gè)換能器各自與定位直線相切，得到角測(cè)法平均聲時(shí)t。

（3）將對(duì)測(cè)法平均聲速v 與角測(cè)法平均聲時(shí)t 的乘積作為模擬對(duì)測(cè)法測(cè)距L。

2.3.2 角測(cè)法檢測(cè)

角測(cè)法檢測(cè)時(shí)，預(yù)先在超聲儀設(shè)置“測(cè)距”時(shí)輸入2.3.1（3）得到的模擬對(duì)測(cè)法測(cè)距L，但實(shí)際檢測(cè)時(shí)是置換能器相切在Lj=300mm 定位線，超聲儀輸出的聲速值即為對(duì)測(cè)聲速，（即超聲換能器非對(duì)測(cè)布置獲得對(duì)測(cè)聲速）將這一聲速直接代入測(cè)強(qiáng)公式計(jì)算混凝土強(qiáng)度值。

在超聲波角測(cè)法中，現(xiàn)在的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)是需要采用勾股定理計(jì)算斜邊距，但因上述1.5 節(jié)問題的提出中（C）所述換能器直徑的尺寸效應(yīng)，2 條直角邊的取值不明確，其斜邊距是不能確準(zhǔn)計(jì)算的。當(dāng)采用2.3.1 對(duì)測(cè)法平均聲速v 與角測(cè)法平均聲時(shí)t 的乘積作為模擬對(duì)測(cè)法測(cè)距L，避免了勾股定理計(jì)算斜邊距不準(zhǔn)確的技術(shù)難題，試驗(yàn)表明模擬對(duì)測(cè)法測(cè)距L 設(shè)置的測(cè)距接近超聲角測(cè)法的真實(shí)測(cè)距，且提高了檢測(cè)精度。

3 超聲試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)“等效對(duì)測(cè)法的模擬測(cè)距”的定義：如圖2 在某工程取混凝土柱進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，超聲檢測(cè)數(shù)據(jù)見表2。

圖2 工程現(xiàn)場(chǎng)模擬測(cè)距試驗(yàn)照片

表2 超聲波對(duì)測(cè)、角測(cè)、平測(cè)比對(duì)的檢測(cè)數(shù)據(jù)

查表1：當(dāng)換能器的直徑為38mm，取換能器近邊緣距200mm、300mm、400mm、500mm 時(shí)，按換能器“近邊緣距”以及“中心點(diǎn)距”采用勾股定理計(jì)算直角三角形的斜邊測(cè)距分別為283mm、424mm、566mm、707mm 以 及 310mm、451mm、593mm、734mm；查表2：當(dāng)角測(cè)法定位劃線距Lj分別取200mm、300mm、400mm、500mm 時(shí)，其模擬測(cè)距 L 為 293mm、443mm、587mm、726mm，即證明了角測(cè)法的實(shí)際測(cè)距比“近邊緣距”計(jì)算的斜邊測(cè)距大，而比“中心點(diǎn)距”計(jì)算的斜邊測(cè)距小，且采用本文的檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)化了現(xiàn)行T/CECS 02—2020 標(biāo)準(zhǔn)角測(cè)法中必須用勾股定理計(jì)算直角三角形測(cè)距的步驟。

從表2 可知：當(dāng)角測(cè)法定位劃線距Lj取200mm、300mm、400mm、500mm 以及平測(cè)法定位劃線距 Lp取 200mm、300mm、400mm 時(shí)獲得的超聲聲速與對(duì)測(cè)聲速相當(dāng)。在需要采用超聲波平測(cè)法或角測(cè)法檢測(cè)混凝土構(gòu)件時(shí)，事先通過在有代表性部位檢測(cè)得到超聲對(duì)測(cè)的聲速值v，并計(jì)算該聲速值v 與角測(cè)或平測(cè)時(shí)換能器設(shè)定的布點(diǎn)畫線尺寸Lj或Lp相對(duì)應(yīng)的聲時(shí)t 的乘積獲得模擬測(cè)距L 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)。建議超聲儀在超聲檢測(cè)前預(yù)先設(shè)置超聲的“測(cè)距”，輸入布點(diǎn)定位劃線測(cè)距為300mm 時(shí)的等效對(duì)測(cè)法的模擬測(cè)距值。

4 結(jié)論

（1）平測(cè)法或角測(cè)法不受結(jié)構(gòu)物尺寸和形狀的影響，不苛求對(duì)測(cè)法必需的兩個(gè)平行檢測(cè)面，必要時(shí)比對(duì)測(cè)法檢測(cè)實(shí)體結(jié)構(gòu)更具可操作性，但現(xiàn)行檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中平測(cè)法或角測(cè)法的聲速不易準(zhǔn)確采集，直接采用傳統(tǒng)方法得到的聲速值代入公式計(jì)算，混凝土強(qiáng)度將被嚴(yán)重誤判。

（2）提出了超聲波“等效對(duì)測(cè)法聲速的模擬測(cè)距”的檢測(cè)方法，在需要采用超聲波平測(cè)法或角測(cè)法檢測(cè)混凝土構(gòu)件時(shí)，通過事先在有代表性部位進(jìn)行其與對(duì)測(cè)法比對(duì)修正獲得的模擬測(cè)距，即可按通常的操作步驟進(jìn)行超聲檢測(cè)。

（3）在平測(cè)法檢測(cè)中，無需在每個(gè)測(cè)區(qū)采用“聲時(shí)～距離”回歸處理，極大的減少了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作量，提高了工作效率；在角測(cè)法檢測(cè)中，無需用勾股定理計(jì)算測(cè)距，避免了現(xiàn)行檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中取兩換能器的中心點(diǎn)與構(gòu)件邊緣的距離按勾股定理計(jì)算不準(zhǔn)確的斜邊距難題。

（4）在需要采用超聲波平測(cè)法或角測(cè)法檢測(cè)混凝土構(gòu)件時(shí)，采用模擬測(cè)距得到的對(duì)測(cè)聲速值，比現(xiàn)行T/CECS02-2020 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢測(cè)方法簡(jiǎn)單實(shí)用、準(zhǔn)確可靠。