（声学专业论文）冲击回波方法在混凝土检测中的应用.pdf

摘要 冲击回波方法是一种基于瞬时应力波的无损检测方法。在混凝土等非均匀 物质中，瞬时冲击产生的低频应力波可以像在均匀媒质中一样传播，克服了超声 波检测在混凝土检测中的很多缺陷。本文详细地阐述了冲击回波方法的原理及 其多方面的应用。利用有限元方法计算并模拟了混凝土结构的冲击回波响应， 并对关键的参数进行了讨论。通过在包含人工缺陷的混凝土试块上进行的大量实 验，证明了冲击回波方法不仅可以准确测量混凝土结构的厚度，也可以成功地 确定混凝土结构内部的各种缺陷，比如表面开口裂缝、空洞、夹杂、分层、蜂窝 关键词：冲击回波方法，有限元，混凝土，缺陷，成像 a b s tr a c t t h ei m p a c t e c h om e t h o di sat e c h n i q u eb a s e do nt h eu s eo ft r a n s i e n ts t r e s s w a v e sf o rn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g t h em e t h o do v e r c o m e sm a n yb a r r i e r sa s s o c i a t e d w i t hf l a wd e t e c t i o ni nc o n c r e t eb a s e do nu l t r a s o n i cm e t h o d s t h i sp a p e r p r o v i d e da l l o v e r v i e wo ft h et e c h n i q u ea n dd i s c u s st h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r si n v o l v e di nt h i s m e t h o d s o n eo ft h ek e yf e a t u r e so ft h em e t h o di st h et r a n s f o r m a t i o no ft h er e c o r d e d t i m ed o m a i nw a v e f o r mo ft h es u r f a c em o t i o ni n t ot h e 丹e q u e n c yd o m a i n al o to f l a b o r a t o r ys t u d i e sw e r ec a r r i e do u to nc o n c r e t es p e c i m e n st h a tc o n t a i n e da r t i f i c i a l f l a w sa tk n o wl o c a t i o n s i tw a sp r o v e dt h a tt h ei m p a c t e c h om e t h o dc a ns u c c e s s f u l l y l o c a t ev a r i o u sf l a w si nc o n c r e t e ，s u c hl i k e v e r t i c a l s u r f a c e - o p e n i n gc r a c k s ， h o n e y c o m b i n g ，v o i d s ，a n dd e l a m i n a t i o n ，e c t t h i sm e t h o da l s oc a na c c u r a t e l y d e t e r m i n et h et h i c k n e s so ft h ec o n c r e t es l a b s k e y w o r d s ：i m p a c t e c h om e t h o d ，f i n i t e e l e m e n t ，c o n c r e t e ，d e f e c t ，i m a g i n g 摘要 冲击回波方法是一种基于瞬时应力波的无损检测方法。在混凝土等非均匀 物质中，瞬时冲击产生的低频应力波可以像在均匀媒质中一样传播，克服了超声 波检测在混凝土检测中的很多缺陷。本文详细地阐述了冲击回波方法的原理及 其多方面的应用。利用有限元方法计算并模拟了混凝土结构的冲击回波响应， 并对关键的参数进行了讨论。通过在包含人工缺陷的混凝土试块上进行的大量实 验，证明了冲击回波方法不仅可以准确测量混凝土结构的厚度，也可以成功地 确定混凝土结构内部的各种缺陷，比如表面开口裂缝、空洞、夹杂、分层、蜂窝 关键词：冲击回波方法，有限元，混凝土，缺陷，成像 a b s tr a c t t h ei m p a c t e c h om e t h o di sat e c h n i q u eb a s e do nt h eu s eo ft r a n s i e n ts t r e s s w a v e sf o rn o n d e s t r u c t i v et e s t i n g t h em e t h o do v e r c o m e sm a n yb a r r i e r sa s s o c i a t e d w i t hf l a wd e t e c t i o ni nc o n c r e t eb a s e do nu l t r a s o n i cm e t h o d s t h i sp a p e r p r o v i d e da l l o v e r v i e wo ft h et e c h n i q u ea n dd i s c u s st h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r si n v o l v e di nt h i s m e t h o d s o n eo ft h ek e yf e a t u r e so ft h em e t h o di st h et r a n s f o r m a t i o no ft h er e c o r d e d t i m ed o m a i nw a v e f o r mo ft h es u r f a c em o t i o ni n t ot h e 丹e q u e n c yd o m a i n al o to f l a b o r a t o r ys t u d i e sw e r ec a r r i e do u to nc o n c r e t es p e c i m e n st h a tc o n t a i n e da r t i f i c i a l f l a w sa tk n o wl o c a t i o n s i tw a sp r o v e dt h a tt h ei m p a c t e c h om e t h o dc a ns u c c e s s f u l l y l o c a t ev a r i o u sf l a w si nc o n c r e t e ，s u c hl i k e v e r t i c a l s u r f a c e - o p e n i n gc r a c k s ， h o n e y c o m b i n g ，v o i d s ，a n dd e l a m i n a t i o n ，e c t t h i sm e t h o da l s oc a na c c u r a t e l y d e t e r m i n et h et h i c k n e s so ft h ec o n c r e t es l a b s k e y w o r d s ：i m p a c t e c h om e t h o d ，f i n i t e e l e m e n t ，c o n c r e t e ，d e f e c t ，i m a g i n g 冲击一回波方法在混凝土检测中的应用 1 1 引言 第一章绪论 混凝土是当代建筑工程中最主要的结构材料之一，加强混凝土的质量监测和 控制是当今建筑工程技术的重要课题。 传统的混凝土检测方法多数为破损检测方法，例如取芯、钻孔或取出结构中 的一部分做可视检测。虽然这些方法非常可靠，但它们费时且昂贵，而且留下的 缺陷会成为结构破坏的焦点。 过去几十年，一系列的无损检测方法得到广泛的应用，包括) c 射线、丫射线、 雷达、红外线成像和声学方法。它们不仅应用于混凝土，而且用于其他它结构材 料的检测。 声学方法是最古老且应用最广泛的无损检测方法。它们基于固体中应力波的 传播及某些情况下的反射。一个众所周知的例子就是用锤子敲击物体，听“嗡嗡” 声的变换来检测内部空隙、裂缝或其它缺陷的存在。评估混凝土的声学方法主要 有三种，它们分别是透射方法或脉冲速度方法、谐振方法和回波方法。这三种 方法都基于应力波的传播，但是产生和接收应力波的方法各不相同。 ”t。， 钝t。 j 够o ! 巴- ，一? ： 孥 图卜1 混凝土脉冲一回波检测技术原理图 回波方法中，换能器或机械冲击在可探测表面将应力波导入待测媒质。如果 使用换能器激发应力波，该方法称为脉冲回波方法；若使用机械冲击，则称为 冲击回波方法。如图1 - 1 所示，脉冲回波方法中声波在媒质中传播，并被缺陷、 密度或弹性不同的材料界面反射。这些反射波由脉冲源附近的第二个换能器拾 取。换能器的输出显示于示波器或类似装黄，采用显示时基可以测定脉冲传播的 冲击一回波方法在混凝土检测中的应用 播的时间。如果己知媒质的波速，确定了传播时间就可以确定发生反射的缺陷或 界面的位置。 自从二十世纪四十年代初脉冲回波方法被初次使用以来，获得了广泛的发 展，并已经成为对金属、塑料和其它均匀材料进行无损检测的一种有效的、多功 能的、可靠的方法。但是由于混凝土的不均匀特性，超声方法采用的高频应力波 ( 一般在1 0 0 k h z 以上) 在混凝土中剧烈衰减。因此以前除了探测混凝土薄板中 缺陷并测量其厚度的这些有限应用外，超声方法不适宜于混凝土检测。 二十世纪七十年代早期，冲击方法开始对例如反应堆之类的深埋基础物进行 完全检测。使用冲击锤激发的低频波( 低于l k h z ) 测量反应堆的长度。八十年 代早期，美国国家标准署的研究工程师开始使用小钢球产生短时机械冲击，并以 此作为检测混凝土结构的应力波的波源。他们发现，仔细选择钢球的直径，可以 产生频率接近于8 0 k h z 的应力波。此频率的应力波在混凝土中犹如在均匀弹性 媒质中一样传播，但是在内部缺陷和界面反射。研究人员将这种方法称为冲击 回波方法，并将其从换能器激发应力波的脉冲回波方法中分离出来。 图1 - 2 冲击一回波方法原理图 冲击回波利用弹性冲击产生的瞬时应力波。如图1 2 所示，小钢球敲击混 凝土表面产生短时机械冲击，并在混凝土内部激发低频应力波。低频应力波在混 凝土中传播，被缺陷或外表面反射。应力波在冲击表面、缺陷或外表面之间多次 反射，形成瞬时谐振。如果将时间位移信号转换到频域得到幅度频率图形( 频 谱) ，则可以从频谱中辨认出谐振频率，用来估计结构的完整性或确定缺陷的位 置。 4 冲击一回波方法在混凝土检测中的应用 对于混凝土建筑物的各种常见几何形状( 板，圆形或矩形柱，矩形、i 型和 t 型横粱，中空圆柱等) ，冲击回波方法具有独特的波形和频谱，其主要模式特 别是频谱中峰值的数量和分布很容易识别。如果存在缺陷( 裂缝、空腔、分层等) ， 这些模式将被破坏和改变，从而提供关于缺陷存在和位置的定性和定量信息。因 此冲击回波方法不仅可以测量混凝土的厚度，也可以确定混凝土结构中多种缺 陷的位置及延伸，包括例如板材( 混凝土路面、公路、墙体、甲板) 、多层板( 包 括有沥青涂层的混凝土) 、柱状物和横梁( 圆形、方形、矩形及多种i 型和t 型 截面) 及中空圆柱体( 管道、隧道) 在内的素混凝土、钢筋混凝土和后拉力混凝 土结构中的裂纹、分层、孔洞、蜂窝及松散。 该方法主要成功地用于质量控制中，辨认一个建筑物中的可疑点并对其定 量，例如在预防性维护过程中测量新高速公路的厚度，或检测桥梁表层的分层对 其进行日常评估。所有这些情况中冲击一回波方法有一个集中的目标，例如定位 裂纹、空隙或分层，测量混凝土板的厚度，或检查灌浆管道中空隙的后应力结构。 如果正确使用，冲击一回波方法能非常成功地定位高速公路、桥梁、建筑物、 隧道、大坝、桥墩、海墙和其它类型结构中的裂纹和缺陷。它的使用保证了混凝 土建筑的安全性，同时也节约了维修和翻新桥梁、护墙和其它大型建筑物所需的 大量费用。 1 2 冲击回波检测的发展 1 2 1 冲击一回波检测方法的发展 二十世纪7 0 年代和8 0 年代早期，美国有大量的桥梁和建筑在建造过程中损 坏。美国国家标准署( n b s ) 的有关部门开始寻找造成这些损坏的原因。开始 研究者专注于混凝土早龄强度的无损测试方法，接着开始寻找一种能探测已有建 筑物中缺陷探测方法。1 9 8 3 年开始，以d r n i c h o l a sc a r i n o 和m a r ys a n s a l o n e 为首的研究人员对缺陷的探测方法进行了为期5 年的研究。 n b s 的早期研究集中在于寻求种适用于混凝土的无损检测方法。当冲击 产生的应力波证明可以用于混凝土检测以后，研究人员对其进行了一系列的理 论、数值( 有限元) 研究和对已知缺陷的实验室研究。这种技术后来发展成为冲 冲击一回波方法在混凝土检测中的应用 击一回波方法。 8 0 年代中期，对冲击回波方法的研究有了4 个关键性突破【l 】。首先是基于 计算机模拟的有限元方法，用于模拟结构的冲击回波响应。通过该方法，可以 详细研究瞬时应力波在有限固体中的传播，以及缺陷对各种混凝土结构响应的影 响。数值研究的结果为实验结果的解释提供了必不可少的指导。 第二个突破是选用小钢球轴承为冲击源。此类冲击源激发一个轮廓清晰且数 值简单的输入，产生的典型波形便于对信号的解释；并且另外不必再研制发射换 能器，用以产生穿透混凝土的低频、瞬时脉冲。钢球轴承不仅易于使用，而且只 需简单选取不同大小的冲击器，就可以产生与待测结构尺寸及缺陷大小、位置相 匹配的频率成分。 第三个突破是使用高灵敏度宽带换能器，可以更加准确的测量表面垂直位 移。该换能器中，小圆锥压电元件附着于铜背衬，其性能大大优于其他类型换能 器。使用薄铅片可以为粗糙的混凝土表面提供非常好的耦合。 最后一个重大进展是研究者认识到解释时域位移波形比较困难。如果将时域 波形转化到频域，可以在幅度谱中清楚的辨认出表面和内部缺陷间瞬时谐振的频 率，使得冲击回波能适用于现场检测。 n b s 的早期研究工作主要集中在对冲击回波技术本身，及其在板状结构上 应用。接着将其运用到了层状板材，包括带有沥青涂层的混凝土路面；并开始了 对瞬时应力波与不同种类缺陷相互作用的研究。 1 9 8 5 年秋，n b s 的研究人员创造了一个新词“i m p a c t e c h o ”来描述这种新 方法，并将其从脉冲回波方法中分离出来。 1 9 8 8 年开始，s a n s a l o n e 到c o m e l lu n i v e r s i t y 继续从事冲击回波方法及其 应用的后续研究，包括现场检测设备的研制。其成果主要包括冲击回波方法在 柱状、中空圆柱、层状结构上应用；利用人工智能技术进行自动信号分析；冲击 回波方法对表面开口裂缝深度、灌注桩中空洞等缺陷的检测等等。 为了充分地了解瞬时应力波在各种结构中的传播，确定缺陷部位波形及幅度 谱的特征和模式，研究人员采用有限元方法对结构的冲击回波响应进行了数值 模拟，并通过对己知缺陷的实验室测试进行了验证。以上研究都是以这些数值模 拟为基础。由于采用了特征值分析、三维有限元程序、人工智能技术和现场检测 6 冲击一同渡方法在1 鼢陡土检测中的应用 设备在软硬件的发展，对冲击- 回波方法研究取得了很大的进展。现场设备的研 制叉促进了各种冲击回波检测技术在现场检测的应用以及商业检测仪器的发 展。 22 现场检测仪器的发展 冲击回波方法最早采用波形分析器记录、分析、存储检测数据。这种设备 适合实验室使用，但是很难满足现场检测设备所必需的坚固性和可携带性。 1 9 8 9 ，s a n s a l o n e 开始研制便携式检测系统。该系统包括手持冲击源、换能 器：直接与膝上型计算机连接的兆赫级数据采集系统：以及用于转换、分析和存 储检测数据的软件系统。图1 - 3 为一套典型的冲击一回波检测系统。 p 星 够 图卜3 典型的冲击回波检测系统 到1 9 9 7 年，全世界范围内已经有众多的公司使用冲击一回波检测设备。科学 家及工程师们指出，在混凝士缺陷检测中，冲击- 回波方法最为准确可靠，它在 检测和维修建筑物、桥梁、高速路、隧道及其它工业及公共建筑方面具有极大的 潜力。 但是一开始冲击回波方法还是有难以被企业接受的地方，比如：1 ) 虽然检 测过程简单，使用者需要具备物理声学知识，才能对测试结果进行准确的解释： 2 ) 不向的几何结构具有不同的波形和频谱特征，对数据的解释成为一种模式识 别，这需要大量的训练和经验：3 ) 软件系统非常独特虽然有效，但操作者不 容易掌握，也很难获得在线支持。正是以上原困限制了冲击，回波方法的广泛应 用特别是自动化检测的发展。 1 9 9 4 年，s a n s a l o n e 和w i l l i a m bs t r e e t t ( c o r n e l l 工程学院前院长) 成立了一家 公司将冲击回波技术向公众转化。他们开发了新的w i n d o w s 界面，提高了系 冲击一回波方法在混凝土检测中的应用 统稳定性，并提供了在线支持，以及针对不同用户的软件包和教程。1 9 9 6 年s t r e e r 开始研发针对不同用户需要的硬件系统，包括满足实验室教学需要和现场检测坚 固性的产品。 1 3 本文主要内容 1 对冲击回波方法的研究。 2 利用有限元方法计算冲击回波数值解，并模拟混凝土结构的冲击回波响应。 3 在含有人工缺陷的混凝土试块上进行实验，总结和改进检测方法，并研究各 项参数对检测精度的影响，验证冲击回波方法的准确性。 4 进一步改善信号处理方法及检测仪器。 5 探讨冲击回波方法探测各种常见缺陷及结构的可行性，扩大其应用范围。 6 利用缺陷成像等手段辅助对回波信号的解释，使冲击回波方法对缺陷的检测 更加简便。 8 冲击一回波方法在混凝土检测中的应用 第二章冲击一回波方法原理及其有限元分析 2 1 背景 由于混凝土的非均匀特性，沙浆骨料界面、空洞和钢筋引起的多次回波， 混淆了来自缺陷的回波信号，因此u p e 方法不适用于混凝土构件的检测。然而 在过去的1 0 到2 0 年中，基于机械冲击产生的低频应力波( 一般低于8 0 l ( h z ) 的 检测技术取得了很大的进步。在低频情况下，应力波的波长远大于混凝土中的不 均匀、空气泡、沙浆骨料界面、微小裂缝的尺寸，只有在界面以及与波长等量 级尺寸的缺陷处被反射，因此混凝土可以看作各向同性均匀弹性媒质。 2 1 1 基本关系式 图2 - 1 混凝土表面冲击激发应力波示意图 如果在固体表面突然施加一个扰动( 压力或位移) ，例如冲击，扰动将以三 种不同应力波模式在固体内传播：p 波( 纵波) 、s 波( 横波) 和r 波( 表面波) 【2 1 。 如图2 1 所示，p 波和s 波沿着球形波前在固体内传播，r 波沿表面传播。 对于各向同性的无限弹性固体，p 波速度c 。与杨氏模量e 、泊松比v 和密度 p 有关： 铲i 瓢0 - v ) s 波以较低的速度传播： 弘层= 胨 ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) 9 冲击一阿渡方法在混凝土检测中的应用 其中g 为弹性体的剪切模量。 s 波速度与p 波述度的比率与泊松比有关： 一c ：匝 c p v2 (1-v)(2-1” 如果泊松比为0 2 ( 混凝土的典型值) ，该比率为0 6 l 。 r 波速度c ，与s 波速度的比值由以下的近似公式给出： c 08 7 + 1 1 2 v c ， 1+”(2-141 如果泊松比为0 2 ，r 波速度是s 波速度的9 2 。 图2 - 2 为对板状结构冲击响应的有限元分析结果。该图是有限元网格的节点 位移图。在此时刘s 被到达板底部，反射p 波大约在板的中部：并可以清楚辨 别不同波前的位置。数字模拟使得研究人员对带缺陷板状固体结构的冲击响应有 了深入的了解p “。 212 界面反射 圈2 - 2 板内冲击波的有限元模拟 当应力波从材料1 入射到材料2 时，在两种材料界面处会有部分入射波被反 射反射波的幅度是八射角的函数，且当入射角为9 0 0 ( 垂直入射) 时为最大。 垂直入射的反射系数由下式给出： r：三嘻(2-1_5)z，+ z 其中zj 、z 2 分别为材料i 、2 的声阻抗。声阻抗是波速和材料密度的乘积。 困为混凝土的声阻抗远大于空气，r 1 所以混擞土中传播的应力波到达 包含空气的界面，几乎被完全反射。这就是基于应力波传播的无损检测方法能成 冲击回波方法在混凝土检测中的应用 功定位固体中缺陷的原因。 由公式( 2 1 5 ) 计算得到的反射系数可能为正也可能为负，这取决于两种材料 声阻抗的相对值。如果z 2 z l ，反射系数为正，应力符号没有改变，那么压缩波反射后仍然为压缩波。 这种不同可以区分混凝土空气界面界面反射和混凝土钢界面反射【5 】。 2 2 冲击回波方法原理及应用 2 2 1 原理 如前所讨论，结构表面的机械冲击将在结构内部产生瞬时应力波，包括纵波、 横波和表面波。纵波和横波被内部缺陷或外边界反射，当反射波到达结构表面时 引起表面位移，并被接收换能器接收。因为冲击点下方纵波的幅度为最大值，而 横波的幅度较小，所以冲击点附近表面位移主要由纵波产生【1 1 。 ；幡1 li 撇- i 爱缓簇：；i jk一l ：囊0 缘豫 # 鬟鬈棼 眷；黎， ： 霉缀荟 誊i 蕊麓皇 蠢簸糍霉努辫澎ir、c ，上。生 t：d ( b ) ( c ) 图2 - 3 频率分析原理( a ) 表面位移波形( b ) 纵波反射示意图( c ) 频谱 如图2 3 ( a ) 中所示，表面波的到达引起结构表面的大幅度向下位移。而纵 波在上表面和缺陷，或下表面之间多次反射，因此纵波的到达引起一系列重复向 下位移。如图2 3 ( b ) ，应力波在上下表面之间的多次反射，形成瞬时共振，从 冲击一回波方法在混凝土检测中的应用 而使波形具有周期性特征，并且在频谱中存在明显的峰值，对应于缺陷和边界深 度。 在时域中，反射应力波引起的表面位移和时间可以构成位移波形，该波形可 以获得缺陷和边界反射信息。但对时域波形的解释不仅费时，而且如果被测物体 形状复杂的话，更难以得到稳定的结果。所以通常使用快速傅立叶变化( f f t ) 将时域波形转化为幅度谱，从而获得到达换能器的纵波的频率【6 】。 如果已知结构内部纵波速度c p ，则可以由下式计算内部缺陷或外边界的深 度d ： ：生 (2-2-1)2 f r 一7 其中f 为纵波反射f f t 的主频率，称为板厚频率。该公式适用于混凝土和声阻抗 低于混凝土的材料之间的界面。例如混凝土空气界面，混凝土水界面。 如果需要确定深度的材料的声阻抗较高，比如混凝土钢界面，采用以下公 武o d：笠(2-2-2) 4 f 其中变量和公式2 2 1 相同。 冲击源 空气 r jl 1 ： ： ： ： f 匣凝 ： ：1：1 i l l i h vl v v 。t 塑 ( a )( ” 图2 - 4 混凝土空气界面纵波反射示意图( a ) 模型( b ) 波形 冲击源 窄 口口l p 八八 l 喾v 图2 - 5 混凝土钢界面纵波反射示意图 ( a ) 模型( b ) 波形 1 2 冲击一回波方法在混凝土检测中的应用 之所以会有两种计算公式，是因为不同界面处纵波反射的形式不同【7 1 。如果 下层材料的声阻抗低于传播纵波的材料( 如固气界面) ，反射波将改变应力符号， 即入射纵波将在界面处从压缩应力波转化为拉伸应力波，或相反。如图2 4 所示。 图2 - 4 ( a ) 为在固体混凝土板上进行冲击回波实验的示意图，其中实线表示压缩 波，虚线表示拉伸波。冲击源在材料内部产生压缩波，当到达混凝土空气界面 转化成拉伸波，并反射回表面。拉伸波在混凝土板的上表面产生向下位移，并再 次被反射成为压缩波。应力波在上下表面来回反射，每次到达混凝土板上表面时 为拉伸波，产生表面向内位移，在波形图上表现为向下位移。位移波形如图2 。4 ( b ) 所示，向下位移由箭头2 p 、4 p 、6 p 等表示出。相同位移间的间隔为t = 2 d c d ，其 中d 为板厚，c 。为纵波速度。因此拉伸波到达上表面的频率由公式( 2 2 1 ) 计算。 相反，如果第二种材料的声阻抗高于传播纵波的材料，则纵波在反射界面处 不改变符号。图2 - 5 ( a ) 为在带有钢基的混凝土板上进行冲击回波实验的示意图， 图2 - 5 ( b ) 为其表面位移波形。冲击源在材料内部产生压缩纵波，当它被混凝土 钢界面反射时不发生改变符号，仍以压缩波形式到达混凝土板上表面，并产生向 上位移( 2 p ) 。在上表面( 混凝土空气界面) ，压缩波被反射成为拉伸波。该拉 伸波被混凝土钢界面反射至混凝土板上表面，产生向下位移( 4 p ) 。因此相同位 移间的间隔是t = 4 d c 。，对应于公式( 2 2 2 ) 。 由此可知，当混凝土空气和混凝土钢界面深度相近时，可以根据频率的不 同区分出界面的类型。 以上两个公式为冲击回波检测的基本关系式。 在最初的研究中，认为沿着板的厚度传播的波速等于固体中的纵波速度。随 着研究的不断发展，发现与厚度频率和板厚有关的表观速度大约为纵波速度的 9 6 ，即c p p = o 9 6 c p 。这种不同是因为纵波的多次反射激发了板中一种特定的振 动模式【8 】。厚度模式及其产生的位移在波形中呈典型的周期性。 另外，还必须考虑反射波的幅度。不同材料界面上反射波或折射波的大小由 两种物质的声阻抗决定。如果入射纵波的波幅为a i ，则反射波波幅( a 陀f l 。c t c d ) 和折射波波幅( a m f r a 。f e d ) 分别为： 77 4 。伽d e d = ；! _ 争彳f ( 2 2 3 ) 么卿d2 彳_ 尹4 ( 2 - 2 _ 3 ) 冲击一回波方法在混凝土检测中的应用 矿亳a i ( 2 - 2 4 ) 其中z l 、z 2 是分别为材料1 、2 的声阻抗。 两种材料声阻抗的不同决定了用冲击回波方法能否探测到该界面。例如在 混凝土灰浆界面，由于两者声阻抗几乎相等，所以两者界面上没有反射。在幅 度谱上对应于该界面深度的频率处没有波峰出现。相反，在混凝土空气界面， 因为空气的声阻抗远低于混凝土，所以入射波的能量几乎被完全反射。因此在内 部缺陷处几乎没有任何能量透过界面传递，入射波一定是被反射或绕着缺陷传 播。在幅度谱上对应于缺陷深度的频率处公式( 2 2 1 ) 必将会出现峰值。 对于混凝土钢表面，反射波的幅度大约为入射波幅度的7 0 ：部分能量被 反射，部分在钢中传播。因此在对应于界面深度的频率处公式( 2 2 2 ) 会出现峰值。 2 2 2 检测仪器 冲击回波方法检测装置包括三个基本部分：冲击器( 产生短时、可变冲击) ： 高性能接收器( 测量表面响应) ；以及数据采集系统。 1 、 冲击器 弹性冲击作用时间函数可以近似为半周期正弦曲线。冲击持续时间( 或接触 时间) t c 决定了其产生的应力脉冲的频率成分和可探测的缺陷的尺寸【2 】。由于脉 冲中的绝大部分能量集中在低于1 5 t 。的频率成分内，所以接触时间越短，脉冲 包含的频率成分越高( 波长越短) ，可以探测更小的缺陷或界面。探测浅表缺陷 时也需要缩短接触时间。 在冲击回波研究和现场检测中，通常使用硬化钢球作为冲击源。由一定高 度投射到和混凝土板上的小钢球与表面的接触时间可由下式计算： p5 9 7 防，瓴+ 艿p ) 巧r i h ( 2 - 2 5 ) 式中：万p = ( 1 一y ；) ( 万e p ) ，瓦= ( 1 一2 ) o r e ，) ，e p 、e s 为混凝土和钢球的弹性 模量( n m 2 ) ，v ”v 。为混凝土和钢球泊松比r 为钢球半径( m ) ，h 为钢球投射高度 ( m ) 。若取混凝土e 严3 6 e l o p a ，v p = 0 2 ，则上式简化为： f 。：0 0 0 8 5 8 r h 。一 ( 2 2 6 ) 该关系式表明钢球的接触时间与球的直径成正比线性关系，而受高度的略微 1 4 冲击一回波方法在混凝土检测中的应用 影响。选取不同直径的钢球，即可以产生不同频率范围的应力波。 2 、接收器 一般采用高性能宽带位移换能器作为接收器，其输出与表面法向位移成正 比，可以简化对信号的解释。另外也可选用加速度计来达到同样的目的。需要注 意的是换能器的谐振频率要远离厚度频率。 为了准确测量表面位移，必须保证换能器与混凝土表面很好地耦合。可以采 用各种油脂状的材料( 如黄油等) 作为耦合剂。 3 、数据处理部分 使用带有数据采集卡的便携式计算机采集换能器的输出，保存数字化波形， 并进行信号处理和分析。 2 2 3 纵波速度的测量 在冲击回波检测中，若要准确测定结构的大小或缺陷深度，必须已知结构 中的纵波速度。直到2 0 世纪9 0 年代中期，人们一直采用取芯或利用己知尺寸的 无缺陷结构来测量纵波速度。这两种方法分别存在着破坏结构和无法探测单面可 测物体( 如防汛墙) 的缺陷。1 9 9 5 年，研究人员提出了一种直接测量纵波波速 的方法【9 1 。 t ，s ， 羟积反瓣激疑簪 j 卜 j r 位移 ( a )( b ) 图2 - 6( a )表面冲击激发应力波示意图 ( b )表面回波示意图 该方法利用沿固体表面传播的直接纵波。图2 - 6 ( a ) 为固体表面点冲击在固体 中激发的纵波、横波和表面波的示意图。纵波的粒子运动平行于波传播的方向。 由于泊松效应，表面下方平行于表面的粒子运动产生法向纵波位移，并可以由高 冲击一回波方法在混凝土检测中的应用 灵敏度位移探头识别。图2 - 6 ( b ) 为冲击点附近换能器所记录的表面位移波形示意 图。从图中可以看出首先到达的是沿表面传播的直接纵波。其后依次为直接到达 换能器的横波、表面波，以及从底面反射回来的纵波和横波。 图2 7 直接测量纵波速度( a ) 实验装置( b ) 波形 如图2 7 ( a ) 所示，在冲击源附近放置两个距离已知的换能器，分别记录纵 波位移；冲击点在两个换能器的连线上。测得纵波波速c 。： c 。= 三a t( 2 2 7 ) 其中l 为两个换能器之间的距离，t 为直接纵波到达两个换能器的时间差。由 此可以得到固体板中的冲击回波纵波速度c 尸p = 0 9 6 c p 。 图2 7 ( b ) 为纵波速度测量的典型波形。箭头表示了各波形中直接纵波到 达换能器时间。 测量中，需要适当增加冲击源和接收器间的距离，可以更好地区分表面纵波、 表面横波以及表面波，提高测量精度。但是如果距离过大，纵波位移幅度会大幅 度降低。 该技术简便、可靠，且不受被测物体形状的限制。这使得冲击回波方法不 仅可以检测到缺陷，更可以有效地用于质量控制。 2 2 4 表面开口裂纹深度的测量 如图2 - 8 ( a ) ，如果将冲击源和换能器跨缝放置，则沿表面传播的波将被裂缝 反射。因此放置在裂缝另一侧的换能器不会采集到沿物体表面和近表面传播的 波。但是如果纵波和横波入射到裂缝底部，则会在裂缝尖端衍射，衍射波在裂缝 尖端形成新的波源【l o 】。图2 8 ( b ) 为入射纵波产生的衍射横波p d s 和纵波p d p 。裂 缝后面为阴影区，只有衍射波可以穿过。所以换能器只能接收到衍射波，最先到 l f ； 冲击一回波方法在混凝士检测中的应用 达换能器的是衍射纵波，如图2 - 8 ( c ) 。 ( c ) 图2 - 8 测量表面开口裂纹示意图 衍射波从结构上下表面反射，这些反射波在裂缝尖端再次激发新的衍射波。 波在裂缝尖端和结构表面的重复反射和衍射，产生了周期性的表面位移波形，从 而在频谱中出现谐振频率。因此可以利用公式( 2 2 1 ) 可以计算裂缝的深度。 2 2 5 内部缺陷的测量 冲击一回波方法不仅可以测量物体的厚度，也可以确定结构中内部缺陷的 位置及其延伸。 图2 - 9内部缺陷的冲击一回波晌应 如图2 - 9 所示，如果结构内部存在缺陷，因为缺陷与混凝土声阻抗的不同， 应力波会在界面处发生反射，或被迫沿着缺陷传播，从而影响冲击应力波的传播 冲击一回波方法在混凝土检测中的应用 和反射路径，因此时域位移波形和对应的频率模式必定会发生改变。同时由于缺 陷的存在使得结构的刚性降低，因此共振频率有所降低n 。 表1 常见固体结构的冲击一回波响应 基本公式 结构类型横截面几何形状频谱 f 产bc p 2 d 板状结构l i， ( 混凝土 幅； f t = o 9 6 度l路面。桥 了 c p 2 t ，。j f 1 面，墙体 逆疑k 等) 颍奄( k l i z ) 正方形柱 d f l = 0 8 7 妊 应 或梁c p 2 d d 籀蹇t 娅) 褥 j ；1 1 ； 度 舭 1 j b f i = b 颧率( k l 位) 矩形柱或 c p 2 d 梁 i 8 为d s 的 函数 f 1 l 幅 凡 度 珏 频率( k r z ) 冲击一回波方法在混凝土检测中的应用 表2包含小缺陷的常见固体结构的冲击一回波响应 结构类型 横截面频谱 l t卜 i 板状物 i 。 l j乞a 、 效率l k l l o 0 l ： = l n a 。= b a 。 b 称为应变矩阵： l ：= 旦。 苏 ，、 a u 砂 aa 砂 苏 b = l n = l n ；l n jl n 。】_ 可以求得单元应力为： ( 2 - 3 9 ) ( 2 - 3 1 0 ) m 0 爱以0 舅，虬0 球， n i n in m 、 6 = d e = d b a ( 2 3 1 2 ) 其中d 是弹性矩阵 由以上各式，单个三角形求解域的位移和应变都用结点的位移表示。 3 、根据变分原理建立方程 有限元法是变分原理和差分法的结合，单元划分运用了差分法，而建立求解 方程则要依赖变分原理。 变分原理认为连续介质问题的解