（岩土工程专业论文）桩身混凝土声波透射法试验研究.pdf

内容摘要 内容摘要 本论文研究了圆环式径向换能器辐射声场的特性，并建立模型，给出了模型 的解析解。计算出了圆环式径向换能器辐射声场的远场声压分布，并分析了辐射 声场的指向特性，讨论了近场情况下轴上的声压分布。 此外，在医学c t 理论研究的基础上，采用a r t i i 算法编制了超声波层析成像 分析程序，用于分析关于混凝土试块的超声波声时数据，得到反映混凝土试块内 部声速变化的c t 图像。该c t 图像反映了混凝土试块内部缺陷所在位置和范围。 最后，指出了超声波一c t ( 层析成像) 存在的局限性，并展望了其未来的发 展方向。 关键词：超声波，换能器，辐射声场，指向性，近场特性，层析成像，缺 陷 ：奎三些查兰三兰鎏圭耋釜鎏兰 a b s t r a c t t h er a d i a t e ds o u n df i e l do ft r a f f i c i r c l e i sa n a l y z e di nt h i s p a p e r f o u n d i n gt h er a d i a t e ds o u n df i e l dm o d e la n dc a l c u l a t i n gt h em o d e l a n a l y t i cr e s u l t ，t h eu l t r a s o n i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni nt h r e e d i m e n s i o n a l s d a c ei sc a l c u l a t e d ，a n di t sn e a rf i e l dd i s t r i b u t i o n a na n a l y s i sism a d e o fd r e s s u r ed i s t r i b u t i o no fr a d i a t e d s o u n d f i e l d ，a n d t h e p r e s s u r e d i s t r i b u t i o no nt h ea x i sisd is c u s s e du n d e rt h en e a r s o u n df i e l d i na d d i t i o n ，u s i n ga r ti ia l g o r i t h m ，b a s e d o nt h er e s e a r c ho fi m a g e r e c o n s t r u c t i o nt h e o r y ，a nu l t r a s o n i c c t ( c o m p u t e r iz e dt o m o g r a p h y ) p r o g r a m i sm a d e b ya p p l y i n gt h ep r o g r a t oa n a l y z et h ed a t ao fu l t r a s o n i c w a v e p r o p a g a t i o n t i m ea b o u tc o n c r e t et e s t i n gm o d e 】s ， c t i m a g e s a r e p e r f o r m e d ，w h i c hr e f l e c tt h ev a r i a t i o n o fw a v ev e l o c i t yi nc o n c r e t et e s t i n g m o d e l s t h ec ti m a g e s ，w h i c hc a nr e f l e c tt h el o c a t i o na n dt h er a n g eo f t h e d e f e c ti nc o n c r e t et e s t i n g l o d e l s a tl a s t ，t h el i m i t a t i o n o ft h eu l t r a s o n i c c t ( c o m p u t e r i z e d t o m o g r a p h y ) a n di t sd e v e l o p m e n td i r e c t i o na r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ： u l t r a s o n i c，t r a n s d u e e r ，r a d i a t e ds o u n df i e l d ， p r e s s u r e d is t r i b u t i o n ，n e a rs o u n df i e l dd is t r i b u t i o n ，c o m p u t e r i z e d t o m o g r a p h y ， d e f e c t i i 第一章绪论 1 1 前言 桩是深埋在土层中的柱型构件，其发展过程历史悠久，早在新石器时代，人 类就通过打入木桩或竹桩在湖泊和沼泽地搭台作为水上住所，浙江省河姆渡就发 现了这种原始社会遗址，在国外，距今1 2 0 0 0 年历史的智利古文化遗址中就已 经发现了桩的雏形0 1 。参考文献 3 也清楚指出：“在人类有历史记载以前，就已 经在地基条件不好的河谷及河流洪基地区采用桩基做为基础的工程方法，在不同 文化时期都可以找到以桩作为基础的房屋。”在我国，到了宋朝，桩基技术已比 较成熟，现今上海的龙华塔和山珏太原的晋祠圣母殿，都是现存的北宋年代所修 建的桩基建筑物n ，。 到了1 9 世纪2 0 年代，已有人开始使用铸铁板桩修筑围堰和码头，二次世界 大战后，无缝钢管也被作为桩材料用于基础工程。自2 0 世纪初钢筋混凝土预制构 件问世以来，又出现种类繁多的钢筋混凝土预制桩，如1 9 4 9 年美国雷蒙德混凝土 桩公司利用离心机生产出中空预应力钢筋混凝土桩，我国亦于5 0 年代开始生产和 使用这种预应力钢筋混凝土桩。 随着社会的发展，城市人口越来越多，造成城市土地使用紧张，建筑物层数 不断增加。同时伴随交通事业的飞速发展，跨海大桥的兴建，人类开始对桩的要 求往大直径、深长及高承载的方向发展。由于灌注桩可做成大直径桩，既可以提 高单桩承载力，又可以根据桩身内力状态分段配筋，且施工时对周围建筑物具有 振动小、噪声低、速度快、可进行水下施工、可钻岩等优点”1 ，于是灌注桩得到 很大的发展。1 8 9 3 年，美国首先出现人工挖孔桩。之后随着大功率钻锯的出现， 2 0 世纪4 0 年代钻孔灌注桩也首先在美国问世。在上世纪2 0 3 0 年代，我国已出 现沉管灌注混凝土桩。上海3 0 年代修建的一些高层建筑基础，就曾采用沉管灌注 混凝土桩，如f r a n k i 和v i b r o 桩。5 0 年代后随着我国大型钻孔机械的发展，我国的 铁路、公路桥梁及高层建筑物等大量采用钻孔灌注混凝土桩和挖孔灌注桩。 目前，灌注桩施工分为水下灌注和干孔灌注。灌注桩在施工过程中，由于工艺 广东工业大学工学硕士学位论文 较为复杂及其它机械设备、人员技术素质、原材料配比等等诸多因素的影响，极 易形成诸多缺陷。如：断桩、局部截面夹泥或缩颈、分散性泥团及“蜂窝”、集中 性气孔、离析、桩底沉渣等等，这些缺陷造成了桩身不完整。有资料表明o h “：灌 注桩的缺陷率在国内高达l o 2 0 、国外高达5 l o 。我们知道，灌注桩的 综合质量是由桩的承载力、桩身完整性及桩的耐久性确定的，如果桩身不完整， 如断面、缩颈等就会造成桩身强度不够和钢筋外漏等问题，就会影响桩的承载力 和桩的耐久性。造成桩的质量不合格甚至报废。因此，检测桩身完整性即如何测 定缺陷的位置，并准确的对其进行评价成为桩基质量检测的一个核心问题。 针对不同的桩基类型及检测目的，目前已有许多种检测方法可供选择，这些 方法大体可分为四类：静载试验法、煮观检测法( 包括开挖检查法、勘探挖孔检 查法) 、辐射能检测法( 包括超声脉冲法、放射性元素、能量衰减或散射法) 、动 力检测法( 包括高应变法、低应变法) 。其中常用于桩身完整性检测的方法主要有： 钻芯法、超声脉冲法及低应变动力检测法中的应力波反射法。 钻芯法是利用工程地质钻在桩身混凝土中钻一竖向勘探孔，可取出芯样观察 来检测不同高程混凝土的质量状况，也可依靠仔细地监视钻进速率和水中带出的 钻渣的颜色和成分来判别混凝土质量。钻芯法虽直观可靠，但是价格昂贵，工程 量大，并且钻孔有限，检测不全面。 应力波反射法是根据桩头受到一次竖向冲击后，冲击波在桩身混凝土向下传 播时遇到缺陷的界面或桩的底面而反射回桩顶的时间、相位、幅值、频率等来判 断缺陷的类型、位置的一种方法。该法由于简单、易行，使用较广，但它主要依 靠反射波进行间接判断。当信号较弱或遇到多个缺陷时容易造成误判。根据参考 文献 8 表明低应变应力波反射法在检测有缩颈缺陷的预制桩，其准确率达到 9 0 ；而检测一根全面离析、断桩、夹层占截面5 0 以上的钢筋混凝土灌注桩准确 率才达7 0 8 0 。而对缩颈、扩颈、扩底判断准确率较低，总的说来，低应变应 力波反射法对混凝土灌注桩桩身缺陷程度小的桩，准确率很低为1 2 。由于预制 管桩较灌注桩更符合低应变应力波反射法理论的前提假设条件，因此，在结合大 量工程实践的条件下，作者个人认为，相对于灌注桩，特别是短粗的灌注桩，低 应变应力波反射法更适合预制管桩检测。 超声脉冲法检测是通过在桩内预埋声测管，将超声波换能器直接通过声测管 放入桩的内部，逐点发射和接收超声脉冲波，通过对接收信号的声时、声幅、波 第一章绪论 形等参数的分析，逐点判断桩身混凝土的质量，并分析缺陷的位置、范围等。超 声脉冲法比较直观、可靠。其具有鲜明的特点：检测全面、细致、声波检测的范 围可覆盖全桩长的各个截面、信息量相当丰富、结果准确可靠、且现场操作简便 迅速、不受桩长、长颈比及场地的限制。在一些重大工程及大直径灌注桩检测中 得到广泛的应用。 1 2 桩身混凝土超声波无损检测技术的发展概况 超声波无损检测是旨在发现桩身混凝土质量问题，探明缺陷存在的位置和范 围，为补救措施提供科学的依据。虽然超声波法用于混凝土质量检测的历史不长， 但是超声波理论和超声波法用于其它材料缺陷的检测可追溯到1 8 8 0 年，科学家发 现了压电效应，1 9 1 8 年，法国首先研制了一套利用压电效应的超声装置。1 9 2 8 年， 制成了第一台连续超声波材料探伤仪，1 9 3 4 年有人提出用脉冲超声波进行金属探 伤，第二次世界大战后，借助于雷达技术的发展超声波脉冲技术有所提高，超声 脉冲技术开始实用化。1 9 4 9 年加拿大的l e s l i e 和c h e e s m a n 、英国的r j o n e s 等运 用超声脉冲进行混凝土密实度和强度检测”1 。随后，许多国家也相继开展了这方 面的研究。6 0 年代声发射技术引入混凝土检测体系，h r u s c h 、a t g r e e n 等人先 后研究了混凝土的声发射特性，为声发射技术在混凝土结构中的应用打下了基础。 接下来的几十年中，这方面的研究不断深入，工程应用范围也日益扩大。目前超 声脉冲检测法技术已成为工程结构质量检测的重要手段之。 我国进行超声脉冲技术的研究始于5 0 年代中期，开始引进瑞士、英国、波兰 等国的超声仪，并结合工程应用开展了许多研究工作。6 0 年代就研制成功多种型 号的超声仪器，并在检测方法方面也取得了许多进展。7 0 年代以后，我国曾多次 组织力量合作攻关，大大推进了无损检测技术的研究和应用。 灌注混凝土桩的超声波无损检测是在结构混凝土声学检测技术基础上发展起 来的，结构混凝土声学检测始于1 9 4 9 年“。至2 0 世纪7 0 年代，法国c e b t p c ( 法 国房建和公共工程研究中心) 开发应用超声波方法来检测桩基质量”。我国把超 声波法用于桩体质量检测，是由吴慧敏等人于1 9 8 2 年开始研究的，并于1 9 8 4 年 广东工业大学工学硕士学位论文 首次成功的运用于郑州黄河大桥直径2 2 m 钻孔灌注桩“”桩身检测。1 9 8 5 年在全国 开始全面的推广应用。随后，这方面的研究不断深入，工程应用范围也日益扩大， 国家也制定了相应的规程。如1 9 9 0 年我国制定了超声波法检测混凝土缺陷技术 规程( c e c s 2 l ：9 0 ) ；1 9 9 5 年制定了桩基低应变动测规程( j g j 9 3 9 5 ) 。目前作 为全国性的最新规程有：建设部行业标准建筑工程基桩检测技术规程 ( j g j t 1 0 6 2 0 0 3 ) 、中国工程标准化委员会协会标准超声波检测混凝土缺陷技 术规程( c e c s 2 1 ：2 0 0 0 ) 。 1 3 超声波在桩身混凝土中传播的基本原理、特点及分析时采用 的物理量 1 3 1超声波在桩身混凝土中传播的基本原理 超声波检测技术是通过分析超声波穿过被测桩身混凝土后所携带的信息，对被 测桩身混凝土的质量进行评判的检测方法。用于探测的超声波是一种频率很高的脉 冲波。该脉冲波的频率高、波长短、分辨率高、对缺陷敏感。当混凝土的组成材料、 工艺条件、均质性、测距等都一定时，超声波在其中传播的速度、首波幅值、接收 信号主频等声学参数应该基本一致。如果桩身混凝土中局部存在夹泥、孔洞、离析、 断层等缺陷时，由于缺陷区的泥、水、空气等内含物质的声阻抗与混凝土的声学阻 抗不同，界面透过率很小，根据惠更斯理论，声波将绕过缺陷继续传播或在低速介 质中传播，这样会使声时相对延长，波速相对降低；同时声波在缺陷区将产生吸收 衰减和散射衰减，造成声波能量耗损，使接收波波幅明显下降，从而在缺陷背后形 成一个声阴影；又因为超声脉冲波是复频波，其本身包含多种频率成分，当穿过缺 陷区后，高频成分衰减严重使接收波频率降低，产生“频漂”现象；由于超声脉冲 波在缺陷界面产生反射和折射，形成不同的波束，这些波束由于传播路径不同或由 于在反射界面上产生波形转换而形成横波等原因，使到达接收换能器的时间不同， 结果造成接收波成为许多同相位或不同相位的波束的叠加波，导致波形畸变。因此， 可以根据波速、波幅、频率等大小和形态的异常及结合工程情况，综合判定桩身混 4 凝土中缺陷的位置、范围及严重程度等。 1 3 2 超声波在桩身混凝土中传播的特点 混凝土和其它均匀介质不同，是多相复合体。从宏观上看，为非单相非均匀 介质的多孔结构：从力学特性上看，为弹一粘一塑性体，各相之间有较大的声阻抗 差异并存在许多声学界面，例如砂浆和骨料的界面、各种缺陷( 裂缝、蜂窝、孔 洞等) 所形成的界面，因此，超声波在混凝土中传播的状态要比在均匀介质中传 播复杂的多。 根据超声波的性质，超声波在混凝土中传播的特点至少有以下几个方面： 1 、超声波在混凝土中传播衰减较大。由于混凝土中存在广泛的声学界面，因 此，其散射损失是非常明显的。计算表明，如果把骨料视为分散在砂浆中的球状 障碍物，超声波散射功率的大小与频率的平方成正比。因此，为了使超声波在混 凝土中的传播距离增大，往往采用比金属材料探伤所采用的频率低得多的超声频 率。 2 、指向性差。在混凝土中超声波的声束指向性差，其原因有两个方面：其一 是由于所采用的频率较低，即波长长，从而扩散角一般均较大。其二是由于众多 的界面导致出现许多反射波和折射波，虽然这些波的声强比入射波低，但由于数 量众多，而且彼此互相干涉和叠加，因而造成较大的漫射功能。 3 、声波线在混凝土中传播的过程中往往因界面的反射和折射而曲折，因此， 超声波在混凝土中遇到较大的缺陷时并非直线传播。 4 、在混凝土中，声场所及的空间内的任何一点，都存在着一次声波( 即入射 波) 及二次声波( 即反射波、折射波和波形转换后的横波) 。探头所接收到的信号 是一次波和二次波的叠加。因直接穿越的一次波所走的距离较短，所以先到达接 收探头，其衰减作用与二次声波相_ t 匕较弱。二次声波经过多次反射，所走距离较 长，其中部分横波波速较慢，它到达的时间要比一次波滞后。但由于它的叠加， 使接收信号变大，而且使波形畸变。 1 3 3 超声波用于桩身混凝土检测时采用的物理量 超声脉冲穿过混凝土后，被接收换能器所接收。该接收信号带有混凝土内部 许多信息，目前已被用于混凝土内部缺陷判断的物理参量主要有： 1 、声时。即超声脉冲穿过混凝土所需要的时间。当混凝土存在缺陷时，由于 广东工业大学工学顸上学位论文 缺陷区的泥、空气等内含物的声速远小于完好混凝土的声速，所以穿越时间明显 增大，而且当缺陷区中物质的声阻抗与混凝土的声阻抗不同时，界面透过滤很小， 根据惠更斯原理，声波将饶过缺陷继续传播，波线成折线状。由于饶行声程比直 达声程长，因此，声时值也相应增加。可见，声时值是桩身内部是否有缺陷的重 要判断参数。在实际工程实践中常把声时转化为声速。 2 、幅值。幅值是超声波穿过混凝土后衰减程度的指标之一。混凝土对超声脉 冲的衰减越大，接收波幅值就越低。根据混凝土中衰减的原因可知，当混凝土中 存在低强区、离析、夹泥、蜂窝等缺陷时，将产生吸收衰减和散射衰减，使接收 波波幅明显下降。声幅与混凝土的质量紧密相关，它对缺陷区的反应相当敏感， 也是判断缺陷的重要参数之一。 3 、频率。超声波是复频波，具有多种频率成分。当它们穿过混凝土后，各频 率成分的衰减程度不同，高频比低频衰减严重，因而导致接收信号的主频向低频 漂移。其漂移的多少取决于衰减因素的严重程度。所以接收频率实际上是衰减值 的一个表征值，当遇到缺陷时，由于衰减严重，使接收频率降低。 4 、波形。由于超声脉冲在缺陷界面的反射和折射，形成波线不同的波束，这 些波线由于传播路径不同，或由于界面上产生波形转换而形成横波等原因。使得 到达接收换能器的时间不同，因而使接收波成为许多同相位或不同相位波束的叠 加波，导致波形畸变。实践证明，凡超声脉冲在传播的过程中遇到缺陷，其接收 波形往往产生畸变。所以，波形是否畸变可以作为桩身内部是否有缺陷的参考依 据之一。 1 4 桩身完整性检测的基本方法似”1 1 4 1 常规对测 常规对测一般称为粗测( 如图卜1 所示) ，即将发、收换能器分别置于两个声 测管中，从管底( 或管顶) 开始，以一定的间距进行等高度的逐点对测。一对声 测管检测完毕后，再转到另一对声测管检测。测试间距各检测规范有所不同， j g j l 0 6 2 0 0 3 规定“不宜大于2 5 0 嗍”；c e c s 2 1 ：2 0 0 0 规定“易为2 0 0 5 0 0 m m ”。 6 第一章绪论 至于规范规定的检测间距，笔者至今没有见到任何试验科学依据。这里笔者认为， 超声波检测所用的换能器长度较短，超声波所能达到的声场有限，如果间距过大， 势必会造成漏测，如自然断层等。因此，为防止漏测，笔者建议在检测过程中提 ( 或放) 探头时应缓慢上提( 或下放) ，此时，检测人员应密切注意观察波形变化， 遇到有波形畸变，波幅衰减严重等情况时，应随时记录在案，以便复测；或者测 试完毕后，再进行一次斜测，以免漏测。 汀 _ _ 、r l ； 。i 图卜l 粗测测试过程 f i g 1 1g e n e r a lt e s t 1 4 2 细测 当粗测测试完毕后，如果发现某测点测值异常，首先在该测点上下加密测试， 加密测试的方法和粗测一样，只不过测点间距较粗测更小。这里笔者根据所做试 验认为测点间距宜为l o 1 5 c m 。这样一方面可以验证粗测结果，另一方面可以大 致确定缺陷范围，避免间距过小带来不必要的附加工作量。在确定此处测值异常 后，应采用斜测法进行测试，进一步确定缺陷位置、范围。 斜测是将发、收换能器彼此错开一定的间距进行测量。罗骐先认为错开的高 度距离一般为1 2 m 之间，如果测试中信号有足够的幅度，错开问距大一点有利于 对缺陷的判断”1 ，斜测间距宜为l o 2 0 c m 。通过斜测可对缺陷性质、严重程度作 出判断。至于错开高度距离也有人认为错开高度宜为6 0 1 0 0 c m “。 1 、缺陷：在粗测中发现某测值异常( 如图卜3 a 实线所示) ，进行斜测，在多 条测线中，如果仅有一条测线( 实线) 测值异常，其余正常，则可以判断这只是 一个局部缺陷，位黄就在两条实线的交点处。 2 、缩颈或声测管附着泥团：如图卜3 b 所示，在对测中发现某些测线测值异 广东工业大学工学硕士学位论文 常( 实线) ，进行斜测。如果斜测中通过异常对测点发收处的测线测值异常，而穿 过两声测管连线中间部位的测线测值正常，则可判断中心部位是正常混凝土，缺 陷应出现在桩的边缘，声测管附近，有可能是缩颈或声测管附着泥团。当一根声 测管附着泥团，会造成与该根声测管组成的测试面在该高程处都会出现测值异常。 关于缩颈，这里存在两种问题：第一种，桩身缩颈，但没有缩到钢筋笼内侧， 这时超声波从发射换能器到接收换能器，没有穿透有缺陷的混凝土，对这种缺陷 的缩颈，超声波不易检测出；第二种，桩身缩颈范围达到了钢筋笼内侧，这种情 况下的缩颈一般容易检测的到。 3 、层状缺陷：如图卜3 c 所示，在对测中发现某些测线测值异常( 实线) ，进 行斜测。如果斜测中除通过异常对测点发收的测线测值异常外，所有穿过两声测 管连线中间部位的测线测值均异常，则可判断该两声测管间缺陷是连成一片。如 果三个测试面均在此高程处出现这样的情况，并且不是在桩的底部，测值又低下 严重，则可判断是整个断面的缺陷，如夹泥层、疏松层或断桩。 对整断面的缺陷存在一个问题”1 ：如果上述情况出现在桩底部，则往往是桩底 沉渣造成。如果孔底沉渣有一定的高度，当混凝土冲出导管时，有可能将沉渣挤 向四周，形成锅底状( 如图卜2 ) 。由于声测管被分布于孔边沿的沉渣包围，在这 些高程上对测时也会出现3 个测试面测试数据异常低下的情况，由于在桩底部， 斜测布点数量有限，在判断沉渣厚度时有可能会判为图卜2 中的高度，。 图卜2 桩底沉渣 f i g 1 2 t h ep i l ef o o t ss e d i m e n t 对于夹层，这里也存在一个问题，笔者认为，如果夹层厚度不高，又不是整 断面夹层，在常规对测中则不一定能检测到。这需要引起检测人员的注意。 4 、扇形扫测：扇形扫测是为了减少换能器的升降次数，是作为一种辅助手段 第一章绪论 ( 如图卜3 d 所示) 。其方法为一只换能器固定某高程不动，另一只换能器逐点移 动，测线呈扇形。 l 【，、1 _ _ a ： a ：局部缺陷b ：缩颈或声测管附着泥团 c ：层状缺陷d 扇形扫测 图卜3 斜测和扇形扫测 f i g 1 3 s l a n tt e s ta n ds e c t o rt e s tf o rp i1 e 超声法测桩时，一般采用对测法，自下而上( 或自上而下) 逐点测读声时t 、 波幅a ，称为扫测。当某点出现信号异常( 声时增加、波幅衰减、波形畸变) 时， 在该点附近加密测试。将声时、波幅异常的测线在测区上标出，异常测线的重叠 区，即为混凝土质量异常区域。用这种方法确定混凝土质量异常区域，经验性成 分居多，既不直观，精度也不够。同时，由于测线信号异常，反映的是测线通过 混凝土的平均质量状况，无法获取异常区域介质的波速，因而往往难以确定缺陷 的类型以及质量下降情况。 1 5c t 技术的简介 1 5 1 c t 技术的概念和发展状况”副 c t 技术即为断层扫描技术，它是根据物体横断面的一组投影数据，经过计算 机处理后，得到物体横断面的图像，所以它是一种由数据到图像的重建技术。它 同遗传工程、新粒子发现及宇航技术一起被称为七十年代国际四大科技成果。它 是近二十年来蓬勃发展起来的一门边缘性学科，涉及数学、物理、计算机等学科， 有着广泛的应用价值。a s t m 标准中将c t 定义为“沿多路径、测量物体对x 射线的 穿透性，计算横断面c t 密度图像称之为层析图的一种无损检测方法”( a s t m e l 4 4 1 ) 。 厂乐【业大学工学碘士学位论文 c t 的思想要追溯到1 9 1 7 年奥地利数学家雷当( r a d o n ) 的贡献。雷当( r a d o n ) 第一次以数学的形式给出了图像的线积分确定此图像。c t 的最初应用是医学领域， 能提供人体内部不失真的三维图像，为医学诊断带来了极大的方便。最初把投影 图像重建技术应用于医学领域的应当推0 1 d e n d o r f 。他在1 9 6 1 年研制了用伽马射 线( 源为”1 ) 进行透射型成像装置。k u h l 与e d w a r d s 在1 9 6 3 年独立研制成了发射 型成像装置。这些装置均用类似于反投影的算法进行图像重建，所得图像不够清 晰。 由于7 0 年代以前尚未发现雷当( r a d o n ) 的论文，当代投影图像精确重建的 数学方法是由美国物理学家a m c o r m a c k 分别于1 9 5 6 、1 9 6 3 及1 9 6 7 年确立的。 a m c o r m a c k 于1 9 6 3 年9 月及1 9 6 4 年1 0 月在“j o u r n a l o f a p p l i e dp h y s i c s ” 上发表了两篇题为：“用线积分表示一函数的方法及其在放射学上的应用”的系列 文章，并将这一方法成功地应用于简单的模拟装置。a m c o r m a c k 是从1 9 5 7 年在 南非开普敦大学为了解决放射治疗计划中剂量的正确分布而研究这个问题的。 第一台临床用的计算机断层成像扫描装置于1 9 6 7 年至1 9 7 0 年间由英国e m i 公司的工程师h o u n s f i e l d 研制成功，并于1 9 7 1 年9 月正式安装在伦敦的 a t k i n s o n m o r l e y 医院。1 9 7 2 年利用第一台c t 首次为一名妇女诊断出脑部的囊 肿，并取得了世界上第一张c t 照片。同年，h o u n s f i e l d 与医生a m b r o s e 在英国放 射学会上发表了第一篇c t 论文。 c t 的问世在放射学界引起了爆炸性的轰动，被认为是继伦琴发现x 射线后， 工程界对放射学诊断的又一划时代的贡献。1 9 7 9 年的诺贝尔生理和医学奖破例授 予两位没有专门医学经历的科学家：g o d f r e yn h o u n s f i e l d 与a 1 l a n m a c l e o d c o r m a c k 。从此，放射诊断学进入了c t 时代。c t 装置很快推广，并在短期内获得 极大的进展。1 9 7 3 年美国m a y oc l i n i c 和麻省总医院相继安装了颅脑c t ，1 9 7 4 年美国制成第一代全身c t 。1 9 8 3 年我国研制成了第一台颅脑c t 扫描装置；1 9 8 5 年国产第二代c t 研制成功：1 9 9 0 年国产第三台全身c t 通过鉴定。 自第一台c t 问世以后十多年来，x c t 已从第一代发展至第五代。扫描时间 从5 m i n 缩短至ls 乃至更短。空间分辨率达到水的吸收系数的5 。除x c t 以 外，其他型式的c t 也相继问世，如单光子发射c t ( s p e c t ) 、正电子发射c t ( p e t ) 、 核磁共振c t ( n m r c t ) 等均已付诸临床应用。超声c t 和微波c t 的研究也取得了 极大的进展。应该指出，各类c t 的功能是相互补充而不是相互替代。 1 0 第一苹绪论 目前，世界上一些科技发达国家竞向研究c t 的理论基础、图像重建技术、扫 描系统及装置。现在美国研制和生产c t 设备的年产值达几亿美元，已发展出近千 种c t 产品。世界上进行c t 研制的国家达2 5 个以上，研究和应用领域含盖工业、 农业、林业、环境保护、航空航天、地球物理、军事等等各个方面。 1 5 2 c t 技术用于混凝土检测的应用“蚰 c t 技术的应用很广。当然，c t 技术也已经应用到混凝土检测领域之中。1 9 8 0 年a c i 刊载过用c t 观察混凝土及钢筋混凝土内部结构的文章；1 9 8 6 年，同济大学 借助医学c t 设备对混凝土梁缓慢弯曲时的断裂过程进行剖析，并根据相应于混凝 土应力一一应变曲线上不同位置的c t 图像所反映的结果对混凝土内部开裂原因进 行探讨；1 9 9 8 年，北京市政工程研究院对加拿大的安大略省的0 t t oh o l d e n 大坝 进行超声波试验，来评估大坝的稳定性，并对坝体进行跨孔超声波c t 成像：2 0 0 3 年长江科学院对三峡大坝进行跨孔超声波c t 检测，并在所检测部位进行钻芯，验 证c t 检测的正确性。实践表明c t 技术应用于混凝土检测具有实际的意义，并且 是可行的。 1 6 本课题的主要工作 1 6 1 本课题要完成的主要内容 本课题要完成的主要内容如下： 1 、推导圆环式径向换能器的辐射声场； 2 、将医学c t 应用到桩身完整性检测中： 3 、检验本课题中c t 算法的正确性。 1 6 2 本课题的主要难点 本课题的主要难点如下： 1 、对圆环式径向换能器的辐射声场进行数学建模，并且进行模型推导 2 、选择合适的算法，将c t 有效的运用到桩身完整性检测中去： 3 、程序的编制和调试。 广东工业大学工学硕士学位论文 2 1概述 第二章圆环式径向换能器的辐射声场 随着科学技术的发展，超声技术越来越渗透到国民经济的各个角落之中，而超 声换能器作为超声设备的核心部分，在超声技术的应用中愈来愈受到人们的重视。 根据需要，超声换能器可以制作各种样式。超声换能器辐射面形状由指向性及使用 场所所决定，但在实际研究中，要从数学上严格求解不规则形状的声源产生的声场 是十分困难的。因此，在理论上处理时往往把它们理想化，即在一定条件下把它们 近似看作平面、球面、点源等“”m ”小1 m 2 m ”m 1 。对圆环式径向换能器的辐射声场 的求解也不例外。把圆环式径向换能器的有效发生体( 即压电圆环) 单独拿出来， 按照上述方法进行数学处理，得出声场的声压分布、声场的指向特性及声场的近场 特性。 2 2 换能器辐射声场的推导 2 2 1 声压分布 如图2 1 所示的圆环式径向换能器，高度为d 其内径为a 。，外径为a ：。并 设圆环底面中心o 为其坐标原点。 如图2 2 所示，将圆环分成无限多个微小立方体，每一微小立方体可看作一点 源。在整个坐标系中，声场中任一点a 距坐标系中心点0 的距离为r ，并与z 轴央角 为口。a 点在x o y 面内投影a 与x 轴夹角为由。现在在圆环上任取一微小立方体d v ， 其空间位鼍高为z ，在x o y 面上的投影d s 的极径为p ，极角为e ，则d v 在观察点a 处 产生的声压为1 7 】： ；，。，。：。! ! 塑璺兰耋丝窒鍪璧兰氅塑塾塞丝 图2 1 圆环径向辐射声源 f i g 2 一lg e o m e t r ya n dc o o r d i n a t es y s t e m so fp r e s s u r ed i s t r j b u t i o nr a d i a t e d b yt r a f f i cc i r c l e l 厂 。二二，j 一 图2 2 解析模型图 f i g 2 2a n a l y t icr e s u lts k e t c h j 】l a p 和= 坐争皇鳖e x p 【( w f 一) 】西 z 牙只 p = 警e x p 【，( w ，一e ) d v 一2 r p 2+z 2 c o s ( r ，p2 + ：2 ) ( 2 】) ( 2 2 ) * ，一碡c o s ( ，办7 ) 这时，从圆环式径向换能器上发出的声波到达观察点a 的振幅差很小，所以声 压公式中的振幅r i 可近似的用换能器中心点0 到观察点a 的距离r 代替( 注意：积分位 相部分不能用，代替) 。 z+ ： 时 p = l ， ： p r = r r 由当 耋三些奁耋三兰翟圭差釜釜蚤 p = 訾e x p ，【wr 一女，+ t 、；i i f ：丁c 。s ( ，、研) 】p v ( 2 3 ) ( d v = p d p d p d z ) 又。芦= 川( c 。s 口f + s i np ，)i = ( 2 4 ) f = | ，f 【s i n 口( c o sp f + s i n 尹，) + c o s 口_ j 】 c o s 厢，。蒂篱2 将( 2 4 ) 式和( 2 5 ) 式代入( 2 。3 ) 式得： p = 等磐e x 山( w 卜】j 出j p d p z 筇r i量 了e x p e ，后、厣三! 塑! ! l ! ：；i ；i 学，d 口 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 对( 2 6 ) 式进行积分： p 2 竺笔e x p 叭们曲) 】p p e x p 【州雕i n 0 s 徊呷) + o s 们瑚 ，dd 22 0 = 警e x p m w 卜酬i 出p 再e x p 【业删n s ( 日一p ) 】 + e x p ( 廊c o s 口) 】d 一 一日? ) 【e x p ( ，七dc o s 口) 一l 】 2 rc o s 口 e x p j ( w f h ) 】 + 訾e x p 【，( w r 一七r ) 咕出j p 和j e x p 业( p s i n 口c 。s ( 臼一伊) ) 】d 目 由零阶贝塞尔函数积分公式 “x ) = 去了e x p ( 豇c 。s 伊) 却 u 。( x ) 出= ( 工) 1 4 菪| 简 第二章团环式经向换缝嚣的辐射声场 得到： p ：! 旦i ! 女n ! 鲨二：；土；! ：玉曼生! 旦兰旦二l 二二堕。p 【( 。f t ，) 】 + zrc 0s 口 r 1 、 ! 鼎【口z l ，。( t 口：s i na ) 一口，l ，( 女口。s i n 口) 】e x p 【，( w f t r ) 】 这就是圆环式径向换能器辐射声场的声压公式。 2 2 2 声压指向性 由上述声压公式( 2 7 ) ，得到声压振幅为 地) ：塑监照墨翼譬竺坚兰+ 警譬。( 概。岫) 一q ( 地。岫) 】 z ，c o s 口 rs l n a 辐射器轴线上声压振幅 p 。：丛塑煎墨 ， 此时，当d 0 时，圆环式径向换能器辐射声场的指向性函数为： ( 2 8 ) r f 。) ：趔：! ! ，! ! ! z ! ! ! 坚2 = ! ! ! ! ! ! ! t ! ! ! ! ! + ! ! i 二! i ! ! ! ! ! ! 丝! ! ! 竺! 二! ! ( 2 9 ) p o 。 七s i n 口 2 ，七dc o s 口 由于e x 删c 0 s a 。一1 彬c o s 口则( 2 9 ) 式变为： 月( 。1 ：1 2 当! 丝也竺! 二! ! 士! 丝t 尘虫+ 熊二鱼 七s i n 口2 ( 2 1 0 ) 当口_ 0 时，圆环式径向换能器辐射声场的指向性函数为： 学 即r 幢) 趋向于某。一常数。此时，在圆环径向方向胄位) 为恒值，也就是说，在圆环 的径向方向是没有指向性的。取仨：= ； 三! = ； 耋：艺；口【o 勘】这 i 口，= z c 研l 口，= j 硎l d ，= 4 c m 组值进行计算机编程绘图如下( 见图2 3 ) ： 童三些奎兰三耋要主兰鲁兰兰 口= 0 ( a ) 环宽o 0 1 m ( b ) 环宽0 0 2 m ( c ) 环宽o 0 3 m ( a ) 口0 ( a ) 环宽o o l m ( b ) 环宽o 0 2 m 这里，环宽是代表a ，和a 。间的距离。 图2 3 声场指向性图案 ( c ) 环宽o 0 3 ( b ) f i g 2 3 p r e s s u r ed i s t r i b u t i o nf i g u r e 1 6 第二章圆环式经向换能器的辐射声场 从上组图中可以看出： 1 、不论环带的宽、窄，圆环式径向换能器在径向是没有指向性的；这和有关文献 给出的结果相同”3 1 。 2 、圆环式径向换能器在竖直方向有指向性，并且环带越宽旁瓣越多；但主瓣的指 向性越尖锐。 圆环式径向换能器辐射声场在竖直方向的指向性实际上是图2 3 ( b 组) 以换能 器横轴为回转轴的一个回转体，其指向角不但与辐射面的线度( 圆环式径向换能器 的有效工作长度) 有关，也与声波发射频率有关”。 在实际检测时，发、收换能器之间存在耦合水、声测管以及混凝土组成的多个 异质界面，其问的声波传播规律是相当复杂的，因此圆环式径向换能器在竖直方向 的指向性是个相当复杂的问题。 2 2 3 近场特性 关于圆环式径向换能器近场特性的推导，可按环状活塞换能器辐射声场的近场 特性考虑。因为，圆环式径向换能器的圆环式压电陶瓷片厚度很薄，所以只要将环 状活塞换能器辐射声场的近场声压乘以圆环式压电陶瓷片的厚度d ，即可作为圆环 式径向换能器的近场声压p ，环状活塞换能器辐射声场的近场声压推导公式如下： 如图2 4 所示，选取圆环中心坐标o 点为坐标原点，过中心o 点的轴线为z 轴，圆 环内外半径分别为a 、a 。在圆环内任取一内径为p ，外经为p 十d p 的环元，由 于d p 极微小，因此可以认为环元上所有点到a 点的距离均为，= p2 + z2 ，所以 环元上所有点源辐射的声波到达a 点后的振幅相同，位相相同，叠加后就是环元出 在a 点产生的声压。 图2 4 近场轴上声压示意图 f i e l dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o ns k e t c hm a po nza x l e 7 广东工业大学工学硕士学位论文 印7 = 生誓垃e x p 【_ ，( w 卜扫) 忙 ( 2 1 2 ) 由幽= 2 础 p 7 = ，慨觚酬m ： 甓笋z 咖 ( 2 1 3 ) 由于z 值固定 d p t d r d 店了 p 7 = 肚c o 风。e x p ( 如，r )fe x p ( 一_ ，扫) 咖 井+ ， p ，：c 0 岛。e x p ( 一r ) 【e 醑弦= i ) 一e x p ( 拈三i j 了) 】 ( 2 1 4 ) 或者： p ，：吒扁，【c o s ( w f 一= 了7 ) 一c 。s ( 似一女：i 了) 】 ( 2 1 5 ) 考虑到= 丁再、厢给讨论带来困难，不讨论圆环表面附近的点，而使z 厢：= 府丢 扩疆= = j l + ( 争2 芝 将其代入( 2 1 5 ) 式，则得 p 7 = c 0 眦小。s 【w ( 抖要) h 。s 【w ( 抖乏) 】) 对( 2 1 6 ) 式进行三角变换，得： p 7 = 2 c 0 眦扣n ( 塑笋州w 一生玄，) 1 8 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 第二章厕环式经向换能器的辐射声场 所以圆环式径向换能器近场声压为： p = 2 斑。岛。s i n ( 鱼苎：云堕) s i n ( w 卜妇一鱼鱼：麦堕) 可见，近场轴线上的声压振幅为： p = 2 蛾岛i 号笋) 而声强为： 厶= 圭羔圳2 岛诫s i n 2c 譬， 所以，声压振幅的最大值为： p 赢= 2 c 0 岛，d 作归一化处理： ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 舻老咧譬， z z ， 从( 2 2 2 ) 式可以看出，当z = 时，声压随z 的增大而减小，这一区域称为远场，这一区域接近 球面波声场。 2 3 试验与理论的对比分析 上述理论推导做了很多简化，并且假设超声换能器持续、连续不问断的发射单 频连续波，该连续波在均匀介质中传播得到的理论结果。在为了验证上述理论推导 的合理性，特做了下面的分析。 2 3 1 关于声压指向性 第二苹圆环式经问抉能器的辐射声场 关于圆环式径向换能器在竖直方向上的指向性问题，笔者在三根同桩径不同工 程桩( 灌注桩) 上做如下试验。实验方式如图2 6 所示。在灌注桩内，发、收换能 器分别鬣于两声测管中，现固定发射换能器于桩体中部( 桩顶或桩底声波传播可能 受边界影响) ，并保持高程不变，接收换能器沿声测管在竖直方向上、下移动，发、 收换能器中心连线与水平面的夹角为y 。下面是三根桩采集到的三组数据( 见表 2 一l 、表2 2 、表2 3 ) 及相应的指向性图( 见图2 7 、图2 8 、图2 9 ) 。 图2 6 径向换能器在竖直方向指向性实验 f i g 2 6t h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o nt e s tf o rt r a f f i cc i r c l et r a n s d u c e ri n v e r t i c a li np i l e ： 表2 一l采集到的首波幅值及对应系数 t a b l e2 1t h ef i r s ta m p l i t u d eb yg a t h e r i n ga n dc o r r e s p o n d i n gc o e f f i c i e n t 度数( 。) 01 02 03 04 05 06 06 7 幅值( a ，) 1 0 0 9 07 5 6 45 34 23 32 5 系数( r ) 1o 9o 7 50 6 4o 5 3o 4 2o 3 3o 2 5 度数( 。) 01 02 03 0 4 0一5 06 0一6 7 幅值( a 。) l o o8 97 7 6 35 14 23 22 7 系数( r ) lo 8 9o 7 70 6 30 5 lo 4 2o 3 2 o 2 7 图2 7 竖直方向指向性