超声三维成像技术在混凝土检测中的应用

式超声仪［２］和超声检测仪［３］）为混凝土无损检测的广泛应用铺平了道路，如众所周知的超 声波速法（ＵＰｖ）。ＵＰＶ检测方法通常采用２个探头，一个发射探头和一个接收探头。为了使 超声波传播到工件内部，２个探头（发射和接收探头）与混凝土表面之间都需要耦合介质保 证良好接触。此外，要求混凝土表面非常平滑。近几年来其他的超声波检测技术也得到了持
图３一隧道截面视图
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图４一步行通道纵向视图
图５一ＭＩＲＡ截面视图显示２３０ｒａｍ深度的横波反射信号
图６～ＭＩＲＡ截面视图显示３３０ｒａｍ深度的横波反射信号
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图７显示了ＭＩＲＡ在右侧起拱线以上区域检测得到的结果。在这个检测位置采集几组数 据（间隔５０ｍｍ）形成了３Ｄ视图。同时在这个位置进行钻芯试验以验证混凝土状态。结果发
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超声三维成像技术在混凝土检测中的应用
作者：Ａｄｅｌａｈａｚａ、ＳａｍｏＦ叽ｔｏｖ、Ｇｅｒｍａｎｎ
编译：矩阵科技有限公司
摘要：当前医学领域的人体三维成像技术已经非常先进，但混凝土３Ｄ成像却一直没有得到大的发展。在 众多无损检测方法中，探地雷达（ＧＰＲ）是一种能够实现３Ｄ成像的技术，可以通过三维成像的方式显示内 部目标反射体的方向和位置（如加强筋、管线等），但很难发现内部孔洞和裂纹缺陷。ＧＰＲ对后张金属管网 孔洞的检测结果令人非常失望． 冲击回波（ＳＥＩ）系统是近期开发的混凝土２Ｄ和３Ｄ成像检测系统。ＳＥＩ系统开发了自动检测方法，因
续的发展，例如单探头脉冲回波检测技术。然而，尽管硬件和软件上都有极大地改进，但这 两种检测方法（穿透法（ＵＰＶ）和脉冲回波法）仍然需要使用耦合剂来保证超声波的穿透。
１．纵波和横波声束
当超声波传播进混凝土结构时，将产生３种传播机理的波束：压缩波，也被称为纵波或 Ｐ一波；剪切波，也被称为横波或叫Ｓ一波；表面波，也被称为瑞利波或Ｒ一波。每种超声波以 不同的声速传播。纵波传播速度要比横波和表面波快很多。在混凝土结构中，横波和表面波 的声速分别是纵波的６０％和５５％［１］． 通常ＵＰＶ和脉冲回波设备激发探头产生纵波，引起混凝土粒子运动，振动方向与波前方 向平行。同样横波也能引起粒子运动，但振动方向与波前方向垂直，与混凝土表面平行。超 声波传播速度与频率和波长Ａ成比例：
４．ＭＩ
ＲＡ检测方法和系统描述
ＭＩＲＡ是一种混凝土缺陷检测系统，采用超声横波检测方法实现３Ｄ断层成像。系统的扫 查器由４０个传感器组成，共分１０行，每行４个横波传感器。探头采用弹簧加载方式，中心
图２ ＭＩＰ－，Ａ系统组成
５ｌ
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频率是５０ＫＨｚ，采用干耦合点接触（ＤＰＣ）压电传感器。每个探头由耐磨陶瓷材料制成，可 用于粗糙表面的工件检测。发射探头产生超声横波信号后，接收器对信号进行处理后通过 Ｗｉ－Ｆｉ无线技术将数据传输到笔记本电脑用于进一步分析。采用合成孔径技术（ＳＡＦＴ）数据 处理方法形成混凝土３Ｄ断层成像。重建的图形几乎可以瞬间（３秒）显示在电脑屏幕上， 包括俯视图、断面视图或３Ｄ视图。阵列中ＤｅＣ探头（发射和接收）采集的信号用于数据成 像。ＭＩＲＡ系统用于混凝土、岩石、石质结构内部缺陷的检测，如分层、裂纹、疏松或蜂窝 结构，也可用于灌浆管的空隙检测。
Ｕｓａｃｈｅｖａ
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４９
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ＭＩＲＡ设备不涉及任何新的检测概念，主要融合了众所周知的超声波传播原理以及先进 的硬件和分析软件包。超声波的使用可追溯到６０多年前，事实上，第二次世界大战的结束
推动了针对建筑材料、特种钢以及混凝土［１］超声检测的研究。实验室设备的发展（如脉冲
现在１９０ｍｍ深度位置存在横向扩展的空隙。图７俯视图（左上部）显示为右侧起拱线部位。
右上图和左下图分别显示了横向和纵向断面视图。右下图显示的是３Ｄ视图。图７每个
视图中显示的红色信号代表ＭＩＲＡ发现的空隙缺陷，并通过钻心实验得到了确认。
图７一ＭＩＲＡ成像包含俯视图、截面视图和３Ｄ视图
案例２：第二个案例是２年前在美国东部建造的一处停车场。同时采用ＧＰＲ和ＭＩＲＡ两 种技术对水泥墙体之间连接套管的浇注状态进行检测。现场对６５个典型位置（包括北侧、 南侧、西侧和中间的承重混凝土墙体）进行了检测。图８显示的预制浇注墙体厚度为３００ｍｍ。
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底面位置获得的横波反射信号。图１２显示的是ＭＩＲＡ系统从充满水的连接套管位置获得的截
面视图。在这个位置可以看到从接管空隙和３００ｒａｍ底面位置获得的横波反射信号。为了验证 ＭＩＲＡ检测结果的准确性，在这个位置钻了一个贯穿混凝土和连接套管的小孔。图１３可以证
到孔隙、裂纹和其他内部缺陷时也会产生同样的散射，被称为入射波的散射。此外，信号的 散射会导致超声波快速衰减。当超声波的波长等于或小于结构内部不连续或缺陷的尺寸时，
波束发散会加剧。混凝土材质本身会导致纵波背散射（造成入射波角度偏移），这样会产生 噪声信号，并降低了检出平行于波束传播方向的粒子运动的能力。然而，混凝土对横波的影 响比纵波要小得多。研究表明，使用横波代替纵波进行混凝土检测的优势在于减小背散射和 传播方向上的信号衰减［４］。
实连接套管中充满了水。 探地雷达（ＧＰＲ）常用于定位每个连接套管的位置，目的是为ＭＩＲＡ确定检测区域。
图１０ ＭＩＲＡ系统检测预制墙体连接套管部位
Ａ１ｄ０ ０．Ｄｅ Ｌａ Ｈａｚａ Ｗｉｓｓ。Ｊａｎｎｅｙ， Ｅｌｓｔｎｅｒ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ Ｓｅｎｉｏｒ Ａｓｓｏｃｉａｔｅ ３３０ Ｐｆｉｎｇｓｔｅｎ Ｒｄ Ｎｏｒｔｈｂｒｏｏｋ＇Ｉｌｌｉｎｏｉｓ
Ａｎｄｒｅｙ Ｓａｍｏｋｒｕｔｏｖ
Ａｃｏｕｓｔｉｃ
Ｃｌａｕｓ Ｇｅｒｍｎｎ Ｐｅｔｅｒｓｅｎ
Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｄｉｒｅｃｔｏｒ
Ｙ＝ｆ＾
频率单位为赫兹（周期数／秒），波长的单位是距离。所以，波束频率增加会导致波长的 减小。同样，在无限大的弹性固体中，纵波声速Ｃｐ可以通过杨氏弹性模量Ｅ，材料密度Ｐ 和泊松比ｙ得到：
Ｃｐ＝ｆＥ（１－ｖ）／Ｐ（１＋ｖ）（Ｉ－２ｖ））１／２
超声波在各向异性介质中传播的机理非常复杂，例如混凝土。当纵波在固体混凝土介质 中传播时，超声波能量会在内部结构上产生散射并偏离原始路径。当纵波在混凝土中传播遇
２．低频干耦合点接触（ＤＰＣ）超声波探头
上世纪８０年代末，俄罗斯莫斯科ＭＳＩＡ“频谱”研究院进行了低频干耦合点接触（ＤＰＣ） 超声探头方面的研究。ＤＰＣ探头解决了长久以来超声探头和混凝土表面之间的声学接触问 题。另外通过改善探头指向性来改善探头灵敏度。ＤＰＣ探头采用专门的设计，声学晶片尺寸 数倍小于正常混凝土检测的超声波波长（４０ｒａｍ或更小）。例如，如果超声波的波长是４０ｒａｍ， 那探头尖端与混凝土表面接触的区域应在１－２ｒａｍ之间，实际上是点接触。另外，由复合液体 制成特殊隔声材料包围在整个压电晶片的周围，可以提供更高的振动衰减以增加感应声波的
５．案例研究
案例１：第一个案例是２００６年建成的混凝土地下通道检测。该隧道由底部矩形通道（公 用通道）和顶部拱形通道（步行通道）两层组成。步行通道宽５．５ｍ，顶部高２．７ｍ，长４０ｍ。 无损检测（ＮＤＴ）方法通常用于确认隧道混凝土衬砌中是否存在大型孔洞。检测区域为隧道 左右起拱线之间的部位。用于混凝土衬砌检测的ＮＤＴ技术包括：冲击回波法（ＩＥ），探地雷达 （ＧＰＲ）和ＭＩＲＡ超声横波断层成像技术。图３和图４分别为混凝土隧道横断面和步行通道纵视 图，ＭＩＲＡ在指定的区域进行检测。通常有两种数据采集方法，第一种方法是在每个检测点 采集数据并生成相应位置的断面视图。该方法主要用于局部区域的检测，检测频次受待检区 域面积和时间的限制；第二种采集方法沿密集的栅格进行检测，通常每个栅格的尺寸为 ５０’ｌＯＯｍｍ，最终可以产生整个结构的３Ｄ成像。 ＭＩＲＡ数据显示了不同壁厚的隧道衬砌。在某些位置反射信号来自２００到２５０ｍｍ深度（见 图５）。在某些较厚的位置反射信号来自３００到４００ｍｍ深度（见图６）。图５显示了ＭＩＲＡ在检 测部位获得的断面视图。红色区域的中心点代表２３０ｒａｍ深度的横波反射信号。同样，图６ 显示的是３３０ｍｍ深度的横波反射信号。
此降低了对操作人员的婊赖性・虽然ＳＥＩ可以成功定圣蔓挥凝土内部孔洞，但需要进一步研究和测试，以便
更充分了解ＳＥＩ系统的优缺点。ＳＥＩ系统成像主要是通过计算机运算。比较缺陷频谱响应与理论底波或整 个壁厚截面的差异。ＳＥＩ系统在评定塑料管灌浆状态或是检测比混凝土声阻抗低很多的埋藏缺陷都不是很 成功。同样，因为设备固有的局限性，检测厚壁混凝土结构（厚度超过ｌｍ）内部的孔洞非常困难，甚至有 时根本不能检测． 常规超声波速法（ｕＰｖ）很难实现内部孔洞的２Ｄ和３Ｄ成像。ＵＰＶ检测需要从混凝土结构两侧进行，利 用多种角度以及发射／接收探头之间的不同位移获得多组读数．根据传播速度和超声脉冲的到达时间对采集 的数据进行分析，最后利用计算机重建形成２Ｄ或３Ｄ成像．目前三维ＵＰＶ混凝土检测通常用于评估深基坑， 也称为声波透射法测桩． 本文介绍了近期开发的ＭＩＲＡ仪器的主要用途。ＭＩＲＡ采用专利的相控阵干耦合点接触横波探头检测混 凝土结构。进而产生２Ｄ和３Ｄ断层成像。这种新技术可以使操作者在现场实时获得检测结果。 ＷＩＲＡ系统能够在数据采集后４秒钟之内创建断面２Ｄ和３Ｄ成像。探头在每个检测位置只需停留３秒钟， 即可采集到数据。 本文描述了ＭＩＲＡ检测方法、设备和创新的分析模式，并对两个实际建筑的课题研究进行了描述和讨论． 同时，文章还介绍了系统的优缺点，以及精确检测内部孔洞、蜂窝结构、分层和浇灌电缆管道系统中的气 孔等缺陷的能力。 关键词ｔ ３Ｄ成像，混凝土、无损检测、横波、断层成像、超声检测、ＭＩＲＡ设备、内部评估
评定混凝土内部缺陷通常采用逐点超声波传播法，例如：以前提到的ＵＰＶ（双探头）或
脉冲回波（单探头）检测都是采用逐点评判的方法。以上两种方法通常采用纵波逐点的检测 和分析混凝土状态。随着计算机运算能力的不断提高，高速的数据采集能力变得非常重要。 最近采用传统超声检测方法获得的数据与成像重建技术相结合，改进了混凝土成像方法。这 与医学上使用的核磁共振成像技术（职Ｉ）很相似，核磁共振技术（ＷＲＩ）几乎是实时成像。 因为混凝土本身具有多向性，需要结合许多数据点用于精确绘制和重建图像，以描述混 凝土结构的内部状态。为了解决这个问题，使用低频、窄脉冲、干耦合点接触（ＤＰＣ）阵列 探头从不同检测位置获得大量数值，并采用３Ｄ合成孔径技术（ｓＡＦｒ）对数据进行处理。ＳＡＦＴ 是一种信号处理工具，用于改善超声成像的的分辨率［６，７，８］。
图８一预制墙体和连接位置 图９显示了预制墙体之间的连接套管浇注连接图。
图１０显示的是ＭＩＲＡ系统检测预制墒体的连接套管部位。连接套管走向与探头阵列方向
垂直。在每个连接部位，ＭＩＲＡ沿套管长度方向的不同截面位置采集几组数据。判读时将连 接套管浇注状态分成两类，即“浇注良好”和“空隙”。图１１和１２为典型的ＭＩＲＡ截面视图。 图ｌｌ是ＭＩＲＡ系统从浇注良好的接管位置获得的截面视图。在这个位置可以看到从３００ｍｍ
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能力。从探头耐磨尖端产生的超声波（纵波或横波）指向性可以通过探头外壳内部的两个品 片控制。不管两个压电晶片是同相还是异相，在探头的尖端都会产生纵波和横波［５］。图１
展示了几种单晶和阵列ＤＰＣ探头。
一
图卜不同结构的ＤＰＣ探头
Hale Waihona Puke ３．合成孔径聚焦技术（ＳＡＦＴ）