王正君 金曉鷗 王紅梅

（黑龍江大學(xué)建筑工程學(xué)院 哈爾濱 150086）

超聲法在灌注樁缺陷檢測方面研究的比較成熟，并有相應(yīng)的檢測規(guī)程，因可以采用對測法，縱波信號比較強，效果較好；在樁身勻質(zhì)性、強度推定方面也有較多的探討，并建立了相應(yīng)的地區(qū)測強曲線.在水泥混凝土裂縫檢測及瀝青混凝土探傷方面也有一定的探索［1－2］.然而路面具有單面性，超聲檢測時只能采用反射波法進行檢測，并且表面波先于反射波到達，如換能器余振長，則反射波起跳點會淹沒，故無法識別反射波到達時間，也就無從對其進行檢測.基于以上原因，超聲波在水泥混凝土路面的檢測一直是一個國際難題［3－4］.如想準(zhǔn)確判斷反射縱波的到達時間點，需要排除表面波、橫波及直達縱波的干擾.

1 反射波起跳點位置的識別

1.1 第一階段分析

1.1.1 超聲平測法檢測原理 超聲波在傳輸過程中，服從波的反射定律，即在傳輸過程中碰到不同介電常數(shù)或不同物質(zhì)的界面時會發(fā)生反射，見圖1.

聲波所通過的結(jié)構(gòu)層，如無缺陷則可應(yīng)用如下公式得到

圖1 檢測示意圖

計算結(jié)構(gòu)層厚度，聲時t可由機器判讀；v可進行標(biāo)定或測定，如預(yù)先建立聲速－強度回歸方程，可通過此方程對該結(jié)構(gòu)曾進行強度推定.如存在空洞、松軟等缺陷，可通過聲參量的變化，分析缺陷的種類和尺寸［5］.

1.1.2 排除表面波及橫波干擾 在反射法中，需確定反射波起跳點準(zhǔn)確位置，但是由于橫波和表面波的存在，有時反射縱波的初至波形淹沒在橫波或表面波的后續(xù)波形中，這也是平測法應(yīng)用的難點之一.本文根據(jù)聲波的傳播特性，通過調(diào)整探頭位置即可以消除表面波及橫波的干擾.

固體介質(zhì)不僅能傳播縱波，而且可以傳播橫波和表面波等，但其聲速不相同.并且介質(zhì)尺寸的大小對聲速也有一定的影響，在無限體固體中的聲速（無限體的邊界條件：D＞（2～5）λ）［6－9］：

反射波縱波的距離要大于橫波和表面波（L），但是根據(jù)圖1當(dāng)探頭在某一位置L時總會有這樣一種情況：反射波和橫波同時到達，超過這個距離以后，就是反射波先到，然后是橫波，最后是面波.據(jù)此，應(yīng)用平測法時只需確定此距離，然后在此距離以外檢測，首先到達的波形就是反射波.因cP＞cS＞cR，面波速小，所以只需比較縱波和橫波.過程如下：在某一L情況，體波和橫波同時到達，所用時間為t，得到在某點同時到達時，如兩式相比：

2）μ＝0.20，將式（2）、（3）代入式（5），則有；L＞L02時縱波先到達；L＜L02時橫波先到達.

故檢測時通過大致判斷板的厚度，依據(jù)泊松比的變化范圍內(nèi)，通過調(diào)整探頭位置即可以排除橫波和表面波的干擾.

1.2 第二階段分析

由于直達縱波傳播距離近，先于反射縱波到達，所以首先檢測到的是直達縱波，通過以上分析，探頭大于某一距離后，隨后到達的就是反射縱波.如圖2.

圖2 不同的波型傳播示意圖

至于反射波到達的時間點的確定，可以首先依據(jù)縱波聲速特性、檢測厚度來預(yù)估到達時間.然后，通過波形分析確定反射縱波具體的到達時間.波形分析方法：超聲波的傳播波形是一個簡諧波，并且是一個振幅逐漸衰減簡諧波.反射縱波達到的時間點有以下幾種情況［10］：（1）在波峰和波谷之間；（2）波谷和波峰之間；（3）在波峰處；（4）在波谷處.如圖3.

圖3 反射縱波到達的幾種情況

在波形分析中，直達縱波在傳播過程中會有衰減，體現(xiàn)在振幅變小.當(dāng)反射縱波達到后，由于波形的疊加，使得接收信號振幅反轉(zhuǎn)變大.通過以上反射縱波到達的幾種可能情況，結(jié)合預(yù)估分析可較為準(zhǔn)確的識別反射波起跳點位置.

2 實驗室模擬研究驗證

考慮到尺寸效應(yīng)［11］，結(jié)合以上分析，在工地實驗室澆筑100 c m×50 c m×20 c m的混凝土小板：C30混凝土；水灰質(zhì)量比0.46；為增加面板與基層界面的信號反射，基層采用夯實的粉質(zhì)粘性土，檢測儀器為NM－4 A型非金屬超聲檢測儀，測點布置見圖4.

圖4 測點布置示意圖（單位：c m）

經(jīng)過測試，并基于以上的信號分析及反射波起跳點識別分析，可以確定該測點的反射波到達的時間點，數(shù)據(jù)見表1和表2所列.

表1 不同測距時的擬合速度表

表2 測試精度對照表

通過以上的研究可以看出，在以粉質(zhì)粘性土為基層的接觸面及板厚20 c m情況下，經(jīng)多小波提升后時域曲線在反射波到達時間范圍的波形效果較好，在此基礎(chǔ)上，采用“兩階段分析法”可以較好分析和判定超聲反射波起跳點的位置.

3 結(jié) 論

1）基于惠更斯原理及超聲波在無限介質(zhì)中傳播的聲學(xué)特性，根據(jù)水泥混凝土路面板的預(yù)估厚度，依據(jù)泊松比的變化范圍內(nèi)，調(diào)整換能器之間的距離，排除表面波及橫波的干擾.從而，實現(xiàn)第一階段分析.

2）考慮到信號的衰減及波形分析，結(jié)合時間預(yù)估，可實現(xiàn)反射縱波首波起跳點的位置的識別，實現(xiàn)第二階段分析.

3）檢測時，耦合質(zhì)量很重要，一定在多次采樣，數(shù)據(jù)穩(wěn)定后再進行數(shù)據(jù)讀取.由于所采用的材料等是當(dāng)?shù)氐淖圆刹牧?，且小板澆筑厚度及與基層的不同接觸情況對反射波的影響均未作分析對比.

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