張 玨 林錦濤 張世民

(1.浙江省杭州市園林文物局錢(qián)江管理處，浙江杭州 310008; 2.浙江大學(xué)城市學(xué)院，浙江杭州 310015)

雷達(dá)檢測(cè)法是近年來(lái)快速壯大起來(lái)的一種無(wú)損檢測(cè)方法，具有快速、無(wú)損、能連續(xù)檢測(cè)、檢測(cè)結(jié)果可視等特點(diǎn)［1］。

超聲波在檢測(cè)混凝土內(nèi)部缺陷與勻質(zhì)性等方面非常有效，該技術(shù)也是檢測(cè)木結(jié)構(gòu)破損情況的重要手段，在木結(jié)構(gòu)工程檢測(cè)中應(yīng)用極為廣泛［2-4］。本文根據(jù)雷達(dá)和超聲波基本原理，采用雷達(dá)并結(jié)合超聲波法，無(wú)損探測(cè)木結(jié)構(gòu)柱腐蝕狀況、缺陷位置及質(zhì)量。

1 工程概況

某公園鐘樓為三層木結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建于明代洪武年間，歷代多次重修，清代商賈胡雪巖從日本購(gòu)大鐘安置于頂樓，一層平面共16根木結(jié)構(gòu)柱，尺寸200 mm～350 mm，外圍12根，有磚墻包裹，受潮及雨水滲漏侵蝕的影響，結(jié)構(gòu)柱木材可能會(huì)受到白蟻及微生物的襲擊。該鐘樓結(jié)構(gòu)柱及測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)柱及平面布置示意圖

2 雷達(dá)和超聲波的工作原理

2.1 雷達(dá)工作原理

雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有簡(jiǎn)便快捷、抗干擾能力強(qiáng)、工作條件受限較小、適應(yīng)性較強(qiáng)、探測(cè)精度和分辨率較高等方面的優(yōu)點(diǎn)。它利用主頻為數(shù)十兆赫至數(shù)百兆赫以至上千兆赫的高頻電磁波，通過(guò)發(fā)射天線(T)送入檢測(cè)介質(zhì)，接收天線(R)接收經(jīng)各層介質(zhì)反射后返回表面的信息(見(jiàn)圖2，圖3)，分析各反射層間的關(guān)系，確定各層間厚度。檢測(cè)過(guò)程中脈沖波行程耗時(shí):t=(其中，V為電磁波速;X為天線距;Z為探測(cè)深度)。式中的X一般為固定值，如果V未知，此時(shí)可以采用近似計(jì)算(C為光速，即3×108m/s;εr為介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù))。在介質(zhì)電磁波速速度已知情況下，可根據(jù)探測(cè)精確的t值(ns，1 ns=10－9s)，按上式計(jì)算反射物體的深度，m。

圖2 雷達(dá)工作示意圖

圖3 反射探測(cè)原理圖

在探測(cè)物體埋深Z值確定后，利用公式計(jì)算εr，V的值。實(shí)際中，一般通過(guò)預(yù)定埋設(shè)的物標(biāo)測(cè)定計(jì)算εr，V的值，并進(jìn)行比較、修正，從而確保探測(cè)精度。雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果以脈沖波的波形參數(shù)被記錄，采用黑、白色或者以灰階或彩色表示波谷、峰。如此，可利用等色線或等灰度、同相軸形象地表征出地下反射界面。

2.2 超聲波工作原理

1)基本原理。聲學(xué)參數(shù)(如聲速、波幅、頻率等)可以反映出各種固體材料的內(nèi)部質(zhì)量情況(如強(qiáng)度、密實(shí)性、內(nèi)部缺陷等)。由此，可借超聲波測(cè)得固體材料的聲學(xué)參數(shù)，來(lái)判斷被檢測(cè)物體內(nèi)部的質(zhì)量情況，這便是超聲波檢測(cè)儀檢測(cè)原理。木材質(zhì)量主要是指木材內(nèi)部材質(zhì)的均質(zhì)性、裂紋發(fā)育、紋理縱橫分布、腐朽程度及范圍等方面。超聲波穿透法(或超聲波透射法)通常采用發(fā)射換能器發(fā)射超聲脈沖波，然后利用接收換能器接收在被檢測(cè)的物體中傳播脈沖波，儀器把接收到的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再經(jīng)放大器放大和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息存貯到計(jì)算機(jī)，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)經(jīng)專用的處理程序分析后即可確定被檢測(cè)物體內(nèi)部質(zhì)量情況，確定缺陷存在的位置與分布。

超聲波發(fā)生器，也稱之為超聲波換能器，它把其他形式的能量轉(zhuǎn)換為超聲波能量，從而使得超聲脈沖波信號(hào)在被檢測(cè)物體中傳播，超聲波檢測(cè)基本原理如圖4所示。對(duì)于在被測(cè)物體的厚度相比脈沖波長(zhǎng)小很多，可以忽略的情況下，材料中傳播的超聲波波速V與材料的密度ρ及彈性模量E存在如下關(guān)系:

圖4 超聲波檢測(cè)原理

因此可以根據(jù)上述原理，測(cè)定超聲波經(jīng)過(guò)既定傳播距離所需的時(shí)間，計(jì)算波速，測(cè)得材料密度，利用公式即可得到木材的彈性模量。由于木材的力學(xué)破壞強(qiáng)度與彈性模量之間存在正相關(guān)性，并且彈性模量與密度、波速之間的關(guān)系，因而聲學(xué)參數(shù)不同程度的反映了木材的力學(xué)強(qiáng)度，因此測(cè)定木材的聲學(xué)參數(shù)即可簡(jiǎn)便快捷的獲得材料彈性模量，同時(shí)也可以有效的預(yù)測(cè)材料的力學(xué)強(qiáng)度，從而間接的檢測(cè)出材料的內(nèi)部質(zhì)量分布情況。

2)波速、振幅與頻率等參數(shù)。聲速為超聲脈沖波在木材介質(zhì)中的傳播速度，是木材超聲波檢測(cè)中的一個(gè)重要的參數(shù)。它間接反映了木材彈性模量和力學(xué)強(qiáng)度高低，同時(shí)也反映了材料的內(nèi)部質(zhì)量，一般講，木材越堅(jiān)硬致密，聲速就越高;內(nèi)部腐朽或越稀疏，聲速就越低。若材料內(nèi)部存在局部腐朽，聲速傳播經(jīng)過(guò)該部分時(shí)，波速值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值，其計(jì)算公式如下:V=L/T。其中，V為縱波速度，km/s;L為檢測(cè)深度，mm;T為傳播時(shí)間，s。

振幅值高低表示聲波在傳遞過(guò)程中能量的強(qiáng)弱，木材愈堅(jiān)硬，聲波傳播衰減較小，接受到的能量相對(duì)較高，因而振幅較高;若木材愈腐朽或者質(zhì)地松軟，超聲波在傳播時(shí)相當(dāng)一部分能量被吸收，接受到的能量較低，因而振幅也愈低。由此可以通過(guò)接收器收到的第一個(gè)波幅值大小來(lái)診斷被檢木材的內(nèi)部質(zhì)量狀況。

不同質(zhì)地木材對(duì)超聲脈沖波包含各種頻率成分的吸收和過(guò)濾效果也不一樣，聲波穿過(guò)一定厚度的木材，質(zhì)地愈稀疏，高頻成分被吸收愈多，因此高頻成分衰減損失愈多。超聲波發(fā)生器產(chǎn)生固定頻率成分的脈沖波，穿透木材被吸收過(guò)濾后的頻率成分間接反映了木材密實(shí)度以及材料內(nèi)部質(zhì)量狀況。

3 工程實(shí)例分析

對(duì)鐘樓木結(jié)構(gòu)柱應(yīng)用雷達(dá)、超聲波進(jìn)行檢測(cè)與數(shù)據(jù)采集工作。雷達(dá)檢測(cè)儀沿結(jié)構(gòu)自下而上方向每根木結(jié)構(gòu)柱測(cè)2條側(cè)線，其中 JZ3，JZ9，JZ10，JZ11，JZ12，JZ13，JZ14，JZ15，JZ16 由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制只測(cè)1條，測(cè)線長(zhǎng)度為2.0 m左右。與此同時(shí)，針對(duì)性的采用超聲波檢測(cè)儀對(duì)每根結(jié)構(gòu)柱隨機(jī)抽樣檢測(cè)。

在雷達(dá)圖像里，標(biāo)示區(qū)域通常表現(xiàn)為不密實(shí)，為木結(jié)構(gòu)柱內(nèi)腐蝕、質(zhì)量缺陷所致，通過(guò)分析即可以確定缺陷不密實(shí)的位置。

木柱表層深度20 cm以上，能量條帶連續(xù)規(guī)整，但在深度為20 cm左右，存在相鄰條帶之間錯(cuò)位，波形局部錯(cuò)亂;在深度5 cm左右處能量條帶存在同軸相錯(cuò)斷，波形變得不規(guī)整，因此可以判斷此處不密實(shí)。由于多界面多次反射電磁波的結(jié)果，強(qiáng)反射能量條帶異常不連續(xù)，波形局部雜亂，存在同軸相錯(cuò)斷，可以判斷此處木柱表層下存在不密實(shí)。

圖5為木結(jié)構(gòu)柱JZ11超聲波測(cè)試波列，腐蝕缺陷處聲速有降低，測(cè)點(diǎn)處聲速明顯偏低，測(cè)點(diǎn)幅度明顯變化，幅值偏低。

圖5 木結(jié)構(gòu)柱JZ11超聲波列圖

4 結(jié)語(yǔ)

1)雷達(dá)和超聲波法是無(wú)損檢測(cè)中常見(jiàn)的技術(shù)，利用雷達(dá)和超聲波檢測(cè)木結(jié)構(gòu)層密實(shí)狀況是可行的，其精度達(dá)到工程要求。2)利用雷達(dá)和超聲波法無(wú)損檢測(cè)木質(zhì)古建筑結(jié)構(gòu)，可以提高檢測(cè)效率，便于盡早處理隱患，提高建筑物壽命，對(duì)維護(hù)木質(zhì)古建筑具有重要意義。3)雷達(dá)和超聲波法檢測(cè)一定要按合理的程序和步驟進(jìn)行，做好準(zhǔn)備工作，這是獲取高質(zhì)量木結(jié)構(gòu)信息的關(guān)鍵。

［1］王 欣，賈留東，夏風(fēng)敏，等.混凝土雷達(dá)(超聲法)檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)施工縫［J］.建筑技術(shù)，2006，37(4):303.

［2］肖 江，楊建華，黃 娜.基于DSP的木材強(qiáng)度超聲波檢測(cè)系統(tǒng)研究［J］.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2008，36(1):83-84.

［3］嵇偉兵，馬靈飛.利用超聲波檢測(cè)杉木抗彎彈性模量［J］.浙江林業(yè)科技，2006(3):36-37.

［4］楊學(xué)春，徐凱宏，王立海.木材無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展［J］.林業(yè)科技，2002(3):18-19.