成錦，韓慶邦,2，陳媛，范洪輝，殷澄，朱昌平

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基于系統(tǒng)解卷積技術(shù)的波紋管壓漿質(zhì)量檢測

成錦1，韓慶邦1,2，陳媛1，范洪輝3，殷澄1，朱昌平1

(1. 河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院，江蘇常州 213022； 2. 河海大學(xué)淮安研究院，江蘇淮安 223001； 3. 江蘇理工學(xué)院計算機工程學(xué)院，江蘇常州 213001)

提出了一種基于系統(tǒng)解卷積技術(shù)的波紋管壓漿質(zhì)量檢測方法，利用系統(tǒng)分析技術(shù)結(jié)合解卷積補償特性處理回波信號，并分析處理后的波形的首波響應(yīng)時間，對缺陷的位置及大小做出判斷。利用有限元進行了理論模擬仿真，采用系統(tǒng)解卷積技術(shù)處理并分析回波數(shù)據(jù)，結(jié)果表明解卷積后的波形的首波的響應(yīng)時間與缺陷表面深度值存在一一對應(yīng)關(guān)系。通過實際制作模型并進行實驗測量，驗證了仿真的結(jié)果。

系統(tǒng)；解卷積；無損檢測；有限元；缺陷

0 引言

波紋管結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于孔道預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中，波紋管壓漿質(zhì)量不合格將會導(dǎo)致嚴重的安全事故問題。目前，孔道壓漿施工中經(jīng)常出現(xiàn)的質(zhì)量問題有壓漿不密實、有空隙、孔道未被水泥漿完全充滿存在缺陷、水泥漿體由于硬化收縮過大而與孔道分離出現(xiàn)缺陷等?？椎缐簼{質(zhì)量將直接影響預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的耐久性、承載能力和抗裂性能。在無損檢測技術(shù)中，用脈沖回波法[1]可以檢測出波紋管中鋼筋的腐蝕程度[2]，并且對定位結(jié)構(gòu)體中的裂紋、空腔和缺陷有一定效果[3]。但是混凝土結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由混凝土、波紋管和鋼絞線等組成，介質(zhì)較多，超聲波在這種結(jié)構(gòu)內(nèi)傳播會有衰減，接收到的回波信號強度較低，而且傳播過程中還存在著由各個介質(zhì)面引起的反射波、折射波與透射波[4]，故由缺陷引起的反射回波會淹沒在這些波中，難以區(qū)分缺陷信息?；?Stack Imaging of spectral amplitudes Based on Impact-Echo, SIBIE)的無損檢測法可以識別缺陷位置[5]，利用信息熵方法也可以定性地識別缺陷的橫向尺寸[6]，但是對于那些橫向尺寸不大、但縱向尺寸較大的缺陷，這些方法的分辨率就大大降低，難以分辨縱向危害性的缺陷，導(dǎo)致漏判、誤判。本文從系統(tǒng)角度出發(fā)，結(jié)合解卷積方法處理回波信號，旨在提取缺陷縱向敏感信息，并通過仿真及實驗進行了驗證。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 缺陷響應(yīng)的解卷積模型

解卷積運算[7,8]是已知輸出求取輸入信號的一種方式，也可以看成信道的一種補償特性。如圖1所示，是缺陷距離檢測面的深度，是缺陷距離大平底面的深度。區(qū)域1系統(tǒng)為無缺陷系統(tǒng)ref。脈沖電信號加載在發(fā)射換能器上，經(jīng)過電-聲轉(zhuǎn)換過程發(fā)射平面縱波，超聲傳播到深度處(過程)，再繼續(xù)傳播到大平底面并且經(jīng)過大平底反射后，反向傳播到深度處(過程)，繼續(xù)反向傳播被接收換能器接收(過程)，經(jīng)聲-電轉(zhuǎn)換過程，成為接收電信號。

式中，“*”代表卷積運算。

圖1所示的區(qū)域2系統(tǒng)為含有某個缺陷的系統(tǒng)。脈沖電信號加載在發(fā)射換能器上，經(jīng)過電-聲轉(zhuǎn)換過程發(fā)射平面縱波，超聲傳播到缺陷表面處(過程)，被缺陷散射(過程)，然后一部分繼續(xù)傳播到大平底面并且經(jīng)過大平底反射后，反向傳播到深度處(過程)，繼續(xù)反向傳播被接收換能器接收(過程)，另一部分在缺陷處(即深度處)直接反向傳播被接收換能器接收()，兩部分最終經(jīng)聲-電轉(zhuǎn)換過程，成為接收電信號。

(3)

由式(2)、(4)可知

所以缺陷響應(yīng)的解卷積模型為

這里需要說明的是，圖1僅僅為了簡述區(qū)域概念，實際上所說的區(qū)域概念并不是圖1所示的矩形區(qū)域，而是一個以激發(fā)點位置為半球中心的聲波所歷經(jīng)的某個區(qū)域。

2 有限元仿真

2.1 模型構(gòu)建

實際上，混凝土結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由混凝土、波紋管、鋼絞線以及水泥漿等部分組成。為了探討缺陷的不同位置(缺陷的中心位置)及縱向尺寸(方向)對解卷積值的影響，設(shè)計了如圖3所示的模型，模型尺寸為100 cm×30 cm，內(nèi)含內(nèi)徑為8.4 cm、壁厚為3 cm的波紋管，中心鋼絞線直徑為1 cm。模型被均等分成5段，P0-P4，設(shè)置了不同類型缺陷，如表1所示。

表1 各類型缺陷詳情(單位：cm)

對P0-P4等5段模型進行超聲檢測，檢測工作分為兩組，第一組：從下表面激發(fā)超聲波(向正方向激發(fā))，采集回波信號從左至右依次編號為：①②③④⑤。第二組：從上表面激發(fā)超聲波(向負方向激發(fā))，采集回波信號從左至右依次編號為：⑥⑦⑧⑨⑩。兩組檢測均采用一發(fā)一收模式采集回波信號，收發(fā)間隔為2 cm。通過COMSOL Multiphysics仿真軟件進行仿真，以線源代替發(fā)射換能器(直徑1 cm)，接收換能器在相應(yīng)的接收點接收回波信號。不同介質(zhì)的具體物理參數(shù)詳見表2。

激勵信號() 選用經(jīng)漢寧窗函數(shù)調(diào)制的單音頻脈沖信號，在一定程度上可以減小超聲導(dǎo)波在結(jié)構(gòu)體中傳播時的頻散現(xiàn)象給缺陷檢測帶來的不利影響[9]。激勵信號的時頻波形如圖4所示。

式中：0=10 μs，=200 kHz。

2.2 典型分析

從仿真結(jié)果看來，回波信號成分大致包括首波(1)、橫波(2)、表面波(3)、反射回波(4-6)以及一些雜波(7)等，如圖5所示。直接處理分析整段回波信號將會帶來一些誤差，這些誤差是由激勵信號直接沿著表面?zhèn)鞯浇邮論Q能器的波(1-3)和雜波(7)共同引起的。需要分析的波紋管注漿的信息，主要分布在波紋管附近，所以獲取50~160 μs時間內(nèi)的回波信號進行處理分析，可以排除首波、橫波、表面波和雜波的影響。

表2 不同物質(zhì)的物理參數(shù)

分析第一組測試相應(yīng)時間段內(nèi)的回波信號，它們的時域和頻域波形如圖6所示。在圖6(a)中，60 μs處對應(yīng)的波的能量較大，它是由波紋管前壁引起的反射回波。160 μs處對應(yīng)的波是混凝土構(gòu)件的底面反射回波，含有缺陷特征的信號(由缺陷引起的反射回波)是在處于這兩個時間段內(nèi)，其能量較低，特征仍然十分不明顯，難以相互區(qū)別。在圖6(b)中，回波主要集中在主頻200 kHz左右，聲波經(jīng)過混凝土系統(tǒng)后，頻率成分較為分散，情況復(fù)雜，同樣難以區(qū)分。第二組測試的波形分析也類似第一組的情況，可見僅通過傳統(tǒng)分析法難以直接判斷出波紋管壓漿情況。

2.3 系統(tǒng)解卷積處理與分析

在兩組仿真測試中，將收集到的回波信號進行系統(tǒng)解卷積處理(以P0段信號為參考信號)，得到的結(jié)果如圖7所示。

解卷積的結(jié)果是無缺陷區(qū)域系統(tǒng)與含缺陷區(qū)域系統(tǒng)的反解結(jié)果，即缺陷特征信息。解卷積后的波形的首波是由缺陷引起的響應(yīng)，這種響應(yīng)對應(yīng)的時間(t)是超聲波在檢測表面與缺陷表面間雙程差(2H)的傳播時間。在圖7(a)中，各個波形的響應(yīng)時間(t)均是同一時刻，表明各個缺陷的下表面距離檢測表面的距離也是相同的。在圖7(b)中，各個波形的響應(yīng)時間(t)均不一樣，表明各個缺陷的上表面距離檢測表面的距離是不同的，并且可以看出t隨著H的增加而增加。

分析可知，不同的缺陷表面距離檢測表面的深度(H)與缺陷的響應(yīng)時間(t)存在一一對應(yīng)關(guān)系。缺陷的表面距離檢測表面越近，響應(yīng)時間就越早；缺陷的表面距離檢測表面越遠，響應(yīng)時間就越遲。缺陷表面距離檢測表面的距離可由式(8)求得：

式中，是超聲波在混凝土中的縱波波速，3805 m/s[10]。

由式(8)可以求得各個缺陷的上下表面距離檢測表面的深度，借此得到各個缺陷的縱向尺寸。若以缺陷的中心作為缺陷的位置，同時也可以給出缺陷的位置，分析結(jié)果詳見表3。缺陷縱向尺寸的誤差率及缺陷位置的誤差率均被控制得很低，表明系統(tǒng)解卷積技術(shù)在獲取缺陷的縱向尺寸及縱向位置方面有著巨大優(yōu)勢。

表3 缺陷分析結(jié)果數(shù)據(jù)(單位：cm)

3 現(xiàn)場試驗

3.1 模型及測量

為了驗證本方法的實際效用，團隊為此進行了實測實驗。如圖8(a)所示，實驗?zāi)Ｐ褪且粋€已經(jīng)設(shè)計好缺陷位置及類型的混凝土試件，內(nèi)含內(nèi)徑為69 mm、壁厚為3 mm的波紋管。在波紋管內(nèi)緊貼波紋管壁，預(yù)設(shè)了截面脫空面積分別為80%、60%、40%、20%等4種類型的空腔缺陷，缺陷詳情見表4。

整個模型被分為5段，為了與仿真次序相對應(yīng)，從右至左依次編號為S0-S4段，每段長為2 m，分別對應(yīng)壓漿密實以及四種缺陷類型，如圖8(b)所示。

(a) 混凝土試件

(b) 試件俯視圖及測試圖

圖8 試驗?zāi)Ｐ?/p>

Fig.8 An experimental model of concrete component

表4 缺陷測試數(shù)據(jù)(單位：cm)

為了獲取缺陷的上下表面信息，檢測工作依然分為兩組，檢測順序為由右往左，即從圖8(b)中的S0段往S4段方向檢測。在各段模型檢測面的中間處放置激勵源，用以激發(fā)超聲波場，間隔5 cm接收超聲回波信號。檢測工作中，以自主研發(fā)的大功率單脈沖觸發(fā)器激發(fā)超聲波，換能器探頭的頻率為200 kHz，采樣頻率為1 MHz，采用一發(fā)一收模式采集數(shù)據(jù)。

3.2 結(jié)果及分析

如圖9所示，任意選取一次測量信號的回波信號，可以看出實測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)具有良好的相似性，由于實際測量過程中總有多種因素的干擾，波形會略有不同?；夭ㄐ盘栔械?、2、3號波是發(fā)射換能器直接沿著檢測表面?zhèn)鹘o接收換能器的，其強度非常之大，這是后期數(shù)據(jù)處理的不利因素。而需要分析的波紋管注漿的信息，主要介于100~400 μs時間段內(nèi)，但是此時間段內(nèi)的回波信號成分也非常復(fù)雜，缺陷引起的回波會淹沒在其他回波中，難以在混疊的波形中得到辨別，缺陷信息也難以得到提取，并且在各個測量點所測得的數(shù)據(jù)波形又極為相似，直接分析比較也變得極為困難。

在圖9中，4號波(由波紋管引起的反射回波)的響應(yīng)時間為108 μs，波紋管前端管壁距離檢測表面距離的雙程差為43 cm，可得超聲波在該混凝土試件中的縱波波速為3981 m/s

實驗所得數(shù)據(jù)為時間-位移序列，利用所述的系統(tǒng)解卷積技術(shù)對其進行處理，得到由各缺陷引起的缺陷響應(yīng)時間，如圖10所示。利用式(8)計算得到缺陷尺寸的相關(guān)信息，見表4。

通過表4的數(shù)據(jù)，分析每段模型的解卷積結(jié)果的差別，實測數(shù)據(jù)缺陷縱向尺寸的誤差率及缺陷位置的誤差率均略有升高，這是由于實際檢測過程中存在多種干擾的影響，各段尺寸的縱向誤差率均被控制在20%以下，而各段的位置誤差率均被控制在3%以下，這些在實際檢測中是可以接受的，實測數(shù)據(jù)得到的結(jié)果與理論仿真基本吻合一致。

本研究對規(guī)則的單個缺陷進行了仿真與實驗，研究表明系統(tǒng)解卷積技術(shù)適用于提取缺陷距離檢測面的最近距離，并以此判斷缺陷的縱向尺寸及位置，其縱向識別分辨率較高，適用于檢測結(jié)構(gòu)體中危害性較大的空腔與缺陷。

4 結(jié)語

本研究表明系統(tǒng)解卷積后的波形的首波響應(yīng)時間與該缺陷表面距離檢測表面的深度存在一一對應(yīng)關(guān)系，借此可以實現(xiàn)缺陷縱向尺寸及縱向位置的判斷。本研究彌補了信息熵等方法在縱向識別方面的不足，由系統(tǒng)角度出發(fā)提高了缺陷分辨率，為混凝土結(jié)構(gòu)體的無損檢測提供了一套可行技術(shù)方案，有利于工程上的監(jiān)測與維護。

另外，本研究也存在一定局限性。首先，研究假定在單個缺陷情況下，能夠得到距離該缺陷表面的距離，但如果存在多個缺陷就不太適用；其次，研究假定不同系統(tǒng)間除了有無缺陷以外其它條件都相同，但實際上其他條件總有差異，這將帶來一定的誤差，但并不影響時間上的近似判斷。

本研究理論上尚不完善，解卷積后的信號雖然帶有缺陷信息，但是本研究僅僅得到了首波時間信息，其他方面的信息還有待于進一步深入研究。

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Nondestructive test method for cement grouting in corrugated pipebased on systemic de-convolution technique

CHENG Jin1, HAN Qing-bang1,2, CHEN Yuan1, FAN Hong-hui3, YIN Cheng1, ZHU Chang-ping1

(1. IOT EngineeringCollege of Hohai University, Changzhou 213022, Jiangsu, China; 2. Huaian Research Institute of Hohai University, Huaian 223001, Jiangsu, China;3. School of Computer Engineering, Jiangsu University of Technology, Changzhou 213001, Jiangsu, China)

A nondestructive test for corrugated pipe based on systemic de-convolution technique is proposed in this paper. The grouting compactness is estimated by this technique through processing the impact echo signals. The positions and size of defects can be obtained by analyzing the beginning time of the head wave in de-convolution results. A model containing 4 different defects is constructed and simulated by using finite element method. The simulation results demonstrate that the complex scattering signals caused by grouting defects are hardly to be distinguished. The collected impact-echo signals are processed by signal processing of systemic de-convolution. It is found that the surface depth of the defect is directly related to the beginning time of the head wave in de-convolution result. Several actual models are constructed and measured, and the results are consistent well with simulated prediction.

system; de-convolution; nondestructive test; finite element; defect

TB553

A

1000-3630(2015)-04-0327-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.04.007

2014-07-14;

2014-10-18

國家自然科學(xué)基金(11274091、11274092、61302124)、河海大學(xué)中央高?；?2011B11014)、淮安河海研究院開放基金資助項目。

成錦(1989－), 男, 江蘇南京人, 碩士, 研究方向為通信與信息系統(tǒng)。

韓慶邦, E-mail: hqb0092@163.com