趙 暉，吳曉雪

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 國家水運(yùn)工程檢測設(shè)備計(jì)量站，天津300456)

非金屬聲波檢測儀是利用超聲波技術(shù)對混凝土內(nèi)部缺陷進(jìn)行無損檢測的一種儀器。混凝土在澆鑄過程中，其內(nèi)部不允許產(chǎn)生空隙，在施工過程中如果發(fā)生斷裂，破損將會大大影響混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度和質(zhì)量，甚至?xí)a(chǎn)生災(zāi)難性的后果。這些存在于混凝土內(nèi)部的空隙以及在施工過程中地下產(chǎn)生的斷裂肉眼是無法觀測到的，只能靠非金屬聲波檢測儀來檢測，該儀器主要由主機(jī)和換能器組成，通過聲波測試的方法測定被測介質(zhì)中的聲波傳播時(shí)間、速度、振幅、頻率和波形等聲學(xué)參數(shù)的變化，從而了解被測介質(zhì)(非金屬)的物理學(xué)特性，經(jīng)過分析、計(jì)算、處理后即可判斷出非金屬構(gòu)件的內(nèi)部質(zhì)量。非金屬聲波檢測儀檢定裝置是用于校核聲波儀質(zhì)量的設(shè)備，測定被檢儀器各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是否達(dá)到規(guī)程要求，其檢測的技術(shù)性能包括：發(fā)射電壓幅值的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度；聲時(shí)值測量的準(zhǔn)確度。聲時(shí)測量在空氣中使用平面換能器，在水中則使用徑向換能器。長期以來對徑向換能器的檢定/校準(zhǔn)在國內(nèi)尚屬空白，近幾年使用專用水池將換能器入水以水為介質(zhì)才解決了徑向換能器的校準(zhǔn)工作。

對平面換能器的校準(zhǔn)目前國內(nèi)使用3種方法：(1)以標(biāo)準(zhǔn)測試棒為介質(zhì)作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)直接比對。該方法具有操作簡單、快捷的優(yōu)點(diǎn)，但溫度變化引起在測試棒內(nèi)聲速的變化不得而知；(2)用手動或電動方式調(diào)節(jié)兩換能器間距，使用游標(biāo)卡尺測量間距(常用于平面換能器)；(3)將兩種換能器組合聯(lián)動并分別置于空氣中和水中，以光柵尺作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器，配合電腦操作使檢定/校準(zhǔn)工作的自動化水平大大提升，本文將以該方式表述。

1 基本工作原理

1.1 聲時(shí)測量工作原理

非金屬聲波檢測儀除主機(jī)外尚配備一對平面換能器和一對徑向換能器，在工程測量中主要觀測超聲波從發(fā)射換能器發(fā)出首波最先到達(dá)接受換能器的時(shí)間[1]。眾所周知超聲波在傳播過程中遇到介質(zhì)改變將會在介面產(chǎn)生折射或反射，其安裝使用情況如圖1所示。

圖1-a為平面換能器安裝圖，發(fā)射面和接收面緊貼混凝土構(gòu)件。圖1-b為徑向換能器安裝圖，換能器置于樁兩側(cè)水管中沿水管巡檢。超聲波從發(fā)射換能器發(fā)射后直線運(yùn)行經(jīng)過d1距離以恒速用S1時(shí)間首波最先到達(dá)接收換能器，當(dāng)混凝土構(gòu)件內(nèi)部出現(xiàn)斷裂破損形成空隙，超聲波將會沿路徑d2以同樣速度用S2時(shí)間抵達(dá)[2]，顯然d2>d1、S2>S1，差距越大說明構(gòu)件內(nèi)部空隙越大，破損越嚴(yán)重。

1-a 平面換能器安裝圖 1-b 徑向換能器安裝圖圖1 聲時(shí)測量安裝圖Fig.1 Installation diagram of acoustic time measurement

1.2 計(jì)量檢定裝置組成與工作原理

1.2.1 幅值準(zhǔn)確度檢定

聲波幅值準(zhǔn)確度是聲波儀的重要參數(shù)，其檢測方框圖如圖2所示。檢定采用電壓比對的方法，信號發(fā)生器產(chǎn)生50 kHz的正弦波作為輸入信號源輸入聲波儀輸入通道和6位半數(shù)字多用表，觀察聲波儀顯示屏顯示的正弦波形失真情況及電壓示值與6位半數(shù)字多用表精確電壓值比對[3]，即可計(jì)算出幅值相對誤差。

圖2 幅值準(zhǔn)確度檢定框圖Fig.2 Verification block diagram of amplitude accuracy

1.2.2 發(fā)射電壓幅值穩(wěn)定度測定

圖3 發(fā)射電壓幅值穩(wěn)定度測定框圖Fig.3 Measurement block diagram of transmitting voltage amplitude stability

1.2.3 聲時(shí)準(zhǔn)確度檢定

圖4是最新的聲波儀聲時(shí)值計(jì)量檢定裝置，該裝置是將平面換能器與徑向換能器組成統(tǒng)一運(yùn)動體，安置于水池上方軌道上的同一滑塊平臺上，分別以空氣和水作為介質(zhì)，利用計(jì)算機(jī)控制伺服電機(jī)調(diào)節(jié)兩換能器間距并保持單軸直線運(yùn)動，通過光柵位移尺精準(zhǔn)定位與聲波儀示值比對[4]。運(yùn)動控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，微機(jī)控制單元設(shè)定滑動平臺上的換能器移動支架，控制其移動距離和速度并做直線位移[5]。光柵尺作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器，其最高定位精準(zhǔn)標(biāo)稱值可達(dá)0.5 μm。

圖4 聲時(shí)值計(jì)量檢定裝置框圖Fig.4 Block diagram of acoustic time measurement verification device

2 檢定裝置主要技術(shù)指標(biāo)與計(jì)算

2.1 標(biāo)準(zhǔn)聲時(shí)值計(jì)算

眾所周知，聲音在不同的介質(zhì)中傳播速度差異甚大，即便在同一介質(zhì)中不同的時(shí)間都不相同，這主要是受溫度的影響。聲波儀平面換能器以空氣為介質(zhì)，受環(huán)境溫度影響，其標(biāo)準(zhǔn)聲時(shí)為t01；徑向換能器以水為介質(zhì)，超聲波在水中傳播同樣距離內(nèi)其標(biāo)準(zhǔn)聲時(shí)為t02，則

式中：d為兩換能器間距，m；Vc1為空氣中聲速，m/s；T01為室溫，℃；Vc2為水中聲速，m/s；T02為水溫，℃。

2.2 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)重復(fù)性試驗(yàn)

計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)重復(fù)性試驗(yàn)[7]是在重復(fù)性條件下，用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)對常規(guī)的被檢定或被校準(zhǔn)的對象進(jìn)行n次獨(dú)立重復(fù)測量，所得到的測量結(jié)果其重復(fù)性為

已建計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)至少每年進(jìn)行一次重復(fù)性試驗(yàn)，測得的重復(fù)性應(yīng)滿足檢定或校準(zhǔn)結(jié)果的測量不確定度的要求。非金屬聲波檢測儀建標(biāo)后對聲時(shí)計(jì)量檢定裝置、數(shù)字萬用表、數(shù)字示波器電壓測量等3個(gè)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)均需要進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)。

2.3 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)定性試驗(yàn)

穩(wěn)定性試驗(yàn)是指新建計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，每隔一段時(shí)間(大于一個(gè)月)，用該計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)對核查標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行一組n次的重復(fù)測量，取其算術(shù)平均值作為該組的測量結(jié)果。共觀測m組(m≥4)。取n個(gè)測量結(jié)果中的最大值和最小值之差，作為新建計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)在該時(shí)間段內(nèi)的穩(wěn)定性。該試驗(yàn)應(yīng)包含在檢定/校準(zhǔn)中使用的數(shù)字萬用表、示波器、檢定裝置的控制顯示系統(tǒng)，亦應(yīng)分別對平面換能器和徑向換能器進(jìn)行測試。

3 抗干擾分析

非金屬聲波檢測儀檢定裝置主要以接收波的波形來判定檢測儀器技術(shù)性能的，儀器的抗干擾性和波形的清晰度顯得尤為重要，非金屬聲波儀的平面換能器以空氣為介質(zhì)，發(fā)射換能器與接收換能器固定在支架上沿軸線相對位移，移動距離一般不大于50 cm。從發(fā)射換能器發(fā)射的超聲波以窄波束角定向傳播至接收換能器，受干擾因素較小，波形失真小。

徑向換能器呈圓柱狀，在水容器中以水為介質(zhì)，發(fā)射的超聲波以發(fā)射換能器為中心向四周發(fā)射，水容器邊壁將會使超聲波反射形成干擾，鑒于兩換能器直線距離最近，發(fā)射波首播仍最先以最短時(shí)間到達(dá)接收換能器，所以在存有干擾的環(huán)境條件下(干擾波是折線運(yùn)動)仍可鑒別出首波的聲時(shí)值。為此可以在水容器邊壁粘貼消聲材料，有關(guān)資料證明，尖劈形橡膠消聲板在頻率為3 kHz時(shí)吸聲效率可達(dá)98%，頻率越高吸聲效果越好[8]，非金屬聲波檢測儀的發(fā)射頻率為幾十千赫茲，幾乎可以吸收到達(dá)的所有聲波而不會產(chǎn)生反射形成干擾，因此在水容器邊壁和底部鋪設(shè)消聲器材，這將會取得滿意的效果。

4 結(jié)語

非金屬聲波檢測儀屬于國家規(guī)定的檢測儀器“強(qiáng)檢”范疇，儀器直接用于檢測混凝土構(gòu)件的內(nèi)部質(zhì)量是否存在破損空穴。關(guān)系到工程的質(zhì)量和安全隱患，因此檢測儀自身的質(zhì)量、各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是否符合規(guī)程要求，將由非金屬聲波檢測儀計(jì)量檢定裝置來判定，它是聲波儀量值溯源的上一級計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。

本文分別對非金屬聲波檢測儀配備的平面換能器和徑向換能器的安裝使用，利用聲時(shí)測量的原理等進(jìn)行了論述。著重介紹了非金屬聲波檢測儀檢定裝置的組成和所檢定的主要技術(shù)參數(shù)，并給出了相關(guān)的計(jì)算公式。在文章的最后針對徑向換能器水容器的容積所限，受邊界條件影響將會產(chǎn)生干擾問題，提供了利用夾劈形橡膠消聲板可有效地解決干擾問題的方法，對建立非金屬聲波檢測儀計(jì)量檢定裝置具有一定的參考價(jià)值。該裝置建成后先后為全國80余家檢測單位服務(wù)，對國內(nèi)外10余個(gè)新老型號的非金屬聲波檢測儀進(jìn)行檢定并出具檢定證書，在水運(yùn)工程、道橋工程等樁基和預(yù)制構(gòu)件質(zhì)量檢測中發(fā)揮了重要的作用。