包 挺，楊 予，王 毅，徐 浩

(浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

超聲脈沖法是一種廣泛應(yīng)用于水利工程質(zhì)量檢測的無損檢測手段[1]，但現(xiàn)階段超聲波在水利工程質(zhì)量檢測中的應(yīng)用仍無法滿足實際需求，其原因之一是超聲波的測試方式及測試環(huán)境因素容易對測量結(jié)果造成影響，需對測試誤差的來源進(jìn)行分析并控制。由文獻(xiàn)[2]可知，誤差主要來源于系統(tǒng)誤差、偶然誤差及過失誤差3個方面。前兩種誤差可以從選擇合適的頻率及控制檢測環(huán)境等方面進(jìn)行把控，而與過失誤差有關(guān)的研究并不多見。目前，超聲波波速測量的常見固定換能器方法主要為手持法[3]，有時還會采用頂面自然放置法等，這些方法具有明顯的缺陷，主要表現(xiàn)為操作者按壓換能器時力度的大小問題以及難以避免的平移抖動問題。為此 CECS 02—2005《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程》中對手持換能器測試的操作提出如下具體要求[4]：“每一測點均應(yīng)使耦合層達(dá)到最薄，以保持耦合狀態(tài)一致”“聲速值準(zhǔn)確與否，完全取決于聲時和測距量測是否準(zhǔn)確可靠”，但這些描述更多的是指導(dǎo)性意見，并未給出細(xì)節(jié)操作要求。

在一些相關(guān)研究中，研究人員對超聲脈沖法的具體操作方法提出了探討，例如文獻(xiàn)[5]建議檢測人員對探頭均勻施力，且大小控制在0.5kgf左右為宜；文獻(xiàn)[6]實驗證明了耦合壓力在10 N以上時耦合效果達(dá)到最佳；文獻(xiàn)[7]要求手持換能器，擺放在劃分好的網(wǎng)格中心，測試時必須使換能器和試件通過耦合劑緊密接觸，并盡量在測試各點保持用力均勻；文獻(xiàn)[8]中提到對測試人員嚴(yán)格要求，包括手持力的大小、手持探頭的穩(wěn)定等，以獲取較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)；文獻(xiàn)[9]為了降低不同耦合條件造成的測量誤差，設(shè)計了相應(yīng)的超聲夾具來提高重復(fù)測量的穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[10]用壓力鉗定位換能器，同時在測試過程中利用彈簧施壓使每個換能器的接觸壓力保持恒定，以此來假定每個實驗期間耦合層的厚度相同；文獻(xiàn)[11]利用U型鋼與橡膠條固定換能器，并結(jié)合聚苯乙烯片和橡膠條對換能器施加恒定的壓力。綜上所述，現(xiàn)有研究雖考慮了人為因素帶來的誤差影響并采取了一定的措施，但尚未有人對提高波速測量精度措施的效果做出定量評估，對于超聲波波速測量方法缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

因此，本文對固定換能器方式提出以下兩點改進(jìn)思路：①保持壓力穩(wěn)定，使各換能器與被測構(gòu)件耦合狀態(tài)一致；②精確定位換能器，保證測距準(zhǔn)確。此外，實驗還結(jié)合對測、平測、角測3種檢測方法，分析研究了超聲脈沖法波速測量精度的提高措施。本文首先介紹了試件的制備與實驗裝置；然后對手持固定與利用特制夾具固定兩種方法的測試數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行了對比分析；最后結(jié)合實驗結(jié)果，給出適合超聲脈沖法波速測量精度的提高措施。

1 實驗過程

1.1 試件制備

本實驗制作了3根尺寸為150mm×150mm×550mm的試件(分別記為A、B、C)，采用相同配合比同一批次澆筑，由普通硅酸鹽水泥P·O 42.5級水泥，普通河沙，粒徑為28～40mm的碎石制備，設(shè)計強度及配合比見表1。

表1 混凝土設(shè)計強度等級及配合比

1.2 實驗設(shè)備與裝置

波速采集系統(tǒng)采用NM-4B非金屬超聲波分析儀作為測試工具，發(fā)射電壓500V，主要包括主機、換能器、信號線，平面換能器頻率選用50 kHz。換能器與試件之間選用凡士林作為耦合劑。為保證換能器耦合壓力的一致與定位的準(zhǔn)確，本文研究團隊設(shè)計制作了一套超聲波固定換能器輔助裝置，如圖1所示。該裝置的主要作用是對換能器進(jìn)行準(zhǔn)確定位和定壓，彈簧對換能器施加恒定壓力，根據(jù)本文團隊前期研究，壓力取50 kPa[12]，套筒與固定裝置上具有刻度準(zhǔn)線，與試件上預(yù)留的十字標(biāo)記重合定位。

圖1 換能器固定裝置

1.3 實驗過程

第一組實驗：對6名未實際操作過超聲波儀器的志愿者進(jìn)行30min的講解培訓(xùn)后，要求他們采用手持固定換能器的方式對試件A、B、C進(jìn)行平測、角測、對測實驗，每根試件獲取兩組測量數(shù)據(jù)。

第二組實驗：對另外6名志愿者進(jìn)行同樣的培訓(xùn)后，要求他們利用特制輔助裝置，以精確定位、固定耦合壓力的方式對試件A、B、C進(jìn)行平測、角測、對測實驗，每根試件獲取兩組測量數(shù)據(jù)。

(1)超聲平測。在試件側(cè)面分別以100、200、300、400、500mm為換能器中心距進(jìn)行平測實驗。

(2)超聲角測。在試件底面與側(cè)面布置換能器，使換能器中心距為100、200、300、400、500mm進(jìn)行角測實驗。

(3)超聲對測。在試件兩個底面中心對稱布置換能器，測距為550mm。

(4)讀數(shù)采用固定振幅讀數(shù)法[13]，數(shù)據(jù)處理借鑒規(guī)范CECS 02—2005的處理方法，每次實驗每個測點采集16個數(shù)據(jù)，去掉3個最大值和3個最小值，聲時取平均值。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 聲時穩(wěn)定性比較

極差常用來反映的是變量分布的變異范圍和離散幅度，標(biāo)準(zhǔn)差能反映一個數(shù)據(jù)集的離散程度。為了對比兩組實驗所測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，將手持換能器與定點定壓固定所測得的聲時極差與標(biāo)準(zhǔn)差繪制成直方圖，如圖2—8所示。

由圖2—8可以看出，手持超聲波換能器測得的聲時數(shù)據(jù)浮動較大，各組測點數(shù)值結(jié)果的極差最大達(dá)到了8.2 μs，標(biāo)準(zhǔn)差在0.2～3.57μs之間，穩(wěn)定性較差。這是因為操作者的按壓力度與按壓點不一容易導(dǎo)致?lián)Q能器的定位與耦合情況發(fā)生變化，使測量結(jié)果發(fā)生較大波動。與此相對應(yīng)的是，夾具能提供穩(wěn)定的壓力與準(zhǔn)確的定位，換能器的固定不再依賴于各操作者的操作習(xí)慣，所以當(dāng)使用夾具定點定壓固定換能器時，所得數(shù)據(jù)的極差在2 μs以內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)差在0.25～0.83μs之間，測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性較手持換能器測試結(jié)果有了明顯的改善。

圖2 A試件平測

圖3 A試件角測

圖4 B試件平測

圖5 B試件角測

圖6 C試件平測

圖7 C試件角測

圖8 A、B、C試件550mm對測聲時極差直方圖

2.2 波速測試結(jié)果比較

為了進(jìn)一步比較手持換能器與定點定壓固定所測波速的差異情況，先將各組數(shù)據(jù)進(jìn)行時-距線性回歸分析，回歸方式如圖9所示。

圖9 B試件手持平測角測時-距回歸分析

根據(jù)所得回歸方程，計算各組測試中平測與角測在測距為550mm時的聲時與波速，與550mm對測結(jié)果進(jìn)行波速比較，以定點定壓固定的對測波速為基準(zhǔn)，繪制波速對比圖如圖10所示。

圖10 各試件波速對比圖

由圖10可以看出，根據(jù)回歸分析所得550mm測距的A、B、C試件手持較定點定壓測試波速結(jié)果明顯偏大，尤其是平測波速存在較大誤差；而定點定壓夾具所測平測、角測、對測波速較為接近，且對測波速最大，平測波速最小，可見準(zhǔn)確性優(yōu)于手持結(jié)果。

由上述分析對比可知，定點定壓測試方式能保證耦合壓力以及測試點位置的穩(wěn)定，可有效解決手持換能器檢測的弊端，提高超聲波波速測量的精度。

3 結(jié)論與展望

本文通過觀察不同操作人員的波速測量過程，根據(jù)手持換能器與使用夾具固定換能器測量的波速數(shù)據(jù)結(jié)果，分析了測量過程中誤差的產(chǎn)生與減小誤差的方法，與已有相關(guān)研究相符，具體結(jié)論如下：

(1)準(zhǔn)確定位換能器可有效降低測距誤差，利用特制夾具等方式固定避免換能器位置的滑移抖動。

(2)恒壓固定換能器可保證耦合效果一致，有效提高測量精度。

(3)建議制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，如定位方式、耦合壓力大小等，降低不同操作者習(xí)慣差異造成的影響，以獲得具有可比性的測試結(jié)果。

以上為提高超聲脈沖法波速測量精度的主要措施，實驗結(jié)果表明，定位準(zhǔn)確，壓力一致可以使測得的聲時結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠，減小過失誤差，有效提高波速測量精度。

另一方面，超聲脈沖法通?？紤]以對測為主的換能器布置方式，但在實際工程條件中，很多時候?qū)y法并不可行，例如檢測梁、柱應(yīng)力狀態(tài)等，因此平測法與角測法的作用也不能忽視。本文研究結(jié)果表明檢測普通混凝土?xí)r，平測、角測與對測法所測波速存在差異[14]，其本質(zhì)區(qū)別在于傳播路徑不同，因此需要對平測與角測的測距進(jìn)行修正，合理地進(jìn)行三種測試方式的波速轉(zhuǎn)換[15]。