徐俊涛 王强 朱凯 吴锦豪 吴珂

摘要：为研究合成孔径聚焦成像技术在混凝土缺陷识别中的应用，先后采用常规的超声脉冲法（探头频率50 kHz）与合成孔径聚焦成像法（探头频率50 kHz，32阵元）对预制缺陷的混凝土试块进行检测对比，分析混凝土内部预制缺陷在两种超声检测方法中的成像特征。研究结果表明，传统的超声检测方法无法准确判断出混凝土内部结构缺陷，且对缺陷尺寸信息的获取较少。采用合成孔径聚焦成像法获得混凝土内部结构的二维 B 扫图像可以准确识别出50 mm 深度以下，缺陷横向直径为40 mm，纵向厚度为3 mm 的空洞缺陷，并能够准确读取该缺陷在混凝土试块中的相对位置信息，从而达到定量分析的目的。

关键词：无损检测;混凝土;空洞;超声脉冲法;合成孔径聚焦成像法

中图分类号： TU528.1;TB9文献标志码： A文章编号：1674–5124（2021）12–0047–05

Experimental analysis of concrete defect detection based on synthetic aperture focusing technology

XU Juntao1，WANG Qiang1，ZHU Kai1，WU Jinhao1，WU Ke2

（1. College of Quality and Safety Engineering， China Jiliang University， Hangzhou 310018， China;2. School of Civil Engineering， Zhejiang University， Hangzhou 310058， China）

Abstract： Inordertostudytheapplicationofsyntheticaperturefocusingimagingtechnologyinthe identificationofconcretedefects，conventionalultrasonicpulsemethod （probefrequency 50 kHz） and synthetic aperture focusing imaging method （probe frequency 50 kHz， 32 elements） were used to carry out precast defects on concrete test blocks. Inspection and comparison， analysis of the imaging characteristics of concrete internal precast defects in two ultrasonic inspection methods. The research resultsshow that the traditional ultrasonic inspection method cannot accurately determine the internal structural defects of concrete， and the information on the size of the defects is less obtained. Using synthetic aperture focusing imaging method to obtain two-dimensional B-scan images of concrete internal structure can accurately identify void defects with a depth of less than 50 mm， a defect with a transverse diameter of 40 mm and a longitudinalthickness of 3 mm， and can accurately read the relative position information of the defect in thde concrete block， so as to achieve the purpose of quantitative analysis.

Keywords ： non-destructive testing; concrete; cavity; ultrasonic pulse method; synthetic aperture focusing imaging method

0 引 言

當前被广泛应用于建筑、桥梁、隧道等各类大型基础设施建造中的混凝土是由骨料、水、水泥、沙等掺合料混合加工而成的复合材料[1]。由于在使用混凝土材料进行建筑施工时，其施工条件以及工艺等因素，混凝土内部结构容易出现裂缝、空洞、蜂窝等不同类型的缺陷[2]，一旦混凝土内部缺陷达到一定程度将产生安全隐患，极有可能发生一系列非必要的安全生产事故，造成不必要的损失。因此，测定混凝土缺陷位置，准确对混凝土结构质量进行检测评估成为混凝土结构质量检测的一个核心问题。

目前国家实施的 CECS 21：2000《超声法检测混凝土缺陷技术规程》[3] 中检测不密实区和空洞时，将测得的数据按照概率法[4] 进行筛选判断，通过计算波幅、声速、频率等声学参数的平均值、标准差来确定异常值。使用概率法判定缺陷需要重复迭代运算，特别是测点较多时，计算统计的数据量大，计算相当复杂，且存在其他非缺陷因素的影响，容易造成误判。

随着超声无损检测技术应用领域的不断拓展，以及其基础理论研究和仪器设备的不断开发，混凝土无损检测技术也取得了很大进展。常俊杰等[5] 利用合成孔径聚焦成像技术分别对模拟试块和混凝土进行三视图的二维成像，清晰的得到了缺陷位置信息。郑丹等[6] 通过对混凝土试块进行高温试验，研究混凝土在高温损伤情况下超声波速和非线性超声系数的演化规律，实验结果可用于评估测量混凝土结构高温低损伤情况。周迪等[7] 在研究冲击回波法检测混凝土缺陷时，提出一种将小波变化与傅里叶变换相结合的信号处理方法，抑制了傅里叶谱中的多个波峰，提高了信号的特征频率清晰度和准确性。FRAN?OIS S P 等[8] 通过比较现场实际混凝土 UPV（超声脉冲速度）与完好混凝土试块 UPV 提出一种 CQD 评估混凝土建筑结构质量的方法，该方法能够确定相对于未受损状态的损伤程度并呈现出混凝土结构整体状况的等高线图。HAM S 等[9] 通过一个简化的弱散射模型证明了表面波沿反向投射的散射场对亚波长散射体比较敏感，并由此提出了一种用非接触式超声表面波背散射场来表征大型混凝土结构中的分布式裂缝损伤的无损检测方法。 ASADOLLAHI A 等[10]通过使用超声波干点接触传感器采集数据，解决了逆时偏移成像技术所需内存大，成本高的问题。LAURETI S 等[11]将压电复合换能器获与脉冲压缩处理技术相结合，在55 mm 覆盖深度下可很好地从包含10mm 骨料的混凝土中区分出直径20 mm 的钢筋。LIN S 等[12]将合成孔径聚焦成像技术与多层延迟求和法相结合来处理阵列成像仪等超声设备的原始数据，明显改善了多层混凝土结构的超声成像效果。CHOI P 等[13]采用基于合成孔径聚焦成像算法的 MIRA 仪器对混凝土路面、桥墩、跑道等进行缺陷检测，结果表明 MIRA 能准确检测到混凝土内部的钢筋位置和分层。

本文首先使用超声脉冲法对混凝土试块进行缺陷检测，分析声学参数在混凝土结构缺陷中的特征显示，再利用基于合成孔径聚焦成像技术的 MIRA 超声仪器对混凝土试块进行检测实验，对比两种检测方法在检测混凝土内部缺陷的能力。

1基于合成孔径聚焦成像的超声检测法

采用阵列超声成像法并利用合成孔径聚焦成像后处理算法（SAFT）分别对完整混凝土试块和含空洞缺陷的混凝土试块进行检测，检测系统的探头采用4×8的阵列方式排布，共8个通道，每个通道包含4个超声探头，每个探头即可作为超声信号的发射端，也可作为接收端。如图1最左侧第一排通道首先激发超声信号，其余7个通道接收回波信号，然后下一排通道激发超声信号，右侧剩余超声探头接收回波信号，直至前7排通道都已激发过超声信号。单次检测可获得28条超声信号，将接收到的回波信号通过 SAFT 后处理算法对信号进行适当的延时处理获得二维扫描图像。

如图2，天线阵列中第一个探头 N1与缺陷 P 之间的直线距离为 L1，缺陷 P 到检测水平面的垂直距离为 h，缺陷P 到第一个探头 N1的水平横向距离为 D 。其关系式为：

则第 Ni 个探头与缺陷 P 之间的距离 Li 为：

每个探头接收到来自缺陷 P 的回波时间为：

其中 V 为超声波在混凝土试块中的传播速度，通过对不同位置的探头接收的超声波进行延时叠加处理并取其平均值，所得到的即為该缺陷P处的聚焦信号：

式中G（Di ， ti）为在第i个探头处来自缺陷 P 的回波信号。

该设备采用干耦合点接触探头（dry point contact），简称 DPC 探头。DPC 探头已经被证实可以缓解信号变化和探头位置不稳定带来的误差影响[14]。DPC 探头利用弹簧弹力实现与混凝土表面耦合，无需耦合剂避免因耦合剂涂抹不均造成的误差。

传统的超声无损检测技术中一般都采用的超声波类型是纵波，而在阵列超声成像法中采用的超声波类型是横波。

在无限大的固体介质中的纵波 VP 与横波 VS 声速分别为[15]：

式中：E——介质弹性模量;

?——介质泊松比;

ρ——介质密度

由公式（5）和（6）可看出，在同一固体介质中      （本文为混凝土试块），纵波速度约为1.6倍的横波速度。根据T =λ/C，在相同频率下，速度越小，其波长也越小，分辨率就越高，因此与纵波探头相比，采用横波探头能检测到更加细小的缺陷和夹杂物。

2实验设计

2.1实验材料

本试验以普通硅酸盐水泥、水、碎石作粗骨料、黄沙作细骨料为原材料，按水泥∶石子∶砂∶水=1.00∶3.03∶1.36∶0.45配合比制作了强度为 C30[16]的300 mm×150 mm×100 mm 的完整长方体混凝土试块以及预制了内含空洞尺寸为150 mm×40 mm×3 mm 的混凝土试块，如图3所示。

2.2实验过程

超声脉冲法采用 NM-4A 非金属超声检测分析仪，参照 CECS 21：2000《超声法检测混凝土缺陷技术规程》规定的超声法测不密实区和空洞的标准实施检测。本文采用超声对侧法的方法选取50 kHz 探头进行检测，按照图4中的布点从左至右，从上往下方向进行逐点检测。并对存疑的测点进行多次复测以减少偶然性。图5为实际检测图，检测过程中采用凡士林为耦合剂，涂抹均匀。

检测设备为俄罗斯 ACS 公司制造的 MIRA1020阵列超声成像检测仪，系统参数设置如表1所示。将仪器置于300 mm×150 mm 一面的上方利用 DPC 探头的弹簧弹力实现耦合，将模拟增益调节至15 dB，探头频率设置为50 kHz 激发超声横波信号检测混凝土内部结构，如图6所示。

3实验数据分析

3.1超声脉冲法检测结果分析

完整试块与含空洞缺陷试块的声学参数变化情况，如图7所示。对于完整混凝土试块图7（ a ），完整混凝土试块测得的平均声速为3.75km/s，声速的标准差为0.029 km/s，由此可见完整混凝土的各区域声速值离散程度相对较小。但幅值相对声速而言波动较为明显，幅值平均值为111.79 dB，标准差为3.37 dB 明显高于声速。最大幅值出现在测点1，为118.65 dB，最小值出现在测点19，幅值为101.27 dB，两者相差17.4 dB，变化幅度为17.2%。对于含空洞的缺陷试块来说，测点9以及测点27的声速值分别为3.97 km/s、3.91 km/s 都超过了3.9 km/s，特别是测点5，其声速值为3.38 km/s 明显小于其他测点位置的数值，由声速可以确定测点5存在空洞缺陷，但无法辨别出其余位置的缺陷。图7（b）可以看出，测点12（100.03 dB ）、13（94.99 dB ）、15（103.52 dB ）、20（98.26 dB ）、21（88.78 dB ）、28（102.25 dB ）、29（86.99 dB ）、32（100.78 dB）处的幅值明显小于其余点位，但是实际预制缺陷所在位置为测点4、5、12、13、20、21、28、29区域，与事实不符。无论是完整试块测得的幅值还是含缺陷试块测得的幅值，其数值波动都非常明显。造成该现象是由于超声探头直径为30 mm，直径较大，加上混凝土试块尺寸相对较小且混凝土本身结构相对复杂，因此只能选则较低频率的探头，这也导致了超声波波长的增加，使得超声探头的扩散角变大，超声探头的指向性变差，声波在混凝土内部传播的路径变得更为丰富，导致最后计算出来的声速存在误差;幅值对于细小缺陷或者一些极小的空洞反应都较为敏感;对测法中耦合剂涂抹的均匀程度影响耦合条件的一致性，因此利用波幅值的判断可能存在较大误差。综合上述声学参数仅可以确定测点5存在空洞缺陷，无法确定其余位置的空洞缺陷。

3.2合成孔径聚焦成像法检测结果分析

合成孔径聚焦成像法检测结果以断面影像的形式呈现出来即 B 扫图像，结果更为直观。对于完整混凝土试块，图8（ a ），在深度100 mm 处产生的反射图像与实际混凝土厚度相符，即混凝土试块的底部界面反射，且在该深度处的反射图像总长度为300 mm 与实际混凝土试块长度完全一致。但图像并非连续，这是因为混凝土试块尺寸较小，扫查时靠外侧的探头发出的超声信号被混凝土边界散射，导致两侧的信号相对中间信号弱，因此造成了图像的不连续性。混凝土试块实际厚度为100 mm，对于含空洞缺陷的混凝土试块，图8（b），4×8超声阵列中的8个通道，从左到右逐一发射超声横波信号，当横波信号遇到内部深度50 mm 处的预置缺陷时产生超声回波，通过接收探头接收存储每一个在缺陷位置产生的回波信号，通过合成孔径聚焦成像技术对缺陷位置的回波信号进行延时叠加求和，实现了大孔径超声探头的聚焦特性，从而利用缺陷位置的聚焦信号得到二维图像，实现了对缺陷位置的定位以及定量。在深度为50 mm 处可很明显发现预制空洞缺陷的反射图像，深度位置与实际（50 mm）相符。图像中红色区域为类似矩形的图形，与实际空洞缺陷实际截面形状基本一致，测量得到空洞的横向尺寸（红色区域部分）为40 mm，与实际预制的空洞尺寸大小相符，且在深度100 mm 处的产生了底部界面的反射图像。

4结束语

根据实验结果，本文得出以下结论：

1）常规的超声脉冲法可以利用声速、幅值特征来对混凝土内部结构空洞缺陷进行初步定性判斷，但是不能准确检测出空洞缺陷的全貌，会有漏检现象发生且定量空洞缺陷的具体尺寸大小的能力不足。

2）采用4×8阵列排布超声横波传感器的方式对每次提取的28条超声信号进行合成孔径聚焦成像算法处理能够检测到混凝土结构100 mm 处的底部界面可为混凝土结构测厚提供参考。

3）从得到的二维截面图像中能够识别到50 mm 深度以下，缺陷横向直径为40 mm，纵向厚度为3 mm 的空洞缺陷从而做出较好的定量判断。该方法可用于确定现场混凝土结构的修复边界，制定有效的修复方案，减少工程量。

参考文献

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（编辑：刘杨）