超聲波角測法中測距取值的研究
作者：鈞測檢測 發(fā)布日期： 瀏覽次數(shù)：
摘要：提出了“同聲時(shí)等效測距法”的理念，研究采用階梯形勻質(zhì)試件上已知超聲波對(duì)測聲時(shí)的測距作為角測法直角三角形的斜邊，根據(jù)勾股定理，反推可得到角測法構(gòu)件邊緣至換能器直徑內(nèi)某點(diǎn)的直角邊距。試驗(yàn)結(jié)果表明采用“同聲時(shí)等效測距法”確定的測距接近角測法的真實(shí)測距，比現(xiàn)行CECS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法可靠、可行。
關(guān)鍵詞：超聲波；角測法；同聲時(shí)等效法；測距
CECS 02 《超聲回彈綜合法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱CECS 02標(biāo)準(zhǔn)）從1985年頒布到2005年修訂已經(jīng)使用了33年，按理論分析，它是一種優(yōu)于回彈單一法無損檢測混凝土現(xiàn)場強(qiáng)度的有效技術(shù)，但在建設(shè)工程領(lǐng)域一直未得到廣泛的應(yīng)用和大家的認(rèn)可。隨著我國工程技術(shù)不斷更新和發(fā)展，回彈法檢測技術(shù)中“碳化”問題的瓶頸困擾不能解決[1]， CECS 02標(biāo)準(zhǔn)為適應(yīng)工程建設(shè)需要，也急需對(duì)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行不斷完善，期望新修定的標(biāo)準(zhǔn)通過提高檢測精度、簡化現(xiàn)場操作方法等技術(shù)手段，使超聲回彈綜合法成為無損檢測現(xiàn)場混凝土強(qiáng)度的首選技術(shù)。
一、 問題的提出
1.1 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的角測方法
在超聲波檢測方形構(gòu)件的工程中，時(shí)有被測構(gòu)件旁邊存在墻體、管道等障礙物，只有兩個(gè)相鄰表面可供檢測，即無法將2個(gè)換能器布置成對(duì)測法檢測，此時(shí)仍然可以進(jìn)行綜合法測強(qiáng)，即在兩個(gè)相鄰表面的對(duì)應(yīng)位置布置超聲測點(diǎn)，采用丁角方法測量混凝土聲速。CECS 02 《超聲回彈綜合法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》（以下簡稱CECS 02標(biāo)準(zhǔn)）附錄B.1超聲波角測方法中關(guān)于角測方法的規(guī)定如下：當(dāng)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件被測部位只有兩個(gè)相鄰表面可供檢測時(shí)，可采用角測方法測量混凝土中聲速。每個(gè)測區(qū)布置3個(gè)測點(diǎn)，換能器布置如圖1所示。
CECS 02標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)又規(guī)定：為使超聲波能充分反映構(gòu)件內(nèi)部混凝土的質(zhì)量，同時(shí)還要盡可能避開鋼筋的影響，布置超聲測點(diǎn)時(shí)最好使換能器盡量離開構(gòu)件邊緣遠(yuǎn)一些，布置超聲角測點(diǎn)時(shí)，換能器中心與構(gòu)件邊緣的距離、不宜小于200mm。在檢測中可能會(huì)遇到一個(gè)表面較窄另一表面較寬的構(gòu)件，所以布置測點(diǎn)時(shí)不要求與相等，但二者相差不宜大于2倍。
角測時(shí)超聲測距應(yīng)按下列公式計(jì)算：
1.2 平測法中的修正距離
當(dāng)超聲波采用平測方法檢測時(shí)，我國早在上世紀(jì)80年代已有定論：真實(shí)測距即不是兩個(gè)換能器的內(nèi)邊緣間距，也不是兩個(gè)換能器的中到中間距。
平測法中超聲波實(shí)際傳播距離介于換能器的中~中與邊~邊二者距離之間，比兩個(gè)換能器的中到中間距短、內(nèi)邊緣間距長。即在超聲波平測法時(shí)超聲測距中存在一個(gè)與換能器直徑Ф相關(guān)的修正距離a（0 < a < Ф）。在平測法檢測時(shí)，如果測距不作修正，則取中~中時(shí)，計(jì)算的聲速值偏大；邊~邊時(shí)，計(jì)算的聲速值偏小。假設(shè)每一對(duì)發(fā)射、接收換能器，修正距離a是一個(gè)小于換能器直徑的定值，且測距越小、誤差越大[2]。
1.3 對(duì)現(xiàn)行角測方法的質(zhì)疑
眾所周知，在超聲波對(duì)測方法中，測距非常明確，是2個(gè)換能器平行輻射面間相隔的距離。在超聲波平測方法中，真實(shí)的測距是2個(gè)換能器內(nèi)邊緣間距加修正距a。
在超聲波角測方法中，其測距采用三角形的直角邊（換能器與構(gòu)件邊緣的距離）通過勾股定理計(jì)算得出。由圖1（CECS 02標(biāo)準(zhǔn)中的圖B.1.1）超聲波角測示意圖顯而易見，超聲波角測時(shí)，布置在直角邊上的一對(duì)換能器的測距，可以視作為兩換能器與構(gòu)件邊緣的距離構(gòu)成的直角三角形的斜邊。其問題是斜邊距取兩個(gè)換能器的中心點(diǎn)距，還是兩個(gè)換能器的近邊緣距（兩換能器間最短直線點(diǎn)距）顯然，斜邊距取近邊緣距比中心點(diǎn)距??；取遠(yuǎn)邊緣距比中心點(diǎn)距大。
設(shè)換能器在構(gòu)件直角邊上對(duì)稱布置，換能器的直徑為38mm，取近邊緣距200mm~500mm時(shí)，其與中心點(diǎn)距的測距比值見表1。由表1可知，當(dāng)近邊緣距為200mm時(shí)，測距的比值最大，即檢測誤差大；隨近邊緣距的增大，其測距的比值逐漸降低；400mm以上時(shí)，兩者的比值在10%以內(nèi)。
在CECS 02標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于附錄B.1超聲波角測方法的編制說明，有如下一個(gè)敘述：“大量對(duì)比試驗(yàn)表明，可采用F、S換能器中心點(diǎn)與構(gòu)件邊緣的距離、 ，按幾何學(xué)原理計(jì)算超聲測距；用此測距與角測的聲時(shí)值計(jì)算所得的聲速值，與對(duì)測的聲速值沒有明顯差異，不需作任何修正。”作者對(duì)此敘述存疑，并就CECS 02標(biāo)準(zhǔn)的附錄B.1——關(guān)于超聲波角測方法的正確性進(jìn)行了探討性的研究。
二、 試驗(yàn)
2.1 采用均質(zhì)材料試件
為了使檢測數(shù)據(jù)具有可比性，應(yīng)盡可能排除原材料的差異性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。如圖2上海鈞測檢測技術(shù)服務(wù)有限公司采用C80灌漿料成型了梯形試件，在盡可能勻質(zhì)試件的基礎(chǔ)上，按設(shè)計(jì)方案進(jìn)行各項(xiàng)內(nèi)容的超聲波檢測試驗(yàn)。
2.2 試驗(yàn)方案
1）超聲對(duì)測：
a. 在梯形試件的厚度200mm方向上超聲對(duì)測；
b. 在梯形試件（踏步）不同尺寸的臺(tái)階上超聲對(duì)測試驗(yàn)，每個(gè)臺(tái)階上布置3對(duì)測點(diǎn)：在100mm、200mm、300mm、400mm方向計(jì)12對(duì)；翻轉(zhuǎn)梯形試件后，在150mm、250mm、350mm、500mm方向計(jì)12對(duì)。
2）超聲平測：在梯形試件上布置平測法測點(diǎn)，采用“時(shí)~距法”得到直線回歸方程的截距a。
3）角測法試驗(yàn)：利用上述200mm、250mm、300mm、350mm、400mm等5處超聲對(duì)測測點(diǎn)的聲時(shí)平均值進(jìn)行角測試驗(yàn)。
2.3同聲時(shí)等效測距法
為了定義超聲波角測方法的準(zhǔn)確測距，筆者提出了“同聲時(shí)等效測距法”，即先采用對(duì)測法檢測到勻質(zhì)梯形試件不同階梯測距上的聲時(shí)值后，再置換能器于超聲角測試件丁角兩個(gè)相鄰表面上（利用已知階梯測距上的對(duì)測聲時(shí)值），且同步移動(dòng)2個(gè)換能器至某一已知對(duì)測測距的聲時(shí)值時(shí)停止，根據(jù)勾股定理，嘗試以已知階梯測距作為直角三角形的斜邊，反推出構(gòu)件邊緣至換能器直徑內(nèi)某點(diǎn)的直角邊距A1，測量構(gòu)件邊緣至換能器的近邊緣距A2，兩數(shù)相減得到差值z(mì)。即z為超聲角測法中真實(shí)測距與測量的構(gòu)件邊緣至換能器近邊緣距的修正值。
現(xiàn)在的問題是z值如何確定？我們知道超聲平測法中求真實(shí)測距是采用“時(shí)~距法”，取直線回歸方程的截距為平測法的修正值a。因?yàn)槠綔y法的修正值a是基于2個(gè)換能器之間的修正值，在超聲角測法中，構(gòu)件邊緣至換能器近邊緣距的修正值z(mì)僅是對(duì)1個(gè)換能器的修正值，所以擬考慮套用超聲平測法中求真實(shí)測距的方法，嘗試在試件上先采用“時(shí)~距法”平測，取直線回歸方程截距a的二分之一作為超聲角測法中一條直角邊上的修正值z(mì)。
2.4檢測數(shù)據(jù)
按照“同聲時(shí)等效測距法”，采用常規(guī)換能器直徑Ф38mm（頻率f=50kHz、零讀數(shù)t0=12.4 us）在勻質(zhì)梯形試件不同階梯測距的檢測數(shù)據(jù)見表1。表1角測中的A、B、C欄分別表示構(gòu)件邊緣至換能器的中心距A0、近邊緣距A2、按“同聲時(shí)等效測距法”修正距A1及其按這2條直角邊距計(jì)算的斜邊距。（超聲平測法的直線回歸方程L=-12.2+4.379t；z簡化取6mm）
三、 檢測數(shù)據(jù)分析
表1所示了8個(gè)尺寸不同的踏步面對(duì)測的數(shù)據(jù)以及角測的數(shù)據(jù)。超聲角測采用丁角方法，在試件的2個(gè)直角面各置1個(gè)換能器。同步移動(dòng)2個(gè)換能器時(shí)分別利用（8個(gè)尺寸不同的踏步面）對(duì)測聲時(shí)數(shù)據(jù)，按照“同聲時(shí)等效測距法”，一邊移動(dòng)一邊觀察超聲儀屏至超聲對(duì)測時(shí)的相同聲時(shí)時(shí)停止，測量構(gòu)件邊緣至換能器的近邊緣距A2（雖然同步移動(dòng)，可能不一定對(duì)稱，宜測量2個(gè)A2距）。根據(jù)2個(gè)A2距，進(jìn)行z值修正后計(jì)算的角測法斜邊測距如C欄所列。
8個(gè)尺寸不同的踏步面對(duì)測的距離分別是100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm、350 mm、400 mm、500 mm，檢測數(shù)據(jù)表明：
1）頻率50kHz、φ=38mm的常規(guī)直徑換能器無論是采用中心距還是內(nèi)邊距，聲時(shí)等效距的誤差很大，毫無疑問，A欄中心距是正偏差、B欄內(nèi)邊緣距是負(fù)偏差；
2）在短測距的時(shí)候，在100 mm、150 mm、200 mm、250 mm“角測~對(duì)測同聲時(shí)等效距”的誤差比較大，即角測法布置的超聲測點(diǎn)A2應(yīng)該大于250mm；
3）根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，引起“角測~對(duì)測同聲時(shí)等效距”的試驗(yàn)誤差，有一些是由對(duì)測法時(shí)產(chǎn)生的：表1中換能器對(duì)測時(shí)，相對(duì)比較250 mm、300 mm、350 mm、400 mm、500 mm測距，300mm、400mm的聲速4.464 km/S、4.484 km/S比250 mm、350 mm、500 mm測距的平均聲速4.412 km/S偏大，即67.2 us、89.2 us的檢測數(shù)值偏小，導(dǎo)致角測時(shí)采用的同聲時(shí)偏小，即使角測~對(duì)測同聲時(shí)等效距偏小。
4）當(dāng)采用平測法回歸系數(shù)0.5倍截距修正后，在250 mm、300 mm、350 mm、400 mm、500 mm的誤差較小，表明“角測~對(duì)測同聲時(shí)等效距”方法有效。
參考文獻(xiàn)：
[1] 童壽興.混凝土假性碳化引起回彈法強(qiáng)度的誤判. 無損檢測，2006，8
[2] 谷川恭雄，童壽興，中村正行．超音波法によるコンクリートのひび割れ深さ推定方法に関する研究．日本コンクリート工學(xué)協(xié)會(huì)：コンクリートの非破壊試験法に関するシンポシウム論文集．1991，4
