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混凝土元件超声波成像的新可能性
Martin Krause，BorisGrauml;fe，Frank Mielentz，Boris Milmann，柏林Doreen Streicher联邦材料研究与测试研究所
1、前言
近年来，将大型混凝土面积的测量与干燥超声换能器和重建计算成像技术结合起来，对混凝土构件和缺陷的定位进行了进一步的研究，并作为测量混凝土构件内部状况的精确工具出现。给出了试验试件和后张拉混凝土桥梁大面积AP应用实例。
评价结果显示一种新的可能性是考虑反射超声信号的相位信息。应用这种方法，重构计算允许区分，如果反射器是金属的，或者反射是由空气夹杂引起的。这对于后张拉混凝土结构中注浆断裂的定位具有重要意义。该方法的例子是与卡塞尔大学合作开发的，这个方法将被证明有用。
虽然像SAFT(合成孔径聚焦技术)这样的重建计算是在测量后处理数据，但时间控制阵列的原理可以直接转换、偏转和聚焦超声波束(相控的Ar- ray)。这一原理是在低频段的BAM中开发和研究的，并表明应用于混凝土是可行的。
为了加快超声回波测量的速度，并允许其拥有更快速的性能，通过扫描仪应用的干燥接触传感器，结果表明空气耦合换能器可以使用。所有上述结果都是在德国研究小组dfg384的框架内取得的，其中负责人是H. W. Reinhardt教授。
在下面的例子中，介绍了六年来的工作中所取得的一些成果，涉及超声波领域的A3扫描和聚焦系统。在现场的应用程序及其验证作为新方法性能演示的重要组成部分，本文最后简要介绍了一些实例。
2、腱管灌浆断层的局部化
用于混凝土元件是弹性波解决了许多测试任务重与多层系统。特别是对肌腱导管的研究非常重要。通过在这一领域应用超声成像技术，投入了大量的精力，并在最后一个月取得了成功[ 1, 2 ]。当超声波传递预应力混凝土元件时，会出现几个界面：混凝土、钢片、钢片、注浆砂浆、注浆砂浆、钢丝、钢丝等。钢板的厚度、形状和钢丝的形状决定了其散射和反射。在界面的包围过程中，有时会出现很强的气孔，从而影响了波的传播。
在含有人造孔隙的混凝土构件上进行的超声波试验表明，超声波能传播所有的钢板、灌浆砂浆和股线。因此，在超声波通过包含索股的整个腱管时，可以测量出在肌腱导管的底部的空气包裹体的反射脉冲（2）
摘要通过对5个不同钢板的试样进行了超声波波反射的实验和建模研究，其混凝土覆盖范围为100mm和150mm。钢板厚度为0.5 mm(典型厚度的肌腱管板)至40mm，使用St 37型钢板。另外，超声波的发射条件也不同，其中包括代表空气夹杂物的聚苯乙烯板和典型的十进管的形式(异形钢片)[3]
对于超声成像，测量采用干接触超声传感器[4]和BAM实验室设备[2,3]。它们以55 kHz的中心频率发射和接收剪切波，在混凝土中对应45mm波长。测量技术可以自动地应用扫描系统。台阶宽度一般为20mm，数据存储在高频振荡模式中。从存储的数据场进行三维重建计算(3D-SAFT，合成孔径聚焦技术[5,6])。它产生了一个三维的表征物——从被调查的体积内部的反射。为了解释这些数据，他们绘制在投影平面上。沿着可选轴的横截面显示反射器的深度分布，也称为b扫描(在本例中来自SAFT重构)。在一个可调整的深度上平行于表面的反射强度称为SAFT-C-scan，它显示了在给定深度范围内反射器和散射体的位置。
图1.钢板和聚苯乙烯板的超声成像 背景：3D-SAFT重建（SAFT-C-scan）
的深度剖面，深度范围为95mm到105mm。
图2所示。与图1所示相同的实验，但随着脉冲形状浅灰色(负号)的指示，与空气反射相对应，暗灰色(正符号)对应于钢的反射。因此，分层是正确的。
研究结果表明，超声波波对多层系统的精确成像具有一定的应用价值。图1显示了平行于表面(SAFT-C-scan)的截面，与由3D-SAFT重建产生的x轴(SAFT-B-scan)平行的截面。这些图像反映了反射强度，并描述了不同钢板的超声特性。
在深度剖面(SAFT-C-scan)中，反射强度在钢表面的深度范围内显示在聚苯乙烯板上(投影95至105mm)。因此，钢片的反射强度在混凝土和区域内，在这些地方，钢片被放置在空气包裹体之上。
该结果的一个新特点是最近安装在声学成像程序中发现的，这是由卡塞尔大学与卡塞尔大学合作[7]完成的。考虑到弹性波在具有较低的声阻抗的材料界面处反射的相位跃变，在空气界面，它们与脉冲形状相反。在图2中，这个原理应用于数据集的重构计算，结果如图1所示，使用了正常的安全评估。脉冲最大值的负信号表示空气内含物，而金属反射脉冲仍然是一个积极的信号。
通过这种方式，在样本中出现了一个无意识的分层现象(图1右下方)，这在反射强度上是不可能的。通过对相移的计算，可以发现金属(钢线)和空气界面(注浆断层)在跟腱导管中的区别[3,7]。这是一个非常重要的结果，因为在实际的场地条件下，不同反射系数的指示往往不够清晰，尤其是当跟腱定位在钢筋后。
图3所示。相控阵聚焦和偏转(13ordm;)声场测量通过传播。样品:最大骨料尺寸16mm，厚度450mm。
3、用于混凝土的相控阵
一种新型的超声低频相控阵发射装置已为应用测试做好了准备。使用这种技术，在阵列中排列的换能器可以随时间控制的在混凝土结构中移动、偏转和/或聚焦声音束。如果在传输时将不同时间延迟的脉冲发送给相控阵探头，则可以控制材料内的声场。目前市面上可用的探头频率为200kHz，用于这种阵列。基于点源综合的三维模型计算证明了探针的适用性，并优化了它们在混凝土表面上的排列。该程序计算出了方向性图案所需的延迟时间。
图3描绘用于聚焦和偏转光束的声束剖面。他们通过扫描激光干涉仪进行了跨任务测量。使用的混凝土样品最大骨料粒径为16mm，厚度为451mm。
相控阵技术可以帮助时耗时测量凸轮，自动扫描系统是必要的。阵列系统产生的声场在混凝土试件中传播。因此，可以控制声音光束，并将其与建模计算进行比较。在未来，干接触传感器将被应用于此。这样，可以不用耦合剂就可以使用分阶段氩射线。
图4所示。回波测量，在混凝土试件的背面有凹槽的恒定换能器距离，游标=后壁回波的到达时间:b - scan (a)， x = 500mm(b)的a扫描，声道实验装置(c)
4、空气耦合超声回波
采用空气耦合超声换能器，有可能缩短测量时间。这种技术目前在传输技术中很容易使用，但对于回波应用仍有待研究 [ 10 ]。基本结果如下，20cm厚试样的后壁回波的超声回波测量如图4所示。对于实验，一对空气耦合超声换能器（中心频率为100kHz）被移动在前面的表面在一个恒定的距离（约300mm）。采用3°倾斜角，使混凝土角度为36°。这样的直接后壁回声（纵向波）出现如图4c所示。发射机和接收机之间的声音屏蔽是必要的为了抑制直流信号通过空气。结果B超（沿测量轴线，飞行时间图4a）明确后壁回声出现在地区没有缺口。在缺口上方，没有检测到后壁回波，但可以研究瑞利波的干扰影响，可能是由切口尖端的散射信号叠加而成的。瑞利波的抑制作用可能干扰大面厚度控制测量[ 11 ]
5、超声自动回声法在后张法预应力混凝土桥梁中的应用
在本文，使混凝土结构的测量没有任何耦合剂，部分介绍了超声成像系统的发展。利用成像无损检测方法对结构进行评估，需要密集的测量网格以获得最佳的几何分辨率。此外，雷达和超声回波数据集的三维重建需要小的扫描增量（通常为波长的一半）。比较研究表明，如果雷达应用的连续测量迹线的距离在5cm到10cm之间，就可以获得良好的重建结果。声学传感器的测量点之间的步长必须在2cm到5cm之间选择。为了提高测量速度，提高精度和允许运行的几个小时7d扫描系统被设计在BAM系统。它们适用于不同NDT方法的自动化测量。其中一个扫描系统如图1所示。
图5所示。在垂直表面上测量水平表面和测量的扫描系统
在桥面上的应用。大量的测量运动表明回声法的联合应用的能力[ 12, 13 ]。图5所示的扫描仪模型是一种新的开发方法，可以用真空英尺将其固定在四点的结构上。如图所示，超声回波的两个测量头可以同时应用[ 14 ]。声学传感器是一步一步地移动到测量点，它们被压在表面上，解除后，气动系统采集数据。在这个配置扫描约1msup2;上约为2cm的点网格所需的时间为一个小时。
自动化测量主要是在箱梁桥上进行的。研究调查了试验区内、外侧预应力腹板底部和上部甲板横向预应力。桥梁的交通不受测量活动的影响。尤其是对于肌腱导管的定位，超声回波可以达到新的水平。肌腱局部在现场调查如图6所示为测量测量深度85cm。saft-b-projection显示伦敦在上部构造为T型梁桥的肌腱纵向曲率。超声波在低强度灌浆筋管中反射。测量表面和肌腱之间的距离可以通过在肌腱上的直接波反射来测量。通过在腱后壁上的阴影，还可以确定肌腱的侧向位置。
如图6中的1.75mT梁的厚度显然对重构数据的基础上确定出。为了评估筋管的灌浆条件，在解释过程中必须考虑结构中筋的排列和筋的种类。在目前的情况下，96 mm为底径的肌腱被用于施工计划，正面和底面反射从x = 1400mm到500mm的清晰可见。因此，在试验样本中得到的结果是：超声波可以通过灌浆管道传输，包括钢绞线，并从管道的底部显示清晰的回声。在这种情况下，这一结果有助于比较两个腱管的反射特性，并证明它们的灌浆条件是相等的。
图6所示。超声回波数据的安全-b投影，成像在t梁桥纵断面上的一个腱道的曲率(测量底部的表面)。
6、总结与结论
在研究组的结果基础上，这是一个非常富有成效的合作，在1990年已经开始。关于超声波回波方法合作组成不同的实验方法（BAM，MFPA Weimar和达姆施塔特大学）在试样和试验场地，以及重建计算和波传播的建模与卡塞尔大学和Fraunhofer IZFP。在莱因哈特教授领导下的斯图加特大学举办的众多研讨会中，开放、友好的讨论氛围对取得的成绩起到了重要的作用。
桥梁现场试验表明，特别是超声回波与雷达方法同时应用，效果良好。这里，数据融合可以大大简化复杂的数据解释和结构的评估。雷达、冲击回波和超声回波在桥梁现场调查中的综合应用表明，这些方法对后张法预应力混凝土结构的评估具有互补性。
参考文献：
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- Krause, M., Milmann, B., Schickert, M. and K. Mayer: Investigation of Tendon Ducts by Means of Ultrasonic Echo Methods: A Comparative Study. In: Proceedings of the 9th European Conference on NDT, September 25-29, 2006, Berlin: DG
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- Kozlov, V.N., Samokrutov, A.A. and V.G. Shevaldykin: Ultrasonic Equipment for Evaluation of Concrete Structures Based on Transducers with Dry Point Contact. In: Al-Quadi, I. and G. Washer (eds.); Proceedings of the NDE Conference on Civil En- gineering, 14.–18. August 2006, St. Louis, MO, USA, pp. 496–498.
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