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測聲時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件邊緣至換能器直徑內(nèi)某點的直角邊距。試驗結果表明采用“同聲時等效測距法”確定的測距接近角測法的真實測距，比現(xiàn)行CECS標準規(guī)定的方法可靠、可行。
關鍵詞：超聲波；角測法；同聲時等效法；測距
CECS 02 《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術規(guī)程》（以下簡稱CECS 02標準）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)場強度的有效技術，但在建設工程領域一直未得到廣泛的應用和大家的認可。隨著我國工程技術不斷更新和發(fā)展，回彈法檢測技術中“碳化”問題的瓶頸困擾不能解決[1]， CECS 02標準為適應工程建設需要，也急需對相關內(nèi)容進行不斷完善，期望新修定的標準通過提高檢測精度、簡化現(xiàn)場操作方法等技術手段，使超聲回彈綜合法成為無損檢測現(xiàn)場混凝土強度的首選技術。
一、 問題的提出
1.1 現(xiàn)行標準中的角測方法
在超聲波檢測方形構件的工程中，時有被測構件旁邊存在墻體、管道等障礙物，只有兩個相鄰表面可供檢測，即無法將2個換能器布置成對測法檢測，此時仍然可以進行綜合法測強，即在兩個相鄰表面的對應位置布置超聲測點，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度技術規(guī)程》（以下簡稱CECS 02標準）附錄B.1超聲波角測方法中關于角測方法的規(guī)定如下：當結構或構件被測部位只有兩個相鄰表面可供檢測時，可采用角測方法測量混凝土中聲速。每個測區(qū)布置3個測點，換能器布置如圖1所示。
CECS 02標準同時又規(guī)定：為使超聲波能充分反映構件內(nèi)部混凝土的質(zhì)量，同時還要盡可能避開鋼筋的影響，布置超聲測點時最好使換能器盡量離開構件邊緣遠一些，布置超聲角測點時，換能器中心與構件邊緣的距離、不宜小于200mm。在檢測中可能會遇到一個表面較窄另一表面較寬的構件，所以布置測點時不要求與相等，但二者相差不宜大于2倍。
角測時超聲測距應按下列公式計算：
1.2 平測法中的修正距離
當超聲波采用平測方法檢測時，我國早在上世紀80年代已有定論：真實測距即不是兩個換能器的內(nèi)邊緣間距，也不是兩個換能器的中到中間距。
平測法中超聲波實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超聲測距中存在一個與換能器直徑Ф相關的修正距離a（0 < a < Ф）。在平測法檢測時，如果測距不作修正，則取中~中時，計算的聲速值偏大；邊~邊時，計算的聲速值偏小。假設每一對發(fā)射、接收換能器，修正距離a是一個小于換能器直徑的定值，且測距越小、誤差越大[2]。
1.3 對現(xiàn)行角測方法的質(zhì)疑
眾所周知，在超聲波對測方法中，測距非常明確，是2個換能器平行輻射面間相隔的距離。在超聲波平測方法中，真實的測距是2個換能器內(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（換能器與構件邊緣的距離）通過勾股定理計算得出。由圖1（CECS 02標準中的圖B.1.1）超聲波角測示意圖顯而易見，超聲波角測時，布置在直角邊上的一對換能器的測距，可以視作為兩換能器與構件邊緣的距離構成的直角三角形的斜邊。其問題是斜邊距取兩個換能器的中心點距，還是兩個換能器的近邊緣距（兩換能器間最短直線點距）顯然，斜邊距取近邊緣距比中心點距小；取遠邊緣距比中心點距大。
設換能器在構件直角邊上對稱布置，換能器的直徑為38mm，取近邊緣距200mm~500mm時，其與中心點距的測距比值見表1。由表1可知，當近邊緣距為200mm時，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，兩者的比值在10%以內(nèi)。
在CECS 02標準中關于附錄B.1超聲波角測方法的編制說明，有如下一個敘述：“大量對比試驗表明，可采用F、S換能器中心點與構件邊緣的距離、 ，按幾何學原理計算超聲測距；用此測距與角測的聲時值計算所得的聲速值，與對測的聲速值沒有明顯差異，不需作任何修正。”作者對此敘述存疑，并就CECS 02標準的附錄B.1——關于超聲波角測方法的正確性進行了探討性的研究。
二、 試驗
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，應盡可能排除原材料的差異性對試驗結果的影響。如圖2上海鈞測檢測技術服務有限公司采用C80灌漿料成型了梯形試件，在盡可能勻質(zhì)試件的基礎上，按設計方案進行各項內(nèi)容的超聲波檢測試驗。
2.2 試驗方案
1）超聲對測：
a. 在梯形試件的厚度200mm方向上超聲對測；
b. 在梯形試件（踏步）不同尺寸的臺階上超聲對測試驗，每個臺階上布置3對測點：在100mm、200mm、300mm、400mm方向計12對；翻轉梯形試件后，在150mm、250mm、350mm、500mm方向計12對。
2）超聲平測：在梯形試件上布置平測法測點，采用“時~距法”得到直線回歸方程的截距a。
3）角測法試驗：利用上述200mm、250mm、300mm、350mm、400mm等5處超聲對測測點的聲時平均值進行角測試驗。
2.3同聲時等效測距法
為了定義超聲波角測方法的準確測距，筆者提出了“同聲時等效測距法”，即先采用對測法檢測到勻質(zhì)梯形試件不同階梯測距上的聲時值后，再置換能器于超聲角測試件丁角兩個相鄰表面上（利用已知階梯測距上的對測聲時值），且同步移動2個換能器至某一已知對測測距的聲時值時停止，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，反推出構件邊緣至換能器直徑內(nèi)某點的直角邊距A1，測量構件邊緣至換能器的近邊緣距A2，兩數(shù)相減得到差值z。即z為超聲角測法中真實測距與測量的構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測距是采用“時~距法”，取直線回歸方程的截距為平測法的修正值a。因為平測法的修正值a是基于2個換能器之間的修正值，在超聲角測法中，構件邊緣至換能器近邊緣距的修正值z僅是對1個換能器的修正值，所以擬考慮套用超聲平測法中求真實測距的方法，嘗試在試件上先采用“時~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。
2.4檢測數(shù)據(jù)
按照“同聲時等效測距法”，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欄分別表示構件邊緣至換能器的中心距A0、近邊緣距A2、按“同聲時等效測距法”修正距A1及其按這2條直角邊距計算的斜邊距。（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個尺寸不同的踏步面對測的數(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個直角面各置1個換能器。同步移動2個換能器時分別利用（8個尺寸不同的踏步面）對測聲時數(shù)據(jù)，按照“同聲時等效測距法”，一邊移動一邊觀察超聲儀屏至超聲對測時的相同聲時時停止，測量構件邊緣至換能器的近邊緣距A2（雖然同步移動，可能不一定對稱，宜測量2個A2距）。根據(jù)2個A2距，進行z值修正后計算的角測法斜邊測距如C欄所列。
8個尺寸不同的踏步面對測的距離分別是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)邊緣距是負偏差；
2）在短測距的時候，在100 mm、150 mm、200 mm、250 mm“角測~對測同聲時等效距”的誤差比較大，即角測法布置的超聲測點A2應該大于250mm；
3）根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析，引起“角測~對測同聲時等效距”的試驗誤差，有一些是由對測法時產(chǎn)生的：表1中換能器對測時，相對比較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，導致角測時采用的同聲時偏小，即使角測~對測同聲時等效距偏小。
4）當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~對測同聲時等效距”方法有效。
參考文獻：
[1] 童壽興.混凝土假性碳化引起回彈法強度的誤判. 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協(xié)會：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
