Page 59 - 无损检测2023年第八期

王健男, 等:

基于合成孔径超声成像技术的混凝土腐蚀检测

混凝土腐蚀程度的检测方法有两种思路, 一种 图中能直观看到底部对应的像素点处有较大的反射
是通过检测混凝土腐蚀化学产物的演变, 从而判断 信号, 从而可得到混凝土实体的实际厚度。
腐蚀程度, 如 XRD 衍射、 扫描电镜、 能谱 [ 2-3 ] 等方
法, 但这些方法需要对混凝土结构进行大批量的取
样, 会破坏混凝土结构, 属于有损检测; 另一种是通
过检测混凝土腐蚀层厚度这一指标来判断腐蚀程
度, 如强度退化法、 超声平测法、 超声对测法 [ 4-6 ] 等,
强度退化法属于有损检测, 且检测周期长, 需要做长
时间的对比观察试验; 超声平测法误差较大, 超声对
测法对检测条件要求较为苛刻, 被腐蚀的混凝土表
层较难满足检测条件。
合成孔径聚焦技术是超声成像领域的一项热门
技术, 能够得到高信噪比、 高质量、 高分辨率的超声 图1 超声信号的延时叠加原理
成像结果, 相较于原 B 扫成像, 大大提高了成像质
量, 被广泛应用于压力容器、 焊缝、 混凝土、 木材 [ 7 ] 等 2 混凝土腐蚀特征分析
结构的无损检测当中。合成孔径聚焦成像技术基于
混凝土被腐蚀后, 腐蚀面处会出现断层、 参差不
超声传播理论, 对多通道超声回波信号进行延时叠
平的特点, 使用超声探头对混凝土进行检测时, 腐蚀
加处理, 继而得到检测区域试件内部的剖面图像, 可
面的几何结构会影响超声信号的传播路径, 继而反
以直观、 准确地观察到试件的内部特征 [ 8-10 ] 。该技
映在超声成像结果中。笔者通过有限元法对不同程
术也被应用于隧道衬砌混凝土结构的缺陷检测中,
度腐蚀以及未腐蚀的混凝土进行正演模拟, 分析腐
可以有效检测衬砌混凝土厚度、 内部缺陷、 钢筋保护
蚀混凝土的超声成像结果。
层厚度等特征。对于被腐蚀的衬砌混凝土结构, 若
采用 COMSOLMULTIPHYSICS有限元仿真
混凝土腐蚀表面轮廓发生变化, 腐蚀区域混凝土厚
软件进行正演模拟, 模型的研究方法选择为“ 固体力
度减小, 则可以通过合成孔径聚焦超声成像技术得
学, 瞬态”。为了简化仿真模型, 忽略钢筋、 骨料等杂
到混凝土实体厚度, 与混凝土未腐蚀厚度做对比, 来
质, 设置材料为素混凝土的二维均匀介质模型。对
确定混凝土腐蚀层厚度。笔者采用合成孔径聚焦成
于 未 腐 蚀 混 凝 土,模 型 几 何 设 置 为 尺 寸 为
像技术对腐蚀混凝土结构分别进行有限元仿真和检
500mm×300mm ( 长×宽) 的矩形。对于腐蚀混凝
测试验, 验证了该技术在隧道衬砌混凝土结构腐蚀
土, 设置了两种不同程度的腐蚀: ①矩形下边界设置
检测中的可行性。
成锯齿状, 模拟腐蚀初期; ②矩形下边界设置成锯齿
1 混凝土腐蚀超声检测原理 状, 并将局部厚度减小至240mm , 模拟腐蚀加重和

混凝土厚度大幅减小。受腐蚀混凝土仿真模型如
合成孔径超声成像技术是通过时延处理, 对成
像区域内每个像素点分别进行聚焦计算, 对各通道 图2所示。
为了最大限度地降低杂波对仿真结果的影响,
上的回波信号结合对应延时进行信号叠加处理的,
将模型左右两边界设置为低反射边界。在模型上边
超声信号的延时叠加原理如图1所示。某一像素点
界设置12组线段, 间距为30mm , 以模拟超声阵列

( x , z ) 处的像素值可表示为
N- 1 换能器。

Ix , z = ∑ ω n S n t- r n - τ n ( 1 ) 划分模型网格, 网格类型设置为自由三角形网

n= 0 c
信号采样数据; N 为换能器 格, 设置最大网格大小为超声横波波长的1 / 10 。对
式中: S n t 为通道 u n

总数; r n c 为超声信号从聚焦点( x , z ) 到换能器阵 模型进行有限元计算, 计算出模型各点的横向位移
/
大小, 来表征超声信号在模型内部的传播特征。提
对应的延时; c
列起始点的传播时间; τ n 为通道u n
取12组换能器位置处的时域信号, 经合成孔径聚焦
为幅度变迹函数。
为混凝土中横波波速; ω n
因为混凝土底部的像素点对应的回波信号最 算法处理, 得到混凝土模型未腐蚀和腐蚀情况下的
强, 经过叠加处理后, 信号会得到增大, 所以在成像 超声检测图像( 见图3 )。
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2023年 第45卷 第8期
无损检测