隧道衬砌检测应用 | A1040 MIRA 超声断层扫描仪其他应用

        A1040 MIRA 超声断层扫描仪是可用于对混凝土和石材进行超声波成像的创新性的工具之一，它是大约 15 年前由 Acoustic Control Systems（俄罗斯莫斯科）推出的。该仪器旨在通过干耦合到结构一侧的剪切波换能器阵列系统地实施脉冲回波技术。特别有趣的功能是弹簧加载的干点接触传感器，通过合成孔径聚焦技术自动实现断层B 扫描以及用于定制后处理的粗略采集数据的可用性。

利用*后一个选项，作者开始将该设备的使用扩展到一些特定问题，而不仅仅是空洞的定位。**个例子是从检测到的反射体中提取关于脉冲幅度和相位的定量信息。这样可以更客观地判断管道灌浆的有效性。另一个应用是评估由于暴露在火灾中的结构表面损坏，尽管由于陡峭的速度梯度导致的脉冲折射使的图像聚焦变得困难，但从接收到的脉冲开始，表面波速度的衰减很容易被检测出来。

一、简介

声学方法通常用于检测混凝土结构，无论是在声波 (f < 20 kHz) 还是超声波 (f > 20 kHz) 频率范围内。*常见的用途是评估整体速度以评估材料质量，其他更**的应用包括评估元件厚度、检测裂缝和空隙、钢筋和后张管道的位置、检查灌浆注入质量等。然而在第二种情况下，必须解决几个困难，因为混凝土是由水泥基体、各种尺寸的骨料和气孔制成的异质材料。在每个固有界面（水泥-骨料或水泥-孔隙）或其他强烈的声学不均匀性处，由于二次反射和折射，穿过介质的波会被散射。这就是为什么显着的结构噪声和衰减会影响结果的原因，尤其是在频率超过 100kHz时。此外在界面处触发不同的波类型（模式转换），每一种都具有不同的传播速度，这转化导致检测到的波的分散和失真。由于这些原因，超声波脉冲速度法 (UPV) 在声学检测方法中一直是*流行的。根据该技术材料响应的评估基于沿不同发射 (TX) 和接收 (RX) 探头的相互位置定义的路径传播的发射脉冲。由于在接收到的信号中仅拾取前沿，因此飞行时间 (TOF) 受*快模式（压缩波）中的直线传播控制，不受上述干扰的影响。

作为替代方案，可以使用冲击回波 (IE) 和脉冲回波 (PE) 方法，它们是基于对内部不连续点反射机械脉冲触发的同一位置的信号的检测。为了允许来自不同反射器的多个指示，必须分析包含时间窗口内的整个信号，从而引入散射和色散的影响。

冲击回波是在具有规则形状的结构上进行的，主要是未知厚度的板和墙，可能包含相当大的空隙或分层裂缝。在大多数情况下，脉冲是由撞击表面的小型冲击器（钢球或锤子）产生的。检查是基于对在被检测界面和执行测试的外表面之间发生的波的多次反射的频率分析。共振频率提供了有关声学界面深度的信息，几乎不受结构噪声引起的非相干信号分量的影响。

相反脉冲回波仅基于压电传感器发射的脉冲的**次反射，如果在规则的测量点网格上重复测试，则可以检查更复杂的几何形状结构。这允许区分和定位不同的反射体，其指示在单个时域信号（A 扫描）中重叠。配备传感器阵列或自动探头定位系统的仪器特别适合这种应用。

为了将测量结果合并到断层图像中，同时减少固有的结构噪声，已经开发了许多成像技术，其中合成孔径聚焦技术（SAFT）提供了非常有效的结果。该算法基于每个脉冲行进的总几何距离，通过相干叠加（时移）聚焦在断层图像中任何位置反射的信号，可以采用分别返回二维和三维表示的线性或平面采集网格。

2D SAFT 图像是与测试表面正交的部分（B 扫描），而 3D SAFT 输出通过三维数据字段（B 和 C 扫描）显示为正交或平行部分。SAF 技术还允许重建元素边界（完美反射体），这可以作为评估其他反射器强度的参考。此外结构噪声和进行模式转换的波被散焦，从而减少了干扰信号。SAFT 重建图像中的相位分析有助于识别不同类型的不连续性。空气与混凝土的界面需要脉冲的完全反射和相位反转，而具有相同相位的部分反射发生在声阻抗高于混凝土的材料（例如钢筋）的界面处。

目前在混凝土构件中自动实施脉冲回波成像的*可行工具是 Acoustic Control System（俄罗斯）的 A1040 MIRA 超声断层扫描仪。下面回顾了该设备的一些有趣功能，以及原始波形采集所遵循的程序，然后讨论一些用于数据处理的替代方案，以便设计可能将其使用扩展到特定应用程序，这些应用程序可以利用内置的发射/接收传感器阵列。

二、设备概念和特点

A1040 MIRA超声断层扫描仪是一种先进的多传感器超声波设备，用于基于脉冲回波法的混凝土检测，它是大约二十年前由 Acoustic Control System 与德国联邦材料研究与测试研究所 (BAM) 合作开发的。该仪器的一个关键特性是 48 个高阻尼干点接触 (DPC) 传感器阵列（图 1）。传感器由独立的弹簧加载，可以适应不平坦和粗糙的表面，它们还配有耐磨陶瓷触点，不需要任何耦合剂。

在当前版本中，阵列分为 12 个模块，每个模块4 个换能器。每个模块都作为单个发射/接收宽带剪切波传感器（图 1 中沿 x 轴的极化平面）运行。尽管传感器的中心频率为 50kHz，但由于高阻尼，发射的脉冲可以在 10 到 100kHz 的范围内驱动。由于偏振平面 (90 mm) 中的块尺寸大于正常应用中的波长 (≈ 50 mm)，因此发射脉冲的窄发散角导致同一平面。相反沿阵列轴的尺寸可以忽略不计，这意味着 B 扫描平面（图 1 中的 y 轴）中的发散角较宽，然后能够检查阵列中心周围的显着宽度（通常为 ±175 毫米）。采用剪切波带来的主要优点是它们在反射时不受模式转换的影响，并且它们的特点是在给定频率下波长更短（分辨率更高）。另一方面由于钢筋和管道的狭窄界面可以在它们平行于偏振平面定向时被检测到。

关于数据采集，每个换能器块依次充当接收器或发射器。根据图 1 所示的编号约定，**个模块设置为接收器，后面的模块依次作为发射器（图 2）。然后将第二个块设置为接收器，然后再次依次脉冲。总之，在大约 3 秒内收集了 66 个 A 扫描（2048 个样本，14 位 @ 1MHz），然后以 B 扫描的形式沿 y 轴进行处理。获取的数据也以二进制文件的形式提供，用于后期处理。A1040 MIRA 超声断层扫描仪的主要技术特点总结在表 1 中。

  图1：设备及其传感器阵列                                                图 2：数据采集序列

表格1：A1040 MIRA超声断层扫描仪的主要参数

三、信号组合和断层扫描重建

如前所述，通过超声断层扫描仪采集数据意味着在时域中收集一组 66 个波形（A 扫描）。这意味着通过许多不同的发射器-接收器组合可以观察到位于传感器阵列下方的任何反射体。根据 SAF 技术，为了始终如一地将这些信号与生成的断层图中的一个通用点结合起来，必须在入射和反射脉冲覆盖它们各自的路径长度 di 和 dr 所花费的时间评估它们的幅度（图 3）。这通常是在均匀脉冲速度的假设下进行的，其值由其他方法或通过在已知厚度点处校准来确定。可以根据射线路径角度 di和 dr（变迹因子，较小的角度取较高的值）为每个组合信号分配不同的权重。

图 4 突出显示了相干合并多个信号的好处，其中未灌浆隧道衬砌段（厚度 = 0.4 m）引起的底部反射通过两个连续传感器产生的单个 A 扫描和通过 SAFT 获得的 B 扫描的垂直截面，在后一种情况下，观察到明显较低的噪声。

信号的简单组合仍然保留了诊断脉冲的原始形状和相位，并允许识别声阻抗高于或低于混凝土的反射体（灌浆或空的后张拉管道，图 5）。在其他应用中，检测到的特征的更清晰的指示是优选的，这是由聚焦信号的幅度包络所允许的。这可以通过对信号的希尔伯特变换重复聚焦过程来解决，与原始波相比，其相位移动了四分之一周期。这两个分量的模数代表本地信号幅度，并允许抵消反射脉冲的波动方面。

这种方法很有用，例如在土壤界面处隧道衬砌的灌浆评估中。在此类应用中，采用反射波的幅度作为注浆质量的指标。图 6 中的前两个图是良好灌浆和未灌浆情况的 B 扫描，因为分别不存在反射或可清楚地检测到反射。通过定义一些中间反射强度（在本例中为 4），可以对隧道衬砌的灌浆质量进行分类，如图 6 的地图所示。

图 3：地图中某一位置的路径                               图 4：单次 A 扫描与聚焦信号

图 5：空管道的相位反转和信号包络

                     灌浆良好区域                                 未灌浆区域                                  隧道衬砌图面积

图 6：隧道衬砌管片灌浆评估

四、表面波速

A1040 超声断层扫描仪允许的一项辅助信息是评估剪切波速度，这是在未知材料质量元素中实施 SAFT 的起点。这是通过利用 12 个传感器块之间的直接串扰通过沿表面传播的波来实现的。对于任何发射器-接收器对，根据它们的相互距离和相速度，在一段时间延迟后检测到产生的脉冲（图 7a）。通过为后者分配一个猜测值，所有 66个采集的 A 扫描的初始部分可以沿时间轴移动然后求和。相速度的*佳估计给出了信号之间的*佳重叠，并使产生的波的幅度*大化，由包络峰量化（图 7b）。由于在更远的传感器之间传输的脉冲提供了更有意义的信息，但它们经历了更高的衰减，因此在优化过程中分配了与探头距离成比例的权重。

该程序的一个有趣应用涉及对火灾损坏的混凝土构件的评估。表面的弹性波速度是一个非常重要的损伤指标。尽管如此，裂缝的存在和普通探头在压缩脉冲间接传输中的低效率使得传统UPV（常规的超声波检测）的原位实施要求相当高。相反剪切波倾向于由受损层（Love 波）引导，衰减较小。此外与单个间接 UPV 测量相比，合并在传感器阵列范围 (330 mm) 内不同区域采集的许多信号可大大降低可能出现的裂缝的影响。

一个试点案例研究涉及一个混凝土立交桥，其内部受到燃烧的客车产生的局部火灾的影响。通过超声断层扫描仪获得的结果比传统的间接 UPV 更平滑（图 8），并且可以在合理的时间内获得结构状况的详细地图（3 小时内超过 80 平方米的 85 个点）。DPC 传感器允许的传感器阵列的干耦合在此应用中提供了相当大的帮助。

图 7：传感器距离增加时的相移和首次检测到的脉冲的*佳匹配

图 8：火灾损坏的混凝土立交桥内部的剪切波速度

五、结论和展望

在这项工作中，讨论了 A1040 MIRA 超声断层扫描仪的创新功能，以便更深入地了解其工作原理并概述一些可能利用该仪器特定结构的非常规应用。一般而言，在 12模块传感器阵列内以快速顺序采集所有可能的发射器/接收器组合之间的脉冲回波信号的选项允许对被检查对象中相同特征的多次观察进行平均。这意味着显着降低了影响混凝土和锻铁等异质材料的结构噪音。

更详细地说，通过适当处理原始波形数据，可以获得以下附加信息：

- 对回波相位和幅度进行更详细的分析，允许对接口的质量和幅度进行分类；

- 直接评估受损元件表面的剪切波速度；

- 识别细长元件（如锻铁拉杆）的主要缺陷。

尽管如此，这些**个有希望的结果需要在不同方向上进一步发展。其中，结构化目标（如后张管道）的相位和幅度的稳健评估、火灾损坏元件中的脉冲折射分析、导波测试中的模式分离和色散补偿。

产品链接：A1040 MIRA 混凝土超声断层扫描仪