超声波断层扫描仪应用于多层混凝土结构缺陷检测研究

摘要：

超声波断层成像是一种强大的无损评估技术，通过使用合成孔径聚焦技术（SAFT）获得的聚焦图像来检查混凝土结构的状况。但是它的应用仅限于等速混凝土结构，它尚未用于具有不同波速的多层混凝土结构，例如带有覆盖层的桥面板。SAFT的发展在理论上已允许对多层混凝土结构进行超声成像。在这项研究中，SAFT是结合多层时延求和（MLDAS）方法，开发了一种用于多层混凝土结构的数据分析方法。首先用具有分散的点的三层结构的实验数据验证了SAFT-MLDAS方法。然后使用来自50 mm覆盖层的混凝土样品的有限元模拟数据，以及来自具有38 mm硅粉改性混凝土覆盖层的混凝土样品的实验数据，进一步检查该方法。结果表明，SAFT-MLDAS方法可以改善多层混凝土结构的超声成像。当每层剪切波速度的估算准确时，它在带有覆盖层的桥面成像中的应用提高了测试结果的准确性。

简介：

      超声波断层扫描仪已被广泛用于检测混凝土结构中的缺陷（例如，桥面板，混凝土柱和隧道等结构）。以前的超声波断层成像仪（例如A1040 MIRA，EyeCon和Pundit）采用合成孔径聚焦技术（SAFT）来研究混凝土结构，假定混凝土是具有单一恒定剪切波速度的均匀介质。这种假设限制了当前设备在单层混凝土结构中的应用，它尚未用于多层混凝土结构（例如带有覆盖层的桥面板）上的成像。自1960年代以来，各种覆盖层已用于保护桥面并已成为延长桥面使用寿命的非常普遍的方法。在具有覆盖层的桥面板上以单一恒定的剪切波速度使用SAFT会产生误导性信息（例如，低估/高估了缺陷深度和桥面厚度），尤其是当两层之间的波阻抗差异较大时。SAFT方法的进步从理论上使多层混凝土结构的超声成像成为可能。

这项研究结合了多层时延求和（MLDAS）方法和SAFT方法，为多层混凝土结构开发了一种改进的超声成像方法。该方法在下文中被称为SAFT-MLDAS。 SAFT-MLDAS方法采用基于均方根概念的近似解决方案，以解决多层结构中的复杂波传播路径。此方法使用每一层的剪切波速度来更准确地定位感兴趣的对象（例如：带有覆盖层的桥面板的缺陷深度和面板厚度）。 SAFT-MLDAS成像程序是在MATLAB中开发的，可以处理当前超声设备（例如MIRA和EyeCon）中的原始数据。为了检验SAFT-MLDAS方法的可行性，采用了三个案例研究：

（1）具有分散的点（包括4个钢钉和8个孔）的三层非混凝土结构的实验数据

（2）MIRA在具有代表性的混凝土试样上进行的有限元模拟数据，该试样具有50毫米的覆盖层和嵌入式分层

（3）具有38毫米二氧化硅改性的混凝土覆盖层和人工嵌入式分层的混凝土样品的实验数据。

图1 使用MIRA进行超声成像测试的图示

（a）具有66个反射路径的混凝土试样的测量装置示意图

（b）**个通道为接收器，其他通道为发送器的示例

（c）单次B扫描，

（d）全景B扫描，C扫描和D扫描。

2. 采用多层延迟求和法(MLDAS: multi-layer delay-and-sum )的合成孔径聚焦技术(SAFT)

2.1 设备和数据

本研究中使用的超声设备是俄罗斯的A1040 MIRA超声波断层扫描仪。MIRA由48个干点接触（DPC）发射和接收换能器组成，这些换能器装置在矩阵天线阵列中，具有12个通道，间距为30 mm；每个通道具有四个传感器，其横向间距为25 mm。在一个通道充当发射水平横波（SH）的发射器而其他通道依次充当拾取直射波和反射波的接收器的同时获得了数据阵列。如果每个通道充当发送器或接收器，则总共有132个用于12个通道的发送和接收对。根据互易原理132对中的一半等效于另一对，因此数据数组的*小数量为66对（图1a）。图1b显示了一组示例数据，其中**通道为接收器，其他通道为发送器。直达波的峰值在图1b中用圆圈表示。在这项研究中，“接收机”的采样频率为1 MHz，“发射机”的标称中心频率为50 kHz。每次超声波测试都会进行一次单独的B扫描（图1c），并且在设备纵向连续进行超声波扫描会进行全景B扫描（X/Z）（图1d）。为了获得混凝土样品的所有B扫描结果，可以沿设备的纵向和横向移动超声波断层成像仪，使其覆盖测试样品的整个表面。融合所有B扫描结果后，在设备横向方向上的切片将进行全景D扫描（Y/Z），而在每个深度处的切片将进行全景C扫描（X/Y）（图1d）。

2.2 合成聚焦技术（SAFT）

SAFT通常用于主动成像系统（例如，雷达和声纳）中，并在几个位置进行测量，然后组合起来以获得合成孔径（图2）。 SAFT可以专注于重建区域中的每个点，覆盖区域和关注区域如图2所示。在非破坏性评估区域中，SAFT首先用于测试金属零件，然后被引入到混凝土结构的测试中。

图2  MIRA合成孔径聚焦技术示意图。

为了进行这项研究中的测量，一个通道产生一个脉冲而另一个通道记录在不同位置的脉冲回波。这种脉冲回波测试的示意图如图3所示。

图3 脉冲回波测试的示意图。 

来自点的所有回波都可以由双曲线表示：

其中V是波传播速度，t 是总传播时间，r 是总传播距离，它是 r₁（入射传播距离）和 r₂（反射传播距离）的总和。 单向传播距离可以通过以下方式计算：

如果在点（x₁，z₁）处的点源产生了脉冲。 当t=0（s₀（t））时，通过在传播距离 r 上按比例缩放和延迟，可以将记录在（x₂，z₂）处的回波信号写为公式（2）：

其中 f（r）解释了信号在传播距离r上的衰减。在SAFT算法中可以忽略信号衰减，因为它不会影响成像结果中的位置信息。为了测量点（x，z）的反射强度，可以将所有回波信号叠加在一起

对式(3)应用一般的变址权值，以减少B扫描中的伪影。聚焦图像在(x, z)处的像素值由式(4)表示，

该积分沿双曲线t = r / V形成单个像素。对所有像素重复此数据处理并叠加所有结果可实现单个聚焦B扫描。在这项研究中，使用汉恩权函数进行切趾[22]：

其中 =x- x'/（z），x' 是x 轴上的接收器位置（z=0），而 (z)=2z tan()，是换能器阵列的角波束宽度。

2.3 多层延迟求和法(MLDAS: multi-layer delay-and-sum )

图4a和b分别显示了一个设备放在顶部的单层和多层结构。层界面处的反射和折射使波路径变得复杂（图4b）。 很难分析地计算出换能器-散射-传感器之间的确切波径，并且使用数值射线追踪方法非常耗时。

基于均方根的概念，采用近似解更为实用。

图4 （a）单层和（b）多层中的波传播示意图

脉冲的正常入射传播时间为

在分层几何中，积分可以表示为

深度（z）和时间（t）之间的关系是单调的，因此波速是时间的函数。基于近似波路径的均方根（RMS）概念，可以相对于时间定义RMS速度：

可以写成

其中V_n和h_n分别是波速和第n层的厚度，如图4b所示。单程旅行时间表示为泰勒级数

其中a₂和a₄，a₆…都是高阶项，具体取决于层的厚度和速度。如果偏移量（x-x_i）小，则高阶项仅占大约2％，因此可以以双向行程时间的足够精度将其省略，如以下等式所示

在多层结构中，波在换能器和反射器之间水平传播所需的时间，请参见图4b中所示的t_rms，t_n和t_h之间的关系。因此Vrms可以解释为波在多层结构中在换能器和反射器之间水平传播的速度。用公式（11）中的t_rms代替公式（4）中的t，可以用以下公式得出（x，z）处聚焦图像的像素值：

这种称为SAFT-MLDAS的方法可以对多层混凝土结构进行超声成像。

3. 个案研究

为了验证SAFT-MLDAS方法的可行性，采用了三种不同情况的超声数据。**种情况是水、丙烯酸玻璃和铝自上而下的三层结构的实验数据。尽管此案例的材料和设备与混凝土结构的后续案例有所不同，但此案例首次验证了我们的数据分析MATLAB程序，该程序是基于在金属等材料领域首次提出的理论而开发的。 第二种情况是具有低速沥青覆盖层和混凝土层的两层混凝土结构的有限元模拟。第三种情况是来自38毫米二氧化硅改性的混凝土覆盖层的混凝土样品的实验数据。

3.1 案列1：来自三层结构的实验数据

三层结构由水，丙烯酸玻璃和铝从上到下组成，纵向波速分别为1480 m/s，2730 m/s和6320 m/s（图5a）。每层有四个点状散点：两个在水中的直径为0.3mm的钢钉，以及在两个实心块中的四个直径为1.6mm的钻孔。测试使用一个2.25 MHz的换能器进行，其采样频率为12.5 MHz，采样步长为1 mm，共计111个位置。单个换能器既用作发送器又用作接收器。 测试结构的详细信息显示在图5a中。

原始超声数据在图5b中以对数刻度显示为B扫描包络，纵轴为脉冲回波时间，横轴为测量位置。对于水丙烯酸玻璃，丙烯酸玻璃-铝和铝-水界面，界面反射分别是大约100、123和137μs的水平线。双曲线形状的反射是由点状散射引起的。使用所有三个层的单一恒定速度的SAFT分析数据（图5c），使用三个实际速度的SAFT-MLDAS分析数据（图5d）。将实际位置与图5和表1中使用SAFT和SAFT-MLDAS进行的估计值进行比较，显示聚焦图像在SAFT中具有单个恒定速度，从而给出了与实际深度不同的表观深度。 另一方面，在SAFT-MLDAS中使用三个实际速度可提供界面和散射的非常精确的位置。

表1  SAFT和SAFT- mldas估算值与实际位置的比较

图5

（a）在每层中具有四个点状散射的三层结构示意图

（b）原始数据以对数刻度显示为B扫描包络

（c）使用单速恒定速度（1480 m / s）的SAFT聚焦图像

（d）使用SAFT-MLDAS的三种速度（1480m/s、2730 m/s和6320 m/s）的聚焦图像

3.2 案例2：两层混凝土结构的有限元模拟数据

使用3D ABAQUS 6.18进行有限元（FE）显式动态仿真，以模拟超声SH应力波在混凝土样品中无覆盖和有覆盖的MIRA测试。图6a和b分别显示了MIRA在没有和有覆盖层的混凝土试件上的示意性测试配置。该混凝土试样的剪切波速度为2465 m/s，尺寸为500×500×178 mm（宽×长×厚度），一块150× 150（宽×长）的分层板嵌入到50mm的深度。分层模拟为水平裂缝，在有限元模型中没有任何实体元素。混凝土覆盖层的剪切波速度为1486 m / s，厚度为50 mm。MIRA的中心位于混凝土表面的中心。在表面发射一个中心频率为50khz的SH加速脉冲，以模拟MIRA的DPC换能器。

傅立叶变换之后的加速度脉冲及其对应的频谱分别如图7a和b所示。在显式动态积分算法中，*大时间离散化被固定为0.004μs，以确保本研究中有限元分析的稳定时间增量。稳定的时间增量可使波频率适当离散，并减少所产生波形的扰动。模拟的总持续时间为0.8 ms，以确保捕获来自分层和样品底部的相关波反射。*大的元素尺寸是*小波长的1/10，大约1.5毫米，以确保模拟任何感兴趣波长的波

图6 带覆盖层和不带覆盖层的混凝土试件

a）带覆盖层的混凝土试件

b）不带覆盖层的混凝土试件

图7  有限元模型中的水平剪切加速度脉冲

a）波幅与时间的关系

b）波幅与频率的关系

图8a和b分别显示了在不带叠加层和带叠加层的FE模型中应力波传播的屏幕截图。 覆盖物-样品界面上的反射和折射使波传播变得复杂（图8b）。 尽管大量的能量被捕获在覆盖层中，但是一部分能量被传输到下面的混凝土样本中，并可以对样本进行成像。

图9a中显示了没有覆盖的有限元模拟的原始超声数据，纵轴为脉冲回波时间，横轴为测量位置。 使用SAFT程序获得的聚焦图像如图9b所示。 对图9b的检查表明，通过SAFT可以准确地发现无覆盖层的样品中的分层。 对于带有叠加的有限元模拟的超声数据，图10a和b给出了具有SAFT的聚焦图像

图8 从**行换能器激发后，通过FEM仿真得到的波传播快照

a）不带覆盖层

b）带覆盖层。

图9 没有覆盖层的混凝土试件的超声成像

a）原始数据 

b）使用SAFT的聚焦图像。

图10 带有覆盖层的混凝土试件的超声成像

a）使用一个恒定速度（1486 m/s）

b）使用两种不同的速度（1486 m/s和2465m/ s）

表2  SAFT和SAFT-MLDAS测试位置与实际位置的比较。

分别使用一个恒定速度和使用两个实际速度的SAFT-MLDAS。 将实际位置与图10和表2中使用SAFT和SAFT-MLDAS进行的估计值进行比较，可以看到SAFT聚焦的图像具有恒定的SAFT速度，而视在深度却明显偏离了实际深度，而SAFT聚焦的图像 具有两个实际速度的-MLDAS提供了准确的结果。

3.3 案例3：两层混凝土结构的实验数据

使用MIRA对两层混凝土试样进行了超声波测试，该试样具有38毫米的硅粉改性混凝土覆盖层和200毫米的普通混凝土试样（图11a）。覆盖层的剪切波速度（2755 m/s）与混凝土试样的剪切波速度（2571 m/ s）不同。剪切波速是通过用MIRA测试顶部的上层覆盖层和底部的下层结构，然后用频域色散分析方法分析数据来获得的。图11b中显示了带有覆盖层的混凝土试样的示意图，以及两层钢筋和一块138.5毫米深度的分隔层。使用SAFT和SAFT-MLDAS程序获得的聚焦图像分别显示在图11c和11d中。将实际位置与SAFT和SAFT-MLDAS中的估值（测试值）进行比较（图11和表3），显示了SAFT聚焦的图像，其顶部覆盖层的单一速度给出了钢筋和分层顶层的位置，这些位置偏离了实际位置，而SAFT-MLDAS聚焦的具有两个不同速度的图像可提供对位置的更准确的测试值。

图11 带有覆盖层的混凝土样品的超声成像

a）样品上的MIRA

b）带有覆盖层的混凝土样品的示意图

c）使用一个恒定速度（2755 m/s）

d）使用两种不同的速度（ 2755 m/s 和 2571 m/s）

表3  SAFT和SAFT-MLDAS估计与实际位置的比较

4．结论

在多层结构（例如带有覆盖层的桥面板）上以单一恒定速度使用SAFT会产生误导性信息（例如低估/高估了缺陷深度和桥面厚度），尤其是当两层之间的波阻抗差异较大时是不可忽略的。在这项研究中，提出的SAFT-MLDAS方法将SAFT与MLDAS结合使用，以克服在使用当前超声设备用于多层混凝土结构时遇到的挑战。在SAFT-MLDAS中使用每一层的横波速度可以提高目标物体的定位精度，尤其是当横波速度可以用厚度信息进行校准时。

SAFT-MLDAS方法首先由具有点状散射的三层结构的实验数据验证。对该程序进行了进一步的检查，其中包括对覆盖50 mm的混凝土样品进行超声测试的有限元模拟数据，以及对38mm硅粉改性的混凝土覆盖的混凝土样品进行的实验数据。结果表明SAFT-MLDAS方法可以准确地获取多层结构中目标物体的图像。本研究中提出的SAFT-MILDAS方法需要测量每一层的剪切波速度，这可以通过从顶部测试顶层，从侧面测试中间层以及从侧面或底层测试底层来获得（例如使用MIRA的带有覆盖层的桥面板从顶部测试顶部覆盖层，从底部或侧面测试下部样品）。如果通往桥面底部的通道很困难且不符合成本效益，则操作员可以将B扫描的厚度信息与取芯或桥梁设计的厚度信息进行比较，以确定桥梁的剪切波速。

在这项研究中开发的SAFT-MLDAS程序极大地提高了超声成像的能力，并使当前的超声设备能够用于多层混凝土结构的无损评估。成功的应用在本研究的三个案例研究中，SAFT-MLDAS方法表明超声反射成像在具有覆盖层的桥面板上的应用前景广阔。

剪切波速度的准确度对于准确估计本研究中的多层混凝土结构以及常见的单层结构的缺陷位置至关重要。为了获得准确的剪切波速度，必须使用厚度信息校准速度。如果剪切波速度不准确，则会破坏从SAFT到SAFT-MLDAS的精度提高，并且提供现场检测的精度将不明显。即使桥梁检测工程师仍然在多层混凝土结构上使用具有恒定剪切波速度的当前设备，该研究仍可提供很好的参考，可以帮助他们解释测试结果。他们可以意识到需要额外的注意多层混凝土结构使用恒定速度的后果。