基于S变换的混凝土结构超声检测分析 | 超声波检测理论及数据处理

      超声波检测分析是超声波检测信号处理和解释过程中至关重要的科学组成部分。针对超声检测特点，时不变谱分析方法不能完全满足检测信号的处理要求。因此将S变换这一时变分析方法引入到混凝土结构的超声检测数据处理中。基于频谱分析推导出声波相速度，建立S变换时频分析方法。*后基于混凝土实验数据集的方法，研究表明带有S变换的频率能谱可以实现对混凝土结构缺陷的灵活有效识别。

一、简介

      将无损检测 (NDT) 应用于混凝土结构，利用对内部结构缺陷引起的物理场变化的反应，在不破坏结构的情况下检测物体。我们可以通过检测缺陷内部材料和表面识别缺陷和评估混凝土结构的质量。混凝土结构无损检测是工程质量控制和管理的关键任务之一，超声波检测（UT）检测技术是混凝土质量管理中经常使用的一种无损检测技术，与其他常规检测技术相比，UT 可轻松穿透深层材料并准确定位缺陷。在该领域具有突出的优势。

      随着信息技术的飞速发展，人们发明了各种处理技术来处理超声波检测信号，这些技术提高了超声信号的质量，增强了有用的信号，它提取有用信息的超声波信号的位置和定量分析，以获得定量检测。信号处理是混凝土结构超声检测的关键任务之一，在混凝土检测中具有重要作用。混凝土超声检测信号是宽带调制的中心频率信号，信号具有一定的频率带宽，是非平稳的，它呈现本地时间范围内的光谱信息。如果采用简单的频域或时域分析方法，则无法满足检测信号的处理要求，因此我们需要同时考虑时域和频域来分析信号，存在提出了许多时间-频率分析方法是基于傅立叶分析：短时傅立叶变换（STFT），维格纳分布，科恩类，S变换，小波变换（WT）等等。

      在本研究中，在混凝土结构检测中描述了超声波传输方法。，然后引入了S变换理论，并在混凝土结构中提供了超声波的相速度，将该方法应用于混凝土结构缺陷检测模型的检测，分析了所提方法的可行性，验证了所提方法的应用效果。

2. 材料和方法

2.1. 超声波检测原理

利用超声波传输法检测混凝土中的缺陷，超声波传播遇到混凝土结构中的缺陷，使混凝土中的声学参数（振幅和频率）发生变化。通过对声学参数的综合分析，可以确定混凝土结构的质量（图1）。

图1 实验的示意图

3. 混凝土结构检测实验

根据配合比和成型工艺的规定，制作了混凝土中含有方孔缺陷的模型试件。模型试件的高度为1500 m，厚度为700 mm，因此可以在对称的两个侧面进行测试。四个腔体的深度分别为 100 毫米、200 毫米、300 毫米和 400 毫米（图6）。两个样品的表面都经过抛光，使其光滑、明亮和干净。为了收集更多的数据，在模型试件两侧沿缺陷部位测线对称布置测线。从上到下，三个测量线是统一规划的。

混凝土结构试件施工现场：(a) 浇注地点   (b) 成型混凝土板。

所用的超声波设备是来自瑞士 Proceq SA 公司的 Pundit PL-200超声波仪（图7）。具体测试过程中，超声探头中心频率为54 KHz，采样点数为7928个。基于超声波透射检测原理，我们对混凝土试件进行了测试。图8显示检测点的位置。完整的混凝土位置在混凝土试件的左侧，200 mm 方孔的位置在混凝土试件的右侧。方孔的深度依次为100mm、300mm、400mm和200mm。依次采集混凝土结构超声检测五种情况下的时域信号（图9）。

图 7  Pundit PL-200 超声波检测仪

图 8  超声波检测点示意图

图 9 五种情况下的时域超声信号：(a)完整混凝土；(b) 方孔深度 100 mm；(c) 方孔深度 200 毫米；(d) 方孔深度 300 mm；(e) 方孔深度 400 毫米。

4. 基于S变换的时频域分析

4.1. 时频域分析

首先，我们在完整混凝土的位置对超声波信号采样了 3 次。根据S变换原理，将时域信号转换为时频域能谱。结果如图10所示。因此，S变换可以有效地将超声时域信号转化为时频域的能谱。

图 10 完整混凝土位置时频 S 变换的能谱： (a) 第 1 个测试信号；(b) 第二个测试信号；(c) 第三个测试信号。

通过对图10中时频域的分析，可以发现超声波信号在三个不同时间的瞬时频率变化。从图10可以看出，完整混凝土在三个不同时间的测试信号中瞬时频率保持一致，可以看出实验结果是可靠的能谱的范围是从 0 到 8,000。在**阶段，在 0~20 ms 范围内出现弱能带，对应于 30~150 KHz 范围内的频率。时频范围可能由系统噪声构成。在时频域的能谱中，在160～280 ms范围内出现了一个显着的能量集中区域，该区域是超声波穿透混凝土后首先接收到的。**波的时间历元约为 160 毫秒。随着时间的推移，振动信号逐渐减弱，出现了一个微弱的能量带。在研究包含方孔位置的测试信号样本时，将时域信号转换为时频域能谱。S变换还可以将超声时域信号转化为时频域的能谱。结果如图11所示。

图 11

S 变换的能谱： (a) 方孔深度 100 mm；(b) 方孔深度 200 毫米；(c) 方孔深度 300 毫米；(d) 方孔深度 400 毫米。

      图11显示了不同方孔深度下的超声能谱。能谱的*大值达到3,000。在图11中，在0～20ms范围内有一个弱能带，对应于30～150KHz范围内的频率。干扰区域的频率可能是由系统噪声形成的。在19～400 ms附近的时频范围内，也出现了微弱的带能量，**波历元时间在190 ms左右。然后，在主频附近出现了一个显着的能量集中区域，在这些区域形成了多个极值。

      通过图10和图11的比较，完整的混凝土结构的能谱远高于含有缺陷的混凝土结构的能谱。在测试完整的混凝土结构时，在主频率附近有一个重要的能量区域。但在检测含有缺陷的混凝土结构时，主频50KHz附近的能谱可能出现较多的能量组，在完整混凝土的情况下时间显得滞后。当混凝土结构处于缺陷状态时，由于声学折射、反射、衍射等现象，与完整混凝土的情况相比会出现显着差异。

4.2. 超声波相速度

为了研究超声频率与速度之间的关系，可以在极值区域计算超声速度与频率的对应关系。从时频谱上，图12显示了在完整混凝土的三个不同时间测试信号中，超声波速度随频率在完整混凝土结构中的变化。

图 12 混凝土中超声波脉冲的频率相关速度

      从图12可以看出，超声波脉冲的频率相关速度在完整混凝土的三种不同时间测试信号中也保持一致。然后超声波在完整的混凝土结构中传播，在 30～100 KHz 的频率范围内，超声波速度从 3,500 m/s 变为 3,000 m/s。主频附近3,500 m/s的超声波速度衰减到3,000 m/s，然后超声波速度保持不变。当混凝土结构中存在方孔时，可以计算出极端区域内超声速度与频率的对应关系。根据频谱，图13显示了在混凝土有缺陷的情况下超声波频率与速度之间的关系。

图 13 超声波脉冲在混凝土中的频率相关相速度： (a) 方孔深度 100 mm；(b) 方孔深度 200 毫米；(c) 方孔深度 300 毫米；(d) 方孔深度 400 毫米。

在图13 中，当超声波在填充有缺陷的混凝土结构中传播时，超声波速度在 30～100 MHz 的频率范围内从 1,400 m/s 变为 1,300 m/s。然后，超声波速度保持不变。比较图12和图13，在有缺陷的混凝土结构中，极端区域速度远小于完整混凝土结构的极端区域速度。由于超声波在空气中的传播速度小于在混凝土中的传播速度，图13显示了较低的相速度。然而，各种缺陷的S变换分析对所有缺陷的结果几乎相同。原因可能是使用的超声波探头是非常窄带的。

5. 结论

基于以往混凝土结构超声检测理论，对混凝土结构超声检测进行了一系列时频分析。利用S变换的多尺度时频，将S变换引入混凝土结构超声检测的数据处理中,超声相速度是基于频谱分析推导出来的。然后建立了S变换时频分析方法。通过研究可以得出以下几个结论：

(1)S变换算法简单易实现，准确地将超声时域信号转化为时频域频谱，具有显着的识别效果。

(2)在缺陷混凝土结构中，S 变换的能谱与完整混凝土结构的能谱存在显着差异。时频能谱可以基于S变换准确检测混凝土结构中是否存在缺陷。(3)在能谱的极端区域，可以计算出超声相速度随频率的变化。在有缺陷的混凝土结构的情况下，超声相速度小于完整混凝土结构的超声相速度。

所提出的方法需要进一步应用于实际数据中进行无损检测。未来的工作将在提高该方法在实践中的适用性方面进行。

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