无损检测新技术:扫描式冲击回波法的原理和应用

图1：冲击回波原理示意图
（其中source为产生压缩波的激振源，receiver为反射波的接收器）

下面，对冲击回波方法的厚度或缺陷深度计算进行更详细的说明。如图2所示，接收器接收到反射波后，通过快速傅立叶转换将时域数据转化为频域数据，然后确定回波的频率峰值F，深度计算结构的厚度或缺陷D = (b * VP)/2f（其中b是形状系数，对板/墙来说是0.96，对于梁和柱该值更小，根据厚度和宽度的比值确定，VP是压缩波波速）。图3给出了某测试点时域图和频域图，图4给出了无缺陷处和有缺陷处的测试结果对比。 

图2：冲击回波原理图

  图3：单点冲击回波测试的时域和频域图

   图4：无缺陷和有缺陷频域图比较 （图4说明：上图：无缺陷处只有一个频率峰值，可获得厚度信息下图：缺陷处存在多个频率峰值，可根据曲线形状判断缺陷性质及深度） （三）冲击回波方法相对于超声波方法的优点1、冲击回波方法只需一个测试面，而超声波方法需两个测试面，这在很多情况下很难做到。2、冲击回波方法使用比超声波更低频的声波（IE频率范围通常在2～20 kHz），这使得冲击回波方法避免了超声波测试中遇到的高信号衰减（high signal attenuation）和过多杂波干扰问题。3、冲击回波方法不需耦合剂，单手即可操作，标定后每个测点直接得出结构厚度或缺陷位置、深度信息。而超声波方法需耦合剂，两个探头加大了操作的难度。同时需大量数据对比才能确定缺陷的位置，但不能确定缺陷深度。4、冲击回波方法*深可测180cm的结构，而对于超声波方法测试同样厚度将非常困难，特别是两个测试面不易接触的情况下。  由以上可以看出，IE冲击回波方法具有超声波方法无可比拟的优越性，该方法将随着技术的不断完善和发展，成为混凝土结构无损检测的一个重要方法。（四）冲击回波方法的应用举例  IE测试可用于评估板、梁、柱、墙、公路路面、飞机跑道、隧道和大坝等结构的内部状况。IE方法能够发现混凝土、木材、石材和砌体中的孔洞、蜂窝、裂缝、剥离以及其它缺陷。如果已知混凝土构件的厚度，IE法可以还预测早期混凝土的强度。以下为冲击回波检测结构的几个现场实例，其中图8表面波和冲击回波联合使用，在单面情况下，可准确获得混凝土波速，进而求得更精确的厚度值：
       图5： 冲击回波方法检测桥梁 图6： 冲击回波法检测隧道    图7：冲击回波法检测公路   图8：表面波、冲击回波法联合检测桥面  下图是一块11英寸厚的混凝土板（密实）以及一块17英寸厚的混凝土板（有裂缝）的冲击回波试验结果。测试结果表明在离混凝土板表面6.3 inches深处有裂缝 

图9：密实混凝土板和有裂缝混凝土板IE结果对比 二、IES（Impact Echo Scanner）扫描式冲击回波方法介绍（一）、扫描式冲击回波方法概述 IE方法一直被公认是一种对混凝土构件进行无损检测的强大工具。该测试方法不仅符合美国ASTM Standard C1383-98 厚度确定标准的有关要求，也符合美国ACI 228.2R-98 确定孔洞、蜂窝、裂缝、分层等缺陷的标准的有关要求。 ***为止，IE方法的*大局限性是测试速率较低。一般来说，普通的IE系统每小时可测30～60个点，这就限制了该方法只能用于测试较小、非常关键的部位。扫描式冲击回波系统的研制成功，彻底解决了该问题。用IES方法每小时可测2000～3000个点，*地提高了检测效率。此外，由于该方法可沿直线以数厘米的间隔进行快速测试，经实践多次证明它还可以用于检测后张预应力管内的灌浆情况。利用软件对IES数据的进行三维处理后，还可对结构的厚度、缺陷位置以及后张预应力管内的灌浆情况进行非常直观的显示。（二）、扫描式冲击回波方法原理  IES方法是在IE的基础上，将固定的单个传感器变为滚动传感器，从而*地加快了测试速度。如图11所示，IE方法只有一个接收传感器，每测试一点螺线管冲击一次。而IES方法采用扫描式滚动传感器，并采用螺线管冲击器进行连续冲击，*地提高了检测效率。   图10：扫描式冲击回波原理图 图11：左上角为IES系统，采用滚动接收传感器；右下角为传统IE系统，只有一个接收传感器（三）、IES测试实例：1．用IES方法测试在一个大型板的实例： 

测试板资料：l 板尺寸 = 10× 4 米l 每隔5 cm间距进行一次IE Scanner扫描.l 板中有蜂窝缺陷l 板厚度有变化l 板中存在预应力管 (存在灌浆密实区、不密实区、空管区)   图12： IES方法测试大型板现场

  利用IES进行的三维成像测试结果：     图13：厚度变化处的三维成像    图14：板中蜂窝缺陷的三维成像         图15：预应力管中未灌浆区域的缺陷成像  图16：板中孔洞缺陷的三维成像

图17：IES检测预应力管灌浆情况的图形解释

 一、总结  IE冲击回波方法被证明是一种无损检测混凝土结构厚度、缺陷的强大工具，在很多国家都有非常成熟的使用经验。其技术的日臻完善将使之成为一种越来越重要的无损检测方法。IES方法相对于IE方法是一个巨大的进步，不仅*地提高了传统冲击回波的检测速度，而且解决了检测预应力管灌浆情况的大难题。此外，基于IES数据的软件成像可清楚、直观的显示结构的厚度变化、缺陷类型及位置。实践证明，IES方法是一种非常可靠、有效的检测方法，是混凝土结构检测技术的一次突破，必将为国内混凝土结构的无损检测起到非常积极的作用。