冲击回波法检测技术现状与发展

侯高峰

(1.安徽省·水利部淮委水利科学研究院,安徽 合肥 230088；2.安徽省建筑工程质量监督检测站,安徽 合肥 230088)

冲击回波法检测技术现状与发展

侯高峰1,2

(1.安徽省·水利部淮委水利科学研究院,安徽 合肥 230088；2.安徽省建筑工程质量监督检测站,安徽 合肥 230088)

文章阐述了冲击回波法检测技术的检测原理，发展历史、现状和未来发展趋势，其应用前景广阔，该技术会越来越广泛地应用于无损检测领域。

冲击回波法；检测技术；无损检测

0 引 言

冲击回波法技术越来越广泛地应用于桥梁、水利、建筑、公路、隧道等工程领域的无损检测中，并取得了良好的技术和经济效益。

冲击回波法[1]原理本质上是在构件表面利用瞬时机械冲击产生低频的应力波，应力波传播到结构内部，遇到波阻抗有差异的界面(如构件底面或缺陷表面)时被反射回来，并在构件底部、内部缺陷表面和构件表面之间来回反射产生纵波共振，通过测试冲击弹性波引起的振动主频率比来确定构件厚度及其内部缺陷位置的方法。

1 冲击回波法检测方法的提出

1983年，美国联邦标准局对混凝土的无损检测开始应用于检测混凝土内部缺陷。由于应力波在固体中的传播直接受固体力学特性的影响，基于这个原理，NBS决定开发一种基于应力波的检测方法，并被命名为冲击回波法。

最初的研究为这种技术提供了理论基础并证实了其可用来检测板状结构物的缺陷。研究中采用了有限元法建数学模型与缺陷控制研究相结合的最优研究方法。

到1987～1988年，研究工作开始集中在Cornell大学，由在美国联邦标准局中参加了早期研究工作的Marry Sansalone 教授指导，拓展了冲击回波法的应用，同时开发了第一代现场检测仪器。1997年Sansalone 和Streett共同出版了一本指导书，用于指导在不同情况下运用冲击回波法进行检测时的数据处理、实验室研究和现场检测[2]。在20世纪90年代晚期，NIST(The National Institute of Standards and Technology)和Cornell合作制定了一个应用冲击回波法的基本实验标准。

美国联邦标准局在早期进行了冲击回波法检测后张法预应力管道内部缺陷的研究工作。1992～1993年，Cornell大学的Nicholas J. Carino 和Mary Sansalone第一次在实验室进行了冲击回波法检测预应力管道内缺陷的缺陷控制实验。初步分析了冲击回波检测管道内缺陷的可行性、普通钢筋的影响、塑料管道和铁制管道的异同等，但是缺乏应力波与薄壁管道内缺陷相互影响的完善理解，同时检测的时间也有待缩短，对以后的试验提出考虑临近管道的影响、层叠管道的影响等。

1996年，Cornell大学的Barbara J. Jaeger，Mary J. Sansalone，and Randall W. Poston在研究中发现：应力波在不同的界面(混凝土/空气界面、混凝土/铁界面)反射时由于各材料的声阻抗不同而导致反射的应力波不同(拉伸波或压缩波)。因此，在计算到混凝土/预应力筋面和到混凝土/空气面的频率公式不同。1997年，他们提出了冲击回波法检测板状结构物内后张法预应力管道缺陷的基本过程和冲击回波的响应特性，并通过检测现场实桥和破坏实验进行验证。

2 冲击回波法检测技术研究现状

国内外很多专家学者先后对冲击回波法检测技术进行了研究。

1999年同济大学声学所顾轶东等研究了冲击回波法测量混凝土厚度与缺陷，利用有限元软件包动态模拟波动过程，发现结果与实验结果相符，证明了冲击回波法检测混凝土厚度及缺陷的可行性；测量混凝土厚度精度较高，误差不大于3%；可以测量混凝土内部缺陷的位置和垂直表面裂缝的深度，采用双接收换能器并利用时域分析可达到很高的精度[3]。

2001年长江科学院肖国强等开展了用冲击回波法检测混凝土质量的结构模型试验，结果表明：冲击回波法可检测表面裂缝深度、板状体厚度以及混凝土浅部不密实体或架空等质量缺陷，是一种有效、快速的无损检测方法[4]。

2001年中国台湾Ming-Te Liang, P0-Jen Su利用冲击回波法检测混凝土中钢筋腐蚀损伤，研究目的主要是利用冲击回波法结合3种电化学方法检测混凝土中钢筋腐蚀的可行性、可靠性和适用性。3种电化学方法分别是开路电位(OCP)、直流极化法(DC)和交流阻抗法(AC)。研究结果表明冲击回波法可以较明确地测试出混凝土板微裂缝的发展。随着钢筋腐蚀的逐渐加重，由冲击回波获得的位移谱将被转移成加速度谱，即腐蚀程度可以通过加速度谱的相对变化来预测[5]。

2003年同济大学苏航等对冲击回波检测方法及其在土木工程中的应用进行了综述，基本观点为虽然冲击回波法检测过程简单，但要成功解释测试结果需要对复杂声学知识有所了解，从而限制了该方法的广泛应用。

为了解决这些问题，对冲击回波方法的研究应集中在：对新的信号处理和人工智能技术的研究，使冲击回波信号的解释得到简化；如何与其他无损检测方法共同运用，形成更加准确的测量技术；冲击回波现场检测设备软件和硬件的研究[6]。

2004年土耳其Ertugrul Cam, Sadettin Orhan, Murat Lüy利用冲击回波法检测梁的裂缝开展情况，研究目的主要是获取裂缝开展的位置和深度。通过缺陷区和完好区域所测频域信号的比较，可以确定裂缝的位置和深度，实验结果与ANSYS模拟结果一致[7]。

2005年傅翔等利用冲击回波法检测隧洞混凝土衬砌厚度，通过室内试验研究和在新疆喀浪古尔水库引水发电、泄洪洞上的应用，对于隧洞混凝土衬砌等单面结构的混凝土厚度检测，冲击回波法是一种有效方法，测量范围为5～200 cm；并指出通过对冲击回波法的进一步研究，在探测衬砌固结灌浆效果、分层浇注混凝土的粘结质量等方面也有所作为[8]。

2006年杨宇洲等利用扫描式冲击回波法(IES)检测后张预应力管，认为IES法显著地提高了传统冲击回波的检测速度，解决了检测预应力管灌浆情况的大难题。而且基于IES数据的软件成像可清楚、直观地显示结构的厚度变化、缺陷类型及位置。

2007年罗先中、中正成利用冲击回波法检测混凝土结构，研究了该方法检测混凝土结构裂缝和表面垂直裂缝深度的原理和方法，并结合工程检测实验，指出实际工作中的技术难点及其解决办法[9]。

2007年武汉理工大学张建纲等利用冲击回波法评价混凝土损伤程度，对不同配合比混凝土的损伤特性进行了试验研究，结果表明冲击回波方法中应力波波速、频谱等参数能够很好地反映混凝土内部损伤发展的各个阶段[10]。

2007年西班牙的R.Medina, M.Garrido研究了互功率密度的改善的冲击回波方法，认为冲击回波是一种非常有用的测量板厚度的方法，但是要想准确分析，应从频域中利用FFT转换找到最理想的波峰频率[11]。

2008年福建建筑科学研究院叶健等，采用IES冲击回波仪检测了一座市政工程桥梁的预应力混凝土灌浆质量，检测结果表明第五跨(第一联V节段)底板管道B1-3处在出浆口的4条测线与跨中的3条测线发现明显缺陷反射信号，存在未灌浆情况。

2008年武汉理工大学占宝剑等利用探地雷达-冲击回波联合检测法检测了混凝土箱梁，实现了对孔洞、蜂窝和不密实区域定性和准确定位。

2008年中国建筑科学研究院徐教宇等利用冲击回波法测量地下连续墙厚度及成墙质量，结果表明该方法检测连续墙厚度和成墙质量具有很好的准确度，与实际测点处的取芯结果较吻合，而且具有快速、便捷的特点，同时指出由于混凝土结构缺陷的多样性和复杂性，要使该方法能够在工作中得到进一步的应用，还需要进行大量的试验研究和工程实践探索[12]。

2008年中国台湾Chiamen Hsiao 、 Chia-Chi Cheng、Tzunghao Liou、Yuanting Juang利用冲击回波法检测混凝土板缺陷，对完好、缺陷板的瞬态响应进行数值模拟分析，结果表明混凝土板的冲击响应由对应于板的振动模式的频率组成。在这些频率中，有一个主频，该主频的值由于板混凝土的纵波给定而取决于板的几何形状和尺寸。

缺陷的存在破坏了振动模式。主频转移到一个较小的值是缺陷存在的关键指标。冲击面和缺陷表面处的多次波反射在频谱中产生的峰值对应了缺陷的深度[13]。

2008年中南大学陈敏等进行了火灾后结构损伤冲击回波法检测数据小波分析的研究，较为系统地阐述冲击回波法检测混凝土结构内部缺陷的原理和优越性，提出运用该法检测火灾后有缺陷的混凝土结构，对采集到的信号进行小波分析，提取反映混凝土结构内部缺陷的特征信息，实现结构损伤检测。实测表明使用冲击回波法可快速、准确检测火灾后混凝土内部缺陷，通过小波变换对回波信号的奇异性进行检测与分析，能有效消除噪声干扰，并准确检测出缺陷位置[14]。

2008年南京大学陈长河等通过制作预应力箱梁锚孔的实验室模型，利用冲击回波的方法取代传统的超声波方法采用冲击回波法进行试验对比，研究在灌浆和未灌浆状态下信号的时频特征。

研究表明：完全灌浆的模型和未灌浆的模型的频域曲线所包含的各频率分布是不同的，未灌浆的模型的频谱曲线比较复杂，存在多峰现象，频带上能量分散，同灌浆的模型相比，主频会向低频漂移；功率谱分析与频谱分析的结果基本一致，灌浆的模型能量衰减比较快，而未灌浆模型的信号经多次反射与折射，能量衰减较慢。另外小波多尺度分析提供了在时频空间某一局部更多锚孔灌浆的特征信息，更适合于处理不同灌浆条件下波的识别，为进一步定量研究锚孔灌浆作好准备[15]。

2009年郑州大学张东方、王运生进行了冲击回波法在钢管混凝土拱桥检测中的研究，首先在实验场地设计了密实、蜂窝和脱空等3种类型，用超声透射法和冲击回波法进行测试，结果表明根据冲击回波实测信号波形能量衰减快慢，及其频谱图中主频前后漂移，峰值是否单一，频谱是否紊乱等规律，能定性的分析出缺陷类型和确定缺陷的大致位置。同时也提出采集信号质量会影响分析结果，对影响冲击回波法采集信号的因素如锤击的力度、被测构件的几何形状和尺寸等有待进一步的研究[16]。

2009年韩国Ki-il Song,Gye-Chun利用冲击回波测试喷射混凝土在隧道岩石上的粘结质量，通过各种粘接条件模拟使用情况，进行数值模拟和实验模型研究，在频域和时频内进行短时傅立叶分析，结果表明冲击回波(IE)方法是一种有效的隧道喷射混凝土粘接状态无损评价方法，可以通过共振频率的变化评估喷射混凝土在坚硬岩石上的粘结状态[17]。

2010年南京大学邹春江、陈征宙，南京南大工程检测有限公司董平通过用冲击回波法比较箱梁在不同注浆饱满度下冲击回波信号的主频，研究主频对不同注浆饱满度的响应规律和无浆孔道的判断依据。根据不同类型测区的试验数据，总结出全空孔道箱梁的主频经验方程。

依据实测主频对这些测区进行成像，通过比较实测主频和同等情况下全空管道的理论主频，判断孔道的注浆质量。最终判定4个测区的注浆有缺陷，凿开验证为空洞，并给出了相应的照片。研究结果表明冲击回波主频可以有效地评价箱梁预应力孔道的注浆饱满情况[18]。

2010年吴佳晔等[19]实现了混凝土内部缺陷及桥梁孔道压浆密实度的定性和定位检测，其中定性测方法主要采用全长衰减法、全长波速法、传递函数法，定性检测方法主要冲击回法等检测方法，并自主设计了检测数据分析软件，在工程实践中并取得了良好的检测效果。

2015年吕小彬、吴佳晔等在冲击回波测试混凝土试件弹性波波速研究取得了新的研究成果，确定弹性波波速与混凝土强度之间的相关关系，建立工程弹性波专用评价曲线[20]。

3 冲击回波法检测技术发展趋势

(1) 冲击回波法检测技术的发展离不开检测设备硬件的研究工作。目前，检测设备大致分成两类，即单点式(单点冲击、单点接收回波信号)和扫描式(冲击器与接收传感器一体化设计，滚动扫描冲击、连续接收回波)。

两类检测设备各自具有其优缺点，单点式冲击回波仪适用于精确测试和特殊位置测试。该方法对测试面平整度要求较低使用灵活。扫描式冲击回波仪具有滚动式扫描测试探头，适用于对大面积结构构件进行检测，测试效率高。因此应加大检测设备的研究工作，更好的利用其优点，扬长避短。

(2) 冲击回波法检测技术的发展离不开检测设备软件的研究工作。目前，冲击回波法检测方法本质是基于厚度测试原理进行的，因此根据计算的等效波速，对其他各个测试点得到的等效弹性波速进行频谱处理分析，使得计算分析软件便于可视化、易判断理解而不是晦涩难懂，从而更有利于冲击检测技术的推广和应用。

(3) 冲击回波法检测技术的前景会更加广阔，也会更加深入。特别是在桥梁孔道灌浆密实性、预应力锚索杆张力检测、钢质护栏立柱埋深、裂缝深度及脱空等无损检测方面，逐步实现了从实验室研究真正应用于工程无损检测实践领域，解决工程实际问题，更好地为工程质量服务。

(4) 冲击回波法检测技术会逐步规范化和标准化，使得采用冲击回波法应用于工程检测时具有较高的检测精度和可靠性，为工程质量的判断与处理提供可靠依据。

尽管国内仍无统一的冲击回波方法检测的规范或规程，但目前江苏金土木建设集团有限公司、河北建设集团有限公司等单位正在编制行业检测技术标准《冲击回波法检测混凝土缺陷技术规程》，目前已经发布征求意见稿。

4 结束语

综上所述，随着工程领域对混凝土结构质量的高度重视，冲击回波法检测技术在混凝土内部缺陷的检测、诊断方面将大有可为，作为一种无损检测方法必然是未来工程检测领域的先进技术，在裂缝、脱空、灌浆孔道质量等方面的应用将会越来越广泛。

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2016-12-16；修改日期：2016-12-22

侯高峰(1981-)，男，安徽灵璧人，安徽省·水利部淮委水利科学研究院工程师．

TG115.28

A

1673-5781(2016)06-0802-04