超声脉冲法提高波速测量精度措施分析

包 挺，杨 予，王 毅，徐 浩

(浙江理工大学建筑工程学院，浙江 杭州 310018)

超声脉冲法是一种广泛应用于水利工程质量检测的无损检测手段[1]，但现阶段超声波在水利工程质量检测中的应用仍无法满足实际需求，其原因之一是超声波的测试方式及测试环境因素容易对测量结果造成影响，需对测试误差的来源进行分析并控制。由文献[2]可知，误差主要来源于系统误差、偶然误差及过失误差3个方面。前两种误差可以从选择合适的频率及控制检测环境等方面进行把控，而与过失误差有关的研究并不多见。目前，超声波波速测量的常见固定换能器方法主要为手持法[3]，有时还会采用顶面自然放置法等，这些方法具有明显的缺陷，主要表现为操作者按压换能器时力度的大小问题以及难以避免的平移抖动问题。为此 CECS 02—2005《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》中对手持换能器测试的操作提出如下具体要求[4]：“每一测点均应使耦合层达到最薄，以保持耦合状态一致”“声速值准确与否，完全取决于声时和测距量测是否准确可靠”，但这些描述更多的是指导性意见，并未给出细节操作要求。

在一些相关研究中，研究人员对超声脉冲法的具体操作方法提出了探讨，例如文献[5]建议检测人员对探头均匀施力，且大小控制在0.5kgf左右为宜；文献[6]实验证明了耦合压力在10 N以上时耦合效果达到最佳；文献[7]要求手持换能器，摆放在划分好的网格中心，测试时必须使换能器和试件通过耦合剂紧密接触，并尽量在测试各点保持用力均匀；文献[8]中提到对测试人员严格要求，包括手持力的大小、手持探头的稳定等，以获取较为准确的数据；文献[9]为了降低不同耦合条件造成的测量误差，设计了相应的超声夹具来提高重复测量的稳定性；文献[10]用压力钳定位换能器，同时在测试过程中利用弹簧施压使每个换能器的接触压力保持恒定，以此来假定每个实验期间耦合层的厚度相同；文献[11]利用U型钢与橡胶条固定换能器，并结合聚苯乙烯片和橡胶条对换能器施加恒定的压力。综上所述，现有研究虽考虑了人为因素带来的误差影响并采取了一定的措施，但尚未有人对提高波速测量精度措施的效果做出定量评估，对于超声波波速测量方法缺乏统一标准。

因此，本文对固定换能器方式提出以下两点改进思路：①保持压力稳定，使各换能器与被测构件耦合状态一致；②精确定位换能器，保证测距准确。此外，实验还结合对测、平测、角测3种检测方法，分析研究了超声脉冲法波速测量精度的提高措施。本文首先介绍了试件的制备与实验装置；然后对手持固定与利用特制夹具固定两种方法的测试数据结果进行了对比分析；最后结合实验结果，给出适合超声脉冲法波速测量精度的提高措施。

1 实验过程

1.1 试件制备

本实验制作了3根尺寸为150mm×150mm×550mm的试件(分别记为A、B、C)，采用相同配合比同一批次浇筑，由普通硅酸盐水泥P·O 42.5级水泥，普通河沙，粒径为28～40mm的碎石制备，设计强度及配合比见表1。

表1 混凝土设计强度等级及配合比

1.2 实验设备与装置

波速采集系统采用NM-4B非金属超声波分析仪作为测试工具，发射电压500V，主要包括主机、换能器、信号线，平面换能器频率选用50 kHz。换能器与试件之间选用凡士林作为耦合剂。为保证换能器耦合压力的一致与定位的准确，本文研究团队设计制作了一套超声波固定换能器辅助装置，如图1所示。该装置的主要作用是对换能器进行准确定位和定压，弹簧对换能器施加恒定压力，根据本文团队前期研究，压力取50 kPa[12]，套筒与固定装置上具有刻度准线，与试件上预留的十字标记重合定位。

图1 换能器固定装置

1.3 实验过程

第一组实验：对6名未实际操作过超声波仪器的志愿者进行30min的讲解培训后，要求他们采用手持固定换能器的方式对试件A、B、C进行平测、角测、对测实验，每根试件获取两组测量数据。

第二组实验：对另外6名志愿者进行同样的培训后，要求他们利用特制辅助装置，以精确定位、固定耦合压力的方式对试件A、B、C进行平测、角测、对测实验，每根试件获取两组测量数据。

(1)超声平测。在试件侧面分别以100、200、300、400、500mm为换能器中心距进行平测实验。

(2)超声角测。在试件底面与侧面布置换能器，使换能器中心距为100、200、300、400、500mm进行角测实验。

(3)超声对测。在试件两个底面中心对称布置换能器，测距为550mm。

(4)读数采用固定振幅读数法[13]，数据处理借鉴规范CECS 02—2005的处理方法，每次实验每个测点采集16个数据，去掉3个最大值和3个最小值，声时取平均值。

2 数据分析

2.1 声时稳定性比较

极差常用来反映的是变量分布的变异范围和离散幅度，标准差能反映一个数据集的离散程度。为了对比两组实验所测数据的稳定性，将手持换能器与定点定压固定所测得的声时极差与标准差绘制成直方图，如图2—8所示。

由图2—8可以看出，手持超声波换能器测得的声时数据浮动较大，各组测点数值结果的极差最大达到了8.2 μs，标准差在0.2～3.57μs之间，稳定性较差。这是因为操作者的按压力度与按压点不一容易导致换能器的定位与耦合情况发生变化，使测量结果发生较大波动。与此相对应的是，夹具能提供稳定的压力与准确的定位，换能器的固定不再依赖于各操作者的操作习惯，所以当使用夹具定点定压固定换能器时，所得数据的极差在2 μs以内，标准差在0.25～0.83μs之间，测量数据的稳定性较手持换能器测试结果有了明显的改善。

图2 A试件平测

图3 A试件角测

图4 B试件平测

图5 B试件角测

图6 C试件平测

图7 C试件角测

图8 A、B、C试件550mm对测声时极差直方图

2.2 波速测试结果比较

为了进一步比较手持换能器与定点定压固定所测波速的差异情况，先将各组数据进行时-距线性回归分析，回归方式如图9所示。

图9 B试件手持平测角测时-距回归分析

根据所得回归方程，计算各组测试中平测与角测在测距为550mm时的声时与波速，与550mm对测结果进行波速比较，以定点定压固定的对测波速为基准，绘制波速对比图如图10所示。

图10 各试件波速对比图

由图10可以看出，根据回归分析所得550mm测距的A、B、C试件手持较定点定压测试波速结果明显偏大，尤其是平测波速存在较大误差；而定点定压夹具所测平测、角测、对测波速较为接近，且对测波速最大，平测波速最小，可见准确性优于手持结果。

由上述分析对比可知，定点定压测试方式能保证耦合压力以及测试点位置的稳定，可有效解决手持换能器检测的弊端，提高超声波波速测量的精度。

3 结论与展望

本文通过观察不同操作人员的波速测量过程，根据手持换能器与使用夹具固定换能器测量的波速数据结果，分析了测量过程中误差的产生与减小误差的方法，与已有相关研究相符，具体结论如下：

(1)准确定位换能器可有效降低测距误差，利用特制夹具等方式固定避免换能器位置的滑移抖动。

(2)恒压固定换能器可保证耦合效果一致，有效提高测量精度。

(3)建议制定统一标准，如定位方式、耦合压力大小等，降低不同操作者习惯差异造成的影响，以获得具有可比性的测试结果。

以上为提高超声脉冲法波速测量精度的主要措施，实验结果表明，定位准确，压力一致可以使测得的声时结果更为准确可靠，减小过失误差，有效提高波速测量精度。

另一方面，超声脉冲法通常考虑以对测为主的换能器布置方式，但在实际工程条件中，很多时候对测法并不可行，例如检测梁、柱应力状态等，因此平测法与角测法的作用也不能忽视。本文研究结果表明检测普通混凝土时，平测、角测与对测法所测波速存在差异[14]，其本质区别在于传播路径不同，因此需要对平测与角测的测距进行修正，合理地进行三种测试方式的波速转换[15]。