基于同声时等效原则确定超声角测法的测距

　　1 问题的提出

　　1.1以往的超声角测法

　　在超声波检测方形构件的工程中，时有被测构件旁边存在墙体、管道等障碍物，只有两个相邻表面可供检测，即无法将2个换能器布置成对测法检测，此时仍然可以进行超声回弹综合法测强，即在两个相邻表面的对应位置布置超声测点，采用丁角方法测量混凝土声速[1]。《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》CECS 02：2005（以下简称CECS 02标准）附录B.1超声波角测方法规定如下：当结构或构件被测部位只有两个相邻表面可供检测时，可采用角测方法测量混凝土中声速。每个测区布置3对测点，附录B.1的换能器布置如图1所示，角测时超声测距按下列公式计算：

l_i=l_1i²+l_2i²                                              (1)

式中：

       l_i—— 角测第个测点的超声测距 (mm)；

       l_1i、l_2i —— 角测第个测点换能器的中心点与构件边缘的距离（mm）。 

图1 超声波角测示意

　　1.2超声平测法中的修正距

　　当超声波采用平测法检测时，我国早在20世纪80年代已有定论：真实测距即不是两个换能器的内边缘间距，也不是两个换能器的中到中间距。超声平测法中超声波实际传播距离因为换能器的直径尺寸效应，介于换能器的中～中与边～边二者距离之间，比两个换能器的中到中间距短、内边缘间距长。即在超声波平测法时超声测距中存在一个与换能器直径Ф相关的修正距a（0 < a <Ф）。在平测法检测时，如果测距不作修正，则取中～中时，计算的声速值偏大；边～边时，计算的声速值偏小，且测距越小、误差越大。每一对发射、接收换能器的修正距离a的数值一定小于换能器的直径 [2]。

　　1.3对现行标准角测方法的探讨

　　众所周知，在超声波对测法中，测距非常明确，是2个换能器平行辐射面间相隔的距离。在超声波平测法中，因为换能器的直径尺寸效应，真实的测距是2个换能器内边缘间距加修正距a。在超声波角测法中，其测距采用三角形的直角边（CECS 02标准取两换能器的中心点与构件边缘的距离）通过勾股定理计算得出。由图1超声波角测法示意图显而易见：超声波角测时，布置在直角边上的一对换能器的测距，可以视作为两换能器与构件边缘的距离构成的直角三角形的斜边。现在的问题是斜边计算取两个换能器的中心点距？取两个换能器的近边缘距（两换能器的最近点距）？还是两者都不是？显然，斜边计算值取近边缘距比取中心点距小。设换能器在构件直角边上对称布置，换能器的直径为38mm，当取近边缘距200mm~500mm时，中心点距与其的测距比值见表1。由表1可知，当近边缘距为200mm时，中心点距与近边缘距的比值最大，即产生的声速检测误差大；随近边缘距的增大，其比值逐渐降低；400mm以上时，两者的比值在5%以内。

　　表1  不同的近边缘距与中心点距的测距比值

　　在CECS 02标准中关于附录B.1超声波角测方法的编制说明中有如下一个叙述：“大量对比试验表明，可采用F、S换能器中心点与构件边缘的距离l₁、l₂，按几何学原理计算超声测距l；用此测距‍l与角测的声时值计算所得的声速值，与对测的声速值没有明显差异，不需作任何修正。”作者对此叙述存疑，并就CECS 02标准的附录B.1——关于超声波角测法的正确性进行了探讨性的研究。

　　2 试验

　　2.1采用均质材料试件

　　为了使检测数据具有可比性，应尽可能排除原材料的差异性对试验结果的影响。如图2采用灌浆料成型了阶梯形试件，在尽可能试件为匀质体的基础上，按设计方案进行各项内容的超声波检测试验。 

　　图2  匀质材料成型的阶梯形试件

　　2.2试验方案

　　1）超声对测：在梯形试件不同尺寸100mm、200mm、300mm、400mm一组方向以及旋转梯形试件后的另一组150mm、250mm、350mm、500mm方向进行对测法试验。

　　2）超声角测法试验：利用上述100mm、150mm、200mm、250mm、300mm、350mm、400mm、500mm等8处超声对测测点的声时值按“同声时测距等效法”进行角测法试验。

　　3）超声平测：在梯形试件上布置平测法测点，目的采用“时～距法”得到直线回归方程的截距a 。

　　2.3同声时测距等效法

　　为了定义超声波角测方法的准确测距，笔者提出了“同声时测距等效法”，即先采用对测法检测到匀质体梯形试件不同阶梯测距上的声时值后，再置换能器于超声角测试件丁角两个相邻表面上（利用已知阶梯测距上的对测声时值），且观察超声仪的示波屏、同步移动2个换能器至某一已知对测测距的声时值位置，根据勾股定理，尝试以已知阶梯测距作为直角三角形的斜边，反推出构件边缘至换能器直径内某点的直角边距A1；测量构件边缘至换能器的近边缘距A2，两数相减得到差值z。即z为超声角测法中真实测距与测量的构件边缘至换能器近边缘距的修正值。

　　现在的问题是z值如何确定？我们知道超声平测法中求真实测距是采用“时～距法”，取直线回归方程的截距为平测法的修正值a[3]。因为平测法的修正值a是基于2个换能器之间的修正值，在超声角测法中，构件边缘至换能器近边缘距的修正值z仅是对1个换能器的修正值，所以拟考虑套用超声平测法中求真实测距的方法，采用在试件上先平测，尝试取 “时～距法”得到的直线回归方程截距a的二分之一作为超声角测法中一条直角边上的修正值z。

　　2.4检测数据

　　按照“同声时测距等效法”，采用常规换能器直径Ф38mm（频率f=50kHz、零读数t0=12.4μs）在匀质梯形试件不同阶梯测距的检测数据见表2。表2角测中的A、B、C栏分别表示构件边缘至换能器的中心距A0、近边缘距A2、按“同声时测距等效法”处理的修正距A1以及各按其2条直角边距计算的斜边距。（在匀质材料试件上超声平测法得到的的直线回归方程L=-12.2+4.379t；z简化取6mm）。

　　表2 常规直径Ф38mm换能器的检测数据

　　表2所示了8个不同尺寸踏步面超声对测的距离、声时、声速数据以及角测的数据。超声角测采用丁角方法：在试件的2个直角面各置1个换能器。同步移动2个换能器时且分别利用（8个尺寸不同的踏步面）对测声时值，按照“同声时测距等效法”，一边移动一边观察超声仪屏至超声对测时的相同声时时停止，测量构件边缘至换能器的近边缘距A2（虽然同步移动，可能不一定对称，宜测量2个A2距）。根据2个A2距，进行z值修正后的A1距及其计算的角测法斜边距如C栏所列。

　　3 检测数据分析

　　8个尺寸不同的踏步面对测的距离分别是100mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm、350 mm、400 mm、500 mm，检测数据表明：

　　1）试验用频率50kHz、φ=38mm的常规直径换能器，因为换能器的直径尺寸效应，无论是采用中心距还是内边缘距，其按勾股定理计算的斜边距与真实测距的误差很大，毫无疑问，采用中心距的A栏是正偏差、采用内边缘距的B栏是负偏差；

　　2）在短测距的场合，如相当于对测100 mm、150 mm、200 mm的测距，虽然采用了“同声时测距等效法”，但其误差仍比较大，即角测法布置的超声测点A2不宜过小；

　　3）布置的超声测点，构件边缘至换能器的近边缘距A2应大于200 mm，经用平测法的直线方程回归系数a、A2加上0.5倍截距修正后，即当声通路斜边距为300mm以上时，同声时等效距接近对测的测距，2者偏差较小，表明角测~对测采用同声时等效距的方法有效。

　　4 超声角测法的声速代表值

　　超声角测法的检测步骤：

　　1）角测前要先进行超声平测：为消除钢筋影响，在构件丁角的任一表面与钢筋轴线成45角度画一条直线，以两个换能器内边缘间距l=200mm、250mm、300mm、350mm、400mm、450mm、500mm，逐点测读相应声时值t，用回归分析方法求出测距与声时之间的回归直线方程l=a+bt。

　　2）布置角测法测点，构件边缘至换能器的近边缘距A2应＞200 mm。（CECS 02标准中采用超声角测法测量混凝土中声速，如图1所示每个测区应布置3对测点。在检测中可能会遇到一个表面较窄另一表面较宽的构件，所以布置测点时不要求2个构件边缘至换能器的近边缘距A2相等，但二者相差不宜＞1.5倍。）A2加0.5倍截距a，即修正A2后得到按“同声时测距等效法”处理的修正距A1。

　　3）角测时超声测距仍然按公式(1)计算。（但如前所述，本方法测距取值A1（l_‍1、l₂）与现行CECS 02标准不同，不是换能器的中心距与构件边缘的距离，且每个测区混凝土中声速代表值同CECS 02标准，取3对测点声速的平均值。）

　　参考文献

　　[1]  超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程CECS 02：2005[S].

　　[2] 谷川恭雄，童寿興，中村正行．超音波法によるコンクリートのひび割れ深さ推定方法に関する研究[P]．日本コンクリート工学協会：コンクリートの非破壊試験法に関するシンポシウム論文集．1991，4.

　　[3]  王文明. 新编建设工程无损检测技术发展与应用[M]北京：中国水利水电出版社，2012:106-119.

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