冲击回波法检测技术优化方案

冲击回波法是利用小钢球冲击混凝土作为声源，通过被测混凝土传播，有纵波、横波和表面波，如图12.1-8所示，而且这些波遇到分界面会产生反射、折射等，这些波被宽带换能器所接收，利用谱分析方法，找出被收信号与混凝土质量的关系。这种方法冲击能量大，冲击源简单，对测试环境（如混凝土表面的平整程度、耦合情况等）的要求不高，因而是一种有前途的方法，被国内外所重视。

冲击时间的理论计算：某一点由于另外某一点对于一个弹性物体的撞击所产生的动力位移，可用卷积来描述：

图12.1-8 冲击弹性波传播

式中 F（τ）——时间函数的撞击力；

G（τ）——弹性物体动力学的格林函数。

一个球撞击在混凝土板上的撞击力F（τ）是时间的函数，可用接触时间为半周期的正弦曲线来近似：

格林函数G（r、r′）表示位移r′点的单位强度由正点源在特定边界条件下产生的场，在此表示物体对一个特殊的撞击的脉冲响应：

投射到混凝土板上的钢球所产生的撞击接触时间，可以根据一个球投射到厚板上的古典弹性力学解来近似：

式中

T_c——接触时间（s）；

R——钢球的半径（m）；

E_p——混凝土板的弹性模量（N/m²）；

E_s——球的弹性模量（N/m²）；

ν_p——混凝土板的泊松比；

ν_s——球的泊松比；

ρ_s——球的密度（kg/m³）；

h——球的投射高度（m）。

式（12.1-14）说明，接触时间是球半径的线性函数，而高度的影响并不大，对于投射到一块混凝土板（E_p=3.6×10¹⁰N/m²，δ_p=0.2）上的钢球接触时间，可通过计算求得：

由式（12.1-14）可求得球撞击时间T，若已知球的撞击速度，则可由式（12.1-15）求得F（τ），系数A可由动量定理求得。由式（12.1-11）加上一定的边界条件可求得G（τ）、将F（τ），G（τ）代入式（12.1-11）进行数值积分，即可求得位移U（t）。式（12.1-14）适用于半无限大空间或无限大板的简单几何形状的数值解。

冲击振动法的试验设备有钢球、宽带换能器或加速计、信号采集系统（A/D）和微型计算机等，如图12.1-9所示。(www.xing528.com)

图12.1-9 冲击振动法采集数据过程

冲击回波法的影响因素：有冲击源的大小、小球冲击高度h、以及冲击源与接收换能器之间的距离T等，如图12.1-10所示。

图12.1-10 冲击示意图

冲击的接触时间（T_c）是技术成功的关键所在，而接触时间的大小又主要取决于冲击钢球的大小R，由下式可见：

T_c=K×R^0.1/h （12.1-16）

对于一定厚度的混凝土板，不同直径的钢球冲击的时间是不同的。实验证明：当T_c=T_pp，即冲击时间等于第一个反射纵波的时间时，反射峰比较明显，如图12.1-11所示。T_c＞T_pp，故而PP在位于T_c峰处的R峰之后。后两者情况的反射峰也就不明显了。

由于，当T_c=T_pp时，可计算小球的大小R，即

图12.1-11 冲击回波响应

式中 c_p——混凝土声速；

K——系数（由混凝土泊松比、弹性模量，以及球的泊松比、弹性模量和密度来确定）。当投射到一块混凝土板（E_p=3.6×10¹⁰N/m²，δ_p=0.2）上时，K=0.00858。

图12.1-12表示不同直径的钢球冲击时对频率的影响。

如果已知混凝土的声速c_p，根据测量纵向共振频率F_p，可求得混凝土厚度：

由图12.1-10可知，冲击点与接收换能器中心距离T和混凝土厚度L的比值T/L，将改变冲击源的入射角。实验证明，T/L较小时，PP峰值与计算值符合较好；T/L增大时，接收信号变得复杂了。所以尽可能把冲击源靠近接收换能器，以便减小表面波的干扰。

冲击源的冲击高度对测量影响不是很大，实验证明，高度h选取适当（如20cm左右），激发共振峰还是比较明显的。但是h太大，得到的信号复杂。冲击回波法可以检测混凝土厚度、裂缝和内部缺陷等，如图12.1-13、图12.1-14所示。

图12.1-12 不同直径的钢球冲击对频率的影响

图12.1-13 混凝土内部缺陷的冲击回波法检测

图12.1-14 混凝土裂缝的冲击回波法检测