混凝土厚度超声波检测优化方案

混凝土结构的破坏层厚度、路面厚度以及巷道喷锚支护混凝土厚度的测量，都具有重要意义和实用价值。众所周知，混凝土是非均匀介质，特别是粗骨料的声散射给检测工作造成很大困难，所以超声波法检测混凝土厚度是当前国内外正在研究的难题之一。研究内容主要有两个方面，即超声波换能器性能提高和信号处理方法。适合于混凝土检测用的宽带超声波换能器的研制，对提高底波反射信号的灵敏度很重要。如何排除或减少直达波和散射波的影响，提高反射底波的识别能力，是信号处理的研究内容。

1.窄脉冲探头直读法

对于厚度20cm的混凝土，采用厚度振动模式（K_t＞＞K_P）的宽带窄脉冲超声波换能器，中心频率约200kHz，脉冲响应1周，带宽约2倍频程的自制窄脉冲探头具有时域分辨率高和径向直达信号较弱等特点，故可有效地检测出混凝土界面处的反射回波信号。检测方法为：在被测材料表面放置一发一收两只探头，如图12.1-24所示，先测量混凝土声速c，然后在被测试件上，测量反射回波到达声时t，则被测混凝土厚度按下式计算：

式中 d——两探头间距；

t_c——零读数。

图12.1-25为窄脉冲直探头在20cm厚度混凝土中的接收波形，从图中看到发射耦合信号E、直达波信号D和反射波信号R。

图12.1-24 窄脉冲直探头法

图12.1-25 窄脉冲直探头法接收波形

2.脉冲相关法测量底面反射波

由于混凝土是非均质材料，厚度大于20cm，反射波比较复杂，需要用信号处理方法。脉冲相关法也是一种方法，由于从厚度相差不大的试块上接收到的底面反射波有着良好的相关性，而且骨料散射有一定的随机性，所以我们可以选择一个比较理想的底面反射波，把它作为原始母波序列，然后与其他接收到的回波（子波）进行互相关，从而得出较强的底面反射波的位置，这样就很容易测出底面反射波的传播声时，如图12.1-26所示，其误差在5%以内。(www.xing528.com)

图12.1-26 互相关输出序列

3.用分离谱法增强底面反射信号

假设混凝土路面结构层的理想化模型如图12.1-27所示，即散射体（骨料）呈声路径上的一维均匀分布，从距离很近的散射体产生的散射回波，由于干涉效应，它们的幅度随频率变化起伏很大，而从底面反射上的回波对频率变化的依赖性很小，据此可以用分离谱法从众多散射回波群中识别出底面回波。对随机分布的散射体陈列亦有类似的结论，由此我们对接收信号可按图12.1-28进行处理。

图12.1-27 混凝土路面结构层的理想化模型

应用分离谱法对混凝土试件的试验，对接收波信号进行了处理。图12.1-29a所示为原始接收信号序列，图12.1-29b所示为极小化输出序列，图中最高峰值位置与底面反射波相对应，用这种方法测量的误差在3%～5%以内。

图12.1-28 分离谱法系统框图

图12.1-29 原始接收信号序列极小化输出序列

首先用时窗截取接收信号中的底面反射信号和部分散射信号，然后通过不同中心频率的带通滤波器组输出一组时域信号，对各组输出进行幅度归一化的补偿，最后进行极小化输出。根据被测体的实际参数，原始接收信号的信息，以及时域和频域分辨率等因素，我们选择了滤波器组的参数：Δf=25kHz，f₁=50kHz…，f_m=175kHz，这些滤波器组是用窗函数法设计的FIR数字滤波器组，其合成频率响应比较平坦。