一种基于超声波的混凝土密实性评估方法与流程

本发明涉及一种基于超声波的混凝土密实性评估方法。

背景技术：

超声检测技术是检测混凝土质量的重要手段，由于大量建设工程得需求，发展十分迅速。随着超声波检测仪器不断完善和改进，仪器本身变得更加小巧轻便，并采用集成化和智能化模块，实现“一机多能”，可以采集声速、波幅和频率等多重参数，逐渐运用到定量推定混凝土质量检测中。

然而目前对于混凝土内部不密实区、空洞等的超声波检测方面，文献较少，尤其是定量检测内部空洞和不密实区的技术还未成形。

目前对混凝土不密实区和空洞区的检测基本有冲击回波法，超声波法。冲击回波法基本只能通过回波的时间和波形的频率图，定性判别混凝土是否存在空洞或者不密实现象。超声波检测方面，目前的研究还仅仅停留在定性判别层次。主要研究可简介如下：

1)通过无缺陷混凝土构件和有空洞混凝土构件的超声波首波时间来计算内部空洞区域的大小，但是内部空洞一般是理论假设的圆形，明显混凝土内部空洞的形状是随机形状。所以该方法的判别精度有待提高。

2)通过无缺陷混凝土构件和有空洞和不密实区域混凝土构件的超声波的波形时程曲线形状去判别，而该方法仅能通过不同的波形形状去判别混凝土构件内部的空洞或者不密实病害，还停留在定性判别的层次。

3)传统的超声CT技术，仅仅通过首波时间，进行反演，直接得到混凝土内部的不密实区或者空洞区域。但是由于构件内部混凝土的波速假定的初值都为统一定值，在该种统一初值情况得到的反演结果与实际构件内部空洞或者不密实区域会存在较大误差。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于超声波的混凝土密实性评估方法，本方法基于超声波，能够实现对结构无损、且能定量判断混凝土密实性的方法，解决现有的对混凝土内部空洞和不密实区的未能定量检测的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于超声波的混凝土密实性评估方法，利用超声波检测设定的测点处的首波声时，继而确定混凝土内部声速的分布图，对分布图中疑似空洞或不密实区域进行标注，建立超声CT的正演模型，基于射线追踪最短路径法，获得超声波的传播路径，进行反演，以定量评估混凝土内部的空洞或不密实区域的大小。

一种基于超声波的混凝土密实性评估方法，具体包括以下步骤：

(1)根据测试构件大小，在构件表面随机确定测试区域，并采用一点发射多点接收的测点布置，并建立多个发射点，使声波射线网格覆盖到整个测试区域；

(2)利用超声波检测仪对发射点及接收点进行检测，每个测点建立一个测试文件，在测试文件中记录相对应测点的测距与首波声时；

(3)利用首波声时，得到混凝土内部声速的分布图，标记声速小于阈值的首波声时的线，统计分布图中交叉点处的标记线数量，将标记线数量超过预定值的交叉点进行标记；

(4)根据标记的交叉点，定性评估混凝土内部空洞或者不密实区域；

(5)根据判别得到的空洞或者不密实区域，建立超声CT的正演模型，正演模型中设置标记交叉点位置为低波速区域，基于射线追踪最短路径法，获得超声波的传播路径；

(6)根据正演得到的超声波传播路径，基于SIRT模型重构算法进行测试对象的波速反演，最终达到定量评估混凝土内部的空洞或不密实区域的大小。

所述步骤(1)中，根据测试构件的大小，随机抽取测试区域。

所述步骤(2)中，在测试区域涂抹耦合剂，进行超声波检测，每个测点建立一个测试文件，在测试文件中记录测点的测距、首波声时。

所述步骤(3)中，具体步骤包括：

(3-1)对所有首波声时t_i0，计算均值μ和方差σ²；

(3-2)假定首波声时测试数据服从正态分布，对给定的置信度1-α,根据分布求分位数Z_α/2；

(3-3)对混凝土内部声速分布图中，小于的首波声时的线标记为虚线，n为测点数量；

(3-4)统计图中各个交叉点的虚线数量，认为交叉点虚线数量大于n/3的交叉点的位置均为空洞或者不密实区域，对上述位置标记实心圆圈。

所述步骤(5)中，具体步骤包括：

(5-1)对实际介质进行离散化，将被测试区域剖分成一系列小单元，在小单元边界上设置若干节点，将彼此相邻的节点相连构成一个网络；

(5-2)对于某个网格节点，选取与其所有相邻的邻域点组成计算网格点；

(5-3)由一个源点出发，计算出从源点到计算网格点的透射走时、射线路径、和射线长度；

(5-4)将除震源之外的所有网格点相继当作次级源，选取该节点相应的计算网格点，计算出从次级源点到计算网格点的透射走时、射线路径、和射线长度；

(5-5)将每次计算出来的走时加上从震源到次级源的走时，作为震源点到该网格节点的走时，记录下相应的射线路径位置及射线长度。

所述步骤(5)中，网络中，速度场分布在离散的节点上。

所述步骤(6)中，设断层截面由一个未知的矩阵组成，然后由测量投影数据建立一组未知向量的关系式，将反演问题变为根据第j条射线走时误差求取声波慢度的修改增量，求解以计算得到未知图像向量。

所述步骤(6)中，波传输时间求解速度分布的问题，用关系式表示为

T＝∫_rsdl (1)

式中：T为波传输时间，r表示射线路径，s为网格慢度，即波速度的倒数。

所述步骤(6)中，采用网格化模型,设第k个网格慢度产生增量Δs_k，

${\mathrm{\Δt}}_j=\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{\mathrm{\Δs}}_k{a}_{jk},j=1,2,\mathrm{3....}J---\left(2\right)$

式中：Δt_j为理论传输时间与模型传输时间之差，j为射线编号，J是射线的总条数，k为网格编号，K为射线经过的网格总数，a_jk为第j条射线在第个k网格内的线段长度。

所述步骤(6)中，用网格化模型作为约束条件求得Δs_k的L²模的极小解，通过拉格朗日乘子法建立目标函数，加入不随迭代变化的松弛因子μ，最终得到波波慢速修正值如下式：

${\stackrel{\‾}{s}}_k^{q,j}={\stackrel{\‾}{s}}_k^{q,j+1}+\mathrm{\μ}\frac{\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}(a_{jk}{\mathrm{\Δt}}_j/\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{a}_{jk})}{\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{a_{jk}}^2}---\left(3\right)$

式中：q为迭代次数。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提出了一种基于超声波的混凝土密实性评估方法，可实现对混凝土密实度的无损、定量检测。相比传统的超声CT方法而言，不仅仅通过超声波的直线传播路径进行反演，而是基于统计学原理，预先定性评估一个不密实区域，进而修正正演模型，最终反演得到更为准确的混凝土波速分布。其测试精度相比传统超声CT方法要更高。

(2)该发明方法操作简单、使用方便，引入二维成像，清晰明了的反映出混凝土内部缺陷，是一种具有广阔推广前景的评估方法。

附图说明

图1是本评估方法的测试示意图；

图2是本评估方法声波射线网格图；

图3(a)是本评估方法依据步骤3获得波速分布图整体图；

图3(b)是本评估方法依据步骤3获得波速分布图局部放大图；

图4是本评估方法依据步骤5的方法，基于射线追踪最短路径法获得的波速传播路径图；

图5是本评估方法依据SIRT模型重构算法反演得到内部声速的分布色谱图；

图6是本评估方法中的试块、空洞与测点立体图。

其中，1为测试混凝土块，2为空洞部位，3为发射端，4为接收端，5为声波射线网，6为反演得到的空洞，7为不同颜色对应波速的图例，8为测试区域，9为测点。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

步骤1，如图1、2、4所示，本发明基于超声波的混凝土密实性评估方法，首先根据测试试块1具体尺寸，选定测试区域8，等间距确定测点9，选择相对两侧，一侧作为发射端3，一侧作为接收端4。

步骤2，在测试区域8涂抹耦合剂。如凡士林或黄油。耦合剂的选用原则主要有以下六个方面：1)耦合剂的声阻抗应尽量与工件的声阻抗接近以提高透声性；2)润湿性好，在工件表面易于铺展并与工件表面结合，以利排除空气与异物的干扰；3)粘度适当，便于探头在检测面上的移动扫查，也要易于清洗或清除；4)对工件无腐蚀，对操作人员无毒、无损害；5)价格便宜；6)来源方便，用声波检测仪进行检测，声波射线网格5覆盖到整个被测试混凝土区域，记录测点的测距d_i，首波声时t_i0。

步骤3，通过各个发射、接收位置得到的首波声时，得到图3混凝土内部声速的分布图，可从二维层面定性评估混凝土内部质量。

步骤4，依据图3(a)、图3(b)，修改正演模型的低波速区域。详细修正方法为：连接所有实心圆圈离散点的外轮廓，外轮廓内部为确定为正演模型的低波速区域，具体图示参见图3(b)，图3(b)中为粗实线为所有实心圆圈离散点的外轮廓。

步骤5，基于射线追踪最短路径法，正演获得的图4波速传播路径图。

超声CT正演的思路为：对实际介质进行离散化，将被测试区域剖分成一系列小单元，在单元边界上设置若干节点，将彼此相邻的节点相连构成一个网络。网络中，速度场分布在离散的节点上。相邻节点之间的旅行时为他们之间欧氏距离与波速比值。波阵面定义为由有限个离散点次级源组成，对于某个次级源(即某个网格节点)，选取与其所有相邻的点(邻域点)组成计算网格点；由一个源点出发，计算出从源点到计算网格点的透射走时、射线路径、和射线长度；然后把除震源之外的所有网格点相继当作次级源，选取该节点相应的计算网格点，计算出从次级源点到计算网格点的透射走时、射线路径、和射线长度；将每次计算出来的走时加上从震源到次级源的走时，作为震源点到该网格节点的走时，记录下相应的射线路径位置及射线长度。

步骤6，依据SIRT模型重构算法反演得到图5内部声速的分布色谱图。

SIRT模型重构算法的主导思想是，假设断层截面由一个未知的矩阵组成，然后由测量投影数据建立一组未知向量的代数方程式，通过方程组求解未知图像向量。

波传输时间求解速度分布的问题，可以用关系式表示为

T＝∫_rsdl (1)

式中：T为波传输时间，r表示射线路径，s为网格慢度(波速度的倒数)。

采用网格化模型,设网格慢度产生增量△s，根据公式(1)：

${\mathrm{\Δt}}_j=\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{\mathrm{\Δs}}_k{a}_{jk},j=1,2,\mathrm{3....}J---\left(2\right)$

式中：Δt_j为理论传输时间与模型传输时间之差，j为射线编号，J是射线的总条数，k为网格编号，K为射线经过的网格总数。

此时反演问题变为根据第j条射线走时误差求取声波慢度的修改增量。用SIRT算法，对声波慢度的修改增量，考虑了通过同一单元的所有声波射线的平均修正值。由于方程(2)高度欠定，用它作为约束条件求的Δs_k的L²模的极小解，通过拉格朗日乘子法建立目标函数，加入不随迭代变化的松弛因子μ，最终可得到波波慢速修正值如下式：

${\stackrel{\‾}{s}}_k^{q,j}={\stackrel{\‾}{s}}_k^{q,j+1}+\mathrm{\μ}\frac{\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}(a_{jk}{\mathrm{\Δt}}_j/\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{a}_{jk})}{\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{a_{jk}}^2}---\left(3\right)$

式中：q为迭代次数。

其中，判别方法为：

3.1对所有首波声时t_i0，计算均值μ和方差σ²；

3.2假定首波声时测试数据服从正态分布，对给定的置信度1-α,根据分布求分位数Z_α/2；

3.3对混凝土内部声速分布图中，小于的首波声时的线标记为虚线，n为测点数量；

3.4统计图中各个交叉点的虚线数量，认为交叉点虚线数量大于n/3的交叉点的位置均为空洞或者不密实区域，对上述位置标记实心圆圈。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。