Page 73 - 《应用声学）》2023年第5期

第 42 卷 第 5 期 张邦： 超声阵列方法在层状结构损伤检测中的应用 965

各类损伤模型以图 1(b) 所示的模型为基础，模 缝分别出现在砂浆层顶部和底部。使用0.01 m规则
拟不密实缺陷时，设置病害区横波速度为1000 m/s； 网格对模型剖分，主频 40 kHz 雷克子波作为声源，
模拟脱空时，砂浆层缺陷横波速度设为 0 m/s；模拟 按0.01 m道间距进行数值模拟，不同缺陷模型模拟
离缝时，离缝区域速度为 0 m/s，厚度为 0.01 m，离 声压剖面如图2所示。
0 0 0 0

0.5 0.5 0.5 0.5

௑ᫎ/ms 1.0 1.0 1.0 1.0

1.5
1.5
1.5
1.5
2.0 2.0 2.0 2.0
2.5 2.5 2.5 2.5
1 101201301401501601701800 1 101201301401501601701800 1 101201301401501601701800 1 101201301401501601701800
᥋Ղ ᥋Ղ ᥋Ղ ᥋Ղ
(a) ˀࠛࠄവیവલᝮै (b) ᑲቇവیവલᝮै (c) ʽሏᎋവیവલᝮै (d) ʾሏᎋവیവલᝮै

图 2 砂浆层缺陷数值模拟
Fig. 2 Numerical simulation of defects in mortar layer

图2为砂浆层缺陷(不密实、脱空、离缝)数值模 性阵列，各换能器间距 3 cm。换能器 (图 3) 通过点
拟结果。图2(a)中，对于砂浆层松散缺陷，会在松散 接触硬耦合方式直接作用于检测面，探头尖端与轨
区端部产生绕射，低速松散区会导致砂浆层底部即 道板表面接触点直径约 1 mm，数据采集过程中无
支承层顶界面反射同相轴相对其他位置有延迟，且 需使用耦合剂。超声换能器带宽为 25∼ 80 kHz，直
会产生多次波。图 2(b) 中，砂浆层灌注不饱满导致 接激发超声横波，通过接触点向检测对象发射和接
的脱空，会在砂浆层顶部产生很强的反射波，且超声 收信号。
波无法穿透脱空区域，导致下部支承层顶底界面无
反射，同时，脱空区域两端也会产生绕射波。图2(c)
为砂浆层顶部离缝模拟记录，离缝厚 1 cm，与脱空
(厚度5 cm)情况相同，由于超声横波无法穿透空气，
此时离缝与脱空对超声横波产生的效果相同。当离
缝在砂浆层底部时 (图 2(d))，离缝部位会产生较强
的反射波，且离缝反射同相轴会比砂浆层底界面反
射同相轴到时更短，离缝反射波会在砂浆层间多次
震荡，能量逐次衰减。
图 3 超声点接触干耦合探头
1.2 超声波检测方法
Fig. 3 Ultrasonic point contact dry coupled probe
超声波在混凝土结构中的传播机理复杂，会在
混凝土内部石块、钢筋、裂隙、孔隙等内部阻抗界面 超声横波在无砟轨道混凝土结构中的传播速
上发生反射、散射、波场转换等，这种情况下，对混 度范围在 2600 ∼ 3200 m/s，使用 50 kHz 脉冲信号
凝土结构内部微小的裂缝、离缝及脱空进行准确的 进行数据采集。在检测面上等间距布置测线、测点
探测难度较大。通常层状混凝土结构中的裂缝以及 组成测网，测点间距为 0.2 m，每个测点使用换能器
层间离缝等缺陷充填着空气或水等流体介质，而横 阵列按如图 4(a) 示意方式采集半矩阵数据并进行
波无法在流体介质中传播，因而对上述缺陷更为敏 TFM成像 [9−10] 。换能器排列从左到右，第1个探头
感。另外，横波相比纵波波速更低，波长更短，具有 发射时，其右边 11 个探头接收信号，第 2 个探头发
更高的分辨率。本文采用MIRA A1040型混凝土检 射时，其右边 10 个探头接收信号，阵元接收到的信
测设备采集数据，该设备通过 12通道换能器组成线 号记为 R ij ，其中 i 为发射阵元编号 (1 6 i < N)，j