大体积混凝土无损检测-声波散射成像方法关键技术

大体积混凝土无损检测面临很多难题。首先，混凝土是由水泥、骨料、砂、钢筋构成的凝聚体，是一种非均匀的结构物。非均匀的尺度由骨料大小决定。非均匀体的散射特性影响到检测的分辨率和波的传播距离（探测深度）。使用弹性波与电磁波探测混凝土时，根据瑞利散射与米散射理论，如果使用的波长小于骨料尺度时，波的能量绝大部分被逆散射回来，很难透射入混凝体中。因而若探测混凝土内部结构，使用的波长必须超过骨料尺度的10倍，分辨率也于此相当。对于1cm尺度骨料的混凝土，散射法探测时震源激振的波最佳频率在10kHz-20kHz。

大体积混凝土结构通常存在多个表面，检测中存在拉姆波干扰。这是大体积混凝土质量无损检测面对的又一疑难问题。能否有效地消除拉姆波的影响，是散射成像成败的关键技术之一。

由于混凝土的散射和几何扩散的强烈衰减，使得混凝土的检测不能依靠单点激发方式取得满意结果，通常采用相控阵震源技术提高信噪比和分辨率。物理相控阵频率高、能量小，但由于性价比较低以及设备体积过大不适合大体积混凝土无损检测。数学相控阵对震源设备要求低，便于实施，能起到物理相控阵达不到的效果，是一个新的技术途径。

综上所述，声波散射成像方法检测大体积混凝土包含四项关键技术。1.进行波场分离，滤除拉姆波提取散射波；2.对单点激发记录进行数学相控阵，提高激发点下方的照度；3.对散射记录进行速度扫描，获取混凝土的实际波速；4.根据波速分布和散射记录，进行偏移成像，获取混凝土内部结构图像。

1.波场分离技术消除拉姆波

混凝土结构具有封闭的表面，纵波+横波+表面反射形成干涉波场。这种波被称作拉姆波（Lamb）。拉姆波的传播与纵、横波速及混凝土厚度密切相关，有不同的模态和波结构。拉姆波具有频散特性，不同模态、不同频率的波传播波速不同。

拉姆波的能量比体波大得多，是混凝土结构检测的主要干扰。它频率较低，波速低于横波与纵波速度；波场分离使用视速度滤波方法将拉姆波滤除，提取出散射波。滤波参数选择保留视速度3800m/s以上即可（跟混凝土波速有关）。图1是滤波前后的结果对比。a为原始记录，b为滤波后的结果。从中可以清楚地看出滤波的效果。

图1 滤波前后的对比

2.震源的数学相控阵处理技术

单点激发的波场向下是广角辐射，如图2所示。能量在下方的照度分布是分散的，信噪比和横向分辨率都很低。相控阵是将震源规则排列，相位可控发射，使下方局部区域的照度得到加强，两侧照度被锐减。如医学B超使用的就是典型的物理相控阵技术。

图2 相控阵原理示意

在混凝土检测中使用物理相控阵困难重重，这里采用数学相控阵技术，可以达到物理相控证同样的效果。数学相控阵是一种后处理技术，它把单点激发的数据经过数学处理，合成为相控阵数据，具有与物理相控阵同等的效果。如图3所示，从对比中可以看出激发点下方的信号得到加强，右侧的信号被削弱，达到提高信噪比和横向分辨率的作用。以炮间距0.25cm为例，选用5个震源点相控阵，表面排列长度1m，最优聚焦区在2-4m深度。对不同目标深度的探测可调整相控阵的数目。

图3 震源相控阵与效果比较

3.混凝土波速的扫描

根据共炮点散射波记录，可以对炮点下方混凝土的波速与散射界面位置进行扫描，确定混凝土的波速分布。如图4所示。从图中可以看出波速在3800m/s左右，混凝土中界面清晰。除了地界面之外，还有内部界面，疑是存在冷缝（施工间歇面）。

图4 混凝土波速扫描结果