本發(fā)明涉及一種基于超聲波的混凝土密實性評估方法。

背景技術(shù)：

超聲檢測技術(shù)是檢測混凝土質(zhì)量的重要手段，由于大量建設(shè)工程得需求，發(fā)展十分迅速。隨著超聲波檢測儀器不斷完善和改進，儀器本身變得更加小巧輕便，并采用集成化和智能化模塊，實現(xiàn)“一機多能”，可以采集聲速、波幅和頻率等多重參數(shù)，逐漸運用到定量推定混凝土質(zhì)量檢測中。

然而目前對于混凝土內(nèi)部不密實區(qū)、空洞等的超聲波檢測方面，文獻較少，尤其是定量檢測內(nèi)部空洞和不密實區(qū)的技術(shù)還未成形。

目前對混凝土不密實區(qū)和空洞區(qū)的檢測基本有沖擊回波法，超聲波法。沖擊回波法基本只能通過回波的時間和波形的頻率圖，定性判別混凝土是否存在空洞或者不密實現(xiàn)象。超聲波檢測方面，目前的研究還僅僅停留在定性判別層次。主要研究可簡介如下：

1)通過無缺陷混凝土構(gòu)件和有空洞混凝土構(gòu)件的超聲波首波時間來計算內(nèi)部空洞區(qū)域的大小，但是內(nèi)部空洞一般是理論假設(shè)的圓形，明顯混凝土內(nèi)部空洞的形狀是隨機形狀。所以該方法的判別精度有待提高。

2)通過無缺陷混凝土構(gòu)件和有空洞和不密實區(qū)域混凝土構(gòu)件的超聲波的波形時程曲線形狀去判別，而該方法僅能通過不同的波形形狀去判別混凝土構(gòu)件內(nèi)部的空洞或者不密實病害，還停留在定性判別的層次。

3)傳統(tǒng)的超聲CT技術(shù)，僅僅通過首波時間，進行反演，直接得到混凝土內(nèi)部的不密實區(qū)或者空洞區(qū)域。但是由于構(gòu)件內(nèi)部混凝土的波速假定的初值都為統(tǒng)一定值，在該種統(tǒng)一初值情況得到的反演結(jié)果與實際構(gòu)件內(nèi)部空洞或者不密實區(qū)域會存在較大誤差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種基于超聲波的混凝土密實性評估方法，本方法基于超聲波，能夠?qū)崿F(xiàn)對結(jié)構(gòu)無損、且能定量判斷混凝土密實性的方法，解決現(xiàn)有的對混凝土內(nèi)部空洞和不密實區(qū)的未能定量檢測的問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于超聲波的混凝土密實性評估方法，利用超聲波檢測設(shè)定的測點處的首波聲時，繼而確定混凝土內(nèi)部聲速的分布圖，對分布圖中疑似空洞或不密實區(qū)域進行標注，建立超聲CT的正演模型，基于射線追蹤最短路徑法，獲得超聲波的傳播路徑，進行反演，以定量評估混凝土內(nèi)部的空洞或不密實區(qū)域的大小。

一種基于超聲波的混凝土密實性評估方法，具體包括以下步驟：

(1)根據(jù)測試構(gòu)件大小，在構(gòu)件表面隨機確定測試區(qū)域，并采用一點發(fā)射多點接收的測點布置，并建立多個發(fā)射點，使聲波射線網(wǎng)格覆蓋到整個測試區(qū)域；

(2)利用超聲波檢測儀對發(fā)射點及接收點進行檢測，每個測點建立一個測試文件，在測試文件中記錄相對應測點的測距與首波聲時；

(3)利用首波聲時，得到混凝土內(nèi)部聲速的分布圖，標記聲速小于閾值的首波聲時的線，統(tǒng)計分布圖中交叉點處的標記線數(shù)量，將標記線數(shù)量超過預定值的交叉點進行標記；

(4)根據(jù)標記的交叉點，定性評估混凝土內(nèi)部空洞或者不密實區(qū)域；

(5)根據(jù)判別得到的空洞或者不密實區(qū)域，建立超聲CT的正演模型，正演模型中設(shè)置標記交叉點位置為低波速區(qū)域，基于射線追蹤最短路徑法，獲得超聲波的傳播路徑；

(6)根據(jù)正演得到的超聲波傳播路徑，基于SIRT模型重構(gòu)算法進行測試對象的波速反演，最終達到定量評估混凝土內(nèi)部的空洞或不密實區(qū)域的大小。

所述步驟(1)中，根據(jù)測試構(gòu)件的大小，隨機抽取測試區(qū)域。

所述步驟(2)中，在測試區(qū)域涂抹耦合劑，進行超聲波檢測，每個測點建立一個測試文件，在測試文件中記錄測點的測距、首波聲時。

所述步驟(3)中，具體步驟包括：

(3-1)對所有首波聲時t_i0，計算均值μ和方差σ²；

(3-2)假定首波聲時測試數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，對給定的置信度1-α,根據(jù)分布求分位數(shù)Z_α/2；

(3-3)對混凝土內(nèi)部聲速分布圖中，小于的首波聲時的線標記為虛線，n為測點數(shù)量；

(3-4)統(tǒng)計圖中各個交叉點的虛線數(shù)量，認為交叉點虛線數(shù)量大于n/3的交叉點的位置均為空洞或者不密實區(qū)域，對上述位置標記實心圓圈。

所述步驟(5)中，具體步驟包括：

(5-1)對實際介質(zhì)進行離散化，將被測試區(qū)域剖分成一系列小單元，在小單元邊界上設(shè)置若干節(jié)點，將彼此相鄰的節(jié)點相連構(gòu)成一個網(wǎng)絡；

(5-2)對于某個網(wǎng)格節(jié)點，選取與其所有相鄰的鄰域點組成計算網(wǎng)格點；

(5-3)由一個源點出發(fā)，計算出從源點到計算網(wǎng)格點的透射走時、射線路徑、和射線長度；

(5-4)將除震源之外的所有網(wǎng)格點相繼當作次級源，選取該節(jié)點相應的計算網(wǎng)格點，計算出從次級源點到計算網(wǎng)格點的透射走時、射線路徑、和射線長度；

(5-5)將每次計算出來的走時加上從震源到次級源的走時，作為震源點到該網(wǎng)格節(jié)點的走時，記錄下相應的射線路徑位置及射線長度。

所述步驟(5)中，網(wǎng)絡中，速度場分布在離散的節(jié)點上。

所述步驟(6)中，設(shè)斷層截面由一個未知的矩陣組成，然后由測量投影數(shù)據(jù)建立一組未知向量的關(guān)系式，將反演問題變?yōu)楦鶕?jù)第j條射線走時誤差求取聲波慢度的修改增量，求解以計算得到未知圖像向量。

所述步驟(6)中，波傳輸時間求解速度分布的問題，用關(guān)系式表示為

T＝∫_rsdl (1)

式中：T為波傳輸時間，r表示射線路徑，s為網(wǎng)格慢度，即波速度的倒數(shù)。

所述步驟(6)中，采用網(wǎng)格化模型,設(shè)第k個網(wǎng)格慢度產(chǎn)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為理論傳輸時間與模型傳輸時間之差，j為射線編號，J是射線的總條數(shù)，k為網(wǎng)格編號，K為射線經(jīng)過的網(wǎng)格總數(shù)，a_jk為第j條射線在第個k網(wǎng)格內(nèi)的線段長度。

所述步驟(6)中，用網(wǎng)格化模型作為約束條件求得Δs_k的L²模的極小解，通過拉格朗日乘子法建立目標函數(shù)，加入不隨迭代變化的松弛因子μ，最終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為迭代次數(shù)。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明提出了一種基于超聲波的混凝土密實性評估方法，可實現(xiàn)對混凝土密實度的無損、定量檢測。相比傳統(tǒng)的超聲CT方法而言，不僅僅通過超聲波的直線傳播路徑進行反演，而是基于統(tǒng)計學原理，預先定性評估一個不密實區(qū)域，進而修正正演模型，最終反演得到更為準確的混凝土波速分布。其測試精度相比傳統(tǒng)超聲CT方法要更高。

(2)該發(fā)明方法操作簡單、使用方便，引入二維成像，清晰明了的反映出混凝土內(nèi)部缺陷，是一種具有廣闊推廣前景的評估方法。

附圖說明

圖1是本評估方法的測試示意圖；

圖2是本評估方法聲波射線網(wǎng)格圖；

圖3(a)是本評估方法依據(jù)步驟3獲得波速分布圖整體圖；

圖3(b)是本評估方法依據(jù)步驟3獲得波速分布圖局部放大圖；

圖4是本評估方法依據(jù)步驟5的方法，基于射線追蹤最短路徑法獲得的波速傳播路徑圖；

圖5是本評估方法依據(jù)SIRT模型重構(gòu)算法反演得到內(nèi)部聲速的分布色譜圖；

圖6是本評估方法中的試塊、空洞與測點立體圖。

其中，1為測試混凝土塊，2為空洞部位，3為發(fā)射端，4為接收端，5為聲波射線網(wǎng)，6為反演得到的空洞，7為不同顏色對應波速的圖例，8為測試區(qū)域，9為測點。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。

步驟1，如圖1、2、4所示，本發(fā)明基于超聲波的混凝土密實性評估方法，首先根據(jù)測試試塊1具體尺寸，選定測試區(qū)域8，等間距確定測點9，選擇相對兩側(cè)，一側(cè)作為發(fā)射端3，一側(cè)作為接收端4。

步驟2，在測試區(qū)域8涂抹耦合劑。如凡士林或黃油。耦合劑的選用原則主要有以下六個方面：1)耦合劑的聲阻抗應盡量與工件的聲阻抗接近以提高透聲性；2)潤濕性好，在工件表面易于鋪展并與工件表面結(jié)合，以利排除空氣與異物的干擾；3)粘度適當，便于探頭在檢測面上的移動掃查，也要易于清洗或清除；4)對工件無腐蝕，對操作人員無毒、無損害；5)價格便宜；6)來源方便，用聲波檢測儀進行檢測，聲波射線網(wǎng)格5覆蓋到整個被測試混凝土區(qū)域，記錄測點的測距d_i，首波聲時t_i0。

步驟3，通過各個發(fā)射、接收位置得到的首波聲時，得到圖3混凝土內(nèi)部聲速的分布圖，可從二維層面定性評估混凝土內(nèi)部質(zhì)量。

步驟4，依據(jù)圖3(a)、圖3(b)，修改正演模型的低波速區(qū)域。詳細修正方法為：連接所有實心圓圈離散點的外輪廓，外輪廓內(nèi)部為確定為正演模型的低波速區(qū)域，具體圖示參見圖3(b)，圖3(b)中為粗實線為所有實心圓圈離散點的外輪廓。

步驟5，基于射線追蹤最短路徑法，正演獲得的圖4波速傳播路徑圖。

超聲CT正演的思路為：對實際介質(zhì)進行離散化，將被測試區(qū)域剖分成一系列小單元，在單元邊界上設(shè)置若干節(jié)點，將彼此相鄰的節(jié)點相連構(gòu)成一個網(wǎng)絡。網(wǎng)絡中，速度場分布在離散的節(jié)點上。相鄰節(jié)點之間的旅行時為他們之間歐氏距離與波速比值。波陣面定義為由有限個離散點次級源組成，對于某個次級源(即某個網(wǎng)格節(jié)點)，選取與其所有相鄰的點(鄰域點)組成計算網(wǎng)格點；由一個源點出發(fā)，計算出從源點到計算網(wǎng)格點的透射走時、射線路徑、和射線長度；然后把除震源之外的所有網(wǎng)格點相繼當作次級源，選取該節(jié)點相應的計算網(wǎng)格點，計算出從次級源點到計算網(wǎng)格點的透射走時、射線路徑、和射線長度；將每次計算出來的走時加上從震源到次級源的走時，作為震源點到該網(wǎng)格節(jié)點的走時，記錄下相應的射線路徑位置及射線長度。

步驟6，依據(jù)SIRT模型重構(gòu)算法反演得到圖5內(nèi)部聲速的分布色譜圖。

SIRT模型重構(gòu)算法的主導思想是，假設(shè)斷層截面由一個未知的矩陣組成，然后由測量投影數(shù)據(jù)建立一組未知向量的代數(shù)方程式，通過方程組求解未知圖像向量。

波傳輸時間求解速度分布的問題，可以用關(guān)系式表示為

T＝∫_rsdl (1)

式中：T為波傳輸時間，r表示射線路徑，s為網(wǎng)格慢度(波速度的倒數(shù))。

采用網(wǎng)格化模型,設(shè)網(wǎng)格慢度產(chǎn)生增量△s，根據(jù)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為理論傳輸時間與模型傳輸時間之差，j為射線編號，J是射線的總條數(shù)，k為網(wǎng)格編號，K為射線經(jīng)過的網(wǎng)格總數(shù)。

此時反演問題變?yōu)楦鶕?jù)第j條射線走時誤差求取聲波慢度的修改增量。用SIRT算法，對聲波慢度的修改增量，考慮了通過同一單元的所有聲波射線的平均修正值。由于方程(2)高度欠定，用它作為約束條件求的Δs_k的L²模的極小解，通過拉格朗日乘子法建立目標函數(shù)，加入不隨迭代變化的松弛因子μ，最終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為迭代次數(shù)。

其中，判別方法為：

3.1對所有首波聲時t_i0，計算均值μ和方差σ²；

3.2假定首波聲時測試數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，對給定的置信度1-α,根據(jù)分布求分位數(shù)Z_α/2；

3.3對混凝土內(nèi)部聲速分布圖中，小于的首波聲時的線標記為虛線，n為測點數(shù)量；

3.4統(tǒng)計圖中各個交叉點的虛線數(shù)量，認為交叉點虛線數(shù)量大于n/3的交叉點的位置均為空洞或者不密實區(qū)域，對上述位置標記實心圓圈。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。