本發(fā)明涉及一種基于超聲波的混凝土密實(shí)性評(píng)估方法。

背景技術(shù)：

超聲檢測(cè)技術(shù)是檢測(cè)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(cè)儀器不斷完善和改進(jìn)，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(shí)現(xiàn)“一機(jī)多能”，可以采集聲速、波幅和頻率等多重參數(shù)，逐漸運(yùn)用到定量推定混凝土質(zhì)量檢測(cè)中。

然而目前對(duì)于混凝土內(nèi)部不密實(shí)區(qū)、空洞等的超聲波檢測(cè)方面，文獻(xiàn)較少，尤其是定量檢測(cè)內(nèi)部空洞和不密實(shí)區(qū)的技術(shù)還未成形。

目前對(duì)混凝土不密實(shí)區(qū)和空洞區(qū)的檢測(cè)基本有沖擊回波法，超聲波法。沖擊回波法基本只能通過(guò)回波的時(shí)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(shí)現(xiàn)象。超聲波檢測(cè)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(jiǎn)介如下：

1)通過(guò)無(wú)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(shí)間來(lái)計(jì)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(jī)形狀。所以該方法的判別精度有待提高。

2)通過(guò)無(wú)缺陷混凝土構(gòu)件和有空洞和不密實(shí)區(qū)域混凝土構(gòu)件的超聲波的波形時(shí)程曲線(xiàn)形狀去判別，而該方法僅能通過(guò)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(shí)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(guò)首波時(shí)間，進(jìn)行反演，直接得到混凝土內(nèi)部的不密實(shí)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(shí)際構(gòu)件內(nèi)部空洞或者不密實(shí)區(qū)域會(huì)存在較大誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問(wèn)題，提出了一種基于超聲波的混凝土密實(shí)性評(píng)估方法，本方法基于超聲波，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)無(wú)損、且能定量判斷混凝土密實(shí)性的方法，解決現(xiàn)有的對(duì)混凝土內(nèi)部空洞和不密實(shí)區(qū)的未能定量檢測(cè)的問(wèn)題。

為了實(shí)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(shí)性評(píng)估方法，利用超聲波檢測(cè)設(shè)定的測(cè)點(diǎn)處的首波聲時(shí)，繼而確定混凝土內(nèi)部聲速的分布圖，對(duì)分布圖中疑似空洞或不密實(shí)區(qū)域進(jìn)行標(biāo)注，建立超聲CT的正演模型，基于射線(xiàn)追蹤最短路徑法，獲得超聲波的傳播路徑，進(jìn)行反演，以定量評(píng)估混凝土內(nèi)部的空洞或不密實(shí)區(qū)域的大小。

一種基于超聲波的混凝土密實(shí)性評(píng)估方法，具體包括以下步驟：

(1)根據(jù)測(cè)試構(gòu)件大小，在構(gòu)件表面隨機(jī)確定測(cè)試區(qū)域，并采用一點(diǎn)發(fā)射多點(diǎn)接收的測(cè)點(diǎn)布置，并建立多個(gè)發(fā)射點(diǎn)，使聲波射線(xiàn)網(wǎng)格覆蓋到整個(gè)測(cè)試區(qū)域；

(2)利用超聲波檢測(cè)儀對(duì)發(fā)射點(diǎn)及接收點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)建立一個(gè)測(cè)試文件，在測(cè)試文件中記錄相對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的測(cè)距與首波聲時(shí)；

(3)利用首波聲時(shí)，得到混凝土內(nèi)部聲速的分布圖，標(biāo)記聲速小于閾值的首波聲時(shí)的線(xiàn)，統(tǒng)計(jì)分布圖中交叉點(diǎn)處的標(biāo)記線(xiàn)數(shù)量，將標(biāo)記線(xiàn)數(shù)量超過(guò)預(yù)定值的交叉點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記；

(4)根據(jù)標(biāo)記的交叉點(diǎn)，定性評(píng)估混凝土內(nèi)部空洞或者不密實(shí)區(qū)域；

(5)根據(jù)判別得到的空洞或者不密實(shí)區(qū)域，建立超聲CT的正演模型，正演模型中設(shè)置標(biāo)記交叉點(diǎn)位置為低波速區(qū)域，基于射線(xiàn)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(jìn)行測(cè)試對(duì)象的波速反演，最終達(dá)到定量評(píng)估混凝土內(nèi)部的空洞或不密實(shí)區(qū)域的大小。

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

所述步驟(2)中，在測(cè)試區(qū)域涂抹耦合劑，進(jìn)行超聲波檢測(cè)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)建立一個(gè)測(cè)試文件，在測(cè)試文件中記錄測(cè)點(diǎn)的測(cè)距、首波聲時(shí)。

所述步驟(3)中，具體步驟包括：

(3-1)對(duì)所有首波聲時(shí)t_i0，計(jì)算均值μ和方差σ²；

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

(3-3)對(duì)混凝土內(nèi)部聲速分布圖中，小于的首波聲時(shí)的線(xiàn)標(biāo)記為虛線(xiàn)，n為測(cè)點(diǎn)數(shù)量；

(3-4)統(tǒng)計(jì)圖中各個(gè)交叉點(diǎn)的虛線(xiàn)數(shù)量，認(rèn)為交叉點(diǎn)虛線(xiàn)數(shù)量大于n/3的交叉點(diǎn)的位置均為空洞或者不密實(shí)區(qū)域，對(duì)上述位置標(biāo)記實(shí)心圓圈。

所述步驟(5)中，具體步驟包括：

(5-1)對(duì)實(shí)際介質(zhì)進(jìn)行離散化，將被測(cè)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(diǎn)，將彼此相鄰的節(jié)點(diǎn)相連構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)；

(5-2)對(duì)于某個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，選取與其所有相鄰的鄰域點(diǎn)組成計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)；

(5-3)由一個(gè)源點(diǎn)出發(fā)，計(jì)算出從源點(diǎn)到計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)的透射走時(shí)、射線(xiàn)路徑、和射線(xiàn)長(zhǎng)度；

(5-4)將除震源之外的所有網(wǎng)格點(diǎn)相繼當(dāng)作次級(jí)源，選取該節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)，計(jì)算出從次級(jí)源點(diǎn)到計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)的透射走時(shí)、射線(xiàn)路徑、和射線(xiàn)長(zhǎng)度；

(5-5)將每次計(jì)算出來(lái)的走時(shí)加上從震源到次級(jí)源的走時(shí)，作為震源點(diǎn)到該網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的走時(shí)，記錄下相應(yīng)的射線(xiàn)路徑位置及射線(xiàn)長(zhǎng)度。

所述步驟(5)中，網(wǎng)絡(luò)中，速度場(chǎng)分布在離散的節(jié)點(diǎn)上。

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

所述步驟(6)中，波傳輸時(shí)間求解速度分布的問(wèn)題，用關(guān)系式表示為

T＝∫_rsdl (1)

式中：T為波傳輸時(shí)間，r表示射線(xiàn)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(gè)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(shí)間與模型傳輸時(shí)間之差，j為射線(xiàn)編號(hào)，J是射線(xiàn)的總條數(shù)，k為網(wǎng)格編號(hào)，K為射線(xiàn)經(jīng)過(guò)的網(wǎng)格總數(shù)，a_jk為第j條射線(xiàn)在第個(gè)k網(wǎng)格內(nèi)的線(xiàn)段長(zhǎng)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(guò)拉格朗日乘子法建立目標(biāo)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(shí)性評(píng)估方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土密實(shí)度的無(wú)損、定量檢測(cè)。相比傳統(tǒng)的超聲CT方法而言，不僅僅通過(guò)超聲波的直線(xiàn)傳播路徑進(jìn)行反演，而是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，預(yù)先定性評(píng)估一個(gè)不密實(shí)區(qū)域，進(jìn)而修正正演模型，最終反演得到更為準(zhǔn)確的混凝土波速分布。其測(cè)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(jiǎn)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(píng)估方法。

附圖說(shuō)明

圖1是本評(píng)估方法的測(cè)試示意圖；

圖2是本評(píng)估方法聲波射線(xiàn)網(wǎng)格圖；

圖3(a)是本評(píng)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(píng)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(píng)估方法依據(jù)步驟5的方法，基于射線(xiàn)追蹤最短路徑法獲得的波速傳播路徑圖；

圖5是本評(píng)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(píng)估方法中的試塊、空洞與測(cè)點(diǎn)立體圖。

其中，1為測(cè)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(xiàn)網(wǎng)，6為反演得到的空洞，7為不同顏色對(duì)應(yīng)波速的圖例，8為測(cè)試區(qū)域，9為測(cè)點(diǎn)。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)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(shí)性評(píng)估方法，首先根據(jù)測(cè)試試塊1具體尺寸，選定測(cè)試區(qū)域8，等間距確定測(cè)點(diǎn)9，選擇相對(duì)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(cè)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(gè)方面：1)耦合劑的聲阻抗應(yīng)盡量與工件的聲阻抗接近以提高透聲性；2)潤(rùn)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(dāng)，便于探頭在檢測(cè)面上的移動(dòng)掃查，也要易于清洗或清除；4)對(duì)工件無(wú)腐蝕，對(duì)操作人員無(wú)毒、無(wú)損害；5)價(jià)格便宜；6)來(lái)源方便，用聲波檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)，聲波射線(xiàn)網(wǎng)格5覆蓋到整個(gè)被測(cè)試混凝土區(qū)域，記錄測(cè)點(diǎn)的測(cè)距d_i，首波聲時(shí)t_i0。

步驟3，通過(guò)各個(gè)發(fā)射、接收位置得到的首波聲時(shí)，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(píng)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(xì)修正方法為：連接所有實(shí)心圓圈離散點(diǎn)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(jiàn)圖3(b)，圖3(b)中為粗實(shí)線(xiàn)為所有實(shí)心圓圈離散點(diǎn)的外輪廓。

步驟5，基于射線(xiàn)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(duì)實(shí)際介質(zhì)進(jìn)行離散化，將被測(cè)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(diǎn)，將彼此相鄰的節(jié)點(diǎn)相連構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中，速度場(chǎng)分布在離散的節(jié)點(diǎn)上。相鄰節(jié)點(diǎn)之間的旅行時(shí)為他們之間歐氏距離與波速比值。波陣面定義為由有限個(gè)離散點(diǎn)次級(jí)源組成，對(duì)于某個(gè)次級(jí)源(即某個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn))，選取與其所有相鄰的點(diǎn)(鄰域點(diǎn))組成計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)；由一個(gè)源點(diǎn)出發(fā)，計(jì)算出從源點(diǎn)到計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)的透射走時(shí)、射線(xiàn)路徑、和射線(xiàn)長(zhǎng)度；然后把除震源之外的所有網(wǎng)格點(diǎn)相繼當(dāng)作次級(jí)源，選取該節(jié)點(diǎn)相應(yīng)的計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)，計(jì)算出從次級(jí)源點(diǎn)到計(jì)算網(wǎng)格點(diǎn)的透射走時(shí)、射線(xiàn)路徑、和射線(xiàn)長(zhǎng)度；將每次計(jì)算出來(lái)的走時(shí)加上從震源到次級(jí)源的走時(shí)，作為震源點(diǎn)到該網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的走時(shí)，記錄下相應(yīng)的射線(xiàn)路徑位置及射線(xiàn)長(zhǎng)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(dǎo)思想是，假設(shè)斷層截面由一個(gè)未知的矩陣組成，然后由測(cè)量投影數(shù)據(jù)建立一組未知向量的代數(shù)方程式，通過(guò)方程組求解未知圖像向量。

波傳輸時(shí)間求解速度分布的問(wèn)題，可以用關(guān)系式表示為

T＝∫_rsdl (1)

式中：T為波傳輸時(shí)間，r表示射線(xiàn)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(shí)間與模型傳輸時(shí)間之差，j為射線(xiàn)編號(hào)，J是射線(xiàn)的總條數(shù)，k為網(wǎng)格編號(hào)，K為射線(xiàn)經(jīng)過(guò)的網(wǎng)格總數(shù)。

此時(shí)反演問(wèn)題變?yōu)楦鶕?jù)第j條射線(xiàn)走時(shí)誤差求取聲波慢度的修改增量。用SIRT算法，對(duì)聲波慢度的修改增量，考慮了通過(guò)同一單元的所有聲波射線(xiàn)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(guò)拉格朗日乘子法建立目標(biāo)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(duì)所有首波聲時(shí)t_i0，計(jì)算均值μ和方差σ²；

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

3.3對(duì)混凝土內(nèi)部聲速分布圖中，小于的首波聲時(shí)的線(xiàn)標(biāo)記為虛線(xiàn)，n為測(cè)點(diǎn)數(shù)量；

3.4統(tǒng)計(jì)圖中各個(gè)交叉點(diǎn)的虛線(xiàn)數(shù)量，認(rèn)為交叉點(diǎn)虛線(xiàn)數(shù)量大于n/3的交叉點(diǎn)的位置均為空洞或者不密實(shí)區(qū)域，對(duì)上述位置標(biāo)記實(shí)心圓圈。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)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(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以?xún)?nèi)。