CN117969674A - 一种水下构筑物的界面波超声检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水下构筑物的界面波超声检测方法，计算构筑物中的纵波的速度和横波的速度；计算构筑物中界面波的特征方程，用数值方法求解该方程，得到理论的界面波速；计算可激发界面处的最大波幅的临界角；控制入射波角度为临界角，通过换能器抵近构筑物，将超声波射入构筑物内部形成水下构筑物界面波的波场，获得超声波信号。本发明提出了水下固体波技术，主要通过换能器抵近构筑物，将超声波射入构筑物内部；通过引发固体波动，再在固体波基础上采用临界入射方法，使固体波集中折射向水和构筑物的界面，形成界面波检测技术，从而在水下构筑物表面获取波形简单，传输稳定的超声波信号，方便检测材料参数、内部缺陷、表面微小损伤等。
Description
技术领域
本发明涉及超声波检测技术领域，尤其涉及一种水下构筑物的界面波超声检测方法。
背景技术
目前现有的水下构筑物检测技术主要包括钻芯法、视觉检查法、人工探摸法、电磁波法等。钻芯法主要通过人工对水下构筑物进行破坏性取样，并将取样送入实验室开展性能测试，从而获得水下构筑物的代表性样本；钻芯法对原构筑物存在损害，后续需要进行繁琐的修补工作；此外由于钻芯法的破坏性，测点数量少，无法在关键部位开展，无法大规模推广使用。视觉检查法主要通过人工或机器人搭载的摄像装备，对水下构筑物表观进行拍摄和检查；然而视觉技术无法检测水下构筑物的内部损伤与材料性能，难以对标水上规范，提供安全评估所需要的全部信息，同时还容易受到光照、水质的制约。人工探摸法主要通过潜水员对水下构筑物表面的触碰及观测，检测水下构筑物的物理性态；由于潜水员对水工及材料的专业知识有限，无法对水下构筑物进行有效的评估；同时人工潜水的作业深度受限，且危险性高、作业效率低。电磁波法主要通过GHz级的电磁波在构筑物表面及内部构造的反射，检测构筑物材料性能及损伤信息。然而电磁波法在水下构筑物检测时，受到水中导电离子含量影响，检测结果的稳定性和精度不佳。
为此可考虑采用超声波法检测水下构筑物,由于超声波可以在水下稳定地发生与传播，在海洋、船舶领域，已被证实是一种可靠的水下环境感知媒介和手段。事实上，基于超声波的无损检测技术已在水上构筑物中获得了一定应用，形成了《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》(CECS02)、《超声法检测混凝土缺陷技术规程》(CECS21)、《冲击回波法检测混凝土缺陷技术规程》(JGJT411)等规范。而对水下构筑物的超声检测主要限于液体波，代表性技术为单波束声呐、多波束声呐、侧扫声呐等，如图1所示，此类液体波技术主要采用水中传播的超声波；通过换能器引起水的波动，并根据水波在构筑物表面的反射，从远距离检测构筑物表面形态及明显的损伤。
液体波技术的局限性在于：1)对构筑物表面微小裂缝、孔洞、锈蚀等损伤的检测分辨率低，仅当缺陷尺寸大，明显影响构筑物表面形态时，才能检测出；2)无法检测构筑物内部缺陷，如混凝土内部孔洞、钢筋锈胀、金属焊接脱层等；3)无法检测构筑物材料性能，如弹模、密实度、强度等。
因此，亟待解决上述问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种水下构筑物的界面波超声检测方法，该检测方法提出了水下固体波技术，主要通过换能器(超声探头)抵近构筑物，将超声波射入构筑物内部；通过引发固体波动，再在固体波基础上采用临界入射方法，使固体波集中折射向水和构筑物的界面，形成界面波检测技术，从而在水下构筑物表面获取波形简单，传输稳定的超声波信号，方便检测材料参数、内部缺陷、表面微小损伤等。
技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种水下构筑物的界面波超声检测方法，包括如下步骤：
计算构筑物中的纵波的速度cp和横波的速度cs；
计算构筑物中界面波的特征方程，用数值方法求解该方程，得到理论的界面波速c；
其中ρw为水密度，cw为水中波速；
计算可激发界面处的最大波幅的临界角θcr；
控制入射波角度为临界角θcr，通过换能器抵近构筑物，将超声波射入构筑物内部形成水下构筑物界面波的波场，获得超声波信号。
其中，纵波的速度cp的计算公式为：
其中，E为弹性模量，ν为构筑物的泊松比，ρ为构筑物的密度。
优选的，横波的速度cs的计算公式为：
再者，临界角θcr的计算公式为：
进一步，还包括如下步骤：
基于超声波信号，测量水下界面波的波速，对水下构筑物的抗压强度进行检测，水下构筑物的抗压强度的计算公式为：
其中，V为实测的水下界面波速度，V＝L/Δt，L是换能器的激励器和接收器的间距，Δt是激励信号波峰和接收信号卓越波峰的时间间隔。
优选的，还包括如下步骤：
基于超声波信号，测量水下界面波的波速，对水下构筑物的抗压强度进行检测，当v和ρ未知时，水下构筑物的抗压强度的近似计算公式为：
fc＝1.919×10-12V4
其中，V为实测的水下界面波速度，V＝L/Δt，L是换能器的激励器和接收器的间距，Δt是激励信号波峰和接收信号卓越波峰的时间间隔。
再者，还包括如下步骤：
基于超声波信号，测量水下界面波的波速，对水下构筑物的弹性模量进行检测，水下构筑物的弹性模量的计算公式为：
E＝6510×V2
其中，V为实测的水下界面波速度，V＝L/Δt，L是换能器的激励器和接收器的间距，Δt是激励信号波峰和接收信号卓越波峰的时间间隔。
进一步，还包括如下步骤：
当水下构筑物存在损伤时，基于超声波信号，测量水下界面波的波速以及界面波的到达时间，确定激励器、接收器、损伤的相对位置，形成一个以激励器和接收器为焦点的椭圆；布置至少3组激励器和接收器，则可获得对应数量的多个椭圆，多个椭圆的焦点即为损伤位置。
优选的，界面波的到达时间为激励信号波峰和接收信号卓越波峰的时间间隔Δt。
再者，还包括如下步骤：
基于超声波信号，实测界面波的幅值，确定损伤的大小，如损伤位于激励器和接收器连线上，则接收波峰为透射波，则幅值越大，损伤越小；如损伤不位于激励器和接收器连线上，则接收波为反射波，则幅值越大，损伤越大。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：本发明提出了水下固体波技术，主要通过换能器(超声探头)抵近构筑物，将超声波射入构筑物内部；通过引发固体波动，再在固体波基础上采用临界入射方法，使固体波集中折射向水和构筑物的界面，形成界面波检测技术，从而在水下构筑物表面获取波形简单，传输稳定的超声波信号，方便检测材料参数、内部缺陷、表面微小损伤等；本发明提出的水下超声检测技术，具有检测分辨率高、检测信息丰富的特点，可用于大坝、桥梁、港口、船舶、市政工程中水下混凝土及金属构筑物的无损检测。
附图说明
图1为现有中声呐技术的原理示意图；
图2为本发明中固体波技术的原理示意图；
图3为本发明中界面波技术的原理示意图；
图4为本发明中超声入射形成固体波的原理图；
图5为本发明中临界入射形成界面波的原理图；
图6为本发明中固体波的波场示意图；
图7为本发明中界面波的波场示意图；
图8为本发明中换能器临界入射时界面波检测信号图；
图9为本发明中换能器垂直入射时固体波检测信号图；
图10为本发明中激励信号和接收信号的示意图；
图11为本发明实施例3中的实测信号示意图；
图12为本发明实施例5中水下构筑物存在损伤时的原理图；
图13为本发明实施例5中激励信号和接收信号的示意图；
图14为本发明实施例5中损伤位置的确定示意图；
图15为本发明实施例5中损伤大小的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
本发明提出了水下固体波技术，主要通过换能器(超声探头)抵近构筑物，将超声波射入构筑物内部；通过引发固体波动，检测材料参数、内部缺陷、表面微小损伤等。然而由于水与构筑物的耦合，造成固体波的波场十分复杂，存在多种模式的超声波，激励信号的能量快速衰减，难以在水下有效捕捉，接收信号的信噪比低。为此在固体波基础上采用临界入射方法，使固体波集中折射向水和构筑物的界面，形成界面波检测技术，从而在水下构筑物表面获取波形简单，传输稳定的超声波信号。本发明提出的水下超声检测技术，突破了现有视觉、声呐等水下检测技术，易受光照、水质、植被淤泥遮蔽干扰的局限性；可实现对标水上检测规范的水下超声无损检测，具有检测分辨率高、检测信息丰富的特点，可用于大坝、桥梁、港口、船舶、市政工程中水下混凝土及金属构筑物的无损检测。
实施例1
如图2和图3所示，实施例1公开了一种水下构筑物的界面波超声检测方法，包括如下步骤：
计算构筑物中的纵波的速度cp和横波的速度cs；
纵波的速度cp的计算公式为：
其中，E为弹性模量，ν为构筑物的泊松比，ρ为构筑物的密度；
横波的速度cs的计算公式为：
计算构筑物中界面波的特征方程，用数值方法求解该方程，得到理论的界面波速c；
其中ρw为水密度，cw为水中波速，可现场实测，也可取1500m/s；
如图4和图5所示，计算可激发界面处的最大波幅的临界角θcr；
临界角θcr的计算公式为：
控制入射波角度为临界角θcr，通过换能器抵近构筑物，将超声波射入构筑物内部形成水下构筑物界面波的波场，获得超声波信号。本发明中控制入射波角度为θcr，水下构筑物的波场得到简化，由固体波的波场变为界面波的波场；固体波的波场由垂直入射获得，入射角为0度，而界面波的波场由临界入射获得，入射角为θcr，如图6和图7所示。
对于固体波的波场，激励出的超声波模式复杂，一方面，在检测信号存在多个波峰，波峰相互混叠，难以清晰的辨别出超声波的传播特性，另一方面，多种超声波模式使得激励信号的能量分散在各模式中，每个模式的能量较弱，容易受到水的阻尼作用耗散，因此在实际测试中，在混凝土表面安置接收探头，接收到的超声信号波峰紊乱、微弱，如图9所示。由于固体波的检测信号中无法辨别激励的超声波，无法清晰看到激励信号的到达，因此很难通过超声波的衰减、速度等特征参数表征构筑物的材料性能和损伤信息。而通过临界入射，得到界面波的波场。由于界面波的波场中只存在一个波包，则只能接收到一个波峰，如8所示，此时界面波场得到简化，接收信号中出现卓越波峰，可以清晰识别激励的超声波，进而根据激励信号和接收信号中卓越波峰的实际间隔、幅值变化，表征构筑物的材料性能和损伤信息。
实施例2
实施例2公开了一种水下构筑物的界面波超声检测方法，包括如下步骤：
计算构筑物中的纵波的速度cp和横波的速度cs；
纵波的速度cp的计算公式为：
其中，E为弹性模量，ν为构筑物的泊松比，ρ为构筑物的密度；
横波的速度cs的计算公式为：
计算构筑物中界面波的特征方程，用数值方法求解该方程，得到理论的界面波速c；
其中ρw为水密度，cw为水中波速；
计算可激发界面处的最大波幅的临界角θcr；
临界角θcr的计算公式为：
控制入射波角度为临界角θcr，通过换能器抵近构筑物，将超声波射入构筑物内部形成水下构筑物界面波的波场，获得超声波信号；
基于超声波信号，测量水下界面波的波速，对水下构筑物的抗压强度进行检测，水下构筑物的抗压强度的计算公式为：
其中，V为实测的水下界面波速度，V＝L/Δt，L是换能器的激励器和接收器的间距，Δt是激励信号波峰和接收信号卓越波峰的时间间隔。
实施例3
实施例3公开了一种水下构筑物的界面波超声检测方法，包括如下步骤：
计算构筑物中的纵波的速度cp和横波的速度cs；
纵波的速度cp的计算公式为：
其中，E为弹性模量，ν为构筑物的泊松比，ρ为构筑物的密度；
横波的速度cs的计算公式为：
计算构筑物中界面波的特征方程，用数值方法求解该方程，得到理论的界面波速c；
其中ρw为水密度，cw为水中波速；
计算可激发界面处的最大波幅的临界角θcr；
临界角θcr的计算公式为：
控制入射波角度为临界角θcr，通过换能器抵近构筑物，将超声波射入构筑物内部形成水下构筑物界面波的波场，获得超声波信号；
基于超声波信号，测量水下界面波的波速，对水下构筑物的抗压强度进行检测，当v和ρ未知时，水下构筑物的抗压强度的近似计算公式为：
fc＝1.919×10-12V4
其中，V为实测的水下界面波速度，V＝L/Δt，L是换能器的激励器和接收器的间距，Δt是激励信号波峰和接收信号卓越波峰的时间间隔，如图10所示。本发明界面波检测信号存在明显的波峰，即激励信号传播至传感器的波峰，可由此开展检测；基于水下界面波的波速，可以对水下混凝土强度开展检测。
对某水电站水垫塘混凝土开展水下界面波的波速测量，实测信号如图11所示，测量了7处混凝土抗压强度，测量的界面波速分别为2016，1900，2144，2040，2214，2200，2319m/s，将平均波速带入水下构筑物的抗压强度的近似计算公式：得到等效的抗压强度分别为31.7，25.0，40.5，33.2，46.1，45.0，55.5MPa，符合设计要求的C30强度要求。
实施例4
实施例4公开了一种水下构筑物的界面波超声检测方法，包括如下步骤：
计算构筑物中的纵波的速度cp和横波的速度cs；
纵波的速度cp的计算公式为：
其中，E为弹性模量，ν为构筑物的泊松比，ρ为构筑物的密度；
横波的速度cs的计算公式为：
计算构筑物中界面波的特征方程，用数值方法求解该方程，得到理论的界面波速c；
其中ρw为水密度，cw为水中波速；
计算可激发界面处的最大波幅的临界角θcr；
临界角θcr的计算公式为：
控制入射波角度为临界角θcr，通过换能器抵近构筑物，将超声波射入构筑物内部形成水下构筑物界面波的波场，获得超声波信号；
基于超声波信号，测量水下界面波的波速，对水下构筑物的弹性模量进行检测，水下构筑物的弹性模量的计算公式为：
E＝6510×V2
其中，V为实测的水下界面波速度，V＝L/Δt，L是换能器的激励器和接收器的间距，Δt是激励信号波峰和接收信号卓越波峰的时间间隔。
实施例5
实施例5公开了一种水下构筑物的界面波超声检测方法，包括如下步骤：
计算构筑物中的纵波的速度cp和横波的速度cs；
纵波的速度cp的计算公式为：
其中，E为弹性模量，ν为构筑物的泊松比，ρ为构筑物的密度；
横波的速度cs的计算公式为：
计算构筑物中界面波的特征方程，用数值方法求解该方程，得到理论的界面波速c；
其中ρw为水密度，cw为水中波速；
计算可激发界面处的最大波幅的临界角θcr；
临界角θcr的计算公式为：
控制入射波角度为临界角θcr，通过换能器抵近构筑物，将超声波射入构筑物内部形成水下构筑物界面波的波场，获得超声波信号；
如图12所示，当水下构筑物存在损伤时，基于超声波信号，测量水下界面波的波速以及界面波的到达时间，确定激励器、接收器、损伤的相对位置，形成一个以激励器和接收器为焦点的椭圆；如图14所示的S1、S2和S3的位置，布置至少3组激励器和接收器，则可获得对应数量的多个椭圆，多个椭圆的焦点即为损伤位置；界面波的到达时间为激励信号波峰和接收信号卓越波峰的时间间隔Δt＝t1-t0，如图13所示；
基于超声波信号，如图13所示的实测界面波的幅值，确定损伤的大小，如损伤位于激励器和接收器连线上，则接收波峰为透射波，则幅值越大，损伤越小；如损伤不位于激励器和接收器连线上，则接收波为反射波，则幅值越大，损伤越大，如图15所示。
Claims (10)
1.一种水下构筑物的界面波超声检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
计算构筑物中的纵波的速度cp和横波的速度cs；
计算构筑物中界面波的特征方程，用数值方法求解该方程，得到理论的界面波速c；
其中ρw为水密度，cw为水中波速；
计算可激发界面处的最大波幅的临界角θcr；
控制入射波角度为临界角θcr，通过换能器抵近构筑物，将超声波射入构筑物内部形成水下构筑物界面波的波场，获得超声波信号。
2.根据权利要求1所述的一种水下构筑物的界面波超声检测方法，其特征在于，所述纵波的速度cp的计算公式为：
其中，E为弹性模量，ν为构筑物的泊松比，ρ为构筑物的密度。
3.根据权利要求2所述的一种水下构筑物的界面波超声检测方法，其特征在于，所述横波的速度cs的计算公式为：
4.根据权利要求3所述的一种水下构筑物的界面波超声检测方法，其特征在于，所述临界角θcr的计算公式为：
5.根据权利要求4所述的一种水下构筑物的界面波超声检测方法，其特征在于，还包括如下步骤：
基于超声波信号，测量水下界面波的波速，对水下构筑物的抗压强度进行检测，水下构筑物的抗压强度的计算公式为：
其中，V为实测的水下界面波速度，V＝L/Δt，L是换能器的激励器和接收器的间距，Δt是激励信号波峰和接收信号卓越波峰的时间间隔。
6.根据权利要求4所述的一种水下构筑物的界面波超声检测方法，其特征在于，还包括如下步骤：
基于超声波信号，测量水下界面波的波速，对水下构筑物的抗压强度进行检测，当ν和ρ未知时，水下构筑物的抗压强度的近似计算公式为：
fc＝1.919×10-12V4
其中，V为实测的水下界面波速度，V＝L/Δt，L是换能器的激励器和接收器的间距，Δt是激励信号波峰和接收信号卓越波峰的时间间隔。
7.根据权利要求4所述的一种水下构筑物的界面波超声检测方法，其特征在于，还包括如下步骤：
基于超声波信号，测量水下界面波的波速，对水下构筑物的弹性模量进行检测，水下构筑物的弹性模量的计算公式为：
E＝6510×V2
其中，V为实测的水下界面波速度，V＝L/Δt，L是换能器的激励器和接收器的间距，Δt是激励信号波峰和接收信号卓越波峰的时间间隔。
8.根据权利要求4所述的一种水下构筑物的界面波超声检测方法，其特征在于，还包括如下步骤：
当水下构筑物存在损伤时，基于超声波信号，测量水下界面波的波速以及界面波的到达时间，确定激励器、接收器、损伤的相对位置，形成一个以激励器和接收器为焦点的椭圆；布置至少3组激励器和接收器，则可获得对应数量的多个椭圆，多个椭圆的焦点即为损伤位置。
9.根据权利要求8所述的一种水下构筑物的界面波超声检测方法，其特征在于，所述界面波的到达时间为激励信号波峰和接收信号卓越波峰的时间间隔Δt。
10.根据权利要求9所述的一种水下构筑物的界面波超声检测方法，其特征在于，还包括如下步骤：
基于超声波信号，实测界面波的幅值，确定损伤的大小，如损伤位于激励器和接收器连线上，则接收波峰为透射波，则幅值越大，损伤越小；如损伤不位于激励器和接收器连线上，则接收波为反射波，则幅值越大，损伤越大。
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