基于多参数耦合和反演初始值修正的混凝土孔洞缺陷超声层析成像方法研究*

2023-12-19邵顺安麻胜兰

工业建筑 2023年10期

吴琛刘彧邵顺安麻胜兰

(1.福建理工大学, 福建省土木工程新技术与信息化重点实验室, 福州 350118;2.福建省建筑工程质量检测中心有限公司, 福州 350108)

由于混凝土固有微孔、钢筋密集等影响,混凝土构件施工时易出现内部孔洞,影响了构件的强度和刚度[1]。因此,快速而准确地识别孔洞缺陷是判断混凝土结构施工质量安全并及时采取加固措施的关键。

在缺陷定位判断研究方面,由于超声波在混凝土中指向性好、衰减小、缺陷反应敏感,因此得以广泛应用。国内外通常采用声速、幅值、频率等超声波参数来判断孔洞缺陷位置。李学斌等建立了超声波声速关于混凝土孔洞缺陷的预测模型[2]。文献[3-4]分别总结了孔洞缺陷对超声波波幅和频率的衰减规律。赵杰等从波形和波列的角度分析钢板剪力墙内孔洞缺陷的位置[5]。以上研究主要建立了由声速、幅值、频率等单一参数表征的孔洞缺陷定位指标。然而,由于孔洞对超声波的散射与反射作用,采用单一参数定位缺陷时,可能会出现不同指标的识别结果不一致的情况,从而导致缺陷漏判、误判。

在缺陷的可视化研究方面,Jiang等通过超声层析成像技术完成了超声波路径追踪的正演计算和超声波参数的反演重建[6]。反演重建即是通过调整数值仿真中的模型参数,使其与试验结果相匹配[7]。为提高反演精度,文献[8-9]提出了改进的滤波反投影重建算法,但在提高计算速度的同时,降低了层析成像的分辨率。王雪峰等提出的代数迭代重建算法(ART)可有效去除反投影算法中的伪影和噪点[10],降低图像重建误差,但是初始波速经验赋值和走时误差均匀分配的方式,忽略了波速迭代初始值对各单元走时误差的影响,从而导致成像结果的偏差。

为解决缺陷检测和可视化研究存在的问题,提出声速-幅值-频率三参数耦合的综合判别方法,全面考虑超声波穿越孔洞时的传播规律,实现孔洞精准定位;提出基于反演初始值修正的改进ART算法,准确赋值波速迭代初始值,从而提高成像精度。

1 基于超声波多参数耦合的混凝土孔洞缺陷检测

传统超声波缺陷检测方法主要考虑波束散射引起的波速、幅值或频率衰减,并以其中单一参数作为缺陷评价依据。近期的研究表明[11],当超声波探测到孔洞缺陷时,绕射、反射、吸收等现象不可避免。绕射将延长超声波走时路径,使其波速降低;反射使波束在孔洞界面回弹干涉,从而产生幅值衰减;吸收使某一频带的声能在孔洞内消散,由此产生主频下移。为了全面考虑上述影响,本文提出波速、幅值、频率三参数耦合的孔洞缺陷综合评价指标。由于超声波的绕射、反射和吸收必然产生大量干扰缺陷判别的冗余信息,因此本文提出通过信息熵提取有效信息,并由有效信息表征三参数耦合[12]的综合评价指标。

1.1 有效信息的提取

信息熵[13]可表征数据的平均不确定性,可用于判别超声波数据的有效信息量。当信息熵较小时,说明数据较离散,其不确定性较大,即数据的有效信息量较少。

定义j=1,2,3分别对应声速、幅值和频率,则第j个参数的信息熵hj为:

(1)

式中:m为测点数量;yij为第i个测点、第j个参数xij的标准化值。即yij为:

(2)

1.2 三参数耦合缺陷综合评价指标的确定

基于信息熵确定的有效信息,定义各参数在缺陷综合评价指标中的权重系数[14]gj为:

(3)

由上述标准化参数值及其权重系数表达的综合评价指标值DEI(i)为:

(4)

1.3 阈值的确定

与三参数耦合的缺陷综合评价对应,阈值的确定也需综合考虑声速、幅值和频率的影响,由此定义阈值α如式(5)所示:

(5)

式中:Rj为参数j的异常临界值。

2 基于反演初始值修正的改进ART

层析成像通过为测区单元赋值波速初始值、修正走时误差,进而重建测区单元的波速分布,实现混凝土内部区域的可视化。在对经过测区的每一条超声波进行走时误差迭代修正时,波速迭代的初始值直接影响了修正值的准确性和迭代结果的收敛性。

为探明不同波速迭代初始值对反演精度的影响,建立带有20 mm孔洞缺陷的混凝土数值模型,划分成若干2 mm×2 mm的成像单元。预设孔洞缺陷单元波速为340 m/s、混凝土单元波速为4 000 m/s。采用传统ART算法获得的不同初始值下的反演结果如表1所列。反演精度由成像单元的离差系数表征,其值越小表示波速分布的离散性越小,精度越高。

表1 波速迭代初始值对反演结果的影响

由表1可知,当波速迭代初始值与混凝土模型预设的实际波速偏差较大时,其正常区域波速与缺陷区域波速的离差系数最大分别达到10.32%与8.493%;当波速迭代初始值接近于混凝土模型预设的实际波速时,其正常区域波速与缺陷区域波速离差系数分别为0.850%和0.764%,反演效果最好。可见,确定波速迭代初始值的选取是决定反演精度的关键因素。

为准确捕捉实际工程中未知的孔洞缺陷,需根据经过成像单元的射线路径长度来确定该成像单元是缺陷单元的概率,从而划分缺陷单元。

波速迭代初始值的确定需考虑各成像单元的上限波速、下限波速与该成像单元为缺陷单元的概率[15],波速迭代初始值vj表示如式(6)。

vj=Vsqj+Vx(1-qj)

(6)

式中:Vs和Vx分别为该成像单元的波速上限值与下限值;qj为该成像单元是缺陷单元的概率,按式(7)计算。

(7)

式中:aij为根据最短路径射线追踪法确定的第i条射线在第j个成像单元内的线段长度[16];σi为第i条射线在所有成像单元内的线段总长。

原走时误差分配方式未区分各成像单元,因此均匀分配走时误差如式(8)所示[17]。

(8)

式中:Δτi为第i条射线的走时误差。

本文确定了缺陷单元的概率后,相应地就需改变每条射线的走时误差分配方式。同时,考虑缺陷对超声波的衰减作用,乘以走时分配误差因子u以增加迭代过程的计算稳定性。最终得得到波速修改量Δfj如式(9)所示。

(9)

为确定误差因子u取值,对不同误差因子下的反演结果进行对比分析,结果见表2所列。

表2 误差因子u对反演结果的影响

由表2可知:当误差因子为1.0,即在反演过程中不考虑缺陷界面处超声波的反射与散射时,缺陷区域波速的平均相对偏差在10%以上;当误差因子为0.8时,平均相对偏差最小;当误差因子为0.6和0.5时,平均相对偏差甚至大于不考虑误差即误差因子为1.0的情况,这是由于在有限的迭代次数内误差因子取值过小使走时误差的修正量过小,从而导致结果的发散。经多组缺陷混凝土数值模型检验,建议将误差因子取值为0.8。

3 基于超声波法的混凝土缺陷检测

3.1 试验概况

试验制备了编号为D-1～D-6的6组边长为150 mm的C40混凝土试块,每组包含3个试块。如图1所示,在试块浇筑前预埋中空的塑料圆球模拟孔洞缺陷。D-1～D-4的孔洞直径d分别为20,30,40,50 mm,孔洞缺陷居中;D-5为直径为20 mm的双孔,D-6为直径为20 mm的三孔,孔洞中心与试块中心断面重合。

a—D-1～D-4; b—D-5; c—D-6。

采用ZBL-U520非金属超声检测仪实施超声对测法,设置发射电压为500 V,发射脉宽为0.04 ms,采样周期为0.40 μs。T、R分别位于混凝土试块的两个测试面,T为发射器,R为接收器。如图2所示,超声发射换能器阵列数量为5×7=35,阵列间距20 mm,试块D-1～D-6的测点数量均为35。

a—正视图; b—侧视图; c—俯视图。

3.1.1缺陷检测信号采集

对试块D-1～D-6的35个测点依次采集超声波信号,并提取声速、幅值和频率。采集时,发射器T发射信号,相对面同一位置的接收器R接收信号。

3.1.2层析成像信号采集

对各试块上经过孔洞缺陷中心轴面的测点15～21进行加密斜测,发射器T发射信号,相对面的所有接收器R接收信号,依次采集信号,每个试块共采集7×7=49道超声波信号。试块的成像单元划分应保证射线覆盖率达到90%以上[18],因此将试块划分为6×15=90个成像单元,单元大小为2 cm×1 cm,有效测区大小为12 cm×15 cm,如图3所示。