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技术文章 超声波检测系统在混凝土下水管道检测中的应用 超声波检测系统在混凝土下水管道检测中的应用 Shivprakash Iyer1, Sunil K. Sinha2*, Michael K. Pedrick3, and Bernhard R. Tittmann4 2*Associate Professor, Department of Civil Email: ssinha@vt.edu; Phone: 540-231-9420; Fax: 540-231-7532 1Department of Civil Redwood, 1960; and Malhotra and Carino, 2004) 2.无损伤超声波检测无损伤超声波检测(NDT) 超声波学是频率高于 18kHz(Olsen, 1993)超出 人类所能听到的范围的一门研究应用型学科超声 波波段具有叠加、抵消和在表面穿透薄壁的能力， 应用领域极其广泛，并且超声波可以对结构物进行 无损伤检测，又拓宽了超声波的使用领域超声波 检测是通过测定声波在一定长度金属中传播时间 与声波强度相互关系的一种检测方法虽然检测技 术和设备的不断发展，但是对混凝土管道进行无损 伤检测（NDT）仍然存在技术难题。

与金属或类金 属材料相比，无损伤混凝土管检测技术还不成熟 混凝土管道不均匀性和混凝土管道未知缺陷信号 进行检测是目前主要存在的技术瓶颈混凝土是由 多相的粗糙集合颗粒所组成，包括直径大于 5mm 的骨料、沙和水泥的混合物(Bungey and Millard, 1996) 超声波在对混凝土中类似于粒径级配、压实技术文章 超声波检测系统在混凝土下水管道检测中的应用 度、含水量等粗糙颗粒结构的发射波数值有相应改 变根据这个原理，在混凝土中进行检测时频率只 能是在千赫兹（kHz）以下本文提出一种新的检 测方法，通过添加管道具体参数和表面图像信息评 价并进行潜在和自动化检测将超声波检测图像叠 加与管道光学图像信息中形成内容更加丰富、易于 对管道存在缺陷分析评价并形成三维视图 3. 实验结果实验结果 A-scan检测信号分析检测信号分析 图-1 表示的混凝土管道检测缺陷详细图例A 超声波扫描信通过对管道存在缺陷处以及清洁管 道进行扫描并信息收集，收集到的信号用于判定是 否可以采用超市波进行管道缺陷表示，如图-2 所 示也就是说，信号特征有助于智能试验分析系统 的建立，系统中管道各个缺陷信息和分类都是按照 有超声波检测所获得。

图-1 混凝土管道缺陷区域所有可能图片实例 图-2 利用超声波对所有混凝土管道类型进行检测 同样，试验样品传感器可靠性将取决于安装传 感器的高度和倾角清洁管道数据是通过改变高度 和倾角来获得的 后壁信号强度就每个高度-倾角做 出测定后壁信号强度被描述成高度和倾角的函 数，如图-3 所示很明显，后壁信号在传感器与表 面法线成 4°高度在 20～80mm 时强度较好当传 感器倾角和高度超过这个范围时，后壁信号强度有 一个很大的减弱这表明超声波能量被损耗后不能 很好的穿透混凝土管道，因此，高度距离在 20～ 80mm、倾角（与正法线所成的夹角）在-4°～4°、 频率在 250kHz 左右时，后壁信号有很好强度除 此之外，对于任何信号解释系统能够工作良好，必 须有来源具有代表性可靠的超声波信号并要对这 些信息进行过滤 图-3 高度与倾角对后壁信号强度值之间的函数关系 技术文章 超声波检测系统在混凝土下水管道检测中的应用 图-4、图-5、图-6 显示的 A 超声波对四种缺陷 管道与清洁管道扫描对比信号通过比较能明显看 到各种缺陷类型在前壁反射波和后壁反射波之间 都有一个特征后壁反射波强度。

前后壁反射波之间具有 33μs 的时间差， 通过简单计算便能推出这个时 间差远超过了声波从接触壁到反射壁之间传播的 时间，因为超声波和管道壁厚度是已知的 图‐4 A 超声波关于清洁和存在裂隙管道扫描信号分析 图‐5 A 超声波关于清洁和存在破裂管道扫描信号分析 图‐6 A超声波关于清洁和存在漏洞管道扫描信号分析 纵波传播速度为 3750m/s,60mm 厚的混凝土理 论上往返传播时间为 32μs，对于清洁管道来说是实 际的，可是对于存在缺陷管道就显得不现实当声 波遇到缺陷时，在缺陷接触面上根据周围环境所产 生不同声阻抗产生多次反射这对将要穿透管道壁 的超声波能量是一种损耗因此，A-超声波扫描信 号中能得到三个影响因素由于混凝土是一种很强 的削弱材料，因此在对超声波进行穿透混凝土管壁 时有一个固有能量损失值研究人员通常定义 250kHz 为最大可操作频率， 根据前后壁反射波也能 够解析出信号强度通过几天数据收集，对 A-超声 波扫描信号特征进行了连续性比较需要强调的是 在进行混凝土管道检测时，由于材料存在多样性、 操作方法和操作者的特点，每次都获得精确无误的 数据是不可能的但是，一个良好的系统应该能够 提供对于类似样品进京数据收集时是获得相似趋 势的。

C-超声波扫描图像超声波扫描图像 对信号进行声学上的校验是非常重要的，因此 在 C-超声波扫描第一步就是对 A-超声波扫描数据 进行整合，判定前后壁反射波在信号轨迹多变地 带，对样品有用信号进行取舍定位有很大帮助由 于这一步操作在 A-超声波扫描中已经完成，在 C- 超声波图像形成就比较容易了A-超声波扫描有用 波段位于前后壁反射波之间，根据实际解决问题以技术文章 超声波检测系统在混凝土下水管道检测中的应用 及时间轴上的比例才应四个时间窗口这样，每一 个时间窗口包含至少有 15mm 厚度的混凝土样品 只要时间段确定， 对所有扫描样品及 C-超声波成像都能确定下来图-7、图-8、图-9、图-10 显示的是 C-超声波扫描对于清洁、存在裂隙、破损混凝土管 道的信号成像图‐7 C‐超声波关于清洁管道扫描图片分析 图‐8 C超声波关于管道裂隙扫描图像分析 图‐9 C‐超声波关于破裂管道扫描图像分析 图‐10 C‐超声波关于管道漏洞扫描图像分析 技术文章 超声波检测系统在混凝土下水管道检测中的应用 需要强度的是在进行超声波扫描时缺陷管壁 位于超声波后壁反射波一侧假使存在缺陷管道壁 没有完全被穿透，那么在图像中反应波段应该更靠 近愈后壁反射波。

这是对一些 CCTV 摄像仪在管道 内不能看到的发源于管道外壁的缺陷进行的假设 验证论文中进行的研究是希望这些缺陷能在第三 或者第四个时间区域中能够对存在的缺陷进行成 像 特征提取特征提取 特征提取对混凝土管道缺陷分类进行模式识 别任务是一个重要的步骤，因为在混凝土管道中缺陷是非常复杂的，并且在所采用信号内很难找到可 靠的特征超声波信号根据时间轴上超声波信号中 不连续反射表明在A-超声波扫描波段出现局部瞬 间变化会引起光谱特性的改变在这次研究中，具 有五级分解的离散转换波段适合于 256 个样品中的 第S个指导信号xs[n]，如图-11 所示所采用的母波 函数具有八个消失瞬间(sym8) (Daubechies, 1992) 图-12 表示的是超声波信号处理框架全景 图‐11 超声波信号波段分解 图‐12 超声波信号分析及性质参数提取框架结构 特性类别特性类别 许多有监督和无监督模式识别运算法则已经用 于多维信号的分类K-法聚类运算法则是其中用来 划分特性区间最为广泛的技术最近，鉴于神经网络能够产生任意复杂的判定边界，神经网络被证明 用于信号分类是非常有效的神经网络模型与传统 统计方法相比，在采用神经网络进行分类具有自由 分步、无需统计分类数据知识的储备的优点。

技术文章 超声波检测系统在混凝土下水管道检测中的应用 图‐13 根据人工神经网络对超声波进行分类 多层感知器神经网络分类器（MLP）(Haykin, 1994)对 A-超声波混凝土管道样品检测区域扫描缺 陷信号分类，如图-13 所示因为多层感知器神经 网络具有的特点，所以就其特点应用于超声波扫描 信号分类当中一个包含有 820A-超声波扫描信号 关于管道缺陷的 4 个主集和 2 个子集的数据库用来 评估该神经网络的分类能力分类器的目的是能够 将 A-超声波扫描信号归类到清洁、裂隙、破损和漏 洞四个主要类别中 4. 结论结论 基于超声波原理用来探测埋设混凝土管道缺 陷深度数据的多种检测技术已经开发出来在导波 技术里， In the guided wave technique, tests were conducted with air-coupled transducers in two configurations, through transmission with transducer on same side and transducer on opposite sides. Although successful generation of guided waves was achieved with transducers on opposite sides, the feasibility of the technique in practical applications is questionable because only one-sided access from the internal pipe wall is available. The expected through thickness resonance for a longitudinal wave through 60 mm concrete is 31.25 kHz. This frequency is fairly high for typical impact-echo applications. With the addition of a higher frequency impact source, this technique can be effective for defect identification in buried concrete pipes. However, the major limitation of this technique is its inability to locate the source of the defect. Moreover, because of the varied situations that may be encountered in field-testing, a standard test method for flaw detection has yet to be developed. Ultrasound immersion inspection that uses water as a couplant is widely used in the industry owing to its adaptability to automation. A single ultrasound transducer transmits and receives signals so that only single-sided access is needed. This makes it highly adaptable to buried utility pipeline inspection applications wherein access to only internal surface is possible. For defect detection and characterization, the reflected。