空气耦合超声波在钢筋混凝土结构检测中的基础问题研究

This project intends to theoretically study and test the air-coupling ultrasonic phased array detection in reinforced concrete structures. Firstly, for solving the mismatch of transducer material with air acoustic impedance, it is necessary to establish the physical model of the air-coupling ultrasonic phased array transducer, and study the working principles and sound distribution of air-coupling ultrasonic transducer by theoretical analysis, numerical calculation, testing methods, and signal processing to develop a high-power and high sensitivity device. Secondly, study the propagation and attenuation mechanisms of transverse, longitudinal and surface acoustic waves excited by air-coupling ultrasonic phased array, improving the signal-to-noise ratio of the received signal, analyzing the impact of the actual noise control methods to obtain valid information, furthermore, study the impact of the object buried in the reinforced concrete structure on the propagation path of the ultrasonic wave, and also study the relationship of received signal with sample structure, typical defects and acoustic parameters by carrying out test detection research work. On this basis, develop the air-coupling ultrasonic phased array high-speed testing prototype and conduct field experiments to establish the theoretical and methodological foundations of reinforced concrete air-coupling ultrasonic detection technology to form and tap our own innovation and intellectual property with the non-contact air-coupling ultrasonic detection technology applied to reinforced concrete structures.

本项目提出开展空气耦合超声相控阵在钢筋混凝土结构检测的理论方法和试验研究。首先，针对换能器材料与空气声阻抗严重不匹配问题，建立空气耦合超声相控阵换能器的物理模型，从理论与试验两方面着手，研究空气耦合相控阵超声换能器的工作原理及声场特性，研制高功率高灵敏度的空气耦合超声相控阵换能器。其次，研究空气耦合相控阵超声传感器激励的横波、纵波及表面波在混凝土中的传播机理、衰减特性，研究如何获取有效信息及提高信噪比的信号处理方法，分析实际噪声的影响和控制方法。再其次，开展试验检测研究工作，研究钢筋混凝土结构的埋设物对超声波传播路径的影响，研究超声信号与试样结构、典型缺陷与声学参数的关系。在此基础上，研制空气耦合超声相控阵高速检测试验样机并开展现场实验研究，建立钢筋混凝土的空气耦合超声相控阵高速检测技术的理论和方法基础，为形成和开拓具有我国自主创新知识产权的钢筋混凝土的空气耦合超声相控阵检测技术奠定基础。

以超声对高衰减材料的钢筋混凝土构件的高速无损检测为背景，针对其制造缺陷、服役损伤及结构完整性的空气耦合相控阵超声快速检测为目的，建立了反映超声波在钢筋混凝土构件中传播模拟数学模型，分析了超声在具有骨料特性的钢筋混凝土中的传播举动，确立了用于混凝土材料检测的超声波频率在100kHz以下。通过匹配层的研制和耦合电路的开发研制了空气耦合超声探头。建立了相控阵体积动态深度聚焦理论模型及数值计算方法,实现了合成孔径超声相控阵在混凝土检测中的三维成像（C-显示、B-显示及A-显示），编制实施呈现断层显示的成像软件，切实实现高衰减材料及构件的在线非接触超声波相控阵高速无损检测成像技术。建立了优化线性调频脉冲压缩信号处理技术的数学模型及计算方法，并应用于混凝土检测中，提高了信噪比和检测精度。研究结果填补了空气耦合超声探头的技术空白，也弥补了相控阵动态快速聚焦技术以及线性调频脉冲压缩信号处理技术优化方法的空白，而且为非接触空气耦合超声波检测开拓新的应用领域，同时也可为其它领域的材料及构件提供非接触高速无损检测提供理论依据及检测方案。在以下领域得到了拓展：.1. 复合材料性能非接触评价.4. 高铁轨道(轨底和轨头)的非接触检测.5. 锂离子电池的非接触检测.6. 高铁轨道板病害的非接触诊断.7. 混凝土强度的非接触检测.8. 在异种材料界面粘接强度的非接触检测.9. 超声在混凝土中衰减特性的非接触检测.10. 材料声阻抗特性的非接触测量.11. 混凝土的超声合成孔径聚焦成像.由于空气耦合超声是非接触式检测技术，其快速、适应性强、不破坏结构自身等优点，在原位在线检测方面具有绝对优势。是传统超声波检测方法所不能实现的。由于非接触空气耦合超声无损检测技术这一概念提出的时间较短，还需要对其更深入、更系统地研究。

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