沖擊回波法原理介紹
沖擊回波法是一種無(wú)損評(píng)估混凝土和砌體的方法，其原理是利用沖擊產(chǎn)生應(yīng)力(聲)波，該應(yīng)力波會(huì)在結(jié)構(gòu)上傳播從而被內(nèi)部缺陷和外部表面反射。沖擊回波法可用于精確地、非破損的、經(jīng) ASTM 認(rèn)可的測(cè)量混凝土板塊和路面的厚度(ASTM C 1383-98a)。也可用于探測(cè)素混凝土、鋼筋混凝土和后張鋼筋混凝土中缺陷的位置和大小，如裂縫、分層、孔洞、蜂窩和脫粘。它可以測(cè)定板層或路面下的基層中孔洞的位置?？捎糜跍y(cè)定用砂漿粘結(jié)的磚石砌體結(jié)構(gòu)的厚度或結(jié)構(gòu)中裂縫、孔洞和其他缺陷的位置。沖擊回波法不受鋼筋存在的影響。
用一個(gè)小鋼球沖擊混凝土或砌體的表面即對(duì)其有一個(gè)短時(shí)機(jī)械沖擊，產(chǎn)生低頻應(yīng)力波(可達(dá)到 80KHz)傳入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，遇到缺陷和/或外表面時(shí)便發(fā)生反射。這種應(yīng)力波的波長(zhǎng)通常在 50-2000mm 之間，要比混凝土中自然的不均一區(qū)域(骨料、氣泡、微裂縫等)的尺度大得多。因此應(yīng)力波在混凝土中的傳播只是略有衰減，可視作在均勻的彈性介質(zhì)中傳播。這些波在結(jié)構(gòu)中的多重反射激起了局部區(qū)域的振動(dòng)，當(dāng)反射波到達(dá)沖擊表面，引起表面位移，可通過(guò)鄰近沖擊位置的換能器記錄下來(lái)。傳感器中的壓電晶體產(chǎn)生與位移成比例的電壓信號(hào)，該電壓一時(shí)間信號(hào)(稱作波形)傳到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)經(jīng)數(shù)字化后保存到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中，經(jīng)計(jì)算處理轉(zhuǎn)換成振幅與頻率對(duì)應(yīng)的頻譜。在計(jì)算機(jī)的屏幕上可繪出波形圖與頻譜圖。主頻，即頻譜中以峰值出現(xiàn)的頻率與應(yīng)力波在結(jié)構(gòu)中的多重反射或與淺層、分離層中的彎曲振動(dòng)相關(guān)。
沖擊回波的基本公式是 a=C/(2f)，其中 d 是應(yīng)力波受到反射的深度(缺陷到?jīng)_擊表面的距離或密實(shí)結(jié)構(gòu)的厚度)，c 是波速，f 是信號(hào)主頻所對(duì)應(yīng)的頻率。頻率 f 是通過(guò)測(cè)試得到的。要得到厚度或缺陷的深度，波速 C 必須已知?？梢酝ㄟ^(guò)測(cè)混凝土表面兩個(gè)固定距離的傳感器之間應(yīng)力波的傳播時(shí)間來(lái)計(jì)算波速(請(qǐng)見(jiàn)下一頁(yè))，或者測(cè)出已知厚度混凝土板密實(shí)處的頻率來(lái)計(jì)算波速。后者計(jì)算公式變?yōu)镃=2df(其中 d 是已知的厚度)。
儀器組成
下圖中的圖片和數(shù)字描述了 Impact-echo 的所有組件。給儀器做配置時(shí)包括選擇組件的編碼數(shù)字和傳感器的類型(第 2-3 項(xiàng))。這些描述見(jiàn)下頁(yè)，和建議的儀器配置一起。
1.沖擊器：一套 10 個(gè)硬鋼球彈簧棒上的，用于產(chǎn)生應(yīng)力波，在結(jié)構(gòu)中傳播并被缺陷或外部界面反射。
2.手持式傳感器：柱型傳感器和槍型傳感器用于探測(cè)結(jié)構(gòu)中應(yīng)力波的多次反射信號(hào)。
3．雙端傳感器：通過(guò)記錄波在置于結(jié)構(gòu)表面兩個(gè)固定距離(300mm)的傳感器之間的傳播時(shí)間來(lái)檢測(cè)波速。
4.模擬/數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)：對(duì)傳感器的電壓一時(shí)間信號(hào)進(jìn)行接收和數(shù)字化，并將結(jié)果傳輸?shù)接?jì)算機(jī)(14 位分辨率，2 個(gè)通道每個(gè)最大采樣速度均為 2MHz )。
5.筆記本電腦：任何帶 Windows 操作系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)筆記本電腦均可(見(jiàn)下頁(yè))。
6.計(jì)算機(jī)軟件：用戶友好界面，Windows 版 Impact-E 軟件(CD)用于分析信號(hào)，進(jìn)行計(jì)算和在電腦屏幕上顯示測(cè)試結(jié)果。
7.2 根 BNC 連接線：連接傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
8.串口/USB 接口連接線：連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)到計(jì)算機(jī)的串口或 USB 接口。購(gòu)買儀器時(shí)可將電腦一起購(gòu)買，也可分開(kāi)購(gòu)買。
9.電池充電器：輸入 90-264V 交流，輸出 12V 直流，用于對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電池充電。
10.直流電源:輸入 6-24V 直流，輸出 12V 直流，用于對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電池充電(連接到汽車或卡車的點(diǎn)煙器)。
11. 印 刷 材 料 ： 由 M.J.Sansalone 和 W.B.Streett 編 寫 的 書(shū) ， "Impact-Echo:NondestructiveEvaluation of Concrete and Masonry"，Bullbrier Press, Ithaca, NY, 1997, 339pp；操作手冊(cè)；其它材料，包括裝箱單和質(zhì)保書(shū)。
12.滾輪式/手提式攜帶箱：(見(jiàn)第 5 頁(yè))。
傳感器
柱型傳感器(左下)和槍型傳感器(中間)用于沖擊回波測(cè)試。柱型模式適用于檢測(cè)狹窄和局限的地方；槍型模式更簡(jiǎn)單易用，適合于平整的表面。一套測(cè)試儀必須至少有一個(gè)傳感器。右邊的雙端傳感器僅用于單獨(dú)測(cè)量波速 ( 按 ASTM C1381-98a 規(guī)定，測(cè)定樓板或板層厚度時(shí)要求測(cè)量波速)。它不能用于沖擊回波測(cè)試。如果在將要進(jìn)行測(cè)試的結(jié)構(gòu)區(qū)域，能夠在已知準(zhǔn)確厚度的板層上進(jìn)行測(cè)試，使用單個(gè)柱型或槍型傳感器也能測(cè)得波速(ASTM C 1381-98a 檢測(cè)波速和樓板厚度不接受該種測(cè)量波速的方法)。
儀器配置
根據(jù)測(cè)試類型，沖擊回波測(cè)試系統(tǒng)有三種推薦配置，如下：
系統(tǒng) A：
該系統(tǒng)含 3 個(gè)傳感器，包括 2 個(gè)柱型傳感器，或 2 個(gè)槍型傳感器，或各 1 個(gè)，加 1 個(gè)雙端傳感器。柱型傳感器和槍型傳感器能用于沖擊回波測(cè)試，當(dāng)其中 1 個(gè)丟失或損壞時(shí)，有另 1 個(gè)備份。測(cè)定表面開(kāi)口裂縫的深度需要 2 個(gè)傳感器，使用 2 個(gè)柱型傳感器，或 2 個(gè)槍型傳感器，或各 1 個(gè)很方便。雙端傳感器用于測(cè)定波速。
系統(tǒng) B：
該系統(tǒng)含 1 個(gè)傳感器用于沖擊回波測(cè)試，可以是柱型傳感器或槍型傳感器，及 1 個(gè)雙端傳感器。這涵蓋了所有可能的測(cè)試需求。為測(cè)定表面裂縫的深度，雙端傳感器的 1 端可和柱型傳感器或槍型傳感器一起使用，然而有時(shí)這會(huì)很麻煩。雙端傳感器單獨(dú)可用于測(cè)定波速。
系統(tǒng) C：
該系統(tǒng)僅含 1 個(gè)傳感器用于沖擊回波測(cè)試，可以是柱型傳感器或槍型傳感器。該系統(tǒng)適合常規(guī)的例行測(cè)試。僅當(dāng)被測(cè)區(qū)域的板層厚度已知時(shí)，可以測(cè)量波速。下圖顯示了進(jìn)行常規(guī)沖擊回波測(cè)試(左圖)和獨(dú)立波速測(cè)量(右圖)的主要組件。
滾輪式/手提式攜帶箱
滾輪式/手提式攜帶箱(見(jiàn)上圖)裝滿物體后的尺寸約為 46x38x28cm，重量約為10kg，不含電腦。該攜帶箱符合航空運(yùn)輸箱的要求。耐用的帆布箱有一個(gè)可拆卸的、有襯墊的電腦箱，以及零散附件袋、文件袋、伸長(zhǎng)桿和滑輪。
電源要求：由筆記本和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的內(nèi)部電池供電?，F(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)無(wú)需外部電源。充滿電后筆記本通常能工作 2-4 小時(shí)，而且還有外部電池可選。充滿電后數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能工作 5-6 小時(shí)。
測(cè)試儀的電腦推薦配置
從Impact-Echo 公司購(gòu)買測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，可同時(shí)購(gòu)買電腦也可不購(gòu)買。IMPACT-E軟件可用于任何舊 M 兼容計(jì)算機(jī)，只要是基于 Windows 95 或更高版本操作系統(tǒng)的，帶1 個(gè)串口或 USB 接口(基本上所有計(jì)算機(jī)上都有)，在“區(qū)域設(shè)置”和“鍵盤語(yǔ)言”( Windows 操作系統(tǒng)的控制面板中找到)有“英語(yǔ)(美國(guó))”選項(xiàng)。IBM 兼容機(jī)的最低推薦配置如下：
● 100MHz 或更快的處理器
● 16MB RAM
● 10.3”TFT?彩色顯示器
● 3.5”軟驅(qū)
● 800MB 硬盤
事實(shí)上，當(dāng)前所有的舊 M 兼容機(jī)都超過(guò)了上述要求。許多公司都有適合的筆記本，包括 Compaq, Gateway, Dell, HP, Panasonic, Toshiba，等等。Panasonic公司的 Toughbook 是一款“加固”過(guò)的筆記本，具有防潮和防灰的鎂合金外殼，防震硬盤，防濺鍵盤，陽(yáng)光下可讀顯示及其它是適合于戶外使用的特點(diǎn)。
Impact-echo 沖擊回波測(cè)試系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)
該儀器在全世界都可以并正在廣泛使用。它具有 CE 標(biāo)志，符合歐盟標(biāo)準(zhǔn)。它能測(cè)量尸波速度和混凝土樓板和板層的厚度，符合 ASTM C 1383-98a 標(biāo)準(zhǔn)。
電源要求：儀器由筆記本電腦和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)內(nèi)部的可充電電池，或者外部電源供電。充滿電的筆記本電腦電池通常能使用 2-4 小時(shí)，也有備用電池。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的電池充滿電后能工作 5-6 小時(shí)。當(dāng)一定時(shí)間(缺省為 2 分鐘)內(nèi)沒(méi)有接收到測(cè)試信號(hào)時(shí)，節(jié)能系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)為“休眠”模式。該模式下，耗電量減少了 90%多。還提供適配器將直流(汽車或卡車電池)或 110V 交流轉(zhuǎn)為 240V 交流，以對(duì)系統(tǒng)供電或?qū)﹄姵爻潆姟?/span>
尺寸和重量：滾輪式/手提式攜帶箱(見(jiàn)上頁(yè)的圖)尺寸約 46x38x28cm。當(dāng)除電腦外裝滿其它所有部件時(shí)，重量約 10kg，符合航空旅行箱要求。它含有 1 個(gè)可拆卸，內(nèi)置襯墊的箱子(帶手柄)，用于放置和保護(hù)筆記本電腦。
傳感器單元：(見(jiàn)上圖)
● 主要部件：每個(gè)單元端部為壓電晶體;柱型和槍型單元帶電池供電的前置放大器。
● 電源要求：柱型和槍型單元，9V 內(nèi)部電池;雙端單元，無(wú)需電源(自供電)。
● 控制：由按壓手柄(柱型和雙端型)或觸發(fā)開(kāi)關(guān)(槍型)控制，柱型和槍型單元有低電量警示燈。
● 電纜連接：BNC 連接頭用于連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
● 尺寸和重量：
● 柱型：長(zhǎng) 29cm，柱直徑 5cm，重量 lkg
● 槍型：高 16.5cm，長(zhǎng) 20cm，寬 7.6cm，重量 0.7kg 雙端型：16.5cm，長(zhǎng) 38cm，寬 7.6cm，重量 lkg
模擬/數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)：14 位模擬擻字轉(zhuǎn)換器，2 通道每通道最大采樣速度2MHz。
● 電源要求：內(nèi)部可充電電池(5V 直流)，充滿電時(shí)能工作 5-6 小時(shí)。
● 軟件：專門的主板軟件功能，僅能和 Impact-E 操作軟件一起使用(見(jiàn)下頁(yè))。控制：開(kāi)/關(guān)，指示燈。
● 電纜連接：2 根 BNC 連接線接頭用于連接傳感器單元；雙芯連接頭用于連接電池充電器；1 個(gè) 9 針串口連接器連接電腦(含USB/串口適配器，用于連接 USB 端口)。
● 尺寸&重量：26x16x4cm，1kg。
Impact-E: Windows 版的沖擊回波軟件
Impact-E 是 Windows 版的交互式用戶友好界面軟件系統(tǒng)，用于沖擊回波的測(cè)試及其結(jié)果的分析。它是由編寫沖擊回波書(shū)籍的作者兩個(gè)人用了兩年時(shí)間編出來(lái)的軟件(見(jiàn)該書(shū)的第 8 頁(yè))。該軟件引入了沖擊回波理論中的物理及數(shù)學(xué)原理。 Impact-E 可以裝在任何一臺(tái)電腦上用于任何用途，但不能用于測(cè)試，因?yàn)橄胍M(jìn)行測(cè)試得有與該軟件兼容的 Impact-Echo Instruments 公司的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
Impact-E 軟件主要優(yōu)點(diǎn)
● 用戶友好：在測(cè)試過(guò)程中引導(dǎo)用戶。
● 交互式：測(cè)試的每一步盡在用戶的掌握之中。
● 說(shuō)明詳盡：詳盡的操作手冊(cè)和詳細(xì)的在線幫助系統(tǒng)。
● 全面的：適用于所有已知的沖擊回波應(yīng)用。
主要特點(diǎn)
● 易于使用：用戶通過(guò)有清晰文字的命令按鈕和文本框交互式地錄入數(shù)據(jù)。通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤或兩者同時(shí)使用可靈活地控制。通過(guò)各個(gè)屏幕的組合引導(dǎo)用戶進(jìn)行測(cè)試、數(shù)據(jù)檢索和數(shù)據(jù)分析。每次測(cè)試的日期和時(shí)間自動(dòng)記錄并同測(cè)試結(jié)果一起保存。
● 快速：兩分鐘內(nèi)便可設(shè)置完畢開(kāi)始測(cè)試。在沖擊完畢后 2 秒內(nèi)即將測(cè)試結(jié)果顯示在電腦屏幕上。15-20 秒即可完成一次測(cè)試并將結(jié)果保存到測(cè)試文件。
● 靈活：屏幕可以彩色或黑白的方式顯示(后者在戶外的光線下有時(shí)更便于讀取)。測(cè)試結(jié)果文件可存放在硬盤上、軟件盤上或其他的介質(zhì)上，便于稍后的檢索和分析。測(cè)試記錄和測(cè)試文件的總結(jié)可以打印或?qū)氲?Excel 中。文件系統(tǒng)更方便于打印，在文件間拷貝測(cè)試記錄，直接導(dǎo)入 Excel，將測(cè)試結(jié)果寫成 ASCII 碼。文件以便于導(dǎo)出等等。
● 軟件保護(hù)：未經(jīng)授權(quán)不得使用 Impact-E 軟件，該軟件通過(guò)加密的代碼以得到保護(hù)，只有有了與該軟件相兼容的 Impact-Echo Instruments,LLC 公司的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)才能進(jìn)行測(cè)試。
