A1040 MIRA超声波断层扫描仪技术原理、SAFT成像与混凝土检测应用

摘要

      A1040 MIRA 超声断层扫描仪是用于混凝土和石材超声波成像的专业工具之一，大约15年前由俄罗斯AKC推出。该仪器通过干耦合到结构一侧的剪切波换能器阵列，系统性地实施脉冲回波技术。其特色功能包括弹簧加载的干点接触传感器、基于合成孔径聚焦技术（SAFT）的自动断层B扫描，以及可用于定制后处理的原始采集数据。

      利用原始数据选项，研究者将该设备的使用扩展到空洞定位之外的特定问题。**个应用是从检测到的反射体中提取脉冲幅度和相位的定量信息，从而更客观地判断管道灌浆质量。另一个应用是评估火灾暴露造成的结构表面损伤——尽管陡峭速度梯度导致的脉冲折射增加了图像聚焦难度，但从接收到的脉冲出发，表面波速度的衰减变化可被有效检测。

一、简介

      声学方法广泛用于混凝土结构检测，涵盖声波（f < 20 kHz）和超声波（f > 20 kHz）频率范围。常见应用包括评估整体波速以判断材料质量，以及更深入的检测如：评估构件厚度、检测裂缝和空隙、定位钢筋和后张管道、检查灌浆注入质量等。然而在后者中，由于混凝土是由水泥基体、不同尺寸的骨料和气孔构成的非均质材料，检测面临诸多挑战。在每个固有界面（水泥-骨料或水泥-孔隙）或其他显著声学不均匀处，波会因二次反射和折射而产生散射，导致明显的结构噪声和衰减，在频率超过100kHz时尤为突出。此外，不同波型（模式转换）在界面处被激发，各自具有不同的传播速度，引发检测波的频散和失真。正因如此，超声波脉冲速度法（UPV）在声学检测方法中应用较为广泛。该技术基于沿不同发射（TX）和接收（RX）探头相对位置定义的路径传播的脉冲来评估材料响应。由于仅拾取接收信号的前沿，飞行时间（TOF）由速度*快的模式（压缩波）沿直线传播控制，不受上述干扰的影响。

      作为替代方案，冲击回波（IE）和脉冲回波（PE）方法基于检测内部不连续处反射的机械脉冲所产生的同位置信号。为获取来自不同反射体的多重指示，需分析包含时间窗口内的完整信号，从而引入散射和频散的影响。

      冲击回波适用于形状规则的结构，主要是厚度未知的板和墙，可能包含较大空隙或分层裂缝。多数情况下，脉冲由小型冲击器（钢球或锤子）撞击表面产生。检测基于对受检界面与测试外表面之间多次反射波的频率分析。共振频率提供有关声学界面深度的信息，基本不受结构噪声引起的非相干信号分量影响。

      相比之下，脉冲回波仅基于压电传感器发射脉冲的**反射。若在规则测量网格上重复测试，可检测更复杂的几何结构，区分和定位在单一时域信号（A扫描）中重叠的不同反射体。配备传感器阵列或自动探头定位系统的仪器特别适用于这一场景。

      为将测量结果整合为断层图像并降低固有结构噪声，已开发多种成像技术，其中合成孔径聚焦技术（SAFT）提供了较为理想的结果。该算法基于每个脉冲行进的总几何路径长度，通过相干叠加（时移）对断层图像中任意位置的反射信号进行聚焦，可采用线性或平面采集网格分别获取二维和三维表示。

       2D SAFT图像是与测试表面正交的剖面（B扫描），而3D SAFT输出以三维数据场（B和C扫描）的形式显示为正交或平行剖面。SAFT技术还可重建构件边界，作为评估其他反射体强度的参考。此外，结构噪声和模式转换波被散焦，减少了干扰信号。SAFT重建图像中的相位分析有助于识别不同类型的不连续性：空气与混凝土界面表现为脉冲全反射和相位反转，而声阻抗高于混凝土的材料（如钢筋）界面则表现为同相位的部分反射。

      目前在混凝土构件中自动实施脉冲回波成像的实用工具之一是Acoustic Control System（德国）的A1040 MIRA超声断层扫描仪。下文回顾该设备的功能特点、原始波形采集程序，并讨论一些数据处理替代方案，以扩展其在特定场景中的应用。

二、设备概念与特点

      A1040 MIRA超声断层扫描仪是一种多传感器超声波设备，用于基于脉冲回波法的混凝土检测，大约二十年前由Acoustic Control System与德国联邦材料研究与测试研究所（BAM）合作开发。该仪器的关键特性是48个高阻尼干点接触（DPC）传感器阵列（图1）。传感器由独立弹簧加载，可适应不平坦和粗糙表面，配备耐磨陶瓷触点，无需耦合剂。

      在当前版本中，阵列分为12个模块，每个模块含4个换能器。每个模块作为单个发射/接收宽带剪切波传感器运行（图1中沿x轴的极化平面）。传感器中心频率为50kHz，但因高阻尼特性，发射脉冲可在10至100kHz范围内驱动。由于偏振平面（90mm）中的模块尺寸大于常见应用中的波长（约50mm），发射脉冲在同一平面内具有较窄的发散角。相比之下，沿阵列轴的尺寸可忽略，这意味着B扫描平面（图1中y轴）中的发散角较宽，可检测阵列中心周围较大宽度（通常为±175mm）。采用剪切波的主要优势在于反射时不受模式转换影响，且在给定频率下波长更短（分辨率更高）。需要注意的是，钢筋和管道的狭窄界面仅在其平行于偏振平面方向时才能被有效检测。

      关于数据采集，每个换能器模块依次充当接收器或发射器。按图1所示的编号规则，**个模块设为接收器，后续模块依次作为发射器（图2）。然后将第二个模块设为接收器，后续模块再次依次发射脉冲。总计约3秒内采集66条A扫描（2048样本，14位@1MHz），随后沿y轴以B扫描形式处理。采集数据也可作为二进制文件用于后期处理。A1040 MIRA超声断层扫描仪的主要技术参数汇总于表1。

 （图1：设备及其传感器阵列 / 图2：数据采集序列）

表格1：A1040 MIRA超声断层扫描仪的主要参数

三、信号组合与断层扫描重建

      通过超声断层扫描仪采集数据，即在时域中收集66条波形（A扫描），意味着可通过多种发射器-接收器组合观察传感器阵列下方的任何反射体。根据SAFT技术，为将这些信号与断层图中一个共同点进行一致性关联，须在入射和反射脉冲分别走过各自路径长度di和dr所需的时间内评估其幅度（图3）。这通常基于均匀脉冲速度假设，数值由其他方法或已知厚度点校准确定。可根据射线路径角度di和dr（变迹因子，较小角度取较高值）为每组信号分配不同权重。

      图4展示了相干合并多个信号的益处：未灌浆隧道衬砌段（厚度0.4m）的底部反射，通过两个连续传感器产生的单条A扫描与通过SAFT获得的B扫描垂直剖面对比，后者噪声水平明显更低。

      信号的简单组合保留了诊断脉冲的原始形状和相位，可识别声阻抗高于或低于混凝土的反射体（灌浆或空的后张拉管道，图5）。在其他应用中，更清晰的缺陷指示可通过聚焦信号的幅度包络获得。这可通过对信号的希尔伯特变换重复聚焦过程实现，与原始波相比相位移动四分之一周期。两个分量的模数代表局部信号幅度，可抵消反射脉冲的波动影响。

      该方法在土壤界面处隧道衬砌的灌浆评估中较为实用。在此类应用中，反射波幅度作为注浆质量指标。图6的前两幅图分别为良好灌浆和未灌浆情况的B扫描，分别对应无反射或可清晰检测到反射。通过定义若干中间反射强度等级（本例为4级），可对隧道衬砌灌浆质量进行分类，如图6的地图所示。

（图3：地图中某一位置的路径 / 图4：单次A扫描与聚焦信号）

图5：空管道的相位反转和信号包络

                     灌浆良好区域                                 未灌浆区域                                  隧道衬砌图面积

图 6：隧道衬砌管片灌浆评估

四、表面波速

      A1040 MIRA超声波断层扫描仪提供的一项辅助功能是评估剪切波速度，这是在未知材料质量的构件中实施SAFT的基础。该功能通过利用12个传感器模块之间的直接串扰（沿表面传播的波）实现。对任意发射器-接收器对，根据其相互距离和相速度，在一定时间延迟后检测到产生的脉冲（图7a）。通过为后者赋予猜测值，可将全部66条A扫描的初始部分沿时间轴移动后求和。相速度的估计值使信号之间达到较佳重叠，并使合成波幅度*大化（由包络峰值量化，图7b）。由于相距较远的传感器间传输的脉冲提供更丰富的信息但衰减更大，优化过程中分配与探头距离成比例的权重。

      该程序的一个典型应用是评估火灾损坏的混凝土构件。表面弹性波速度是一项关键损伤指标。然而，裂缝的存在和普通探头在压缩脉冲间接传输中的低效率，使得传统UPV的原位实施要求较高。相比之下，剪切波倾向于由受损层（Love波）引导，衰减较小。此外，与单次间接UPV测量相比，将传感器阵列范围（330mm）内不同区域采集的众多信号合并，可明显降低可能存在的裂缝影响。

      一个试点案例研究涉及一座混凝土立交桥，其内部受燃烧客车产生的局部火灾影响。通过超声断层扫描仪获得的结果比传统间接UPV更平滑（图8），可在合理时间内获取结构状况的详细分布图（3小时内完成85个测点，覆盖面积超80m²）。DPC传感器实现的干耦合在此应用中提供了较大便利。

（图7：传感器距离增加时的相移与**检测脉冲的匹配）

（图8：火灾损坏混凝土立交桥内部的剪切波速度）

图7：传感器距离增加时的相移与**检测脉冲的匹配

图8：火灾损坏混凝土立交桥内部的剪切波速度

五、结论与展望

      本文讨论了A1040 MIRA超声波断层扫描仪的功能特点，以加深对其工作原理的理解，并概述了若干利用该仪器特有结构的非常规应用。总体而言，在12模块传感器阵列内以快速序列采集所有可能的发射器/接收器组合间的脉冲回波信号，可对受检对象中相同特征进行多次观测平均，从而显著降低影响混凝土和锻铁等非均质材料的结构噪声。

      具体而言，通过合理处理原始波形数据，可获取以下附加信息：

      对回波相位和幅度进行更详细的分析，对界面质量进行分类；

      直接评估受损构件表面的剪切波速度；

      识别细长构件的主要缺陷。

      上述初步结果需要在以下方向继续推进：结构化目标（如后张管道）的相位和幅度稳健评估、火灾损坏构件中的脉冲折射分析、导波测试中的模式分离与频散补偿