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综 述 混凝土超声检测的进展(续) 林维正 (同济大学 声学研究所,上海 200092) DEVELOPMENT OF ULTRASONIC TESTING OF CONCRETE(CONTINUATION) LIN Wei2zheng (Institute of Acoustics , T ongji University , Shanghai 200092 , China) 中图分类号:TG115.28 文献标识码:A 文章编号:100026656(2002)1120478206 6 冲击振动法检测混凝土质量 4 冲击振动法利用小钢球冲击混凝土作为声源, 通过被测混凝土传播,有纵波、 横波和表面波,且这 些波遇到分界面会产生反射和折射等(图 5) 。这些 波被宽带换能器接收,利用谱分析方法,找出被接收 信号与混凝土质量的关系。这种方法冲击能量大、 冲击源简单,对测试环境(如混凝土表面的平整程度 和耦合情况等)要求不高,因而是一种较有前途的方 法,在国内外受到重视。 (a)对砼表面冲击 引起的球面波 (b)底面反射后的 波的传播 图5 冲击振动法声波在混凝土中的传播 6.1 冲击时间的理论计算 某一点由于另外一点对于一个弹性物体的撞击 的动力位移可用卷积来描述 U(t ) = 0 G(t-)F( ) d (14) 式中 F() 时间函数的撞击力 G() 弹性物体动力学的格林函数 一个球撞击在混凝土板上的接触力F()是时 收稿日期:2001211219 间的函数,可用接触时间为半周期的正弦曲线近似 F(t ) = Asint tc t= 0tc(15) 格林函数G(r,r)表示位移r 点的单位强度的 正点源的待定边界条件下产生的场,在此表示物体 对一个特殊撞击的脉冲响应 2 G= - 4 (r,r)(16) 式中 (r,r ) = 0r=r rr 投射到混凝土板上的钢球所产生的撞击接触时 间可根据一个球投射到一块厚板上的古典弹性力学 解来近似 Tc= 5.97s(s+p ) 25 R h 0.1 (17) 式中 Tc 接触时间,s R 钢球半径,m h 球的投射高度,m p= 1 - 2 p Ep s= 1 - 2 s Es Ep,Es 混凝土板和球的杨氏模量,Nm 2 p,s 混凝土板和球的泊松比 s 球的密度,kgm3 上式说明接触时间是球半径的线性函数,而高 度的影响不大。对投射到一块混凝土板(Ep= 316 10 10N m 2 ,p= 0.2)上的钢球接触时间计算可得 Tc= 0.008 58 R h 0.1 (18) 874 第24卷第11期 2002年11月 无损检测 NDT Vol. 24No. 11 Nov .2 0 0 2 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 由式(17)可求得球撞击时间Tc,若已知球的撞击速 度,则可由式(15)求得F( ) , 系数A可由动量定理 求得。由式(16)加上一定的边界条件可求得G ( ) , 将F()和G()代入式(14)进行数值积分,即 可求得位移U()。 上式适用于半无限大空间或无限大板的简单几 何形状的数值解。 6.2 冲击振动法的影响因素 冲击振动法的试验设备有小钢球、 宽带换能器 或加速度计、 信号采集系统 (A D) 和微机等(图 6) 。 图6 冲击激励法采集数据过程 冲击振动法的影响因素有冲击源大小、 小球冲 击高度h及冲击源与接收换能器间距离T等(图 7) 。冲击的接触时间是技术成功的关键,而接触时 间长短主要取决于冲击钢球的大小,由下式可见 Tc= KR h 0.1 (19) 式中 K 系数(由混凝土泊松比和杨氏模量以 及球的泊松比、 杨氏模量和密度确定) TcR,对于一定厚度的混凝土板,不同直径的 钢球冲击时间不同。实验证明,当Tc=TPP,即冲击 时间等于第一个反射纵波的时间时,反射峰比较明 显(图 8) 。球大时,TcTPP,故而PP位于Tc峰之 图7 冲击示意图 图8 当时的反射峰 砼厚25.4cm 直径16.0mm 高度30cm 距离4cm R 表面波接收 PP 第一次纵波反射纵波接收 PS 纵波反射横波接收 SS 横波反射横波接收 前;球小时,Tc 95 %。 9.1 模糊方法和神经网络的结合 神经网络的并行性、 非线性处理单元和可训练 性已被证明是处理确定性的非线性和复杂性的有力 工具,而模糊方法则是处理不确定的、 无法用传统数 字精确描述的复杂系统的合适手段。 模糊分析方法和神经网络对信息的加工处理均 表现出很强的容错能力,不需要对象的精确模型。 这两种方法又各有优缺点,模糊分析方法具有较强 的描述系统定性知识的能力,可以通过数值运算的 形式实现对结构性语言经验的综合推理,但它没有 自学习能力和自适应能力,无法校正判断规则;而神 经网络具有较强的数据处理能力和学习能力,利用 输入输出直积空间的聚类方法,则能够从原始的工 作数据中归纳出若干条规则,不断修改连接权值,精 化模糊控制规则,使系统更加完善,但网络中形成的 规则是不可见和难于理解的。因此,将模糊分析方 法和神经网络结合起来,就构成一种既能定性解释 又能定量处理,广泛用于非定性系统的数据处理的 模糊神经网络。模糊神经网络的工作流程见图18。 图18 模糊神经网络工作流程图 9.2 模糊神经网络的应用 采用的模糊神经网络输入量有三个,即声速平 均值mv,声速离差系数cv,波幅离差系数ca,第一 层神经元取18个,输入量对应第一层18个节点的 隶属度函数取高斯函数 G(,) = e (-)2 2 2 网络的隐层即第二层节点数取192个,网络的 第三层即输出层节点数取五个,分别代表GRC、 加 气砼、 空心砖、 实心砖和砌块,输出值为输出层五个 节点中输出最大的那个节点所对应的名义值。如输 出层输出分别为0. 13 ,0. 15 ,0. 47 ,0. 32 ,0. 17时,输 出值为3 ,这也就是逆模糊化。 第一层18个神经元与第二层192个神经元之 间有576个连接权值;第二层192个神经元于第三 层五个神经元之间有960个连接权值。学习前,对 所有连接权值赋一个初值(在01之间取值 ) , 然后 用它来识别墙体材料的种类。开始时判断结果显然 不对,输入正确结果,系统利用人工神经网络进行学 习,不断修改权值,直到实际输出与目标输出的误差 小于设定值为止。每学完一个样本,某些神经元之 间的连接权值就得以加强。但是,在学习的开始阶 段,用学习后的系统对新的样本进行判断时,结果可 能判错,且经过一轮学习后,系统可能又对前面学习 284 林维正:混凝土超声检测的进展(续) 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 过的样本判错。其原因在于学习次数太少,系统还 不稳定,经过反复多次学习,系统逐渐趋于稳定,准 确率相应不断提高。 系统经过学习后,储存了对训练样本的特征量 的记忆,只要样本具有较好的代表性,样本数量又足 够多,就能从众多数据中提取出各种墙体材料的特 征,达到对材料种类的正确识别。我们用50个样本 对神经网络系统进行了7 500余次学习,最终,准确 率达到95 %以上。 用学习后的模糊神经网络系统对同样的样本进 行识别,判断结果见表1。 表1 模糊神经网络系统作出的判断结果 1) 材料 种类 现场样 本数 判对 次数 材料 种类 现场样 本数 判对 次数 GRC33实心砖88 加气砼33混凝土空心砌块33 空心砖87 注 :1) 准确率为96 %。 可见,模糊分析方法与人工神经网络的结合使用 比单用模糊分析方法准确率有较大提高。实验证明, 其判别的准确率95 %,具有较强的实际应用价值。 10 混凝土超声检测研究的发展趋势 结构砼无损检测技术是多学科紧密结合的高新 技术产物。现代材料科学和应用物理学的发展为无 损检测技术奠定了理论基础,现代电子技术和计算 机科学的发展为无损检测技术提供了现代化的测试 工具,同时,现代土木工程中迅速发展的新设计、 新 材料、 新工艺又对无损检测技术不断提出新的更高 的要求,起着积极的促进作用。 近几年来,土木工程无损检测得到很大发展。 从实验室逐步走上现场,并借鉴其它学科新的技术 和方法,例如计算机技术、CT技术、 仿真技术和机器 人技术等,促进了本学科的发展。新的检测仪器设 备的开发与应用促进了学科的发展,新的方法和理 论又需要有新型仪器设备予以支持,各种反演算法 用于检测结果的处理。 土木工程无损检测技术的任务和被测对象还需 进一步明确,现有检测方法还需优化。检测策略还 需改进,例如,怎样应用各种检测技术,如何将检测 技术与数值计算及神经网络相结合,如何检验试验 结果的可靠性以及如何正确解释试验结果等。 参考文献: 1 吴慧敏.结构混凝土现场检测技术M.长沙:湖南大 学出版社,1988. 2 林维正.混凝土的超声检测J .无损检测,1994 ,16(9 , 10) :253 - 257 ,289 - 294. 3CECS 21:2000 ,超声法检测混凝土缺陷技术规程S. 4 顾轶东,林维正,等.冲击回波法检测混凝土缺陷与厚 度J .建筑材料学报,1999 ,2(2) :163 - 166. 5 林维正,等.水泥混凝土路面厚度超声检测仪及其应用 J .同济大学学报,1996 ,24(1) :98 - 101. 6Newhouse VL , Bilyutay NM. Flaw2to2grain echo enhance2 ment by split2spectrum processing J . Ultrasonic , 1982 , (3) :59 - 68. 7 林维正.钻孔灌注桩混凝土质量超声波检测法J .无 损检测,1990 ,12(2) :31. 8 张晓燕,林维正,等.利用模糊神经网络识别墙体材料 的种类J .建筑材料学报,1998 ,1(3) :234 - 238. (全文完) 欢迎订阅2003年度 广西机械 广西机械 创刊于1973年,是国内外公开发行 的综合性机械科技期刊,曾获机械工业部三等奖,中 国学术期刊(光盘版)编辑委员会 CAJ2CD规范 执 行优秀奖。 广西机械 坚持促进广西机械工业的繁荣与发 展,更好地为机械工业现代化服务的办刊宗旨,开设 了管理与改革、 专论与综述、 试验与研究、 设计与计 算、 经验与创新、 信息与动态、 电气技术与自动化、 设 备管理与维修、 工艺与工装、 计量与检测、 计算机应 用 标准化、 新产品新技术、 新工艺新材料等栏目,以 促进行业技术创新,发展高科技,实现产业化,是一 本机电行业实用性强的专业技术刊物。 广西机械 还以较大篇幅发布机电产品、 科技 进步成果、 企业介绍等广告和信息。本刊为季刊,大 16开本,自办发行,全年订价20元,欢迎订阅、 欢迎 赐稿、 欢迎刊登广告。 地址:广西南宁市民主路17号 广西机械 编辑 部;邮编:530023 ;电话: [phone] (编 辑部) , [phone] (广 告 部 ) ; 传 真: [phone] ,2417878 ;电子信箱:guangxi cmes.org。 384 林维正:混凝土超声检测的进展(续) 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m