巖土隨機(jī)介質(zhì)中的超聲波場(chǎng)及其相控陣檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)

深部地下結(jié)構(gòu)作為典型的隱蔽工程，其無(wú)損檢測(cè)廣受重視。深部地下結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)，因其用鋼量大、厚度大，在淺部地下結(jié)構(gòu)檢測(cè)中采用的探地雷達(dá)、沖擊回波法等的應(yīng)用效果不佳。究其原因，在于信噪比低、探測(cè)距離不敷使用。本項(xiàng)目提出從巖土介質(zhì)賦存地質(zhì)環(huán)境與內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，研究巖土隨機(jī)介質(zhì)的超聲波場(chǎng)，進(jìn)而掌握適用于巖土隨機(jī)介質(zhì)超聲相控陣檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)。首先，設(shè)計(jì)了真三軸加載的超聲波檢測(cè)裝置，測(cè)得了深部巖土和混凝土試樣的波速，獲得了混凝土強(qiáng)度、應(yīng)力與聲波速度的關(guān)系，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。其次，根據(jù)混凝土的二維圖像，采用FFT變換生成一個(gè)具有較高計(jì)算效率的三維初始灰度隨機(jī)分布模型，再利用隨機(jī)優(yōu)化算法對(duì)隨機(jī)擾動(dòng)進(jìn)行改進(jìn)，以加速模擬退火算法的收斂，提出了一種新的描述兩相隨機(jī)介質(zhì)特性的統(tǒng)計(jì)函數(shù)——長(zhǎng)方體函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了三維混凝土結(jié)構(gòu)的隨機(jī)建模重建；對(duì)于結(jié)構(gòu)損傷，采用隨機(jī)裂隙介質(zhì)模型，根據(jù)裂隙的統(tǒng)計(jì)信息建立形狀、大小、傾向、傾角及分布位置的概率分布特征，采用等效介質(zhì)理論計(jì)算其等效模量，建立了裂隙參數(shù)與時(shí)頻相關(guān)的衰減剖面的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)展巖土隨機(jī)介質(zhì)超聲波場(chǎng)的數(shù)值模擬，獲得了超聲信號(hào)的衰減響應(yīng)和波場(chǎng)特征，進(jìn)而根據(jù)相控陣的延遲定律及多源激勵(lì)技術(shù)，研發(fā)了集信號(hào)激發(fā)、接收為一體的超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)為16通道，延時(shí)精度1μs，激勵(lì)電壓500V，頻率范圍1—50KHz的聲波信號(hào)可以解決混凝土結(jié)構(gòu)和巖土體內(nèi)部缺陷的檢測(cè)問(wèn)題。本項(xiàng)目在巖土隨機(jī)介質(zhì)建模、超聲波場(chǎng)分析方面取得的科學(xué)進(jìn)展，具有創(chuàng)新性，為復(fù)雜介質(zhì)中的彈性波場(chǎng)數(shù)值模擬研究提供了可靠的模型基礎(chǔ)和實(shí)現(xiàn)方法。本課題在裝備研發(fā)方面，解決了（超）聲信號(hào)頻段選擇、傳感器陣列耦合一致、超聲陣列精準(zhǔn)調(diào)距、系統(tǒng)延時(shí)要求、震源激勵(lì)方式等關(guān)鍵技術(shù)難題，獲得了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)與裝備，上述巖土隨機(jī)介質(zhì)建模方法、超聲波場(chǎng)模擬方法和自主裝備在未來(lái)的深部地下結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

作為典型的隱蔽工程，地下結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)廣受重視。隨深度增加，地下結(jié)構(gòu)的用鋼量增加、厚度增大。尤其在深部地下工程中，普遍采用多排鋼筋或鋼板混凝土等結(jié)構(gòu)形式，淺部地下工程檢測(cè)中中常用的物探方法不再適用。超聲相控陣具有高精度、高檢出率、高效率的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)聚焦，在醫(yī)學(xué)診斷、金屬結(jié)構(gòu)檢測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，巖土介質(zhì)具有顯著的隨機(jī)性，高頻率的超聲波將在其中出現(xiàn)頻散導(dǎo)致信噪比降低，常規(guī)的超聲相控陣設(shè)備在巖土工程檢測(cè)中并不適用。本項(xiàng)目擬從巖土介質(zhì)的聲學(xué)參數(shù)測(cè)試出發(fā)，建立巖土隨機(jī)介質(zhì)模型；通過(guò)數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)，獲得巖土隨機(jī)介質(zhì)中超聲波場(chǎng)的傳播規(guī)律，確定適與地下工程檢測(cè)的超聲波頻帶；進(jìn)而，研發(fā)相對(duì)低頻的、適于地下工程檢測(cè)的超聲相控陣設(shè)備，并通過(guò)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，獲得地下結(jié)構(gòu)中典型缺陷的相控陣圖像特征。本項(xiàng)目采用物探手段解決深部地下工程的重大技術(shù)難題，有典型的學(xué)科交叉特點(diǎn)和深部地下特色。

巖土介質(zhì)超聲波測(cè)試技術(shù)作為一種新技術(shù)的出現(xiàn)，發(fā)展已有30a之久，它通過(guò)測(cè)定超聲透射巖土后的聲學(xué)信號(hào)(如波速、衰減系數(shù)、振幅等)的變化來(lái)間接地反映巖石體的物理力學(xué)參數(shù)、應(yīng)力狀態(tài)特征及一些結(jié)構(gòu)構(gòu)造方面的變化。超聲測(cè)試和其他檢測(cè)方法一樣，有自身的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，同樣由于它無(wú)法獲得樣品內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)圖像而應(yīng)用受到限制。 2100433B

《巖土介質(zhì)與結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用理論及其應(yīng)用》由科學(xué)出版社出版。

超聲波數(shù)據(jù)采集單元：DAU-PA64/128 通道數(shù)量128、發(fā)射電壓150馬達(dá)控制單元：空心杯電機(jī)、電壓48V、運(yùn)動(dòng)速度100mm/s max主 電 纜：PAUMBILICAL V4 128通道相控陣探頭：晶片尺寸1mm、晶片數(shù)量60、楔塊型號(hào)IT-XK12。