岩土隨機介質中的超音波場及其相控陣檢測關鍵技術

《岩土隨機介質中的超音波場及其相控陣檢測關鍵技術》是依託中國礦業大學，由宋雷擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：岩土隨機介質中的超音波場及其相控陣檢測關鍵技術
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：宋雷
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

作為典型的隱蔽工程，地下結構健康檢測廣受重視。隨深度增加，地下結構的用鋼量增加、厚度增大。尤其在深部地下工程中，普遍採用多排鋼筋或鋼板混凝土等結構形式，淺部地下工程檢測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，可實現動態聚焦，在醫學診斷、金屬結構檢測等領域套用廣泛。然而，岩土介質具有顯著的隨機性，高頻率的超音波將在其中出現頻散導致信噪比降低，常規的超聲相控陣設備在岩土工程檢測中並不適用。本項目擬從岩土介質的聲學參數測試出發，建立岩土隨機介質模型；通過數值模擬和模型試驗，獲得岩土隨機介質中超音波場的傳播規律，確定適與地下工程檢測的超音波頻帶；進而，研發相對低頻的、適於地下工程檢測的超聲相控陣設備，並通過模型試驗和現場實測，獲得地下結構中典型缺陷的相控陣圖像特徵。本項目採用物探手段解決深部地下工程的重大技術難題，有典型的學科交叉特點和深部地下特色。

結題摘要

深部地下結構作為典型的隱蔽工程，其無損檢測廣受重視。深部地下結構的無損檢測，因其用鋼量大、厚度大，在淺部地下結構檢測中採用的探地雷達、衝擊回波法等的套用效果不佳。究其原因，在於信噪比低、探測距離不敷使用。本項目提出從岩土介質賦存地質環境與內部結構特徵出發，研究岩土隨機介質的超音波場，進而掌握適用於岩土隨機介質超聲相控陣檢測的關鍵技術。首先，設計了真三軸載入的超音波檢測裝置，測得了深部岩土和混凝土試樣的波速，獲得了混凝土強度、應力與聲波速度的關係，並與數值模擬結果進行對比分析。其次，根據混凝土的二維圖像，採用FFT變換生成一個具有較高計算效率的三維初始灰度隨機分布模型，再利用隨機最佳化算法對隨機擾動進行改進，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介質特性的統計函式——長方體函式，實現了三維混凝土結構的隨機建模重建；對於結構損傷，採用隨機裂隙介質模型，根據裂隙的統計信息建立形狀、大小、傾向、傾角及分布位置的機率分布特徵，採用等效介質理論計算其等效模量，建立了裂隙參數與時頻相關的衰減剖面的關係。在此基礎上，開展岩土隨機介質超音波場的數值模擬，獲得了超聲信號的衰減回響和波場特徵，進而根據相控陣的延遲定律及多源激勵技術，研發了集信號激發、接收為一體的超聲相控陣檢測系統，該系統為16通道，延時精度1μs，激勵電壓500V，頻率範圍1—50KHz的聲波信號可以解決混凝土結構和岩土體內部缺陷的檢測問題。本項目在岩土隨機介質建模、超音波場分析方面取得的科學進展，具有創新性，為複雜介質中的彈性波場數值模擬研究提供了可靠的模型基礎和實現方法。本課題在裝備研發方面，解決了（超）聲信號頻段選擇、感測器陣列耦合一致、超聲陣列精準調距、系統延時要求、震源激勵方式等關鍵技術難題，獲得了具有自主智慧財產權的技術與裝備，上述岩土隨機介質建模方法、超音波場模擬方法和自主裝備在未來的深部地下結構無損檢測中具有廣泛的套用前景。