混凝土厚度的敲擊反射波與寬頻輸入的比較
 

　　現有的混凝土板和地面經常不知厚度和其它情況。敲擊回波技術經常被使用來確定混凝土板和地面的厚度。這種方法采用一個敲擊儀器來激發結構，再采用FFT分析來確定反應中的共振頻率。但是，每個敲擊儀器都有其輸入和頻率特性，并和實際混凝土厚度、硬度和結構有關，從而影響頻率成份并影響結果。新的技術采用脈沖晶體(脈沖回波)來產生寬頻輸入，只會激發板或地面的真實的共振頻率。自行率定和試驗程序的要求得到了討論。不同的厚度和混凝土表面情況進行了比較和介紹，說明寬頻法比傳統的敲擊回波法更*。
 

　　輸入特性和頻率
 

　　敲擊回波法
 

　　敲擊回波法(IE)基于短暫的機械敲擊產生的混凝土試樣中的過渡性的應力波。敲擊持續時間(接觸時間)，即敲擊儀器接觸試驗表面的時間，是敲擊回波法成功的關鍵。敲擊持續時間取決于敲擊儀器尺寸和種類和敲擊點處混凝土的狀態。標準敲擊儀器是不同尺寸的鋼球或螺旋管。當給定一個敲擊儀器時，光滑和堅硬的表面與粗軟的表面相比，會產生的短的敲擊時間。
 

　　脈沖回波法
 

　　脈沖回波法(PE)基于采用發射/感應器來管理混凝土表面的寬頻波。傳感器采用壓電晶體元件(PZT)。在PZT元件上施加短的高壓脈沖。施加的電壓產生晶體收縮/膨脹。收縮/膨脹產生壓力脈沖，并在混凝土中產生寬頻波場。由晶體產生的波場不同于機械波，不取決于表面條件(硬度和結構)。這些特性包括在了樁動力學公司的聲波混凝土測試儀(ACT)中，用于產生這個文章的所有的脈沖回波試驗。
 

　　接觸時間
 

　　接觸時間是混凝土試樣厚度測量中zui重要的。幅射波場的很寬的頻率范圍保證了有一個頻率與混凝土厚度對應。波場包括的頻率范圍與接觸時間的倒數成正比，頻率幅度與接觸時間成正比(即當接觸時間下降時，頻率范圍增加，但頻率成份幅度減少)。
 

　　接觸時間可以通過波形的zui初部分的來測量。對于脈沖和敲擊產生于不同硬度和結構試樣的表面波的接觸時間都進行測量。儀器包括一個寬頻PZT傳感器接受表面波的到達，一個數字式示波儀來顯示和分析接受的信號。脈沖回波試驗設備用于脈沖生產的波輸入，敲擊回波設備用于機械敲擊產生的波輸入。施加輸入波于寬頻接受器旁。圖1顯示光滑表面施加的脈沖回波法和敲擊回波法產生的波形的接觸時間。表1列出了測量的接觸時間和采用同樣的記錄儀對于不同表面的相應限定頻率。
 

　　可知，脈沖回波(PE)波場的頻率成份與接觸表面的硬度和結構無關，而某個敲擊回波(IE)波場的頻率成份取決于接觸表面的硬度和結構。當接觸時間變長時，zui大頻率成份減少，因此測量薄試樣的能力減少。因此短持續時間和高頻率成份的脈沖回波輸入法容易測量較薄的試樣。
 

　　脈沖回波(寬頻晶體)和敲擊回波(Solenoid)在光滑混凝土面產生的表面波形
 

　　共振法
 

　　通過脈沖或敲擊回波法產生的波可以通過共振法來測量混凝土厚度。由脈沖或敲擊產生的波場在混凝土中傳播。由于在薄混凝土中的傳播途徑短，會產生重復性的反射。持續時間T的波形(相應于物件厚度的2倍，TH)會產生。采用高采樣頻率和實時FFT(快速富利埃變換)，把波形轉換到頻率域，并確定主頻度，該主頻與背景反射回波相對應(由于混凝土和空氣或混凝土與骨料界面的不連續性)。當試樣中有其它的不連續性，如碎片、分層或水平缺陷，頻率譜會顯示附加的頻率。
 

　　厚度測量對任何一種方法(脈沖輸入或敲擊輸入)，厚度測量通過共振頻率得到，共振頻率與試驗厚度的兩倍對應。試樣厚度用下面公式得到：這里WS為P波波速，F為共振主頻。
 

　　脈沖回波法的厚度測量時把接受器和發射器靠近放置，混凝土表面要清潔，再施加寬頻脈沖。試驗混凝土表面可以油漆或蓋有地板磚。圖2為頻率譜，其中的主峰值與共振厚度TH對應(試驗點T9)。頻率譜包括結果厚度TH-試驗點T9敲擊回波法的厚度測量通過把接受傳感放在干凈混凝土表面，并在旁邊施加機械敲擊(即通過solenoid施加)。混凝土表面可以油漆，或者貼上地板磚。標準商業敲擊回波試驗設備沒有能力產生結果頻率反應的硬考貝。
 

　　波速測量如方程1所注，波速(測量的或假定的)用于轉換測量的共振頻率為混凝土厚度。根據ASTM C1383，一個未知厚度的混凝土的P波波速可以直接測量混凝土表面P波來確定。P波波速可以通過把兩個傳感器之間的間距用到達時間差來除。測量得到的P波波速比假定波速能給出更準確的厚度。
 

　　基本敲擊回波法設備的設置可以測量未知厚度的表面P波波速。如果一個試樣已知厚度，波速可以率定。如果厚度未知，可以采用破壞性試樣來確定厚度，但要假定波速(有一定的不確定性)。但是，標準的脈沖試驗設備(ACT)裝置成可以測量未知厚度的P波波速。發射器和接受器在混凝土表面間隔大約24英寸(610mm)。測量的為直接表面P波zui初到達接受器的時間(T1)減去P波初始時間(T0)。圖3為結果P波波速測量結果(地點T9)。
 

　　T9點的波速測量
 

　　現在調查一下由脈沖和敲擊產生的直接表面P波的測量結果。試驗使用兩個寬頻PZT傳感器來感應施加的波場、 導向表面P波，用數字式示波器顯示分析信號。脈沖回波法和敲擊回波產生的波場施加點離*個接受器的距離為6英寸(152mm)。對于脈沖產生的波場接受的P波非常明顯，而對于敲擊產生的波場則不明顯。由脈沖回波發射器傳入混凝土的波場的幅度比敲擊回波儀產生的波場幅度強。波場的強度非常重要，來保證直接P波被接受。大的波場強度對于粗糙表面和基層條件情況提供了好的操作性能。
 

　　脈沖回波與敲擊回波混凝土厚度測量比較
 

　　混凝土P波波速和厚度測量試驗采用了脈沖系統(ACT)和敲擊回波系統。混凝土試樣有不同的厚度、波速和表面條件、支撐條件和形狀。試驗的混凝土試樣可以分為1)光滑表面混凝土板包括基層(實際的厚度不知道)；2)光滑混凝土板沒有基層(背景界面為空氣或者已經實際厚度)；3)粗糙表面混凝土板有基層(實際厚度不知)；和4)光滑表面混凝土管沒有基層(已知實際厚度)。采用脈沖回波法的厚度測量基于的速度，是采用脈沖回波試驗設備測量得到的直接P波速度。
 

　　采用敲擊回波方法的厚度測量基于建議缺省的波速12000英尺/秒(3657m/s)，在試樣的厚度未知時。而對于已經厚度的試樣，采用率定波速。所謂的率定波速由已知厚度和共振頻率測量得到，采用敲擊回波試驗設備。因為率定可以由已知厚度確定未知的速度，厚度測量就變成了已經完成的先知行為。對12個不同的試樣進行了厚度測量。每個試樣在四個點測量厚度，四個點矩形分布，點間距6英寸(152mm)。四個點中每一點zui多會有五次測量。對于每個試樣，取四個測量點的平均值并記錄在表2中。試樣T1、T2和T3光滑表面，并在基層上面(倉庫地板)。實際的厚度是無法測量的。對于T1和T2，PE和IE厚度測量的差別為不同的波速的原因(PE采用測量的P波波速，IE采用假定的波速)。對于T3，PE和IE厚度測量結果的不同是由于不同的波速和不同的峰值共振頻率。試樣T5、T6、T7和T12都有粗糙的表面，并在基層上。實際的厚度是無法測量的。在粗糙表面上，敲擊回波法設備經常要求多次試驗嘗試才能得到一個測量厚度值。如果經過5次嘗試沒有一個結果，那個測點就沒有數據(對于每個試樣測量四個點，每個點zui多兩次測量)。T5點就沒有數據(四個點只有三個點可用)。T6有三個點沒有數據(只有一個點有數據)。T12四個點都沒有數據(四個點都沒有結果)。T12為zui粗糙的表面，為深沖刷的人行道。脈沖回波法在*次嘗試時在每個試樣的四個點都得到了測量結果。當得到測量結果時，PE和IE厚度測量的差別是波速差別造成的(即PE采用測量的P波速，IE采用假定的波速)，說明實際波速測量重要。誤差率與設計TH值之比。
 

　　脈沖回波(PE)和敲擊回波(IE)法測量的厚度*試樣的頂部和底部可以到達，并且實際厚度可測。
 

　　**厚度測量和計算誤差不能夠得到(沒有信號)。試樣T4、T8和T9都有光滑表面，沒有基層。實際厚度T4為8英寸(203mm)，T8為19英寸(483mm)，T9為9英寸(229mm)。采用脈沖回波設備測量到的厚度與實際厚度相差1.3%，采用測量到的直接表面波確定的波速。正像期望那樣，采用敲擊回波法設備測量到的厚度與實際厚度相比差1.1%，因為波速根據用戶輸入的實際厚度進行了率定。厚度測量中的誤差是由于在四個不同測量點波速的變化、設備頻率和波速的分辨率。試樣T10和T11為混凝土管，有光滑的彎曲的表面，沒有基層。需要測量實際的厚度7英寸(178mm)。T10的內徑為72英寸(1829mm)，T11的外徑為86英寸(2184mm)。采用脈沖回波，基于P波波速得到的厚度與實際厚度吻合。已知厚度用于敲擊回波法來率定波速。
 

　　結論
 

　　在確定混凝土厚度方面，脈沖回波法比敲擊回波法表現出更高的優點。脈沖回波產生的波場的頻率成份與材料的硬度和結構無關，并保持常值。測量薄試樣的能力不會由于軟的、粗糙的表面而降低，如同敲擊回波那樣。采用脈沖回波法傳入混凝土的波場強度更強，在粗糙表面和較厚試樣條件下，具有更高的厚度測量能力和P波波速測量能力。粗糙表面條件的試樣采用敲擊回波法時有一定的困難，而脈沖回波法卻有一致性很好的信號。 標準脈沖回波設備(沒有附加的設備)允許未知厚度試樣的P波波速的測量。這個能力大大地改進結果的可靠性。
 

　　在已知實際厚度的情況下，采用脈沖回波測量得到的P波波速給出精確的厚度。當實際厚度不知道的情況下，采用脈沖回波法的P波波速的結果與設計厚度相比，比采用假定波速的敲擊回波法更精確。在所有的試驗條件下，脈沖回波法結果與設計厚度相一致，zui大的誤差少于0.8英寸(20mm)。與設計厚度相比，對于較厚的試樣，敲擊回波法的誤差經常被低估2英寸(51mm)或者更多。脈沖回波法比敲擊回波法的測量結果通常要好很多。