摘要
現(xiàn)有的混凝土板和地面經(jīng)常不知厚度和其它情況。
ACT混凝土厚度測(cè)試儀敲擊回波技術(shù)經(jīng)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(gè)敲擊儀器來激發(fā)結(jié)構(gòu)，再采用 FFT 分析來確定反應(yīng)中的共振頻率。但是，每個(gè)敲擊儀器都有其輸入和頻率特性，并和實(shí)際混凝土厚度、硬度和結(jié)構(gòu)有關(guān)，從而影響頻率成份并影響結(jié)果。新的技術(shù)采用脈沖晶體（脈沖回波）來產(chǎn)生寬頻輸入，只會(huì)激發(fā)板或地面的真實(shí)的共振頻率。自行率定和試驗(yàn)程序的要求得到了討論。不同的厚度和混凝土表面情況進(jìn)行了比較和介紹，說明寬頻法比傳統(tǒng)的敲擊回波法更優(yōu)越。
輸入特性和頻率
敲擊回波法
敲擊回波法（IE）基于短暫的機(jī)械敲擊產(chǎn)生的混凝土試樣中的過渡性的應(yīng)力波。敲擊持續(xù)時(shí)間（接觸時(shí)間），即敲擊儀器接觸試驗(yàn)表面的時(shí)間，是敲擊回波法成功的關(guān)鍵。敲擊持續(xù)時(shí)間取決于敲擊儀器尺寸和種類和敲擊點(diǎn)處混凝土的狀態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)敲擊儀器是不同尺寸的鋼球或螺旋管。當(dāng)給定一個(gè)敲擊儀器時(shí)，光滑和堅(jiān)硬的表面與粗軟的表面相比，會(huì)產(chǎn)生的短的敲擊時(shí)間。
脈沖回波法
脈沖回波法（PE）基于采用發(fā)射/感應(yīng)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(chǎn)生晶體收縮/膨脹。收縮/膨脹產(chǎn)生壓力脈沖，并在混凝土中產(chǎn)生寬頻波場(chǎng)。由晶體產(chǎn)生的波場(chǎng)不同于機(jī)械波，不取決于表面條件（硬度和結(jié)構(gòu)）。這些特性包括在了樁動(dòng)力學(xué)公司的聲波混凝土測(cè)試儀（ACT）中，用于產(chǎn)生這個(gè)文章的所有的脈沖回波試驗(yàn)。
接觸時(shí)間
接觸時(shí)間是混凝土試樣厚度測(cè)量中最重要的。幅射波場(chǎng)的很寬的頻率范圍保證了有一個(gè)頻率與混凝土厚度對(duì)應(yīng)。波場(chǎng)包括的頻率范圍與接觸時(shí)間的倒數(shù)成正比，頻率幅度與接觸時(shí)間成正比（即當(dāng)接觸時(shí)間下降時(shí)，頻率范圍增加，但頻率成份幅度減少）。
接觸時(shí)間可以通過波形的最初部分的來測(cè)量。對(duì)于脈沖和敲擊產(chǎn)生于不同硬度和結(jié)構(gòu)試樣的表面波的接觸時(shí)間都進(jìn)行測(cè)量。儀器包括一個(gè)寬頻 PZT 傳感器接受表面波的到達(dá)，一個(gè)數(shù)字式示波儀來顯示和分析接受的信號(hào)。脈沖回波試驗(yàn)設(shè)備用于脈沖生產(chǎn)的波輸入，敲擊回波設(shè)備用于機(jī)械敲擊產(chǎn)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(chǎn)生的波形的接觸時(shí)間。表 1 列出了測(cè)量的接觸時(shí)間和采用同樣的記錄儀對(duì)于不同表面的相應(yīng)限定頻率。
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混凝土表面
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PE 接觸時(shí)間（μs）
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PE 頻率成份（KHz）
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IE 接觸時(shí)間（μs）
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IE 頻率成份（KHz）
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光滑混凝土
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24
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42
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55
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18
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粗糙混凝土
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24
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42
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65
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15
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非常粗糙混凝土
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24
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42
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75
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13
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貼片混凝土
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24
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42
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80
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12.5
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瀝青
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24
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42
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125
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8
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表 1 脈沖和敲擊法的測(cè)量接觸時(shí)間和頻率
由表 1 可知，脈沖回波（PE）波場(chǎng)的頻率成份與接觸表面的硬度和結(jié)構(gòu)無關(guān)，而某個(gè)敲擊回波（IE）波場(chǎng)的頻率成份取決于接觸表面的硬度和結(jié)構(gòu)。當(dāng)接觸時(shí)間變長時(shí)，最大頻率成份減少，因此測(cè)量薄試樣的能力減少。因此短持續(xù)時(shí)間和高頻率成份的脈沖回波輸入法容易測(cè)量較薄的試樣。
圖 1 脈沖回波（寬頻晶體）和敲擊回波（Solenoid）在光滑混凝土面產(chǎn)生的表面波形共振法
通過脈沖或敲擊回波法產(chǎn)生的波可以通過共振法來測(cè)量混凝土厚度。由脈沖或敲擊產(chǎn)生的波場(chǎng)在混凝土中傳播。由于在薄混凝土中的傳播途徑短，會(huì)產(chǎn)生重復(fù)性的反射。持續(xù)時(shí)間 T 的波形（相應(yīng)于物件厚度的 2 倍，TH）會(huì)產(chǎn)生。采用高采樣頻率和實(shí)時(shí) FFT（快速富利埃變換），把波形轉(zhuǎn)換到頻率域，并確定主頻度，該主頻與背景反射回波相對(duì)應(yīng)（由于混凝土和空氣或混凝土與骨料界面的不連續(xù)性）。當(dāng)試樣中有其它的不連續(xù)性，如碎片、分層或水平缺陷，頻率譜會(huì)顯示附加的頻率。
厚度測(cè)量
對(duì)任何一種方法（脈沖輸入或敲擊輸入），厚度測(cè)量通過共振頻率得到，共振頻率與試驗(yàn)厚度的兩倍對(duì)應(yīng)。試樣厚度用下面公式得到：
TH=Ws/{2F}
這里 Ws 為 P 波波速，F(xiàn) 為共振主頻。
脈沖回波法的厚度測(cè)量時(shí)把接受器和發(fā)射器靠近放置，混凝土表面要清潔，再施加寬頻脈沖。試驗(yàn)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(duì)應(yīng)（試驗(yàn)點(diǎn) T9）。
圖 2 頻率譜包括結(jié)果厚度 TH-試驗(yàn)點(diǎn) T9
敲擊回波法的厚度測(cè)量通過把接受傳感放在干凈混凝土表面，并在旁邊施加機(jī)械敲擊（即通過 solenoid 施加）?；炷帘砻婵梢杂推幔蛘哔N上地板磚。標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)敲擊回波試驗(yàn)設(shè)備沒有能力產(chǎn)生結(jié)果頻率反應(yīng)的硬考貝。
波速測(cè)量
如方程 1 所注，波速（測(cè)量的或假定的）用于轉(zhuǎn)換測(cè)量的共振頻率為混凝土厚度。根據(jù) ASTM C1383，一個(gè)未知厚度的混凝土的 P 波波速可以直接測(cè)量混凝土表面 P 波來確定。
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波波速可以通過把兩個(gè)傳感器之間的間距d用到達(dá)時(shí)間差t來除。測(cè)量得到的 P 波波速比假定波速能給出更準(zhǔn)確的厚度。
基本敲擊回波法設(shè)備的設(shè)置可以測(cè)量未知厚度的表面P 波波速。如果一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)的脈沖試驗(yàn)設(shè)備（ACT）裝置成可以測(cè)量未知厚度的 P 波波速。發(fā)
射器和接受器在混凝土表面間隔大約 24 英寸（610mm）。測(cè)量的t為直接表面 P 波最初
到達(dá)接受器的時(shí)間（T1）減去 P 波初始時(shí)間（T0）。圖 3 為結(jié)果 P 波波速測(cè)量結(jié)果（地點(diǎn)
T9）。
圖 3：
T9 點(diǎn)的波速測(cè)量
現(xiàn)在調(diào)查一下由脈沖和敲擊產(chǎn)生的直接表面 P 波的測(cè)量結(jié)果。試驗(yàn)使用兩個(gè)寬頻 PZT 傳感器來感應(yīng)施加的波場(chǎng)、 導(dǎo)向表面 P 波，用數(shù)字式示波器顯示分析信號(hào)。脈沖回波法和敲擊回波產(chǎn)生的波場(chǎng)施加點(diǎn)離第一個(gè)接受器的距離為 6 英寸（152mm）。對(duì)于脈沖產(chǎn)生的波場(chǎng)接受的 P 波非常明顯，而對(duì)于敲擊產(chǎn)生的波場(chǎng)則不明顯。
由脈沖回波發(fā)射器傳入混凝土的波場(chǎng)的幅度比敲擊回波儀產(chǎn)生的波場(chǎng)幅度強(qiáng)。波場(chǎng)的強(qiáng)度非常重要，來保證直接 P 波被接受。大的波場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)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(cè)量比較
混凝土 P 波波速和厚度測(cè)量試驗(yàn)采用了脈沖系統(tǒng)（ACT）和敲擊回波系統(tǒng)?；炷猎嚇佑胁煌暮穸取⒉ㄋ俸捅砻鏃l件、支撐條件和形狀。試驗(yàn)的混凝土試樣可以分為 1）光滑表面混凝土板包括基層（實(shí)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(jīng)實(shí)際厚度）；3）粗糙表面混凝土板有基層（實(shí)際厚度不知）；和 4）光滑表面混凝土管沒有基層（已知實(shí)際厚度）。
采用脈沖回波法的厚度測(cè)量基于的速度，是采用脈沖回波試驗(yàn)設(shè)備測(cè)量得到的直接 P 波速度。
采用敲擊回波方法的厚度測(cè)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(shí)。而對(duì)于已經(jīng)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(cè)量得到，采用敲擊回波試驗(yàn)設(shè)備。因?yàn)槁识梢杂梢阎穸却_定未知的速度，厚度測(cè)量就變成了已經(jīng)完成的先知行為。
對(duì) 12 個(gè)不同的試樣進(jìn)行了厚度測(cè)量。每個(gè)試樣在四個(gè)點(diǎn)測(cè)量厚度，四個(gè)點(diǎn)矩形分布，點(diǎn)間距 6 英寸（152mm）。四個(gè)點(diǎn)中每一點(diǎn)最多會(huì)有五次測(cè)量。對(duì)于每個(gè)試樣，取四個(gè)測(cè)量點(diǎn)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(shí)際的厚度是無法測(cè)量的。對(duì)于 T1 和 T2，PE 和 IE 厚度測(cè)量的差別為不同的波速的原因（PE 采用測(cè)量的 P 波波速， IE 采用假定的波速）。對(duì)于 T3，PE 和 IE 厚度測(cè)量結(jié)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(shí)際的厚度是無法測(cè)量的。在粗糙表面上，敲擊回波法設(shè)備經(jīng)常要求多次試驗(yàn)嘗試才能得到一個(gè)測(cè)量厚度值。如果經(jīng)過
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次嘗試沒有一個(gè)結(jié)果，那個(gè)測(cè)點(diǎn)就沒有數(shù)據(jù)（對(duì)于每個(gè)試樣測(cè)量四個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)最多兩次測(cè)量）。T5 點(diǎn)就沒有數(shù)據(jù)（四個(gè)點(diǎn)只有三個(gè)點(diǎn)可用）。T6 有三個(gè)點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)（只有一個(gè)點(diǎn)有數(shù)據(jù)）。T12 四個(gè)點(diǎn)都沒有數(shù)據(jù)（四個(gè)點(diǎn)都沒有結(jié)果）。T12 為最粗糙的表面，為深沖刷的人行道。脈沖回波法在第一次嘗試時(shí)在每個(gè)試樣的四個(gè)點(diǎn)都得到了測(cè)量結(jié)果。當(dāng)?shù)玫綔y(cè)量結(jié)果時(shí)，PE 和 IE 厚度測(cè)量的差別是波速差別造成的（即 PE 采用測(cè)量的 P 波速，IE 采用假定
的波速），說明實(shí)際波速測(cè)量重要。誤差率
（?）與設(shè)計(jì) TH 值之比如表 2 所示。
表 2 脈沖回波（PE）和敲擊回波（IE）法測(cè)量的厚度
*試樣的頂部和底部可以到達(dá)，并且實(shí)際厚度可測(cè)。
**厚度測(cè)量和計(jì)算誤差
（?）不能夠得到（沒有信號(hào)）。
試樣 T4、T8 和 T9 都有光滑表面，沒有基層。實(shí)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(shè)備測(cè)量到的厚度與實(shí)際厚度相差 1.3%， 采用測(cè)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(shè)備測(cè)量到的厚度與實(shí)際厚度相比差 1.1%，因?yàn)椴ㄋ俑鶕?jù)用戶輸入的實(shí)際厚度進(jìn)行了率定。
厚度測(cè)量中的誤差
（?）是由于在四個(gè)不同測(cè)量點(diǎn)波速的變化、設(shè)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(cè)量實(shí)際的厚度 7 英寸（178mm）。T10 的內(nèi)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(shí)際厚度吻合。已知厚度用于敲擊回波法來率定波速。
結(jié)論
在確定混凝土厚度方面，
混凝土厚度測(cè)試儀脈沖回波法比敲擊回波法表現(xiàn)出更高的優(yōu)點(diǎn)。脈沖回波產(chǎn)生的波場(chǎng)的頻率成份與材料的硬度和結(jié)構(gòu)無關(guān)，并保持常值。測(cè)量薄試樣的能力不會(huì)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(chǎng)強(qiáng)度更強(qiáng)，在粗糙表面和較厚試樣條件下，具有更高的厚度測(cè)量能力和 P 波波速測(cè)量能力。On grade 和粗糙表面條件的試樣采用敲擊回波法時(shí)有一定的困難，而脈沖回波法卻有一致性很好的信號(hào)。
標(biāo)準(zhǔn)脈沖回波設(shè)備（沒有附加的設(shè)備）允許未知厚度試樣的 P 波波速的測(cè)量。這個(gè)能力大大地改進(jìn)結(jié)果的可靠性。
在已知實(shí)際厚度的情況下，采用脈沖回波測(cè)量得到的 P 波波速給出精確的厚度。當(dāng)實(shí)際厚度不知道的情況下，采用脈沖回波法的 P 波波速的結(jié)果與設(shè)計(jì)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(yàn)條件下，脈沖回波法結(jié)果與設(shè)計(jì)厚度相一致，最大的誤差少于 0.8 英寸（20mm）。與設(shè)計(jì)厚度相比，對(duì)于較厚的試樣，敲擊回波法的誤差經(jīng)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(cè)量結(jié)果通常要好很多。
參考文獻(xiàn)
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ASTM C1383-04, “Standard Test Method for Measuring the P-Wave speed and the Thickness of concrete plates using the impact echo method”
-
ACT Manual, April 2006, Pile Dynamics Inc.
