雷达和超声波法无损检测木结构

张 珏 林锦涛 张世民

(1.浙江省杭州市园林文物局钱江管理处，浙江杭州 310008; 2.浙江大学城市学院，浙江杭州 310015)

雷达检测法是近年来快速壮大起来的一种无损检测方法，具有快速、无损、能连续检测、检测结果可视等特点［1］。

超声波在检测混凝土内部缺陷与匀质性等方面非常有效，该技术也是检测木结构破损情况的重要手段，在木结构工程检测中应用极为广泛［2-4］。本文根据雷达和超声波基本原理，采用雷达并结合超声波法，无损探测木结构柱腐蚀状况、缺陷位置及质量。

1 工程概况

某公园钟楼为三层木结构，创建于明代洪武年间，历代多次重修，清代商贾胡雪岩从日本购大钟安置于顶楼，一层平面共16根木结构柱，尺寸200 mm～350 mm，外围12根，有砖墙包裹，受潮及雨水渗漏侵蚀的影响，结构柱木材可能会受到白蚁及微生物的袭击。该钟楼结构柱及测点布置见图1。

图1 结构柱及平面布置示意图

2 雷达和超声波的工作原理

2.1 雷达工作原理

雷达无损检测技术具有简便快捷、抗干扰能力强、工作条件受限较小、适应性较强、探测精度和分辨率较高等方面的优点。它利用主频为数十兆赫至数百兆赫以至上千兆赫的高频电磁波，通过发射天线(T)送入检测介质，接收天线(R)接收经各层介质反射后返回表面的信息(见图2，图3)，分析各反射层间的关系，确定各层间厚度。检测过程中脉冲波行程耗时:t=(其中，V为电磁波速;X为天线距;Z为探测深度)。式中的X一般为固定值，如果V未知，此时可以采用近似计算(C为光速，即3×108m/s;εr为介质相对介电常数)。在介质电磁波速速度已知情况下，可根据探测精确的t值(ns，1 ns=10－9s)，按上式计算反射物体的深度，m。

图2 雷达工作示意图

图3 反射探测原理图

在探测物体埋深Z值确定后，利用公式计算εr，V的值。实际中，一般通过预定埋设的物标测定计算εr，V的值，并进行比较、修正，从而确保探测精度。雷达检测结果以脉冲波的波形参数被记录，采用黑、白色或者以灰阶或彩色表示波谷、峰。如此，可利用等色线或等灰度、同相轴形象地表征出地下反射界面。

2.2 超声波工作原理

1)基本原理。声学参数(如声速、波幅、频率等)可以反映出各种固体材料的内部质量情况(如强度、密实性、内部缺陷等)。由此，可借超声波测得固体材料的声学参数，来判断被检测物体内部的质量情况，这便是超声波检测仪检测原理。木材质量主要是指木材内部材质的均质性、裂纹发育、纹理纵横分布、腐朽程度及范围等方面。超声波穿透法(或超声波透射法)通常采用发射换能器发射超声脉冲波，然后利用接收换能器接收在被检测的物体中传播脉冲波，仪器把接收到的超声波信号转化为电信号，再经放大器放大和模拟数字转换器转换为数字信息存贮到计算机，存储的数据经专用的处理程序分析后即可确定被检测物体内部质量情况，确定缺陷存在的位置与分布。

超声波发生器，也称之为超声波换能器，它把其他形式的能量转换为超声波能量，从而使得超声脉冲波信号在被检测物体中传播，超声波检测基本原理如图4所示。对于在被测物体的厚度相比脉冲波长小很多，可以忽略的情况下，材料中传播的超声波波速V与材料的密度ρ及弹性模量E存在如下关系:

图4 超声波检测原理

因此可以根据上述原理，测定超声波经过既定传播距离所需的时间，计算波速，测得材料密度，利用公式即可得到木材的弹性模量。由于木材的力学破坏强度与弹性模量之间存在正相关性，并且弹性模量与密度、波速之间的关系，因而声学参数不同程度的反映了木材的力学强度，因此测定木材的声学参数即可简便快捷的获得材料弹性模量，同时也可以有效的预测材料的力学强度，从而间接的检测出材料的内部质量分布情况。

2)波速、振幅与频率等参数。声速为超声脉冲波在木材介质中的传播速度，是木材超声波检测中的一个重要的参数。它间接反映了木材弹性模量和力学强度高低，同时也反映了材料的内部质量，一般讲，木材越坚硬致密，声速就越高;内部腐朽或越稀疏，声速就越低。若材料内部存在局部腐朽，声速传播经过该部分时，波速值远远低于标准值，其计算公式如下:V=L/T。其中，V为纵波速度，km/s;L为检测深度，mm;T为传播时间，s。

振幅值高低表示声波在传递过程中能量的强弱，木材愈坚硬，声波传播衰减较小，接受到的能量相对较高，因而振幅较高;若木材愈腐朽或者质地松软，超声波在传播时相当一部分能量被吸收，接受到的能量较低，因而振幅也愈低。由此可以通过接收器收到的第一个波幅值大小来诊断被检木材的内部质量状况。

不同质地木材对超声脉冲波包含各种频率成分的吸收和过滤效果也不一样，声波穿过一定厚度的木材，质地愈稀疏，高频成分被吸收愈多，因此高频成分衰减损失愈多。超声波发生器产生固定频率成分的脉冲波，穿透木材被吸收过滤后的频率成分间接反映了木材密实度以及材料内部质量状况。

3 工程实例分析

对钟楼木结构柱应用雷达、超声波进行检测与数据采集工作。雷达检测仪沿结构自下而上方向每根木结构柱测2条侧线，其中 JZ3，JZ9，JZ10，JZ11，JZ12，JZ13，JZ14，JZ15，JZ16 由于现场条件限制只测1条，测线长度为2.0 m左右。与此同时，针对性的采用超声波检测仪对每根结构柱随机抽样检测。

在雷达图像里，标示区域通常表现为不密实，为木结构柱内腐蚀、质量缺陷所致，通过分析即可以确定缺陷不密实的位置。

木柱表层深度20 cm以上，能量条带连续规整，但在深度为20 cm左右，存在相邻条带之间错位，波形局部错乱;在深度5 cm左右处能量条带存在同轴相错断，波形变得不规整，因此可以判断此处不密实。由于多界面多次反射电磁波的结果，强反射能量条带异常不连续，波形局部杂乱，存在同轴相错断，可以判断此处木柱表层下存在不密实。

图5为木结构柱JZ11超声波测试波列，腐蚀缺陷处声速有降低，测点处声速明显偏低，测点幅度明显变化，幅值偏低。

图5 木结构柱JZ11超声波列图

4 结语

1)雷达和超声波法是无损检测中常见的技术，利用雷达和超声波检测木结构层密实状况是可行的，其精度达到工程要求。2)利用雷达和超声波法无损检测木质古建筑结构，可以提高检测效率，便于尽早处理隐患，提高建筑物寿命，对维护木质古建筑具有重要意义。3)雷达和超声波法检测一定要按合理的程序和步骤进行，做好准备工作，这是获取高质量木结构信息的关键。

［1］王 欣，贾留东，夏风敏，等.混凝土雷达(超声法)检测混凝土结构施工缝［J］.建筑技术，2006，37(4):303.

［2］肖 江，杨建华，黄 娜.基于DSP的木材强度超声波检测系统研究［J］.林业机械与木工设备，2008，36(1):83-84.

［3］嵇伟兵，马灵飞.利用超声波检测杉木抗弯弹性模量［J］.浙江林业科技，2006(3):36-37.

［4］杨学春，徐凯宏，王立海.木材无损检测技术的研究现状与进展［J］.林业科技，2002(3):18-19.