Акустические методы

УДК 620.179.163, 624.155.15

ИЗМЕРЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПАКТНЫХ

БЕТОННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

С ПОМОЩЬЮ ИМПАКТ-ЭХОМЕТОДА

¹Национальный исследовательский университет «МЭИ»,

Россия 111250 Москва, ул. Красноказарменная, 14

²ООО «АКС», Россия 142712 Московская обл., промзона «Технопарк», ул. Восточная, вл. 12, стр. 1

^*E-mail: kachanovvk@mail.ru

Поступила в редакцию 08.10.2021; после доработки 08.12.2021

Принята к публикации 10.12.2021

Импакт-эхометодом, являющимся методом свободных колебаний, контролируют строительные конструкции из

бетона, у которых измеряемая толщина H по крайней мере в шесть раз меньше иных габаритов, и не контролируют

компактные изделия, у которых толщина Н сопоставима с иными габаритами. Проблема контроля компактных

объектов заключается в том, что на спектре компактного изделия невозможно однозначно определить искомую резо-

нансную частоту f₀ ~ 1/Н, определяемую толщиной изделия Н, на фоне близко расположенных многочисленных резо-

нансов, определяемых иными габаритами контролируемого объекта. Другая причина заключается в том, что из-за

сильного влияния геометрической дисперсии скорости звука в компактных изделиях необходимо рассчитывать коэф-

фициент коррекции β для каждого нового компактного объекта контроля. В статье предлагается решение проблемы

контроля компактных бетонных строительных конструкций с помощью мультипликативного импакт-эхометода,

позволяющего определять искомую резонансную частоту, а также с помощью различных вариантов корреляционного

импакт-эхометода, которые позволяют производить измерение скорости звука в компактных изделиях для последую-

щего определения прочности бетона как в процессе его застывания, так и в процессе эксплуатации строительных

конструкций с целью прогнозирования безаварийного срока службы зданий и сооружений.

Ключевые слова: импакт-эхометод, строительная конструкция из бетона, компактное изделие, коэффициент коррек-

ции геометрической дисперсии скорости звука.

DOI: 10.31857/S0130308222010018

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных задач контроля строительных конструкций (СК) из бетона является изме-

рение толщины СК, а также измерение скорости распространения акустических колебаний в бето-

не, по которой судят о прочности бетона. Однако аномально высокое затухание ультразвука в

бетоне не позволяет контролировать СК толщиной более 1,5 м с помощью ультразвуковых (УЗ)

методов неразрушающего контроля [1]. Поэтому для контроля плоскопараллельных СК с толщи-

ной 1,5 м и более используют акустические методы, основанные на анализе собственных частот:

резонансный метод (метод вынужденных колебаний) или импакт-эхометод (метод свободных коле-

баний). В обоих случаях в бетонном изделии устанавливаются резонансные колебания, частота

которых определяется толщиной изделия f₀ ~ 1/Н. Так как при контроле изделий с большой толщи-

ной частота резонанса невелика, то и ослабление акустического сигнала будет небольшим. По этой

причине с помощью методов собственных частот удается контролировать СК, толщина которых

достигает нескольких метров.

В настоящее время наибольшее распространение для контроля СК из бетона получил импакт-

эхометод [2—5], при котором с помощью специального устройства (импактора) совершают корот-

кий по длительности, но достаточный по силе механический удар (англ. — impact) по поверхности

контролируемого изделия. Этот удар инициирует в объекте контроля (ОК) свободные акустиче-

ские затухающие колебания, которые фиксируются приемным преобразователем (ПП), располо-

женным на небольшом расстоянии от импактора. Принятый акустический сигнал преобразуется в

ПП в электрический, затем оцифровывается и поступает на устройство обработки, на выходе

которого он представляется во временнόй и в частотной областях. Параметры ОК определяют по

амплитудно-частотной характеристике (АЧХ), на которой фиксируют выраженный максимум резо-

нансной частоты f₀. В свою очередь, по максимуму оценивают толщину изделия Н ~ 1/f₀.

Как известно, резонансные методы обеспечивают высокую точность измерения, и если затуха-

ние мало, то относительная погрешность измерения частоты не превышает 0,5 % [1]. Однако при

использовании импакт-эхометода возникает дополнительная погрешность, из-за которой скорость

акустической волны в реальных бетонных СК типа «плита» составляет примерно 96 % от скорости

В.К. Качанов, И.В. Соколов, А.А. Самокрутов и др.

продольной волны C_P, то есть реальная скорость звука в плите составляет C_PP = 0,96C_P [6]. Эта

погрешность связана с геометрической дисперсией скорости звука [7]. Для устранения этой

погрешности в ОК типа «плита» был введен эмпирический коэффициент β = 0,96 [6, 7]. Именно

поэтому при контроле плит импакт-эхометодом необходимо использовать значение скорости C_PP,

которое в плите определяется волной Лэмба [6]:

H =βC

(1)

где f₀ — максимальная по амплитуде частота в спектре; H — толщина контролируемого изделия;

β — коэффициент, корректирующий влияние геометрической дисперсии скорости звука;

С_P — скорость распространения продольных акустических колебаний в бетоне, рассчитанная

для бесконечного полупространства.

В свою очередь, как известно, скорость продольной звуковой волны С_P в изделиях с неограни-

ченными размерами типа бесконечного полупространства зависит только от свойств материала [1]:

(

1−ν

)

(2)

(

+ν

)(

1−2ν

)

где E — модуль Юнга; ν — коэффициент Пуассона; ρ — плотность.

Однако коэффициент коррекции β = 0,96 считается известным и неизменным только для так

называемых протяженных изделий типа «плита», у которых измеряемая толщина Н много меньше

иных габаритов [7, 8]. Сам термин «протяженное изделие» был впервые введен в работе [8] с

целью подчеркнуть различие с «компактными изделиями», у которых измеряемая толщина Н сопо-

ставима с другими габаритами. Компактные СК с помощью традиционного импакт-эхометода в

условиях реального строительства не контролируются. Это обусловлено следующими причинами.

Во-первых, на спектре компактного изделия невозможно однозначно определить искомую резо-

нансную частоту f₀ на фоне близко расположенных многочисленных частотных пиков, определяе-

мых иными габаритами [8]. Во-вторых, из-за сильного влияния геометрической дисперсии скоро-

сти звука в компактных ОК для каждого нового изделия необходимо рассчитывать свой коэффици-

ент β [9]. В результате, в настоящее время импакт-эхометод активно развивается, однако развитие

в основном связано с созданием новых алгоритмов обработки принимаемой информации с целью

устранения стационарного влияния преобразования Фурье, применяя оконные функции или пре-

образования другого типа [10, 11], а также нивелированием субъективного фактора оценки резуль-

тата контроля, используя автоматизированные системы и машинное обучение [12, 13]. Перечис-

ленные же выше проблемы контроля компактных изделий не нашли своего полного решения

[9, 14]. Именно по этой причине в настоящей работе ставится задача разработки исследователь-

ской базы для импакт-эхометода контроля компактных изделий.

ОСОБЕННОСТИ И ПРОБЛЕМЫ КОНТРОЛЯ КОМПАКТНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ

КОНСТРУКЦИЙ ИМПАКТ-ЭХОМЕТОДОМ

Достоинством импакт-эхометода является не только возможность контролировать крупногаба-

ритные СК толщиной свыше 1,5 м, но также простота применения, высокая производительность и

относительная дешевизна устройств контроля. Именно поэтому импакт-эхометод получил распро-

странение в развитых странах для контроля СК из бетона.

Измеренная с помощью импакт-эхометода резонансная частота f₀позволяет определять ско-

рость акустических колебаний в реальных бетонных СК по формуле (1) при условии, что известна

толщина бетонного изделия Н. Если заранее известна скорость распространения продольной зву-

ковой волны в бетоне C_P, то с помощью импакт-эхометода легко определить толщину изделия Н:

(3)

При этом, как уже отмечалось, коэффициент β постоянен только у протяженных изделий, а у

компактных меняется в зависимости от ОК [9]. Резонансная частота f₀ также однозначно измеря-

ется только у протяженных объектов. Вместе с тем, частота f₀и коэффициент коррекции β доста-

точно просто определяются с помощью моделирования в компактных ОК с известными габари-

Дефектоскопия

№ 1

2022

Измерение акустических характеристик компактных бетонных строительных конструкций...

тами. Так, в [7] с помощью метода конечных элементов были рассчитаны резонансные частоты и

значения коэффициентов коррекции для «полукомпактных» ОК, у которых толщина и ширина

сопоставимы между собой, а длина много больше двух этих габаритов. В [9] же с помощью среды

моделирования были рассчитаны коэффициенты β для более сложных по конфигурации ОК, у

которых все три габарита сопоставимы между собой. Очевидно, что значения f₀ и β, полученные

с помощью моделирования, не всегда совпадают с их значениями для реального бетонного изде-

лия, так как при моделировании не учитывается степень неоднородности структуры бетона, нали-

чие и размеры заполнителя (зерен гравия), неровность граней изделия со сложной конфигурацией

и другие особенности СК. Поэтому возникает необходимость создания экспериментальных мето-

дов определения резонансной частоты f₀ и скорости звука в компактных СК.

МНОГОКАНАЛЬНЫЙ МУЛЬТИПЛИКАТИВНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТОТЫ

РЕЗОНАНСА ТОЛЩИНЫ В КОМПАКТНЫХ ИЗДЕЛИЯХ

Если в протяженном изделии искомая частота резонанса f₀ ~ 1/Н определяется с помощью

импакт-эхометода достаточно просто, то обнаружить искомый резонанс толщины на спектре ком-

пактного изделия не удается из-за присутствия большого числа частотных пиков, которые обуслов-

лены сопоставимыми по размерам габаритами [8]. При этом зачастую амплитуды многочисленных

резонансных пиков сравнимы с искомой амплитудой первой моды продольной волны. Этот эффект

иллюстрируется на полученных в результате моделирования спектральных характеристиках для

компактных плит с квадратным сечением на рис. 1.

Чтобы оценить степень различия компактных ОК с разными габаритами, было введено поня-

тие «коэффициент компактности», который был обозначен как m. Он определяется отношением

габаритных размеров a = b = D к толщине изделия Н. Для рассматриваемых на рис. 1 симметрич-

ных ОК с квадратным сечением коэффициенты m = D/H соответственно равны 5, 4 и 3.

S(f), отн. ед.

1,0

2,0

4,0

6,0

8,0

f, кГц

S(f), отн. ед.

1,0

2,0

4,0

6,0

8,0

f, кГц

S(f), отн. ед.

1,0

2,0

4,0

6,0

8,0

f, кГц

Рис. 1. Спектральные характеристики компактных плит толщиной 30 см:

а — габариты плиты 150×150×30 см (m = 5), частота резонанса толщины f₀ ≈ 6425 Гц; б — габариты плиты 120×120×30 см

(m = 4), частота резонанса толщины f₀ ≈ 6500 Гц; в — габариты плиты 90×90×30 см (m = 3), частота резонанса толщины

f₀ ≈ 6650 Гц.

На рис. 1а показан спектр плиты с габаритами 150×150×30 см, которую еще можно считать

протяженной (m = 5). Поэтому на АЧХ этой плиты возможно однозначно определить искомую

резонансную частоту f₀ ~ 1/Н. По мере уменьшения m спектральная характеристика усложняется,

и уже при m = 4 (рис. 1б) довольно сложно однозначно выделить частоту первой моды продольной

волны, по которой следует определять толщину компактного изделия. При m ≤ 3, как это видно из

Дефектоскопия

№ 1

2022

В.К. Качанов, И.В. Соколов, А.А. Самокрутов и др.

рис. 1в, однозначная интерпретация спектра вообще становится невозможной, растет вероятность

ошибки при нахождении частоты резонанса первой моды продольной волны, что снижает досто-

верность результатов измерения. Тем самым результаты моделирования подтверждают невозмож-

ность достоверно определять искомую частоту резонанса толщины и определять коэффициент

коррекции β в компактных СК, у которых m < 5.

Для решения проблемы однозначного определения искомой частоты резонанса f₀ в реальных

бетонных компактных СК нами был предложен многоканальный мультипликативный метод

(патент РФ на изобретение № 2354932), предполагающий, что контроль должен быть проведен в

нескольких точках на поверхности СК с запоминанием результатов в памяти измерительного при-

бора с последующим перемножением парциальных АЧХ. Так как пик первой моды продольной

волны присутствует на всех парциальных спектрах компактных изделий и местоположение этого

пика неизменно, а амплитуды других пиков меняются в зависимости от положения ПП на поверх-

ности СК, то перемножение спектральных характеристик приводит к выделению пика искомого

резонанса и к подавлению прочих частотных пиков.

На рис. 2 приведен пример реализации мультипликативного метода определения резонанс-

ной частоты в компактном ОК с габаритами 40×40×30 см. На рис. 2а—в показаны полученные с

помощью моделирования спектральные характеристики ОК для трех положений ПП, располо-

женных на поверхности модельного блока вблизи осей симметрии, а также главной диагонали.

A(f), отн. ед.

1,0

0,5

5,0

6,0 7,0

8,0 9,00 10,0

f, кГц

A(f), отн. ед.

1,0

0,5

5,0

6,0 7,0

8,0 9,00 10,0

f, кГц

A(f), отн. ед.

1,0

0,5

5,0 6,0 7,0

8,0 9,00 10,0

f, кГц

A(f), отн. ед.

1,0

0,5

5,0

6,0

7,0

8,0 9,00 10,0 f, кГц

Рис. 2. Результат моделирования мультипликативного метода контроля компактного бетонного блока с габаритами

40×40×30 см при различных положениях ПП (а—в), а также результат их перемножения (г).

Дефектоскопия

№ 1

2022

Измерение акустических характеристик компактных бетонных строительных конструкций...

Как видно из рисунков, однозначная интерпретация спектра в случае одного измерения невоз-

можна, однако после перемножения этих парциальных характеристик на итоговом спектре

(рис. 2г) четко фиксируется резонансный пик, соответствующий искомой толщине компактного

изделия.

Если для снятия экспериментальных АЧХ используется импакт-эхометод контроля, то такой

многоканальный метод называется мультипликативным импакт-эхометодом. Если используется

резонансный метод, то такой метод называется соответственно резонансно-мультипликативным

методом.

Перемножитель

f₀

Импактор ПП

Вычислители

частных

спектральных

резонансных

характеристик

Рис. 3. Схема резонансно-мультипликативного метода контроля компактного объекта.

Схема, иллюстрирующая резонансно-мультипликативный метод контроля компактных изде-

лий из бетона с помощью четырех ПП, изображена на рис. 3. Там же показаны полученные экс-

периментально при разных положениях ПП спектры на входе перемножителя и АЧХ изделия

после перемножения парциальных спектров, на которой однозначно определяется искомая резо-

нансная частота f₀ ~ 1/Н.

Особенностью и достоинством предложенного мультипликативного метода определения резо-

нансной частоты является возможность его применения в плоскопараллельных компактных бетон-

ных изделиях с произвольной конфигурацией.

КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ЗВУКА

В КОМПАКТНЫХ ИЗДЕЛИЯХ

Нахождение искомой резонансной частоты f₀ на спектре компактного изделия с помощью муль-

типликативного импакт-эхометода частично решает проблему контроля компактных СК, так как

теперь становится возможным определить скорость акустических колебаний C_PP = 2f₀Н в компакт-

ных изделиях с большой толщиной Н. Это, в свою очередь, позволяет решить задачу определения

прочности бетона по скорости звука (ГОСТ 17624—2012) как в процессе изготовления крупнога-

баритных компактных СК из бетона, так и в процессе эксплуатации строительных сооружений с

целью прогнозирования безаварийного срока службы зданий.

Однако в некоторых случаях при контроле реальных компактных бетонных изделий со слож-

ной структурой и с нестандартной конфигурацией точность определения резонансной частоты f₀ с

помощью мультипликативного метода может оказаться недостаточно высокой. Поэтому нами был

разработан еще один способ экспериментального определения скорости C_PP в сложных по форме

Дефектоскопия

№ 1

2022

В.К. Качанов, И.В. Соколов, А.А. Самокрутов и др.

S(f), отн. ед.

1,0

моделирование

эксперимент

2,0

4,0

6,0

8,0

f, кГц

S(f), отн. ед.

1,0

моделирование

эксперимент

2,0

4,0

6,0

8,0

f, кГц

r(C_расч), отн. ед.

3200

3600

4000

4400

C_расч, м/с

C_{расч.макс}= 3765 м/с

Рис. 4. Спектральные характеристики бетонного блока 80×50×30 см: эксперимент (а, б: сплошная линия), расчет для

скорости 3000 м/с (а: штриховая линия), расчет с наибольшей корреляцией (б: штриховая линия). Зависимость значения

взаимной корреляции от расчетной скорости акустических колебаний в бетонном блоке (в).

компактных бетонных СК, все размеры которых известны (патент РФ на изобретение № 2397487).

Суть этого способа поясняется на примере контроля несимметричного бетонного блока с габари-

тами 80×50×30 см. Сначала с помощью одного из методов собственных частот снимается экспери-

ментальная спектральная характеристика компактного бетонного блока (рис. 4а, сплошная линия),

по которой достаточно трудно установить искомый резонанс на частоте f₀ ≈ 7500 кГц. Затем с

помощью моделирования рассчитывается АЧХ этого же изделия (рис. 4а, штриховая линия) при

произвольно выбранном значении расчетной скорости звука С_расч = 3000 м/с, при которой расчет-

ная АЧХ не совпадает с экспериментальной. Если бы значение взятой для расчета скорости про-

дольных колебаний С_расч соответствовало реальной скорости звука в компактном изделии C_PP, то

расчетная и экспериментальная АЧХ совпали бы, что позволило бы определить точное значение

скорости распространения акустической волны C_PP в компактном изделии из бетона. Поэтому на

следующем этапе производится компьютерное вычисление набора расчетных АЧХ при различных

значениях расчетной скорости посредством масштабирования исходной расчетной характеристики

по оси частот в ожидаемом диапазоне скоростей (в данном примере от 2000 до 5000 м/с) с шагом

10 м/с. Так, например, для того, чтобы получить характеристики, соответствующие скоростям

3000, 3010, 3020, 3030 м/с, необходимо умножить частотную ось исходной характеристики на

коэффициент 1, 1,0033, 1,0066, 1,0100 соответственно. Затем среди всех расчетных АЧХ находится

та расчетная характеристика, которая наиболее схожа с экспериментальной (рис. 4б, штриховая

линия). По ней и определяется скорость звука в бетоне C_PP ≈ 3765 м/с.

Дефектоскопия

№ 1

2022

Измерение акустических характеристик компактных бетонных строительных конструкций...

Для более точного определения степени совпадения экспериментальной и расчетных характе-

ристик с помощью специальной программы вычисляется коэффициент взаимной корреляции r

экспериментальной АЧХ и всех расчетных, построенных для разных значений скорости С_расч.

Далее определяется максимум рассчитанной корреляционной характеристики r(С_расч), по которому

находится искомая скорость продольной звуковой волны (рис. 4в). В данном компактном бетонном

блоке С_{расч макс} = 3765 м/с.

Таким образом, предложенный корреляционный метод позволяет измерять скорость продоль-

ной акустической волны в компактных изделиях произвольной формы. Причем измерение скоро-

сти ведется во всем объеме СК, а не на каком-либо участке и, тем более, не на поверхности. При

этом в корреляционном методе нет принципиальных ограничений на максимальную толщину

изделия. К недостаткам данного метода можно отнести то, что для измерения скорости необходи-

мо знать все размеры контролируемого изделия и с помощью моделирования проводить расчет

АЧХ для каждого нового компактного объекта.

КОРРЕЛЯЦИОННО-МУЛЬТИПЛИКАТИВНЫЙ ИМПАКТ-ЭХОМЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ

СКОРОСТИ ЗВУКА В КОМПАКТНЫХ БЕТОННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ

К сожалению, в некоторых компактных бетонных изделиях не всегда удается однозначно опре-

делить максимум на корреляционной характеристике r(С_расч) из-за того, что при моделировании не

учитываются особенности структуры бетона и возможные неровности поверхностей контролиру-

емых СК. Поэтому для повышения точности измерения скорости звука в бетоне нами был пред-

ложен корреляционно-мультипликативный метод измерения скорости, при котором с помощью

импакт-эхометода определяются экспериментальные АЧХ, полученные в различных точках на

поверхности изделия, с вычислением корреляционной характеристики r(С_расч) для каждого поло-

жения датчика парциальной и с последующим перемножением набора парциальных корреляцион-

ных зависимостей [14].

Приемный

преобразователь

Импактор

Рис. 5. Контроль бетонного блока аппаратурой, реализующей импакт-эхометод (а). Схема расположения импактора и ПП

на поверхности блока (б).

На рис. 5 показан пример контроля компактного несимметричного бетонного блока размером

40×30×15 см, выполненного из бетона с наполнителем относительно большого размера (средний

диаметр частиц гравия около 20 мм). Вследствие наличия крупного наполнителя по корреляцион-

ной характеристике r(С_расч) достаточно сложно однозначно определить скорость звука в бетоне.

Поэтому при контроле этого блока использовался корреляционно-мультипликативный импакт-эхо-

метод измерения скорости. С этой целью с помощью аппаратуры Olson Instruments (рис. 5а), реа-

лизующей импакт-эхометод, снимались спектральные характеристики в четырех точках на поверх-

ности блока (рис. 5б). Для этих же точек с помощью моделирования были построены АЧХ изделия

и были вычислены функции взаимной корреляции r(С_расч) между экспериментальными и расчет-

ными спектральными характеристиками. На рис. 6а показаны четыре зависимости r(С_расч) для

четырех точек на поверхности контролируемого бетонного блока. Из графиков видно, что у всех

корреляционных зависимостей положение максимумов различается, что позволяет определить

Дефектоскопия

№ 1

2022

В.К. Качанов, И.В. Соколов, А.А. Самокрутов и др.

r(C_расч)

Положение ПП

0,7

на поверхности

изделия

0,5

0,3

3000

3200

3400

3600

3800

C_расч, м/с

r_*n(C_расч)

0,20

C_PP = 3500 м/с

0,15

0,10

0,05

0,00

3000

3200

3400

3600

3800

C_расч, м/с

Рис. 6. Зависимости значения коэффициента взаимной корреляции расчетных и экспериментальных АЧХ от скорости

акустических колебаний для четырех положений датчиков на поверхности контролируемого блока (а), а также результат

их перемножения (б).

только приблизительное значение скорости в изделии. Для повышения точности измерения была

проведена мультипликативная обработка парциальных корреляционных зависимостей.

Результирующая характеристика (рис. 6б) имеет один ярко выраженный максимум, по которому

однозначно определяется значение скорости звуковой волны C_PP в бетоне: C_PP = 3500 м/с.

В дополнении к этому был проведен сравнительный эксперимент измерения скорости

звука в бетонном блоке размером 40×40×30 см в процессе его формования предлагаемым кор-

реляционно-мультипликативным методом и стандартизированным (ГОСТ 17624—2012) уль-

тразвуковым теневым методом. При этом с помощью корреляционно-мультипликативного

метода рассчитывается скорость C_PP = βC_P, а с помощью теневого измерения, проведенного в

нашем случае на частоте 100 кГц, именно скорость продольной звуковой волны C_P. Таким

образом, чтобы сопоставить полученные разными методами значения скоростей нужно ско-

рость C_PP разделить на соответствующий блоку 40×40×30 см корректирующий коэффициент β,

компенсирующий влияние геометрической дисперсии. Для данного блока β ≈ 1,41, а скорость

C_PP определяется волной Лэмба [9]. На рис. 7 показана совокупность характеристик r(С*расч),

полученных описанным выше корреляционно-мультипликативным методом в различные дни

в процессе формования бетонного блока, где скорость С*расч представляет собой приведенное к

коэффициенту β значение. Данная зависимость отражает тенденцию набора прочности кон-

тролируемого бетонного блока при его затвердевании, что выражается в росте измеряемой в

нем скорости звука. В свою очередь, по максимумам парциальных характеристик r(С^*расч) была

определена зависимость изменения скорости продольной звуковой волны C_P в изделии от вре-

мени формования бетона (линия 2 графика, показанного на рис. 8). Также на графике пред-

ставлена зависимость, полученная в результате измерений методом сквозного прозвучивания,

или ультразвуковым теневым методом (линия 1 графика, показанного на рис. 8). Результаты

измерения различными методами совпадают, что подтверждает правильность предложенного

Дефектоскопия

№ 1

2022

Измерение акустических характеристик компактных бетонных строительных конструкций...

(C^*

)

расч

0,7

5-й день

6-й день

7-й день

8-й день

0,6

9-й день

12-й день

14-й день

16-й день

0,5

21-й день

26-й день

28-й день

0,4

0,3

3000

3200

3400

3600

3800

, м/с

расч

Рис. 7. Мультипликативно-корреляционные характеристики, полученные в различные дни в процессе формования

бетонного блока в ходе сравнительного эксперимента.

C_P, м/с

3800

3600

3400

метод прохождения (1)

корреляционный метод (2)

3200

3000

2800

2600

День

Рис. 8. Сравнение результатов определения скорости продольной звуковой волны корреляционно-мультипликативным

импакт-эхометодом и методом сквозного прозвучивания.

корреляционно-мультипликативного импакт-эхометода измерения скорости, позволяющего

повысить точность определения прочности бетона в крупногабаритных компактных строи-

тельных конструкциях.

ВЫВОДЫ

УЗ методы контроля не позволяют проводить измерения СК из бетона толщиной более 1,5 м

вследствие высокого затухания ультразвука. Для контроля таких объектов нужно использовать

акустические методы, основанные на анализе собственных частот контролируемого изделия:

резонансный метод и рассматриваемый в статье импакт-эхометод. Основная погрешность

импакт-эхометода связана с геометрической дисперсией скорости звука, которая компенсируется

корректирующим коэффициентом β. При этом его значение известно и постоянно только для

протяженных изделий типа «плита», у которых измеряемая толщина много меньше других габа-

ритов. ОК, чьи габариты сопоставимы друг с другом, называемые компактными изделиями, в

условиях реального строительства импакт-эхометодом не контролируются. Это обусловлено

неоднозначностью АЧХ, когда на фоне множественных частотных пиков не удается выделить

искомый резонанс толщины, а также сильным влиянием геометрической дисперсии вследствие

которого для каждого нового компактного изделия необходимо рассчитывать свой собственный

коэффициент β.

Дефектоскопия

№ 1

2022

В.К. Качанов, И.В. Соколов, А.А. Самокрутов и др.

В статье предлагаются несколько способов решения обозначенных проблем контроля компакт-

ных изделий. Так, описанный мультипликативный импакт-эхометод позволяет эксперименталь-

ным путем в производственных условиях определять частоту резонанса толщины в компактных

бетонных изделиях произвольной формы. Разработанный корреляционный метод измерения ско-

рости акустических колебаний позволяет решить задачу определения прочности бетона по изме-

ренной скорости как в процессе изготовления крупногабаритных компактных СК, так и в процес-

се эксплуатации зданий и сооружений с целью прогнозирования безаварийного срока службы.

Кроме того, при необходимости возможно применение предложенного в статье корреляционно-

мультипликативного импакт-эхометода измерения скорости звука.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник

/ Под ред. В.В. Клюева. М.:

Машиностроение, 2003. 656 с.

2. Geetha, Praveen Kumar. Thickness estimation and crack detection in concrete using impact-echo

technique // International Research Journal of Engineering and Technology. 2018. V. 5. P. 2345—2348.

3. Montiel-Zafra V., Canadas-Quesada F., Campos-Sunol M.J., Vera-Candeas P., Ruiz-Reyes N. Monitoring

the internal quality of ornamental stone using impact-echo testing // Applied Acoustics. 2019. V. 155.

P. 180—189.

4. Dorafshan S., Azari H. Deep Learning Models for Bridge Deck Evaluation Using Impact Echo //

Construction and Building Materials. 2020. V. 263.

5. Coleman Z., Schindler A., Jetzel C. Impact-Echo Defect Detection in Reinforced Concrete Bridge Decks

without Overlays // Journal of Performance of Constructed Facilities. 2021. V. 35.

6. Carino N.J. Impact-echo: the fundamentals // International Symposium on NDT in Civil Engineering.

2015. P. 1—18.

7. Sansalone M., Streett W.B. Impact-echo: nondestructive testing of concrete and masonry. Bullbrier

Press, Jersey Shore, PA. 1997. 339 p.

8. Качанов В.К., Соколов И.В., Авраменко С.Л. Проблемы акустического контроля крупногабарит-

ных строительных конструкций из бетона // Дефектоскопия. 2008. № 12. C. 12—22.

9. Kachanov V.K., Sokolov I.V., Fedorenko S.A. Procedure for Determining the Factor of Correction for

Geometric Dispersion of Speed of Sound in Compact Concrete Products // Russian Journal of Nondestructive

Testing. 2020. V. 56. P. 299 [Качанов В.К., Соколов И.В., Федоренко С.А. Методика определения коэффи-

циента коррекции геометрической дисперсии скорости звука для компактных изделий из бетона //

Дефектоскопия. 2020. № 4. C. 3—13.]

10. Xu J., Ren Q., Shen Z. Analysis Method of Impact-Echo Based on Variational Mode Decomposition //

Journal of Vibroengineering. 2018. V. 20. P. 2593—2603.

11. Ni T., Li J. HHT-based CEEMD to Improve an Impact-Echo Test // Journal of Testing and Evaluation.

2019. V. 47.

12. Chou H. Concrete Object Anomaly Detection Using a Nondestructive Automatic Oscillating Impact-

Echo Device // Applied Sciences. 2019. V. 9.

13. Sengupta A., Guler S., Shokouhi P. Interpreting Impact Echo Data to Predict Condition Rating of

Concrete Bridge Decks: A Machine-Learning Approach // Journal of Bridge Engineering. 2021. V. 26.

14. Kachanov V.K., Sokolov I.V., Kontsov R.V., Lebedev S.V., Fedorenko S.А. Ultrasonic wave velocity

measurement in concrete using the impact-echo method // Insight — Non-Destructive Testing and Condition

Monitoring. 2019. V. 61. No. 1. P. 15—19.

Дефектоскопия

№ 1

2022