автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Разработка методов и программно-аппаратных средств акустического контроля крупногабаритных строительных изделий из бетона

На правах рукописи

АВРАМЕНКО Сергей Леонидович С/

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ АКУСТИЧЕСКОГО КОНГ ЮЛЯ КРУПНОГАБАРИТНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ БЕТОНА

003446696

Специальность 05 11 13-05 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 2 СЕН 2008

Москва-2008

003446696

Работа выполнена на кафедре Электронные приборы

, Московского Энергетического Института (Технического Университета)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Качанов Владимир Климентьевич

Официальные оппоненты доктор технических наук

Шевалдыкин Виктор Гавриилович

кандидат технических наук Тихонов Дмитрий Сергеевич

Ведущая организация Научно-сертификационный учебный центр материаловедения и ресурса компонентов ядерной техники (ООО «НСУЦ «ЦМиР»)

Защита состоится 8 октября 2008 г в 10 часов на заседании

диссертационного совета Д520 010 01

ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР»

По адресу 119048, г Москва, ул Усачева, 35, строение 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЗАО «НИИИН МНПО «СПЕКТР»

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу 119048, г Москва, ул Усачева, 35, строение 1

Автореферат разослан 5 сентября 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор , Королев М В

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Безопасность функционирования сооружений из бетона, являющаяся важнейшим экономическим и социальным фактором, в значительной мере определяется техническим состоянием бетонных строительных конструкций (СК) и мерами по контролю их качества, как в процессе сооружения, так и на протяжении всего времени эксплуатации Одним из способов обеспечения безаварийной эксплуатации является мониторинг качества бетонных СК с применением методов неразрушающего контроля (НК).

Для получения информации о прочности изделий из бетона, о наличии дефектов, о габаритах СК разработаны различные методы и средства НК, в том числе методы и средства акустического (в первую очередь ультразвукового - УЗ) контроля. На основании полученных с помощью этих методов данных делают выводы об общем состоянии сооружения, определяют остаточный ресурс конструкций.

Вследствие физико-механических особенностей бетона, УЗ методы НК (эхо-импульсный, теневой и др.) не позволяют контролировать СК толщиной более 1,5 м. Для контроля таких крупногабаритных изделий применяют акустические методы, основанные на анализе собственных частот (в основном, импакт-эхо метод). Несмотря на то, что эти методы были впервые применены еще в двадцатых годах прошлого столетия, современное техническое оснащение, необходимое для объективного контроля, они получили только 15-20 лет назад На протяжении всего этого времени исследованиям в этой области уделялось пристальное внимание в большинстве развитых стран, в то время как в России, начиная с 90-х гг. и до настоящего времени, методы собственных частот применительно к НК бетона не разрабатывались и за редким исключением не применялись

В отличие от УЗ методов, позволяющих обнаруживать дефекты и с высокой точностью определять их параметры, методы собственных частот могут дать только общую оценку дефектности изделия, поэтому в дефектоскопии они применяются редко. Вместо этого, эти методы используются для определения либо толщины СК, либо скорости распространения акустической волны в крупногабаритных изделиях, толщина которых может превышать 1,5 м По значению скорости распространения акустической волны делают выводы о прочности бетона.

Однако на сегодняшний день, зарубежная аппаратура, реализующая методы собственных частот и импакт-эхо метод в частности, позволяет определять прочность бетона и толщину только протяженных конструкций, у которых олщина во много раз меньше, либо больше остальных размеров (фундаменты, ены, перекрытия, сваи) Погрешность измерений параметров компактных онструкций (блоки, балки, колонны, опоры мостов и др. - у которых толщина дного порядка с остальными размерами) может достигать неприемлемых значений вследствие влияния эффекта геометрической дисперсии скорости Кроме того, «геометрические эффекты» в компактных изделиях оказывают негативное влияние а достоверность контроля Эти недостатки приводят к тому, что прочность бетона

и толщина крупногабаритных (более 1,5 м), но компактных изделий, при наличии только одностороннего доступа не могут быть проконтролированы ни одним из известных акустических методов.

Все это свидетельствует об актуальности продолжения исследований в области НК изделий из бетонов методами собственных частот и создания новых аппаратных средств контроля.

В связи с этим настоящая работа посвящена разработке методов и программно-аппаратных средств акустического контроля крупногабаритных строительных конструкций из бетона.

В рамках данной диссертации обобщены результаты теоретических и экспериментальных исследований в области акустических методов контроля строительных конструкций из бетона, выполненных на кафедре Электронные приборы МЭИ с 2005 по 2008 год. Результаты получены в процессе выполнения НИР по программам Минобрнауки РФ, Минатома РФ, других х/р НИР.

Цель работы

Цель работы заключается в создании методов и средств акустического НК, применение которых позволит повысить безопасность эксплуатации сооружений из бетона Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач.

1. Создание методики анализа акустических полей в компактных изделиях произвольной формы из бетона, позволяющей повысить точность и достоверность измерений за счет учета влияния эффекта геометрической дисперсии скорости, и выявления зон оптимального расположения электроакустических преобразователей (ЭАП) на поверхности объекта контроля

2. Построение дисперсионных характеристик стандартных компактных изделий (большинство из которых имеет форму параллелепипеда или диска), позволяющих учитывать влияние эффекта геометрической дисперсии скорости и повысить точность определения скорости распространения акустической волны и толщины методами собственных частот.

3. Выявление оптимальных зон размещения ЭАП на поверхности изделий в форме диска и параллелепипеда с целью повышения достоверности результатов измерений.

4. Создание новых методов, позволяющих определять скорость распространения акустической волны и толщину как протяженных СК с неоднородной внутренней структурой, так и компактных крупногабаритных СК, в том числе нестандартной формы.

5. Разработка многофункциональной аппаратуры акустического НК, которая обеспечит реализацию разнообразных алгоритмов обработки данных и позволит контролировать как протяженные СК с неоднородной внутренней структурой, так и компактные крупногабаритные СК.

Научная новизна

1. Создана методика анализа акустических полей в компактных изделиях произвольной формы из бетона, позволяющая повысить точность и достоверность

измерений за счет учета влияния эффекта геометрической дисперсии скорости и выявления зон оптимального расположения ЭАП на поверхности объекта контроля

2 Предложен и реализован корреляционный метод определения скорости распространения акустической волны в компактных изделиях произвольной формы, все размеры которых известны, заключающийся в сравнении экспериментальной характеристики с расчетными характеристиками, полученными при различных значениях скорости

3. Построены дисперсионные характеристики компактных изделий в форме диска и параллелепипеда, позволяющие учитывать влияние эффекта геометрической дисперсии скорости и повысить точность определения скорости распространения акустической волны и толщины методами собственных частот.

4. Выявлены оптимальные зоны размещения ЭАП на поверхности изделий в форме диска и параллелепипеда, что позволило повысить достоверность результатов измерений.

5 Предложен и реализован многоканальный резонансно-мультипликативный метод определения скорости распространения акустической волны и толщины как протяженных СК с неоднородной внутренней структурой, так и компактных крупногабаритных изделий, заключающийся в мультипликативной обработке нескольких спектральных характеристик, полученных в различных точках поверхности (положительное решение по заявке № 2007118592/28 от 21.05 2007 на патент на изобретение).

Защищаемые положения

1 Методика анализа акустических полей в компактных изделиях произвольной формы из бетона, позволяющая повысить точность и достоверность измерений за счет учета влияния эффекта геометрической дисперсии скорости и выявления зон оптимального расположения ЭАП на поверхности объекта контроля.

2. Корреляционный метод определения скорости распространения акустической волны в компактных изделиях произвольной формы, все размеры которых известны

3. Многоканальный резонансно-мультипликативный метод определения скорости распространения акустической волны и толщины как протяженных СК с неоднородной внутренней структурой, так и компактных крупногабаритных изделий.

4. Принципы создания и структурная схема многофункциональной аппаратуры акустического НК, реализующей алгоритм мультипликативной обработки спектральных характеристик и позволяющей контролировать как протяженные СК с неоднородной внутренней структурой, так и компактные крупногабаритные изделия.

Практическая значимость и внедрение результатов работы

Созданы две модификации действующих макетов аппаратно-программного комплекса для измерения спектра свободных и вынужденных колебаний СК, определения толщины СК и определения скорости акустических колебаний в

крупногабаритных бетонных изделиях с помощью многоканального резонансного и импакт-эхо методов с последующей мультипликативной обработкой сигналов

С помощью разработанной аппаратуры проконтролированы протяженные и компактные строительные конструкции из бетона и железобетона и кирпичной кладки: фундаменты толщиной более 2-х метров, стены толщиной до 2-метров, компактные блоки, сваи, опоры и колоны на строительных объектах Москвы и Подмосковья (служебное помещение ГАБТ, здание на Каширском шоссе и др.) Для компактных крупногабаритных изделий из бетона был проведен мониторинг изменения скорости акустической волны для установления физико-механических характеристик бетона в процессе старения

Результаты исследований по созданию новых методов и устройств акустического контроля сложноструктурных СК из бетона были использованы.

- при выполнении х/д НИР «Разработка высокочувствительных и высокоточных методов и устройств ультразвукового контроля и диагностики строительных материалов и конструкций», выполняемой в рамках х/д с ФГУП «УССТ № 2 при Спецстрое России» (УССТ - управление специального строительства по территории № 2);

- при выполнении г/б НИР «Разработка универсальной системы ультразвукового контроля и диагностики конструктивных элементов и узлов оборудования ядерных энергетических установок», выполняемой согласно программе сотрудничества Министерства образования Российской Федерации и Министерства Российской Федерации по атомной энергетике,

-при выполнении г/б НИР «Создание теории и методики высокоточного ультразвукового контроля протяженных изделий из сложноструктурных материалов», выполняемой в рамках аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)» на 2008 г.

Результаты диссертации используются в ФГУП «УССТ № 2 при Спецстрое России» (акт использования от 20.06.2006) и внедрены в «Научно-сертификационном учебном центре материаловедения и ресурсов компонентов ядерной техники "Центр Материаловедения и Ресурса» (акт внедрения от 30 07.2008)

Апробация работы

По результатам исследований было опубликовано 13 печатных работ, получено положительное решение по заявке на патент на изобретение. Результаты исследований были доложены на 8-ми НТ конференциях Опубликованы 2 статьи в изданиях из списка ВАК. «Вестник МЭИ» № 1,2008 г, «Измерительная техника» № 5,2008 г.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, состоящего из 69 источников, и приложения Объем работы составляет 153 страницы, включая 82 рисунка и 8 таблиц

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проведенных в ходе выполнения работы исследований. Дается общая характеристика диссертационной работы, перечислены признаки научной новизны и основные практические результаты. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту

В главе 1 приведен литературный обзор работ по НК крупногабаритных СК из бетона акустическими методами. Отмечается большой вклад в развитие УЗ методов контроля изделий из бетона российских ученых. И. Н. Ермолова, Ю В Ланге, В. В. Клюева, Н. П. Алешина, А. А. Самокрутова, В. Г. Шевалдыкина, В К Качанова, И. В. Соколова и др. Благодаря работам этих ученых решена проблема контроля СК из бетона толщиной до 1,5 метров с использованием традиционных УЗ методов НК. Контроль крупногабаритных изделий большего размера возможен методами собственных частот (метод вынужденных колебаний и метод свободных колебаний). Для контроля СК из бетона метод вынужденных колебаний (резонансный метод) распространения не получил, в то время как метод свободных колебаний (импакт-эхо метод, от англ. impact - удар) активно применяется в большинстве развитых стран

изделия из бетона (А=0,5 м) импакт-эхо бетона,/=3,42 кГц

методом

В импакт-эхо методе (рис. 1) при помощи небольшого стального шарика или специального устройства - импактора по поверхности объекта контроля наносят короткий механический удар, который инициирует свободные акустические затухающие колебания по толщине изделия, регистрируемые широкополосным ЭАП, после чего с помощью спектроанализатора (СА) вычисляют спектр этих колебаний.

На спектральной характеристике (рис. 2) по максимуму амплитуды определяют собственную частоту /, на которой возникает резонанс первой моды продольной волны, по значению собственной частоты рассчитывают толщину й при известной скорости распространения продольной акустической волны Спр: А = кСп//2% где к - коэффициент коррекции скорости, учитывающий влияние эффекта геометрической дисперсии скорости, равный 0,96 для протяженных плит (при типичном для бетона значении коэффициента Пуассона о = 0,2)

С помощью импакт-эхо метода удается измерять толщину СК из бетона до 30 м. Этот метод позволяет решать широкий спектр задач: определять толщины СК, длину и целостность свай, производить измерение глубины трещин, давать оценку наличия дефектов, проводить контроль коррозийного состояния арматуры, определять скорость распространения акустической волны, а по скорости прочность бетона.

Недостаток методов собственных частот заключается в том, что контроль прочности и толщины может быть осуществлен только для протяженных конструкций, у которых толщина либо как минимум в 5 раз меньше, либо как минимум в 5 раз больше любого другого геометрического размера (плиты, фундаменты, стены, сваи и др.).

я)

/

/

£

Пята, фундамент

/

//

Ал

б)

£~Л

тУ -

"Колонна

Рис. 3. Примеры протяженных (а) и компактных (б) СК

Для компактных изделий, размеры которых не удовлетворяют этому условию (блоки, колонны, диски и др.), погрешность определения прочности и толщины может достигать 70%. Компактность изделия зависит только от отношения размеров изделия и не связана с абсолютными значениями этих размеров, т.е. компактным может считаться бетонный блок размером 10x10x10м. На рис.3 приведены примеры протяженных (а) и компактных (б) конструкций, стрелками показаны поверхности, доступные для контроля и определяющие место расположения импактора и приемного ЭАП (или излучающего и приемного ЭАП). Проблема контроля компактных изделий поясняется на рис. 4. Из-за ограниченной длины (рис. 4, а) наряду с резонансом первой моды продольной волны на спектральной характеристике появляются многочисленные дополнительные резонансные пики, возникающие из-за «геометрических эффектов», на фоне которых невозможно однозначно определить основной резонансный пик (рис. 4, б). Кроме того для компактного изделия неизвестно значение коэффициента коррекции скорости к. Именно по этим причинам (неоднозначность спектральной характеристики и неопределенность значения к) контроль компактных строительных конструкций из бетона акустическими методами не проводится.

В главе 2 сформулированы пути решения проблемы измерения скорости (тем самым и прочности) и толщины компактных бетонных СК методами собственных

частот на основе расчета спектральных характеристик контролируемых изделий Показано, что аналитический расчет спектра свободных или вынужденных колебаний возможен только для изделий простейших форм, длинных стержней (свай) и тонких пластин (протяженных плит, стен). Для остальных изделий (например, фундаментных блоков, колонн, опор мостов и т.д.), аналитический расчет спектральной характеристики невозможен. Для расчета спектральной характеристики компактных изделий могут быть применены численные методы, в частности метод конечных элементов (МКЭ). Сопоставление результатов аналитического и МКЭ расчетов спектра вынужденных колебаний тонкого стержня показывает их совпадение Произведен МКЭ расчет (моделирование) спектральной характеристики модели протяженной плиты. В соответствии с методикой импакт-эхо метода по максимуму спектральной характеристики определена частота резонанса первой моды продольной волны / и получено значение толщины плиты кС

по формуле И= где Су, - скорость распространения акустической волны в

материале плиты, заданная как параметр при моделировании; к -коэффициент коррекции скорости, равный 0,96 Рассчитанное значение А точно совпадает с толщиной модели, что подтверждает правомерность применения МКЭ для вычисления спектральных характеристик.

Рис 4 Схема контроля компактного изделия из бетона импакг-эхо методом (а), АЧХ компактного изделия из бетона (б)

Проанализированы проблемы, препятствующие контролю толщины и скорости распространения акустической волны в компактных изделиях методами собственных частот. 1 Геометрические эффекты

Введено понятие компактности изделия, характеризующееся коэффициентом т, равным отношению одного из размеров изделия к его толщине. С помощью моделирования показано, что на спектральной характеристике изделий, у которых т<5, вследствие «геометрических эффектов» присутствует большое количество «паразитных» резонансных пиков, маскирующих пик первой моды продольной волны, что снижает достоверность контроля На рис 5 показаны спектральные характеристики бетонных блоков толщиной 30 см с от = 5, /и = 4, /л = 3 и /и = 2. По мере уменьшения т, спектральная характеристика усложняется, уже при т = 4

нахождение значения частоты резонанса первой моды продольной волны по максимуму спектральной характеристики приводит к ошибочному результату.

А 0.5

А-

Л*

1 2 3 4 5 6 Размер 150x150x30 см, т = 5 Частота резонанса / = 6425 Гц А

0.5

8 9 10^ кГц

л

1 2 3 4 5 6 Размер 120x120x30 см, т = 4 Частота резонанса /= 6500 Гц А

0.5

8 9 Ю^кГц

1 2 3 4 5 Размер 90x90x30 см, т = 3 Частота резонанса /= 6650 Гц А

0.5

Л, Л, .АА^У^АД

8 9 Ю/кГц

.«А -лА

АА^

123456789 Ю/кГц Размер 60x60x30 см, т = 2 Частота резонанса /= 7300 Гц Рис 5 Спектральные характеристики плиты толщиной 30 см при различных значениях

компактности т

2. Геометрическая дисперсия скорости

Эффект геометрической дисперсии скорости заключается в том, что скорость распространения акустической волны в упругом теле зависит не только от свойств материала, но и от размеров этого тела по отношению к длине волны Этим эффектом нельзя пренебрегать, когда длина волны одного порядка с геометрическими размерами объекта контроля, что характерно для методов собственных частот. Как видно на рис 5 при уменьшении т с 5 до 2, значение частоты резонанса / увеличивается с 6425 Гц до 7300 Гц Для учета влияния эффекта геометрической дисперсии скорости используют коэффициент коррекции скорости к = С/С„р, где С - скорость продольной волны в изделии некоторой формы, определенная одним из методов собственных частот, С„р - скорость продольной волны в бесконечном пространстве (длина волны во много раз меньше размеров объекта контроля). Известно, что

М1 + *Х1-2*)'

где Е - модуль Юнга, р - плотность, о - коэффициент Пуассона

Если форма контролируемого изделия представляет собой протяженную плиту, длина и ширина которой более чем в 5 раз превышают толщину, то

С-. 1

р 1-ст2

В этом случае

к = — = 1~2еу

Коэффициент к для протяженной плиты зависит только от коэффициента Пуассона <з, т.е. к =/(о). Скорость продольной волны в компактном параллелепипеде с габаритами а и Ь, у которой не выполняются условия X « а и X«Ь, зависит от отношений а/к и ЫХ. При этом к = До, а/Х, Ь/Х). Попытки получить аналитическое выражение функции /о, а/Х, ЫХ) хотя бы в некоторых диапазонах отношений а/Х и ЫХ дают неприемлемо высокую погрешность. Для компактного изделия произвольной формы вид функции До, а/Х, ЫХ) вообще неизвестен, что препятствует определению Спр методами собственных частот. 3. Выбор положения импактора и ЭАП

Установлено, что амплитуды резонансных пиков на спектральной характеристике сильно зависят от положения импактора и ЭАП на поверхности объекта контроля. В существующих зарубежных методиках по применению импакт-эхо метода, ориентированных на контроль только протяженных СК, вопрос о выборе положений импактора и ЭАП не затрагивается, что приводит к неоднозначности результатов при контроле компактных изделий.

Предложен корреляционный метод определения скорости распространения акустической волны в компактных изделиях произвольной формы, все размеры которых известны. Измерение скорости в данном методе производится с помощью предварительно снятой экспериментальной спектральной характеристики

5) ЦММЖМШМГ г) 2 3 4 5 6 7 5 5 10/кГц Рис. 6, а - моделирование, б - измерение спектральных характеристик, в - зависимость значения ВКФ от скорости, г - совпадение расчетной и экспериментальной спектральных характеристик (при С„р = 3800 м/с в максимуме ВКФ)

е) 3000 3200 3400 3600 3800 4000 4200 4400 4600 Сир. м/с

Д

- Эксперимент

^ ----Моделирование

компактного изделия (рис. 6, а, сплошная линия на рис. 6, г) Затем осуществляется последовательный расчет семейства спектральных характеристик модели изделия (рис 6, б) с различными значениями скорости Сщ, для нахождения характеристики (пунктир на рис. 6, г), наиболее схожей с характеристикой, полученной в ходе экспериментального измерения. Степень схожести характеристик определяется в результате вычисления значения функции их взаимной корреляции (ВКФ) для каждого значения Спр в интересующем диапазоне Искомое значение С„р в исследуемом изделии определяется по максимуму ВКФ (в)

Корреляционный метод позволяет измерять Спр во всем объеме СК, а не на каком-либо участке и, тем более, не на поверхности, в меньшей степени, чем УЗ методы, чувствителен к арматуре и крупнозернистому наполнителю, тк длина волны одного порядка с размерами СК, не имеет принципиальных ограничений на максимальную глубину контроля. Корреляционный метод может быть использован для мониторинга изменения скорости (прочности) крупногабаритных СК во времени.

Предложено решение проблемы определения значения коэффициента к для изделий некоторых стандартных форм с произвольными размерами. Значение коэффициента к определяется с помощью дисперсионных характеристик при условии, что известны коэффициенты компактности т, т.е. отношения габаритных размеров к толщине На рис 7 приведены дисперсионные характеристики для параллелепипедов и дисков с различными т, полученные в результате моделирования.

Характеристики показывают, что. а) независимо от формы изделия при т> 5 коэффициент коррекции скорости к стремится к значению 0,96, б) в изделиях в форме диска и параллелепипеда при т< 3 коэффициент коррекции скорости к изменяется - начинает ощутимо возрастать; в) полученные дисперсионные характеристики не зависят от масштаба СК, т.е. пропорциональное изменение всех размеров СК не влияет на зависимость к от т. Благодаря этому свойству, дисперсионные характеристики можно применять для изделий конкретной формы,

но любой толщины. Тем самым решена проблема учета влияния эффекта геометрической дисперсии скорости и снижена погрешность измерений до 2-5%

С помощью моделирования сформулированы рекомендации по оптимальному размещению ЭАП на поверхности объекта контроля.

а)

6)

в)

А 0,5]

-----. -»-о--

д)

I?

_1_

I •

1 о

А, 0,5

8 9 Ю^кГц

I

8 9 10^ кГц

0.5

Л .Л -л

А,

0,5

8 9 10^ кГц

А, 0.51

__

1

5 6 7 8 9

9 10./кГц

/Мл

ЮЛ кГц

Рис 8 Спектральные характеристики блока 80x50x30 см в зависимости от положения пары импахтор-ЭАП (моделирование)

Установлено, что при положении импактора и ЭАП на одной из осей симметрии, параллельной сторонам параллелепипеда, амплитуда информативного пика максимальна, а амплитуды паразитных пиков минимальны, в то время как в других положениях амплитуда информативного пика может быть существенно меньше, а паразитных - больше На рис. 8 показаны спектральные характеристики компактного блока размером 80x50x30 см при различных положениях импактора и ЭАП При положении на продольной оси симметрии, перпендикулярной ширине блока, на соответствующих спектральных характеристиках а а б преобладает пик с частотой /ш = 8025 Гц (индекс показывает, какой стороне перпендикулярна ось симметрии) На спектральных характеристиках виг, соответствующих положению импактора и ЭАП на поперечной оси симметрии, перпендикулярной длине блока, преобладает пик с частотой /д = 6730 Гц В положении д оба ЭАП находятся не на осях симметрии, вследствие чего на спектральной характеристике присутствует большое количество «паразитных» резонансных пиков

Для параллелепипедов, у которых длина не равна ширине, к которым относится исследуемый блок, можно вычислить два коэффициента компактности по ширине тш = 50/30 = 1,67 и по длине т^ = 80/30 = 2,67. Соответственно, по дисперсионной характеристике можно определить два значения коэффициента коррекции скорости кш = 1,22 п ка = 1,01 В обоих случаях рассчитанная толщина (при заранее известной скорости Спр = 4000м/с) точно совпадает с толщиной к С кдС

модели: А„=-!!!-^=03С1к, И0 =—-=0,30« На этом основании сделан вывод о том, 2/« %

что преобладание амплитуды одного из двух резонансных пиков первой моды продольной волны на спектральной характеристике зависит от оси симметрии, на которой расположены импактор и приемник. По частоте каждого из этих пиков можно определить либо толщину (при известной скорости Сщ), либо скорость С„п (при известной толщине Л), что дает дополнительную возможность проверки результатов измерений при контроле компактных изделий.

Показано, что даже при установке ЭАП в оптимальных зонах на реальных СК нет гарантии того, что амплитуда информативного пика будет превышать амплитуды паразитных пиков из-за конструктивных условий или из-за качества поверхности СК. На рис 9 показаны экспериментальные спектральные характеристики бетонного блока размерами 130x60x45см. По спектральным характеристикам рис 9, а, б и рис. 9, г, д трудно однозначно определить резонансные частоты.

В ходе исследований установлено, что на всех спектральных характеристиках, полученных в различных точках поверхности либо на оси симметрии, либо вблизи нее, амплитуда резонансного пика первой моды продольной волны существенна, в то время, как амплитуды других пиков претерпевают значительные изменения. Как следствие, перемножение спектральных характеристик, полученных в различных точках поверхности вблизи оптимальных зон, позволит выделить пик первой моды продольной волны на фоне других пиков

Эта закономерность, наравне с алгоритмом учета влияния эффекта геометрической дисперсии скорости и рекомендациями по выбору оптимальных зон расположения импактора и ЭАП, положена в основу резонансно-мультипликативного метода.

На рис. 9, в и е показаны результаты перемножения характеристик а-б и г-д соответственно. Перемножение уже двух характеристик для каждой из осей симметрии позволяет уверенно выделить резонансный пик первой моды продольной волны На продольной оси_/й, = 6323 Гц, на поперечной оси/д = 4462 Гц Коэффициенты компактности тш= 1,33, та = 2,89, а соответствующие им коэффициенты коррекции скорости, полученные по дисперсионной характеристике параллелепипеда, кш = 1,432 и кд = 1,003. Вычисление значений скоростей по двум осям дает результат Спрш = 3973 м/с и Сщ^ = 4003 м/с. Разброс значений менее 1%

5 <> 7 § 5 ЩТкГц

3 4 5 § ^ § 9 ЧТкГц

ОД

Л

3 4 5 6 7 8 9 Ю/кГц

3 4 5 6 7 8 9 Ю/кГц Рис 9 Экспериментальные спектральные характеристики компактного блока 130x60x45 см

В случаях, когда по конструктивным причинам нет возможности разместить ЭАП точно на оси симметрии, либо при наличии неоднородностей во внутренней структуре объекта контроля, обнаруживать резонанс первой моды продольной волны позволяет увеличение количества перемножаемых спектральных характеристик

На рис 10 показаны 4 экспериментальные спектральные характеристики блока 80x50x30 см в различных точках поверхности блока вблизи продольной оси симметрии

Отклонение от оси симметрии приводит к неоднозначной интерпретации спектров (рис. 10, а-г). На рис. 10, д приведен результат перемножения этих

характеристик, представляющий собой один четко выраженный резонансный пик, соответствующий искомой толщине измеряемого компактного изделия.

а)

1000

0,5-■

g) 1000 А

0,5-■

в) 1000

0>

г) 1000 А

од-

2000

3000

<4000

5000

«000

7000

8000

9000 1 Ю4 £ Гц

2000

3000

4000

5000

«000

7000

8000

9000 1 104 t

_«V

Л.

—t-

2000 3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

1

9000

1 10'

.«егц

1 10

,«£Гц

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

1 10'

ТГц

д) 1000

Рис 10 Спектральные характеристики блока 80x50x30 см при четырех различных положениях ЭАП вблизи продольной оси симметрии (о - г) и результат их перемножения (<

Тем самым, в диссертации предложен и реализован многоканальный резонансно-мультипликативный метод контроля компактных крупногабаритных СК из бетона, позволяющий контролировать толщину компактных изделий из бетона при известной скорости акустической волны в бетоне или скорость (а по скорости прочность бетона) в крупногабаритных компактных СК при известной толщине

В главе 3 приводится описание специализированной аппаратуры, реализующей предложенные способы контроля скорости (прочности) или толщины компактных СК из бетона. Разработаны две модификации аппаратуры многофункциональный акустический измерительный комплекс (МАИК) на базе промышленного персонального компьютера (рис 11, а) и портативный акустический измерительный комплекс (ПАИК) на базе сигнального процессора (рис. 11, б) МАИК представляет собой гибкую адаптивную систему для контроля

СК из бетонов методами собственных частот (импакт-эхо и резонансным). Комплекс состоит из промышленного ПК в переносном исполнении со встроенными платами АЦП и ЦАП, внешнего усилителя входных сигналов, приемного и излучающего ЭАП.

Рис. 11. Многофункциональный акустический измерительный комплекс на базе ПК (а), макет портативного акустического измерительного комплекса на основе сигнального

процессора (б)

Программное обеспечение полностью реализует предложенные методы контроля компактных СК и позволяет контролировать бетонные конструкции любой толщины (диапазон измеряемых толщин определяется амплитудно-частотной характеристикой ЭАП).

Разработан комплект пьезокерамических ЭАП с полосой пропускания 0,5 кГц - 8 кГц, что соответствует диапазону толщин 10 см - 4 м.

Структурная схема ПАИК изображена на рис. 12. Этот упрощенный по сравнению МАИК прибор позволяет контролировать СК из бетона методами собственных частот и обеспечивает параллельную мультипликативную обработку сигналов с 4-х идентичных входных каналов.

Рис. 12. Структурная схема портативного акустического измерительного комплекса

Прибор выполнен на базе двуядерного процессора ОМАР5912 фирмы TEXAS INSTRUMENTS, который содержит два ядра с различной архитектурой. Одно ядро представляет собой DSP (Digital Signal Processor), другое ARM9 (ARM -сокращенное название фирмы Advanced RISC Machines, разработавшей ядро). Оба ядра работают параллельно на частоте 200 МГц. Благодаря такой уникальной

архитектуре, с одной стороны оптимизированы вычислительные функции (эти функции возложены на ядро DSP), с другой стороны обеспечен удобный интерфейс с пользователем (ядро ARM) Высокая производительность ядра DSP, дает возможность вести параллельную обработку данных, поступающих одновременно с четырех входных каналов, и управлять выходным сигналом в реальном масштабе времени. При этом свободное от вычислительных операций ядро ARM с установленной операционной системой Linux позволяет организовать windows-подобный графический интерфейс. Для вывода графической информации служит цветная TFT панель с разрешением 640x480 пикселей Для перемещения по меню и ввода исходных данных предусмотрена пленочная клавиатура, состоящая из 16 клавиш

Ядро DSP управляет цифровым синтезатором частоты, предназначенным для формирования гармонического сигнала фиксированной амплитуды с частотой в диапазоне 100 Гц - 20 КГц с шагом 0,01 Гц. Выходной усилитель управляет амплитудой сигнала, поступающего на излучающий ЭАП, в диапазоне от 0 до 20 В с шагом 8 мВ. Входной тракт состоит из четырех идентичных входных усилителей, аналогового мультиплексора и АЦП Дополнительный программируемый предусилитель АЦП (0-7 дБ) и высокая разрядность АЦП позволяют перекрыть весь широкий динамический диапазон входного сигнала.

Таким образом, обе модификации аппаратуры, обладают достаточными аппаратными и программными возможностями для реализации предложенных способов контроля.

В главе 4 приводятся результаты натурных испытаний разработанной аппаратуры

Проведен контроль протяженных и компактных CK из бетона и кирпичной кладки

Показаны результаты контроля протяженных изделий: фундаментов строящихся зданий толщиной более 1,5 м; колонны с прямоугольным сечением 200x20 см, длиной 2,5 м, сваи с квадратным сечением 10x10 см и длиной 40 см; стены из кирпича толщиной 1,15 м с сильно неоднородной внутренней структурой.

Показаны результаты контроля компактных изделий бетонных блоков с размерами 130x60x45 см, 80x50x30 см, 50x50x25 см, колонн с квадратным сечением 60x60 см и длиной 4,5 м и др. Во всех случаях определена скорость, являющаяся исходными данными при вычислении прочности бетона

Показано, что разработанная аппаратура вкупе с предложенными методами контроля позволяет контролировать компактные CK из бетона методами собственных частот, чем превосходит зарубежные аналоги. В таблице 1 приведено сравнение импакт-эхо и резонансно-мультипликативного методов с точки зрения пригодности для контроля изделий из бетона и кирпичной кладки различных форм. В столбце «Условия» приведены ограничения, накладываемые на форму изделия, при этом h - контролируемая толщина (может превышать 1,5 м), a, b - длина и ширина (для параллелепипедов), ¿/-диаметр, / - длина (для свай, колонн и дисков)

На данном этапе исследований проконтролированы крупногабаритные компактные изделия наиболее распространенных стандартных форм, параллелепипеды и диски (это блоки, колонны, опоры и т.д.) Разработанные в диссертации алгоритмы контроля компактных СК, заключающиеся в построении дисперсионных характеристик, определении зон оптимального положения ЭАП и перемножении спектральных характеристик, позволяют адаптировать предложенный метод для компактных изделий нестандартной формы. Однако при этом для каждой новой формы изделия необходимо построение своей собственной дисперсионной характеристики и выявление своих оптимальных зон расположения ЭАП.

Табл. 1.

Область применения импакт-эхо и резонансно-мультипликативного методов

Изделие Доступ Условия Возможность контроля

Импакт-эхо РММ

Фундамент с протяженной поверхности И «а,И«Ь + +

Стена (кирпич, бетон) с протяженной поверхности И « а, И « Ь + +

Перекрытие с протяженной поверхности И«а,к«Ь + +

Стена, фундамент с протяженной поверхности к«а,И«Ь неоднородная внутренняя структура +

Свая с прямоугольным сечением с торца / »а,1»Ь + +

Свая с круглым сечением с торца 1 »</ + +

Колонна с прямоугольным сечением одной из сторон И~а,И«1 компактное изделие +

Колонна с круглым сечением на образующей </«/ компактное изделие +

Блок (параллелепипед) с любой стороны Н~а,Ъ~Ъ компактное изделие +

Диск (цилиндр) на образующей (1 ~ 1 компактное изделие - +

Протяженное многослойное изделие (кирпич, бетон) с протяженной поверхности А; « а, А; « Ь, Ъ2 « а, И2 « Ь +

Компактное изделие произвольной формы с известными размерами с любой стороны Измерение скорости, мониторинг изменения прочности +

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Приведен литературный обзор работ по неразрушающему контролю крупногабаритных строительных конструкций из бетона акустическими методами Показано, что методы собственных частот (в основном импакт-эхо метод) являются наиболее распространенными методами определения толщины и скорости распространения акустической волны в изделиях толщиной более 1,5 м Однако, методы собственных частот для контроля строительных изделий из бетона в России не развиваются, а количество публикаций по результатам отечественных исследований незначительно

2. Показано, что область применения методов собственных частот при определении скорости распространения акустической волны и толщины ограничена только протяженными изделиями, толщина которых либо в 5 раз больше, либо в 5 раз меньше любого другого размера Контроль скорости распространения акустической волны и толщины компактных изделий, размеры которых не удовлетворяют этому условию, дает результаты с неприемлемо большой погрешностью.

3. Проведено численное моделирование спектров свободных и вынужденных колебаний моделей компактных изделий методом конечных элементов. Результаты моделирования подтверждены экспериментом. Аппарат моделирования используется в диссертации как основной инструмент научных исследований.

4. Изучены причины, препятствующие контролю толщины и скорости распространения акустической волны в компактных изделиях методами собственных частот: негативное влияние эффекта геометрической дисперсии скорости на точность измерений, отсутствие рекомендаций по выбору" места установки приемного ЭАП и импактора, «геометрические эффекты», снижающие достоверность результатов измерения.

5. Предложен и реализован корреляционный метод определения скорости распространения акустической волны в компактных изделиях произвольной формы, все размеры которых известны, заключающийся в сравнении экспериментальной характеристики с расчетными характеристиками, полученными при различных значениях скорости Метод позволяет проводить мониторинг изменения прочности бетона в процессе старения.

6. С помощью моделирования построены дисперсионные характеристики компактных изделий в форме диска и параллелепипеда, позволяющие учитывать влияние эффекта геометрической дисперсии скорости и повысить точность определения скорости распространения акустической волны и толщины методами собственных частот.

7. Сформулированы рекомендации по размещению импактора и приемного ЭАП на поверхности изделий в форме диска и параллелепипеда- импактор и ЭАП должны находиться на одной из осей симметрии изделия, параллельной его сторонам Для параллелепипедов, у которых длина не равна ширине, выбор оси

пределает преобладание на спектральной характеристике одного из двух езонансных пиков первой моды продольной волны.

8 Предложен и реализован многоканальный резонансно-мультипликативный 1етод определения скорости распространения акустической волны и толщины как ротяженных строительных конструкций с неоднородной внутренней структурой, ак и компактных крупногабаритных изделий, заключающийся в 1ультипликативной обработке нескольких спектральных характеристик, змеренных в различных точках поверхности (положительное решение от 1 05 2007 по заявке № 2007118592/28 на патент на изобретение).

9. Разработан многофункциональный акустический измерительный комплекс МАИК) на базе персонального компьютера, реализующий корреляционный мпакт-эхо и резонансно-мультипликативный методы Максимальная толщина

объекта контроля определяется амплитудно-частотной характеристикой ЭАП. Погрешность измерений лежит в диапазоне 2 .5%

10. Разработан макет портативного акустического измерительного комплекса (ПАИК) на основе сигнального процессора, реализующий многоканальный резонансно-мультипликативный метод. Погрешность измерений лежит в диапазоне 2...5%.

11. Разработан комплект широкополосных пьезокерамических ЭАП, позволяющий контролировать бетонные конструкции толщиной до 4 м.

12. Осуществлен контроль скорости распространения акустической волны и толщины как протяженных строительных конструкций с неоднородной внутренней структурой, так и компактных изделий из бетона и кирпичной кладки корреляционным и резонансно-мультипликативным методами. Измерения проводились в лабораторных условиях, на самостоятельно изготовленных образцах и образцах предоставленных ООО "НСУЦ" ЦМиР", на реальных строительных объектах Москвы (строящееся служебное помещение ГАБТ, строящийся жилой дом на Каширском шоссе и др), на культурно-историческом объекте Московской области (полуразрушенная церковь в г. Дрезна) и др

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Авраменко C.J1, Зорин А Ю. Разработка низкочастотного УЗ толщиномера на базе сигнального процессора. Тез докл. 11 международной НТ конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». М., 1-2 марта 2005 г. - М.: МЭИ, 2005. Т. 1 - С. 452.

2 Авраменко C.JL, Качанов В.К. Мультипликативный резонансный метод измерения толщины строительных конструкций с неоднородной внутренней структурой и сложной формой Тез докл. 12 международной НТ конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». М., 2-3 марта 2006 г. - М.: МЭИ, 2006. Т.1 - С. 560.

3. Авраменко СЛ., Качанов В К Компьютерное моделирование габаритных и структурных резонансов изделий сложной формы при УЗ контроле резонансным методом. Тез. докл. 13 международной НТ конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». М., 1-2 марта 2007 г. - М.: МЭИ, 2007. Т.1-С. 508.

4 Авраменко СЛ., Качанов В.К. Разработка многоканального акустического толщиномера бетонов. Тезисы докладов 14 международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». М., 28-29 февраля 2008 г -М.: МЭИ, 2008. Т.1 - С. 412

5. Качанов В К., Соколов И.В., Фёдоров М.Б., Васильев С.А, Конов М.М., Авраменко С. JI. Низкочастотный резонансный толщиномер бетонных строительных конструкций с пространственно-временной фильтрацией Материалы научно-практической отчётной конференции - выставки по результатам реализации в 2004 г. Межотраслевой программы научно-инновационного сотрудничества Министерства образования и науки РФ и Федерального Агентства Специального строительства РФ «НАУКА, ИННОВАЦИЯ, ПОДГОТОВКА КАДРОВ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ» на 2001-2005 г.г. 7-10 декабря 2004 г. М, МГСУ, 2004 г. С 110-113.

6. АвраменкоСЛ, Соколов И В., Качанов В.К. Портативный УЗ мультипликативно-резонансный толщиномер на базе сигнального процессора. Тез. докл 5-ой Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности». М., 16-19 мая 2006 г.-М Машиностроение-1,2006. С. 43.

7. Соколов И.В., Качанов В.К., Федоров М Б , Авраменко С.Л УЗ резонансный толщиномер с мультипликативной обработкой сигналов. Тезисы докладов 5-ой Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности». Москва, 16-19 мая 2006г.-М: Машиностроение-1,2006. С 189

8. Качанов В К., Соколов И.В , Родин А.Б, Авраменко С Л Применение пачек импульсов в ультразвуковой дефектоскопии Тезисы докладов 6-ой Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности». Москва, 15-18 мая 2007 г.-М: Машиностроение-1,2007.

9 Лвраменко С Л Применение компьютерного моделирования для оценки фективности резонансно-мультипликативного метода контроля толщины роительных конструкций из бетона Тезисы докладов 7 международной выставки

конференции «Неразрушаю щий контроль и техническая диагностика в омышленности» Москва, 11-13 марта 2008 г-М Машиностроение, 2008

10 Авраменко С Л Акустический аппаратно-программный комплекс мерения толщины протяженных изделий из бетона // Вестник МЭИ №1 2008 г

124-127

11 Качанов В К , Соколов И В , Авраменко С Л Акустический резонансно-льтипликативный метод толщинометрии протяженных строительных нструкций из бетона // Измерительная техника № 5 2008 г С 15-18

12 Авраменко С.Л, Соколов И В, Качанов В К Положительное решение от 05 2007 по заявке №2007118592/28 на патент «Резонансный способ ьтразвуковой толщинометрии»

13 Авраменко С Л Компьютерное моделирование резонансно-льтипликативного метода измерения толщины бетонных строительных нструкций 3-й конкурс «Среды визуального моделирования и их применение» разовательного сайта ЕхропепШ ги н СПбГПУ (сентябрь-ноябрь 2007 г)

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПРОТЯЖЕННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ БЕТОНА.

1.1. Основные характеристики бетона применительно к задаче акустического неразрушающего контроля СК. Исследование физико-механических свойств бетонов с помощью УЗ методов.

1.2. Проблемы контроля изделий из бетона большой толщины.

1.2.1. Импакт-эхо метод.

1.2.2. Резонансный метод применительно к задачам контроля изделий из бетона

1.2.3. Определение скорости распространения акустической волны.

1.3. Применение импакт-эхо метода при контроле строительных конструкций из бетона.

1.3.1. Измерение прочности бетонных конструкций по скорости акустической волны.

1.3.2. Контроль толщины протяженных изделий из бетонов.

1.3.3. Определение наличия воздушных полостей или дефектов.

1.3.4. Особенности контроля стен и фундаментов.

1.3.5. Определение длины и целостности свай.

1.3.6. Измерение глубины трещин.

1.3.7. Определение качества арматуры и поиск пустот в СК.

1.3.8. Проблемы и текущие исследования по применению импакт-эхо метода

1.4. Выводы.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В КОМПАКТНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ИЗ БЕТОНА. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО АЛГОРИТМА КОНТРОЛЯ КОМПАКТНЫХ ИЗДЕЛИЙ

2.1. Постановка проблемы моделирования акустических полей в компактных строительных конструкциях из бетона.

2.2. Отражение упругой волны на границе раздела двух сред.

2.3. Аналитический расчёт спектра колебаний стержня.

2.4. Моделирование спектра колебаний стержня.

2.5. Моделирование спектра колебаний протяженной плиты.

2.6. Особенности контроля компактных изделий.

2.6.1. Влияние «шума формы» на АЧХ компактных изделий.

2.6.2. Влияние геометрической дисперсии скорости продольной волны при контроле компактных СК.

2.7. Корреляционный метод определения скорости.

2.8. Мультипликативный метод контроля компактных строительных конструкций.

2.8.1. Определение дисперсионных характеристик для дисков и параллелепипедов.

2.8.2. Определение оптимального положения датчиков для симметричных компактных изделий.

2.8.3. Выбор оптимального положения датчиков для несимметричных компактных изделий.

2.8.4. Расчет толщины компактной строительной конструкции с учетом геометрической дисперсии скорости.

2.8.5. Многоканальность и мультипликативная обработка результатов.

2.8.6. Влияние неоднородностей ОК на результаты контроля при мультипликативной обработке результатов.

2.9. Выводы.

3. МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ КОМПЬЮТЕРНАЯ АППАРАТУРА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ РЕЗОНАНСНОГО И ИМПАКТ-ЭХО МЕТОДОВ

КОНТРОЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ БЕТОНА.

3.1. Аппаратная составляющая акустического комплекса на базе ПК.

3.2. Программная составляющая акустического комплекса на базе ПК.

3.2.1. Режим «импакт-эхо метод».

3.2.2. Режим «резонансный метод».

3.2.3. Режим «обработка результатов».

3.3. Аппаратная составляющая макета портативного акустического комплекса.

3.4. Программная составляющая макета портативного акустического измерительного комплекса.

3.5. Выводы.

4. НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ РАЗРАБОТАННОЙ АППАРАТУРЫ.

4.1. Контроль протяженных строительных конструкций методами собственных частот.

4.1.1. Фундамент строящегося служебного помещения ГАБТ.

4.1.2. Фундамент строящегося здания на Каширском шоссе.

4.1.3. Контроль протяженных изделий резонансно-мультипликативным методом.

4.1.4. Колонна с прямоугольным сечением 100x20 см.

4.1.5. Свая 10x10x40 см.

4.2. Контроль компактных изделий резонансно-мультипликативным методом.

4.2.1. Блок 80x50x30 см.

4.2.2. Блок 50x50x25 см.

4.2.3. Колонна с квадратным сечением 60x60 см.

4.3. Выводы.

Безопасность функционирования сооружений из бетона, являющаяся важнейшим экономическим и социальным фактором, в значительной мере определяется техническим состоянием бетонных строительных конструкций (СК) и мерами по контролю их качества, как в процессе сооружения, так и на протяжении всего времени эксплуатации. Одним из способов обеспечения безаварийной эксплуатации является мониторинг качества бетонных СК с применением методов неразрушающего контроля (НК).

Для получения информации о прочности изделий из бетона, о наличии дефектов, о габаритах СК разработаны различные методы и средства НК, в том числе методы и средства акустического (в первую очередь ультразвукового — УЗ) контроля. На основании полученных с помощью этих методов данных делают выводы об общем состоянии сооружения, определяют остаточный ресурс конструкций.

Вследствие физико-механических особенностей бетона, УЗ методы НК (эхо-импульсный, теневой и др.) не позволяют контролировать СК толщиной более 1,5 м. Для контроля таких крупногабаритных изделий применяют акустические методы, основанные на анализе собственных частот (в основном, импакт-эхо метод). Несмотря на то, что эти методы были впервые применены еще в двадцатых годах прошлого столетия, современное техническое оснащение, необходимое для объективного контроля, они получили только 1520 лет назад. На протяжении всего этого времени исследованиям в этой области уделялось пристальное внимание в большинстве развитых стран, в то время как в России, начиная с 90-х гг. и до настоящего времени, методы собственных частот применительно к НК бетона не разрабатывались и за редким исключением не применялись.

В отличие от УЗ методов, позволяющих обнаруживать дефекты и с высокой точностью определять их параметры, методы собственных частот могут дать только общую оценку дефектности изделия, поэтому в дефектоскопии они применяются редко. Вместо этого, эти методы используются для определения либо толщины СК, либо скорости распространения акустической волны в крупногабаритных изделиях, толщина которых может превышать 1,5 м. По значению скорости распространения акустической волны делают выводы о прочности бетона.

Однако на сегодняшний день, зарубежная аппаратура, реализующая методы собственных частот и импакт-эхо метод в частности, позволяет определять прочность бетона и толщину только протяженных конструкций, у которых толщина во много раз меньше, либо больше остальных размеров (фундаменты, стены, перекрытия, сваи). Вследствие влияния эффекта геометрической дисперсии скорости погрешность измерений параметров компактных конструкций, у которых толщина одного порядка с остальными размерами (блоки, балки, колонны, опоры мостов и др.) может достигать 70%. Кроме того, «геометрические эффекты» в компактных изделиях оказывают негативное влияние на достоверность контроля. Эти недостатки приводят к тому, что прочность бетона и толщина крупногабаритных (более 1,5 м), но компактных изделий, при наличии только одностороннего доступа не могут быть проконтролированы ни одним из известных акустических методов.

Все это свидетельствует об актуальности продолжения исследований в области НК изделий из бетонов методами собственных частот и создания новых аппаратных средств контроля.

В связи с этим настоящая работа посвящена разработке методов и программно-аппаратных средств акустического контроля крупногабаритных строительных изделий из бетона.

Цель работы заключается в создании методов и средств акустического НК, применение которых позволит повысить безопасность эксплуатации сооружений из бетона. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач.

1. Создание методики анализа акустических полей в компактных изделиях произвольной формы из бетона, позволяющей повысить точность и достоверность измерений за счет учета влияния эффекта геометрической дисперсии скорости, и выявления зон оптимального расположения электроакустических преобразователей (ЭАП) на поверхности объекта контроля.

2. Построение дисперсионных характеристик стандартных компактных изделий (большинство из которых имеет форму параллелепипеда или диска), позволяющих учитывать влияние эффекта геометрической дисперсии скорости и повысить точность определения скорости распространения акустической волны и толщины методами собственных частот.

3. Выявление оптимальных зон размещения ЭАП на поверхности изделий в форме диска и параллелепипеда с целью повышения достоверности результатов измерений.

4. Создание новых методов, позволяющих определять скорость распространения акустической волны и толщину как протяженных СК с неоднородной внутренней структурой, так и компактных крупногабаритных СК, в том числе нестандартной формы.

5. Разработка многофункциональной аппаратуры акустического НК, которая обеспечит реализацию разнообразных алгоритмов обработки данных и позволит контролировать как протяженные СК с неоднородной внутренней структурой, так и компактные крупногабаритные СК.

4.3.Выводы

1. С помощью разработанной аппаратуры при использовании резонансно-мультипликативного метода проконтролированы скорость распространения акустической волны и толщина протяженных СК из бетона и кирпича, в том числе с неоднородной внутренней структурой (фундамент строящегося служебного помещения ГАБТ, фундамент строящегося здания на Каширском шоссе, кирпичная стена полуразрушенной церкви и др.).

2. С помощью разработанной аппаратуры при использовании корреляционного и резонансно-мультипликативного метода проконтролированы компактные изделия из бетона (бетонные блоки различных размеров, колонны строящегося помещения ГАБТ и др.).

В таблице 4.5 приведено сравнение импакт-эхо и резонансно-мультипликативного методов с точки зрения пригодности для контроля изделий из бетона и кирпичной кладки различных форм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Приведен литературный обзор работ по неразрушающему контролю крупногабаритных строительных конструкций из бетона акустическими методами. Показано, что методы собственных частот (в основном импакт-эхо метод) являются наиболее распространенными методами определения толщины и скорости распространения акустической волны в изделиях толщиной более 1,5 м.

2. Показано, что область применения методов собственных частот при определении скорости распространения акустической волны и толщины ограничена только протяженными изделиями, толщина которых либо в 5 раз больше, либо в 5 раз меньше любого другого размера. Контроль скорости распространения акустической волны и толщины компактных изделий, размеры которых не удовлетворяют этому условию, дает результаты с неприемлемо большой погрешностью.

3. Показано, что методы собственных частот для контроля строительных изделий из бетона в России не развиваются, а количество публикаций по результатам отечественных исследований незначительно.

4. Проведено численное моделирование спектров свободных и вынужденных колебаний моделей компактных изделий методом конечных элементов. Результаты моделирования подтверждены экспериментом. Аппарат моделирования используется в диссертации как основной инструмент научных исследований.

5. Изучены причины, препятствующие контролю толщины и скорости распространения акустической волны в компактных изделиях методами собственных частот: негативное влияние эффекта геометрической дисперсии скорости на точность измерений, отсутствие рекомендаций по выбору места установки приемного ЭАП и импактора, «геометрические эффекты», снижающие достоверность результатов измерения.

6. Предложен и реализован корреляционный метод определения скорости распространения акустической волны в компактных изделиях произвольной формы, все размеры которых известны, заключающийся в сравнении экспериментальной характеристики с расчетными характеристиками, полученными при различных значениях скорости. Метод позволяет проводить мониторинг изменения прочности бетона в процессе старения.

7. С помощью моделирования построены дисперсионные характеристики компактных изделий в форме диска и параллелепипеда, позволяющие учитывать влияние эффекта геометрической дисперсии скорости и повысить точность определения скорости распространения акустической волны и толщины методами собственных частот.

8. Сформулированы рекомендации по размещению импактора и приемного ЭАП на поверхности изделий в форме диска и параллелепипеда: импактор и ЭАП должны находиться на одной из осей симметрии изделия, параллельной его сторонам. Для параллелепипедов, у которых длина не равна ширине, выбор оси определяет преобладание на спектральной характеристике одного из двух резонансных пиков первой моды продольной волны.

9. Предложен и реализован многоканальный резонансно-мультипликативный метод определения скорости распространения акустической волны и толщины как протяженных строительных конструкций с неоднородной внутренней структурой, так и компактных крупногабаритных изделий, заключающийся в мультипликативной обработке нескольких спектральных характеристик, измеренных в различных точках поверхности (положительное решение от 21.05.2007 по заявке №2007118592/28 на патент на изобретение).

10. Разработан многофункциональный акустический измерительный комплекс (МАИК) на базе персонального компьютера, реализующий корреляционный импакт-эхо и резонансно-мультипликативный методы.

Максимальная толщина объекта контроля определяется амплитудно-частотной характеристикой ЭАП. Погрешность измерений лежит в диапазоне 2.5%.

11. Разработан макет портативного акустического измерительного комплекса (ПАИК) на основе сигнального процессора, реализующий многоканальный резонансно-мультипликативный метод. Погрешность измерений лежит в диапазоне 2. .5%.

12. Изготовлен комплект пьезокерамических ЭАП, позволяющий контролировать бетонные конструкции толщиной до 4 м.

13. Осуществлён контроль скорости распространения акустической волны и толщины как протяженных строительных конструкций с неоднородной внутренней структурой, так и компактных изделий из бетона и кирпичной кладки корреляционным и резонансно-мультипликативным методами. Измерения проводились: в лабораторных условиях, на самостоятельно изготовленных образцах и образцах предоставленных ООО "НСУЦ" ЦМиР"; на реальных строительных объектах Москвы (строящееся служебное помещение ГАБТ, строящийся жилой дом на Каширском шоссе и др.); на культурно-историческом объекте Московской области (полуразрушенная церковь в г. Дрезна) и др.

1. Неразрушающий контроль. Россия. 1990 — 2000 г.г. Справочник. Под ред. В.В.Клюева.-М.: Машиностроение, 2001, -616 с.

2. ГОСТ23829-85. Контроль неразрушающий акустический. Термины и определения.

3. Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн.2. Акустические методы контроля: Практ. пособие/И.Н.Ермолов, Н.П.Алешин, А.И.Потапов; Под ред. В.В.Сухорукова. М. :Выш. шк., 1991.-283 с.

4. Акустико-эмиссионная диагностика конструкций/А.Н.Серьёзнов, Л.Н.Степанова, В.В.Муравьёв и др./ Под ред. Л.Н.Степановой.- М.: Радио и связь,2000.-280 с.

5. Bergmeister Konrad, (2002) "Monitoring and Safety Evaluation of Existing Concrete Structures" Fib Task Group 5.1, State-of-the-Art Report, Final draft, June 2002.

6. Коробко В.И., Коробко A.B. Контроль качества строительных конструкций: виброакустические технологии. -М.: изд. Ассоциации строительных вузов, 2003. 288 с.

7. Хаютин Ю.Г. Монолитный бетон: технология производства работ. — 2-е изд. перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1991. - 576 с.

8. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общей редакцией В.В.Клюева. Т.З: Ультразвуковой контроль. И.Н.Ермолов, Ю. В. Ланге. М.: Машиностроение. 2004. 864 С.

9. Качанов В.К., Соколов И.В. Проблемы ультразвукового контроля протяженных сложноструктурных изделий с большим затуханием сигналов. // Дефектоскопия.-2007.- № 8.- С. 82-93

10. Kozlov V. N., Samokrutov A. A., Shevaldykin V. G. Thickness Measurements and Flaw Detection in Concrete Using Ultrasonic Echo Method. -Nondestructive Testing and Evaluation. 1997, Vol. 13, pp. 73 84.

11. Shevaldykin V.G., Kozlov V.N., Samokrutov A. A., Inspection of Concrete by Ultrasonic Pulse-Echo Tomograph with Dry Contact, 7th European conference on Non-Destructive Testing, Copenhagen, 26 29 May, 1998.

12. ШевалдыкинВ.Г. Визуализация внутренних дефектов в железобетонных конструкциях при одностороннем доступе и оценка свойств среды за внутренней границей бетона // Контроль. Диагностика. 2007. № 3.

13. Методические рекомендации по контролю прочности бетона монолитных конструкций ультразвуковым методом способом поверхностного прозвучивания (МДС 2001) -М.: ГУЛ «НИИЖБ», 2001-9 с.

14. ГОСТ 17624-87. Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности.

15. Поль Э. Неразрушающие методы испытаний бетона. М.: Стройиздат, 1967.-178 с.

16. Carino N.J. "The impact-echo method: an overview", Proceedings of the 2001 Structures Congress & Exposition, May 21-23, 2001, Washington, D.C., American Society of Civil Engineers, Reston, Virginia, Peter C. Chang, Editor, 2001. 18 p.

17. И. В. Зашук. Электроника и акустические методы испытания строительных материалов. — М.: Высшая школа, 1968, 248 с.

18. Sansalone М., Carino N.J., 1986, "Impact-Echo: A Method for Flaw Detection in Concrete Using Transient Stress Waves," NBSIR 86-3452, National Bureau of Standards, Sept., 222 p.

19. Carino N.J., Sansalone M., Hsu N.N., 1986, "Flaw Detection in Concrete by Frequency Spectrum Analysis of Impact-Echo Waveforms", in International

20. Advances in Nondestructive Testing, Ed. W.J. McGonnagle, Gordon & Breach Science Publishers, New York, pp. 117-146.

21. Sansalone M., Streett W. В., 1997," Impact-Echo: Nondestructive Testing of Concrete and Masonry", Bullbrier Press, Jersey Shore, PA.

22. ASTM С1383. Standard Test Method for Measuring the P-Wave Speed and the Thickness of Concrete Plates Using the Impact-Echo Method.

23. Скучик E. Основы акустики (пер. с англ., в 2-х томах). М.: Мир, 1976, т. 1, 617 с.

24. Kruger М. Scanning Impact-echo techniques for crack depth determination. Otto-Graf-Journal,Vol. 16, 2005.

25. Stultz G.R., Bono R.W., Schiefer M. I. Fundamentals of Resonant Acoustic Method NDT // Advances in powder metallurgy and particulate materials. 2005. №3. p. 1-11.

26. Schlengermann U., Hansen W., Resonance inspection the answer to new industrial demands with regard to quality assurance // The e-Journal of Nondestructive Testing & Ultrasonics. 1997, Vol 1.2, № 7. http://www.ndt.net

27. Hands G. Resonant Inspection a "new" NDT technique // The e-Journal of Nondestructive Testing & Ultrasonics. 1997, Vol 1.2, № 7. http://www.ndt.net

28. Ваньков Ю.В., Казаков Р.Б., Яковлева Э.Р. Собственные частоты изделия как информативный признак наличия дефектов // Электронный журнал «Техническая акустика», http://eita.org. 2003. №5.

29. Березин E.K., Родюшкин B.M. Методы ультразвукового контроля качества материалов со сложной структурой // Упрочняющие технологии и покрытия. 2006. №5.

30. Теумин И.И. Ультразвуковые колебательные системы. М.: Машгиз, 1957. 330 с.

31. Куликов B.A., Санников Д.В., Вавилов В.П. Применение акустического метода свободных колебаний для диагностики железобетонных опор контактной сети // Дефектоскопия. 1998. №7. С. 40-49.

32. Krause М., Gardei A. On-site investigation techniques for the structural evaluation of historic masonry buildings. Bundesanstalt fur Materialforschung und -prufung. 2004. 16 p.

33. Gassman S. L., Finno R.J., Cutoff frequencies for impulse response tests of existing foundations // Journal of performance of constructed facilities. 2000. №2. p. 11-21.

34. Kruger M., Grosse C.U. Crack Depth Determination using Advanced Impact-Echo Techniques. European Conference on Nondestructive Testing, Berlin (DE), 25-29 September 2006.

35. Cheng C., Sansalone M. Effects on Impact-Echo Signals Caused by Steel Reinforcing Bars and Voids Around Bars. ACI Materials Journal, Vol. 90, No. 5, Sept-Oct., pp. 421-434.

36. Korenska M., Pazdera L., Palkova M. Diagnostic of rebar corrosion within reinforced concrete specimens by resonant inspection. European Conference on Nondestructive Testing, Barcelona (Spain), June 17-21, 2002.

37. Na W.B., Kundu Т., Ehsani M.R. Lamb waves for detecting delamination between steel bars and concrete // Computer-aided civil and infrastructure engineering. 2003. №1, p. 58-63.

38. Iyer S., Schokker A. J., Sinha S. K. Ultrasonic imaging: A novel way to investigate corrosion status in post-tensioned concrete members // Journal of the Indian Institute of Science. 2002. №5-6. p. 197-217.

39. Jung Y.C., Na W.B., Kundu Т., Ehsani M.R. Damage detection in concrete using Lamb waves. Nondestructive Evaluation of Highways, Utilities, and Pipelines IV, 9 June 2000, SPIE Vol. 3995, p. 448-458.

40. Skala J. Reliability of impact-echo method as a tool to detect the reinforced concrete element corrosion. 37-ая международная конференция Дефектоскопия 2007. Прага. 7-9.11.2007.

41. Skala J., Chobola Z. Frequency inspection as a tool to assess the armature corrosion. Workshop NDT 2005 by Brno University of Technology 31. 11. 2005, p. 159-161.

42. Raparelli R.Q., Olson L.D. Impact echo scanning for nde of voids in post-tensioned ducts in a box girder bridge. Transportation Research Board's Annual report, 2003.

43. Schubert F., Lausch R., Wiggenhauser H. Geometrical Effects on Impact-Echo Testing of Finite Concrete Specimens. Non-Destructive Testing in Civil Engineering 2003. September 16-19, 2003 in Berlin, Germany

44. Wonsiri Punurai. Cement-based Materials' Characterization using Ultrasonic Attenuation. A dissertation presented to the Academic Faculty in partial fulfillment of the requirements for the Degree Doctor of Philosophy in the

45. School of Civil and Environmental Engineering. Georgia Institute of Technology. May 2006.

46. Вибрации в технике. Справочник. Т. 1. Колебания линейных систем / Под ред. В.В. Болотина. М.: Машиностроение, 1999. 504 с.

47. Коробов А. И. Резонансная акустическая спектроскопия твердых тел. Методическая разработка спецпрактикума кафедры акустики. — М.: Физический факультет МГУ, 2003. 23 с.

48. Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров: Справ, пособие. М.: Машиностроение-1, 2004. 512 с.

49. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. М.: Едиториал УРСС, 2003. - 272 с.

50. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах/ Под общ. Ред. Д.Г.Красковского.- М.: КомпьтерПресс, 2002.-224с.:ил.

51. Гликман А.Г. Спектральная сейсморазведка истоки и следствия. Электронная книга, http://www.newgeophys.spb.ru/ru/book2/index.shtml.

52. Качанов В.К., Соколов И.В. Проблемы ультразвукового контроля протяженных сложноструктурных изделий с большим затуханием сигналов. // Дефектоскопия.-2007.- № 8.- С. 82-93

53. Демидович Б.П. Марон И.А. Основы вычислительной математики. М.: Наука, 1970 г., 664 с. с илл.

54. Качанов В.К., Соколов И.В., Авраменко С.Л. Акустический резонансно-мультипликативный метод толщинометрии протяженных строительных конструкций из бетона // Измерительная техника. №5. 2008 г. С. 15 18.

55. Положительное решение №2007118592/28 от 21.05.2007 по заявке на патент Авраменко C.JI., Соколов И.В., Качанов В.К. Резонансный способ ультразвуковой толщинометрии.

56. СТРОИТЕЛЬСТВЕ» на 2001-2005г.г. 7-10 декабря 2004г. М.,МГСУ,2004 г. С.110-113.

57. Авраменко С.Л. Акустический аппаратно-программный комплекс измерения толщины протяженных изделий из бетона // Вестник МЭИ. №1. 2008 г. С. 124-127.