摘要
近年来，随着城镇化进程的加快，我国各级路网的交通压力与日俱增，而传统的巡检方式效率低下，给隧道的正常运营造成了极大的影响。针对这一问题，本文基于激光致声的原理，提出了一种混凝土内部空洞检测技术。该技术使用高功率脉冲激光冲击混凝土表面，根据对冲击点附近振动信号的分析，判断检测区域内部是否存在空洞。结合非接触的测振手段，该技术能够实现对隧道衬砌内部空洞的非接触快速检测。本文的主要研究内容如下： 首先，本文分别对激光致声的原理、激光激发声波的传播规律以及声波与缺陷的相互作用进行了理论研究。研究发现，混凝土内部空洞的存在会改变空洞上方结构的抗弯刚度，而激光激发的纵波共振会使空洞上方的结构出现弯曲振动的现象，该振动的特征频率接近于振动结构的一阶固有频率。经过分析，本文决定利用缺陷区域的特征振动频率实现对混凝土内部空洞缺陷的识别。 随后，基于前述理论研究，分别建立了激光热弹激发与烧蚀激发的有限元模型，对比了热弹效应与烧蚀效应激发的声波在材料内部的传播规律。设计了内部存在空洞缺陷的混凝土模型，分析了空洞处于不同深度时表面缺陷区域的一阶固有振动频率。并探究了激光烧蚀激发产生声波时，不同深度空洞缺陷的响应。研究发现，相比热弹效应，烧蚀效应激发的纵波指向性更好，能量更为集中，能够更有效地激发出缺陷结构的弯曲振动。但弯曲振动的振幅会随着空洞深度的增加而减小，当空洞深度大于一定值时，弯曲振动在频谱上的特征峰会被其它频率信息遮盖而难以识别。在此情况下，可以通过比较测试区域与正常区域振动能量的大小来判断测试区域内部是否存在空洞。 最后，搭建了激光致声混凝土内部空洞检测系统，制作了内部含有空洞的混凝土试块并进行了相关实验。经过实验，在混凝土表面下30mm、100mm与150mm处空洞的频谱上发现了显著的特征频率响应，而正常区域并不存在类似响应。通过对振动能量的计算发现，对于空洞深度分别为30mm、100mm、150mm的缺陷区域，其振动能量分别为正常区域的1000倍、25倍、5.46倍。 本文基于理论研究、仿真分析以及实验验证，通过特征频率识别与振动能量比较两种方案，成功实现了对混凝土内部空洞的检测，验证了激光致声检测混凝土内部空洞的可行性。
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