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  • 敲擊回音法/Impact Echo檢測原理(頻率域)

    敲擊回音法(Impact Echo Method)主要是利用敲擊產生暫態應力波導入混凝土介質,並接收其反射之位移訊息,經過快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform, FFT)至頻率域(Frequency Domain)來判讀鋼筋及預力混凝土結構物中之瑕疵–例如垂直裂縫、斷層、孔隙、以及蜂窩之深度、位置與範圍,並可精確量測混凝土樓版或橋面版之厚度以及介面接合程度(例如新修補混凝土與舊混凝土、瀝青路面與鋼筋混凝土橋版、涵管坑道與岩壁或土壁等)。

    當在測試物體的表面敲擊產生暫態應力波,該應力波包含有壓力波(P-Wave)、剪力波(S-Wave)及表面波(R-Wave),其中壓力波及剪力波在物體內部依球狀的波形方式向前傳動,而表面波則沿著物體表面遠離敲擊點的方式向外擴散出去。當壓力波及剪力波遇到物體內部的瑕疵(如裂縫及孔隙)或物體的邊界時,將會被反射回去,這些反射波回到了敲擊面時,則產生表面的位移,此等位移反應可利用訊號接收器監測到,如果將接收器安排在靠近敲擊點處,則監測到之位移波形主要是因為壓力波到達所造成。接收器及敲擊源示意圖如下所示:

    impactEcho

    當波在物體內部傳動若遇到不同的介質時,則波的部份能量會被反射;部份會被折射,反射波與折射波的振幅及入射波的振幅、與兩種介質的聲阻係數(Acoustic Impedance)有關,其關係式如應力波傳簡介所述。

    當在敲擊處產生一壓力波(C)後,若混凝土底部接聲阻係數較大之材料(如鋼筋),則當波遇到此介質時所產生的反射波將一樣是壓力波,但當此反射壓力波傳至頂部時,由於頂部為自由反射介面,則此時的反射波將改變為張力波(T),如此重複反射所得壓力波與張力波之示意圖如下圖左所示,這些反射波回到敲擊面時會產生表面位移,其位移則如下圖右所示。圖右之位移波形圖中一開始有一個非常大之向下位移,此乃由於表面波到達所致,但當底面第一次反射回來的P波到達時,由於仍為壓力波故造成向上位移而非向下位移,此壓力波經由頂面之自由反射介面反射則變為張力波,傳至底部反射回來亦為張力波,此張力波到達頂面時便造成向下位移,如次重複反射;即形成一向上及一向下交互出現之表面位移波形,如圖上標示之2P、4P、6P及8P處之位移反應。

    impactEcho

    反之若混凝土底部接聲阻係數較小之介質,其反射所造成的張力及壓力情形與其所對應的表面位移波形,則如下圖所示。

    impactEcho

    由上面所述可以發現,頂面接收到之位移反應是有週期性的,若是介質二是為鋼筋,則應力波來回一趟行經的路徑為版厚的四倍,該位移波形之頻率可依下列公式計算而得:

    f=Cp/4D

    若是介質二是為裂縫或是瑕疵,則應力波重覆造成頂面向下的位移反應,所需行經的路徑為版厚的兩倍,故位移波形的頻率則可依下列公式計算而得:

    f=Cp/2D

    所以敲擊回音法於頻率領域之應用即可以找出內部孔洞或是鋼筋之深度,當混凝土內部存在孔隙或裂縫時,其裂縫深度Dc為:

    Dc=Cp/2f

    若混凝土內部埋有鋼筋(深度為Ds)時,其公式如下:

    Ds=Cp/4f


    敲擊回音法在混凝土結構之非波壞檢測之應用 :

    1. 以敲擊回音法進行混凝土結構厚度檢測。

    2. 以敲擊回音法進行混凝土結構內部瑕疵及孔洞檢測。

    3. 以敲擊回音法進行鋼筋深度或保護層厚度檢測。

    4. 以敲擊回音法搭配頻譜正規化進行混凝土黏結品質檢測,如新舊混凝土介面,鋼板與混凝土或鋼筋與混凝土介面黏結等,磁磚黏結品質。

    5.以敲擊回音法量測波速以評估混凝土強度之結構非破壞檢測。

    6.以敲擊回音法進行鋼筋錨定長度或鋼筋埋置深度檢測。

    7.其他混凝土結構非破壞檢測.............