基于相干频率原理的渡槽混凝土无损检测核心技术研究

1 研究背景

我国水资源空间分布不均，渡槽作为水资源优化配置的核心水工建筑物，长期服役于严酷工况下，普遍出现结构老化、混凝土劣化等病害，成为安全隐患。传统渡槽修补因缺乏对混凝土劣化范围、程度的精准检测，易出现 “修后复坏” 问题。混凝土无损检测是评估渡槽结构健康状态的关键手段，而相干频率原理凭借高分辨率、高可靠性的技术优势，成为渡槽混凝土内部缺陷检测的核心技术方向，为解决传统检测手段精度不足、效率低下的问题提供了技术支撑。

2 相干频率检测核心原理

渡槽混凝土质量检测基于声波散射技术，以散射理论为核心，融合方向滤波、速度扫描、合成孔径成像与相干频率成像技术，实现工程精细结构检测。混凝土内部密实性、胶结程度不均形成的空鼓、松散等缺陷，会产生弹性波阻抗异常区，该区域作为散射源，在冲击波激励下会产生散射波，且波阻抗差异与散射波能量呈正相关。

通过观测散射波场可重建内部散射源图像，异常体界面的多次反射会形成特定周期的多次波，其频率为周期的倒数（波速与双程路径的比值）。对震动记录做频谱分析，提取幅值较大的卓越频率，可确定异常体界面位置，频率与深度的转换遵循公式S=2fv，谱值大小则对应界面尺度与差异程度的乘积，实现缺陷位置与劣化程度的双重判定。

渡槽混凝土无损检测机器人系统硬件结构

3 频谱成像关键技术实现

针对渡槽混凝土检测中散射波传播距离短、波长长的特点，创新采用声波散射相干频率成像技术，替代传统散射波同相轴叠加成像方式，具体实现步骤为：

频域转换：将接收的反射时间域记录通过快速傅里叶变换转换至频域，突破时间域检测的分辨率限制；

空间域转换：依据混凝土波速与频率 - 深度转换公式，将频域记录转换为空间域深度记录，实现缺陷深度的精准映射；

剖面成像：将测线逐点测试数据连接成剖面，将频率谱值赋予各深度点完成成像，同时采用归一化色标分级技术，将幅值最大值归一化为 1，按阈值分 4 级赋色，大幅值范围再分 2 级用醒目色标注，小幅值设为背景色，实现检测结果的直观可视化。

成像结果按散射强度分为红、黄、绿、蓝四色，红色为强散射界面（对应空鼓、离析等严重缺陷），黄色为中等散射界面，绿色为弱散射界面，蓝色为介质均匀区。缺陷识别遵循明确原则：浅至深第一个红色强反射界面为结构底界面，底界面之上的强反射区域即为混凝土内部缺陷区，检测点可沿测线或网格布置，实现二维检测剖面与三维成像的灵活切换。

相干频率检测原理

计算成像子系统

4 技术验证与有效性分析

为验证相干频率检测技术及频谱成像技术的可靠性，开展堆石混凝土缺陷模型试验，预设 70cm 深处石粉层 + 二次浇筑模拟裂缝、10cm 厚泡沫模拟空鼓、大粒径块石模拟混凝土不均匀三类缺陷。

检测结果显示，70cm 深度二次施工缝呈现清晰红色强反射条纹，140cm 底板界面识别精准，底部界面以上局部红色强反射区与预设混凝土不均匀缺陷完全匹配，证明相干频率原理能精准识别混凝土内部裂缝、界面不密实等缺陷，频谱成像技术可实现缺陷位置、尺度的可视化精准表征，为渡槽混凝土无损检测提供了稳定、可靠的技术支撑。

频谱对应界面深度的显示方式

典型相干频率法成果剖面图

渡槽混凝土无损检测机器人