Для выявления внутренних дефектов в бетонных конструкциях, таких как дороги и мосты, требуются методы неразрушающего контроля. Большинство способов предполагают отправку звуковых волн в материал и улавливание отражённых волн для создания изображений внутренней структуры и выявления дефектов. Этот процесс похож на ультразвуковое исследование, которое используется для изучения человеческого тела.
Но в отличие от человеческих тканей, бетон состоит из множества материалов, включая камень, глину, мел, сланец, железную руду и песок, которые рассеивают звуковые волны и затрудняют получение чёткой визуализации.
В статье, опубликованной в журнале Applied Physics Letters, исследователи из Университета Тохоку рассказывают о создании системы трёхмерной ультразвуковой визуализации бетона с высоким разрешением, которая автоматически адаптируется к различным типам конструкций.
«В нашем подходе используется широкополосная ультразвуковая волна, работающая в широком диапазоне ультразвуковых частот, а не на одной фиксированной частоте, — говорит автор исследования Ёсикадзу Охара. — Приёмник способен принимать ещё более широкий диапазон частот. Автоматически подстраивая частоту под материал, наша система улучшает контраст между дефектами и основным материалом в бетоне».
Получить качественное изображение бетона сложно, поскольку волны теряют интенсивность при прохождении через бетон из-за поглощения или рассеивания. Трудно предсказать, какие частоты звуковых волн сохранятся при прохождении через материал.
Чтобы учесть фактор неопределённости, команда использовала два устройства: одно генерировало широкий диапазон частот для отправки в материал, а другое — виброметр — улавливало исходящие волны. Система может работать с широким диапазоном частот, а это значит, что даже если ультразвуковые волны рассеиваются материалами в бетоне, те из них, которые проходят через материал, всё равно улавливаются, независимо от частоты.
«Ручная настройка не требуется, — говорит Охара. — Поскольку бетон отфильтровывает определённые частоты, лазерный доплеровский виброметр просто улавливает оставшиеся частоты. В отличие от обычных систем, нам не нужно менять датчики или заранее настраивать частоту. Система адаптируется автоматически».
Волны, выходящие из бетона, обрабатываются с помощью алгоритмов визуализации, разработанных командой в предыдущей работе, которые были адаптированы специально для широкополосных ультразвуковых данных. В результате получается трёхмерное изображение дефекта и его расположения в бетоне с высоким разрешением.
«Для специалиста по планированию ремонта или выездного технического специалиста это означает получение конкретной информации: насколько глубоко дефект расположен относительно поверхности, насколько он велик и как он распространяется в трёх измерениях, — говорит Охара. — Это позволяет более эффективно планировать ремонт. Метод даёт чёткую трёхмерную карту внутренних повреждений, которую можно использовать для принятия решений о техническом обслуживании и ремонте».
