第三章 非破壞檢測方法驗證
第四節 敲擊回音法試驗
因敲擊回音法主要係利用敲擊造成之底部回波走時記錄，在已 知波速之情況下，推估反射位置。因此波速正確與否與回波資料之 完整性將影響試驗結果之正確性。如何獲得適當波速資料及有效之 分析方法極為影響試驗成敗之關鍵問題。因此敲擊回音法檢測步驟 應包含波速量測、回波資料蒐集及回波資料分析等。本節利用裸 筋、模型 A 及模型 F 進行波速標定及回波測試，並評估資料解析 方法之正確性。其次藉由其他模型驗證檢測方法之可靠度。以下詳 述各試驗結果。
一、裸露鋼筋測試
1、裸露鋼筋波速試驗
裸露鋼筋波速測試之目的在於瞭解鋼筋基本波速，除作為後 續分析之用外，亦可驗證本模型試驗資料之正確性。
裸露鋼筋波速標定係利用已知長度的鋼筋進行波速量測。進 行波速量測時，在鋼筋的一端截面積上裝設接收器，另一端以可 感測鋼珠敲擊器進行敲擊，並儲存敲擊及接收波形後即完成單次 試驗，試驗過程參見照片3-1。
照片 3-1 敲擊回音法試驗過程（一）
本次測試鋼筋長度為 1m。圖 3-14 為試驗資料，包含敲擊波 形（上圖框）及接收波形（下圖框）記錄。其中橫軸為時間軸，單 位為10-6秒（μs），縱軸為電壓強度軸，單位為伏特（voltage）。
試驗敲擊源係採5mm 鋼珠敲擊器，敲擊波形記錄中，暫態應力波 起點時間（T1）為-22.7μs，延時（dT）約為 40μs，最大尖峰值 超出5Volt，但因數位記錄最大值為 5Volt，故超出部分均遭切除。
接收波形記錄中，第一個明顯應力波位置為直達波，到達時間（T2） 為186.1μs，延時（dT）約為 80μs，波峰最大值約 4.6 Volt。直 達波之後明顯的低頻訊號，頻率約為4 至 5KHz 間，係為接收器共 振訊號。直達波走時（ΔT）為 186.1-（-22.7）= 208.8μs，鋼筋 長度為1m，故鋼筋縱波波速 Vbar= 1/(208.8*10-6) = 4789 m/sec。
本試驗共進行三次，其餘兩次試驗結果，縱波波速分別為4916 及 4884 m/sec，試驗平均值約為 4863 m/sec。
圖 3-14 裸露鋼筋波速試驗資料
INTENSITY (voltage)
-100 0 100 200 300 400 500
INTENSITY (voltage)
µ
圖 3-15 之敲擊波形記錄中（上圖），最大尖峰值約為 3.25 Volt，時間延時約為 40μs。接收波形記錄中（下圖），圖中標 示英文字母 D 者為直達波，係由敲擊位置沿表面直接傳遞至接 收位置，因距離相當小，故起始時間與敲擊波形相當接近，尖峰 強度時間約位於-7.1μs。標示 R1者為第一次底端反射波，圖上 表現為尖銳波谷形狀，最大尖峰值約為-0.858 Volt，時間約為 390.7μs。第三個波谷位置，標示 R2者係第二次底端反射波，
最大尖峰值約為-1.14 V，時間約為 806.8μs，之後波形資料亦 顯示反射波（R3），時間約為1221.5μs，惟受低頻雜訊干擾，
波訊較不易辨認。以上資料共可得三筆時間間距（ΔT），分別 為397.8、409.1 與 414.7μs，若波速採 4863m/sec 進行計算，
分別可求得鋼筋長度為 0.97、0.99 與 1.01m。誤差均在 3%以 內。此種直接利用敲擊波與反射波走時關係，並採用合理波速參 數推估長度的方法，即為時間域分析法。
圖 3-15 裸露鋼筋回波資料
-400 0 400 800 1200 1600
TIME ( s)
INTENSITY (voltage)
-400 0 400 800 1200 1600
TIME ( s)
INTENSITY (voltage)
µ
µ
R1 R2 R3
D
3、裸露鋼筋回波資料頻譜分析
前述之時域分析法雖然在分析上頗為方便，但慮及回波不顯 著時，即難以研判待測物長度。為解決此問題，本研究嘗試尋找 其他分析方法。由文獻資料顯示，檢測原理與敲擊回音法類似之 基樁長度檢測方法，近年來發展之力學導納法【28】係於頻率 域進行分析，並根據特徵頻率重複出現特性及基樁縱波波速，計 算求得樁長，參見下式：
L= V
2F
... (3-2) 其中V：基樁縱波波速F：特徵頻率重複出現間距
因上述方法採敲擊法進行回波資料蒐錄及分析，與本研究方 法類似，故本節亦嚐試進行頻率域分析。圖 3-16 係為前述敲擊 回音法試驗記錄經 FFT 轉換所得之頻譜圖。橫軸為頻率，單位 為千赫茲（KHz），縱軸為波譜強度。圖中頻譜尖峰 f1至 f13， 其間距約自2.05 至 2.66KHz（數位資料間距為 0.18KHz），平 均值（F）約為 2.4KHz，因接收記錄為震動位移資料，尖峰強 度依頻率增加而降低，惟在f3位置有異常放大，應為接收器共振 現象。圖中等頻率間距出現之頻譜尖峰係為駐波造成，因導入暫 態應力波為寬頻波入射，其頻率範圍相當高，當特定頻率波形成 駐波後，經重複反射後形成加強性干涉，在鋼筋兩端點造成波幅 增加，而其他頻率則因相位不同，疊加後造成破壞性干涉。以上
資料代入力學導納法公式（3-2 式）後，可得鋼筋長度約為 1.01m，其誤差約為 1%。
圖 3-16 裸露鋼筋回波頻譜
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
FREQUENCY (KHz) 0.0001
0.001 0.01 0.1 1
NORMALIZED AMPLITUDE
f1 10、30、50 及 70KHz。
濾波結果顯示：原始記錄波形中心頻率自10 至 50KHz 間，
底部回波明顯且重複反射現象一致，三組濾波資料回波時間間距
（ΔT）分別為 413、421 與 422μs，分別可求得鋼筋長度為 1、
-500 0 500 1000 1500
-150
-500 0 500 1000 1500
-60 -30 0 30 60
-500 0 500 1000 1500
-30 -15 0 15 30
-500 0 500 1000 1500
-20 -10 0 10 20
Fc=10KHz Fc=30KHz
Fc=50KHz Fc=70KHz
∆T ∆T
∆T ∆T
二、圍束鋼筋測試
1、圍束鋼筋波速標定
本測試目的在於瞭解漿液對試驗結果之影響，圍束鋼筋係指
本試驗模型編號 A 至 E。圍束鋼筋之波速標定係利用土釘模型 編號A 進行波速量測，敲擊源採 5mm 鋼珠敲擊器，土釘模型長 度為1.02m。圖 3-18 之敲擊波形記錄中，暫態應力波起點時間 為-48μs，最大尖峰值約為 8.9 Volt。接收波形記錄中，應力波 起點時間為160.1μs，最大尖峰值僅為 0.01 Volt。故直達波走 時（ΔT）為 160.1-（-48）=208.1μs，鋼筋縱波波速（Vbar） 為1.02/(208.1*10-6) = 4901 m/sec。上述結果與裸筋試驗結果相
-400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200
TIME ( s)
INTENSITY (voltage)
-400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200
TIME ( s)
INTENSITY (voltage)
µ
µ
T1
T2
水泥砂漿體波速標定係利用土釘模型編號 A 進行波速量 測，敲擊源採 5mm 鋼珠敲擊器。圖 3-19 之敲擊波形記錄中，
暫態應力波時間起點時間為-74.8μs，延時約為 70μs，最大尖 峰值約為4.6 Volt。接收波形記錄中，應力波起點時間為 205μ s，最大尖峰值僅為-0.132V。故直達波走時（ΔT）為 205-（-74.8）=279.8μs，縱波波速（Vgrout）為0.96/(279.8*10-6) = 3431 m/sec（0.96m 為漿體長度）。
圖 3-19 模型編號 A 漿體波速試驗資料
-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200
TIME ( s)
INTENSITY (voltage)
-600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200
TIME ( s)
INTENSITY (voltage)
µ
µ
T1
T2
2、圍束鋼筋回波測試
圍束鋼筋回波測試係利用土釘模型編號 A 進行波速量測， 時間位置約為 1847.3、2401.2、2964.9 與 3495.6μs。各尖峰 時間間距分別為 553.9、567.3 與 530.7μs，平均值（ΔT）約 為549μs，以鋼筋長 1.02m 計算得群波速度約為 3716m/sec。
圖 3-20 模型編號 A 鋼筋回波資料
0 1000 2000 3000 4000
TIME ( s)
INTENSITY (voltage)
0 1000 2000 3000 4000
TIME ( s)
INTENSITY (voltage)
µ
µ
R1 R2 R3 R4 R
D
圖3-21 為模型編號 A 檢測記錄頻譜。圖中橫軸為頻率，單位 為千赫茲（KHz），縱軸為正規化振幅，以對數方式表示。圖中顯 示頻率在 12KHz 以上的振幅相當微小，約僅為低頻部分振幅百分 之一，表示大部分高頻訊號均已衰減或散失，且並無類似低頻訊號 重複出現的特性，與裸露鋼筋波傳特性有顯著不同。其中 f1 至 f6 為低頻部分顯著振幅重複出現之頻率位置，其頻率分別為 0.73、
1.83、3.66、5.49、7.14 與 8.78KHz，頻率間距分別為 1.1、1.83、
1.83、1.65 與 1.64KHz。若採其中 1.83KHz 與 1.65KHz 帶入公式 3-2，並以波速 3716m/sec 進行計算，可得土釘長度約為 1.01m 與1.13m，檢測誤差約為 1%與 11%。
圖 3-21 模型編號 A 鋼筋回波頻譜
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
FREQUENCY (KHz) 0.001
0.01 0.1 1
NORMALIZED AMPLITUDE
f1 f2
f3
f4
f5
f6
漿體回波測試係利用土釘模型編號 A 進行，敲擊源採 5mm 鋼珠敲擊器。圖 3-22 敲擊波形記錄中，最大尖峰值約為 0.7 Volt，時間延時約為 55μs。接收波形記錄中，1000μs 開始出 現較為一致的重複波形，標示為英文字母R1、R2、R3、R4、R5 與R6，其尖峰時間位置約為 1024.4、1566.8、2152.3、2686、
3227.5 與 3778.8μs。各尖峰時間間距分別為 546.4、585.5、
533.7、541.5 與 551.3μs，平均值（ΔT）約為 551μs，群波 速度約為3485m/sec。
圖 3-22 模型編號 A 漿體回波資料
0 1000 2000 3000 4000
TIME ( s)
INTENSITY (voltage)
0 1000 2000 3000 4000
TIME ( s)
INTENSITY (voltage)
µ
濾波中心頻率，分別標示於各波形左上角。
-500 0 500 1000 1500
300
-500 0 500 1000 1500
100 50 0 -50 -100
-500 0 500 1000 1500
100 50 0 -50 -100
-500 0 500 1000 1500
100 50 0 -50 -100
Fh=5KHz Fc=30KHz
Fc=50KHz Fc=70KHz
∆T
三、圍束鋼筋檢測資料
圖3-24 上方為模型編號 B 檢測記錄。圖中在 4000μs 開始出 現較為一致的重複反射波形，標示為英文字母R1至 R12，其平均 值（ΔT）約為 563μs，以上述圍束鋼筋群波速度 3716/sec 進行 計算，檢測長度為1.05m，檢測誤差約為 0%。
圖3-24 下方為模型編號 B 檢測記錄頻譜。圖中橫軸為頻率，
單位為千赫茲（KHz），縱軸為正規化振幅，以對數方式表示。圖 中顯示頻率在12KHz 以上的振幅相當微小，約僅為低頻部分振幅 百分之一，表示大部分高頻訊號均已衰減或散失，且並無類似低頻 訊號重複出現的特性。其中f1至f8為低頻部分顯著振幅重複出現之 頻率位置，其頻率分別為0.73、1.92、3.66、5.4、7.14、8.6、9.88 與11.07KHz，頻率間距分別為 1.19、1.74、1.74、1.74、1.57、
1.28 與 1.19KHz。若採其中 1.74KHz 帶入公式 3-2 進行計算，可 得土釘長度約為1.07m，檢測誤差約為 2%。
圖 3-24 模型編號 B 回波資料
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 TIME (µs)
INTENSITY (voltage)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
FREQUENCY (KHz) 0.0001
0.001 0.01 0.1 1
NORMALIZED AMPLITUDE
f2 f3
圖3-25 上方為模型編號 C 檢測記錄。圖中在 3000μs 開始出 現較為一致的重複反射波形，標示為英文字母R1至 R14，其平均 值（ΔT）約為 556μs，以上述圍束鋼筋群波速度 3716/sec 進行 計算，檢測長度為1.03m，檢測誤差約為 2%。
圖3-25 下方為模型編號 C 檢測記錄頻譜。圖中 f1至f3為低頻 部分顯著振幅重複出現之頻率位置，其頻率分別為 1.83、3.66 與 5.31KHz，頻率間距分別為 1.83 與 1.75Hz，分別可得土釘長度約 為1.01m 與 1.06m，檢測誤差約為 4%與 1%。
圖 3-25 模型編號 C 回波資料
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 TIME (µs)
INTENSITY (voltage)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
FREQUENCY (KHz) 0.0001
0.001 0.01 0.1 1
NORMALIZED AMPLITUDE
f2 f3
圖3-26 上方為模型編號 D 檢測記錄。圖中在 8000μs 開始出 現較為一致的重複反射波形，標示為英文字母R1至R5，其平均值
（ΔT）約為 575μs，以上述圍束鋼筋群波速度 3716/sec 進行計 算，檢測長度為1.07m，檢測誤差約為 2%。
圖3-26 下方為模型編號 D 檢測記錄頻譜。圖中 f1至f7為低頻 部分顯著振幅重複出現之頻率位置，其頻率間距分別為 1.28 與 1.56Hz，分別可得土釘長度約為 1.45m 與 1.19m，檢測誤差約為 38%與 13%。
圖 3-26 模型編號 D 回波資料
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 TIME (µs)
INTENSITY (voltage)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
FREQUENCY (KHz) 0.0001
0.001 0.01 0.1 1
NORMALIZED AMPLITUDE
f2
圖3-27 上方為模型編號 E 檢測記錄。圖中在 4000μs 開始出 現較為一致的重複反射波形，標示為英文字母R1至 R13，其平均 值（ΔT）約為 545μs，以上述圍束鋼筋群波速度 3716/sec 進行 計算，檢測長度為1.01m，檢測誤差約為 4%。
圖3-27 下方為模型編號 E 檢測記錄頻譜。圖中 f1至f5為低頻 部分顯著振幅重複出現之頻率位置，其頻率分別為 1.92、3.75、
5.58 與 7.05KHz，頻率間距分別為 1.83、1.83 與 1.47KHz，分別 可得土釘長度約為1.01m 與 1.26m，檢測誤差約為 4%與 20%。
圖 3-27 模型編號 E 回波資料
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 TIME (µs)
INTENSITY (voltage)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
FREQUENCY (KHz) 0.0001
0.001 0.01 0.1 1
NORMALIZED AMPLITUDE
f2
圖3-28 為模型編號 B 至 E 檢測記錄頻譜。圖中在頻率 0.6 至 7.2KHz 間，係低頻部分顯著振幅重複出現範圍，四組資料均有三 處明顯波峰出現，惟頻率在4KHz 左右受到接收器共振影響，頻率 有些許偏移。上述平均頻率間距約為1.7KHz，平均土釘長度約為 1.09m，平均檢測誤差約為 4%。至於頻率在 7.2KHz 以上，振幅 大幅降低，且顯著振幅重複出現情形並不一致，顯示此部份資料已
圖3-28 為模型編號 B 至 E 檢測記錄頻譜。圖中在頻率 0.6 至 7.2KHz 間，係低頻部分顯著振幅重複出現範圍，四組資料均有三 處明顯波峰出現，惟頻率在4KHz 左右受到接收器共振影響，頻率 有些許偏移。上述平均頻率間距約為1.7KHz，平均土釘長度約為 1.09m，平均檢測誤差約為 4%。至於頻率在 7.2KHz 以上，振幅 大幅降低，且顯著振幅重複出現情形並不一致，顯示此部份資料已