超音波檢測

壹、簡介

人耳所能接收的範圍，普遍認為介於 20 Hz 至 20 kHz 之間，超音波係物理 上頻率高於 20000 Hz 之聲波，利用此種高頻振動之音波傳進待測材料，藉遇到 缺陷或者介面轉換處超音波會反射之特性，以檢測材料缺陷與厚度。更進一步還 可利用波在不同材料之速度與穿透性差異，輔助分析材料之物理性質、晶粒尺寸 以及微觀組織。不論檢測物性質，只要超音波之能量足夠穿透材料厚度皆可檢測 [1]。

超音波檢測技術目前已廣泛運用於各領域，亦早已用於探測混凝土內部的瑕 疵與裂縫，若腐蝕位置未知，則不易辨別出腐蝕所造成或混凝土保護層本身的裂 縫。有鑑於此，本研究參考文獻及過去經驗，擬直接運用超音波傳遞於鋼筋本身。

由於脈衝電流法可判別腐蝕嚴重區域，因此腐蝕位置可視為已知，進而簡化波傳 頻譜分析，建立腐蝕深度與波傳頻譜的關係。另因腐蝕量測時，鋼筋必須具備露 頭以便接線形成迴路，故超音波可由此露頭導入。

貳、超音波檢測原理

當外力衝擊物體表面後，將產生彈性波(elastic wave)，依固體內質點運動方 向與彈性波本身前進方向之相對關係、不同固體邊界條件，可分為下列三種主要 的應力波：壓力波(compressive wave)或縱波(longitudinal wave)(簡稱為 P 波)、剪 力波(shear wave)或橫波(transverse wave)(簡稱為 S 波)及表面波(surface wave)或雷 利波(Rayleigh wave)(簡稱為 R 波)[2-4]，如圖 2-1 所示。

圖 2-1 半無限域固體承受集中載重後三種應力波

傳遞示意圖

(資料來源：Achenbach, J.D.,[2])

縱波質點的振動方向與波傳方向平行，當質點運動方向與彈性波前進方向相

2(1 )

式中 E 為材料彈性模數(elastic modulus)，ρ 為材料密度(density)，ν 為材料卜 松比(Poisson’s ratio)，鋼鐵材料約 0.30 左右。常用營建材料之縱波波速、橫波波 速與雷利波速度如表 2-1 所示，金屬材料之縱波波速約在 6000m/sec 上下，橫波

圖 2-2 不同物體介質介面入射壓力波、反射壓力波及

折射壓力波示意圖

(資料來源：Achenbach, J.D.,[2])

當應力波在物體內部傳遞時，入射壓力波遇到不同材料所形成的介面時，如

所示，由於 S 波波速小於 P 波，在通過介面後，P 波和 S 波將以不同的路徑傳遞，

在進行非破壞性檢測(nondestructive testing，NDT)時，一般僅對 P 波到達物體表 面所引起之初始擾動訊號進行訊號分析工作，各折射角、反射角與材料性質間之 關係如下式所示：

1 2 1 2

1 2 1 2

sin sin sin sin

P P S S

C C C C

 _  _  _ 

(2-6)

式中 CP1，CP2分別為固體 1 與固體 2 之 P 波波速，CS1、CS2分別為固體 1 與固體 2 之 S 波波速。

圖 2-3 入射 P 波傳遞到不同固體介面時同時反射與折射

壓力波 P 及剪力波 S 示意圖

(資料來源：Achenbach, J.D.,[2])

入 射 應 力 波 傳 遞 到 不 同 固 體 介 面 時 ， 所 產 生 反 射 波 及 折 射 波 之 振 幅 (amplitude)與材料之聲阻係數(acoustic impedance)Z 有關，Z 與材料波速 C 及容積 密度ρ 之關係如下：

Z  C (2-7) (Ultrasound)，其頻率指超過 20kHz 波動頻率的聲音，在非破壞檢測應用上，常 用的超音波頻率約在 20kHz 至 150kHz 之間[6]，一般應用於混凝土非破壞檢測的

頻率約在 25kHz 至 100kHz 之間[7]。 波的傳動能力。以典型的高性能混凝土(High Performance Concrete, HPC)為例，

假設高性能混凝土的單位重為 2450 kg/m³，彈性模數為 36.6GPa，卜松比為 0.18，

目前較常見的超音波檢測方法有兩種：(1)直接傳遞技術(Direct Transmission Technique)之超音波速法(Ultrasonic Pulse Velocity Method, UPV)；(2)表面反射技 術(Surface Reflection Technique)之暫態彈性波法(Transient Elastic Wave Method)，

均屬非破壞性的試驗技術[8, 9]，此兩種方法為最常見的混凝土性質的測定方法，

均已在工程界使用多年，可適用於室內實驗與現地量測。

直接傳遞技術之超音波速法發展於 1930 年代，主要用以量測材料動態彈性 模數，至 1960 年代推廣至現地材料性質量測，並發展出表面反射技術。超音波

速法藉由直接量測縱波波速，以辨識材料性質與新舊材料介面特徵，其衍生的方 法很多，例如：脈波法(Pulse Method)、脈波回波法(Pulse Echo Method)、脈波傳 遞法(Pulse Transmission Method)(又稱陰影法，Shadow Method)、脈波共振法(Pulse Resonant Method)、傳送時間繞射法(Time-of-Flight Diffraction Method)、振幅法 (Amplitude Method)等[7, 10, 11]。

超音波速法原理為透過已知波傳路徑距離之混凝土試體或構件，量測一個脈 面特徵，其衍生的方法很多，例如：脈波回波法(Pulse Echo Method)、發射擷取 法(Pitch Catch Method)、敲擊反應法(Impulse Response Method)、敲擊回音法 (Impact Echo Method)、表面波譜分析法(Spectral Analysis of Surface Waves Method, SASW) 等[8]，前兩者脫胎於超音波速法，採用時域訊號分析 (Time Domain Analysis)，原理與超音波速法相同，後三者屬暫態彈性波法，採用頻譜分析 (Spectrum Analysis)。

就混凝土的檢測而言，以上各試驗法各有限制條件，必須視缺陷的大小及位 置、試體尺寸等而言。對於內部缺陷，直接傳遞技術較適宜，再針對不同的缺陷 尺寸選用適當的量測方式，如較小的缺陷可採傳遞法，較大的缺陷可採用回波法。

相對而言，若缺陷接近表面，則選用表面反射技術為佳，但文獻上並沒有明確指 出缺陷的尺寸與各量測方式的適用性。

肆、近年發展

有關超音速檢測材料之研究，許多學者分析超音波縱波與混凝土抗壓強度、

水泥砂漿強度、水泥漿強度、水灰比、水泥量、養護溫度、齡期之關係[12-15]，

國內外使用超音波檢測鋼筋腐蝕相關研究不多[16-19]，超音波能量會在傳遞當中 因吸收、散射等因素而產生衰減，根據路徑、介質的不同，會有不同的衰減效果，

當鋼筋置於水中及空氣中時，其衰減效果有明顯的變化，依據其衰減的程度推測 超音波在混凝土中的傳遞距離藉此求得裂縫位置，不同材料其衰減的情形也會有 所不同，一般狀態下，鋼筋的衰減率<10dB/m，混凝土則約為 40dB/m；目前有 相關研究指出若是混凝土傳遞時有通過受腐蝕鋼筋，由於腐蝕生成物會使其波傳 的不易所以訊號會有衰減之情形，若是反之是由鋼筋中傳遞之波，則會因腐蝕生 成物之阻隔而使能量不易逸散造成回彈接收到的訊號增強，因此若是能夠直接量 測鋼筋部位的波傳行為，應可對量測產生相當的幫助[17, 18]。