Siêu âm cọc khoan nhồi – Xác định thời gian sóng truyền đầu tiên (FAT) và tốc độ sóng

Bài viết phân tích nguyên lý xác định thời gian sóng truyền đầu tiên, hay FAT, và tốc độ sóng trong thí nghiệm siêu âm cọc khoan nhồi. Nội dung làm rõ vai trò của FAT trong việc đánh giá tín hiệu siêu âm, các yếu tố gây nhiễu, thuật toán hỗ trợ xác định FAT trên phần mềm CHUM, cũng như phương pháp tính tốc độ sóng biểu kiến. Đây là cơ sở quan trọng giúp kỹ sư kiểm tra độ đồng nhất bê tông, phát hiện khuyết tật trong cọc và nâng cao hiệu quả kiểm soát chất lượng công trình.

Nếu chúng ta lược bỏ tất cả các tính năng phụ trợ (vốn có mục đích giúp công việc của chúng ta nhanh chóng và dễ dàng hơn) để đưa một hệ thống siêu âm cọc khoan nhồi về bản chất cốt lõi nhất, thì trái tim của hệ thống đơn giản chỉ là một bộ đếm thời gian: phát một xung từ một đầu và đo thời gian xung đó truyền đến đầu bên kia.

Các sóng truyền trong cấu kiện được kiểm tra (cọc khoan nhồi) sẽ bị phản xạ từ các mặt bên, bị suy giảm và tạo ra các hiện tượng giao thoa tăng cường hoặc triệt tiêu lẫn nhau. Chúng ta chỉ quan tâm đến thời gian truyền đến của sóng đầu tiên – sóng di chuyển theo lộ trình nhanh nhất và cho ra kết quả đo lường mang tính xác định rõ ràng nhất. Thời gian này được gọi là Thời gian sóng truyền đầu tiên (First Arrival Time - FAT)

Nhiễu và FAT

Nếu không có nhiễu, FAT có thể được xác định là thời điểm tín hiệu bắt đầu khác không. Tuy nhiên, nhiễu là một phần không thể tránh khỏi của bất kỳ phép đo vật lý nào, và việc xác định thời gian sóng truyền đến thực tế là một nhiệm vụ không hề đơn giản. Khi có sự xuất hiện của nhiễu, việc xác định FAT không còn mang tính khách quan nữa, và mắt người hiện vẫn được coi là công cụ tốt nhất để chọn điểm FAT.

Xung sạch không có nhiễu rõ rệt

Xung có nhiễu điển hình

Các nguồn gây nhiễu

Nhiễu đến từ cả các nguồn bên ngoài và bên trong:

• Bên ngoài (External): Nhiễu môi trường xung quanh, đầu dò cọ xát vào thành ống siêu âm... tất cả đều tạo ra các sóng âm thanh trộn lẫn với tín hiệu thực theo những cách không thể dự đoán trước.
• Bên trong (Internal): Bất kỳ hệ thống điện tử nào cũng có nhiễu nội tại. Đây là độ gợn điện áp luôn tồn tại và cuối cùng lọt vào phép đo thông qua mạch chuyển đổi tương tự sang số (A/D).

Trong các hệ thống siêu âm, điện áp của đầu phát thường được nâng lên hơn 1kV, trong khi điện áp đầu nhận thường được đo bằng mV (nhỏ hơn rất nhiều). Sự rò rỉ điện áp từ đầu phát vào mạch nhận được gọi là hiện tượng "Nhiễu xuyên âm" (Crosstalk). Các hệ thống hiện đại, chẳng hạn như thiết bị CHUM, sử dụng các biện pháp đặc biệt để ngăn chặn hiện tượng nhiễu xuyên âm này.

Tín hiệu có nhiễu xuyên âm (Crosstalk)

Các thuật toán xác định FAT

Một thí nghiệm cọc điển hình có thể dễ dàng tạo ra vài nghìn tín hiệu sóng. Việc xác định FAT thủ công bằng mắt đối với lượng dữ liệu khổng lồ này vừa tẻ nhạt vừa gây mệt mỏi, do đó rất dễ dẫn đến sai sót. Vì vậy, nhu cầu về một thuật toán máy tính để thực hiện hầu hết (hoặc toàn bộ) công việc nặng nhọc này thay cho chúng ta là rất rõ ràng.

Phần mềm CHUM cung cấp bốn thuật toán khác nhau. Trong đó, thuật toán "Tự động" (Automatic) là tiên tiến nhất và được khuyến nghị sử dụng.

Tính toán Tốc độ Sóng

Lưu ý: "Wave Speed" (Tốc độ sóng) là một thuật ngữ chính xác hơn so với "Velocity" (Vận tốc), vì "speed" là một đại lượng vô hướng (không có hướng) trong khi "velocity" là một đại lượng vectơ và luôn phải đi kèm với hướng của sóng

Tốc độ sóng biểu kiến (Apparent wave speed) luôn được tính toán bằng công thức:

Vì quỹ đạo truyền sóng không phải lúc nào cũng là một đường thẳng tắp, khoảng cách di chuyển thực tế của chúng có thể dài hơn khoảng cách giữa hai ống siêu âm. Thêm vào đó, bê tông nơi sóng truyền qua là một vật liệu không đồng nhất, do đó tốc độ sóng tính toán được ở đây là tốc độ biểu kiến chứ không phải là một đặc tính vật lý đo đạc trực tiếp. Tốc độ sóng là một đại lượng phản ánh cường độ chịu nén của bê tông.

Trong phần mềm CHUM, có hai chế độ tính toán Tốc độ sóng:

1. Tính toán đơn giản: Sử dụng trực tiếp khoảng cách giữa hai ống siêu âm đã nhập và điểm FAT chọn được.
2. Tính toán nâng cao: Khi biết rõ đường kính ống siêu âm, đường kính của đầu dò cảm biến và tốc độ sóng truyền trong nước, phần mềm có thể bù trừ thời gian và khoảng cách di chuyển của sóng trong môi trường nước.
   •  Khoảng cách được giảm trừ chỉ còn khoảng cách truyền thuần túy trong bê tông, bằng cách khấu trừ đi phần khoảng cách mà sóng phải di chuyển trong nước bên trong ống siêu âm.
   • FAT được giảm bớt để bù cho lượng thời gian tín hiệu đã di chuyển trong nước (Giả định tốc độ sóng cố định trong nước là 1500 m/s).

Sự khác biệt giữa hai phương pháp tính toán này có thể trở nên rất đáng kể khi khoảng cách giữa các ống siêu âm nhỏ. Phương pháp tính toán trên là một sản phẩm phụ đi kèm của quá trình thí nghiệm siêu âm cọc thông thường. Ngoài ra, phần mềm CHUM còn tích hợp sẵn một công cụ tiện ích để đo tốc độ sóng với độ chính xác cao hơn (tham khảo Wave Speed Calculator).

Kết luận

Thí nghiệm kiểm tra độ đồng nhất của cọc khoa nhồi bằng siêu âm là cách nhanh nhất và chính xác nhất để đánh giá khuyết tật trong cọc bê tông. Khi có được các thông số chính xác, chúng ta có thể:

• Thực hiện công tác kiểm soát chất lượng / đảm bảo chất lượng (QC/QA) trên các cọc bê tông đường kính lớn.
• Thực hiện các phân tích nâng cao nhằm xác định chính xác vị trí và hình dáng của bất kỳ khuyết tật nào xuất hiện trong cọc.

 

Mọi thông tin chi tiết xin vui lòng liên hệ:
Trung tâm Giải pháp Phần mềm và Thiết bị Công nghệ - Công ty CP Công nghệ và Tư vấn CIC
Hotline: 0976 268 036 / 024 3974 1373