توموگرافی فراصوت بتن چیست؟ معرفی کامل دستگاه MIRA

همه‌چیز درباره دستگاه MIRA و توموگرافی التراسونیک بتن

توموگرافی پالس-اکو فراصوت (Ultrasonic Pulse-Echo Tomography) یک روش پیشرفته آزمون غیرمخرب (Non-Destructive Testing – NDT) است که برای ارزیابی وضعیت داخلی مواد، به ویژه بتن و سایر مصالح ساختمانی، استفاده می‌شود. این تکنیک بر پایه اصول امواج فراصوت عمل می‌کند و امکان تصویربرداری دوبعدی یا سه‌بعدی از زیرسطح مواد را فراهم می‌آورد.

برخلاف روش‌های سنتی فراصوت که تنها سیگنال‌های ساده را تحلیل می‌کنند، توموگرافی پالس-اکو با استفاده از آرایه‌ای از مبدل‌ها (ترانسدیوسرها)، داده‌های متعددی را جمع‌آوری کرده و تصاویر دقیقی از عیوب داخلی، موقعیت اجزا و خواص مواد تولید می‌کند.

این روش در دهه‌های اخیر توسعه یافته و دستگاه‌هایی مانند MIRA (Ultrasonic Shear-wave Tomography) به عنوان نمونه‌های عملی آن شناخته می‌شوند. توموگرافی پالس-اکو به ویژه در مهندسی عمران، برای ارزیابی سازه‌های بتنی مانند پل‌ها، تونل‌ها و ساختمان‌ها، کاربرد دارد. در این مقاله، به بررسی اصول، تجهیزات، کاربردها، مزایا و معایب این تکنیک می‌پردازیم.

اصول کار توموگرافی پالس-اکو

توموگرافی پالس-اکو بر پایه روش پایه پالس-اکو فراصوت بنا شده است. در روش پالس-اکو ساده، یک مبدل فراصوت پالس‌های کوتاهی از امواج صوتی با فرکانس بالا (معمولاً بیش از 20 کیلوهرتز) را به داخل ماده ارسال می‌کند. این امواج در برخورد با ناهمگنی‌ها مانند عیوب، مرزها یا دیواره پشتی ماده، بازتاب می‌شوند و توسط همان مبدل یا مبدل دیگری دریافت می‌گردند. زمان رفت و برگشت موج (Time-of-Flight) و دامنه سیگنال دریافتی، اطلاعاتی درباره موقعیت و اندازه عیب فراهم می‌کند.

در نسخه توموگرافی، این فرآیند پیشرفته‌تر است:

• استفاده از آرایه مبدل‌ها: به جای یک جفت مبدل، از یک آرایه خطی یا چندبعدی (مانند 10 کانال با 4 مبدل در هر کدام در دستگاه MIRA) استفاده می‌شود. این آرایه امکان اندازه‌گیری چندین جفت ارسال-دریافت (مثلاً 45 جفت در هر اسکن) را در زمان کوتاه (حدود 1 ثانیه) فراهم می‌کند.

• امواج برشی (Shear Waves): در دستگاه‌هایی مانند MIRA، از امواج برشی کم‌فرکانس (حدود 55 کیلوهرتز) استفاده می‌شود که نفوذ عمیق‌تری (تا 3 فوت یا حدود 1 متر) در بتن دارند.

• الگوریتم‌های توموگرافی: داده‌های جمع‌آوری‌شده با الگوریتم‌های پردازش تصویر (مانند الگوریتم‌های بازسازی تصویر) تحلیل می‌شوند تا تصاویر مقطعی (توموگرام) تولید شود. این تصاویر می‌توانند دوبعدی (B-Scan یا C-Scan) یا سه‌بعدی باشند و عیوب را به صورت визуالی نمایش دهند.

• امپدانس صوتی و بازتاب: بازتاب امواج به اختلاف امپدانس صوتی (Z = ρ × c، که ρ چگالی و c سرعت صوت است) بین مواد بستگی دارد. هرچه اختلاف بیشتر، بازتاب قوی‌تر.

در مقایسه با روش سنتی پالس-اکو که تنها یک جفت موج در هر اندازه‌گیری تولید می‌کند، توموگرافی بهره‌وری بالاتری دارد و امکان تشخیص دقیق‌تر عیوب را فراهم می‌کند.

تجهیزات مورد استفاده

تجهیزات توموگرافی پالس-اکو شامل دستگاه‌های پیشرفته‌ای است که ترکیبی از سخت‌افزار و نرم‌افزار هستند:

• مبدل‌های تماسی خشک (Dry Point Contact – DPC): این مبدل‌ها بدون نیاز به آماده‌سازی سطح (مانند کوپلانت مایع) کار می‌کنند و برای سطوح ناهموار بتن مناسب هستند. هر مبدل می‌تواند هم ارسال‌کننده و هم دریافت‌کننده باشد.

• آرایه چنداستاتیکی: مانند آرایه خطی در MIRA که 40 مبدل (10 کانال × 4 مبدل) دارد و اندازه‌گیری‌های چندگانه را انجام می‌دهد.

• نمایشگرها و پردازشگرها: دستگاه‌های مدرن دیجیتال هستند و انواع نمایش مانند A-Scan (دامنه در برابر زمان/عمق)، B-Scan (تصویر مقطعی) و C-Scan (تصویر پلان از بالا) را ارائه می‌دهند. نرم‌افزارها سرعت صوت را وارد کرده و عمق عیوب را مستقیماً نمایش می‌دهند.

• خط تأخیر (Delay Line): برای حذف منطقه مرده نزدیک سطح و بهبود تفکیک‌پذیری استفاده می‌شود.

• کوپلانت: در برخی موارد، از کوپلانت مایع (مانند روغن یا گلیسیرین) برای انتقال بهتر امواج استفاده می‌شود، اما در دستگاه‌هایی مانند MIRA، کوپلینگ خشک کافی است.

دستگاه‌های تجاری مانند MIRA (توسعه‌یافته توسط شرکت‌هایی مانند ACS Group) یا Pundit PD8000 برای کاربردهای میدانی طراحی شده‌اند و قابل حمل هستند.

کاربردها

توموگرافی پالس-اکو در زمینه‌های مختلفی کاربرد دارد، به ویژه در ارزیابی بتن:

• اندازه‌گیری ضخامت: تخمین دقیق ضخامت بتن تا عمق 3 فوت.

• موقعیت‌یابی آرماتور و اجزای سازه‌ای: تشخیص عمق میلگردها، داول‌بارها و موقعیت درزها.

• تشخیص عیوب داخلی: شناسایی دلمینیشن (جدا شدگی لایه‌ها)، ترک‌ها، هانکامبینگ (لانه‌زنبوری)، توده‌های گل، نواحی با تراکم ضعیف و voids (حفره‌ها).

• ارزیابی خواص مواد: تعیین نسبی مقاومت بتن (PCC) یا سطح تراکم آسفالت.

• عیب‌یابی درزها و اتصالات: تشخیص تخریب، پوسته‌پوسته شدن و موقعیت اجزا در درزهای بتنی.

• کاربردهای دیگر: در مواد کامپوزیتی، فلزات، سرامیک و حتی بتن تقویت‌شده با فیبر فولادی برای تشخیص عیوب زیرسطحی.

این روش توسط سازمان‌هایی مانند Federal Highway Administration (FHWA) برای ارزیابی روسازی‌های بتنی توصیه می‌شود.

مزایا و معایب

مزایا 

• غیرمخرب و ایمن: بدون آسیب به سازه و بدون نیاز به دسترسی دوطرفه.

• دقت بالا و تصویربرداری: تولید تصاویر واضح برای تشخیص دقیق عیوب.

• بهره‌وری بالا: اسکن سریع (1 ثانیه برای 45 اندازه‌گیری) و بدون نیاز به آماده‌سازی سطح.

• نفوذ عمیق: تا 1 متر در بتن، مناسب برای سازه‌های بزرگ.

• قابل حمل: دستگاه‌ها سبک و مناسب برای کار میدانی.

معایب

• نیاز به اپراتور ماهر: تفسیر تصاویر پیچیده است و ممکن است خطاهای انسانی رخ دهد.

• محدودیت در مواد زبر: در بتن درشت‌دانه یا مواد با پراکندگی بالا، نفوذ کاهش می‌یابد.

• هزینه اولیه: دستگاه‌های پیشرفته گران هستند.

• منطقه مرده: نزدیک سطح ممکن است عیوب تشخیص داده نشوند، مگر با استفاده از خط تأخیر.

• تأثیر زاویه عیوب: عیوب مایل ممکن است به درستی تشخیص داده نشوند.

سوالات متداول

1. توموگرافی پالس-اکو با روش پالس-اکو معمولی چه فرقی دارد؟

روش معمولی فقط 1 جفت موج در هر اندازه‌گیری می‌دهد ولی توموگرافی (مثل MIRA) در هر اسکن 45 جفت موج می‌فرستد و تصویر دوبعدی/سه‌بعدی می‌سازد.

2. آیا برای استفاده از دستگاه MIRA حتماً باید سطح بتن را صاف و تمیز کرد؟

خیر! مبدل‌های Dry Point Contact (DPC) بدون کوپلانت مایع و بدون نیاز به آماده‌سازی سطح کار می‌کنند.

3. حداکثر عمق نفوذ دستگاه‌های توموگرافی مثل MIRA چقدر است؟

در بتن معمولی تا 90–100 سانتی‌متر (3 فوت) با دقت بالا.

4. آیا می‌توان با این روش موقعیت و عمق میلگردها را پیدا کرد؟

بله، دقت موقعیت‌یابی آرماتور معمولاً ±1–2 سانتی‌متر است.

5. آیا توموگرافی پالس-اکو برای بتن مسلح با شبکه میلگرد متراکم جواب می‌دهد؟

بله، به دلیل استفاده از امواج برشی و الگوریتم‌های پیشرفته SAFT، حتی در بتن‌های شلوغ هم تصویر واضحی می‌دهد.

6. تفاوت MIRA با دستگاه‌های ایمپکت-اکو (Impact-Echo) چیست؟

ایمپکت-اکو فقط ضخامت و عیوب بزرگ را نشان می‌دهد، اما MIRA تصویر مقطعی کامل و موقعیت دقیق عیوب را می‌دهد.

7. توموگرافی پالس-اکو برای آسفالت هم جواب می‌دهد؟

بله، برای ارزیابی تراکم آسفالت و تشخیص لایه‌های جدا شده هم استفاده می‌شود (البته با تنظیمات خاص).

نتیجه‌گیری

توموگرافی پالس-اکو فراصوت یک فناوری انقلابی در حوزه آزمون‌های غیرمخرب است که امکان ارزیابی دقیق و تصویری از وضعیت داخلی مواد را فراهم می‌کند. با پیشرفت‌هایی مانند دستگاه MIRA، این روش به ابزاری ضروری در مهندسی عمران و صنایع مرتبط تبدیل شده است. با وجود برخی محدودیت‌ها، مزایای آن در ایمنی، دقت و کارایی، آن را به گزینه‌ای برتر برای تشخیص عیوب تبدیل کرده است. تحقیقات آینده می‌تواند بر بهبود الگوریتم‌های پردازش و کاهش هزینه‌ها تمرکز کند تا کاربرد آن گسترده‌تر شود.

گردآوری:بخش دانش کسب و کار ساختمان‌یار