[0001] 本发明涉及水下声学检测技术领域，特别是一种复合型换能器声基阵的垂直优化布阵方法。

[0002] 随着电力基桩、风电基桩、桥梁基桩等基础建设规模井喷式的发展，混凝土灌注桩的井孔检测和质量把控需求越来越迫切。基础设施建设对安全性和时效性管控高度重视，钻井检测正成为质量把控和评价的重要环节，迫切需要精准、精密、规范的井孔侧壁检测仪器。由于混凝土灌注桩的井孔里面一般都是浑浊的积水，光、电、磁以及机械手段都难以实现有效检测。超声波成孔检测仪面世以来，给混凝土灌注桩孔的成孔形态的量化检测提供了切实可行的手段，也让水下声学在井孔检测方面的工程可行性得到充分验证。

[0003] 超声波成孔检测仪是一种不需要接触孔壁的非接触式孔壁测量仪器，也是当前用于井孔侧壁检测应用最广泛、认可度最高的仪器。超声波成孔检测仪采用超声波测距原理，利用超声波传感器向井壁四周发射超声波脉冲，当脉冲到达井壁后会被井壁反射，再回到发射它的位置，通过测量从发射到收到回波的时间间隔，就可以知道井壁离开超声波传感器的距离。超声波传感器在重力的作用下始终保持在一个垂线上，通过对不同深度的测量，就可以得到孔壁的剖面图利用在同一深度上多个方向的测量结果就可以得知该深度上的孔径参数。

[0004] 现有的超声波成孔检测仪共布置两对换能器，两对换能器呈十字型安装，检测钻井两个方向的孔壁剖面。每一个剖面上背对背安装一对超声探头，测量超声探头两方向相反的换能器至孔壁的距离，两对超声探头上下正交安装，形成对两个正交剖面的检测。测量探头完成一次超声测距就继续下降循环进行测量。随着混凝土灌注桩钻井技术越来越广泛地被普及使用，工程建设部门对于钻井形态质量的监控要求越来越高、对检测效率的要求也越来越高。尤其是对于井壁掉块，可能会对灌注桩的安全性构成重大风险，是井孔检测的重要需求，但这需要仪器能够采集获取高分辨的井孔形态的细节，用现有的成孔检测仪是难以检测分辨的，其已经不能满足实际生产需要，与日益增长提高的质量监控需求之间差距明显。

[0005] 通过放缓检测速度，即在垂直方向上放慢绞车的吊放步距，实施高密集度的采样检测，在一定程度上能够降低测量误差。但是，在水平维度里，只能获取四个方向的测点反馈数据。仅能实现对钻井二维孔径的检测，无法提供孔壁形廓准确全面的信息，尤其是难以体现其中不规则的孔壁细节。要采集获得井孔更细致的三维孔壁形态，必须把井孔的空间检测做得更精密。

[0006] 现有技术中做出过优化改进方案，如通过增加探头数量等手段来提高空间采样检测的密集度，在不同朝向增加超声波传感器的数量，使更多的传感器朝不同的方位进行测量，以实现水平维度扫描密度的提高。但在实际上还需要得到新型超声波探头和信号检测技术的支持，超声波传感器单元尺寸大，在一个平面内排列多个超声波传感器单元，则探头的直径将会非常庞大，不具有可行性；通过直接增加超声波传感器，相邻超声波传感器单元的波束间存在间隙，无法有效提高检测精细度；或者相邻超声波传感器单元的波束间相互交叉，会存在副瓣干扰，导致声兼容问题，如不加以解决将导致检测障碍；由于增加探头数量的检测机理上存在以上局限性，事实证明这样的做法并不可行。

[0007] 因此，发明一种复合型换能器声基阵的垂直优化布阵方法，以提高超声波成孔检测仪的检测精细度，使之能够获得井孔更细致的三维孔壁形态是很有必要的。

[0067] 下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0068] 本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

[0069] 一种复合型换能器声基阵的垂直优化布阵方法，包括以下步骤：

[0070] S1、检测探头选型：使用超声波传感器模块42作为声波探头，并缩小声波探头的尺寸,具体的，可以选用1‑3型压电复合材料晶片超声波传感器作为声波探头，该1‑3型压电复合材料晶片超声波传感器的净厚度设置为15‑20mm，且声波探头形态设置为直径为50‑60mm的圆片；

[0071] S2、增加声波探头的数量：将传感器单元的数量由4个调节到N个，且N为大于等于12的偶数，以增大水平维度的测点以及声波扫描密度，控制传感器单元的波束宽度在30°以内，利用N个传感器单元波束均匀覆盖钻井内壁，满足三维孔径精细检测；

[0072] S3、声波探头垂直布阵：将多个声波探头以多元阵列错层堆叠的方式布阵，过程如下：

[0073] S31、声波探头分类：将N个声波探头平均分为两组，两组声波探头探测方向朝外并环形阵列分布，分别构建上层阵列采集模块和下层阵列采集模块，上层阵列采集模块和下层阵列采集模块均包括至少6个声波探头；

[0074] S32、设置矩阵安装框架：制备两个完全相同的正多面体结构，正多面体的安装面数量设置为N/2，将上层阵列采集模块和下层阵列采集模块分别嵌设在正多面体结构的安装面内，形成上层检测矩阵3和下层检测矩阵4，根据钻井孔径的大小，调节正多面体结构的尺寸，使上层检测矩阵3和下层检测矩阵4能够进入钻井，且上层检测矩阵3和下层检测矩阵4的声波探头与钻井井壁之间预留间隙；

[0075] S33、调整声波探头测点覆盖方向：将上层检测矩阵3堆叠在下层检测矩阵4顶部，先保持上层检测矩阵3与下层检测矩阵4正相对，然后扭转上层检测矩阵3或下层检测矩阵4，使上层检测矩阵3与下层检测矩阵4在水平维度上呈错位分布，上层检测矩阵3与下层检测矩阵4在水平维度上的错位偏差角为β，则β＝360/N；

[0076] S34、调整声波探头波束宽度：获取上层阵列采集模块和下层阵列采集模块上声波探头的波束开角，通过参数以及探头的直径来计算波束开角，直径越大波束开角越大，计算优化直径就可选定波束开角，反之在设计时可根据开角选定直径；根据传感器单元设置的N值，提高各个声波探头的工作频率，波束开角随工作频率的提高而减小，使波束宽度变得尖锐，能够有效抑制声学余震和混响，直至错位分布的相邻两个声波探头的波束外轮廓线在水平维度上相切，此时停止参数调节；

[0077] 声波探头的波束开角为θ‑3dB，则θ‑3dB与声波探头的工作频率的表达式如下：

[0078]

[0079] 式中

[0080]

[0081] 其中，c为声传播速度，经验取值；

[0082] f为工作频率，设定值；且f的取值优选为90‑100Hz；

[0083] a为声波探头有效面积直径，设定值；工作频率一定时，波束开角和声波探头有效面积直径的关系是确定的，声波探头有效面积的直径越大波束开角越小；

[0084] k为声波探头的波数，设定值；声波探头在监测介质中声传播速度一定时，波数与工作频率成反比；

[0085] S35、调整声波探头的波束覆盖面：在上层阵列采集模块和下层阵列采集模块之间设置调节区域，使上层阵列采集模块和下层阵列采集模块之间的距离能够进行调节，根据S34中设置的波束开角，使两层声波探头的波束覆盖面不存在重叠；

[0086] S36、声波探头布阵优化验证：在S35调整好的整体结构外侧设置环状障碍物，利用调整后的上层检测矩阵3和下层检测矩阵4的堆叠结构，采集获得环状障碍物内壁三维形态的数据，使用获取的检测数据构建三维模型，构建方法类似于Ki﹢nec﹢t扫描数据驱动的几何建模方法，将多个声波探头采集得到环状障碍物内壁的距离信号集中处理，并汇总在一个坐标内，形成数据模型，并将数据三维模型与环状障碍物实际对比，并做出如下措施：

[0087] 若对比后得出结论为检测精细度无法满足波束宽度在30°以内，则重复S2‑S35；否则，验证声波探头布阵优化方案实际有效；

[0088] S4、布阵结构应用：将通过S36验证的上层检测矩阵3和下层检测矩阵4的堆叠结构装载于成孔检测仪上，用于采集井孔细致的三维孔壁形态。

[0089] 如图1‑12所示，本发明还提出一种超声波成孔检测仪，包括用于实现复合型换能器声基阵的垂直优化布阵方法的硬件装置，本发明对硬件装置部分进行设计，优化超声波成孔检测仪的声波探头布阵方式，超声波成孔检测仪的软件部分参照现有技术，本领域技术人员能够实现即可；

[0090] 作为本发明硬件装置的一种优选实施方式：

[0091] 硬件装置包括电子舱1，电子舱1上可拆卸安装有组合架2，上层检测矩阵3和下层检测矩阵4的堆叠结构贴合组合架2内壁设置，该结构为错层堆叠蜂窝式的超声波传感器阵列，采用一体化的结构和水密封装形式，不仅可使声波探头的水密可靠性更加可靠，也使整体实现轻量化和小型化，更方便用户使用和维护保养；

[0092] 组合架2内部活动设置有调节垫块，调节垫块位于上层检测矩阵3和下层检测矩阵4之间，调节垫块能够实现上层检测矩阵3和下层检测矩阵4的隔离，根据需要选择设置或者不设置，本实施例中没有使用调节垫块，调节垫块的作用为改变上层检测矩阵3和下层检测矩阵4上声波探头声波覆盖面的位置，可选用不同厚度的橡胶圈实现，安装时橡胶圈轴心的开孔不影响各电气部件的走线，橡胶圈表面的开孔不影响上层检测矩阵3和下层检测矩阵4的组合连接，通过阵元间的交错层叠分布，抑制阵元之间的声信号衍射干扰和声学耦合，使阵元在高密度排列和工作的时候依然保证良好的声兼容效果；

[0093] 电子舱1顶部设置吊钩连接板，用于连接牵引绳，对钻井进行数据采样时，利用架台和收卷机构在钻井顶部释放牵引绳，将电子舱1主体缓慢释放，电子舱1上安装的多个探头采集数据并实现反馈，为了提高采集数据的精准度，降低误差，还需要对电子舱1进行移动限位，降低其扭转和晃动带来的不良影响；

[0094] 上层检测矩阵3和下层检测矩阵4外侧均套设有聚氨酯橡胶层5，如图1‑3所示，为了便于观测内部结构，对聚氨酯橡胶层5做了局部剖切处理，聚氨酯橡胶层5对上层检测矩阵3和下层检测矩阵4上的声波探头具有保护作用，提高工作环境下的安全性，延长使用寿命，且声波能够穿透聚氨酯橡胶层5，不影响孔壁数据采集；

[0095] 具体的，上层检测矩阵3和下层检测矩阵4均包括正多面体安装架41，正多面体安装架41由圆柱体呈环绕状均匀截平面制成，且正多面体安装架41上的截平面作为声波探头安装面，多个声波探头安装面内均嵌设超声波传感器模块42，正多面体安装架41的轴心处开设有通道，便于实现电气部件的走线，并将各个探头的连接线与电子舱1内的芯片连接；

[0096] 组合架2包括两组贴板环阵21，两组贴板环阵21分别与两个正多面体安装架41的声波探头安装面贴合设置，且贴板环阵21表面开设有使超声波传感器模块42的探测波束穿过的通孔22，两组贴板环阵21以错层方式一体设置，位于顶部的贴板环阵21外侧一体设置有连接板23，连接板23通过螺丝24固定连接在电子舱1底部，位于底部的贴板环阵21内侧一体设置有托板25，用于承载上层检测矩阵3和下层检测矩阵4的堆叠结构。

[0097] 为了提高装置的安全性和结构的整体强度，作出如下改进方案：

[0098] 组合架2底部设有底壳6，底壳6上表面开设有与组合架2底端匹配的凹槽7，底壳6表面贯穿设置第一定位轴孔8，正多面体安装架41上表面且位于相邻两个声波探头安装面夹角处贯穿设置第二定位轴孔9，正多面体安装架41下表面且对应声波探头安装面中间位置开设有螺纹槽10，第一定位轴孔8和第二定位轴孔9内共同插接螺栓11，且螺栓11的端部与螺纹槽10螺纹连接，该装置的各个部件便于组装，组装之后一体化程度高，结构较为稳定，降低检测误差；

[0099] 电子舱1与底壳6之间通过聚氨酯橡胶层5密封设置，提高水密可靠性；

[0100] 底壳6底部嵌设有测底探头12，用于检测底壳6到底壳6正下方障碍物的距离。

[0101] 现有超声波成孔检测仪作为对比案例：

[0102] 超声波传感器采用单个纵向复合棒换能器的形式，这种换能器在纵向高度尺度比较大，如果在一个平面内排列多个传感器单元，则探头的直径将会非常庞大、不具有可行性，因此，现有的超声波成孔检测仪都是成孔检测仪探头4个单元分两轴错层正交布设，在水平维度里，同时获取四个方向的测点反馈数据。现有超声波成孔检测仪使用的超声波传感器的波束比较宽，50kHz探头在水中的‑3dB指向性开角为45°左右。如图17所示，其传感器波束空间指向稀疏，采集的数据离散，含有无法识别的区域，精细度较低。

[0103] 这样宽的波束只能粗略测量开角范围内相对最近的孔壁距离，角度分辨能力不高、难以胜任对孔壁的不同方位实施细密扫描。

[0104] 超声波成孔检测仪增加超声波传感器数量的改进方案作为对比案例：

[0105] 通过在不同朝向增加超声波传感器的数量，使更多的传感器朝不同的方位进行测量，其声波宽度以50kHz探头在水中的‑3dB指向性开角为40°左右。如图18所示，其传感器波束空间指向密集，相邻传感器波束现重叠，存在干扰性。

[0106] 由于超声波传感器的波束并不像手电筒那样有良好的聚焦性，不仅波束很宽，而且两侧还有不可忽视的副瓣干扰，直接增加传感器数量，相邻传感器间容易发生声波信号的时空干涉和串扰、产生严重的声兼容问题，存在测量误差，因此改进方法不具有可行性。

[0107] 本发明基于复合型换能器声基阵的垂直优化布阵方法，制备一种超声波成孔检测仪，应用到钻井检测中，给出实施例一和实施例二。

[0108] 实施例一

[0109] 如图7‑9所示，将超声波传感器模块42的数量增加到12个，且超声波传感器模块42的尺寸统一设置为净厚度设置为20mm，直径为55mm的圆片，将上述12个超声波传感器模块42平均分配，并分别环形阵列分别在上层检测矩阵3和下层检测矩阵4上，使上层检测矩阵3与下层检测矩阵4之间的偏差角β设置为30°，将超声波传感器模块42的工作频率提高至90‑
100kHz，使超声波传感器模块42的波束宽度即θ‑3dB缩小到30°，使得波束变得尖锐，从而对孔壁进行更密集的波束测量成为可能。效果如图13和14所示，上层检测矩阵3上的传感器波束空间指向密集，且相邻传感器波束相互之间不存在干扰；下层检测矩阵4上的传感器波束空间指向密集，且相互之间不存在干扰，通过上层检测矩阵3和下层检测矩阵4错层覆盖多个方向。能够实现井孔细致的三维孔壁形态检测，提高超声波成孔检测仪的检测精细度，方案具有可行性。

[0110] 实施例二

[0111] 如图10‑12所示，将超声波传感器模块42的数量增加到16个，且超声波传感器模块42的尺寸统一设置为净厚度设置为15mm，直径为55mm的圆片，将上述16个超声波传感器模块42平均分配，并分别环形阵列分别在上层检测矩阵3和下层检测矩阵4上，使上层检测矩阵3与下层检测矩阵4之间的偏差角β设置为30°以下，将超声波传感器模块42的工作频率提高至90‑100kHz，使超声波传感器模块42的波束宽度即θ‑3dB缩小到30°以内，使得波束变得尖锐，从而对孔壁进行更密集的波束测量成为可能。效果如图15和16所示，上层检测矩阵3上的传感器波束空间指向密集，且相邻传感器波束相互之间不存在干扰；下层检测矩阵4上的传感器波束空间指向密集，且相互之间不存在干扰，通过上层检测矩阵3和下层检测矩阵
4错层覆盖多个方向。相较于实施例一，能够实现井孔更细致的三维孔壁形态检测，提高超声波成孔检测仪的检测精细度，方案具有可行性。

[0112] 以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。