《Metrology》：Non-Contact Damage Detection in Concrete Using Laser Doppler Vibrometry and Various Excitation Methods
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钢筋混凝土基础设施资产中有很大一部分已达到可能出现裂缝、分层和空洞等劣化机制的年龄，这可能增加安全风险和维修需求。传统的状态评估通常依赖于局部侵入性测试（例如取芯）和手动敲击，这些方法可能具有破坏性、劳动密集且部分主观。基于振动的无损检测（NDT）通过激励结构
钢筋混凝土基础设施资产中有很大一部分已达到可能出现裂缝、分层和空洞等劣化机制的年龄，这可能增加安全风险和维修需求。传统的状态评估通常依赖于局部侵入性测试（例如取芯）和手动敲击，这些方法可能具有破坏性、劳动密集且部分主观。基于振动的无损检测（NDT）通过激励结构并评估其动态响应的变化提供了一种替代方案。与以往通常单独评估单一激励方法的研究相比，本研究对三种基于振动的NDT激励方法进行了系统的并排比较：使用定制压缩空气冲击装置的机械冲击、声学激励和激振器激励。所有三种方法均在相同的测量条件下进行评估。使用激光多普勒测振仪（LDV）测量振动响应，实现非接触式频率响应特征采集。研究人员开发并评估了一种定制机械激励装置，结果表明该装置提供了稳定且可重复的激励，具有良好的缺陷辨别能力。对具有代表性缺陷类型的试件的实验表明，机械冲击和激振器激励产生了最可重复和最具辨别力的响应特征，而声学激励对于最小的测试试件提供了不足的信噪比（SNR）。在评估的设置中，Qsources表面安装激振器和压缩空气冲击装置提供了最有希望的实验室结果。然而，大型电动激振器主要用作受控参考激励方法，可扩展的现场检查需要更紧凑和自动化的激励解决方案。因此，这项工作的目标是支持开发高效的基于LDV的非接触式检测方法，以实现对钢筋混凝土基础设施更安全、更可靠的监测。
**论文解读：基于激光多普勒测振的混凝土非接触损伤检测——不同激励方法的系统比较**
**研究背景与问题**
钢筋混凝土基础设施（如桥梁、隧道）自20世纪70-80年代大规模建设以来，已进入老化阶段，裂缝、分层（delamination）和空洞（void）等劣化机制逐渐显现，威胁结构安全并增加维护成本。传统检测方法如取芯（coring）和手动敲击（hammer sounding）虽然有效，但存在破坏性、劳动强度大、主观性强等局限，难以实现大规模、高频次监测。基于振动的无损检测（NDT）通过激励结构并分析其动态响应变化（如共振频率、振幅、模态振型）来评估损伤，但现有研究多聚焦单一激励方法，缺乏在相同条件下对多种激励技术的直接对比。为此，研究人员旨在系统评估机械冲击、声学激励和激振器激励三种方法在激光多普勒测振仪（LDV）测量下的性能，以确定最适合未来自动化混凝土检测的激励方案。该论文发表在《Metrology》。
**主要技术方法**
研究人员在SuPAR实验室（安特卫普大学）制备了150×150×150 mm的混凝土立方体试块，包含完整参考试块及嵌入人工缺陷（40 mm乒乓球模拟空洞、30×30×15 mm聚苯乙烯分层、32×45 mm塑料胶囊空洞，以及机械压裂产生裂纹）的试块。采用Polytec PSV-400扫描激光多普勒测振仪（LDV）非接触测量振动速度，在试块表面设置81个均匀分布测量点，频率范围3-20 kHz。三种激励方法为：1）机械冲击：使用仪器化锤（PCB 086C03，带宽DC-10 kHz）和定制压缩空气炮（8 bar气压，8 g钢球，速度约50 km/h，产生短时高能脉冲）；2）声学激励：扬声器发射3-20 kHz正弦扫频信号（振幅400 mV，放大至20 V，距离试件10 mm）；3）激振器激励：采用Brüel & Kj?r 4809电动激振器和Qsources Qlws表面安装微型激振器，通过力传感器计算频率响应函数（FRF）。
**研究结果**
**3.1 Shaker（激振器）**
- **3.1.1 BRüEL & KJ?R Vibration Exciter**：该激振器在6-15 kHz范围内有效，但低频（<6 kHz）和高频（>15 kHz）输入力不足，且激振杆（stinger）的固有频率产生伪影峰。通过FRF分析可抑制噪声，但整体工作范围受限。
- **3.1.2 Comparative Analysis of Specimen Types**：比较健康、空洞和分层试块的频域响应，发现缺陷导致共振峰频率偏移或新增峰值，分层试块的响应偏离最大，表明LDV对缺陷类型敏感。
- **3.1.3 Qsources Qlws Shaker**：该微型激振器直接贴附于试块表面，输入力均匀分布（约19.5 kHz处小峰），无伪影，获得清洁的FRF数据，清晰识别参考块的三阶模态（8.475、11.884、15.29 kHz），并成功检测空洞试块的第一共振频率（8.8 kHz）。
**3.2 Mechanical（机械激励）**
- **3.2.1 Hammer**：仪器化锤在10 kHz以上能量显著降低，仅能激发第一共振峰（约8.8 kHz），手动操作重复性差，不适合扫描测量。
- **3.2.2 Compressed-Air Cannon**：压缩空气炮产生短时强脉冲，在3-20 kHz范围内激发多个清晰共振峰，信噪比高，单次冲击即可获得可靠数据，无需平均。
- **3.2.3 Quantitative Comparison Between Hammer and Compressed-Air Cannon Excitation**：在同一试块同一位置比较，锤子仅在~8.8 kHz有响应，而压缩空气炮在3-20 kHz显示多个峰值，能量传递更宽频高效。
**3.3 Acoustic（声学激励）**
声学激励在3-20 kHz扫频下未能产生可检测的共振响应，仅出现电气伪影峰（4.8 kHz和5.7 kHz），信噪比极低，原因是扬声器功率不足，无法有效传递能量至密实混凝土试块。
**讨论与结论**
讨论部分指出，不同激励方法性能差异显著：激振器（尤其是Qsources）和压缩空气炮在信噪比、频带宽度和缺陷辨别力上表现最佳，但各有取舍——压缩空气炮单次测量信噪比更高但重复性不及激振器。声学激励在实验室条件下失效，但大型声源（如LRAD）可能适用于隧道衬砌等大结构。所有方法均观察到约4.9 kHz和5.7 kHz的电气伪影峰，需在解释时排除。研究结论翻译如下：本研究比较了三种激励方法（声学、机械、激振器）在基于LDV的混凝土小尺度试件缺陷检测中的有效性。声学激励因功率不足无效；机械激励（压缩空气炮）产生高信噪比、宽频响应，适合单点检测；激振器（Qsources）提供清洁、可重复的FRF，适合扫描应用。LDV可实现高效非接触检测，但现场可扩展性需更紧凑、自动化的激励方案（如压缩空气炮或表面激振器）。未来研究应结合人工智能与模式识别算法，训练机器学习模型自动分类缺陷，并开发移动式测量平台（如地面无人机搭载LDV与激励装置）。
