0 引言

　　外墙外保温系统(以下简称“外保温系统”)具有优越的保温效果，是当前应用最广泛的墙体保温形式。但受外保温材料选用不合格、施工质量不达标及环境因素的影响，外保温系统存在开裂、空鼓、脱空等质量问题，导致饰面层和保温材料大面积脱落。特别是无机保温砂浆外保温系统，往往受保温骨料质量的影响，保温砂浆性能波动较大^[1,2]，施工方式主要为人工抹灰，易开裂、空鼓，造成一定社会影响和经济损失。因此，亟须研发有效的外保温系统无损检测技术，以评估施工质量和安全情况。

　　对于外保温系统无损检测技术，红外热像法目前应用较广泛，可对外保温系统进行大面积检测，确定饰面层与保温层之间的缺陷位置与范围，缺陷面积越大，检测结果越准确^[3,4,5,6]。Sim7es等^[4]利用主动和被动红外热像法对外保温系统中锚钉位置和尺寸进行检测，陈炜^[5]利用红外热像仪对玻化微珠保温砂浆外保温系统抗裂层与保温层黏结质量进行检测。但该方法无法检测保温层与基层之间的缺陷，且检测结果受环境因素的影响较大。拉拔法常用于检测外保温系统黏结强度，也可用于缺陷检测，但属于微损检测方法^[7]。

　　通过采集敲击被测对象产生的声学信号，分析其响应规律和时频特性，可判断被测对象是否存在缺陷。该方法在混凝土质量检测^[8]、钢管混凝土空鼓检测^[9]、外墙瓷砖空鼓检测^[10]中已有部分应用，但将该方法应用于外保温系统缺陷检测中的研究较少。

　　制作无机保温砂浆外保温系统实验室模型试件，利用力锤敲击外保温系统预设的不同类型缺陷，研究其产生的声学信号特征，提取可用于检测外保温系统是否存在缺陷的关键参数，为相关工程应用提供一定技术参考。

　　1 检测原理及设备

　　用力锤敲击完好的外保温系统时，会发出较清脆的声音，声学信号在频谱上表现为高频成分占主导;敲击存在开裂、空鼓等缺陷的外保温系统时，会发出较低沉的声音，声学信号在频谱上表现为低频成分占主导。因此，通过分析敲击外保温系统产生的声学信号频谱，可判断外保温系统内部是否存在缺陷^[8]。

　　1.1 基本原理

　　基于声学信号的外保温系统检测技术利用力锤沿外保温系统厚度方向施加瞬态冲击，引起周围空气发生疏密变化，形成疏密相间的纵波，从而发出声音。使用声学传感器拾取声学信号，并分析信号峰值、频率、带宽等特征信息，如图1所示。根据振动力学理论，结构模态频率f由刚度K和质量M共同决定:

　　外保温系统内部出现空鼓等缺陷时，其刚度减小，质量几乎保持不变，因此外保温系统模态频率降低。根据声辐射模态理论，当结构以某模态频率振动时，结构表面辐射的声学信号频率与模态频率相同，因此可通过声学信号频率确定结构模态频率，进而判断结构是否存在缺陷^[11]。

　　图1 检测系统示意  

　　1.2 检测设备

　　外保温系统无损检测设备由力锤、声学传感器、信号采集模块及信号处理与显示模块组成(见图1)。力锤内置力传感器，量程0～5 000N，灵敏度1mV/N。声学传感器为高性能驻极体电容式传感器，拾取频率20～20 000Hz，灵敏度50mV/Pa。信号采集模块有8个通道，采样频率10 240Hz，记录点数16 384。信号处理与显示模块可对声学信号进行滤波、快速傅里叶变换、小波变换等，并可提取幅值、频率、带宽等参数。力锤敲击被测区域时，应沿垂直方向(图1中z向)施加激励。采集声学信号时，声学传感器与被敲击区域垂直方向的夹角约为45°，距离约为20mm。

　　2 试件制作

　　无机保温砂浆外保温系统模型试件如图2a所示，试件宽1 650mm，高2 000mm，由外表面向内沿厚度方向依次为饰面层、抗裂保护层、网格布、无机保温砂浆层、界面层、找平层和混凝土基层。无机保温砂浆标准厚度40mm，混凝土基层厚200mm。

　　图2 试件及缺陷示意  

　　模型试件共设计8种类型缺陷(见图2b)，分别为:(1)A1区保温层与基层之间存在空鼓，厚15mm，通过垫高空鼓周围保温层实现;(2)A2区保温层与饰面层之间存在空鼓，厚15mm，通过垫高空鼓周围饰面层实现;(3)A3区保温层由饰面层向内沿厚度方向缺失20mm，模拟饰面层下保温砂浆粉化损失，通过减少保温层浇筑厚度实现;(4)A4区保温层由饰面层向内沿厚度方向缺失10mm，模拟内部保温砂浆粉化损失，通过减少保温层浇筑厚度实现;(5)A5区保温层中间分层，通过保温层分层制作，并在分层预留10mm间隙形成;(6)A6区保温层由基层向外沿厚度方向缺失10mm，模拟靠近基层处保温砂浆粉化损失，通过减少保温层浇筑厚度实现;(7)A7区无保温层;(8)A8区保温层厚度变薄(厚30mm)。

　　为便于测试记录，沿水平方向均匀划分10个条带，划分线分别记为线1～11;沿垂直方向均匀划分11个条带，划分线分别记为线a～l;线与线之间的交叉点作为力锤敲击测试点，交叉点位置记为字母和数字的组合，如线f和线3的交叉点记为点f3(见图2b)。其中，A1,A2区缺陷尺寸为400mm×600mm(宽×高)，A3～A6区缺陷尺寸为300mm×300mm(宽×高)。

　　3 试验结果分析

　　3.1 保温层空鼓的影响

　　分别敲击A1区点j3、A2区点f3和正常区点h3，对比保温层与基层之间存在空鼓、保温层与饰面层之间存在空鼓和无缺陷情况下声学传感器拾取的时域信号及时频信号，如图3所示。由图3a,3c,3e可知，缺陷区点j3,f3声学信号幅值分别为7.4,5.8mV，而正常区点h3声学信号幅值约为0.8mV，可知空鼓处声学信号幅值远大于正常区。

　　图3 空鼓对声学信号的影响  

　　利用小波变换分别对图3a,3c,3e时域信号进行后处理，得到图3b,3d,3f所示的时频信号。由图3b,3d,3f可知，点j3,f3,h3声学信号首个峰值频率分别为382.1,152.1,675.2Hz，可知空鼓处声学信号首个峰值频率低于正常区，这是因为随着保温层与基层或保温层与饰面层之间空鼓的出现，空鼓处刚度K变小，而质量M几乎保持不变，根据式(1)可知，共振频率降低。

　　3.2 保温层因粉化引起厚度缺失的影响

　　分别敲击A3区点j7、A4区点j9、A6区点f9、正常区点h7，对比保温层外表面缺失20mm、外表面缺失10mm、内表面缺失10mm和无缺陷情况下声学传感器拾取的时域信号及时频信号，如图4所示。由图4a,4c,4e,4g可知，点j7,j9,f9,h7声学信号幅值分别为4.8,3.9,8.3,2.4mV，可知厚度缺失处声学信号幅值平均值为正常区的2.4倍。同时，相同缺失厚度下，保温层内表面缺失区点f9声学信号幅值为保温层外表面缺失区点j9的2.1倍。

　　图4 保温层厚度缺失对声学信号的影响  

　　利用小波变换分别对图4a,4c,4e,4g时域信号进行后处理，得到图4b,4d,4f,4h所示的时频信号。由图4b,4d,4f,4h可知，点j7,j9,f9,h7声学信号首个峰值频率分别为158.2,152.8,716.8,855.0Hz。可知无论是保温层内表面缺失还是外表面缺失，首个峰值频率均低于正常区。

　　对比图3b,3d,3f和图4b,4d,4f,4h可知，正常区声学信号首个峰值频率最高，保温层与基层之间存在空鼓或保温层内表面厚度缺失次之，保温层与饰面层之间存在空鼓或保温层外表面厚度缺失最低。

　　3.3 保温层分层的影响

　　分别敲击A5区点f7和正常区点h7，对比保温层分层和无缺陷情况下声学传感器拾取的时域信号及时频信号，如图5所示。由图5a,5b和图4g,4h可知，点f7声学信号幅值及首个峰值频率分别为7.1mV,354.9Hz，而点h7声学信号幅值及首个峰值频率分别为2.4mV,855.0Hz。可知分层处声学信号幅值高于无缺陷处，而首个峰值频率则低于无缺陷处。

　　3.4 总体试验结果分析

　　上述测点及其他各类测点处声学信号幅值及首个峰值频率对比如表1所示。由表1可知，缺陷区A3,A4边界处点i7,i9声学信号首个峰值频率分别为358.4,307.2Hz，较无缺陷处峰值频率小，较缺陷中心部位峰值频率大，测试结果合理。保温层厚度为30mm的A8区点b5,c5声学信号首个峰值频率分别为890.0,1 126.0Hz，较保温层厚度为40mm的区域点h3,h7处大。总体而言，保温层存在缺陷的测点声学信号幅值较无缺陷区测点高，而首个峰值频率较无缺陷区测点低。

　　图5 保温层分层对声学信号的影响 

　　表1 各测点声学信号幅值和首个峰值频率对比 

　　通过声学传感器逐一拾取敲击无机保温砂浆外保温系统不同测点(线b～k与线2～10交叉点)产生的声学信号，获得首个峰值频率等高线图，如图6所示，分析图6可得以下结论。

　　图6 首个峰值频率等高线图  

　　1)无缺陷区声学信号首个峰值频率为500～850Hz。

　　2)保温层空鼓的A1,A2区声学信号首个峰值频率均<500Hz，且保温层与饰面层之间缺陷处的声学信号首个峰值频率较保温层与基层之间缺陷处低。

　　3)保温层缺失的A3,A4区声学信号首个峰值频率均<500Hz，且保温层缺失厚度对声学信号首个峰值频率的影响较小。

　　4)保温层分层的A5区声学信号首个峰值频率<500Hz，边界区域声学信号首个峰值频率为500～800Hz，与周围正常区较接近。

　　5)保温层变薄的A8区声学信号首个峰值频率为700～1 200Hz，明显大于保温层厚度为40mm的区域。

　　4 结语

　　依据振动力学和声辐射模态理论提出基于声学信号的无机保温砂浆外保温系统缺陷检测技术，检测时采用力锤敲击外保温系统，从而发出声音，利用声学传感器拾取声学信号，并通过小波变换提取声学信号首个峰值频率。研究结果表明，外保温系统中正常区声学信号首个峰值频率为500～850Hz，保温层存在空鼓、缺失或分层缺陷的区域声学信号首个峰值频率<500Hz。应用该方法可通过声学信号幅值及首个峰值频率识别无机保温砂浆外保温系统空鼓、缺失、分层等缺陷。