超声波检测基本知识.doc

超声波的基本知识
1 超声波基本原理
1.1 振动与波动
机械振动：物体在平衡位置附近往复运动。
质量弹簧系统的运动；钟摆的摆动；水上浮标的浮动；担物行走时扁担的颤动；在微风中树梢的摇摆；振动的音叉、锣、鼓、琴弦等都是机械振动。

质量弹簧体系受力分析：虎克定律 F=-k•x

1. 受力方向指向平衡位置 2. 受力大小与质点偏离平衡位置的距离成正比

单摆体系受力分析

机械振动的三个特点：物体，平衡位置，回复力
1. 物体：宏观的物体或细观的质点
2. 平衡位置：通常是运动过程的中心（静止）位置
3. 回复力：偏离平衡位置后，受到指向平衡位置的力

确定性振动：可以用确定性的函数描述其运动规律
最为简单的是简谐振动
有限个简谐振动的叠加
无限个简谐振动的叠加
随机振动：不能预先确定的振动。
无法用确定性函数描述
须用概率统计方法定量描述
平稳随机振动：运动随机，概率统计参量稳定
非平稳随机振动：运动随机，概率统计参量不稳定
产生机械振动的根本原因：
1. 偏离平衡位置
2. 有与偏离平衡位置位移相关的回复力：指向平衡位置的力，使物体回到平衡位置
振动能够持续的原因： 1. 物体偏离平衡位置对应克服回复力时集聚的势能 2. 物体在回复力的作用下势能与动能的转换
在回复力的作用下，物体回到平衡位置时，回复力减小到零，势能完全转化为动能，此时惯性使其偏离到平衡位置的另一边，克服新产生的回复力，直至达到最大偏离位置，动能完全转化为势能。循环往复。
质点（细观）振动
细观意义上，构成物体的各个部分构成相互作用体系，
通常相互之间处于虎克定律意义下的平衡状态，物体某一部分如果相对于其他部分的发生位移，将导致其他部分对其产生“回复力”，促其回到其平衡位置，产生振动。

质点（细观）振动时质点的相互作用
1. 前述的质量弹簧体系和单摆体系都有一个固定的支点，刚度无穷大，物体的运动对支点无影响。
2. 质点体系相互之间是等价的，此时自然会引出一个问题，一个质点运动时对其他质点有什么影响呢？ ①. 关注点在一个质点时，看到的是质点在振动。 ②. 关注点在质点间的相互作用时，看到的是质点的运动转态传播到其他质点的过程。

波动是振动状态在空间的传播过程
机械波：质点振动状态在介质中的传播过程。如：水波、声波、超声波、地震波等；
电磁波：电场和磁场的交变振荡在空间的转播过程。如：无线电波、雷达波等。
质点振动状态传播：
质点位置：位移波
质点速度：速度波
质点间作用力：应力波
机械波的产生：机械振动的波源与传播介质。 例如：把石子投入平静的水中，在水面上可以看到一圈圈向外扩展的水波。
机械波传播机理
（1）. 介质质点间的相互作用：任何一个质点与其邻近质点间存在着相互作用的力。
（2）. 介质质点的平衡位置：质点间相互处于平衡状态时质点所处的位置。
某质点偏离平衡位置 → 与相邻质点的间距发生变化 → 邻近质点受到作用力而产生运动 → 这个过程由近及远向各个方向以一定速度传播出去。
振动与波动概念的联系和区别
振动：质点的往复性机械运动，具周期性和持续性。
波动：不同质点间机械运动状态的传播过程。
（1）. 波动是振动状态的传播过程，振动是波动的根源。
（2）. 波动的物理实质是能量状态的一种传递形式。声波是弹性介质中传播的一种机械波。低应变检测中的振动与波动 锤击桩头，传感器得到右示“波形”。 解释： tl 时刻为来自桩底的反射波。
低应变检测中的振动与波动

1. 从桩头到桩底，依次均布传感器X0、… 、X6。 2. 0时刻锤击桩头，传感器X0、… 、X6分别测得时间轴T0、… 、T6对应的时程曲线。 3. 下图反应不同时刻基桩压缩状态的传播过程，对应的是不同时刻各个质点的形态：波形。 时程曲线：质点运动，振动概念，位置固定，时间宏观 波形 ：整体形态，波动概念，时间固定，物体宏观
1. 检测中测得的时程曲线，本质上是传感器所在位置的质点运动状态。以传感器X0为例，对应的时程曲线为T0，0时刻激振后质点趋于静止，12时刻质点又开始运动，一定是某处振动状态以波动的方式传回到了桩头。 2. 测试中只能得到质点振动（运动）状态，波动是通过质点振动（运动）状态的变化反推出来的。
基本参数：周期T，质点速度V，波长λ，波速C

1.2 波动的特性
反射波、透射波，折射现象：
当波传播到两种介质的分界面时，一部分从界面返回而形成反射波；一部分进入到另一种介质而形成透射波。
当波由一种介质进入另一种介质时，透射波的传播方向发生改变的现象称为折射现象。
斯涅耳定律 入射角与反射角和折射角关系 sin(θ1)/c1 =sin(θ2)/c2 偏转角与波速比为常数 低速介质向高速介质 入射时有全反射现象 全反射临界角：sin(θ1)= c1/c2

波的叠加特性：
当两列波在传播过程中相遇时，在相遇区域内任一点的振动位移为两列波单独存在时在该点所引起的振动位移的矢量和。
波的叠加特性使得两列波在通过相遇区域后，仍然保持他们各自的特性（频率、波长、振幅、振动方向等）不变，并按照原来方向继续前进。
波的干涉现象：（同频率波的叠加）
当两列频率相同的波相遇时，在相遇区域内，部分区域的质点振动加强，部分区域的质点振动减弱，且加强区域与减弱区域相互间隔而形成固定的分布，这种现象称为波的干涉。

波的衍射现象：（也称绕射）
波在传播过程中，遇到尺度接近或小于其波长的障碍物，绕过障碍物，偏离原来直线传播方向，如果通过一个大小近于波长的孔，则以孔为中心，形成环形波向前传播，的现象称为波的衍射。

波的散射现象：
当波在传播过程中遇到尺度大于波长的不规则障碍物时，向四周反射的现象称为波的散射。
波阵面，波前的概念：
在波的传播过程中，振动相位相同的点连成的曲面称为波阵面（也称为同相面）。波在介质中传播时，某时刻所到达的各点组成的曲面称为波前。波前是特定时刻传播得最远的波阵面。 组成波前的各点正处于即将振动和尚未振动的临界状态，这些点的振动状态相同，相位为零。
惠更斯(Huygens)原理
波阵面上的每一点（面源）都是一个次级子振源，子波的波速与频率不变，此后每一时刻的子波波阵面包络就是该时刻总的波阵面。
惠更斯原理基于叠加理论，是对衍射现象的形象化解释，常用于积分叠加分析和计算。
折射现象的惠更斯(Huygens)解释

衍射现象的惠更斯(Huygens)解释
1. 平行波振面上的点都可以看做次级振源 2. 满足 AB•sinθ=nλ 的方向相互加强 3. 满足 AB•sinθ=（n+0.5）λ 的方向相互抵消

障碍物引起的各种波动现象：
当障碍物的尺寸远大于波长时，有反射、折射。
当障碍物的尺寸与波长相近时，有绕射，散射。
当障碍物的尺寸比波长还小时，能量大部分将绕过障碍物，少部分散射。
如果障碍物为刚体，则将形成一个新波源将声波能
量向四周散射，混凝土中的粗骨料就可看作是声波散射源。
波的衰减现象： 波在介质中传播时，能量被介质吸收耗散而减弱的现象称为波的衰减。
衰减机理： （1）扩散衰减：波向四周传播，单位面积能量通量减小 （2）吸收衰减：频率越高质点速度越大，则介质粘滞性造成的内摩擦越严重，能量耗损越大 （3）散射衰减：频率越高波长越小，则障碍物导致的反射与散射越严重，能量耗损越大。
1.3 波动的类型
根据质点振动方向与波的传播方向的相对关系，可划分三种类型的波：
纵波（P波）： 质点运动方向平行于波的传播方向
传播机制： 质点间的压力与拉力
横波（S波）： 质点运动方向垂直于波的传播方向
传播机制： 质点间的剪切力
表面波（R波）： 介质表层质点作椭圆运动
传播机制： 质点间的表面张力与剪切力
纵波：质点运动方向平行于波的传播方向。 目前超声脉冲技术中广泛应用的是纵波。如：综合法测强、测缺（不密实区、裂缝深度、结合面质量、匀质性、损伤层厚度等）、基桩声波透射法完整性检测，岩土工程单孔或跨孔纵波波速测试等。
横波：质点运动方向垂直于波的传播方向。 目前超声脉冲技术中在岩土工程及需要测试介质结构、声学参数中应用横波，应用面较纵波小。如：岩体石块（芯样）的力学参数测试，岩石、土层单孔横波波速测试（仍为较为困难的课题）。
表面波：当固体介质表面受到交替变化的表面张力作用时，质点作相应的纵横向复合振动。

不同类型的波对传播介质的物理条件要求： u 纵波 ：固体，液体，气体 u 横波 ：固体 u 表面波 ：固体表面
波型转换：斯涅耳定律依然成立 非垂直入射到介质分界面的入射波，不仅产生于入射波类型相同的反射波和折射波，还会产生于入射波不同类型的反射波和折射波。转换类型与介质有关。

1.4 声波与超声波
声波：狭义上，声波是指人耳能够感受到的空气中传播的机械波，广义上，声波泛指介质中传播的机械波。
声波按频率范围划分表：

用于混凝土声波透射法检测的声波频率范围一般为 20KHz～200KHz
2 超声波基本参数
2.1 超声波的基本物理量
超声波的五个基本物理量：
周期 T ： 质点完成一次完整的振动所需的时间；
频率 f ： 单位时间内完成质点振动的次数；
声速 C ： 声波在介质中的传播速度；
波长 λ： 一个周期内声波在介质中的传播距离；
声幅 A：质点振动的最大值（通常为声压的最大值）
基本物理量之间的关系： 周期T、频率f、声速C、波长λ
T=1 / f
λ=C×T=C / f
当混凝土的声速一定（被测介质不变）时，声波的 波长与频率（换能器的谐振频率）成反比。
算例：已知混凝土中声波频率 f 为40k Hz ，声波传播速度 c 为4800m/s，试计算声波波长 λ（单位为厘米）。
解：
超声波在介质中传播可检测到的主要参数：
（1）、声速：超声波传播的速度 （2）、声幅：超声波的波幅 （3）、声频：超声波的频率
2.2 声速
声速：混凝土检测中最常用的参数 介质中声波波速取决于波的类型、介质性质和介质的边界条件。 ① 波的类型：不同类型的波在介质中的传播机理不同，导致了传播速度的差异。 ② 介质性质：主要取决于密度、弹性模量、泊松比。这是影响波速的内在因素，介质的弹性特征愈强（E 或 G 愈大），则波速愈高。 ③ 边界条件：固体介质垂直于波传播方向的横向尺寸与波长的比值越大，传播速度越快。
纵波波速：
① 在无限大固体介质中传播的纵波声速

式中 E——介质弹性模量；μ——介质泊松比；ρ——介质密度。
② 在薄板(板厚远小于波长)中纵波声速

③ 在细长杆(横向尺寸远小于波长)中纵波波速

由以下公式推导可知：

这里揭示了声波的尺寸效应，界面的约束性
在无限大固体介质中传播的横波波速

在无限大固体介质中传播的表面波波速

对于混凝土，取μ=0.20～0.30
则：vR≈0.9vS，vP3 =（1.81～2.08）vR
所以有：vP3 ＞ vS ＞ vR
部分材料的弹性参数与声速值的关系表：

2.3 声幅
声幅可以是表征质点振动状态的任意物理量的幅度 例如：可以是质点位移、速度的变化幅度， 可以是质点加速度、质点受力的变化幅度 。 基于压电晶体的传感器，将声压转换为压电晶体的电荷值，声压本质上反映质点振动时相邻质点间的作用力。 岩土领域超声波检测中，关注相对变化，关注这种变化与介质性质的关系，通常不关心用什么物理量来表达声幅，也不关心声幅的绝对值，实际应用中采用声功率（声压平方）的相对变化表达声幅。
声幅（d B）：纯计数单位，没有量纲

声波在介质中传播时其声幅随传播距离的增加而逐渐减小的现象为衰减。 声波的衰减与声波的频率及传播距离有关，也与被检测材料的内部结构及性能有关。 通过研究声波在介质中的衰减情况,可以达到探测介质的内部结构及性能的目的。
声幅衰减可分为以下三种类型 ( 1 ) 材料的粘滞性质（吸收衰减） ( 2 ) 材料的结构特性（散射衰减） ( 3 ) 材料的几何特性（扩散衰减）
吸收衰减： 声波在固体介质中传播时，部分声能会转化为热能等。一般认为：吸收衰减系数α1 与声波频率的一次方、二次方成正比。吸收机理：质点运动过程中的内摩擦。
内摩擦导致的吸收衰减系数：
机理1. 质点速度越大，摩擦越剧烈 机理2. 频率越高，单位时间内，反复摩擦的次数越多
散射衰减： 介质中存在颗粒状结构（如混凝土中的颗粒、缺陷、掺杂物等）而导致声波多次反射、折射和波型转换，加剧能量的衰减。
散射衰减系数：
扩散衰减：
通常这类衰减主要源于声波传播过程中，因波阵面的面积扩大，导致波阵面上的能流密度减弱。 扩散衰减的大小主要取决于声源辐射器的扩散性能及波的几何形状，而与传播介质的性质无关。
2.4 声频
频率：反映超声波强度正负交变快慢的参数 ① 影响材料的吸收特性 ② 影响材料的频散特性 ③ 影响材料的尺寸效应
3 超声波基本应用
3.1 超声波换能器
超声波换能器（声波探头）按工作原理不同有压电式、磁致伸缩式、电磁式等数种。 在检测技术中常用压电式。
将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆-压电效应，使晶片发射出持续时间很短的机械脉冲激发超声波。当超声波作用于压电晶片时，利用压-电效应，将机械振动 转换成对应的交变电荷和电压。
当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透射型。透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关、非金属超声检测等。 当超声发射器与接收器置于被测物同侧时属于反射型。反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。 基桩预埋管声波检测是透射型； 成孔（成槽）检测是反射型。
超声波换能器的指向性：能量集中在某个角度范围 指向性的影响因素：传感器尺度D和波长λ
3.2 超声波在混凝土及岩土中的应用
超声波在混凝土及岩土中的传播特点：
衰减较大 ：岩土介质不是良好的弹性介质，且非均质。 Ø 路径复杂：因非均质，且界面众多，导致传播路径曲折。 Ø 构成复杂：各种界面导致的波型转换（纵波转横波，横波转纵波）。 Ø 频率两难：高频：指向性强，分辨率高，衰减性大，可测范围小； 低频：指向性差，分辨率低，衰减性小，可测范围大。
混凝土是集结型复合材料、多相复合体：

从细观上看，混凝土内部存在广泛分布的复杂界面（砂浆与骨料界面、各种尺度缺陷界面等），超声波的传播状态机制复杂，但是在宏观上它表现出与力学性质相关的波速和衰减性质。
（1）岩体、砼等非金属试块的测试
直达波透射法

（2）岩基、路基、隧道衬砌或其他结构砼的平面测试
反射波法（单工作面） 按照一定规律的布设测点 一发一收，或一发多收 根据回波判定结果 1. 路基、衬砌厚度 2. 岩基均质性 3. 结构砼构件完整性
（3）超声回弹综合法混凝土强度测试
均匀划分测区 检测回弹值（16次），角度修正 检测波速（3测点），位置修正
1. 粗骨料为卵石的通用测强曲线

2. 粗骨料为碎石的通用测强曲线

应优先选用专用或地区性测强曲线
（4）混凝土浅、深裂缝深度测试
单工作面法（反射法） 1. 垂直于裂缝走向布设测线； 发射传感器与接收传感器 对称布设在裂缝两侧 2. 等间距移动传感器， 多次测试 3. 根据传播时间变化规律； 计算裂缝深度 浅裂缝（500mm） 有填充物不适用

双工作面法（透射法）：

（5）结构混凝土不密实区和空洞检测 透射波法

（6）岩基钻孔法单孔测试
折射波法： 孔内水（低速）入射 孔壁岩（高速）临界滑行波

（7）井下岩石松动圈测试（跨孔）（7）岩石松动圈测试（单孔法，跨孔法）

（8）钻孔灌注桩成孔检测（反射波法）
利用超声波反射原理，将超声波组合探头以一定的速率放入充满泥浆的桩孔中，发射换能器激发出超声波在泥浆中传播，到达孔壁后形成反射波，
被接收换能器接收。 仪器采集的信号经过放大、滤波、A/D转换处理后，显示于屏幕，通过分析、计算可得到孔径、孔深和垂直度等成孔测量参数。
钻孔灌注桩成孔检测原理

（9）基桩声波透射法
基桩预埋多根声测管，
换能器放置在声测管内，
从下向上同步提升换能器，逐点检测不同位置的混凝土质量。

声波CT：方法更复杂，理论上更可靠，结果更直观