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混凝土超声检测知识

第一章 声学概念

一、 波形及其参数
波是物质运动的一种运动型式。波动可分为两大类：一类是机械波，它是由机械振动在弹性介质中引起的波动过程，如水波、声波等；另一类是电磁波，它是由电磁振荡所产生的变化电场和变化磁场在空间的传播过程，如无线电波、红外线、可见光等。
声波是物体机械振动时迫使周围介质也发生振动并使振动向外传播而形成的一种波动。人们通常听到的声波频率范围是20～20000Hz，叫可闻声波。但声波频率超过20000Hz时，人耳就听不见了，这种声波叫超声波。频率低于20Hz的叫次声波，人耳也听不到。各种声波的频率范围见表1-1。
表1-1 各种声波的频率范围 （Hz）
次声波
可闻声波
超声波
特超声波
0～20
20～20000
2×104～1010
＞1010
在弹性介质中，任何一个质点作机械振动时，因为这个质点与其邻近的质点间有相互作用的弹性力联系着，所以它的振动将传递给与之相邻的质点，使邻近的质点也同样发生振动然后振动又传递给下一个质点，依次类推。这样振动就由近至远向各个方向以一定速度传播出去，从而形成机械波。从上述可知，机械波的产生必须要有产生机械振动的振源和传播振动的介质。
将接收换能器置于某点接收由声源传过来的声波，实际上就是接收该点在声波作用下的振动过程。振动大小和方向随时间而变化的过程曲线就称为波形。超声仪屏幕上的图形就是传播到接收换能器所在位置质点振动位移随时间变化的曲线。
由于谐振运动是最简单的振动，所以它产生的余弦波是最简单、最基本的波。先讨论余弦振动在均匀介质中传播的波动方程。图1-1表示离振源一定距离处的质点位移随时间的变化曲线，振源为一余弦振动。其振动方程如下：
（1-1）
式中 A——振幅
ω——角频率
t——时间
T
振幅
A
时间t
A
图1-1 波形图
y——质点在t时刻离开平衡位置的位移

波形参数
周期T——相位相同的相邻的波之间所经历的时间称为周期。
频率f——周期的倒数称为频率，单位赫兹或千赫兹（Hz，kHz）。混凝土超声检测使用频率一般在20~200kHz之间，f与圆频率的关系为ω＝2πf 。
振幅A——波动的幅度，表征波的强弱，通常以分贝（db）或直接以屏幕上波高度的电压表示。
波长λ——声波波动一次所传播的距离。
波速v——单位时间波传播的距离，以m/s或km/s表示。
波长、频率、波速间有如下关系：
λ= （1-1）
例如超声波通过混凝土后被接收到，测得其频率为50 kHz，超声波在混凝土中的传播速度为4500 m/s，则由（1）式可计算出混凝土中超声波的波长：
λ=9cm
二、 波的分类
声波在介质中传播时按照介质质点振动方向与波的传播方向之间的关系，可分为纵波、横波和表面波。
纵 波：介质质点的振动方向与波的传播方向一致，这种波称为纵波，又称为P波。可在固体、流体中传播。
横 波：介质质点的振动方向与波的传播方向垂直，这种波称为横波，又称为S波。只能在固体中传播。
表面波：沿固体表面传播的波，它是由纵波和横波组合而成，又称瑞利波，R波。
通常的超声换能器置于混凝土表面发射时，振动状况复杂，既有纵向振动又有横向振动，其发射出的超声波既有纵波也有横波和表面波。

三、声波在介质中的传播速度
在同一种介质中，不同种类的波具有不同的传播速度。
同一种类型的波，在同一种介质中，因为不同的边界条件，其传播速度也不相同。
对于固体介质来说：
在无限大或半无限大介质中的纵波速度vP：
vP= （1-2）
在有限的固体中传播时，则形成制导波，传播速度变小。
在薄板中（板厚远小于波长）纵波的传播速度vL：

vL= （1-3）

在细长杆中（杆的横向尺寸远小于波长）纵波的传播速度vo：

vo= （1-4）

在无限固体中横波的传播速度vS：

vS= = （1-5） 在固体表面传播的表面波速度vR：

vR= vS （1-6）
式中 ρ——密度；
E—— 杨氏模量；
G—— 剪切弹性模量；
μ——泊松比
在同一种介质中，纵波速度>横波速度>表面波速度。从（1-2）、（1-5）、（1-6）式可知：

（1-7）
一般固体，μ介于0-0.3左右，>1.14，混凝土μ在0.2-0.3左右，-1.87，因为VR≈0.9VS，所以VP≈（1.8-2.0）VR。
因为纵波比横波速度快得多，虽然换能器发射出各种类型的波，接收换能器也可接收到各种类型的波，但最先接收到的波仍然是纵波。目前在混凝土超声检测中主要研究的是首波，即纵波。
表1-2为部分材料的弹性模量、波速和特性阻抗值。
表1-2 部分材料的弹性模量、波速和特性阻抗
项目

材料
杨氏弹
性模量
（109N/m2）
泊 松 比
（μ）
密度（g/cm3）
波 速
特性阻抗
Z＝ρ×v
（104g/cm2·s）
vP
vS
钢
210
0.29
7.8
5940
3220
463
铜
124
0.34
8.9
4560
2250
406
玻璃
70
0.25
2.5
5800
3350
145
陶瓷
59
0.23
2.4
5300
3100
127
混凝土
30
0.28
2.4
4500
2486
108
石灰石
72
0.31
2.7
6130
3200
166
淡水

0.998
1481

14.8
空气

0.0012
340

0.004

四、波在介质界面的反射和折射
声波在传播过程中，由一种介质到达另一种介质，在两种介质的分界面（界面）上，声波会发生方向和能量的变化：一部分声波被反射回到原来介质中，称为反射波；另一部分声波透过界面在另一种介质中继续传播，称为折射波。
若以声强I （定义：在垂直于声波传播方向上单位面积、单位时间内通过的声能量）表示能量的大小，且定义：
R= 为声强反射系数； T = 为声强透射系数。
式中 I0、I1、I2 分别为入射波、反射波、透射波的声强。
声强反射系数、声强透射系数反映了界面上声波能量变化在数量上的关系。
由理论推导和实验可知，反射系数与透射系数的大小取决于两种介质的声学特性，具体来说取决于介质的特性阻抗Z。
特性阻抗Z表征介质的声学特性，其值为介质的密度和波速的乘积，即Z=ρ×v。（见表1-2）。
对于垂直入射到两个无限大界面的声波（图1-2）：
R= （1-8）
T= (1-9）
式中 Z1、Z2——第一、二种介质的特性阻抗。
从（8）式、（9）式可知：
I
R
T
Z1=ρ1×v1
Z1=ρ2×v2
图1-2 垂直入射声波的反射和透射
1） R+T=1，这符合能量守恒定律；
2） Z1= Z2时，R=0，T=1，即当两种介质特性阻抗相等时，声波全部透过界面，无反射，对声波来说，两种介质如同一种介质一样；
3） 当两种介质特性阻抗相差悬殊时（Z1>> Z2或Z1<< Z2），R→1，T→0，即声波能量在界面绝大部分被反射，难于进入第二种介质。
从表1-1可看到，钢、混凝土一类固体介质特性阻抗较大，液体一类介质次之，空气的特性阻抗最小，因此，在空气与固体介质界面上，声波很难通过，绝大部分被反射。
这也就是为什么换能器和被测体之间需要耦合介质（黄油、水等）的原因。也正是利用声波在界面这一点，可以用超声波探测裂缝。

第二章 混凝土超声检测原理

图2-1超声测试波形
L
T
t
A
一、 混凝土超声检测原理
超声波通过混凝土传播后，其声学参数将发生变化。根据这些声学参数的变化可以探测混凝土内部缺陷、裂缝及质量情况。

常用于混凝土超声探测的声学参数如下：
1） 波速v（声速）： 波速就是声波在介质中传播的速度。
V= （2-1） 式中 L——声波传播距离。因为是以最先到达的波为准，L就是发、收换能器间的最短距离；
t——声波传播时间（声时）。声时由超声仪测得，测距需要实体测量得到。
波速是主要的声学参数。
2）振幅A：接收波首波的幅度。振幅可以分贝（db）表示，由超声仪上读出，也可凭示波器上的刻度（mm）度量振幅参数在探测缺陷和裂缝中是重要的参数
首波后面1~2个周波是直达的纵波，所以测定接收波频率时应当测定这1~2个波的频率。可以通过移动游标的办法测定两个波谷（峰）的声时t1、t2，则频率f：
f= （2-2）
3）收波主频率（简称频率）f：发射换能器发出的超声脉冲波是复频脉冲波，它包含各种频率成分。超声脉冲波在混凝土中传播过程中高频成分首先衰减，结果随着传播距离的增加，超声波的主频率不断下降。接收波主频率的下降除了与传播距离有关外，还取决于混凝土内部缺陷、裂缝和质量。因此，接收波频率也是一个有用的参数。
4）波形：即波的形状。正常的混凝土，超声波接收波形是衰减正弦波，其包络线大致为半圆形。当混凝土内存在缺陷时，有时会出现畸变波，如后图所示。波形受许多因素影响，在判断缺陷中只能作为一种辅助参数。
在结构物上布置换能器，让声传播线通过需要检测的部位，测量声波通过这些部位后，声学参数的大小及其变化情况，据此判断混凝土内部缺陷及质量情况。

600cm
600cm
图2-2测试阶梯状大试件
二、几个需要了解的问题
1）测距对声速的影响
本来，一种介质的波速是一定的，不应随尺寸大小而变。但问题在于，用我们目前的超声仪来测定时，随着测距的增加，所测得的波速值确实会减小。
为了弄清这个问题，南京水利科学研究院与葛洲坝工程局合作进行了大规模的试验。制作了不同强度等级的大型混凝土阶梯型试件(图2-2)。
试件混凝土尽可能均匀一致。从二个方向一级一级地测试混凝土的波速。这样就获得了在不同测距（从15cm-600cm)下混凝土波速的变化情况，如图2-3所示。
v km/s
5.0

4.5
0 1 2 3 4 5 6
2
1
3
d（m）
图3-5 波速~测距关系图
图2-3声速测距关系图
1-C35号；2-C25号；3-C15号
从图中可以看到，三种等级的混凝土，随着测距增加，所测波速都逐渐减小。减小的趋势是：测距短时减小快，而测距增大后，这种减小趋势也变缓。
在测试波速的同时也测量了接收波主频率。结果发现，随着测距的增加，接收波的主频率也变小，且变小的趋势与波速变小的趋势一致。
超声脉冲波随着传播距离增加将逐渐衰减，而其中高频分量又比低频分量更容易衰减，所以随着测距增加接收波的主频率也随之下降。
超声脉冲波主频率的下降正是引起所测波速下降的根本原因，为了使在实体结构上测得的波速与在15cm试件上测得的波速一致，根据上述试验结果制作了不同测距波速修正表。表中以15cm测距为准，凡测距大于15cm者，可将测得的波速乘上表中的修正系数。中间测距可用内插修正。

表2-1 不同测距波速修正表
测距cm 15 50 100 200 300 400 500
修正系数 1 1.003 1.015 1.023 1.027 1.030 1.031

2）钢筋对波速测量的影响
为什么钢筋对混凝土波速测量有影响？道理很简单，声波在钢中传播速度比混凝土快。声波在钢中的传播速度5900 m/s；混凝土的传播速度4000m/s~5000m/s。
由于测定声时时，我们总是以首先到达的波来计时，所以当在声波的传播路径上遇到钢筋时，有时会使所测波速增大。
现在谈谈钢筋是如何影响，影响的大小及如何避免。钢筋的影响分两种情况：
图2-5平行钢筋的影响
D
B
C
L
d
A

图2-4垂直钢筋的影响

a. 垂直钢筋的影响。
一些构件，如梁，上下有成排的主筋（图2-4）。如果我们测量梁的混凝土波速时，换能器正好对准钢筋，这时，声波穿钢筋而过，将使所测波速略有提高。随钢筋排列的密度不同波速会增大1%~5%。这时，只需要将换能器向上移开钢筋3~5cm，这种影响就没有了。
b.平行钢筋的影响
有时也会遇到钢筋的方向正好与声波的传播方向平行，如图2-5。当发射换能器A发出一束超声波，其中一部分在混凝土中传播，直接由A到达D。同时，也有一部分超声波从A出发，斜向传播到钢筋上的B点，然后沿着钢筋以较快的速度传播到C点，再从C到达接收换能器D。如果A、D换能器离开钢筋的距离d小到一定程度，那么完全有可能声波经折线AB-BC-CD传播的时间还短于经AD直接传播的时间。
这时，我们仍然以测距L来计算波速，结果计算出的波速就高于混凝土真正的波速。
通过数学推导并经试验证实，当知道换能器距钢筋的距离d及声波在钢筋中的波速，我们也是可以计算出声波在混凝土中的AB、CD段的波速。但最方便和最稳妥的作法是在选定测点时，使换能器连线与钢筋离开一定距离。离开的最小距离dmin 是可以计算的。作为大致估计，dmin为测距L的1/6~1/8。这样就可完全不受钢筋的影响了。
混凝土结构中大都有钢筋，那么是不是一听到说有钢筋，就没办法测量呢？完全不是这么回事。根据上面的讨论我们可以归纳出关于钢筋影响的几点结论：
①对于垂直于测试方向的钢筋
这是常遇到的，例如柱、墩、墙体的主筋。虽然可能纵横都有，但都与测试方向垂直，完全可以不去管它。仅仅象梁的底部、顶部有成排的主筋，因为密集，会显出一些影响。但避开也很简单：将测点移开3~5cm就行了。
②对于平行于测试方向的钢筋
真正遇到这种情况的不多，只是在结构变断面或机械安装的局部区域碰到。这时通常考虑避开。避开的最小距离为测距的1/8~1/6 。
③箍筋的情况
梁、柱一类结构有许多箍筋，往往平行于测试方向，似乎有影响。但是，这里有个有趣的问题，就是钢筋的声传播速度。我们说钢的传播速度是5940m/s，那是指在半无限大介质中的速度。当声波沿着钢筋传播时，边界条件变了，声波是近似在杆件中传播，速度变小。南京水利科学研究院实测的钢筋波速。结果发现，钢筋越细，波速越小。6mm的钢筋波速甚至低于一般混凝土的波速所以箍筋的问题一般可不予考虑。
④换能器频率的影响。
我们在率定f~v曲线时是测量试件，所用换能器频率较高，而实测结构时由于测距大，有时用的换能器频率较低，这将造成测试条件和结果的不一致。
为使二者测试结果一致，我们建议：
(1)如果实测距离在1m以内，如梁、板、柱，则率定试件时用的什么频率换能器(例如50~100kHz)，实体测试也用它。
(2)50kHz换能器通用性较强，可用来测试试件，实体测试中也可达2~3m的测距。
(3)当实体结构尺寸较大，例如4~5m以上，需要采用较低频的换能器时，宜在试件上比较二种换能器测值的差异，以修正测试结果。

3）接收波波形的变化
a）正常波形
b）畸变波形

图2-6接收波波形

a）半圆形 b）喇叭形
正常混凝土 有缺陷混凝土
图2-7接收波包络线

（1）有时接收波第一、二周期会出现波形畸变；
（2）正常混凝土接收波形包络线呈半圆形，有缺陷混凝土包络线呈喇叭形。
目前，对波形的研究还不够，影响因素多，只能是半定性的参数，作为判断缺陷的参考。

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