《超声波检测技术》培训班教程

岩土工程检测设备专家-源自1958振动（广义）：一切物理量随时间的周期性变化。机械振动：物体在一定位置附近来回往复的运动。如钟摆的摆动；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。1.1超声波的基本知识波动是物质的一种运动形式，波动可分为两大类：一类是机械波，它由于机械振动在弹性介质中引起的波动过程。例如；水波、声波、超声波等；另一类是电磁波，它是由于电磁振荡所产生的变化电场和变化磁场在空间的转播过程，例如无线电波、红外线、紫外线、可见光、雷达波等。1.1超声波的基本知识振动：质点运动的往复机械运动，周期性，持续性，内源性。（震动：非周期性，瞬时性，外源性）波动：不同质点间机械运动（能量）状态的传播过程1.波动的物理实质是（能量）状态的一种传递形式。2.超声波是弹性介质中的一种机械（应力）波。3.波动是振动的传播过程，振动是波动的根源。1.1超声波的基本知识波的产生与传播在弹性介质中，任何一个质点机械振动时，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近的质点，使邻近的质点也同样地发生振动，然后振动又传给下一个质点，依次类推。这样，振动就由近及远向各个方向以一定速度传播出去，从而形成了机械波和波的传播。从上述可知，机械波的产生，首先要有做机械振动的波（声）源，其次要有传播这种机械振动的介质。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。1.1超声波的基本知识根据在介质中质点振动方向与波的传播方向的差别主要分为三种类型的波。纵波（P波）：质点运动方向平行与波的传播方向传播机制：质点间的压力与拉力横波（S波）：质点运动方向垂直与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超声波的基本知识纵波：质点运动方向平行与波的传播方向。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）、基桩完整性检测，岩土工程单孔或跨孔纵波波速测试。1.1超声波的基本知识横波：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（仍为较为困难的题）。1.1超声波的基本知识弹性横波：手握绳子一端上下振动，可以看到波向前传播的过程，这就是弹性横波。弹性纵波：用手迅速而有节奏地推拉弹簧的一端，可以看到弹簧上有部分密集，部分稀疏，部份疏密相间，且这种疏密相间的状态沿着弹簧向前传播，这就是弹性纵波。1.1超声波的基本知识表面波：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1.1超声波的基本知识传播介质的不同u纵波：固体，液体，气体u横波：固体u表面波：固体表面声波的四个基本物理量：周期T、频率f、声速v、波长λ。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；T=1/fλ=V×T=v/f从中可以看出当混凝土声速一定（被测介质不变）的情况时，波长与声波的频率（换能器的频率）成反比；波长与声波测缺陷的分辨力成正比。1.2超声波的基本参数，声波传播速度为4800m/s，试计算声波的波长（单位为厘米）那么低应变呢？1.2超声波的基本参数波的特性——折射、反射、透射、叠加、弥散（衰减）A．折射、反射、透射：由一种介质进入另一种介质时，传播方向发生改变的现象称为折射。当波传播到两种介质的阻抗变化分界面时，一部分从界面返回，形成反射波；另一部分进入到另一种介质，形成透射（折射）波。如果障碍物的尺寸远大于波长，反射、折射。如果障碍物的尺寸与波长相近，绕射。尺寸比波长还小时，大部分能量可饶过障碍物，少部分散射。如果障碍物为刚性球状物，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。超声波的基本参数波的特性——折射、反射、透射、叠加、弥散（衰减）B．波的叠加原理两列波相遇后，仍然保持他们各自的特性（频率、波长、振幅、震动方向等）不变，并按照原来的方向继续前进，好象没有遇到过其它波一样。在相遇区域内，任一点的振动为两列波单独存在时在该点所引起的振动位移的矢量和。超声波的基本参数声波是在介质中传播的机械波，依据波动频率的不同，声波可分为次声波、可闻声波、超声波、特超声波。如下表所示。人们所能听到声波频率范围是20～20KHz，即可闻声波。超声波是一种人耳听不见频率在（20KHz—100MHz）范围内的机械振动波。名称频率范围次声波0～2×101Hz可闻声波2×101～2×104Hz超声波2×104～1010Hz特超声波1010Hz用于混凝土声波透射法检测的声波主频率一般为20KHz～200KHz1.2超声波的基本参数超声波在介质中传播可检测到的参数：1、声速超声波传播的速度2、声幅超声波的波幅3、声频超声波的频率超声波的基本参数固体介质中声波的波速取决于波动方程的形式和介质的弹性常数，而波动方程的形式则取决于波的类型和介质的边界条件，因此，声波在固体介质中的传播速度主要受下列三方面因素的影响：波的类型：由于不同类型的波在固体介质中的传播机理不同，也就导致了传播速度的差异。固体介质的性质：对于弹性介质，主要取决于它的密度、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。边界条件：实际上就是固体介质的横向尺寸（垂直于波的传播方向上的几何尺寸）与波长的比值，比值越大，传播速度越快。1、声速：混凝土检测中最常用的参数1.2超声波的基本参数（1）纵波波速2111P3Ev2P211EvEvP11)在无限大固体介质中传播的纵波声速式中E——介质杨氏弹性模量；μ——介质泊松比；ρ——介质密度。3)在细长杆(横向尺寸远小于波长)中纵波波速2)在薄板(板厚远小于波长)中纵波声速1.2超声波的基本参数（1）纵波波速1)1(1)21()1()1(1)21)(1(1222P1P2P3vvv（2）横波波速在无限大固体介质中传播的横波波速GEv121S式中G——介质剪切弹性模量。（3）表面波波速在无限大固体介质中传播的横波波速Gv112.187.0R对于混凝土，取μ=0.20～0.30，则vR≈0.9vS，vP3=（1.81～2.08）vR。所以，在混凝土中vP3＞vS＞vR。1.2超声波的基本参数超声波的基本参数声幅的实用单位（dB)的含义、声幅：反映材料衰减特性的参数Api(j)第i个测点的相对波幅值（dB）ai(j)第i个测点首波峰值（V）a0基准幅值，也就是0dB对应的幅值（V）0p)(lg20)(ajajAii1.2超声波的基本参数声波在介质中传播过程中其声幅将随传播距离的增大而逐渐减小的现象为衰减。声波衰减的大小及其变化不仅取决于所使用的超声频率及传播距离，也取决于被检测材料的内部结构及性能。因此研究声波在介质中的衰减情况将有助于探测介质的内部结构及性能。1.2超声波的基本参数2、声幅：引起衰减的分为以下三种类型u材料的粘滞性质（吸收衰减）u材料的结构特性（散射衰减）u材料的几何特性（扩散衰减）超声波的基本参数超声波的衰减：吸收衰减声波在固体中传播时，部分声能会转化为热能等。一般认为吸收衰减系数a。与声波频率的一次方、频率的二次方成正比。1.2超声波的基本参数超声波的衰减：散射衰减当介质中存在颗粒状结构（如固体介质中的颗粒、缺陷、掺杂物等）而导致声波能量的衰减。如在混凝土中一方面其中的粗骨料构成许多声学界面，使声波在这些界面上产生多次反射、折射和波型转换；另一方面微小颗粒在超声波的作用下产生新的震源，向四周发射声波，使声波能量的扩散到达最大。1.2超声波的基本参数超声波的衰减：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。1.2超声波的基本参数3、频率：反映超声波强度正负交变快慢的参数u反映材料的吸收特性u反映材料的频散特性u影响材料的尺寸效应（1）超声仪的发展（2）数字超声波仪的组成（3）超声仪的基本功能（4）智能化超声仪应具备的特点（5）各规范对超声波仪器的要求超声波仪是混凝土灌注桩缺陷检测的基本装置。它的作用是产生重复的电脉冲并激励发射换能器。发射换能器发射的超声波经耦合进入混凝土，在混凝土中传播后被接收换能器接收并转换为电信号，电信号送至超声仪，仪器绘制并记录下波形。2.1超声波仪模拟机：第一代20世纪50年代出现了电子管声波仪，主要是国外的1964年同济大学研制出我国第一台超声仪。70年代后期，国内一些单位又研制出一批晶体管分离元件的超声仪。代表仪器：CTS一25型和SYC一2型超声仪。数字机：第二代1990年，天津建筑仪器厂首先研制成功了我国第一台数字化的超声仪。这种超声仪受数字采集与传输速度等方面的限制，无法实时动态显示波形。从90年代中科院武汉岩土力学研究所生产的RSM-SY5声波仪问世。（1）超声仪的发展2.1超声波仪基桩超声波自动测桩仪第三代在数字化超声仪的基础上为提高基桩透射法的工作效率和测试精度，增加了深度自动记录的功能。代表仪器：RSM-SY6ZBL-520ARS-ST01（C）基桩多跨孔超声波自动循测仪第四代实现了多通道自发自收设计，可以一次提升同时完成四管六剖面的测试工作，又将检测效率提高六倍，大幅降低了现场检测强度。代表仪器：RSM-SY7、RSM-SY7WRS-ST06D（1）超声仪的发展2.1超声波仪成像软件，可对测试结果生成各类三维动态图，将混凝土超声检测仪推向了一个新的高度。超声波仪（2）数字超声仪的组成u计算机部分（控制，存储，显示）u高压发射与控制部分u程控放大与衰减部分uA/D转换与采集部分超声波仪（3）超声仪的基本功能u信号放大（增益，衰减）u信号滤波（高通，低通）u显示波形（延迟，记录长度）u读取参数（声时，声幅）超声波仪（4）智能化超声仪应具备的特