基桩声波透射法检测的波形分析探讨张宏（长沙理工大学）陈彦平（广州润索工程检测技术研究有限公司）摘要本文从直达波、绕射波、折射波和反射波单一波形在基桩中传播规律的分析，探讨波形畸变及频谱变化与桩身混凝土缺陷的相关关系，认为掌握波形畸变及频谱变化的规律，不但能有效提高基桩声波透射法检测判定水平、而且能对透测盲区的混凝土质量进行初步评价。
关键词：基桩 声波透射法 检测 波形分析 换能器基桩声波透射法检测采用的振源,是一种轴向有限长度、单一主频的柱面波,超声波在混凝土中的传播规律服从弹性波的持性,由直达波、绕射波、折射波和反射波构成。
波形分析的基本物理量有：1.直达波到达时（波速）；2.波幅(或衰减)；3.接收信号频率变化；4.接收波形畸变。
我们认为波速只反映透测中线为对象的混凝土性质，而波形和频谱变化不但反映透测对象的混凝土状态，而且也反映构件边界面及透测范围以外混凝土的状态。
但由于以往换能器激振信号的余振周期太长，覆盖了绕射波、折射波、反射波的时程，使波形迭加后变化复杂，不易解读。
所以基桩声波透射法检测判定，一般采用了声时和首波波幅两个参数，普遍对波形变化的分析不够深入。
下面从单一波形在基桩中的传播规律分析入手，探讨波形畸变及频谱变化与混凝土缺陷的关系。
一、直达波的形态和形式1.发射换能器激振性能决定直达波的形态不同的换能器由于采用的结构形式、材料等不同，激振机理也有所不同，所以有不同的发射主频、发射强度和余振长度，如下四种换能器在清水中透测的接收波形（直达波）就明显不同：(1).平面换能器，主频50kHz，首波比较低，余振长度20周期以上，见照片1。
(2).一种管环状径向换能器，主频60kHz，首波比较低，余振长度14周期以上，见照片2。
(3).一种增压式径向换能器，主频36kHz，余振长度7周期以上，见照片3。
(4).RS－YH45Ⅲ.Ⅳ径向换能器，主频45kHz，首波比很高 ，3－5主振周期后迅速衰减，见照片4。
接收换能器要求应有较宽的频带宽度，轴向同性。
否则也会影响到接收波形。
收、发换能器宜采用同一规格的产品，具有相同的主频，可提高检测灵敏度。
2．直达波到达时及波幅幅度与混凝土质量相关大家都清楚这是桩基透射法检测判定的主要依据，概念清楚，这里不进行讨论。
3．前达波（1）钢筋短路前达波是直达波的一种形态，如混凝土中埋设有较大尺寸的铁件等波速更高的物体，能量较小的前达波比正常通过混凝土传播的直达波提前到达。
（2）桩周及桩底基岩短路前达波也可能是通过桩周及桩底品质良好的基岩绕射传播,这种绕射波信号强大,足于淹没从桩身混凝土正常透射的直达波。
这种情况常出现在嵌岩桩入岩桩段，使实测波速明显提高。
可认为出现绕射到岩层的前达波比直达波信号更强，表明桩周混凝土保护层质量良好、或桩底清孔质量良好。
可见尽管不能从直达波的状态分析桩芯混凝土质量,但也足于表明桩身混凝土灌注质量良好。
二、绕射波对波形的影响径向换能器的发射功率在其轴向有效长度范围的强度相等、信号最强，往上往下发射的信号强度逐渐降低，即绕射波的强度比直达波弱。
在清水中做透射法检测可以得到证实，如照片5、7所示，无阻挡物时直达波信号清晰强劲。
当在两换能器中间设置一气球为阻挡物时，实测绕射波的信号强度明显减弱。
气球直径越大，接收信号越弱，但波形基本保持不变，如照片6、8所示。
桩身出现空洞、局部缺陷，或局部缩径等状态时可见如照片8所示这种波形。
三、折射波对波形的影响径向换能器发射波为一柱面波，沿条形构件轴向传播时，除直达波外，还将有一系列从构件界面折射传播的折射波，折射波与直达波迭加后使接信号振幅加大，其频谱图呈现多峰特征。
如在一断面尺寸为13 0×130㎜,声测管净距640㎜的试件上,采用发射有效功率强的RS－YH45径向换能器，以提高折射波强度,实测波形如照片9 所示,可见实测波形明显畸变,前3个波波形迭加后频率降低。
采用60kHz的换能器进行透射波检测的波形见照片10 所示，实测波形也有迭加现象。
桩基声波透测的尺度正常情况均大于超声波的波长，但当超声波透射经过较小的断面时，其边界条件发生变化，超声波传递过程也会呈现滤波及衰减的效应。
当桩芯内部出现缺陷界面或缩径时，均可能形成折射波，虽然不会对实测声时产生影响，但足使接收波及其频谱发生变化，认识折射波传播的特性，为我们判别透射检测范围以外，即检测盲区的混凝土质量提供了理论依据，是桩基声波透射法检测技术进步的一个方面。
四、桩周反射波对波形的影响超声波在桩身内部传递遵循弹波传递规律。
超声波在声测管内部均匀向桩身辐射柱面波，一部分波直接传递到接收管，被接收换能器接收，称为直达波，另一部分辐射至近侧桩周，在近侧桩周上产生相位相反的反射波，再次透射传递到接收管，被接收换能器第2次接收；同时第一直达波也辐射至远侧桩周,在远侧桩周上再次产生相位相反的反射波，也透射到接收管，被接收换能器同时接收。
近侧桩周与远侧桩周产生的反射波同为反相波，但到达接收换能器的时间与桩周混凝土保护层厚度有关。
由于桩周的圆内弧具有聚焦作用，所以反射波强度比较强烈。
如照片5－8所示，反射波与直达波相位相反，波列相同，反射波与直达波迭加使后继波波形复杂。
在两换能器间设一局部缺陷，不会影响到反射波的信号，这一现象(如照片5－8所示)有助于我们进行桩身混凝土质量判定：1．1—3波波形正常、波幅较低，后继波(反射波为主体)波形正常时，为桩芯存在局部缺陷，如空洞等；也可能存在局部缩径现象；2．1—3波波幅较低，后继波波形畸变，频率较低时，为桩芯内部混凝土的界面较多，表明混凝土存在离析现象；3．接收波波列均被明显衰减，表明桩芯及保护层混凝土均存在严重的质量问题；4．正确判读反射波的到达时，可判断桩基混凝土保护层质量。
若反射波与直达波明显迭加,难于区分时，表明桩基混凝土保护层较薄，可能缩径；若反射波与直达波时差较大，则可能扩孔。
可见认识反射波传播的特性，正确识别波形，不但有助于提高桩基透射法检测判定水平，也有助于判定检测盲区的混凝土保护层质量，也是桩基声波透射法检测技术进步的另一方面。
五、换能器在声测管中位置的影响当声测管直径较换能器直径大得较多时，换能器在声测管中同样存在透射、折射和反射效应，迭加后对时声、波形均有明显影响。
在同一试件进行换能器在声测管中位置改变对波形影响的试验，结果如照片11—14所示。
照片11为两换能器处于声测管中心的标准状态。
照片12为一换能器处于声测管中心，另一换能器处于声测管远侧点的状态，可见声时增加，首波波幅明显降低。
照片13为两换能器同处于两声测管远侧点的状态，可见首波乏失，波形出现类反相波信号，声时明显增加。
照片14为两换能器同处于两声测管近侧点的状态，首波信号增长，声时减少，第2波波形明显畸变。
从上实验结果分析可见：1．换能器在声测管中传播，同样存在透射、折射和反射的迭加效应。
声测管直径明显大于换能器直径时，对声时、波形均有明显影响。
2．换能器宜带有定位器。
未采用定位装置，测量时应采取有效措施，确保换能器在声测管中的位置相对稳定。
3．桩基检测出现换能器在声测管中不居中这种情况，其波形与桩身存在局部缺陷的状态相似，但也有差别。
若采用1-3波的平均波幅代替首波波幅进行波幅异常判定，有助于提高判断准确性，消除干扰因素的影响。
六、频谱变化与桩身缺陷的关系实测波形的频谱与桩身混凝土质量存在密切的相关关系，同时也与采用的发射换能器的有效功率、发射主频及频带宽度有关,也与接收换能器的灵敏度和频带宽度有关。
下面以采用岩海产的RS －ST01D 主机1．结构边界面及缺陷界面产生的折射波、反射波对主频的影响化，但频谱分析时可见副峰峰值迅速上升，如附图3、4所示。
缺陷界面复杂状时，频谱图将出现多峰效应。
如附图5、6、7、8所示，高阶峰的个数及峰值随缺陷及广州润索产的RS －YH45径向换能器的工程桩实测结果进行讨论。
均质无缺陷混凝土的FFT 频谱图一般呈现单峰持征，主频明确，偶见一低频副峰。
附图1、2为均质混凝土的实测时域波形图及其频谱图。
分析认为下列现象对频谱结果构成影响：与桩基反射波法检测的原理一样，超声波会在结构的边界面及缺陷界面上产生的多次的折射波、反射波。
由于仪器采样长度较短（512或1ｋ），一般只检测到桩周介面的第一次反射波和桩身内部缺陷中产生的折射波、反射波信号，但这也足于影响到波形的变化。
桩身内部出现缺陷界面时，实测声时可能未见变的严频波的衰减比对低频波的衰减大，使实测信号的高频成分减少，而低频成分相对提升。
如果换能器发射功率谱为正态分布，则实测主频随缺陷的严重程度而降低。
采用RS-YH45型换能器，由于有效发射功率强大，且频带较宽，穿透力强,能检测到桩底沉渣的实际波速,如附图11、12所示，发射主频被沉渣完全吸收，实测主频14.4ｋＨｚ。
若采用的换能器频率高而功率小，则有效透射能力差，是无法检测到严重缺陷的有效信息的、或导致实测声时延长，致不能准确测量桩身缺陷的波速，正确判定桩身缺陷的性质。
从上分析可见，FFT 频谱变化与桩身缺陷有如下明确关系：1．均质无缺陷完整桩的FFT 频谱图一般呈现单峰特征，主频明确，偶见一低频峰；2．双峰或多峰时表明桩身内部存在缺陷界面。
若实测声时不变，表明桩身局部缺陷出现在透射范围以外；若实测声时增加，表明桩身局部缺陷穿越透射检测中线；高阶峰的个数及峰值随缺陷的严重程度而降低；3．实测声时增加，低频峰幅值明显高于高频峰时，表明桩身存在明显缺陷；4．实测声时明显增加，出现单一低频峰时，表明桩身存在严重缺陷。
重程度而降低。
若桩身内部出现明显缺陷更时，不但实测声时增大，而且副峰迅速上升为主峰，如附图9、10所示。
2.介质对高频信号的滤波效应人们知道不同质量的混凝土对超声脉冲波中的高频分量的吸收、衰减效果不同，或者说缺陷对高。