传播过程复杂，砼内部的缺陷、粗骨料与水泥砂浆构成的声 学界面的数量和空间分布也是随机的、多样的，很难找到合适的 力学模型去模拟，目前，只能停留在定性的分析水平之上。但是 了解声波在砼中传播的特点，是利用声波进行砼质量检测的基础。
四、砼声波透射法检测中使用的声波
脉冲声波的特点：
❖ 每次发射的持续时间短、重复间断发射 ❖ 复频特性
脉冲声波在介质中的传播特征
❖ 频散（不同频率的波在介质中传播时，具有不同的 传播速度，一般高频快、低频慢，这种现象。频散必然 导致声脉冲在介质中传播时，与传播距离俱增的畸变） ❖ 频漂（由于各种频率成份的衰减量不同，频率高的 成分比频率低的成分误减大，脉冲频谱将发生变化，主 频将向低频端漂移，造成波形畸变）
声脉冲主频的漂移程度，也是介质对声波衰减作用的一个表征
五、声波信号的频域分析
频散 频漂
主频的变化
主频的漂移程度或 者主频变化程度
频域分析
介质对声 脉冲的衰
减
介质的粘塑性 与内部结构状
况
第二部分 仪器设备 一、声波仪的功能与发展概况
向待测的结构混凝土中发射声波脉冲，使 其穿过混凝土，然后接收穿过混凝土的脉冲信 号。记录下声脉冲穿过混凝土所需的时间、接 收信号的波形、振幅等。
接收波形的畸变程度可作为缺陷程度的参考依据。
声波穿过正常砼后的接收波形特征：
• 首波陡峭，振幅大； • 第一周波的后半周即达到较高振幅，包络线呈半园形； • 第一个周期的波形无畸变。
声波穿过有缺陷的砼后的接收波形特征：
• 首波平缓，振幅小； • 第一周波的后半周甚至第二个周期，幅度增加仍不 够，接收波形的包络线呈喇叭形； • 第一、二个周期的波形有畸变。
塑性有关，波幅越低，衰减越大。
当砼中存在低强度区、离析区以及存在夹泥、蜂窝等缺陷时， 吸收衰减和散射衰减增大，使接收波波幅明显下降。
波幅可直接在接收波上观察测量，一般只测量首波（即接收 信号的前半个周期）的波幅为准。
波幅与砼的质量密切相关，它对缺陷区的反应比声时更为敏 感，是判断缺陷的重要参数。
➢ 接收频率 脉冲声波是复频波，具有多种频率成份；
最小横截面尺寸（cm） 10 20 20 30 50
二、砼的声学参数及检测
检测中常用的声学参数包括：声速、波幅、频率、波形。
（一）声学参数与砼质量的关系
➢声速 影响声速的因素： 砼的强度
砼原材料性质及配合比； 龄期 温、湿度等更化环境 施工工艺
砼内部的缺陷
➢波幅 波幅是表征声波空过砼之后能量衰减的指标之一。与砼的粘
• 主频的变化可反映砼的质量好坏，但它受测距、仪 器设备状态等非缺陷因素的影响，因互只用于同一剖 面内各测点的相对比较，在不同剖面或不同桩之间不 具可比性，不太稳定，一般作为声速、波幅的辅助判 断。 • 接收波形对砼内部缺陷较敏感，现场检测时，除了 逐点读取首波的声时、波幅外，还应密切观察接收波 的形态，它反映了接、收换能器之间声波在砼各种声 波传播路径上的总体能量。
➢ 20世纪50年代：电子管声波仪（USA 的UCT，第一代） ➢ 20世纪60年代至70年代：晶体管集成电路声波仪（英国的PUNDIT， 第二代） ➢ 80年代：数字式声波仪（CTS-35第三代） ➢ 90年代：智能型数字式声波仪（第四代，U-Sonic）
《超声法检测混凝土缺陷技术规程》（CS21:2000）

CS97系统
换能器
二、声波换能器
功能：
发射换能器——实现电能到声能的转换 接收换能器——实现声能到电能的转换
工作原理：
电磁法 静电法 磁致伸缩法 ✓ 压电伸缩法
换能器频率选择
测距（cm） 10~20 20~100
100~300 300~500
>500
换能器频率（kHz） 100~200 50~100 50 30~50 20
２． 自动测读
➢波幅
表示首波信号能量的大小。
一般用分贝（dB）表示法，将测点首波信号 峰值与某一固定信号量值的比值取对数后的量值作 为该测点波幅的分贝值。
➢频率 周期法（模拟式声波仪）：
频谱分析法（数字式声波仪）
✓ 波的类型； ✓ 介质的性质； ✓ 边界条件。
二、描述声波的基本物理量
❖ 声压 ❖ 声强 ❖ 声阻抗 ❖ 辐射声场的指向性 (指声源发射响应的幅值随方 位角的变化而变化的特性)
声压比
三、声波在混凝土中传播特点
❖ 声波能量衰减大（异常界面，散射损失） ❖ 指向性差（波长大、反射波折射波的干涉叠加造成漫射 声能） ❖ 传播路径复杂（较大缺陷，并非直线传播） ❖ 经砼介质特性调制后声波的构成复杂（一次声场与二次 声场的叠加，波形会产生畸变）
判定砼质量的几种声学参数的比较：
• 声速：较稳定，重复性好，受非缺陷因素小，同一根桩的不同 剖面、同一工程的不同桩之间可以比较；但对缺陷的敏感度不及波 幅。 • 波幅（首波幅值）对缺陷很敏感，判定缺陷的重要参数；但它 受仪器系统性能、换能器耦合状况、测距等因素影响，不稳定，只 能用于同一测点的比较，在同一桩的不同剖面或不同桩之间没有可 比性。
（二）声学参数的现场检测
➢声速
根据测距和声时来计算，因此声速的测度精度取决于测距与 声时的测量精度。
测距即是声测管外壁间的距离，一般用卷尺在桩顶面度量， 这个测量值代表了整个测试剖面内各测点的测距。
因此，声测管的平行度对声速测试的影响相当大。
➢声时 声时：在被测介质中传播一定声距所需的时间。 １． 手动测读
在砼中各种频率成分的衰减程度不同，高频衰减比低频快， 导致频漂；
接收波主频实质上是砼衰减作用的一个表征量；缺陷越大， 由于衰减严重，主频也会明显降低；
接收波频率一般以首波的第一个周期为准（现场直接在示波 器读出，或用频谱分析得到）
➢ 波形
当砼内存在不同的缺陷时，由于声脉冲在缺陷界面处的反射 折射等，形成波线不同波束，这些波束由于传播路径不同，或由于 界面上产生波形转换等原因，使用得接收的声时不同，接收波成为 许多同相位或不同相位波束的叠加，导致波形畸变；
第六章 超声波检测技术基础
第一部分 基本理论 一、声波类别及对应的频率范围
名
称
次声波
可闻声波
超声波
特超声波
频率范围 0～10Hz 2×10～2×104Hz 2×104 ～1010Hz >1010Hz
用于混凝土声波透射法检测的声波主频率一般为2×104 ～2.5×105Hz
声波在固体介质中传播速度的影响因素：