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）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：t A y ωcos （1-1） 式中 A ——振幅 ω——角频率 t ——时间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=fv （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：间图1-1 波形图λ==⨯⨯3210501045009cm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v P ：v P=μ）μ）（（μ21 1 1-+-ρE（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v L ：v L =）μ（21-ρE（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v o ：v o = ρE（1-4）在无限固体中横波的传播速度v S ：v S =ρG=)1(212μ+ρE（1-5） 在固体表面传播的表面波速度v R ：v R =μμ++112.187.0 v S （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：μμ21)1(2--=SPV V （1-7）一般固体，μ介于0-0.3左右，S P V V >1.14，混凝土μ在0.2-0.3左右，63.1=SP V V-1.87，因为V R ≈0.9V S ，所以V P ≈（1.8-2.0）V R 。

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=01I I 为声强反射系数； T =02I I 为声强透射系数。

式中 I 0、I 1、I 2 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=212212）（）（Z ZZ Z +- （1-8）T=212214）（Z Z Z Z (1-9）式中 Z 1、Z 2——第一、二种介质的特性阻抗。

从（8）式、（9）式可知：1） R+T=1，这符合能量守恒定律； 2） Z 1= Z 2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（Z 1>> Z 2或Z 1<< Z 2），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。

Z 1=ρ1×v 1Z 1=ρ2×v 2图1-2 垂直入射声波的反射和透射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=t L （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t 1、t 2，则频率f ：f=121t t （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。

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。

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600cm600cm图2-2测试阶梯状大试件v km/s5.04.5 0 1 2 3 4 5 62 13d （m ）图图2-3声速测距关系图 1-C35号；2-C25号；3-C15号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：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，换图2-4垂直钢筋的影响图2-5平行钢筋的影响BCd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。