超声首波相位反转机理解析

1、混凝土裂缝深度检测混凝土裂缝深度检测超声首波相位反转机理解析超声首波相位反转机理解析童寿兴上海市建设工程检测行业协会上海市建设工程检测行业协会20142014年度主体结构混凝土年度主体结构混凝土非破损检测培训非破损检测培训8:3211 超声波超声波检测检测混凝土裂缝深度混凝土裂缝深度的的方法方法超声波首波相位反转法超声波首波相位反转法3单面平单面平测测 CECS：21标准法标准法1单面平测单面平测 BS-1881 标准标准法法28:3221 超声波超声波检测检测混凝土裂缝深度混凝土裂缝深度的的方法方法11.1 1.1 单面单面平平测测 CECS CECS：21 21 标准标准法法 裂缝深度的计

2、算公式裂缝深度的计算公式90版公式版公式2000版公式版公式 2012ccltht （a）等距等距不不跨跨缝检测缝检测 （b）等距等距跨跨缝缝检测检测图1 CECS：21 标准检测混凝土裂缝深度 基本假设：基本假设： 1）裂缝附近混凝土质量基本一致；）裂缝附近混凝土质量基本一致； 2）跨缝与不跨缝检测，其声速相同；）跨缝与不跨缝检测，其声速相同；(不跨缝检测的声速其实是平测声速不跨缝检测的声速其实是平测声速） 3) 跨缝测读的首波信号绕裂缝末端至接收换能器。跨缝测读的首波信号绕裂缝末端至接收换能器。1)(221iiiLvtLh8:3231 超声波超声波检测检测混凝土裂缝深度混凝土裂缝深度的的方

3、法方法BS-1881标准检测混凝土裂缝深度的标准检测混凝土裂缝深度的方法方法1的的原理是，两次选取不同的原理是，两次选取不同的a1、a2测距测距测量测量， a2 = =2a1 ，假设假设超声波在混凝土中两次传播的速度超声波在混凝土中两次传播的速度不变不变 v v1 1=v=v2 2 ，根据根据速速度相同的条件可以得到声时和裂缝深度之间的计算公式度相同的条件可以得到声时和裂缝深度之间的计算公式。1.2 1.2 BS-1881BS-1881标准标准法法 （9090年代年代 BS-4408 BS-4408）21222221415tttth 定义定义：v1=v2, a1=15cm, a2=2a1=30

4、cm, 得：得：图2 BS-1881法检测混凝土裂缝深度8:3241 超声波超声波检测检测混凝土裂缝深度混凝土裂缝深度的的方法方法v 超声波首波相位反转法超声波首波相位反转法 如图所如图所示示，1982年年笔者发现笔者发现2若若置换能器于裂缝两侧，当换能器与裂缝间距置换能器于裂缝两侧，当换能器与裂缝间距a分分别别大于、等于、小于裂缝深度大于、等于、小于裂缝深度dc时时，超声波接收波形如，超声波接收波形如(a),(b),(c)所示。首波的振所示。首波的振幅相位先后发生了幅相位先后发生了180的的反转变化，即在平移换能器时，随着反转变化，即在平移换能器时，随着a的的变化，变化，存在着存在着一个使首

5、波相位发生反转变化的一个使首波相位发生反转变化的临界点临界点，换能器间距与缝深比存在换能器间距与缝深比存在1.71.72 2倍倍的的关系。关系。1.3 1.3 超声波超声波首波相位反转首波相位反转法法图3 超声波首波相位反转法检测混凝土裂缝深度8:3251 超声波超声波检测检测混凝土裂缝深度混凝土裂缝深度的的方法方法v 超声波首波相位反转法超声波首波相位反转法泊松比泊松比与与回折角回折角的关系的关系1990年在日本，年在日本，笔者笔者浏览到浏览到1988年日本同行有关于年日本同行有关于首波反向发生时测距首波反向发生时测距裂缝深度裂缝深度的的近似近似2倍关系倍关系的论文发表。的论文发表。当当ad

6、c时回折角时回折角约为约为900。在该临界点左右，波。在该临界点左右，波形变化特别敏感。只要把换能器稍作来回移动，首波振幅相位反转瞬间而形变化特别敏感。只要把换能器稍作来回移动，首波振幅相位反转瞬间而变变。1991年年日本日本関西大学工学部関西大学工学部的的中野正中野正吉吉推导推导出泊松比出泊松比与回折角与回折角的的关系关系3，中中野正吉提出由于混凝土的泊松比野正吉提出由于混凝土的泊松比在在0.200.25之间，若取中值，则回折角之间，若取中值，则回折角+=90。1.3 1.3 超声波超声波首波相位反转首波相位反转法法 0.100.100.150.150.200.200.250.250.300

7、.300.350.35 103.3103.3 99.2 99.2 93.6 93.6 85.8 85.8 73.8 73.8 51.0 51.0表1 泊松比与回折角的关系 8:3261 超声波超声波检测检测混凝土裂缝深度混凝土裂缝深度的的方法方法v 换能器不对称布置换能器不对称布置时的超声波时的超声波首波相位反转现象首波相位反转现象 在在以往的研究中以往的研究中，笔者，笔者又又发现发现4 5当当换能器不对称布置在裂缝两侧的场合换能器不对称布置在裂缝两侧的场合,可先固可先固定某一换能器定某一换能器， 再再移动另一换能器，则也可以观察到首波相位的反转变化移动另一换能器，则也可以观察到首波相位的反转

8、变化现象。现象。如如图图4所示所示(a)，(b)，(c)点波形参见图点波形参见图3(a)，(b)，(c)，在首波振幅相位反转的临界点处，在首波振幅相位反转的临界点处,回回转角转角 + 也也均约为均约为90度。移动度。移动R换能器当观察到首波相位反转变化时的换能器当观察到首波相位反转变化时的ACB为为直角三角形（可在小方格纸上按尺寸比例直角三角形（可在小方格纸上按尺寸比例作图作图 验证）验证）。 裂缝裂缝深度深度dc与二与二换能器换能器的的中中心距心距的近似关系式的近似关系式： 。作为作为特例，特例，当换能器距裂缝对称布置时，当换能器距裂缝对称布置时，dc a，参参见图见图3 (b)。1.3 1

9、.3 超声波超声波首波相位反转首波相位反转法法图4 换能器不对称布置21LLdc8:3271 超声波检测混凝土裂缝深度的方法超声波检测混凝土裂缝深度的方法1.3 1.3 超声波首波相位反转法超声波首波相位反转法v 换能器间距与缝深比换能器间距与缝深比 19821982年年2采用同济大学自制的超声波检测采用同济大学自制的超声波检测仪仪，发现了因换能器平置裂缝两侧的间距发现了因换能器平置裂缝两侧的间距不同而引起首波幅度及其振幅相位变化的不同而引起首波幅度及其振幅相位变化的现象，现象，笔者笔者提出了提出了换能器间距与缝深比存换能器间距与缝深比存在在1.71.72 2倍倍的的关系关系。平均平均1.85

10、1.85倍。倍。8:3281 超声波超声波检测检测混凝土裂缝深度混凝土裂缝深度的的方法方法 v 换能器间距与缝深比换能器间距与缝深比 换能器换能器裂缝裂缝间距与间距与裂缝裂缝深度的深度的关系关系国内国内不同不同研究研究单位单位意见意见不大一致，不大一致，有有的的研究者研究者（陕西院）（陕西院） 6 认为认为反相点处间距反相点处间距/缝深比缝深比为为1.0倍倍（换能器间距为两换能器的内边距）。康科瑞康科瑞濮濮存亭，孙刚柱存亭，孙刚柱在论在论文文 “超声平超声平测法检测混凝土裂缝深度测试方法的试验研究与建议测法检测混凝土裂缝深度测试方法的试验研究与建议” 7 中中 关于关于首首波反相点出现的位置在

11、进行了一系列的试验研究后：得出波反相点出现的位置在进行了一系列的试验研究后：得出“反相点反相点处处间距间距/缝深比一般在缝深比一般在1.5倍附近倍附近。（同上：此时换能器间距为两换能器的内边距） 基于同济大学基于同济大学1.72倍倍(平均平均1.85倍）和陕西院倍）和陕西院1.0倍倍以及以及康科康科瑞瑞1.5倍倍的的不同研究结果不同研究结果， 濮濮、孙孙的论的论文文得出：得出：“说明反相点处间距说明反相点处间距/缝深比并不能确定缝深比并不能确定”的结论的结论，间接否认了间接否认了超声波首波相位反转法超声波首波相位反转法检测检测混凝土裂缝深度的方法。混凝土裂缝深度的方法。1.3 1.3 超声波超

12、声波首波相位反转首波相位反转法法8:3291 超声波检测混凝土裂缝深度的方法超声波检测混凝土裂缝深度的方法 换能器间距与缝深比换能器间距与缝深比 考察到考察到濮存亭，孙刚柱濮存亭，孙刚柱论论文文7的实验数据在的实验数据在缝缝深深较较小时对应的间距小时对应的间距/缝深比缝深比较较小小的事实的事实， 这这应该是与换能器的直径尺寸效应有关，即换能应该是与换能器的直径尺寸效应有关，即换能器的直径尺寸对越小缝深的影响越大。器的直径尺寸对越小缝深的影响越大。众所周众所周知在平测法检测混凝土裂缝深度的计算公式中知在平测法检测混凝土裂缝深度的计算公式中换能器的间距不取内间距。如果考虑换能器的换能器的间距不取内

13、间距。如果考虑换能器的直径尺寸，（设换能器的直径为直径尺寸，（设换能器的直径为38 mm）笔者）笔者尝试重新计算了尝试重新计算了该论该论文文7中中反相点出现的位置反相点出现的位置一节一节中中列出的全部试验数据，得出列出的全部试验数据，得出：当考虑了当考虑了换能器直径的影响因素后，其对应的间距换能器直径的影响因素后，其对应的间距/缝深缝深比的平均值为比的平均值为1.853倍。倍。右图右图换能器间距换能器间距2a为两为两换能器中心距换能器中心距。与。与1982年的同济大学结果一致。年的同济大学结果一致。 研究表明：研究表明：首波相位发生反转变化的临界点首波相位发生反转变化的临界点， 同济大学关于同

14、济大学关于换能器换能器的中心的中心距与缝深比距与缝深比为为1.71.72 2倍倍的观点是正确的。的观点是正确的。8:32101 超声波超声波检测检测混凝土裂缝深度混凝土裂缝深度的的方法方法下表引自：下表引自： 濮濮存亭，孙刚柱存亭，孙刚柱7 反相点出现的位置反相点出现的位置反相点处间距反相点处间距/缝深比一般在缝深比一般在1.5倍附近。倍附近。（换能器间距换能器间距为两换能器为两换能器的的内边内边距距） 笔者考察结果：笔者考察结果：当考虑了换能器直径的影响因素后，当考虑了换能器直径的影响因素后，其对应的间距其对应的间距/缝深比的平均值为缝深比的平均值为1.853倍倍（换能器间换能器间距距为两换

15、能器为两换能器中心距中心距） 【 设设换能器直径为换能器直径为38 mm计算计算】缝深缝深mm反相点处的反相点处的间距间距mm对应的对应的间距间距/缝缝深深51107.22.1063102.81.6375146.81.9684162.51.93103275.52.67130246.51.90148250.61.69208313.81.51316490.81.55412657.11.59缝深缝深mm反相点处的反相点处的间距间距mm对应的对应的间距间距/缝深缝深5169.21.356364.81.0375108.81.4584124.51.48103237.52.3130208.51.614821

16、2.61.44208275.81.3316452.81.4412619.11.58:3211 三种方法对应的混凝土裂缝深度检测仪三种方法对应的混凝土裂缝深度检测仪v 1.1.北京北京智博联根据智博联根据CECS 21:2000CECS 21:2000规程，采用单面平测规程，采用单面平测T Tc c-T-T0 0法研发的法研发的ZBL-F610ZBL-F610裂缝测深仪裂缝测深仪附带一根定位尺，简化了测试方法，提高了测试附带一根定位尺，简化了测试方法，提高了测试效率和效果。效率和效果。 v 2.2.北京北京康科瑞研发的康科瑞研发的KON-FSYKON-FSY裂缝深度测试仪裂缝深度测试仪近视采用了

17、修改近视采用了修改BS-1881BS-1881方法，该测试仪附有一个探头支架，将发射与接收换能器分别置于裂方法，该测试仪附有一个探头支架，将发射与接收换能器分别置于裂缝为对称的两侧，第一测点间距缝为对称的两侧，第一测点间距l l1 1取取100mm100mm，读取声时值，读取声时值t t1 1；第二测点；第二测点间距取间距取50mm 50mm 或或150mm150mm，读取声时值，读取声时值t t2 2，分别计算缝深，分别计算缝深h h1 1、h h2 2后取两次裂后取两次裂缝深度的平均值。缝深度的平均值。v 3.3.廊坊廊坊大地华龙依照首波振幅相位反转现象，利用回折角与裂缝深度大地华龙依照首

18、波振幅相位反转现象，利用回折角与裂缝深度的几何关系在国内率先研发的的几何关系在国内率先研发的DJCS-05DJCS-05裂缝测深仪裂缝测深仪，这款仪器的特点是，这款仪器的特点是不用计算，便可现场直接显示裂缝深度。不用计算，便可现场直接显示裂缝深度。8:32122 首波相位反转机理解释首波相位反转机理解释由由“反转现象缺失反转现象缺失”引出的思考引出的思考实验介绍实验介绍基础理论知识基础理论知识横波折射假说横波折射假说41234总结总结58:32132 首波相位反转机理解释首波相位反转机理解释2.1 2.1 由由“首波相位反转现象缺失首波相位反转现象缺失”引出的思考引出的思考 图5 实验装置示意

19、图其中：其中：11水槽；水槽； 22水面（控制水面高度模拟不同的混凝土裂缝深度）；水面（控制水面高度模拟不同的混凝土裂缝深度）； 3 3、66混凝土试块（尺寸为混凝土试块（尺寸为1515151555cm55cm）；）； 4 4、55超声波换能器（直径超声波换能器（直径38mm38mm）；）； 7 7实验专用尺寸标定工具；实验专用尺寸标定工具； 88黄油（用于换能器与混凝土耦合）；黄油（用于换能器与混凝土耦合）； 9 9混凝土试块间隙混凝土试块间隙3mm3mm8:3214 2 首波相位反转机理解释首波相位反转机理解释模拟裂缝试样及辅助工具模拟裂缝试样及辅助工具v 如图如图5 5所示将两块所示将两

20、块150150150150550mm550mm混凝土试块留有混凝土试块留有间隙后间隙后对接放入水对接放入水槽中，在水槽中放入不同深度的水达到形成不同深度裂缝的目的。如槽中，在水槽中放入不同深度的水达到形成不同深度裂缝的目的。如水深从水深从10mm10mm到到140mm140mm每次以每次以10mm10mm递增，相应模拟裂缝深度即为递增，相应模拟裂缝深度即为140140，130130，120120，110110，100100，9090，8080，7070，6060，5050，4040，3030，2020，1010（mmmm）；）； 另制作了另制作了600600，300300，150150，757

21、5，3838，1919（mmmm）；）；500500，250250，125125，6363，3232（mmmm）和）和400400，200200，100100，5050，2525（mmmm）三个倍数系列三个倍数系列的专用尺寸的专用尺寸标定工具，对每一个模拟裂缝深度值，两换能器测距都分别以标定工具，对每一个模拟裂缝深度值，两换能器测距都分别以600600，500500，400400，300300，250250，200200，150150，125125，100100，7575，6363，5050，3838，3232，2525，1919（mmmm）共计）共计1616次检测并记录其声时值。次检测并记录

22、其声时值。8:32152 首波相位反转机理解释首波相位反转机理解释实验步骤实验步骤v 向水槽中加入自来水，测量水深为向水槽中加入自来水，测量水深为140mm140mm（此时模拟裂缝深度为（此时模拟裂缝深度为10mm10mm）。）。两换能器对称置于裂缝两侧，底部涂黄油耦合，内侧紧靠两换能器对称置于裂缝两侧，底部涂黄油耦合，内侧紧靠600mm600mm专用尺专用尺寸标定工具寸标定工具木尺。保持施加在换能器上的压力不变，首波等幅度木尺。保持施加在换能器上的压力不变，首波等幅度4 4格读数，重复格读数，重复3 3次，取最稳定状态时采样、储存声时读数。依次更换木次，取最稳定状态时采样、储存声时读数。依次

23、更换木尺，直至减小测距到尺，直至减小测距到19mm19mm，共记录一系列，共记录一系列1616个声时值。个声时值。v 重复上面的步骤，依次取出水槽中约重复上面的步骤，依次取出水槽中约10mm10mm深的水量，待水面平稳后分深的水量，待水面平稳后分别测量水深为别测量水深为130mm130mm、120mm10mm120mm10mm时，依次更换木尺，记录不同裂时，依次更换木尺，记录不同裂缝深度、不同测距对应的声时值（共缝深度、不同测距对应的声时值（共1414组组1616个声时数据）。个声时数据）。v 混凝土的裂缝深度分别混凝土的裂缝深度分别按按CECSCECS标准标准、BS-1881BS-1881标

24、准进行计算、比较。标准进行计算、比较。8:32162 首波相位反转机理解释首波相位反转机理解释v 几年前在几年前在 指导学生毕业论文的实验指导学生毕业论文的实验过程中过程中，在任何短测距在任何短测距（即两换能器间距小于（即两换能器间距小于2倍缝深）倍缝深） 的场合，的场合， 均没有观察到均没有观察到作者作者早年前提出的首波相位反转的现象。早年前提出的首波相位反转的现象。8:32172 首波相位反转机理解释首波相位反转机理解释笔者将笔者将两两块块4040160mm的水泥砂浆条的水泥砂浆条，图图6在在两者端部留有两者端部留有1mm间隙间隙的下部用的下部用5mm高度的环氧树脂把它们粘结成一个整体，即

25、形成裂缝深度高度的环氧树脂把它们粘结成一个整体，即形成裂缝深度为为35mm的试件。把试件放入水盆，在未盛水时，超声检测在两换能器的的试件。把试件放入水盆，在未盛水时，超声检测在两换能器的中心距中心距70mm附近，有首播相位反转点。保持正波状态下换能器不移动，附近，有首播相位反转点。保持正波状态下换能器不移动，往水盆中加水，当水面高于往水盆中加水，当水面高于5mm时，正波转为负波。此时，无论再相近时，正波转为负波。此时，无论再相近移动换能器直至两换能器几乎接触，屏显波形依然是负波。将换能器中心移动换能器直至两换能器几乎接触，屏显波形依然是负波。将换能器中心距改为距改为65mm后，从水盘中提起（连

26、同耦合着的换能器一起）试件出水面，后，从水盘中提起（连同耦合着的换能器一起）试件出水面，屏显波形还是负波。略倾斜试件吹除缝中的剩水后，屏显波形转为正波。屏显波形还是负波。略倾斜试件吹除缝中的剩水后，屏显波形转为正波。2.2 2.2 “首波相位反转现象缺失首波相位反转现象缺失”的实验的实验1 18:32182 首波相位反转机理解释首波相位反转机理解释 （图6） 实验实验1 1介绍介绍 试件裂缝深度约试件裂缝深度约35mm35mm无水70mm水高5mm65mm70mm65mm无水有水8:32192 首波相位反转机理解释首波相位反转机理解释 另另在一块在一块60010001000mm的原制有的原制有

27、100mm裂缝深度的长龄期混凝裂缝深度的长龄期混凝土试块上继续超声实验土试块上继续超声实验。图图7在在两换能器中心距两换能器中心距200mm处发现正负波形转处发现正负波形转换临界点。略相近移动换能器，使其保持正波状态，换临界点。略相近移动换能器，使其保持正波状态，往裂缝中注水，正波往裂缝中注水，正波即转为负波即转为负波，再相近移动换能器，屏显依然是负波。用钢尺将裂缝中水分，再相近移动换能器，屏显依然是负波。用钢尺将裂缝中水分赶出些后插入纸吸水，赶出些后插入纸吸水，当裂缝中的水吸干时，首波相位反转现象如期而至当裂缝中的水吸干时，首波相位反转现象如期而至。2.2 2.2 “首波相位反转现象缺失首波

28、相位反转现象缺失”的实验的实验2 28:32202 首波相位反转机理解释首波相位反转机理解释 （图7） 实验实验2 2介绍介绍 试件裂缝深度约试件裂缝深度约100mm100mm200mm存在正负波形转换点加水后，正波变负波200mm除水后，负波变正波200mm8:32212 首波相位反转机理解释首波相位反转机理解释1)1) 不同声速介质的界面在反射和折射过程可能发生波型转换。波型转不同声速介质的界面在反射和折射过程可能发生波型转换。波型转换现象只发生在斜入射的场合。换现象只发生在斜入射的场合。2) 2) 固体与气体的交界面，波型转换只发生在反射过程中；固体与气体的交界面，波型转换只发生在反射过

29、程中；固体与固体 的界面在反射、折射过程中都会发生波型的转换。固体与液体的界面，折射波中只有纵波，因液体介质没有剪切弹性，不能传播横波。 3 3）另根据惠更斯定理：横波和纵波到达的每一个点都可以看作新的波）另根据惠更斯定理：横波和纵波到达的每一个点都可以看作新的波源源“次源次源”，每一个，每一个“次源次源”相当于一个单独波源，产生二次波动，相当于一个单独波源，产生二次波动，形成形成“次源次源”波前，新的波前就是这些波前，新的波前就是这些“次源次源”波前的包迹。波前的包迹。2.3 2.3 基础理论知识基础理论知识8:32222 首波相位反转机理解释首波相位反转机理解释 当当换能器分别置于裂缝表面

30、的两侧如换能器分别置于裂缝表面的两侧如图图8所所示，由于混凝土检测通常采用的是低示，由于混凝土检测通常采用的是低频（频（50KHz）超声波，其特点是波长长，指向性差。当发射换能器）超声波，其特点是波长长，指向性差。当发射换能器A置于混凝土置于混凝土表面时，其向裂缝侧传播相当于斜入射的场合，即具备了斜入射的条件。超声纵表面时，其向裂缝侧传播相当于斜入射的场合，即具备了斜入射的条件。超声纵波在裂缝侧面产生反射（反射波中有纵波，有横波），超声纵波在裂缝的尾端产波在裂缝侧面产生反射（反射波中有纵波，有横波），超声纵波在裂缝的尾端产生折射（折射波中有纵波，有横波）而且由生折射（折射波中有纵波，有横波）而

31、且由图图8所所示，横波折射角与水平面的夹角示，横波折射角与水平面的夹角小于纵波折射角。小于纵波折射角。2.42.4（横波折射假说）（横波折射假说）图8 横波折射假说示意图8:32232 首波相位反转机理解释首波相位反转机理解释 众所周知众所周知：纵波速度大于横波速度纵波速度大于横波速度；本实验采用的是纵波换能器；本实验采用的是纵波换能器，换能，换能器器A发射出发射出纵波纵波，接收接收换能器换能器B理应接收到纵波，但存在以下事实：理应接收到纵波，但存在以下事实： 1)折射波中因波型转换形成了横波折射波中因波型转换形成了横波。 2)横波的折射角与纵波的折射角不同横波的折射角与纵波的折射角不同，横波

32、与裂缝断面的夹角小于纵波，横波与裂缝断面的夹角小于纵波，即横波折射在纵波之上。即横波折射在纵波之上。2.4 2.4 （横波折射假说）（横波折射假说）8:32242 首波相位反转机理解释首波相位反转机理解释 首波相位反转的机理解释：首波相位反转的机理解释：超声波检测混凝土裂缝深度时，采用的纵超声波检测混凝土裂缝深度时，采用的纵波换能器在折射过程中发生波型转换产生了横波，发射纵波与接收到的横波换能器在折射过程中发生波型转换产生了横波，发射纵波与接收到的横波之间存在相位差。虽然横波速度小于纵波速度，但横波折射角与纵波折波之间存在相位差。虽然横波速度小于纵波速度，但横波折射角与纵波折射角不同，两者的绕

33、射波前不同，在特定的首波相位反转临界点，参见图射角不同，两者的绕射波前不同，在特定的首波相位反转临界点，参见图8 8接收换能器接收换能器B B至裂缝侧的区域内（图至裂缝侧的区域内（图8 8 中中T T区）绕射横波先于绕射纵波到达。区）绕射横波先于绕射纵波到达。首波相位反转临界点的首波相位反转临界点的T T区以外是折射纵波区以外是折射纵波L L区。区。（在（在“S S处处”有水的场合有水的场合 ）2.4 2.4 （横波折射假说）（横波折射假说）8:32252 首波相位反转机理解释首波相位反转机理解释v 1 1）李李 宁宁的论文的论文8 “ “纵、横波首波相位关系实验现象的解释及其对全纵、横波首波

34、相位关系实验现象的解释及其对全波测井的意义波测井的意义”：纵、横波首波幅度绝对值的变化规律相同纵、横波首波幅度绝对值的变化规律相同；纵、横纵、横波首波的相位始终相反。即由发射换能器同一个振源转换成的横波，波首波的相位始终相反。即由发射换能器同一个振源转换成的横波，其相位永远和纵波反相。其相位永远和纵波反相。v 2) 2) 在没有水的场合，换能器跨缝检测时定有发生首播相位反转的现象，在没有水的场合，换能器跨缝检测时定有发生首播相位反转的现象，笔者以往在国内外所有的实验室内人为制作的裂缝试件上，全部都能笔者以往在国内外所有的实验室内人为制作的裂缝试件上，全部都能观察到首波相位反转的事实。观察到首波

35、相位反转的事实。在施工现场能观察到首播相位反转现象在施工现场能观察到首播相位反转现象的场合，可马上定性推断该混凝土的裂缝深度小于、等于两个换能器的场合，可马上定性推断该混凝土的裂缝深度小于、等于两个换能器中心距之半。中心距之半。2.5 2.5 总结总结8:32262 首波相位反转机理解释首波相位反转机理解释2.5 2.5 总结总结v 3) 3) 在裂缝中有水的实验场合，见图在裂缝中有水的实验场合，见图8 8设设水面高度水面高度S S处处，纵波在裂缝左侧，纵波在裂缝左侧面反射发生波型转换（能产生横波）、同时经过水的媒介通过裂缝在面反射发生波型转换（能产生横波）、同时经过水的媒介通过裂缝在裂缝的右

36、侧折射，因液体介质没有剪切弹性，横波不能在水中传播，裂缝的右侧折射，因液体介质没有剪切弹性，横波不能在水中传播，右侧面折射波中只有纵波。而右侧面折射波中只有纵波。而本文本文中的中的实验实验（包括前期学生毕业论文）（包括前期学生毕业论文）采用以水形成裂缝的特定方案，在有水的场合波型转换折射波中没有采用以水形成裂缝的特定方案，在有水的场合波型转换折射波中没有横波，固没有首波相位反转的现象发生。曾有报道在工地有时会观察横波，固没有首波相位反转的现象发生。曾有报道在工地有时会观察不到反相现象，可能原因是裂缝中有水或钢筋及其它杂物所致。工地不到反相现象，可能原因是裂缝中有水或钢筋及其它杂物所致。工地观察

37、不到首播相位反转现象的裂缝观察不到首播相位反转现象的裂缝不具备检测条件不具备检测条件，其检测的声时数，其检测的声时数据不正确，如按规程计算公式的检测结果据不正确，如按规程计算公式的检测结果一定一定会误判。会误判。（不是误差，不是误差，而是错误而是错误）大胆大胆推论：推论：依照首波振幅相位反转现象，利用回折角与裂依照首波振幅相位反转现象，利用回折角与裂缝深度的几何关系研制的缝深度的几何关系研制的混凝土裂缝深度检测仪混凝土裂缝深度检测仪在裂缝中有水的场合在裂缝中有水的场合将会出现盲区。将会出现盲区。8:3227超声波首波相位反转法的应用经验超声波首波相位反转法的应用经验 当被测结构断面尺寸较大，且

38、不存在边界面及钢筋等影响的情况下，尤其是实当被测结构断面尺寸较大，且不存在边界面及钢筋等影响的情况下，尤其是实验室中的人为垂直裂缝，首波反向验室中的人为垂直裂缝，首波反向近似近似2倍关系最为明显。倍关系最为明显。 在工地有时会观察不到反相现象，可能原因在工地有时会观察不到反相现象，可能原因之一之一是是裂缝深度很浅（小于换能器裂缝深度很浅（小于换能器的间距）；的间距）；原因原因之二之二混凝土裂缝混凝土裂缝细小、细小、走向不确定时，超声波在走向不确定时，超声波在裂缝接触裂缝接触界面反界面反射叠加、畸变射叠加、畸变所致；主要所致；主要原因原因之三是之三是裂缝中有水或裂缝中有水或潮湿潮湿的的测试环境测试环境。 凡在凡在工地工地上上观察不到首播相位反转现象的裂缝观察不到首播相位反转现象的裂缝不具备检测条件不具备检测条件，其检测，其检测得到得到的声时数据的声时数据往往往往不正确，不正确，此时此时如按规程计算公式的检测结果如按规程计算公式的检