第4章 声波测试技术原理

1、第七章第七章 声波测试技术声波测试技术 声波测试技术是近年来发展非常迅速的一项新技声波测试技术是近年来发展非常迅速的一项新技术。它的基本原理是用人工的方法在结构中激发术。它的基本原理是用人工的方法在结构中激发一定频率的弹性波，这种弹性波以各种波形在结一定频率的弹性波，这种弹性波以各种波形在结构内部传播并由接收仪器接收，通过分析研究接构内部传播并由接收仪器接收，通过分析研究接收和记录下来的波动信号，来确定结构的力学特收和记录下来的波动信号，来确定结构的力学特性，了解它们的内部缺陷。由于声波测试与其它性，了解它们的内部缺陷。由于声波测试与其它材料试验方法相比有轻便、灵活、可以大范围测材料试验方法相

2、比有轻便、灵活、可以大范围测试等一系列优点，因而在水利、矿业、交通、房试等一系列优点，因而在水利、矿业、交通、房建、市政等工程中得到广泛的应用。建、市政等工程中得到广泛的应用。1. 声波及其物理性质声波及其物理性质 5.1.1 5.1.1 物理学定义物理学定义n 声源体发生振动会引起四周空气振荡，那种振荡方式就是声波。声源体发生振动会引起四周空气振荡，那种振荡方式就是声波。声以波的形式传播着，我们把它叫做声波；声以波的形式传播着，我们把它叫做声波；n 声波借助各种声波借助各种媒介媒介向四面八方传播；向四面八方传播；n 除了空气，水、金属、木头、混凝土等也都能够传递声波，它们除了空气，水、金属、

3、木头、混凝土等也都能够传递声波，它们都是声波的良好都是声波的良好媒介媒介。在。在真空真空状态中声波就不能传播了。状态中声波就不能传播了。 5.1.2 5.1.2 声波频率声波频率n 人对声音的感觉有一定人对声音的感觉有一定频率范围频率范围，大约每秒钟振动，大约每秒钟振动2020次到次到2000020000次次范围内，即频率范围是范围内，即频率范围是20Hz-20000Hz20Hz-20000Hz；n 声波借助各种声波借助各种媒介媒介向四面八方传播。如果物体振动频率低于向四面八方传播。如果物体振动频率低于20Hz20Hz或高于或高于20000Hz20000Hz人耳就听不到了，高于人耳就听不到了，

4、高于20000Hz20000Hz的频率就叫做的频率就叫做超声波超声波，而低于而低于20Hz20Hz的频率就叫做的频率就叫做次声波次声波。 1.1 声波的传播规律声波的传播规律在弹性介质内某一点，由于某种原因而引起初始在弹性介质内某一点，由于某种原因而引起初始扰动或振动时，这一扰动或振动则以波的形式在扰动或振动时，这一扰动或振动则以波的形式在弹性介质内传播，形成弹性波。声波是弹性波的弹性介质内传播，形成弹性波。声波是弹性波的一种，若视岩土和混凝土介质为弹性体，则声波一种，若视岩土和混凝土介质为弹性体，则声波在岩土和混凝土介质中的传播服从弹性波传播规在岩土和混凝土介质中的传播服从弹性波传播规律。律

5、。波动方程波动方程拉密系数；拉密系数；体积应变；体积应变；质点的位移；质点的位移；介质密度。介质密度。拉普拉斯算子：拉普拉斯算子：拉密运动方程：拉密运动方程：纵波（纵波（P波）：波）：质点振动方向与波的传播方向一致时称为纵波。质点振动方向与波的传播方向一致时称为纵波。将上式代入拉密方程可得：将上式代入拉密方程可得：可得无限弹性介质中纵波的波动方程：可得无限弹性介质中纵波的波动方程：可得纵波的传播速度：可得纵波的传播速度：横波（横波（S波）：波）：质点振动方向与波的传播方向垂直时称为横波。质点振动方向与波的传播方向垂直时称为横波。将上式代入拉密方程可得：将上式代入拉密方程可得：可得无限弹性介质中

6、横波的波动方程：可得无限弹性介质中横波的波动方程：可得横波的传播速度：可得横波的传播速度：一维波动方程：一维波动方程： 对于一根混凝土桩，当对于一根混凝土桩，当L D时，可把桩看成是具有侧时，可把桩看成是具有侧限约束限约束(围压围压)的杆系结构。在桩顶施加一个初始扰动力的杆系结构。在桩顶施加一个初始扰动力(锤锤击一下击一下)，弹性波立即从桩头沿桩身往桩底传播，并满足一，弹性波立即从桩头沿桩身往桩底传播，并满足一维波动方程。维波动方程。波的传播速度：波的传播速度：比较纵波速度比较纵波速度VP、横波、横波VS和一维波和一维波VB。则有则有VPVBVSA）纵波速度总是大于横波速度）纵波速度总是大于横

7、波速度;B） 纵波又称纵波又称P(Primary)波，意即初至波，因其波速最快；波，意即初至波，因其波速最快；C）横波又称）横波又称S(Secondary)波，意即次波，因其波速最小。波，意即次波，因其波速最小。 由波速的表达式可知，弹性介质的性质及种由波速的表达式可知，弹性介质的性质及种类不同，弹性常数及密度也不同，因此，弹性波类不同，弹性常数及密度也不同，因此，弹性波在介质中传播的速度也不同。这样，如用人工在介质中传播的速度也不同。这样，如用人工(爆爆破、锤击等破、锤击等)发生弹性波，并设法用接收仪表测定发生弹性波，并设法用接收仪表测定其波速，则可以用来判别物体的特性及状态其波速，则可以用

8、来判别物体的特性及状态(如坚如坚硬或松软，裂隙与完整等硬或松软，裂隙与完整等)以及混凝土桩基的完整以及混凝土桩基的完整性和承载力等，这就是工程上经常使用的性和承载力等，这就是工程上经常使用的“弹性弹性波探测法波探测法”的理论依据。的理论依据。1.2 弹性波探测的理论弹性波探测的理论2.1 声波探测仪器设备声波探测仪器设备 声波探测的全过程是声波发射、传播及接收声波探测的全过程是声波发射、传播及接收显示，其相应的仪器有显示，其相应的仪器有发射换能器发射换能器、接收换能器接收换能器和和声波仪声波仪。2. 声波探测技术声波探测技术声波换能器声波换能器 换能器是声电能量的转换器件，俗称探头。换能器是声

9、电能量的转换器件，俗称探头。 换能器一般利用换能器一般利用压电陶瓷晶体的压电效应压电陶瓷晶体的压电效应原理工原理工作。作。l发射换能器发射换能器是将声波仪输出的具有一定功率的是将声波仪输出的具有一定功率的电信号转换成声信号发射到物体中，它的工作电信号转换成声信号发射到物体中，它的工作原理是利用晶体的原理是利用晶体的逆压电效应逆压电效应。l接收换能器接收换能器是将物体中传播的声信号转换成电是将物体中传播的声信号转换成电信号，输入到声波仪接收机的输入系统中，其信号，输入到声波仪接收机的输入系统中，其工作原理是利用晶体的工作原理是利用晶体的压电效应压电效应。压电效应的原理压电效应的原理l如果对压电陶

10、瓷施加压力，它便会产生电位差如果对压电陶瓷施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应）；（称之为正压电效应）；l反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。应）。l如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。超声波信号。 超声波探头结构超声波探头结构如图所示，它主要由如图所示，它主要由压 电 晶 片 、 吸 收 块压 电 晶 片

11、、 吸 收 块（阻尼块）、保护膜、（阻尼块）、保护膜、引线等组成。引线等组成。金 属 壳吸 收 块保 护 膜接 线 片压 电 晶 片导 电 螺 杆HF-2型平面换能器型平面换能器声波仪声波仪声波仪是声波测试的主要仪器设备，它的主要部声波仪是声波测试的主要仪器设备，它的主要部件是发射机和接收机，发射机的作用是根据使用件是发射机和接收机，发射机的作用是根据使用要求向声波测试探头输出一定频率的声脉冲，接要求向声波测试探头输出一定频率的声脉冲，接收机的功能是将接收探收到的微量信号放大，并收机的功能是将接收探收到的微量信号放大，并在示波器上显示或以数字的形式显示。在示波器上显示或以数字的形式显示。HF-

12、DHF-D型智能超声仪型智能超声仪HF-DHF-D型智能超声仪型智能超声仪HTY-C型超声波参数测定仪型超声波参数测定仪混凝土超声波测试仪混凝土超声波测试仪2.2 测试技术测试技术换能器的布置方法换能器的布置方法l穿透法穿透法将声波发射换能器将声波发射换能器和接收换能器放置和接收换能器放置在介质相对的两个在介质相对的两个表面上。表面上。l反射法反射法换能器向介质发射声波，波动沿发射方向传播换能器向介质发射声波，波动沿发射方向传播到介质的底面后，被反射回来再由换能器接收，到介质的底面后，被反射回来再由换能器接收，根据反射波传播的时间和显示的波形来判断介根据反射波传播的时间和显示的波形来判断介质内

13、部的缺陷和材料性质的方法，这种方法适质内部的缺陷和材料性质的方法，这种方法适用于介质的另一面无法安放换能器的情况，在用于介质的另一面无法安放换能器的情况，在结构混凝土厚度检测，桩基完整性检测中即采结构混凝土厚度检测，桩基完整性检测中即采用反射法。用反射法。l剖面法剖面法 发射换能器发射纵波通过一定角度入射到介质发射换能器发射纵波通过一定角度入射到介质中，被转换成表面波，通过对表面波特性的测中，被转换成表面波，通过对表面波特性的测定来判断介质的缺陷和树料的性能。若发射换定来判断介质的缺陷和树料的性能。若发射换能器和接收换能器同时放入一个钻孔时，即为能器和接收换能器同时放入一个钻孔时，即为单孔测井

14、。单孔测井。测试方法的确定测试方法的确定l测试地点的选择测试地点的选择根据测试目的的不同，应选择测试的地段能代根据测试目的的不同，应选择测试的地段能代表某一段的地质情况，测点或测孔应布置在岩表某一段的地质情况，测点或测孔应布置在岩性比较均匀、表面平坦、没有局部断裂破碎的性比较均匀、表面平坦、没有局部断裂破碎的地方地方l对测孔的要求对测孔的要求孔壁要圆滑、顺直、清洁，孔径大小要适当，孔壁要圆滑、顺直、清洁，孔径大小要适当，双孔成一组孔联合测试时，要求各孔尽量的相双孔成一组孔联合测试时，要求各孔尽量的相互平行。互平行。l表面处理表面处理 测点处的表面要清理干净，粗糙不平的地方要测点处的表面要清理干净，粗糙不平的地方要打磨平整，如果是不易打平的表面，可以用环打磨平整，如果是不易打平的表面，可以用环氧胶泥把测点处抹平，硬化后再涂上耦合剂。氧胶泥把测点处抹平，硬化后再涂上耦合剂。l探测频率的选择探测频率的选择为了在测距短、波速较高的情况下保证有较高为了在测距短、波速较高的情况下保证有较高的测量精度，则要求有足够高的探测频率，在的测量精度，则要求有足够高的探测频率，在岩体破碎、吸收衰减严重时所使用的频率应小岩体破碎、吸收衰减严重时所使用的频率应小一些。一些。l耦合剂耦合剂为了使声波有效地发射到被测介质或结构中，为了使声波有效地发射到被测介质或结构中