声波检测技术：第三章 声波检测的测量方法

1、声波检测的测量方法声波检测仪 声波仪的一般要求声波仪除了产生、接收、显示声波外，还须具有量测声波有关参数，如声传播时间、接收波振幅、频率等功能。一般不论那种型号的声波仪，都应满足以下要求：1. 为满足大测距测量的要求，声时可测量范围应在5000 以上(相当于20m测距)。为此应有足够的扫描延迟时间及声时显示位数；力满足测量试件混凝土声速精度的要求，测时最小分度宜为0.1 。 声波仪的一般要求2. 仪器应具有良好的稳定性。声时显示调节在20-30 范围内时，2小时内声时显示的漂移应不大于 ，且不允许发生间隔跳动。3. 仪器接收放大器频率响应范围(频带)应有足够宽度，一般应不小于10-200KHz

2、。4. 仪器宜具有示波屏显示波形和测读功能。以便较被确地测读声时、振幅及频率等参数。5. 适于一般现场测试情况下的温度、电源变化条件。 声仪的一般工作原理 1-脉冲振荡器；2-主控振荡器；3-同步器；4-时标部件；5-扫描振荡器；6-放大器；7-电源；8-稳压 工作原理 1. 控制脉冲部件产生同步信号，它们保证脉冲振荡、触发扫描振荡器准确地同时工作和规定重复工作的频率；2. 脉冲振荡器周期的(多次的)产生短的电脉冲加到发射换能器上；3. 发射换能器将振荡器的电脉冲变换成机械的脉冲并且将其加到被测试的构件上，即产生声波在构件中传播；4. 接收换能器将接收此机械振动并变换成电脉冲；5. 电信号放大

3、器用来放大被接收换能器转换成的微弱电信号并将其送到显示器上；6. 显示器用来观测发射的起始脉冲和传播的被放大的信号波形。在显示器上用时间刻度来测量声波在构件中的传播时间；波幅衰减测量可在示波屏上直接量测或另设专门的衰减器量测； 声波检测中换能器的选配 换能器种类选择 换能器频率选择 换能器与被测体的耦合 换能器种类选择 纵波换能器有平面换能器、径向换能器。平面换能器用于一般结构、试件的表面对测和平测，是必备的换能器。径向换能器（增压式、圆环式、发双收换能器）则用在需钻孔检测或灌注桩声测管中检测等场合以及水下检测。换能器频率选择 对于混凝土来说，由于声波在混凝土中衰减较大，为了有一定的传播距离，

4、混凝土声波检测都使用低频率声波，通常在200kHz以下。在此频率范围内，到底采用何种频率取决于以下两个因素： 1.结构(或试件)尺寸 2.被测结构对声波衰减情况 结构(或试件)尺寸 结构尺寸不同，应选择不同的声波频率。这里所谓的尺寸包括穿透距离和横截面尺寸。被测休测距越大，声波衰减也越大，接收波振幅越小。为保证正常测读，必须使接收波有一定的幅度，因此，对于大的测距只能使用更低频率的声波甚至声波。目前，探测十多米以上的大型混凝土结构通常使用20kHz或以下频率的换能器。当测距铰短时，为使接收信号前沿陡峭，起点分辨精确以及对内部缺陷与裂缝有较高分辨力，则尽量使用较高的频率。 结构(或试件)尺寸被测

5、体的横截面尺寸主要是考虑声波传播的边界条件。通常所说的声波声速均指声波在半无限大的介质中的速度。若横截面小到某种程度，声波声速将有明显的频散(几何频散)，所测得的声速(表观声速)将降低。通常认为，横断面最小尺寸应大于声波波长的2倍以上。因此，在测试小截面尺寸的结构或试件时应用较高频率。但也有人认为，在试件测试中，频率也不宜太高。因为虽然较高频率波长短，满足半无限大的边界条件，但由于被测体是由各种颗粒组成，若波长与颗粒尺寸相比较太小，则被测体呈明显的非均质性，不利于用声学参数来反映被测体总体的性能，因此也不宜用过高的频率。 结构(或试件)尺寸根据实际使用情况，对于一般的正常混凝土，换能器频率选择

6、可参见下表 被测结构对声波衰减情况 根据被测体尺寸来选择声波频率指的是对一般混凝土而言。对于某些特殊情况，例如：被测混凝土质量差，强度低，当用所选用频率测试时接收信号很微弱，则须降低使用频率，以期获得足够幅度；被测混凝土是早龄期，甚至尚未完全硬化，声波衰减很大，则只能使用更低的频率甚至使用对闻声波的频率 。换能器与被测体的耦合 如果被检测体（如混凝土）表面粗糙不平时，当换能器辐射面与之接触时，不论压得多紧、实际上两者之间仍有空气夹层阻隔其间。由于固体与空气的特性阻抗相差悬殊，当声波由换能器外壳传播到空气夹层时，声波能量绝大部分被反射而难于进入混凝土。对于接收换能器来说，情况也一样。为此，需要在

7、换能器与混凝土之间加上耦合剂。耦合剂本身是液钵或膏体，它们充填于二者之间时，排掉了空气，形成耦合剂层。虽然膏体或液钵的特性阻抗与换能器外壳或被检测体相比仍小很多，但却比空气大得多、这样声波就不致绝大部分被反射，而是有相当一部分进入被检测体，这样就达到了声耦合的目的。 换能器与被测体的耦合平面换能器的耦合剂一般采用较廉价的膏体，如黄油、凡士林、石膏浆等。若被测体表面希望不被油污，也可用浆糊代替黄油。因浆糊是由悬浮液浓缩的，对声波的衰减略大于黄油。换能器与被测体的耦合当混凝土表面潮湿时，用黄油作耦合剂效果很差。其原因是黄油与水相互分离，声波通过时衰减加大。这种情况下应使用水溶性膏状物作耦合剂。例如

8、海藻酸钠，它是以海藻为原料，经化学处理，先提取碘，然后用碳酸钠中和而得到的副产品，呈褐色的固体，不溶于有机溶剂，亲水性强。用海藻酸钠5份，水100份，硝酸钠(防锈剂)0.03份，甲醛(防腐剂)0.1份，在搅拌机中拌匀，成为胶状溶液，即可作耦合剂用。这种耦合剂的特点是不油污测试表面经水一冲即可干净，也可任其干燥，自行脱落。另外由于是水溶性胶状溶液，适于在潮湿表面使用。换能器与被测体的耦合当在钻孔中用径向换能器进行测量时，通常用水作耦合剂。当钻孔钻好后，应冲洗钻孔，注满清水将径向换能器置入钻孔即可观测。值得注意的是，孔中水应尽量不含悬浮物(如泥浆、砂等)。悬浮液对声波有较强的散射衰减，影响振幅的测

9、量。当钻孔方向向上时，需解决封孔灌水和使换能器能在孔内上下移动的问题。为此，需制作专门的封孔止水器及换能器接杆。 声波检测的工作方法 一、测区、测线、测点的选择的一般原则 1. 测区的选择对于工程岩体的声波探测，除根据需要特别指定的测区外，在进行测试区域选择时，应选择有代表性的地段进行测试。力求以最少的工作量说明较多的典型性问题。通常是地质条件比较相似的“地质单元”，即岩性、裂隙发育程度、风化程度、地下水赋存等等相似的地段，作为一个测段。对于混凝土的检测，主要是对指定的需要检测的混凝土结构进行检测。根据检测的要求和测试的操作条件确定测试位置。 2. 测线的布置测线是由岩面上和混凝土结构上诸测点

10、或结构内部诸测孔所构成。测线应有明确的针对性，要考虑为某一目的的岩体和混凝土特性测试的声波传播特点和边界条件的可能性，确定采用的工作方式。对混凝土结构来说，测线一般选择在检测面的中间位置。3. 测点的位置对于岩面上的测点，宜选择在岩性均匀、表面光洁、无局部节理裂隙处(除为专门探测异常及缺陷外)，即基本上是较均一的地点。在钻孔中测量要保证一定的密度（精度）。在混凝土结构面上的测点，宜选择在表面清洁、平整的地方，必要时可用砂轮磨平或用高强度的快凝砂浆抹平。 声波检测的工作方式 按声波的传播可概括为 ：透射法反射法折射法 透射法 透射法又称为直透法，是发射换能器（F）和接收换能器（S）在非同一平面(

11、一般是两个面)设置，都是研究由发射换能器发射并通过被测介质传来的直达波或绕射波。透射法（1）室内岩石试件测试对室内岩石试件进行声波测试时，通常都是利用透射直达波法，即在岩石试件的上下两端面或侧面，安置测试换能器。透射法（2）现场结构的检测 现场试件或混凝土构件的检测，一般利用其结构的非同一面设置换能器 透射法（3）孔（井）间声波探测 孔(井)间声波透射波法，是利用两个钻井（或预埋管），分别设置发射和接收换能器，根据两换能器位置和变功，又可分为水平同步、高差同步、高差异步等 孔（井）间声波探测反射法 反射法是使发射换能器和接收换能器置于同一检测面，并且使两换能器之间的距离小于折射波发生的盲区，那

12、么接收到的波除了可能是直达波外，还可以是来自与观测表面几乎平行的界面的反射波 折射法 当设置在同一结构面上或同一测井(孔)中的两换能器保持适当距离时，通过测量被测结构表面传来的折射被，以了解结构表面及表面在纵剖面有限深度的特性。折射法是结合面检测和损伤层检测中最常见的工作方式。结构面平透折射波法 测井(孔)平透折射波法 透射-绕射波法 在研究某些结构中存在缺陷，例如裂缝（裂隙）、空洞等时，直达波受阻或迟慢，所接收的初至为绕射波。透射-绕射波法的工作方式，既可以是透射法，也可以是反射方式的单面平测法。声波CT成像的测试方法 CT成像（Computed tomography），是依据在物体外部观测

13、到的数据建立起物体截面的图像。声波CT成像技术，是依据声波的传播特点，以射线理论和波动理论为基础，并借助于层析成像技术，发展起来的一种射线成像技术和绕射（衍射）成像技术。 网格划分 因为混凝土是一个非均质的弹-粘-塑性的复合体系，从理论上讲，测区网格划分的越细，则反演精度愈高，但相应计算成本就会增加，耗机时和内存。而施工过程中造成的质量异常区往往有一定的尺寸，满足工程需要即可。声波层析成像正演部分，应用基于Snell定律的射线追踪方法，声波射线按折线方式传播。检测经验表明，当网格尺寸为波长2-5倍可满足条件，在实际应用中，可取网格尺寸为20-40cm。 测试方法 声学参数的测量 声速振幅频率波

14、形 声速 零声时零声时是收、发换能器的相应延时和仪器通道的延时之和，在双通道时，应测出每个接收换能器的零声时。常用来测量零声时的方法有两种：1、收、发换能器直接耦合在一起进行测量；2、通过测试标准声时棒得到的声时值与标准声时棒的标称值之差来测量。 声速测量影响因素一类是与混凝土性能有关的某些因素的影响；包括混凝土的粗骨料的数量、种类和颗粒组成，还有水灰比和水泥用量等。一般混凝土弹性模量越高，内部越致密，波速也越大，混凝土强度等级越高，波速也越大 一类是与混凝土性能无关的某些因素的影响。 试件测试面的粗糙度和声耦合的影响 试件的测距和横向尺寸的影响 温度和湿度的影响 振幅 首波幅度高低变化是判断混凝土结构密实度的重要参量之一 振幅的测量实际上是用某种指标来度量接收波首波的高度，并将它作为平行比较各测点声波信号强弱的一种相对指标。在声波的检测过程中，可调整增益在同一水平进行度量。 频率 现有声波仪测量声波主频率的简易方法，即以测量接收