混凝土超聲檢測知識(完整)

1、7混凝土超聲檢測知識第一章 聲學(xué)概念一、波 形及其參數(shù)波是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一種運(yùn)動(dòng)型式。波動(dòng)可分為兩大類：一類是機(jī)械波，它是由機(jī)械振動(dòng) 在彈性介質(zhì)中引起的波動(dòng)過程， 如水波、 聲波等；另一類是電磁波， 它是由電磁振蕩所產(chǎn) 生的變化電場和變化磁場在空間的傳播過程，如無線電波、紅外線、可見光等。聲波是物體機(jī)械振動(dòng)時(shí)迫使周圍介質(zhì)也發(fā)生振動(dòng)并使振動(dòng)向外傳播而形成的一種波 動(dòng)。人們通常聽到的聲波頻率范圍是 20 20000Hz，叫可聞聲波。但聲波頻率超過 20000Hz 時(shí)，人耳就聽不見了，這種聲波叫超聲波。頻率低于 20Hz 的叫次聲波，人耳也聽不到。 各種聲波的頻率范圍見表 1-1。表 1-1各種聲波的頻

2、率范圍 （ Hz ）次聲波可聞聲波超聲波特超聲波02020200002104101010 10在彈性介質(zhì)中，任何一個(gè)質(zhì)點(diǎn)作機(jī)械振動(dòng)時(shí)，因?yàn)檫@個(gè)質(zhì)點(diǎn)與其鄰近的質(zhì)點(diǎn)間有相互 作用的彈性力聯(lián)系著， 所以它的振動(dòng)將傳遞給與之相鄰的質(zhì)點(diǎn)， 使鄰近的質(zhì)點(diǎn)也同樣發(fā)生 振動(dòng)然后振動(dòng)又傳遞給下一個(gè)質(zhì)點(diǎn)， 依次類推。這樣振動(dòng)就由近至遠(yuǎn)向各個(gè)方向以一定速 度傳播出去，從而形成機(jī)械波。 從上述可知，機(jī)械波的產(chǎn)生必須要有產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)的振源 和傳播振動(dòng)的介質(zhì)。將接收換能器置于某點(diǎn)接收由聲源傳過來的聲波，實(shí)際上就是接收該點(diǎn)在聲波作用下 的振動(dòng)過程。 振動(dòng)大小和方向隨時(shí)間而變化的過程曲線就稱為波形。 超聲儀屏幕上的圖形 就是

3、傳播到接收換能器所在位置質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移隨時(shí)間變化的曲線。由于諧振運(yùn)動(dòng)是最簡單的振動(dòng)， 所以它產(chǎn)生的余弦波是最簡單、 最基本的波。 先討論 余弦振動(dòng)在均勻介質(zhì)中傳播的波動(dòng)方程。 圖 1-1 表示離振源一定距離處的質(zhì)點(diǎn)位移隨時(shí)間 的變化曲線，振源為一余弦振動(dòng)。其振動(dòng)方程如下：y Acos t式中 A 振幅角頻率t 時(shí)間y質(zhì)點(diǎn)在 t 時(shí)刻離開平衡位置的位移波形參數(shù)：周期 T相位相同的相鄰的波之間所經(jīng)歷 的時(shí)間稱為周期。頻率 f 周期的倒數(shù)稱為頻率，單位赫茲或 千赫茲（Hz，kHz）。混凝土超聲檢測使用頻率一 般在 20200kHz 之間，f 與圓頻率的關(guān)系為 2 f 。振幅 A波動(dòng)的幅度， 表征波的強(qiáng)

4、弱， 通常 以分貝（db）或直接以屏幕上波高度的電壓表示。波長聲波波動(dòng)一次所傳播的距離。波速 v 單位時(shí)間波傳播的距離，以 m/s 或 km/s 表示。波長、頻率、波速間有如下關(guān)系：v= f（1-1 ）例如超聲波通過混凝土后被接收到， 測得其頻率為 50 kHz，超聲波在混凝土中的傳播 速度為 4500 m/s，則由（ 1）式可計(jì)算出混凝土中超聲波的波長：4500 102= 50 103 9cm二、波的分類聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)按照介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向之間的關(guān)系，可分為縱 波、橫波和表面波?？v 波：介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向一致，這種波稱為縱波，又稱為 P 波 可在固體、流體中傳播

5、。橫 波：介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直，這種波稱為橫波，又稱為 S 波 只能在固體中傳播。表面波 ：沿固體表面?zhèn)鞑サ牟?，它是由縱波和橫波組合而成，又稱瑞利波， R波。 通常的超聲換能器置于混凝土表面發(fā)射時(shí)， 振動(dòng)狀況復(fù)雜， 既有縱向振動(dòng)又有橫向振 動(dòng)，其發(fā)射出的超聲波既有縱波也有橫波和表面波。三、聲波在介質(zhì)中的傳播速度 在同一種介質(zhì)中，不同種類的波具有不同的傳播速度。 同一種類型的波，在同一種介質(zhì)中，因?yàn)椴煌倪吔鐥l件，其傳播速度也不相同 對于固體介質(zhì)來說：在無限大或半無限大介質(zhì)中的縱波速度 vP：E1 vP=（1 ）（ 12）（ 1-2）在有限的固體中傳播時(shí)，則形成制導(dǎo)波，傳播速度變

6、小。在薄板中（板厚遠(yuǎn)小于波長）縱波的傳播速度 vL：1-3)在細(xì)長桿中（桿的橫向尺寸遠(yuǎn)小于波長）縱波的傳播速度 vo：1-4)在無限固體中橫波的傳播速度 vS：1-5)vS=2（1 2）在固體表面?zhèn)鞑サ谋砻娌ㄋ俣?vR：0.87 1.12 vR= 1 vS（ 1-6）式中 密度；E 楊氏模量；G 剪切彈性模量；泊松比在同一種介質(zhì)中， 縱波速度 橫波速度 表面波速度。從（1-2）、（1-5）、（1-6）式可知：1-7)VP2(1 )VS1 2一般固體，介于 0-0.3 左右，VP 1.14，混凝土在0.2-0.3 左右，VP 1.63 -1.87 ， VSVS因?yàn)?VR0.9VS，所以 VP（

7、1.8-2.0 ）VR。因?yàn)榭v波比橫波速度快得多， 雖然換能器發(fā)射出各種類型的波， 接收換能器也可接收 到各種類型的波， 但最先接收到的波仍然是縱波。 目前在混凝土超聲檢測中主要研究的是 首波，即縱波。表 1-2 為部分材料的彈性模量、波速和特性阻抗值。表 1-2部分材料的彈性模量、波速和特性阻抗項(xiàng)目材料楊氏彈 性模量 （109N/m2）泊松 比（）密度（g/cm3）波速特性阻抗Zv （104g/cm2s）vPvS鋼2100.297.859403220463銅1240.348.945602250406玻璃700.252.558003350145陶瓷590.232.453003100127混凝土

8、300.282.445002486108石灰石720.312.761303200166淡水0.998148114.8空氣0.00123400.004四、波在介質(zhì)界面的反射和折射 聲波在傳播過程中，由一種介質(zhì)到達(dá)另一種介質(zhì)，在兩種介質(zhì)的分界面（界面）上， 聲波會(huì)發(fā)生方向和能量的變化： 一部分聲波被反射回到原來介質(zhì)中， 稱為反射波； 另一部 分聲波透過界面在另一種介質(zhì)中繼續(xù)傳播，稱為折射波。若以聲強(qiáng) I （定義：在垂直于聲波傳播方向上單位面積、單位時(shí)間內(nèi)通過的聲能量） 表示能量的大小，且定義：I1I2R= I0 為聲強(qiáng)反射系數(shù)； T = I0 為聲強(qiáng)透射系數(shù)。式中 I0、I1、I 2 分別為入射波

9、、反射波、透射波的聲強(qiáng)。 聲強(qiáng)反射系數(shù)、聲強(qiáng)透射系數(shù)反映了界面上聲波能量變化在數(shù)量上的關(guān)系。 由理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)可知， 反射系數(shù)與透射系數(shù)的大小取決于兩種介質(zhì)的聲學(xué)特性， 具 體來說取決于介質(zhì)的特性阻抗 Z。特性阻抗 Z 表征介質(zhì)的聲學(xué)特性， 其值為介質(zhì)的密度和波速的乘積， 即 Z=v。（見 表 1-2 ）。對于垂直入射到兩個(gè)無限大界面的聲波（圖 1-2 ）：R=1-8)Z 2 Z1)2Z 2 Z1)2T=4Z1Z2Z 2 Z1)2(1-9式中 Z 1、 Z2第一、二種介質(zhì)的特性阻抗。從（ 8）式、（9）式可知：1） R+T=1 ，這符合能量守恒定律；2） Z1= Z2 時(shí)， R=0，T=1，即

10、當(dāng)兩 種介質(zhì)特性阻抗相等時(shí)，聲波全部透過 界面，無反射，對聲波來說，兩種介質(zhì) 如同一種介質(zhì)一樣；3） 當(dāng)兩種介質(zhì)特性阻抗相差懸殊 時(shí)（Z1 Z2或Z1 Z 2），R1，T0， 即聲波能量在界面絕大部分被反射，難 于進(jìn)入第二種介質(zhì)。從表 1-1 可看到，鋼、混凝土一類固體介 質(zhì)特性阻抗較大，液體一類介質(zhì)次之，空氣的Z1=1v1Z1=2 v2TR圖 1-2 垂直入射聲波的反射和透射T圖 2-1 超聲測試波形特性阻抗最小，因此，在空氣與固體介質(zhì)界面上，聲波 很難通過，絕大部分被反射。這也就是為什么換能器和被測體之間需要耦合介質(zhì)（黃油、水等）的原因。也正是利 用聲波在界面這一點(diǎn)，可以用超聲波探測裂縫。

11、第二章 混凝土超聲檢測原理一、 混凝土超聲檢測原理 超聲波通過混凝土傳播后，其聲學(xué)參數(shù)將發(fā)生變化。根據(jù) 這些聲學(xué)參數(shù)的變化可以探測混凝土內(nèi)部缺陷、裂縫及質(zhì)量情 況。常用于混凝土超聲探測的聲學(xué)參數(shù)如下：1）波速 v（聲速）： 波速就是聲波在介質(zhì)中傳播的速度。V=Lt（2-1 ）式中 L 聲波傳播距離。因?yàn)槭且宰钕鹊竭_(dá)的波為準(zhǔn)， L 就 是發(fā)、收換能器間的最短距離； t聲波傳播時(shí)間 （聲時(shí)）。聲時(shí)由超聲儀測得， 測距需 要實(shí)體測量得到。波速是主要的聲學(xué)參數(shù)。2）振幅 A ：接收波首波的幅度。振幅可以分貝 （db）表示， 由超聲儀上讀出，也可憑示波器上的刻度（ mm）度量振幅參數(shù)在探測缺陷和裂縫中是

12、重要的參數(shù)首波后面 12個(gè)周波是直達(dá)的縱波， 所以測定接收波頻率時(shí)應(yīng)當(dāng)測定這 12個(gè)波的頻 率?？梢酝ㄟ^移動(dòng)游標(biāo)的辦法測定兩個(gè)波谷（峰）的聲時(shí)t1、t2，則頻率 f：f= t21 t1（2-2）3）收波主頻率（簡稱頻率） f：發(fā)射換能器發(fā)出的超聲脈沖波是復(fù)頻脈沖波，它包含 各種頻率成分。超聲脈沖波在混凝土中傳播過程中高頻成分首先衰減，結(jié)果隨著傳播距 離的增加，超聲波的主頻率不斷下降。接收波主頻率的下降除了與傳播距離有關(guān)外，還 取決于混凝土內(nèi)部缺陷、裂縫和質(zhì)量。因此，接收波頻率也是一個(gè)有用的參數(shù)。4）波形：即波的形狀。正常的混凝土，超聲波接收波形是衰減正弦波，其包絡(luò)線大 致為半圓形。當(dāng)混凝土內(nèi)存

13、在缺陷時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)畸變波，如后圖所示。波形受許多因 素影響，在判斷缺陷中只能作為一種輔助參數(shù)。在結(jié)構(gòu)物上布置換能器， 讓聲傳播線通過需要檢測的部位， 測量聲波通過這些部位后， 聲學(xué)參數(shù)的大小及其變化情況，據(jù)此判斷混凝土內(nèi)部缺陷及質(zhì)量情況。二、幾個(gè)需要了解的問題1）測距對聲速的影響本來，一種介質(zhì)的波速是一定的， 不應(yīng)隨尺 寸大小而變。但問題在于，用我們目前的超聲 儀來測定時(shí)，隨著測距的增加，所測得的波速 值確實(shí)會(huì)減小。為了弄清這個(gè)問題， 南京水利科學(xué)研究院與 葛洲壩工程局合作進(jìn)行了大規(guī)模的試驗(yàn)。制作 了不同強(qiáng)度等級的大型混凝土階梯型試件（圖2-2）。試件混凝土盡可能均勻一致。從二個(gè)方向 一級一

14、級地測試混凝土的波速。這樣就獲得了 在不同測距（從 15cm 600cm）下混凝土波速的 變化情況，如圖 2-3 所示。從圖中可以看到，三種等級的混凝土，隨著測4.5 圖d（m ）圖 2-3 聲速測距關(guān)系圖1-C35號； 2-C25 號； 3-C15號距增加，所測波速都逐漸減小。 減小的趨 勢是：測距短時(shí)減小快，而測距增大后， 這種減小趨勢也變緩。在測試波速的同時(shí)也測量了接收波 主頻率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著測距的增加， 接 收波的主頻率也變小， 且變小的趨勢與波 速變小的趨勢一致。超聲脈沖波隨著傳播距離增加將逐 漸衰減，而其中高頻分量又比低頻分量更 容易衰減，所以隨著測距增加接收波的主 頻率也隨之下

15、降。 超聲脈沖波主頻率的下降正是引起所測波速下降的根本原因， 為了使在實(shí)體結(jié)構(gòu)上測 得的波速與在 15cm 試件上測得的波速一致， 根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果制作了不同測距波速修正 表。表中以 15cm測距為準(zhǔn)， 凡測距大于 15cm 者，可將測得的波速乘上表中的修正系數(shù)。 中間測距可用內(nèi)插修正。表 2-1 不同測距波速修正表測距 cm1550100200300400500修正系數(shù)11.0031.0151.0231.0271.0301.0312）鋼筋對波速測量的影響為什么鋼筋對混凝土波速測量有影響？道理很簡單， 聲波在鋼中傳播速度比混凝土快。 聲波在鋼中的傳播速度 5900 m/s；混凝土的傳播速度 4

16、000m/s5000m/s。由于測定聲時(shí)時(shí)， 我們總是以首先到達(dá)的波來計(jì)時(shí)， 所以當(dāng)在聲波的傳播路徑上遇到 鋼筋時(shí)，有時(shí)會(huì)使所測波速增大。CBDdA圖 2-5 平行鋼筋的影響現(xiàn)在談?wù)勪摻钍侨绾斡绊?，影響的大小及如何避免。鋼筋的影響分兩種情況：圖 2-4 垂直鋼筋的影響a. 垂直鋼筋的影響。一些構(gòu)件，如梁，上下有成排的主筋（圖 2-4）。如果我們測量梁的混凝土波速時(shí)，換 能器正好對準(zhǔn)鋼筋， 這時(shí)，聲波穿鋼筋而過， 將使所測波速略有提高。 隨鋼筋排列的密度 不同波速會(huì)增大 1%5%。這時(shí)，只需要將換能器向上移開鋼筋 35cm，這種影響就沒有 了。b.平行鋼筋的影響有時(shí)也會(huì)遇到鋼筋的方向正好與聲波的

17、傳播方向平行，如圖 2-5。當(dāng)發(fā)射換能器 A 發(fā) 出一束超聲波，其中一部分在混凝土中傳播，直接由 A 到達(dá) D。同時(shí)，也有一部分超聲 波從 A 出發(fā)，斜向傳播到鋼筋上的 B 點(diǎn)，然后沿著鋼筋以較快的速度傳播到 C 點(diǎn)，再從 C 到達(dá)接收換能器 D。如果 A、D 換能器離開鋼筋的距離 d 小到一定程度，那么完全有可 能聲波經(jīng)折線 AB BC CD 傳播的時(shí)間還短于經(jīng) AD 直接傳播的時(shí)間。這時(shí)，我們?nèi)匀灰詼y距 L 來計(jì)算波速，結(jié)果計(jì)算出的波速就高于混凝土真正的波速。 通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)并經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)知道換能器距鋼筋的距離 d 及聲波在鋼筋中的波速， 我們也是可以計(jì)算出聲波在混凝土中的 AB 、CD

18、段的波速。但最方便和最穩(wěn)妥的作法是 在選定測點(diǎn)時(shí)， 使換能器連線與鋼筋離開一定距離。 離開的最小距離 dmin 是可以計(jì)算的。 作為大致估計(jì)， dmin為測距 L 的 1/61/8。這樣就可完全不受鋼筋的影響了?；炷两Y(jié)構(gòu)中大都有鋼筋， 那么是不是一聽到說有鋼筋， 就沒辦法測量呢？完全不是 這么回事。根據(jù)上面的討論我們可以歸納出關(guān)于鋼筋影響的幾點(diǎn)結(jié)論： 對于垂直于測試方向的鋼筋這是常遇到的， 例如柱、墩、墻體的主筋。 雖然可能縱橫都有， 但都與測試方向垂直， 完全可以不去管它。僅僅象梁的底部、頂部有成排的主筋，因?yàn)槊芗?，?huì)顯出一些影響。但避開也很簡單：將測點(diǎn)移開 35cm 就行了。 對于平行于測試方向的鋼筋真正遇到這種情況的不多， 只是在結(jié)構(gòu)變斷面或機(jī)械安裝的局部區(qū)域碰到。 這時(shí)通常 考慮避開。避開的最小距離為測距的 1/81/6 。