超聲首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解析

1、混凝土裂縫深度檢測混凝土裂縫深度檢測超聲首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解析超聲首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解析童壽興上海市建設(shè)工程檢測行業(yè)協(xié)會(huì)上海市建設(shè)工程檢測行業(yè)協(xié)會(huì)20142014年度主體結(jié)構(gòu)混凝土年度主體結(jié)構(gòu)混凝土非破損檢測培訓(xùn)非破損檢測培訓(xùn)8:3211 超聲波超聲波檢測檢測混凝土裂縫深度混凝土裂縫深度的的方法方法超聲波首波相位反轉(zhuǎn)法超聲波首波相位反轉(zhuǎn)法3單面平單面平測測 CECS：21標(biāo)準(zhǔn)法標(biāo)準(zhǔn)法1單面平測單面平測 BS-1881 標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)法法28:3221 超聲波超聲波檢測檢測混凝土裂縫深度混凝土裂縫深度的的方法方法11.1 1.1 單面單面平平測測 CECS CECS：21 21 標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)法法 裂縫深度的計(jì)

2、算公式裂縫深度的計(jì)算公式90版公式版公式2000版公式版公式 2012ccltht （a）等距等距不不跨跨縫檢測縫檢測 （b）等距等距跨跨縫縫檢測檢測圖1 CECS：21 標(biāo)準(zhǔn)檢測混凝土裂縫深度 基本假設(shè)：基本假設(shè)： 1）裂縫附近混凝土質(zhì)量基本一致；）裂縫附近混凝土質(zhì)量基本一致； 2）跨縫與不跨縫檢測，其聲速相同；）跨縫與不跨縫檢測，其聲速相同；(不跨縫檢測的聲速其實(shí)是平測聲速不跨縫檢測的聲速其實(shí)是平測聲速） 3) 跨縫測讀的首波信號(hào)繞裂縫末端至接收換能器?？缈p測讀的首波信號(hào)繞裂縫末端至接收換能器。1)(221iiiLvtLh8:3231 超聲波超聲波檢測檢測混凝土裂縫深度混凝土裂縫深度的的方

3、法方法BS-1881標(biāo)準(zhǔn)檢測混凝土裂縫深度的標(biāo)準(zhǔn)檢測混凝土裂縫深度的方法方法1的的原理是，兩次選取不同的原理是，兩次選取不同的a1、a2測距測距測量測量， a2 = =2a1 ，假設(shè)假設(shè)超聲波在混凝土中兩次傳播的速度超聲波在混凝土中兩次傳播的速度不變不變 v v1 1=v=v2 2 ，根據(jù)根據(jù)速速度相同的條件可以得到聲時(shí)和裂縫深度之間的計(jì)算公式度相同的條件可以得到聲時(shí)和裂縫深度之間的計(jì)算公式。1.2 1.2 BS-1881BS-1881標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)法法 （9090年代年代 BS-4408 BS-4408）21222221415tttth 定義定義：v1=v2, a1=15cm, a2=2a1=30

4、cm, 得：得：圖2 BS-1881法檢測混凝土裂縫深度8:3241 超聲波超聲波檢測檢測混凝土裂縫深度混凝土裂縫深度的的方法方法v 超聲波首波相位反轉(zhuǎn)法超聲波首波相位反轉(zhuǎn)法 如圖所如圖所示示，1982年年筆者發(fā)現(xiàn)筆者發(fā)現(xiàn)2若若置換能器于裂縫兩側(cè)，當(dāng)換能器與裂縫間距置換能器于裂縫兩側(cè)，當(dāng)換能器與裂縫間距a分分別別大于、等于、小于裂縫深度大于、等于、小于裂縫深度dc時(shí)時(shí)，超聲波接收波形如，超聲波接收波形如(a),(b),(c)所示。首波的振所示。首波的振幅相位先后發(fā)生了幅相位先后發(fā)生了180的的反轉(zhuǎn)變化，即在平移換能器時(shí)，隨著反轉(zhuǎn)變化，即在平移換能器時(shí)，隨著a的的變化，變化，存在著存在著一個(gè)使首

5、波相位發(fā)生反轉(zhuǎn)變化的一個(gè)使首波相位發(fā)生反轉(zhuǎn)變化的臨界點(diǎn)臨界點(diǎn)，換能器間距與縫深比存在換能器間距與縫深比存在1.71.72 2倍倍的的關(guān)系。關(guān)系。1.3 1.3 超聲波超聲波首波相位反轉(zhuǎn)首波相位反轉(zhuǎn)法法圖3 超聲波首波相位反轉(zhuǎn)法檢測混凝土裂縫深度8:3251 超聲波超聲波檢測檢測混凝土裂縫深度混凝土裂縫深度的的方法方法v 超聲波首波相位反轉(zhuǎn)法超聲波首波相位反轉(zhuǎn)法泊松比泊松比與與回折角回折角的關(guān)系的關(guān)系1990年在日本，年在日本，筆者筆者瀏覽到瀏覽到1988年日本同行有關(guān)于年日本同行有關(guān)于首波反向發(fā)生時(shí)測距首波反向發(fā)生時(shí)測距裂縫深度裂縫深度的的近似近似2倍關(guān)系倍關(guān)系的論文發(fā)表。的論文發(fā)表。當(dāng)當(dāng)ad

6、c時(shí)回折角時(shí)回折角約為約為900。在該臨界點(diǎn)左右，波。在該臨界點(diǎn)左右，波形變化特別敏感。只要把換能器稍作來回移動(dòng)，首波振幅相位反轉(zhuǎn)瞬間而形變化特別敏感。只要把換能器稍作來回移動(dòng)，首波振幅相位反轉(zhuǎn)瞬間而變變。1991年年日本日本関西大學(xué)工學(xué)部関西大學(xué)工學(xué)部的的中野正中野正吉吉推導(dǎo)推導(dǎo)出泊松比出泊松比與回折角與回折角的的關(guān)系關(guān)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之間，若取中值，則回折角之間，若取中值，則回折角+=90。1.3 1.3 超聲波超聲波首波相位反轉(zhuǎn)首波相位反轉(zhuǎn)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 泊松比與回折角的關(guān)系 8:3261 超聲波超聲波檢測檢測混凝土裂縫深度混凝土裂縫深度的的方法方法v 換能器不對(duì)稱布置換能器不對(duì)稱布置時(shí)的超聲波時(shí)的超聲波首波相位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象首波相位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象 在在以往的研究中以往的研究中，筆者，筆者又又發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)4 5當(dāng)當(dāng)換能器不對(duì)稱布置在裂縫兩側(cè)的場合換能器不對(duì)稱布置在裂縫兩側(cè)的場合,可先固可先固定某一換能器定某一換能器， 再再移動(dòng)另一換能器，則也可以觀察到首波相位的反轉(zhuǎn)變化移動(dòng)另一換能器，則也可以觀察到首波相位的反轉(zhuǎn)

8、變化現(xiàn)象。現(xiàn)象。如如圖圖4所示所示(a)，(b)，(c)點(diǎn)波形參見圖點(diǎn)波形參見圖3(a)，(b)，(c)，在首波振幅相位反轉(zhuǎn)的臨界點(diǎn)處，在首波振幅相位反轉(zhuǎn)的臨界點(diǎn)處,回回轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角 + 也也均約為均約為90度。移動(dòng)度。移動(dòng)R換能器當(dāng)觀察到首波相位反轉(zhuǎn)變化時(shí)的換能器當(dāng)觀察到首波相位反轉(zhuǎn)變化時(shí)的ACB為為直角三角形（可在小方格紙上按尺寸比例直角三角形（可在小方格紙上按尺寸比例作圖作圖 驗(yàn)證）驗(yàn)證）。 裂縫裂縫深度深度dc與二與二換能器換能器的的中中心距心距的近似關(guān)系式的近似關(guān)系式： 。作為作為特例，特例，當(dāng)換能器距裂縫對(duì)稱布置時(shí)，當(dāng)換能器距裂縫對(duì)稱布置時(shí)，dc a，參參見圖見圖3 (b)。1.3 1

9、.3 超聲波超聲波首波相位反轉(zhuǎn)首波相位反轉(zhuǎn)法法圖4 換能器不對(duì)稱布置21LLdc8:3271 超聲波檢測混凝土裂縫深度的方法超聲波檢測混凝土裂縫深度的方法1.3 1.3 超聲波首波相位反轉(zhuǎn)法超聲波首波相位反轉(zhuǎn)法v 換能器間距與縫深比換能器間距與縫深比 19821982年年2采用同濟(jì)大學(xué)自制的超聲波檢測采用同濟(jì)大學(xué)自制的超聲波檢測儀儀，發(fā)現(xiàn)了因換能器平置裂縫兩側(cè)的間距發(fā)現(xiàn)了因換能器平置裂縫兩側(cè)的間距不同而引起首波幅度及其振幅相位變化的不同而引起首波幅度及其振幅相位變化的現(xiàn)象，現(xiàn)象，筆者筆者提出了提出了換能器間距與縫深比存換能器間距與縫深比存在在1.71.72 2倍倍的的關(guān)系關(guān)系。平均平均1.85

10、1.85倍。倍。8:3281 超聲波超聲波檢測檢測混凝土裂縫深度混凝土裂縫深度的的方法方法 v 換能器間距與縫深比換能器間距與縫深比 換能器換能器裂縫裂縫間距與間距與裂縫裂縫深度的深度的關(guān)系關(guān)系國內(nèi)國內(nèi)不同不同研究研究單位單位意見意見不大一致，不大一致，有有的的研究者研究者（陜西院）（陜西院） 6 認(rèn)為認(rèn)為反相點(diǎn)處間距反相點(diǎn)處間距/縫深比縫深比為為1.0倍倍（換能器間距為兩換能器的內(nèi)邊距）?？悼迫鹂悼迫疱уТ嫱ぃ瑢O剛柱存亭，孫剛柱在論在論文文 “超聲平超聲平測法檢測混凝土裂縫深度測試方法的試驗(yàn)研究與建議測法檢測混凝土裂縫深度測試方法的試驗(yàn)研究與建議” 7 中中 關(guān)于關(guān)于首首波反相點(diǎn)出現(xiàn)的位置在

11、進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究后：得出波反相點(diǎn)出現(xiàn)的位置在進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究后：得出“反相點(diǎn)反相點(diǎn)處處間距間距/縫深比一般在縫深比一般在1.5倍附近倍附近。（同上：此時(shí)換能器間距為兩換能器的內(nèi)邊距） 基于同濟(jì)大學(xué)基于同濟(jì)大學(xué)1.72倍倍(平均平均1.85倍）和陜西院倍）和陜西院1.0倍倍以及以及康科康科瑞瑞1.5倍倍的的不同研究結(jié)果不同研究結(jié)果， 濮濮、孫孫的論的論文文得出：得出：“說明反相點(diǎn)處間距說明反相點(diǎn)處間距/縫深比并不能確定縫深比并不能確定”的結(jié)論的結(jié)論，間接否認(rèn)了間接否認(rèn)了超聲波首波相位反轉(zhuǎn)法超聲波首波相位反轉(zhuǎn)法檢測檢測混凝土裂縫深度的方法?；炷亮芽p深度的方法。1.3 1.3 超聲波超

12、聲波首波相位反轉(zhuǎn)首波相位反轉(zhuǎn)法法8:3291 超聲波檢測混凝土裂縫深度的方法超聲波檢測混凝土裂縫深度的方法 換能器間距與縫深比換能器間距與縫深比 考察到考察到濮存亭，孫剛柱濮存亭，孫剛柱論論文文7的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在縫縫深深較較小時(shí)對(duì)應(yīng)的間距小時(shí)對(duì)應(yīng)的間距/縫深比縫深比較較小小的事實(shí)的事實(shí)， 這這應(yīng)該是與換能器的直徑尺寸效應(yīng)有關(guān)，即換能應(yīng)該是與換能器的直徑尺寸效應(yīng)有關(guān)，即換能器的直徑尺寸對(duì)越小縫深的影響越大。器的直徑尺寸對(duì)越小縫深的影響越大。眾所周眾所周知在平測法檢測混凝土裂縫深度的計(jì)算公式中知在平測法檢測混凝土裂縫深度的計(jì)算公式中換能器的間距不取內(nèi)間距。如果考慮換能器的換能器的間距不取內(nèi)

13、間距。如果考慮換能器的直徑尺寸，（設(shè)換能器的直徑為直徑尺寸，（設(shè)換能器的直徑為38 mm）筆者）筆者嘗試重新計(jì)算了嘗試重新計(jì)算了該論該論文文7中中反相點(diǎn)出現(xiàn)的位置反相點(diǎn)出現(xiàn)的位置一節(jié)一節(jié)中中列出的全部試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出列出的全部試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出：當(dāng)考慮了當(dāng)考慮了換能器直徑的影響因素后，其對(duì)應(yīng)的間距換能器直徑的影響因素后，其對(duì)應(yīng)的間距/縫深縫深比的平均值為比的平均值為1.853倍。倍。右圖右圖換能器間距換能器間距2a為兩為兩換能器中心距換能器中心距。與。與1982年的同濟(jì)大學(xué)結(jié)果一致。年的同濟(jì)大學(xué)結(jié)果一致。 研究表明：研究表明：首波相位發(fā)生反轉(zhuǎn)變化的臨界點(diǎn)首波相位發(fā)生反轉(zhuǎn)變化的臨界點(diǎn)， 同濟(jì)大學(xué)關(guān)于同

14、濟(jì)大學(xué)關(guān)于換能器換能器的中心的中心距與縫深比距與縫深比為為1.71.72 2倍倍的觀點(diǎn)是正確的。的觀點(diǎn)是正確的。8:32101 超聲波超聲波檢測檢測混凝土裂縫深度混凝土裂縫深度的的方法方法下表引自：下表引自： 濮濮存亭，孫剛柱存亭，孫剛柱7 反相點(diǎn)出現(xiàn)的位置反相點(diǎn)出現(xiàn)的位置反相點(diǎn)處間距反相點(diǎn)處間距/縫深比一般在縫深比一般在1.5倍附近。倍附近。（換能器間距換能器間距為兩換能器為兩換能器的的內(nèi)邊內(nèi)邊距距） 筆者考察結(jié)果：筆者考察結(jié)果：當(dāng)考慮了換能器直徑的影響因素后，當(dāng)考慮了換能器直徑的影響因素后，其對(duì)應(yīng)的間距其對(duì)應(yīng)的間距/縫深比的平均值為縫深比的平均值為1.853倍倍（換能器間換能器間距距為兩換

15、能器為兩換能器中心距中心距） 【 設(shè)設(shè)換能器直徑為換能器直徑為38 mm計(jì)算計(jì)算】縫深縫深mm反相點(diǎn)處的反相點(diǎn)處的間距間距mm對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)的間距間距/縫縫深深51107.22.1063102.81.6375146.81.9684162.51.93103275.52.67130246.51.90148250.61.69208313.81.51316490.81.55412657.11.59縫深縫深mm反相點(diǎn)處的反相點(diǎn)處的間距間距mm對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)的間距間距/縫深縫深5169.21.356364.81.0375108.81.4584124.51.48103237.52.3130208.51.614821

16、2.61.44208275.81.3316452.81.4412619.11.58:3211 三種方法對(duì)應(yīng)的混凝土裂縫深度檢測儀三種方法對(duì)應(yīng)的混凝土裂縫深度檢測儀v 1.1.北京北京智博聯(lián)根據(jù)智博聯(lián)根據(jù)CECS 21:2000CECS 21:2000規(guī)程，采用單面平測規(guī)程，采用單面平測T Tc c-T-T0 0法研發(fā)的法研發(fā)的ZBL-F610ZBL-F610裂縫測深儀裂縫測深儀附帶一根定位尺，簡化了測試方法，提高了測試附帶一根定位尺，簡化了測試方法，提高了測試效率和效果。效率和效果。 v 2.2.北京北京康科瑞研發(fā)的康科瑞研發(fā)的KON-FSYKON-FSY裂縫深度測試儀裂縫深度測試儀近視采用了

17、修改近視采用了修改BS-1881BS-1881方法，該測試儀附有一個(gè)探頭支架，將發(fā)射與接收換能器分別置于裂方法，該測試儀附有一個(gè)探頭支架，將發(fā)射與接收換能器分別置于裂縫為對(duì)稱的兩側(cè)，第一測點(diǎn)間距縫為對(duì)稱的兩側(cè)，第一測點(diǎn)間距l(xiāng) l1 1取取100mm100mm，讀取聲時(shí)值，讀取聲時(shí)值t t1 1；第二測點(diǎn)；第二測點(diǎn)間距取間距取50mm 50mm 或或150mm150mm，讀取聲時(shí)值，讀取聲時(shí)值t t2 2，分別計(jì)算縫深，分別計(jì)算縫深h h1 1、h h2 2后取兩次裂后取兩次裂縫深度的平均值。縫深度的平均值。v 3.3.廊坊廊坊大地華龍依照首波振幅相位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，利用回折角與裂縫深度大地華龍依照首

18、波振幅相位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，利用回折角與裂縫深度的幾何關(guān)系在國內(nèi)率先研發(fā)的的幾何關(guān)系在國內(nèi)率先研發(fā)的DJCS-05DJCS-05裂縫測深儀裂縫測深儀，這款儀器的特點(diǎn)是，這款儀器的特點(diǎn)是不用計(jì)算，便可現(xiàn)場直接顯示裂縫深度。不用計(jì)算，便可現(xiàn)場直接顯示裂縫深度。8:32122 首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解釋首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解釋由由“反轉(zhuǎn)現(xiàn)象缺失反轉(zhuǎn)現(xiàn)象缺失”引出的思考引出的思考實(shí)驗(yàn)介紹實(shí)驗(yàn)介紹基礎(chǔ)理論知識(shí)基礎(chǔ)理論知識(shí)橫波折射假說橫波折射假說41234總結(jié)總結(jié)58:32132 首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解釋首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解釋2.1 2.1 由由“首波相位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象缺失首波相位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象缺失”引出的思考引出的思考 圖5 實(shí)驗(yàn)裝置示意

19、圖其中：其中：11水槽；水槽； 22水面（控制水面高度模擬不同的混凝土裂縫深度）；水面（控制水面高度模擬不同的混凝土裂縫深度）； 3 3、66混凝土試塊（尺寸為混凝土試塊（尺寸為1515151555cm55cm）；）； 4 4、55超聲波換能器（直徑超聲波換能器（直徑38mm38mm）；）； 7 7實(shí)驗(yàn)專用尺寸標(biāo)定工具；實(shí)驗(yàn)專用尺寸標(biāo)定工具； 88黃油（用于換能器與混凝土耦合）；黃油（用于換能器與混凝土耦合）； 9 9混凝土試塊間隙混凝土試塊間隙3mm3mm8:3214 2 首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解釋首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解釋模擬裂縫試樣及輔助工具模擬裂縫試樣及輔助工具v 如圖如圖5 5所示將兩塊所示將兩

20、塊150150150150550mm550mm混凝土試塊留有混凝土試塊留有間隙后間隙后對(duì)接放入水對(duì)接放入水槽中，在水槽中放入不同深度的水達(dá)到形成不同深度裂縫的目的。如槽中，在水槽中放入不同深度的水達(dá)到形成不同深度裂縫的目的。如水深從水深從10mm10mm到到140mm140mm每次以每次以10mm10mm遞增，相應(yīng)模擬裂縫深度即為遞增，相應(yīng)模擬裂縫深度即為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）三個(gè)倍數(shù)系列三個(gè)倍數(shù)系列的專用尺寸的專用尺寸標(biāo)定工具，對(duì)每一個(gè)模擬裂縫深度值，兩換能器測距都分別以標(biāo)定工具，對(duì)每一個(gè)模擬裂縫深度值，兩換能器測距都分別以600600，500500，400400，300300，250250，200200，150150，125125，100100，7575，6363，5050，3838，3232，2525，1919（mmmm）共計(jì)）共計(jì)1616次檢測并記錄其聲時(shí)值。次檢測并記錄

22、其聲時(shí)值。8:32152 首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解釋首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解釋實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)步驟v 向水槽中加入自來水，測量水深為向水槽中加入自來水，測量水深為140mm140mm（此時(shí)模擬裂縫深度為（此時(shí)模擬裂縫深度為10mm10mm）。）。兩換能器對(duì)稱置于裂縫兩側(cè)，底部涂黃油耦合，內(nèi)側(cè)緊靠兩換能器對(duì)稱置于裂縫兩側(cè)，底部涂黃油耦合，內(nèi)側(cè)緊靠600mm600mm專用尺專用尺寸標(biāo)定工具寸標(biāo)定工具木尺。保持施加在換能器上的壓力不變，首波等幅度木尺。保持施加在換能器上的壓力不變，首波等幅度4 4格讀數(shù)，重復(fù)格讀數(shù)，重復(fù)3 3次，取最穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)采樣、儲(chǔ)存聲時(shí)讀數(shù)。依次更換木次，取最穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)采樣、儲(chǔ)存聲時(shí)讀數(shù)。依次

23、更換木尺，直至減小測距到尺，直至減小測距到19mm19mm，共記錄一系列，共記錄一系列1616個(gè)聲時(shí)值。個(gè)聲時(shí)值。v 重復(fù)上面的步驟，依次取出水槽中約重復(fù)上面的步驟，依次取出水槽中約10mm10mm深的水量，待水面平穩(wěn)后分深的水量，待水面平穩(wěn)后分別測量水深為別測量水深為130mm130mm、120mm10mm120mm10mm時(shí)，依次更換木尺，記錄不同裂時(shí)，依次更換木尺，記錄不同裂縫深度、不同測距對(duì)應(yīng)的聲時(shí)值（共縫深度、不同測距對(duì)應(yīng)的聲時(shí)值（共1414組組1616個(gè)聲時(shí)數(shù)據(jù)）。個(gè)聲時(shí)數(shù)據(jù)）。v 混凝土的裂縫深度分別混凝土的裂縫深度分別按按CECSCECS標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)、BS-1881BS-1881標(biāo)

24、準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算、比較。標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算、比較。8:32162 首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解釋首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解釋v 幾年前在幾年前在 指導(dǎo)學(xué)生畢業(yè)論文的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)學(xué)生畢業(yè)論文的實(shí)驗(yàn)過程中過程中，在任何短測距在任何短測距（即兩換能器間距小于（即兩換能器間距小于2倍縫深）倍縫深） 的場合，的場合， 均沒有觀察到均沒有觀察到作者作者早年前提出的首波相位反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。早年前提出的首波相位反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。8:32172 首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解釋首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解釋筆者將筆者將兩兩塊塊4040160mm的水泥砂漿條的水泥砂漿條，圖圖6在在兩者端部留有兩者端部留有1mm間隙間隙的下部用的下部用5mm高度的環(huán)氧樹脂把它們粘結(jié)成一個(gè)整體，即

25、形成裂縫深度高度的環(huán)氧樹脂把它們粘結(jié)成一個(gè)整體，即形成裂縫深度為為35mm的試件。把試件放入水盆，在未盛水時(shí)，超聲檢測在兩換能器的的試件。把試件放入水盆，在未盛水時(shí)，超聲檢測在兩換能器的中心距中心距70mm附近，有首播相位反轉(zhuǎn)點(diǎn)。保持正波狀態(tài)下?lián)Q能器不移動(dòng)，附近，有首播相位反轉(zhuǎn)點(diǎn)。保持正波狀態(tài)下?lián)Q能器不移動(dòng)，往水盆中加水，當(dāng)水面高于往水盆中加水，當(dāng)水面高于5mm時(shí)，正波轉(zhuǎn)為負(fù)波。此時(shí)，無論再相近時(shí)，正波轉(zhuǎn)為負(fù)波。此時(shí)，無論再相近移動(dòng)換能器直至兩換能器幾乎接觸，屏顯波形依然是負(fù)波。將換能器中心移動(dòng)換能器直至兩換能器幾乎接觸，屏顯波形依然是負(fù)波。將換能器中心距改為距改為65mm后，從水盤中提起（連

26、同耦合著的換能器一起）試件出水面，后，從水盤中提起（連同耦合著的換能器一起）試件出水面，屏顯波形還是負(fù)波。略傾斜試件吹除縫中的剩水后，屏顯波形轉(zhuǎn)為正波。屏顯波形還是負(fù)波。略傾斜試件吹除縫中的剩水后，屏顯波形轉(zhuǎn)為正波。2.2 2.2 “首波相位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象缺失首波相位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象缺失”的實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)1 18:32182 首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解釋首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解釋 （圖6） 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)1 1介紹介紹 試件裂縫深度約試件裂縫深度約35mm35mm無水70mm水高5mm65mm70mm65mm無水有水8:32192 首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解釋首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解釋 另另在一塊在一塊60010001000mm的原制有的原制有

27、100mm裂縫深度的長齡期混凝裂縫深度的長齡期混凝土試塊上繼續(xù)超聲實(shí)驗(yàn)土試塊上繼續(xù)超聲實(shí)驗(yàn)。圖圖7在在兩換能器中心距兩換能器中心距200mm處發(fā)現(xiàn)正負(fù)波形轉(zhuǎn)處發(fā)現(xiàn)正負(fù)波形轉(zhuǎn)換臨界點(diǎn)。略相近移動(dòng)換能器，使其保持正波狀態(tài)，換臨界點(diǎn)。略相近移動(dòng)換能器，使其保持正波狀態(tài)，往裂縫中注水，正波往裂縫中注水，正波即轉(zhuǎn)為負(fù)波即轉(zhuǎn)為負(fù)波，再相近移動(dòng)換能器，屏顯依然是負(fù)波。用鋼尺將裂縫中水分，再相近移動(dòng)換能器，屏顯依然是負(fù)波。用鋼尺將裂縫中水分趕出些后插入紙吸水，趕出些后插入紙吸水，當(dāng)裂縫中的水吸干時(shí)，首波相位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象如期而至當(dāng)裂縫中的水吸干時(shí)，首波相位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象如期而至。2.2 2.2 “首波相位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象缺失首波

28、相位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象缺失”的實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)2 28:32202 首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解釋首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解釋 （圖7） 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)2 2介紹介紹 試件裂縫深度約試件裂縫深度約100mm100mm200mm存在正負(fù)波形轉(zhuǎn)換點(diǎn)加水后，正波變負(fù)波200mm除水后，負(fù)波變正波200mm8:32212 首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解釋首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解釋1)1) 不同聲速介質(zhì)的界面在反射和折射過程可能發(fā)生波型轉(zhuǎn)換。波型轉(zhuǎn)不同聲速介質(zhì)的界面在反射和折射過程可能發(fā)生波型轉(zhuǎn)換。波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象只發(fā)生在斜入射的場合。換現(xiàn)象只發(fā)生在斜入射的場合。2) 2) 固體與氣體的交界面，波型轉(zhuǎn)換只發(fā)生在反射過程中；固體與氣體的交界面，波型轉(zhuǎn)換只發(fā)生在反射過

29、程中；固體與固體 的界面在反射、折射過程中都會(huì)發(fā)生波型的轉(zhuǎn)換。固體與液體的界面，折射波中只有縱波，因液體介質(zhì)沒有剪切彈性，不能傳播橫波。 3 3）另根據(jù)惠更斯定理：橫波和縱波到達(dá)的每一個(gè)點(diǎn)都可以看作新的波）另根據(jù)惠更斯定理：橫波和縱波到達(dá)的每一個(gè)點(diǎn)都可以看作新的波源源“次源次源”，每一個(gè)，每一個(gè)“次源次源”相當(dāng)于一個(gè)單獨(dú)波源，產(chǎn)生二次波動(dòng)，相當(dāng)于一個(gè)單獨(dú)波源，產(chǎn)生二次波動(dòng)，形成形成“次源次源”波前，新的波前就是這些波前，新的波前就是這些“次源次源”波前的包跡。波前的包跡。2.3 2.3 基礎(chǔ)理論知識(shí)基礎(chǔ)理論知識(shí)8:32222 首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解釋首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解釋 當(dāng)當(dāng)換能器分別置于裂縫表面

30、的兩側(cè)如換能器分別置于裂縫表面的兩側(cè)如圖圖8所所示，由于混凝土檢測通常采用的是低示，由于混凝土檢測通常采用的是低頻（頻（50KHz）超聲波，其特點(diǎn)是波長長，指向性差。當(dāng)發(fā)射換能器）超聲波，其特點(diǎn)是波長長，指向性差。當(dāng)發(fā)射換能器A置于混凝土置于混凝土表面時(shí)，其向裂縫側(cè)傳播相當(dāng)于斜入射的場合，即具備了斜入射的條件。超聲縱表面時(shí)，其向裂縫側(cè)傳播相當(dāng)于斜入射的場合，即具備了斜入射的條件。超聲縱波在裂縫側(cè)面產(chǎn)生反射（反射波中有縱波，有橫波），超聲縱波在裂縫的尾端產(chǎn)波在裂縫側(cè)面產(chǎn)生反射（反射波中有縱波，有橫波），超聲縱波在裂縫的尾端產(chǎn)生折射（折射波中有縱波，有橫波）而且由生折射（折射波中有縱波，有橫波）而

31、且由圖圖8所所示，橫波折射角與水平面的夾角示，橫波折射角與水平面的夾角小于縱波折射角。小于縱波折射角。2.42.4（橫波折射假說）（橫波折射假說）圖8 橫波折射假說示意圖8:32232 首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解釋首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解釋 眾所周知眾所周知：縱波速度大于橫波速度縱波速度大于橫波速度；本實(shí)驗(yàn)采用的是縱波換能器；本實(shí)驗(yàn)采用的是縱波換能器，換能，換能器器A發(fā)射出發(fā)射出縱波縱波，接收接收換能器換能器B理應(yīng)接收到縱波，但存在以下事實(shí)：理應(yīng)接收到縱波，但存在以下事實(shí)： 1)折射波中因波型轉(zhuǎn)換形成了橫波折射波中因波型轉(zhuǎn)換形成了橫波。 2)橫波的折射角與縱波的折射角不同橫波的折射角與縱波的折射角不同，橫波

32、與裂縫斷面的夾角小于縱波，橫波與裂縫斷面的夾角小于縱波，即橫波折射在縱波之上。即橫波折射在縱波之上。2.4 2.4 （橫波折射假說）（橫波折射假說）8:32242 首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解釋首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解釋 首波相位反轉(zhuǎn)的機(jī)理解釋：首波相位反轉(zhuǎn)的機(jī)理解釋：超聲波檢測混凝土裂縫深度時(shí)，采用的縱超聲波檢測混凝土裂縫深度時(shí)，采用的縱波換能器在折射過程中發(fā)生波型轉(zhuǎn)換產(chǎn)生了橫波，發(fā)射縱波與接收到的橫波換能器在折射過程中發(fā)生波型轉(zhuǎn)換產(chǎn)生了橫波，發(fā)射縱波與接收到的橫波之間存在相位差。雖然橫波速度小于縱波速度，但橫波折射角與縱波折波之間存在相位差。雖然橫波速度小于縱波速度，但橫波折射角與縱波折射角不同，兩者的繞

33、射波前不同，在特定的首波相位反轉(zhuǎn)臨界點(diǎn)，參見圖射角不同，兩者的繞射波前不同，在特定的首波相位反轉(zhuǎn)臨界點(diǎn)，參見圖8 8接收換能器接收換能器B B至裂縫側(cè)的區(qū)域內(nèi)（圖至裂縫側(cè)的區(qū)域內(nèi)（圖8 8 中中T T區(qū)）繞射橫波先于繞射縱波到達(dá)。區(qū)）繞射橫波先于繞射縱波到達(dá)。首波相位反轉(zhuǎn)臨界點(diǎn)的首波相位反轉(zhuǎn)臨界點(diǎn)的T T區(qū)以外是折射縱波區(qū)以外是折射縱波L L區(qū)。區(qū)。（在（在“S S處處”有水的場合有水的場合 ）2.4 2.4 （橫波折射假說）（橫波折射假說）8:32252 首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解釋首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解釋v 1 1）李李 寧寧的論文的論文8 “ “縱、橫波首波相位關(guān)系實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解釋及其對(duì)全縱、橫波首波

34、相位關(guān)系實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解釋及其對(duì)全波測井的意義波測井的意義”：縱、橫波首波幅度絕對(duì)值的變化規(guī)律相同縱、橫波首波幅度絕對(duì)值的變化規(guī)律相同；縱、橫縱、橫波首波的相位始終相反。即由發(fā)射換能器同一個(gè)振源轉(zhuǎn)換成的橫波，波首波的相位始終相反。即由發(fā)射換能器同一個(gè)振源轉(zhuǎn)換成的橫波，其相位永遠(yuǎn)和縱波反相。其相位永遠(yuǎn)和縱波反相。v 2) 2) 在沒有水的場合，換能器跨縫檢測時(shí)定有發(fā)生首播相位反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，在沒有水的場合，換能器跨縫檢測時(shí)定有發(fā)生首播相位反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，筆者以往在國內(nèi)外所有的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人為制作的裂縫試件上，全部都能筆者以往在國內(nèi)外所有的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人為制作的裂縫試件上，全部都能觀察到首波相位反轉(zhuǎn)的事實(shí)。觀察到首波

35、相位反轉(zhuǎn)的事實(shí)。在施工現(xiàn)場能觀察到首播相位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象在施工現(xiàn)場能觀察到首播相位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的場合，可馬上定性推斷該混凝土的裂縫深度小于、等于兩個(gè)換能器的場合，可馬上定性推斷該混凝土的裂縫深度小于、等于兩個(gè)換能器中心距之半。中心距之半。2.5 2.5 總結(jié)總結(jié)8:32262 首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解釋首波相位反轉(zhuǎn)機(jī)理解釋2.5 2.5 總結(jié)總結(jié)v 3) 3) 在裂縫中有水的實(shí)驗(yàn)場合，見圖在裂縫中有水的實(shí)驗(yàn)場合，見圖8 8設(shè)設(shè)水面高度水面高度S S處處，縱波在裂縫左側(cè)，縱波在裂縫左側(cè)面反射發(fā)生波型轉(zhuǎn)換（能產(chǎn)生橫波）、同時(shí)經(jīng)過水的媒介通過裂縫在面反射發(fā)生波型轉(zhuǎn)換（能產(chǎn)生橫波）、同時(shí)經(jīng)過水的媒介通過裂縫在裂縫的右

36、側(cè)折射，因液體介質(zhì)沒有剪切彈性，橫波不能在水中傳播，裂縫的右側(cè)折射，因液體介質(zhì)沒有剪切彈性，橫波不能在水中傳播，右側(cè)面折射波中只有縱波。而右側(cè)面折射波中只有縱波。而本文本文中的中的實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)（包括前期學(xué)生畢業(yè)論文）（包括前期學(xué)生畢業(yè)論文）采用以水形成裂縫的特定方案，在有水的場合波型轉(zhuǎn)換折射波中沒有采用以水形成裂縫的特定方案，在有水的場合波型轉(zhuǎn)換折射波中沒有橫波，固沒有首波相位反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象發(fā)生。曾有報(bào)道在工地有時(shí)會(huì)觀察橫波，固沒有首波相位反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象發(fā)生。曾有報(bào)道在工地有時(shí)會(huì)觀察不到反相現(xiàn)象，可能原因是裂縫中有水或鋼筋及其它雜物所致。工地不到反相現(xiàn)象，可能原因是裂縫中有水或鋼筋及其它雜物所致。工地觀察

37、不到首播相位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的裂縫觀察不到首播相位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的裂縫不具備檢測條件不具備檢測條件，其檢測的聲時(shí)數(shù)，其檢測的聲時(shí)數(shù)據(jù)不正確，如按規(guī)程計(jì)算公式的檢測結(jié)果據(jù)不正確，如按規(guī)程計(jì)算公式的檢測結(jié)果一定一定會(huì)誤判。會(huì)誤判。（不是誤差，不是誤差，而是錯(cuò)誤而是錯(cuò)誤）大膽大膽推論：推論：依照首波振幅相位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，利用回折角與裂依照首波振幅相位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，利用回折角與裂縫深度的幾何關(guān)系研制的縫深度的幾何關(guān)系研制的混凝土裂縫深度檢測儀混凝土裂縫深度檢測儀在裂縫中有水的場合在裂縫中有水的場合將會(huì)出現(xiàn)盲區(qū)。將會(huì)出現(xiàn)盲區(qū)。8:3227超聲波首波相位反轉(zhuǎn)法的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)超聲波首波相位反轉(zhuǎn)法的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn) 當(dāng)被測結(jié)構(gòu)斷面尺寸較大，且

38、不存在邊界面及鋼筋等影響的情況下，尤其是實(shí)當(dāng)被測結(jié)構(gòu)斷面尺寸較大，且不存在邊界面及鋼筋等影響的情況下，尤其是實(shí)驗(yàn)室中的人為垂直裂縫，首波反向驗(yàn)室中的人為垂直裂縫，首波反向近似近似2倍關(guān)系最為明顯。倍關(guān)系最為明顯。 在工地有時(shí)會(huì)觀察不到反相現(xiàn)象，可能原因在工地有時(shí)會(huì)觀察不到反相現(xiàn)象，可能原因之一之一是是裂縫深度很淺（小于換能器裂縫深度很淺（小于換能器的間距）；的間距）；原因原因之二之二混凝土裂縫混凝土裂縫細(xì)小、細(xì)小、走向不確定時(shí)，超聲波在走向不確定時(shí)，超聲波在裂縫接觸裂縫接觸界面反界面反射疊加、畸變射疊加、畸變所致；主要所致；主要原因原因之三是之三是裂縫中有水或裂縫中有水或潮濕潮濕的的測試環(huán)境測試環(huán)境。 凡在凡在工地工地上上觀察不到首播相位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的裂縫觀察不到首播相位反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的裂縫不具備檢測條件不具備檢測條件，其檢測，其檢測得到得到的聲時(shí)數(shù)據(jù)的聲時(shí)數(shù)據(jù)往往往往不正確，不正確，此時(shí)此時(shí)如按規(guī)程計(jì)算公式的檢測結(jié)果如按規(guī)程計(jì)算公式的檢