聲波檢測技術(shù)：第三章 聲波檢測的測量方法

1、聲波檢測的測量方法聲波檢測儀 聲波儀的一般要求聲波儀除了產(chǎn)生、接收、顯示聲波外，還須具有量測聲波有關(guān)參數(shù)，如聲傳播時間、接收波振幅、頻率等功能。一般不論那種型號的聲波儀，都應(yīng)滿足以下要求：1. 為滿足大測距測量的要求，聲時可測量范圍應(yīng)在5000 以上(相當(dāng)于20m測距)。為此應(yīng)有足夠的掃描延遲時間及聲時顯示位數(shù)；力滿足測量試件混凝土聲速精度的要求，測時最小分度宜為0.1 。 聲波儀的一般要求2. 儀器應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性。聲時顯示調(diào)節(jié)在20-30 范圍內(nèi)時，2小時內(nèi)聲時顯示的漂移應(yīng)不大于 ，且不允許發(fā)生間隔跳動。3. 儀器接收放大器頻率響應(yīng)范圍(頻帶)應(yīng)有足夠?qū)挾?，一般?yīng)不小于10-200KHz

2、。4. 儀器宜具有示波屏顯示波形和測讀功能。以便較被確地測讀聲時、振幅及頻率等參數(shù)。5. 適于一般現(xiàn)場測試情況下的溫度、電源變化條件。 聲儀的一般工作原理 1-脈沖振蕩器；2-主控振蕩器；3-同步器；4-時標(biāo)部件；5-掃描振蕩器；6-放大器；7-電源；8-穩(wěn)壓 工作原理 1. 控制脈沖部件產(chǎn)生同步信號，它們保證脈沖振蕩、觸發(fā)掃描振蕩器準(zhǔn)確地同時工作和規(guī)定重復(fù)工作的頻率；2. 脈沖振蕩器周期的(多次的)產(chǎn)生短的電脈沖加到發(fā)射換能器上；3. 發(fā)射換能器將振蕩器的電脈沖變換成機械的脈沖并且將其加到被測試的構(gòu)件上，即產(chǎn)生聲波在構(gòu)件中傳播；4. 接收換能器將接收此機械振動并變換成電脈沖；5. 電信號放大

3、器用來放大被接收換能器轉(zhuǎn)換成的微弱電信號并將其送到顯示器上；6. 顯示器用來觀測發(fā)射的起始脈沖和傳播的被放大的信號波形。在顯示器上用時間刻度來測量聲波在構(gòu)件中的傳播時間；波幅衰減測量可在示波屏上直接量測或另設(shè)專門的衰減器量測； 聲波檢測中換能器的選配 換能器種類選擇 換能器頻率選擇 換能器與被測體的耦合 換能器種類選擇 縱波換能器有平面換能器、徑向換能器。平面換能器用于一般結(jié)構(gòu)、試件的表面對測和平測，是必備的換能器。徑向換能器（增壓式、圓環(huán)式、發(fā)雙收換能器）則用在需鉆孔檢測或灌注樁聲測管中檢測等場合以及水下檢測。換能器頻率選擇 對于混凝土來說，由于聲波在混凝土中衰減較大，為了有一定的傳播距離，

4、混凝土聲波檢測都使用低頻率聲波，通常在200kHz以下。在此頻率范圍內(nèi)，到底采用何種頻率取決于以下兩個因素： 1.結(jié)構(gòu)(或試件)尺寸 2.被測結(jié)構(gòu)對聲波衰減情況 結(jié)構(gòu)(或試件)尺寸 結(jié)構(gòu)尺寸不同，應(yīng)選擇不同的聲波頻率。這里所謂的尺寸包括穿透距離和橫截面尺寸。被測休測距越大，聲波衰減也越大，接收波振幅越小。為保證正常測讀，必須使接收波有一定的幅度，因此，對于大的測距只能使用更低頻率的聲波甚至聲波。目前，探測十多米以上的大型混凝土結(jié)構(gòu)通常使用20kHz或以下頻率的換能器。當(dāng)測距鉸短時，為使接收信號前沿陡峭，起點分辨精確以及對內(nèi)部缺陷與裂縫有較高分辨力，則盡量使用較高的頻率。 結(jié)構(gòu)(或試件)尺寸被測

5、體的橫截面尺寸主要是考慮聲波傳播的邊界條件。通常所說的聲波聲速均指聲波在半無限大的介質(zhì)中的速度。若橫截面小到某種程度，聲波聲速將有明顯的頻散(幾何頻散)，所測得的聲速(表觀聲速)將降低。通常認(rèn)為，橫斷面最小尺寸應(yīng)大于聲波波長的2倍以上。因此，在測試小截面尺寸的結(jié)構(gòu)或試件時應(yīng)用較高頻率。但也有人認(rèn)為，在試件測試中，頻率也不宜太高。因為雖然較高頻率波長短，滿足半無限大的邊界條件，但由于被測體是由各種顆粒組成，若波長與顆粒尺寸相比較太小，則被測體呈明顯的非均質(zhì)性，不利于用聲學(xué)參數(shù)來反映被測體總體的性能，因此也不宜用過高的頻率。 結(jié)構(gòu)(或試件)尺寸根據(jù)實際使用情況，對于一般的正常混凝土，換能器頻率選擇

6、可參見下表 被測結(jié)構(gòu)對聲波衰減情況 根據(jù)被測體尺寸來選擇聲波頻率指的是對一般混凝土而言。對于某些特殊情況，例如：被測混凝土質(zhì)量差，強度低，當(dāng)用所選用頻率測試時接收信號很微弱，則須降低使用頻率，以期獲得足夠幅度；被測混凝土是早齡期，甚至尚未完全硬化，聲波衰減很大，則只能使用更低的頻率甚至使用對聞聲波的頻率 。換能器與被測體的耦合 如果被檢測體（如混凝土）表面粗糙不平時，當(dāng)換能器輻射面與之接觸時，不論壓得多緊、實際上兩者之間仍有空氣夾層阻隔其間。由于固體與空氣的特性阻抗相差懸殊，當(dāng)聲波由換能器外殼傳播到空氣夾層時，聲波能量絕大部分被反射而難于進入混凝土。對于接收換能器來說，情況也一樣。為此，需要在

7、換能器與混凝土之間加上耦合劑。耦合劑本身是液缽或膏體，它們充填于二者之間時，排掉了空氣，形成耦合劑層。雖然膏體或液缽的特性阻抗與換能器外殼或被檢測體相比仍小很多，但卻比空氣大得多、這樣聲波就不致絕大部分被反射，而是有相當(dāng)一部分進入被檢測體，這樣就達到了聲耦合的目的。 換能器與被測體的耦合平面換能器的耦合劑一般采用較廉價的膏體，如黃油、凡士林、石膏漿等。若被測體表面希望不被油污，也可用漿糊代替黃油。因漿糊是由懸浮液濃縮的，對聲波的衰減略大于黃油。換能器與被測體的耦合當(dāng)混凝土表面潮濕時，用黃油作耦合劑效果很差。其原因是黃油與水相互分離，聲波通過時衰減加大。這種情況下應(yīng)使用水溶性膏狀物作耦合劑。例如

8、海藻酸鈉，它是以海藻為原料，經(jīng)化學(xué)處理，先提取碘，然后用碳酸鈉中和而得到的副產(chǎn)品，呈褐色的固體，不溶于有機溶劑，親水性強。用海藻酸鈉5份，水100份，硝酸鈉(防銹劑)0.03份，甲醛(防腐劑)0.1份，在攪拌機中拌勻，成為膠狀溶液，即可作耦合劑用。這種耦合劑的特點是不油污測試表面經(jīng)水一沖即可干凈，也可任其干燥，自行脫落。另外由于是水溶性膠狀溶液，適于在潮濕表面使用。換能器與被測體的耦合當(dāng)在鉆孔中用徑向換能器進行測量時，通常用水作耦合劑。當(dāng)鉆孔鉆好后，應(yīng)沖洗鉆孔，注滿清水將徑向換能器置入鉆孔即可觀測。值得注意的是，孔中水應(yīng)盡量不含懸浮物(如泥漿、砂等)。懸浮液對聲波有較強的散射衰減，影響振幅的測

9、量。當(dāng)鉆孔方向向上時，需解決封孔灌水和使換能器能在孔內(nèi)上下移動的問題。為此，需制作專門的封孔止水器及換能器接桿。 聲波檢測的工作方法 一、測區(qū)、測線、測點的選擇的一般原則 1. 測區(qū)的選擇對于工程巖體的聲波探測，除根據(jù)需要特別指定的測區(qū)外，在進行測試區(qū)域選擇時，應(yīng)選擇有代表性的地段進行測試。力求以最少的工作量說明較多的典型性問題。通常是地質(zhì)條件比較相似的“地質(zhì)單元”，即巖性、裂隙發(fā)育程度、風(fēng)化程度、地下水賦存等等相似的地段，作為一個測段。對于混凝土的檢測，主要是對指定的需要檢測的混凝土結(jié)構(gòu)進行檢測。根據(jù)檢測的要求和測試的操作條件確定測試位置。 2. 測線的布置測線是由巖面上和混凝土結(jié)構(gòu)上諸測點

10、或結(jié)構(gòu)內(nèi)部諸測孔所構(gòu)成。測線應(yīng)有明確的針對性，要考慮為某一目的的巖體和混凝土特性測試的聲波傳播特點和邊界條件的可能性，確定采用的工作方式。對混凝土結(jié)構(gòu)來說，測線一般選擇在檢測面的中間位置。3. 測點的位置對于巖面上的測點，宜選擇在巖性均勻、表面光潔、無局部節(jié)理裂隙處(除為專門探測異常及缺陷外)，即基本上是較均一的地點。在鉆孔中測量要保證一定的密度（精度）。在混凝土結(jié)構(gòu)面上的測點，宜選擇在表面清潔、平整的地方，必要時可用砂輪磨平或用高強度的快凝砂漿抹平。 聲波檢測的工作方式 按聲波的傳播可概括為 ：透射法反射法折射法 透射法 透射法又稱為直透法，是發(fā)射換能器（F）和接收換能器（S）在非同一平面(

11、一般是兩個面)設(shè)置，都是研究由發(fā)射換能器發(fā)射并通過被測介質(zhì)傳來的直達波或繞射波。透射法（1）室內(nèi)巖石試件測試對室內(nèi)巖石試件進行聲波測試時，通常都是利用透射直達波法，即在巖石試件的上下兩端面或側(cè)面，安置測試換能器。透射法（2）現(xiàn)場結(jié)構(gòu)的檢測 現(xiàn)場試件或混凝土構(gòu)件的檢測，一般利用其結(jié)構(gòu)的非同一面設(shè)置換能器 透射法（3）孔（井）間聲波探測 孔(井)間聲波透射波法，是利用兩個鉆井（或預(yù)埋管），分別設(shè)置發(fā)射和接收換能器，根據(jù)兩換能器位置和變功，又可分為水平同步、高差同步、高差異步等 孔（井）間聲波探測反射法 反射法是使發(fā)射換能器和接收換能器置于同一檢測面，并且使兩換能器之間的距離小于折射波發(fā)生的盲區(qū)，那

12、么接收到的波除了可能是直達波外，還可以是來自與觀測表面幾乎平行的界面的反射波 折射法 當(dāng)設(shè)置在同一結(jié)構(gòu)面上或同一測井(孔)中的兩換能器保持適當(dāng)距離時，通過測量被測結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鱽淼恼凵浔?，以了解結(jié)構(gòu)表面及表面在縱剖面有限深度的特性。折射法是結(jié)合面檢測和損傷層檢測中最常見的工作方式。結(jié)構(gòu)面平透折射波法 測井(孔)平透折射波法 透射-繞射波法 在研究某些結(jié)構(gòu)中存在缺陷，例如裂縫（裂隙）、空洞等時，直達波受阻或遲慢，所接收的初至為繞射波。透射-繞射波法的工作方式，既可以是透射法，也可以是反射方式的單面平測法。聲波CT成像的測試方法 CT成像（Computed tomography），是依據(jù)在物體外部觀測

13、到的數(shù)據(jù)建立起物體截面的圖像。聲波CT成像技術(shù)，是依據(jù)聲波的傳播特點，以射線理論和波動理論為基礎(chǔ)，并借助于層析成像技術(shù)，發(fā)展起來的一種射線成像技術(shù)和繞射（衍射）成像技術(shù)。 網(wǎng)格劃分 因為混凝土是一個非均質(zhì)的彈-粘-塑性的復(fù)合體系，從理論上講，測區(qū)網(wǎng)格劃分的越細，則反演精度愈高，但相應(yīng)計算成本就會增加，耗機時和內(nèi)存。而施工過程中造成的質(zhì)量異常區(qū)往往有一定的尺寸，滿足工程需要即可。聲波層析成像正演部分，應(yīng)用基于Snell定律的射線追蹤方法，聲波射線按折線方式傳播。檢測經(jīng)驗表明，當(dāng)網(wǎng)格尺寸為波長2-5倍可滿足條件，在實際應(yīng)用中，可取網(wǎng)格尺寸為20-40cm。 測試方法 聲學(xué)參數(shù)的測量 聲速振幅頻率波

14、形 聲速 零聲時零聲時是收、發(fā)換能器的相應(yīng)延時和儀器通道的延時之和，在雙通道時，應(yīng)測出每個接收換能器的零聲時。常用來測量零聲時的方法有兩種：1、收、發(fā)換能器直接耦合在一起進行測量；2、通過測試標(biāo)準(zhǔn)聲時棒得到的聲時值與標(biāo)準(zhǔn)聲時棒的標(biāo)稱值之差來測量。 聲速測量影響因素一類是與混凝土性能有關(guān)的某些因素的影響；包括混凝土的粗骨料的數(shù)量、種類和顆粒組成，還有水灰比和水泥用量等。一般混凝土彈性模量越高，內(nèi)部越致密，波速也越大，混凝土強度等級越高，波速也越大 一類是與混凝土性能無關(guān)的某些因素的影響。 試件測試面的粗糙度和聲耦合的影響 試件的測距和橫向尺寸的影響 溫度和濕度的影響 振幅 首波幅度高低變化是判斷混凝土結(jié)構(gòu)密實度的重要參量之一 振幅的測量實際上是用某種指標(biāo)來度量接收波首波的高度，并將它作為平行比較各測點聲波信號強弱的一種相對指標(biāo)。在聲波的檢測過程中，可調(diào)整增益在同一水平進行度量。 頻率 現(xiàn)有聲波儀測量聲波主頻率的簡易方法，即以測量接收