4章-聲波測(cè)試技術(shù)原理課件

1、第七章 聲波測(cè)試技術(shù) 聲波測(cè)試技術(shù)是近年來發(fā)展非常迅速的一項(xiàng)新技術(shù)。它的基本原理是用人工的方法在結(jié)構(gòu)中激發(fā)一定頻率的彈性波，這種彈性波以各種波形在結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播并由接收儀器接收，通過分析研究接收和記錄下來的波動(dòng)信號(hào)，來確定結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，了解它們的內(nèi)部缺陷。由于聲波測(cè)試與其它材料試驗(yàn)方法相比有輕便、靈活、可以大范圍測(cè)試等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而在水利、礦業(yè)、交通、房建、市政等工程中得到廣泛的應(yīng)用。第七章 聲波測(cè)試技術(shù) 聲波測(cè)試技術(shù)是近年來發(fā)展非常迅速1. 聲波及其物理性質(zhì) 5.1.1 物理學(xué)定義 聲源體發(fā)生振動(dòng)會(huì)引起四周空氣振蕩，那種振蕩方式就是聲波。聲以波的形式傳播著，我們把它叫做聲波； 聲波借助各種

2、媒介向四面八方傳播； 除了空氣，水、金屬、木頭、混凝土等也都能夠傳遞聲波，它們都是聲波的良好媒介。在真空狀態(tài)中聲波就不能傳播了。 5.1.2 聲波頻率 人對(duì)聲音的感覺有一定頻率范圍，大約每秒鐘振動(dòng)20次到20000次范圍內(nèi)，即頻率范圍是20Hz-20000Hz； 聲波借助各種媒介向四面八方傳播。如果物體振動(dòng)頻率低于20Hz或高于20000Hz人耳就聽不到了，高于20000Hz的頻率就叫做超聲波，而低于20Hz的頻率就叫做次聲波。 1. 聲波及其物理性質(zhì) 5.1.1 物理學(xué)定義1.1 聲波的傳播規(guī)律在彈性介質(zhì)內(nèi)某一點(diǎn)，由于某種原因而引起初始擾動(dòng)或振動(dòng)時(shí)，這一擾動(dòng)或振動(dòng)則以波的形式在彈性介質(zhì)內(nèi)傳播

3、，形成彈性波。聲波是彈性波的一種，若視巖土和混凝土介質(zhì)為彈性體，則聲波在巖土和混凝土介質(zhì)中的傳播服從彈性波傳播規(guī)律。1.1 聲波的傳播規(guī)律在彈性介質(zhì)內(nèi)某一點(diǎn)，由于某種原因而引波動(dòng)方程拉密系數(shù)；體積應(yīng)變；質(zhì)點(diǎn)的位移；介質(zhì)密度。拉普拉斯算子：拉密運(yùn)動(dòng)方程：波動(dòng)方程拉密系數(shù)；體積應(yīng)變；質(zhì)點(diǎn)的位移；介質(zhì)密度。拉普拉斯算縱波（P波）：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致時(shí)稱為縱波。將上式代入拉密方程可得：可得無限彈性介質(zhì)中縱波的波動(dòng)方程：可得縱波的傳播速度：縱波（P波）：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致時(shí)稱為縱波。將上第4章-聲波測(cè)試技術(shù)原理課件橫波（S波）：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直時(shí)稱為橫波。將上式代入

4、拉密方程可得：可得無限彈性介質(zhì)中橫波的波動(dòng)方程：可得橫波的傳播速度：橫波（S波）：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直時(shí)稱為橫波。將上第4章-聲波測(cè)試技術(shù)原理課件一維波動(dòng)方程： 對(duì)于一根混凝土樁，當(dāng)L D時(shí)，可把樁看成是具有側(cè)限約束(圍壓)的桿系結(jié)構(gòu)。在樁頂施加一個(gè)初始擾動(dòng)力(錘擊一下)，彈性波立即從樁頭沿樁身往樁底傳播，并滿足一維波動(dòng)方程。波的傳播速度：一維波動(dòng)方程： 對(duì)于一根混凝土樁，當(dāng)L D時(shí)，比較縱波速度VP、橫波VS和一維波VB。則有VPVBVSA）縱波速度總是大于橫波速度;B） 縱波又稱P(Primary)波，意即初至波，因其波速最快；C）橫波又稱S(Secondary)波，意即次波，因

5、其波速最小。比較縱波速度VP、橫波VS和一維波VB。則有VPVBVS 由波速的表達(dá)式可知，彈性介質(zhì)的性質(zhì)及種類不同，彈性常數(shù)及密度也不同，因此，彈性波在介質(zhì)中傳播的速度也不同。這樣，如用人工(爆破、錘擊等)發(fā)生彈性波，并設(shè)法用接收儀表測(cè)定其波速，則可以用來判別物體的特性及狀態(tài)(如堅(jiān)硬或松軟，裂隙與完整等)以及混凝土樁基的完整性和承載力等，這就是工程上經(jīng)常使用的“彈性波探測(cè)法”的理論依據(jù)。1.2 彈性波探測(cè)的理論 由波速的表達(dá)式可知，彈性介質(zhì)的性質(zhì)及種類2.1 聲波探測(cè)儀器設(shè)備 聲波探測(cè)的全過程是聲波發(fā)射、傳播及接收顯示，其相應(yīng)的儀器有發(fā)射換能器、接收換能器和聲波儀。2. 聲波探測(cè)技術(shù)2.1 聲

6、波探測(cè)儀器設(shè)備 聲波探測(cè)的全聲波換能器 換能器是聲電能量的轉(zhuǎn)換器件，俗稱探頭。 換能器一般利用壓電陶瓷晶體的壓電效應(yīng)原理工作。發(fā)射換能器是將聲波儀輸出的具有一定功率的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)發(fā)射到物體中，它的工作原理是利用晶體的逆壓電效應(yīng)。接收換能器是將物體中傳播的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，輸入到聲波儀接收機(jī)的輸入系統(tǒng)中，其工作原理是利用晶體的壓電效應(yīng)。聲波換能器壓電效應(yīng)的原理如果對(duì)壓電陶瓷施加壓力，它便會(huì)產(chǎn)生電位差（稱之為正壓電效應(yīng)）；反之施加電壓，則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力（稱為逆壓電效應(yīng)）。如果壓力是一種高頻震動(dòng)，則產(chǎn)生的就是高頻電流。而高頻電信號(hào)加在壓電陶瓷上時(shí)，則產(chǎn)生高頻聲信號(hào)（機(jī)械震動(dòng)），這就是我們平常所

7、說的超聲波信號(hào)。壓電效應(yīng)的原理 超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖所示，它主要由壓電晶片、吸收塊（阻尼塊）、保護(hù)膜、引線等組成。 超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖所示，它主要由壓電晶片、吸第4章-聲波測(cè)試技術(shù)原理課件HF-2型平面換能器HF-2型平面換能器第4章-聲波測(cè)試技術(shù)原理課件第4章-聲波測(cè)試技術(shù)原理課件聲波儀聲波儀是聲波測(cè)試的主要儀器設(shè)備，它的主要部件是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，發(fā)射機(jī)的作用是根據(jù)使用要求向聲波測(cè)試探頭輸出一定頻率的聲脈沖，接收機(jī)的功能是將接收探收到的微量信號(hào)放大，并在示波器上顯示或以數(shù)字的形式顯示。聲波儀聲波儀是聲波測(cè)試的主要儀器設(shè)備，它的主要部件是發(fā)射機(jī)HF-D型智能超聲儀HF-D型智能超聲儀HF-D型智

8、能超聲儀HF-D型智能超聲儀HTY-C型超聲波參數(shù)測(cè)定儀HTY-C型超聲波參數(shù)測(cè)定儀混凝土超聲波測(cè)試儀混凝土超聲波測(cè)試儀混凝土超聲波測(cè)試儀混凝土超聲波測(cè)試儀混凝土超聲波測(cè)試儀混凝土超聲波測(cè)試儀2.2 測(cè)試技術(shù)換能器的布置方法穿透法將聲波發(fā)射換能器和接收換能器放置在介質(zhì)相對(duì)的兩個(gè)表面上。2.2 測(cè)試技術(shù)換能器的布置方法反射法換能器向介質(zhì)發(fā)射聲波，波動(dòng)沿發(fā)射方向傳播到介質(zhì)的底面后，被反射回來再由換能器接收，根據(jù)反射波傳播的時(shí)間和顯示的波形來判斷介質(zhì)內(nèi)部的缺陷和材料性質(zhì)的方法，這種方法適用于介質(zhì)的另一面無法安放換能器的情況，在結(jié)構(gòu)混凝土厚度檢測(cè)，樁基完整性檢測(cè)中即采用反射法。反射法換能器向介質(zhì)發(fā)射聲

9、波，波動(dòng)沿發(fā)射方向傳播到介質(zhì)的底面第4章-聲波測(cè)試技術(shù)原理課件剖面法 發(fā)射換能器發(fā)射縱波通過一定角度入射到介質(zhì)中，被轉(zhuǎn)換成表面波，通過對(duì)表面波特性的測(cè)定來判斷介質(zhì)的缺陷和樹料的性能。若發(fā)射換能器和接收換能器同時(shí)放入一個(gè)鉆孔時(shí)，即為單孔測(cè)井。剖面法 發(fā)射換能器發(fā)射縱波通過一定角度入射到介質(zhì)中，被轉(zhuǎn)換第4章-聲波測(cè)試技術(shù)原理課件測(cè)試方法的確定測(cè)試地點(diǎn)的選擇根據(jù)測(cè)試目的的不同，應(yīng)選擇測(cè)試的地段能代表某一段的地質(zhì)情況，測(cè)點(diǎn)或測(cè)孔應(yīng)布置在巖性比較均勻、表面平坦、沒有局部斷裂破碎的地方對(duì)測(cè)孔的要求孔壁要圓滑、順直、清潔，孔徑大小要適當(dāng)，雙孔成一組孔聯(lián)合測(cè)試時(shí)，要求各孔盡量的相互平行。測(cè)試方法的確定表面處理 測(cè)點(diǎn)處的表面要清理干凈，粗糙不平的地方要打磨平整，如果是不易打平的表面，可以用環(huán)氧膠泥把測(cè)點(diǎn)處抹平，硬化后再涂上耦合劑。探測(cè)頻率的選擇為了在測(cè)距短、波速較高的情況下保證有較高的測(cè)量精度，則要求有足夠高的探測(cè)頻率，在巖體破碎、吸收衰減嚴(yán)重時(shí)所使用的頻率應(yīng)小一些。表面處理 測(cè)點(diǎn)處的表面要清理干凈，粗糙不平的地方要打磨平整耦合劑為