混凝土超聲檢測(cè)知識(shí)完整

1、混凝土超聲檢測(cè)知識(shí)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(lèi)：一類(lèi)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(guò)程，如水波、聲波等；另一類(lèi)是電磁波，它是由電磁振蕩所產(chǎn)生的變化電場(chǎng)和變化磁場(chǎng)在空間的傳播過(guò)程，如無(wú)線電波、紅外線、可見(jiàn)光等。聲波是物體機(jī)械振動(dòng)時(shí)迫使周?chē)橘|(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(tīng)到的聲波頻率范圍是2020000Hz，叫可聞聲波。但聲波頻率超過(guò)20000Hz時(shí)，人耳就聽(tīng)不見(jiàn)了，這種聲波叫超聲波。頻率低于20Hz的叫次聲波，人耳也聽(tīng)不到。各種聲波的頻率范圍見(jiàn)表1-1。表1-1 各種聲波的頻率范圍 （Hz） 次聲波可聞聲

2、波超聲波特超聲波02020200002×10410101010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(lèi)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(guò)來(lái)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(guò)程。振動(dòng)大小和方向隨時(shí)間而變化的過(guò)程曲線就稱(chēng)為波形。超聲儀屏幕上的圖形就是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

3、的曲線。由于諧振運(yùn)動(dòng)是最簡(jiǎn)單的振動(dòng)，所以它產(chǎn)生的余弦波是最簡(jiǎn)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： （1-1）式中 A振幅 角頻率 t時(shí)間T振幅 A時(shí)間tA圖1-1 波形圖y質(zhì)點(diǎn)在t時(shí)刻離開(kāi)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(chēng)為周期。頻率f周期的倒數(shù)稱(chēng)為頻率，單位赫茲或千赫茲（Hz，kHz）?；炷脸暀z測(cè)使用頻率一般在20200kHz之間，f與圓頻率的關(guān)系為2f 。振幅A波動(dòng)的幅度，表征波的強(qiáng)弱，通常以分貝（db）或直接以屏幕上波高度的電壓表示。波長(zhǎng)聲波

4、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(zhǎng)、頻率、波速間有如下關(guān)系： = （1-1）例如超聲波通過(guò)混凝土后被接收到，測(cè)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(zhǎng)： =9cm二、 波的分類(lèi)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(chēng)為縱波，又稱(chēng)為P波?？稍诠腆w、流體中傳播。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(chēng)為橫波，又稱(chēng)為S波。只能在固體中傳播。表面波：沿固體表面?zhèn)鞑サ牟?，它?/p>

5、由縱波和橫波組合而成，又稱(chēng)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(lèi)的波具有不同的傳播速度。同一種類(lèi)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(duì)于固體介質(zhì)來(lái)說(shuō)：在無(wú)限大或半無(wú)限大介質(zhì)中的縱波速度vP： vP= （1-2）在有限的固體中傳播時(shí)，則形成制導(dǎo)波，傳播速度變小。在薄板中（板厚遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)）縱波的傳播速度vL： vL= （1-3）在細(xì)長(zhǎng)桿中（桿的橫向尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)）縱波的傳播速度vo： vo= （1-4）在無(wú)限固體中橫波的傳播速

6、度vS： vS= = （1-5） 在固體表面?zhèn)鞑サ谋砻娌ㄋ俣葀R： vR= 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）一般固體，介于0-0.3左右，>1.14，混凝土在0.2-0.3左右，-1.87，因?yàn)閂R0.9VS，所以VP（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(lèi)型的波，接收換能器也可接收到各種類(lèi)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(cè)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

7、、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Z×v（104g/cm2·s）vPvS鋼2100.297.859403220463銅1240.348.945602250406玻璃700.252.558003350145陶瓷590.232.453003100127混凝土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(guò)程中，由一種介質(zhì)

8、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(lái)介質(zhì)中，稱(chēng)為反射波；另一部分聲波透過(guò)界面在另一種介質(zhì)中繼續(xù)傳播，稱(chēng)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(guò)的聲能量）表示能量的大小，且定義：R= 為聲強(qiáng)反射系數(shù)； T = 為聲強(qiáng)透射系數(shù)。式中 I0、I1、I2 分別為入射波、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(lái)說(shuō)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

9、波速的乘積，即Z=×v。（見(jiàn)表1-2）。對(duì)于垂直入射到兩個(gè)無(wú)限大界面的聲波（圖1-2）： R= （1-8） T= (1-9）式中 Z1、Z2第一、二種介質(zhì)的特性阻抗。從（8）式、（9）式可知：IRTZ1=1×v1Z1=2×v2圖1-2 垂直入射聲波的反射和透射1） R+T=1，這符合能量守恒定律；2） Z1= Z2時(shí)，R=0，T=1，即當(dāng)兩種介質(zhì)特性阻抗相等時(shí)，聲波全部透過(guò)界面，無(wú)反射，對(duì)聲波來(lái)說(shuō)，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<< Z2），R1，T0，即聲波能量在界面絕大部分被反射，難于

10、進(jìn)入第二種介質(zhì)。從表1-1可看到，鋼、混凝土一類(lèi)固體介質(zhì)特性阻抗較大，液體一類(lèi)介質(zhì)次之，空氣的特性阻抗最小，因此，在空氣與固體介質(zhì)界面上，聲波很難通過(guò)，絕大部分被反射。這也就是為什么換能器和被測(cè)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(cè)裂縫。第二章 混凝土超聲檢測(cè)原理圖2-1超聲測(cè)試波形 LTtA一、 混凝土超聲檢測(cè)原理超聲波通過(guò)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(cè)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(cè)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= （2-1） 式中 L聲波傳播距

11、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(cè)得，測(cè)距需要實(shí)體測(cè)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(cè)缺陷和裂縫中是重要的參數(shù)首波后面12個(gè)周波是直達(dá)的縱波，所以測(cè)定接收波頻率時(shí)應(yīng)當(dāng)測(cè)定這12個(gè)波的頻率。可以通過(guò)移動(dòng)游標(biāo)的辦法測(cè)定兩個(gè)波谷（峰）的聲時(shí)t1、t2，則頻率f： f= （2-2） 3）收波主頻率（簡(jiǎn)稱(chēng)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(guò)程中高頻成分首先衰減，結(jié)果

12、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(guò)需要檢測(cè)的部位，測(cè)量聲波通過(guò)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。600cm600cm圖2-2測(cè)試階梯狀大試件 二、幾個(gè)需要了解的問(wèn)題1）測(cè)距對(duì)聲速的影響本來(lái)，一種介質(zhì)的波速是一定

13、的，不應(yīng)隨尺寸大小而變。但問(wèn)題在于，用我們目前的超聲儀來(lái)測(cè)定時(shí)，隨著測(cè)距的增加，所測(cè)得的波速值確實(shí)會(huì)減小。為了弄清這個(gè)問(wèn)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(jí)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(jí)一級(jí)地測(cè)試混凝土的波速。這樣就獲得了在不同測(cè)距（從15cm-600cm)下混凝土波速的變化情況，如圖2-3所示。v km/s 5.0 4.5 0 1 2 3 4 5 6213d（m）圖3-5 波速測(cè)距關(guān)系圖圖2-3聲速測(cè)距關(guān)系圖1-C35號(hào)；2-C25號(hào)；3-C15號(hào)從圖中可以看到，三種等級(jí)的混凝土，隨著測(cè)距增加，所測(cè)波速都

14、逐漸減小。減小的趨勢(shì)是：測(cè)距短時(shí)減小快，而測(cè)距增大后，這種減小趨勢(shì)也變緩。在測(cè)試波速的同時(shí)也測(cè)量了接收波主頻率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著測(cè)距的增加，接收波的主頻率也變小，且變小的趨勢(shì)與波速變小的趨勢(shì)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(cè)距增加接收波的主頻率也隨之下降。超聲脈沖波主頻率的下降正是引起所測(cè)波速下降的根本原因，為了使在實(shí)體結(jié)構(gòu)上測(cè)得的波速與在15cm試件上測(cè)得的波速一致，根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果制作了不同測(cè)距波速修正表。表中以15cm測(cè)距為準(zhǔn)，凡測(cè)距大于15cm者，可將測(cè)得的波速乘上表中的修正系數(shù)。中間測(cè)距可用內(nèi)插修正。表2-1 不同測(cè)距波速修正表

15、 測(cè)距cm 15 50 100 200 300 400 500 修正系數(shù) 1 1.003 1.015 1.023 1.027 1.030 1.0312）鋼筋對(duì)波速測(cè)量的影響為什么鋼筋對(duì)混凝土波速測(cè)量有影響？道理很簡(jiǎn)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4000m/s5000m/s。由于測(cè)定聲時(shí)時(shí)，我們總是以首先到達(dá)的波來(lái)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(cè)波速增大。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2-5平行鋼筋的影響DBCL dA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，

16、上下有成排的主筋（圖2-4）。如果我們測(cè)量梁的混凝土波速時(shí)，換能器正好對(duì)準(zhǔn)鋼筋，這時(shí)，聲波穿鋼筋而過(guò)，將使所測(cè)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(kāi)鋼筋35cm，這種影響就沒(méi)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?gòu)腃到達(dá)接收換能器D。如果A、D換能器離開(kāi)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

17、接傳播的時(shí)間。這時(shí)，我們?nèi)匀灰詼y(cè)距L來(lái)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(guò)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段的波速。但最方便和最穩(wěn)妥的作法是在選定測(cè)點(diǎn)時(shí)，使換能器連線與鋼筋離開(kāi)一定距離。離開(kāi)的最小距離dmin 是可以計(jì)算的。作為大致估計(jì)，dmin為測(cè)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(tīng)到說(shuō)有鋼筋，就沒(méi)辦法測(cè)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(duì)于垂直于測(cè)試方向的鋼筋這是常遇到的，例如柱、墩、墻體的主筋。雖

18、然可能縱橫都有，但都與測(cè)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(kāi)也很簡(jiǎn)單：將測(cè)點(diǎn)移開(kāi)35cm就行了。對(duì)于平行于測(cè)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?？紤]避開(kāi)。避開(kāi)的最小距離為測(cè)距的1/81/6 。箍筋的情況梁、柱一類(lèi)結(jié)構(gòu)有許多箍筋，往往平行于測(cè)試方向，似乎有影響。但是，這里有個(gè)有趣的問(wèn)題，就是鋼筋的聲傳播速度。我們說(shuō)鋼的傳播速度是5940m/s，那是指在半無(wú)限大介質(zhì)中的速度。當(dāng)聲波沿著鋼筋傳播時(shí)，邊界條件變了，聲波是近似在桿件中傳播，速度變小。南京水利科學(xué)研究院實(shí)測(cè)的鋼筋波速。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋼筋越細(xì)，波速越小。6mm的鋼筋波速甚至低于一般混凝土的波速。所以箍筋的問(wèn)題一般可不予考慮。換能器頻率的影響。我們?cè)诼识╢v曲線時(shí)是測(cè)量試件，所用換能器頻率較高，而實(shí)測(cè)結(jié)構(gòu)時(shí)由于測(cè)距大，有時(shí)用的換能器頻率較低，這將造成測(cè)試條件和結(jié)果的不一致。為使二者測(cè)試結(jié)果一致，我們建議：(1)如果實(shí)測(cè)距離在1m以?xún)?nèi)，如梁、板、柱，則率定試件