公路工程中超聲波檢測技術(shù)

1、第三章第三章 公路工程中超聲波檢測技術(shù)公路工程中超聲波檢測技術(shù)3.1 超聲波檢測概述超聲波檢測概述l 超聲波檢測技術(shù)是近年來在道路路基路面中應(yīng)用的一種新超聲波檢測技術(shù)是近年來在道路路基路面中應(yīng)用的一種新的無損檢測新技術(shù)；的無損檢測新技術(shù)；l 特點：激發(fā)容易、檢測簡單、操作方便、價格便宜；特點：激發(fā)容易、檢測簡單、操作方便、價格便宜；l 超聲波檢測技術(shù)早期應(yīng)用于建筑工程和巖土工程，在道路超聲波檢測技術(shù)早期應(yīng)用于建筑工程和巖土工程，在道路檢測中應(yīng)用前景廣泛。檢測中應(yīng)用前景廣泛。例如：波速法測量巖石的抗壓強(qiáng)度、判斷巖石的性質(zhì)，評價建筑工程中水泥混例如：波速法測量巖石的抗壓強(qiáng)度、判斷巖石的性質(zhì)，評價建

2、筑工程中水泥混凝土與鋼筋水泥混凝土材料的質(zhì)量。凝土與鋼筋水泥混凝土材料的質(zhì)量。l 超聲波（超聲波（Ultra-sonic）： 機(jī)械波機(jī)械波（*與電磁波的區(qū)別？）與電磁波的區(qū)別？） 頻率：頻率：f 20kHz（高于人耳能聽到的頻率（高于人耳能聽到的頻率20-20000Hz）（*超聲波與次聲波的區(qū)別？）超聲波與次聲波的區(qū)別？）通常頻率越高，檢測分辨率越高；通常頻率越高，檢測分辨率越高；然而頻率越高，波長越短，遇到小尺寸集料時發(fā)生散射增加，波能然而頻率越高，波長越短，遇到小尺寸集料時發(fā)生散射增加，波能損耗增大，也會引起測量誤差的增加。損耗增大，也會引起測量誤差的增加。因此超聲波檢測頻率選擇：因此超聲

3、波檢測頻率選擇：100kHz f 20kHz 人人狗狗貓貓蝙蝠蝙蝠海豚海豚發(fā)聲范圍（發(fā)聲范圍（Hz） 85-1100452-1800760-150010000-1200007000-120000聽力范圍（聽力范圍（Hz） 20-2000015-5000060-650001000-120000150-150000l 機(jī)械波與電磁波的對比：機(jī)械波與電磁波的對比： 相同點：相同點：1 1、都有波的的一切特性，如：都能產(chǎn)生反射、折射、干涉、衍射等現(xiàn)象。、都有波的的一切特性，如：都能產(chǎn)生反射、折射、干涉、衍射等現(xiàn)象。2 2、波速、波長、頻率之間具有同樣的關(guān)系。、波速、波長、頻率之間具有同樣的關(guān)系。 不同

4、點：不同點：1 1、產(chǎn)生機(jī)理不同；、產(chǎn)生機(jī)理不同；機(jī)械波是由機(jī)械波是由機(jī)械振動機(jī)械振動產(chǎn)生的；電磁波產(chǎn)生機(jī)理也不同，有產(chǎn)生的；電磁波產(chǎn)生機(jī)理也不同，有電子的周期性運(yùn)動電子的周期性運(yùn)動產(chǎn)產(chǎn)生（生（無線電波無線電波）；有）；有原子的外層電子受激發(fā)后原子的外層電子受激發(fā)后產(chǎn)生（產(chǎn)生（紅外線紅外線、可見光可見光、紫外線紫外線）；有）；有原子的內(nèi)層電子受激發(fā)后原子的內(nèi)層電子受激發(fā)后產(chǎn)生（產(chǎn)生（倫琴射線倫琴射線）；有）；有原子核受激發(fā)后原子核受激發(fā)后產(chǎn)生（射線）。產(chǎn)生（射線）。2 2、介質(zhì)對傳播速度的影響不同、介質(zhì)對傳播速度的影響不同機(jī)械波的傳播速度由介質(zhì)決定，與頻率無關(guān)。機(jī)械波的傳播速度由介質(zhì)決定，與頻

5、率無關(guān)。電磁波在電磁波在真空真空中傳播速度相同，均為中傳播速度相同，均為3 3108m/s108m/s。在同種介質(zhì)中不同頻率的電。在同種介質(zhì)中不同頻率的電磁波傳播速度不同。磁波傳播速度不同。（頻率越大傳播速度越小）（頻率越大傳播速度越?。C(jī)械波不能在真空中傳播，電磁波能在真空中傳播。機(jī)械波不能在真空中傳播，電磁波能在真空中傳播。其原因是：其原因是：機(jī)械波傳播的是振動形式，通過振動形式傳遞能量，其本身不是物機(jī)械波傳播的是振動形式，通過振動形式傳遞能量，其本身不是物質(zhì)，故不能在真空中傳播；而電磁波是電磁場在空間的傳播，本身就是物質(zhì)，在真空質(zhì)，故不能在真空中傳播；而電磁波是電磁場在空間的傳播，本身就

6、是物質(zhì)，在真空中可以傳播，而在介質(zhì)中傳播速度反而受影響。中可以傳播，而在介質(zhì)中傳播速度反而受影響。l 超聲波特性：超聲波特性：l （1）傳播直線性）傳播直線性超聲波的波長短，通常障礙物的尺寸要比超聲波超聲波的波長短，通常障礙物的尺寸要比超聲波的波長大好多倍，因此較少產(chǎn)生衍射，它在均勻介質(zhì)中能夠定向直線的波長大好多倍，因此較少產(chǎn)生衍射，它在均勻介質(zhì)中能夠定向直線傳播，超聲波的波長越短，這一特性就越顯著。傳播，超聲波的波長越短，這一特性就越顯著。l （2）功率特性）功率特性當(dāng)聲音在空氣中傳播時，推動空氣中的微粒往復(fù)振當(dāng)聲音在空氣中傳播時，推動空氣中的微粒往復(fù)振動而對微粒做功。在相同強(qiáng)度下，聲波頻率

7、越高，所具有的功率就越動而對微粒做功。在相同強(qiáng)度下，聲波頻率越高，所具有的功率就越大。大。l （3）空化作用）空化作用 當(dāng)超聲波在液體中傳播時，由于液體微粒的劇烈當(dāng)超聲波在液體中傳播時，由于液體微粒的劇烈振動，會在液體內(nèi)部產(chǎn)生小空洞。這些小空洞迅速脹大和閉合，會使振動，會在液體內(nèi)部產(chǎn)生小空洞。這些小空洞迅速脹大和閉合，會使液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用，從而產(chǎn)生幾千到上萬個大氣壓的液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用，從而產(chǎn)生幾千到上萬個大氣壓的壓強(qiáng)。微粒間這種劇烈的相互作用，會使液體的溫度驟然升高，起到壓強(qiáng)。微粒間這種劇烈的相互作用，會使液體的溫度驟然升高，起到了很好的攪拌作用，從而使兩種不相溶的

8、液體（如水和油）發(fā)生乳化，了很好的攪拌作用，從而使兩種不相溶的液體（如水和油）發(fā)生乳化，并且加速溶質(zhì)的溶解，加速化學(xué)反應(yīng)。并且加速溶質(zhì)的溶解，加速化學(xué)反應(yīng)。 l 超聲波作為一種波，它在傳輸過程中服從波的傳播超聲波作為一種波，它在傳輸過程中服從波的傳播規(guī)律：規(guī)律：1.超聲波在材料中保持超聲波在材料中保持直線直線行進(jìn)（理想條件），若組成材料行進(jìn)（理想條件），若組成材料較粗，甚至有一定的孔隙時，波將產(chǎn)生較粗，甚至有一定的孔隙時，波將產(chǎn)生吸收吸收、散射散射和和擴(kuò)散擴(kuò)散三種狀態(tài)三種狀態(tài)（土木工程主要利用（土木工程主要利用“吸收吸收”性能）性能）2.反射和折射定律（反射和折射定律（ “全能反射全能反射”、

9、“殘能反射殘能反射”）3.波發(fā)生反射時入射角和反射角相等波發(fā)生反射時入射角和反射角相等4.波的傳輸定理，即波的傳輸定理，即 （ 為波速，為波速， 為波長，為波長， 為頻率），為頻率），也可以這樣改寫：也可以這樣改寫： （ 為波的行程時間）為波的行程時間）*波在介質(zhì)中行進(jìn)速度越大，說明介質(zhì)材料堅硬性越大（材料強(qiáng)度越大）。波在介質(zhì)中行進(jìn)速度越大，說明介質(zhì)材料堅硬性越大（材料強(qiáng)度越大）。f1tt3.2 超聲波檢測基本原理l 波速法波速法即用波在路基路面材料中的行進(jìn)速度來檢測其力學(xué)特性的即用波在路基路面材料中的行進(jìn)速度來檢測其力學(xué)特性的方法方法l 無限大固體介質(zhì)中縱波的傳播速度（當(dāng)固體介質(zhì)的尺寸與無限

10、大固體介質(zhì)中縱波的傳播速度（當(dāng)固體介質(zhì)的尺寸與所傳播的波長相比足夠大時可視為半無限大體，其波速與所傳播的波長相比足夠大時可視為半無限大體，其波速與無限大介質(zhì)中的波速相近）無限大介質(zhì)中的波速相近） （3-1） 超聲波縱波波速（超聲波縱波波速（m/s） 彈性模量（彈性模量（MPa） 介質(zhì)材料密度（介質(zhì)材料密度（g/cm3） 泊松比，無量綱泊松比，無量綱(1)(1)(12 )LELl 材料的強(qiáng)度與波速的關(guān)系材料的強(qiáng)度與波速的關(guān)系材料的強(qiáng)度愈高，穿過它的超聲波波速值就愈高材料的強(qiáng)度愈低，穿過它的超聲波波速值就愈低l 超聲波檢測的依據(jù)超聲波檢測的依據(jù)超聲波在正常材料體和有缺陷材料體中的波速不同l 材料的

11、彈性模量材料的彈性模量定義：材料所受應(yīng)力與應(yīng)變量的比值。（楊式模量）定義：材料所受應(yīng)力與應(yīng)變量的比值。（楊式模量） (3-2)2(1)(12 )(1)LEtLLvtL試樣長度幾種常用路用有關(guān)材料的聲波波速表幾種常用路用有關(guān)材料的聲波波速表縱波波速Lc橫波波速tc材料密度材料名稱材料名稱 （m/s） （m/s） （g/cm3）粘土粘土112825005791.40土壤土壤15376291.55491.12.0砂砂14004571.93水水146201.0冰冰33500.9空氣空氣3410鋼鋼610030507.70鐵鐵579032007.85鋁鋁656029802.70混凝土混凝土3560216

12、02.73.0橡膠橡膠105527.41.15幾種常用的路用巖體聲波波速表幾種常用的路用巖體聲波波速表縱波波速縱波波速Lc縱波波速縱波波速Lc巖石種類巖石種類 （m/s）巖石種類巖石種類 （m/s）輝綠巖輝綠巖6050大理石大理石5800玄武巖玄武巖5700石英黑云母麻石英黑云母麻巖巖5600安山巖安山巖5200雙云母片麻巖雙云母片麻巖5300石英斑巖石英斑巖5500奧陶紀(jì)石灰?guī)r奧陶紀(jì)石灰?guī)r5000花崗巖花崗巖5000前泥盆級砂巖前泥盆級砂巖4800花崗斑巖花崗斑巖5100前生代沉積巖前生代沉積巖3000l 超聲波縱波波速、橫波波速與表面波波速三者之間的關(guān)系 (3-3) (3-4) 橫波波速，

13、質(zhì)點振動橫波波速，質(zhì)點振動 方向垂直于波傳播方向方向垂直于波傳播方向 縱波波速，質(zhì)點振動縱波波速，質(zhì)點振動方向和波傳播方向一致方向和波傳播方向一致 表面波波速，質(zhì)點振動軌跡是橢圓形，長軸垂直于傳播方向，表面波波速，質(zhì)點振動軌跡是橢圓形，長軸垂直于傳播方向，短軸短軸 平行于傳播方向，平行于傳播方向，表面波沿界面表面?zhèn)鞑ケ砻娌ㄑ亟缑姹砻鎮(zhèn)鞑?22 ( 1)tLcc0 .8 71 .1 21RtcctcLcRc1 (/ )2(1)tEcms0.871.121 (/ )12(1)REcms)( )21)(1 ()1 (m/s EcLl 用波速判定巖體材料的質(zhì)量完整性表用超聲波的波速原理來判別結(jié)構(gòu)材料的

14、質(zhì)量狀況，在巖體中用得較多，經(jīng)驗也比較豐富。它是用巖體中的實測聲速與完整的巖體試件聲速比值的平方來判斷巖體質(zhì)量的完整性程度，這種方法，對于路基路面質(zhì)量監(jiān)測也可參考。完整性完整性系數(shù)系數(shù)完整性好完整性好中等中等差差0.750.900.450.750.45212(/)cc混凝土材料的抗壓強(qiáng)度與超聲波縱波傳播速度混凝土材料的抗壓強(qiáng)度與超聲波縱波傳播速度之間的關(guān)系曲線之間的關(guān)系曲線l 混凝土的抗壓強(qiáng)度混凝土的抗壓強(qiáng)度 與縱波速度與縱波速度 的關(guān)系，一般可用經(jīng)驗公的關(guān)系，一般可用經(jīng)驗公式表示式表示： （3-5）或或 （3-6）式中： 混凝土的抗壓強(qiáng)度（MPa） 超聲波縱波波速（km/s) 、 、 與混凝

15、土原材料、配合比有關(guān)的系數(shù)，可通過實驗求得. 通過實驗求得的系數(shù)，該系數(shù)這樣求得：由試件試驗，先求得 與 ，然后相除，即： Lb cTRe0KTLRkcTRTRLcLCabK0kLCTR0TLRkCn平均波速法平均波速法l 假設(shè)超聲波從發(fā)射到接假設(shè)超聲波從發(fā)射到接收到的時間為收到的時間為t，發(fā)射，發(fā)射器與接收器之間的距離器與接收器之間的距離為為L，如圖，如圖3-2所示。在所示。在圖中，圖中，E、與與分別是分別是材料的彈性模量、密度材料的彈性模量、密度與介電常數(shù)與介電常數(shù)。由圖看出，。由圖看出，平均波速為：平均波速為： （3-8）圖3-2 超聲波發(fā)射、接收示意圖Stl 由式（由式（3-8）可知，

16、當(dāng)超聲波以角向材料中發(fā)射近似表面波）可知，當(dāng)超聲波以角向材料中發(fā)射近似表面波時，根據(jù)波傳輸最短距離原則，波由點經(jīng)點到點為最短，時，根據(jù)波傳輸最短距離原則，波由點經(jīng)點到點為最短，為此，便構(gòu)成波的近似為此，便構(gòu)成波的近似ABC。顯然，。顯然，B點是點是ABC的對的對稱點。在稱點。在ABD中，由于中，由于D點為中點，因此，波從點為中點，因此，波從A點到點到B點所經(jīng)過的路程為：點所經(jīng)過的路程為：發(fā)射角較小時發(fā)射角較小時(例如，例如，5以內(nèi)以內(nèi))，就成為直達(dá)波，此時，波，就成為直達(dá)波，此時，波的行程近似為：的行程近似為： （310）式中符號意義同上。式中符號意義同上。cosADAB22cosADSAB1

17、2/ cos2L/ cosLsLl 波的發(fā)射角度波的發(fā)射角度 當(dāng)波垂直于路基路面方向發(fā)射時，波能的全部或近似全部損耗于材料中，散射到面層的能量近于零，在實際工作中，對路基路面檢測沒有用處。當(dāng)波的發(fā)射小于45角時，回射或散射的波能多起來，發(fā)射角愈小，則散射或回射能量愈多。但當(dāng)發(fā)射角等于零時(貼面或沿面發(fā)射)，將有一半能量發(fā)射在空氣中，只有一半能量進(jìn)入路基路面表面層，且有一部分能量散射或回射后被探頭接收，散發(fā)情況如圖3-3所示。圖3-3 能量散發(fā)情況 3.3 超聲波路面探傷應(yīng)用技術(shù)l 超聲波反射法測量原理圖圖3-4 超聲波反射法測量原理超聲波反射法測量原理 在圖3-4中，發(fā)射探頭用角 向路面中發(fā)射

18、超聲波，該波穿透路面結(jié)構(gòu)材料到達(dá)路面底部。如波從發(fā)射到接收所經(jīng)過的路程為S，時間為 ，則根據(jù)式（3-4）與式（3-5）波的平均波速為：45/ cos2 (/ )iiiSLttLm stit若超聲波在路面中行進(jìn)的正常波速為 ，由于路面結(jié)構(gòu)中存在缺損時，例如結(jié)構(gòu)軟弱層或空洞等，聲波產(chǎn)生小反射和繞射，使時間減緩拉長，由于兩探頭距離L一定，因此，波速隨即變小。若用實驗得到軟弱時波速為 、空洞時的波速 為等一組標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)缺陷波速值，即可得到缺陷波速與標(biāo)準(zhǔn)波速的比值，如下式所示： （3-11） 某一種缺陷波速（某一種缺陷波速（m/s） 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)波速（結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)波速（m/s）這樣，檢測人員就可以根據(jù)這樣，檢測人

19、員就可以根據(jù) 的大小，初步判斷出缺陷的大小，初步判斷出缺陷的性質(zhì)。的性質(zhì)。012i缺標(biāo)1ii缺標(biāo)i缺標(biāo)i根據(jù)實踐，水泥混凝土結(jié)構(gòu)的空洞直徑由下式求出根據(jù)實踐，水泥混凝土結(jié)構(gòu)的空洞直徑由下式求出： （3-12）空洞的直徑（空洞的直徑（cm）聲波經(jīng)過的長度（聲波經(jīng)過的長度（m）td有空洞處超聲波傳播的時間（有空洞處超聲波傳播的時間（s）tc無空洞處超聲波傳播的時間（無空洞處超聲波傳播的時間（s）2dc()12ttSR 超聲波經(jīng)過水泥混凝土結(jié)構(gòu)中不密實層部分的深度，由超聲波經(jīng)過水泥混凝土結(jié)構(gòu)中不密實層部分的深度，由下式求算：下式求算： （3-13）h 結(jié)構(gòu)中缺陷的深度（結(jié)構(gòu)中缺陷的深度（m） 密實結(jié)構(gòu)的聲速（密實結(jié)構(gòu)的聲速（m/s） 有離析或蜂窩處的聲速（有離析或蜂窩處的聲速（m/s）b 聲路長度（聲路長度（m）t 通過不密實層的聲波傳播時間（通過不密實層的聲