第4章 聲波測(cè)試技術(shù)原理

1、第七章第七章 聲波測(cè)試技術(shù)聲波測(cè)試技術(shù) 聲波測(cè)試技術(shù)是近年來(lái)發(fā)展非常迅速的一項(xiàng)新技聲波測(cè)試技術(shù)是近年來(lái)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)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)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(guò)分析研究接構(gòu)內(nèi)部傳播并由接收儀器接收，通過(guò)分析研究接收和記錄下來(lái)的波動(dòng)信號(hào)，來(lái)確定結(jié)構(gòu)的力學(xué)特收和記錄下來(lái)的波動(dòng)信號(hào)，來(lái)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)材料試驗(yàn)方法相

2、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。建、市政等工程中得到廣泛的應(yīng)用。1. 聲波及其物理性質(zhì)聲波及其物理性質(zhì) 5.1.1 5.1.1 物理學(xué)定義物理學(xué)定義n 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；聲以波的形式傳播著，我們把它叫做聲波；n 聲波借助各種聲波借助各種媒介媒介向四面八方傳播；向四面八方傳播；n 除了空氣，水、金屬、木頭、混凝土等也都能夠傳遞聲波，它們除了空氣，水、金屬、

3、木頭、混凝土等也都能夠傳遞聲波，它們都是聲波的良好都是聲波的良好媒介媒介。在。在真空真空狀態(tài)中聲波就不能傳播了。狀態(tài)中聲波就不能傳播了。 5.1.2 5.1.2 聲波頻率聲波頻率n 人對(duì)聲音的感覺(jué)有一定人對(duì)聲音的感覺(jué)有一定頻率范圍頻率范圍，大約每秒鐘振動(dòng)，大約每秒鐘振動(dòng)2020次到次到2000020000次次范圍內(nèi)，即頻率范圍是范圍內(nèi)，即頻率范圍是20Hz-20000Hz20Hz-20000Hz；n 聲波借助各種聲波借助各種媒介媒介向四面八方傳播。如果物體振動(dòng)頻率低于向四面八方傳播。如果物體振動(dòng)頻率低于20Hz20Hz或高于或高于20000Hz20000Hz人耳就聽(tīng)不到了，高于人耳就聽(tīng)不到了，

4、高于20000Hz20000Hz的頻率就叫做的頻率就叫做超聲波超聲波，而低于而低于20Hz20Hz的頻率就叫做的頻率就叫做次聲波次聲波。 1.1 聲波的傳播規(guī)律聲波的傳播規(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，形成彈性波。聲波是彈性波的彈性介質(zhì)內(nèi)傳播，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)在巖土和混凝土介質(zhì)中的傳播服從彈性波傳播規(guī)律。律

5、。波動(dòng)方程波動(dòng)方程拉密系數(shù)；拉密系數(shù)；體積應(yīng)變；體積應(yīng)變；質(zhì)點(diǎn)的位移；質(zhì)點(diǎn)的位移；介質(zhì)密度。介質(zhì)密度。拉普拉斯算子：拉普拉斯算子：拉密運(yùn)動(dòng)方程：拉密運(yùn)動(dòng)方程：縱波（縱波（P波）：波）：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致時(shí)稱(chēng)為縱波。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致時(shí)稱(chēng)為縱波。將上式代入拉密方程可得：將上式代入拉密方程可得：可得無(wú)限彈性介質(zhì)中縱波的波動(dòng)方程：可得無(wú)限彈性介質(zhì)中縱波的波動(dòng)方程：可得縱波的傳播速度：可得縱波的傳播速度：橫波（橫波（S波）：波）：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直時(shí)稱(chēng)為橫波。質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向垂直時(shí)稱(chēng)為橫波。將上式代入拉密方程可得：將上式代入拉密方程可得：可得無(wú)限彈性介質(zhì)中

6、橫波的波動(dòng)方程：可得無(wú)限彈性介質(zhì)中橫波的波動(dòng)方程：可得橫波的傳播速度：可得橫波的傳播速度：一維波動(dòng)方程：一維波動(dòng)方程： 對(duì)于一根混凝土樁，當(dāng)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)時(shí)，可把樁看成是具有側(cè)限約束限約束(圍壓圍壓)的桿系結(jié)構(gòu)。在樁頂施加一個(gè)初始擾動(dòng)力的桿系結(jié)構(gòu)。在樁頂施加一個(gè)初始擾動(dòng)力(錘錘擊一下?lián)粢幌?，彈性波立即從樁頭沿樁身往樁底傳播，并滿(mǎn)足一，彈性波立即從樁頭沿樁身往樁底傳播，并滿(mǎn)足一維波動(dòng)方程。維波動(dòng)方程。波的傳播速度：波的傳播速度：比較縱波速度比較縱波速度VP、橫波、橫波VS和一維波和一維波VB。則有則有VPVBVSA）縱波速度總是大于橫波速度）縱波速度總是大于橫

7、波速度;B） 縱波又稱(chēng)縱波又稱(chēng)P(Primary)波，意即初至波，因其波速最快；波，意即初至波，因其波速最快；C）橫波又稱(chēng)）橫波又稱(chēng)S(Secondary)波，意即次波，因其波速最小。波，意即次波，因其波速最小。 由波速的表達(dá)式可知，彈性介質(zhì)的性質(zhì)及種由波速的表達(dá)式可知，彈性介質(zhì)的性質(zhì)及種類(lèi)不同，彈性常數(shù)及密度也不同，因此，彈性波類(lèi)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，如用人工在介質(zhì)中傳播的速度也不同。這樣，如用人工(爆爆破、錘擊等破、錘擊等)發(fā)生彈性波，并設(shè)法用接收儀表測(cè)定發(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(lái)判別物體的特性及狀態(tài)其波速，則可以用

8、來(lái)判別物體的特性及狀態(tài)(如堅(jiān)如堅(jiān)硬或松軟，裂隙與完整等硬或松軟，裂隙與完整等)以及混凝土樁基的完整以及混凝土樁基的完整性和承載力等，這就是工程上經(jīng)常使用的性和承載力等，這就是工程上經(jīng)常使用的“彈性彈性波探測(cè)法波探測(cè)法”的理論依據(jù)。的理論依據(jù)。1.2 彈性波探測(cè)的理論彈性波探測(cè)的理論2.1 聲波探測(cè)儀器設(shè)備聲波探測(cè)儀器設(shè)備 聲波探測(cè)的全過(guò)程是聲波發(fā)射、傳播及接收聲波探測(cè)的全過(guò)程是聲波發(fā)射、傳播及接收顯示，其相應(yīng)的儀器有顯示，其相應(yīng)的儀器有發(fā)射換能器發(fā)射換能器、接收換能器接收換能器和和聲波儀聲波儀。2. 聲波探測(cè)技術(shù)聲波探測(cè)技術(shù)聲波換能器聲波換能器 換能器是聲電能量的轉(zhuǎn)換器件，俗稱(chēng)探頭。換能器是聲

9、電能量的轉(zhuǎn)換器件，俗稱(chēng)探頭。 換能器一般利用換能器一般利用壓電陶瓷晶體的壓電效應(yīng)壓電陶瓷晶體的壓電效應(yīng)原理工原理工作。作。l發(fā)射換能器發(fā)射換能器是將聲波儀輸出的具有一定功率的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原理是利用晶體的逆壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)。l接收換能器接收換能器是將物體中傳播的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電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工作原理是利用晶體的壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)的原理壓電效應(yīng)的原理l如果對(duì)壓電陶

10、瓷施加壓力，它便會(huì)產(chǎn)生電位差如果對(duì)壓電陶瓷施加壓力，它便會(huì)產(chǎn)生電位差（稱(chēng)之為正壓電效應(yīng)）；（稱(chēng)之為正壓電效應(yīng)）；l反之施加電壓，則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力（稱(chēng)為逆壓電效反之施加電壓，則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力（稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)）。應(yīng)）。l如果壓力是一種高頻震動(dòng)，則產(chǎn)生的就是高頻電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)），這就是我們平常所說(shuō)的頻聲信號(hào)（機(jī)械震動(dòng)），這就是我們平常所說(shuō)的超聲波信號(hào)。超聲波信號(hào)。 超聲波探頭結(jié)構(gòu)超聲波探頭結(jié)構(gòu)如圖所示，它主要由如圖所示，它主要由壓 電 晶 片 、 吸 收 塊壓 電 晶 片

11、、 吸 收 塊（阻尼塊）、保護(hù)膜、（阻尼塊）、保護(hù)膜、引線(xiàn)等組成。引線(xiàn)等組成。金 屬 殼吸 收 塊保 護(hù) 膜接 線(xiàn) 片壓 電 晶 片導(dǎo) 電 螺 桿HF-2型平面換能器型平面換能器聲波儀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。在示波器上顯示或以數(shù)字的形式顯示。HF-

12、DHF-D型智能超聲儀型智能超聲儀HF-DHF-D型智能超聲儀型智能超聲儀HTY-C型超聲波參數(shù)測(cè)定儀型超聲波參數(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2.2 測(cè)試技術(shù)測(cè)試技術(shù)換能器的布置方法換能器的布置方法l穿透法穿透法將聲波發(fā)射換能器將聲波發(fā)射換能器和接收換能器放置和接收換能器放置在介質(zhì)相對(duì)的兩個(gè)在介質(zhì)相對(duì)的兩個(gè)表面上。表面上。l反射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(lái)再由換能器接收，到介質(zhì)的底面后，被反射回來(lái)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(lái)判斷介根據(jù)反射波傳播的時(shí)間和顯示的波形來(lái)判斷介質(zhì)內(nèi)

13、部的缺陷和材料性質(zhì)的方法，這種方法適質(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(wú)法安放換能器的情況，在用于介質(zhì)的另一面無(wú)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。用反射法。l剖面法剖面法 發(fā)射換能器發(fā)射縱波通過(guò)一定角度入射到介質(zhì)發(fā)射換能器發(fā)射縱波通過(guò)一定角度入射到介質(zhì)中，被轉(zhuǎn)換成表面波，通過(guò)對(duì)表面波特性的測(cè)中，被轉(zhuǎn)換成表面波，通過(guò)對(duì)表面波特性的測(cè)定來(lái)判斷介質(zhì)的缺陷和樹(shù)料的性能。若發(fā)射換定來(lái)判斷介質(zhì)的缺陷和樹(shù)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

14、。單孔測(cè)井。測(cè)試方法的確定測(cè)試方法的確定l測(cè)試地點(diǎn)的選擇測(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(méi)有局部斷裂破碎的性比較均勻、表面平坦、沒(méi)有局部斷裂破碎的地方地方l對(duì)測(cè)孔的要求對(duì)測(cè)孔的要求孔壁要圓滑、順直、清潔，孔徑大小要適當(dāng)，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?；テ叫?。l表面處理表面處理 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)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。氧膠泥把測(cè)點(diǎn)處抹平，硬化后再涂上耦合劑。l探測(cè)頻率的選擇探測(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)小巖體破碎、吸收衰減嚴(yán)重時(shí)所使用的頻率應(yīng)小一些。一些。l耦合劑耦合劑為了使聲波有效地發(fā)射到被測(cè)介質(zhì)或結(jié)構(gòu)中，為了使聲波有效地發(fā)射到被測(cè)介質(zhì)或結(jié)構(gòu)中