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第二章混凝土超声检测技术基础,第1节概述第2节声学基础第3节超声换能器第4节超声仪第5节混凝土声学参数测量,1,第1节概述,一、混凝土超声检测技术发展历程二、我国对这项技术的研究50年代开展此项研究，60年代应用于工程检测。地上结构地下结构小构件检测大体积混凝土单一测强测强、测缺及弹性参数探测距离：1m20m换能器：单一纵波、窄带平面纵、横波平面、宽带、孔中换能器、大功率等,2,一、介质的弹、塑性1固体介质的基本性质形变外力作用下质点位移形状改变(切变)、体积改变(体变)2介质的弹、塑性,第2节声学基础,3,一、介质的弹、塑性3决定介质弹、塑性的因素力的大小作用时间介质本身的性质：软硬程度外界环境：温度、湿度因此，介质的弹、塑性是相对的，有条件的。,4,二、波与声波1波动是物质的一种运动形式。分机械波和电磁波。机械波：由于机械振动在弹性介质中引起的波动过程，如水波、声波、超声波等。电磁波：由于电磁振荡所产生的变化电场和变化磁场在空间的传播过程。如无线电波等。,5,二、波与声波2声波分类（根据频率大小）次声波：020Hz可闻声波：202104Hz超声波：21041010Hz特超声波：1010Hz,6,3机械波的产生需两个前提条件：1、作机械振动的波源2、传播这种机械振动的介质,7,三、振动与波1弹性振动质点受力后的振动，在一定位置附近来回重复运动在外力作用下：质点偏离平衡位置,8,外力解除后：质点逐步恢复到平衡位置。但在惯性作用下，质点在平衡位置两侧震荡。随着时间的推移，质点逐步静止在平衡位置。,三、振动与波,9,在振动过程中，弹性介质中的振动质点所产生的应力作用，引起相邻质点产生相应的振动，并以一定的速度向四周传播。这种由质点振动所产生的波动，叫弹性波。,三、振动与波2弹性波由质点振动所产生的波动,10,3波的传播波的传播是质点振动状态的传播，质点本身只是在其平衡位置作振动。,11,四波的描述简单、直观的图形方式,1振动图定义：某质点振动位移u随时间t变化的图形1)单点振动图to波的初至时刻，即A点开始振动的时刻t1=to+tA点停止振动的时刻t振动延续时间A1最大振幅，即质点偏离平衡位置的最大位移，反映了能量的大小T振动周期f=1/T，振动频率,12,2）多点振动图每道记录就是该观测点的质点振动图，多道记录的组合形成走时曲线,13,2波剖面图定义：某时刻t质点振动位移u随距离x变化的图形射线方向波传播的方向波前（面）t时刻刚刚开始振动的质点所连成的曲面波尾（面）t时刻刚刚结束振动的质点所连成的曲面波长相邻波峰（或波谷）之间的距离，等于波在一个周期内传播的距离。,14,3振动图与波剖面图的关系当声源性质与传播介质一定时，质点振动位移u是时间t和观测位置x的函数，即u=u(t，x)。若固定一个变量来研究振动位移随另一个变量的变化关系时，则分别形成振动图与波剖面图。两种图形以不同的角度描述波动的动力学特点，它们之间有密切的联系。振动图与波剖面图之间的对应关系，见图。其中：(a)波剖面图(b)振动图,15,五、波的类型根据介质质点的振动方向和波的传播方向的关系来区分：体波(bodywave)：在介质的整个体积内传播的波纵波(compressionalwave，压缩波，P波)横波(shearwave，剪切波，s波)面波(surfacewave)：沿介质的表面传播的波瑞利波(Raleighwave，R波)：沿介质的自由表面传播的波勒夫波(Lovewave，L波)：沿不同介质的分界面传播的波,16,1、纵波(P波，压缩波，compressionalwave)弹性介质发生体积形变(拉伸或压缩)所产生的波动；特点是质点振动方向与波的传播方向一致；它在介质中传播时，会形成间隔出现的压缩带和稀疏带。,17,P波：质点振动方向与波的传播方向一致波的传播方向,18,2、横波(shearwave，剪切波，S波)弹性介质发生形状改变（剪切形变）时所产生的波动；特点是质点振动方向与波的传播方向相互垂直；质点振动在水平平面内产生的横波分量，叫SH波；质点振动在垂直平面内产生的横波分量，叫SV波。,19,S波：质点振动方向与波的传播方向垂直波的传播方向,20,3、瑞利波沿介质与大气层接触的自由表面传播的波。特点：质点在通过传播方向的垂直平面内沿椭圆轨迹做逆时针运动。椭园长轴垂直于介质表面，长短轴之比为3:2。强度随深度呈指数衰减，水平方向衰减慢。瑞利波在工程物探中有特殊作用。,21,瑞利波质点运动方式波的传播方向,22,4、勒夫波沿两种弹性介质的分界面传播；可认为是SH波的一种特殊形式（仅在不同介质的分界面上传播）。,23,六声波在固体中的传播,24,用不同的弹性参数表示的Vp、Vs公式,25,波传播原理1、惠更斯原理(HuygensPrinciple)又称波前原理，用于确定波前到达介质中任意点的时间。t1时刻波前面上各点可看作新的声源，产生子波；dt时间后，子波的波前所构成的包络面，就是t1+dt时刻的新的波前面。作图方法：把t1时刻波前面上各点作为新的声源，以这些点为圆心，以vdt为半径做圆。这些圆的包络面即为t1+dt时刻的新的波前面位置。,26,2、费马原理(FermatsPrinciple)又称射线原理或最小时间原理；它指出波总是沿射线方向传播，使波到达某点时所用的时间最少。在有限距离内波射线是直线。波射线与等时面(波前面)垂直；即波沿与等时面垂直的方向传播时，所需时间最少。,27,3、斯奈尔定律(Snellslaw)关于波的反射和折射所遵循的规律。射线常数反射定律,28,3、斯奈尔定律(Snellslaw)折射定律,29,根据界面上下速度的3种不同情况，确定地震波的折射方向：,30,七、反射波、透射波和折射波的形成1、反射波的形成,31,2、透射波的形成透射：波穿过波阻抗面，从一种介质进入另一种介质的现象。形成透射波的条件：透射波的射线方向：见折射定律,32,3、折射波的形成临界角i：是入射角，它使折射波射线正好沿介质的分界面传播。波射线以入射，使折射角，透射波沿界面滑行。i即为临界角。临界点：界面上以临界角入射的点。折射波形成的条件,33,3、折射波的形成折射波的形成：滑行波在沿界面传播过程中，根据惠更斯原理，界面上的各点依次成为新的声源，产生新的子波进入上层介质，形成折射波。其射线是从界面以临界角发出的一组平行射线。盲区：不能接到折射波的区域。盲区半径：OB=2htg(i)。盲区以外可收到清晰的折射波，因为这时反射波还未到达，而直达波已经衰减。,34,折射波的形成与传播示意图,35,临界角的计算由折射定律：,36,影响折射波形成的因素低速层：该层介质的波速小于上层介质波速的层介质。原因：根据Snell定律：即：入射角大于折射角，射线偏向法线方向，不能形成折射波。,37,八、固体材料中声波衰减的原因1吸收衰减弹性能转化成热能的过程称为吸收。混凝土结构颗粒之间出现的内摩擦是导致振动能量向其他形式能量转化的主要原因，这种内摩擦力称粘滞力。当波在介质中传播时，由于介质对波的吸收作用，使得振幅按指数规律衰减。,38,八、固体材料中声波衰减的原因2散射衰减波遇到凹凸不平的界面会产生散射现象。它是不能用正常反射规律来解释的一些波动，表现为断断续续、时隐时现的情况。,39,八、固体材料中声波衰减的原因3扩散衰减声波换能器发出的超声波束都有一定扩散角，使声波能量随传播距离的增加而减弱。混凝土检测中采用的超声波为低频超声波，扩散角很大，传播一定距离后，波前面近于球面波。这种因声波的扩散而引起的衰减称扩散衰减。,40,九、混凝土超声检测应用的超声波上述讨论的声波为连续的余弦波，实际上超声仪发射换能器发射的超声波是脉冲超声波。特点：重复间断发射具有复频率（由许多不