（模式识别与智能系统专业论文）混凝土结构损伤的主动超声波检测方法研究.pdf

五邑大学硕士学位论文 摘要 混凝土是当代建筑工程中最重要的结构材料之一，加强混凝土的质量监测与控 制成为当今建筑工程技术中的重要课题。如何在不影响结构构件受力性能或其他使 用功能的前提下，直接在结构或构件上通过测定某些适当的物理量，并通过这些物 理量与混凝土质量的相关性，进而推定混凝土结构性能的检测方法无损检测方 法成为结构健康监测领域中一个重要的研究方向。 本文以超声波基本理论为基础，结合主动检测技术，以混凝土结构裂纹扩展的 主动超声波检测方法为研究对象，对具有裂纹损伤的混凝土试件进行超声波检测， 并应用包括时域分析、频谱分析和小波分析的数字信号处理技术对传感信号进行分 析处理。归纳起来，本文的主要内容有： 1 根据超声波在混凝土结构中的传播特性，探讨了主动超声检测中超声激励波 型的选择，并研究了小波变换估计时间延迟的原理。 2 研究设计了主动超声检测系统。包括超声波发射电路和接收放大电路，并在 美国国家仪器公司的l a b v i e w 虚拟仪器语言基础上搭建了包含数据采集、信号激 发和界面显示等功能的软件实验系统。 3 利用主动超声波技术检测混凝土试件上裂纹的扩展。对接收信号使用时域、 频谱和小波三种信号处理方法进行分析，从试验结果可以得出声时、声幅可以作为 分辨混凝土裂纹损伤比较好的依据，主频也可以作为辅助手段。 4 分别从幅值衰减、波形畸变和能量衰减三个角度提出判断混凝土裂纹扩展的 损伤特征指标和信号提取的损伤程度，并利用数值积分的形式计算波包的能量。试 验结果证实其具有很好的可行性。 关键词：无损检测；结构损伤；超声波；混凝土；裂纹扩展 五邑大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n c r e t ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm a t e r i a l si nc i v i le n g i n e e r i n g i tb e c o m e sas i g n i f i c a n t t a s kt oe n h a n c et h es u p e r v i s i o na n dc o n t r o lo fc o n c r e t e a sap r e c o n d i t i o nn o tt oi n f l u e n c et h e c a p a b i l i t yt ol o a do ro t h e rf u n c t i o n ，t h ee x a m i n em e a n st om e n s u r a t es o m er e l e v a n tp h y s i c a lv a l u e r i g h to nt h ef r a m e w o r ko rc o m p o n e n t ，a n dt h r o u g ht h er e l a t i v i t yo ft h ev a l u ea n dt h eq u a l i t yo f c o n c r e t e ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n c r e t es t r u c t u r ec a nb es p e c u l a t e d t h a ti s ，n o n d e s t r u c t i v et e s t i n g f n d t ) m e t h o dh a sb e c o m ea ni m p o r t a n td i r e c t i o ni ns t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g ( s h m ) f i e l d t o o kt h ea c t i v eu l t r a s o n i ct e s t i n gm e t h o di nc r a c kp r o p a g a t i o ni nc o n c r e t es t r u c t u r ea st h eo b j e c t o fs t u d y ，t h ec o n c r e t em e m b e r sw h i c hh a v ec r a c kd a m a g ea r ed e t e c t e dw i t ha c t i v es e n s i n gt e c h n i q u e b a s e do nt h eu l t r a s o n i cw a v ee l e m e n t a r yt h e o r y t h ea n a l y s i sa n dp r o c e s s i n go ft h es e n s i n gs i g n a la r e c a r r i e do u tb yt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gi n c l u d i n gt i m ed o m a i na n a l y s i s ，s p e c t r a la n a l y s i sa n d w a v e l e ta n a l y s i s t os u mu p ，t h em a i nr e s e a r c h e si nt h i st h e s i sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt o t h eu l t r a s o n i cp r o p a g a t i o np r o p e r t yi nc o n c r e t e ，t h i st h e s i sd i s c u s s e st h e s e l e c t i o no fa c o u s t i cw a v e f o r mi nt h ea c t i v eu l t r a s o n i ct e s t i n g ，a n ds t u d i e st h ep r i n c i p l eo f t i m ed e l a y e s t i m a t i o nb yu s i n gw a v e l e tt r a n s f o r m 2 a c t i v eu l t r a s o n i ci n s p e c t i o ns y s t e mi sd e s i g n e d ，w h i c hi n c l u d e su l t r a s o n i ct r a n s m i t t i n gc i r c u i t a n dr e c e i v e ra m p l i f i e r b e s i d e s ，b a s e do nl a b v i e ws o f t w a r e ，t h ee x p e r i m e n t a ls o f t w a r ei sb u i l t ， w h i c hc o n t a i n sv a r i o u sf u n c t i o n s ，s u c ha sd a t aa c q u i s i t i o n ，s i g n a ls t i m u l a t i o n ，i n t e r f a c ed i s p l a ya n d s oo n 3 u s i n ga c t i v e u l t r a s o n i ct e c h n o l o g y ，t h et h e s i sd e v e l o p sa ne x p e r i m e n tt oi n s p e c tt h ec r a c k g r o w t h t h r o u g ht i m ed o m a i na n a l y s i s ，s p e c t r u ma n a l y s i sa n dw a v e l e ta n a l y s i s ，t h er e c e i v e ds i g n a l s a r ep r o c e s s e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h et i m ed e l a ya n da m p l i t u d eo ft h er e s p o n s e s i g n a lc a nb eg o o de v i d e n c e st od i s t i n g u i s ht h ec r a c kd a m a g ei nc o n c r e t ea n dt h em a i nf r e q u e n c yc a n a l s ob es u p p l e m e n t a r ym e a n s 4 t h ed a m a g ef e a t u r e sa n dd e g r e ea r ep r o p o s e di na m p l i t u d e ，w a v e f o r ma n de n e r g yt e r m s t h e w a v ep a c k e te n e r g yi sc o m p u t e db yu s i n gn u m e r i c a li n t e g r a t i o n t h et e s tr e s u l t sc o n f i r mt h a ti th a s t h eg o o df e a s i b i l i t y k e yw o r d s ：n o n d e s t r u c t i v ee v a l u a t i o n ；s t r u c t u r a ld a m a g e ；u l t r a s o n i c ；c o n c r e t e ；c r a c kg r o w t h 本人声明 我声明，本论文及其研究工作由本人在导师指导下独立完成，完成论文所用的 一切资料均已在参考文献中列出。 作者：伍硕群 签字：侄识群 2 0 0 9 年4 月1 5 日 五邑大学硕士学位论文 1 1课题来源及研究背景 第一章绪论 混凝土是当代建筑工程中最重要的结构材料之一，广泛应用于桥梁、房屋、高 速公路系统、地基结构、水坝等。这些建筑物的质量、混凝土结构的安全状态是关 系到广大民众生命财产安全的大事，研究混凝土结构损伤检测方法具有重要意义。 以桥梁为例，桥梁是现代道路中的重要组成部分，它不仅仅影响交通运输，还影响 当地经济的发展。桥梁在建造和使用过程中，一定会受到环境和化学物质的侵蚀， 还有路过车辆、地震、疲劳和人为等外界因素的影响，同时桥梁所采用的材料自身 也会不断退化，从而导致桥梁出现不同程度的损伤。如果这些损伤不能及时发现， 则会导致不能及时维护或维修这些损伤，这不仅影响行车安全，缩短桥梁使用寿命， 甚至还会导致桥梁突然破坏或倒塌。轻者造成巨大经济损失，重者还会造成灾难性 事故和人员伤亡，形成不良社会影响。例如1 9 9 6 年1 2 月广东韶关特大桥梁坍塌事 故，造成3 2 人死亡，5 9 人受伤；1 9 9 9 年1 月重庆的彩虹大桥倒塌，造成4 1 人死亡， 1 4 人受伤；2 0 0 7 年6 月广东的九江大桥倒塌，造成8 人死亡。 在现实环境中，混凝土结构或钢筋混凝土结构总会出现这样或那样的损伤，而 发生损伤的时间具有不确定性，并且这些损伤对结构健康状态影响的大小也具有不 确定性，如果对这些结构按照设计方案进行定期检测、维修和废弃，势必会出现以 下情形：一方面，结构超过设计寿命而状态良好，将其废弃势必会造成浪费；另 方面，若结构未到定期检测和维修时就出现故障，这时势必会造成一定的经济损失 或人员伤亡。因此，如何保证大型建筑结构安全可靠地运行，已成为十分迫切的问 题。大型结构的状态监测正受到国内外的广泛关注。 对于混凝土结构来说，裂纹是造成结构安全性和耐久性下降的一种典型损伤。 在土木工程领域，重大结构，诸如跨江跨海的超大跨桥梁，开发江河能源的大型水 利工程，用于海洋油气资源开发的大型海洋平台结构以及核电站建筑等，它们的使 用期长达几十年，甚至上百年，环境侵蚀、材料老化和载荷的长期效应、疲劳效应 与突变效应等灾害因素的耦合作用将不可避免地导致这些结构和系统损伤积累和抗 力衰减，内部蒙生出微裂纹。如果不及时检测出这些局部结构损伤，确定其位置、 五邑大学硕士学位论文 形状、大小进而采取必要的补救措施，损伤将有可能进一步扩展从而产生结构破坏， 甚至造成严重事故。而且值得注意的是，混凝土结构中出现裂纹并不代表结构不能 继续服役，只有裂纹达到一定程序时才能导致结构完全失效。所以能够监测出裂纹 的扩展，给出结构警报信息对于一些建筑结构来说是尤为重要的。+ 1 2 混凝土超声波检测技术概况 1 2 1 超声波检测方法发展史 当声波频率超过2 0k h z 时，人耳就听不到了，这种声波就叫超声波。超声波无 损检测技术的基本原理是用人工的方法在被测材料或结构中激发出一定频率的弹性 波，然后以各种不同的频率在材料或结构内部传播并通过仪器接收。通过分析研究 所接收到的信号，就可了解材料与结构的力学特性和缺陷分布情况。信号中包含了 传播的时间( 或速度) ，振幅和频率等。和其他的均匀介质不同，混凝土是一种多相 复合体。从宏观上看，非单相非均匀介质的多孔结构；从力学特性看，是一种弹一 粘一塑性体，各相之间有较大的声阻抗差异并存在许多声学介面，所以超声波在其 中传播( 即透射) 时会有较强的反射、散射、吸收和波形畸变等一系列声学现象。 信号仿佛是混凝土内部特性信息的载体，将混凝土内部的材料性质、缺陷、结构等 信息传递到物体表面。将接收信号中所携带的信息提取出来，进行反演分析，这就 是超声波探测缺陷的全过程。用超声波检测混凝土缺陷时，声时、振幅和频率等超 声参量就是我们所要提取的信息，因这些信息的变化与混凝土的密实度、均匀性和 局部缺陷的状况有密切的关系，因此用上述的超声参量作为判断混凝土质量的依据。 超声波无损检测有反射法和透射法。反射法由于探测的深度有限，一般只有几 厘米或几十厘米，再加上由于过分的追求单一脉冲信号，于是对采样的原始信号进 行过分的加工处理反而使缺陷信号不能正确识别，所以反射法一般用于浅裂缝的检 测、表面损伤层的检测、浅层厚度的检测、大口径井径及井斜测试等。但近年来已 在克服这些困难取得了一些进展，其一方面研制短余振换能器和组合式换能器，以 增强缺陷反射信号及其清晰度，另一方面采用信息处理技术，从繁杂的信号中检出 缺陷反射信号。由于透射法的接收信号覆盖面广，处理简单，处理后的信号能很好 的反映混凝土内部的情况，它广泛应用于各种领域，但增加了检测工作量，对扩径 2 五邑大学硕士学位论文 缺陷及轻微缩径无法判断是其不足之处。 在混凝土缺陷的无损检测中，通常都根据所接收的信号中的物理量，如声时、 振幅和频率、波形、辐射阴影区等超声参量，进行定性的或经验性的判断。这种方 法受人的经验因素影响很大，而且也不利于检测的自动化、高速化和智能化，显然 己不适应现代工程检测需要。通过近年来的发展，判断从单一的参数向多参数发展： 从定性的或经验性的判断向定量化发展。但基本上是两个方面：其一是采用数值判 断，其二是采用信号处理技术。 数值判断，就是根据检测的参数，用适当的数字处理方式，得出一个简明也能 判定缺陷存在与否的量值，该量值可作为缺陷判断的普遍适用的依据。由于混凝土 存在缺陷，使声时、振幅和频率等超声参量发生变化，但因混凝土材料的不均匀性 和施工中不可避免的随机偏差，使构件各处的密实度、强度存在着一定的波动和离 散，反映在检测的声学参量上也将是离散的。而符合质量保证率的条件下，这种波 动和离散是允许的，不应该当作缺陷来处理，故必须有一个判断混凝土缺陷的标准， 这就是概率法。在有一些情况下，概率法不能很好的解决问题，从而湖南大学的吴 慧敏提出了“p s d 判别法”1 1 - 2 。在“概率法”和“p s d 判别法”基础上，陈如桂研 究了“逆概率解析法”，从而能在有干扰的背景下，分离有用的强弱异常，进一步克 服了传统方法中错判和漏判缺陷的缺点。以上都以单一的声学信号判断，但由于混 凝土中骨料状况及其分布的随机性，它又是多相的凝聚体和具有弹、粘、塑性的非 均质材料，在正常的情况下，这些特性可使单一的某些超声参量的测试值产生波动， _ 般来说，声速主要反映混凝土的弹性性质，波幅主要反映混凝土的塑性性质。又 由于混凝土中粗骨料分布可能不均匀，在声通路上粗骨料较多的情况下，测得的声 速偏大，但声能的衰减增大，测得的波幅偏小 3 1 。因此，在混凝土缺陷的判断中， 采用诸超声参量综合分析混凝土的缺陷性质和范围，无疑比单一指标的分析更为合 理和有效，从而提出了“多因素概率法( n f p 判别) ”。但该综合概率法计算复杂， 且对波幅、波频率等参数测量效率较低，难以得到准确的数值，所以此法在实际工 作中受到限制。除非对特殊的情况才采取此法进行辅助诊断。多因素概率法虽然综 合了三个因素，但对三个因素在判断中的权数分配未予充分考虑，容易造成误判。 从而湖南大学就提出“多因素模糊综合判据”。随着缺陷判断理论和实践深化，将会 有更多的判据形式出现。 信号处理技术与数值判别不同的，信号处理技术则指检测所获取的信号的变换、 3 五邑大学硕士学位论文 分离、滤波、谱分析、存贮、记录等方面的技术。早期的应用运用比较原始，就是 利用接收的波形进行缺陷分析。但由于影响的因素很多，很难简单的直接从波形上 做出判断。后来又提出了直接在接收波形上测读频率或直接通过波形观察出相位和 频率变化点，用以分析一次振源波及二次振源波的叠加信号，作为缺陷判断的依据。 近年来计算机在无损检测中己大量运用，因而为进行信息处理打下了基础。一个复 杂的周期振动波形可用傅立叶级数分解为许多谐波分量，而每一个谐波分量可由其 振幅和相位来表征。各次谐波按其频率高低依次排列成为谱状，这样排列的各次谐 波的总体称为频谱。有相位谱、幅度谱和功率( 能量) 谱。通过频谱分析可以得知 超声波信号中的各个频率成分和频率分布的范围；还可得到振动参量各个频率成分 的幅值分布、相位谱和能量分布，从而得到主要幅度、相位和能量分布的频率值。 1 2 2 超声波在混凝土无损检测中的进展 混凝土超声检测是混凝土非破损检测技术中的一个重要方面。目前所采用的这 种超声脉冲法是始于4 0 年代后期。1 9 4 9 年，加拿大的莱斯利( l e s l i d e ) 、切斯曼 ( c h e e s m a n ) 和英国的琼斯( j o n s ) 、加特费尔德( g a t f i e l d ) 首先把超声检测技术用于结构 混凝土的检测，开创了混凝土超声检测这一新领域。近三十年来，国外采用超声波 检测混凝土质量得到了快速的发展，表现在国际学术交流十分频繁。先后在美国、 法国、加拿大、罗马尼亚、保加利亚、德国和前苏联召开过“国际非金属材料无损 检测发展讨论会”。1 9 7 9 年在瑞典召开了第五届应用无损方法检测混凝土质量国际 会议。随着国际无损检测会议的召开，这方面的论文增加很快。接着随着这一技术 的发展，己成立了国际间学术专业组织。如在国际材料和结构实验室联合会下设置 了“非金属无损试验委员会”。美国、英国、罗马尼亚、前苏联、比利时等国纷纷制 定了超声法检测混凝土质量规范、规程、标准、指标等。现在国外趋向于将这种无 损检测技术作为衡量一国建筑测试水平的重要标志之一。 我国自5 0 年代开始开展这项技术的研究，在6 0 年代初即已应用于工程检测。 随后试制生产了国产超声仪。我国在1 9 7 6 1 9 7 7 年全国工程建设科学技术发展计划 中制定了“混凝土强度和缺陷非破损检验技术”专项计划之后，1 9 7 8 年原国家建工 总局又下达了“混凝土质量非破损检验技术研究”的任务。在统一计划安排下，有 建工、水电、交通部门的有关科研、设计施工、高等院校等单位陆续开展了混凝土 4 五邑大学硕士学位论文 质量非破损研究工作，并己取得了一定的科研成果，同时在工程检测中得到了推广 应用，技术经济效果比较好。为了更好地交流和推广这项新技术，己在全国建筑施 工学术委员会下成立“混凝土质量控制与检测学组”。1 9 8 0 年在湘潭市召开了中国 应用声学学会岩体、混凝土声波检测学术会议，共有1 0 0 多个单位1 2 0 多名代表参 加，收到论文6 8 篇【4 1 。1 9 8 5 年1 2 月在成都召开了学组年会，几年来多次召开了学 术交流会，同时进行了技术交流，共收到学术论文与交流资料5 9 篇，其中有数据处 理、统计方法、信号处理等。对提高混凝土检测技术与控制混凝土质量具有指导意 义【5 1 。近十多年来，发展尤为快速。混凝土超声检测技术己应用到建筑、水电、交 通、铁道等各类工程中。检测的应用范围和应用深度也不断扩大，从地面上部结构 的检测发展到地下结构的检测；从般小构件的检测发展到大体积混凝土的检测； 从单一测强发展到测强、测裂缝、测缺陷、测破坏层厚度、弹性参数的全面检测； 检测距离从5 0 年代的lm 发展到能探测2 0m 的混凝土。 1 3国内外研究动态 近年来，国内外在结构无损检测领域取得了许多新成果，进行了许多新的应用。 主要有以下几种方法： ( 1 ) 视觉检查。这种方法需要那些缺陷和损伤( 例如水泥散裂、钢筋外露、表层 退化等) 在表面能够被看见，它在很大程度上依赖于检查人员的经验，并没 有一定数量的数据能够显示其判断的可靠性。 ( 2 ) 回弹法。回弹法是最常用的种无损检测方法，但回弹法只能测量混凝土表 面的质量状况，其内部信息却无法得知。 ( 3 ) 雷达扫描法。雷达法对混凝土内部缺陷可以准确定位，接收信号经处理后可 以用直观的图像在屏幕上直接显示，但需要的仪器价格昂贵，且受钢筋低阻 屏蔽的影响较大，而且雷达法的穿透能力较差，一般在3 0 0m m 左右，其实 际应用受到一定限制。 ( 4 ) 冲击回波法。冲击回波法可以测得混凝土内部空洞、裂缝、分层等内部缺陷 及构件的厚度，但对混凝土内部纵向尺度较小的缺陷体的下界却难于分辨。 ( 5 ) x 射线或y 射线照相技术。这种技术适合于检测与放射线平行的裂缝，但很难 辨别与放射线垂直的裂缝。由于该设备的尺寸大、价格昂贵，因此多适用于 5 五邑大学硕士学位论文 实验室。 ( 6 ) 超声波法。超声波检测方法的检测设备简单，操作方便，检测成本低廉等优 点，在工程上得到广泛应用，尤其在混凝土大坝、桥墩、桥台、承台、灌注 桩等大体积混凝土质量检测中应用更广。 ( 7 ) 超声波、声波层析成像技术。此技术大大提高了检测精度，该方向的研究也 在不断深入。 1 4 论文结构安排 本文对混凝土结构损伤的主动超声波检测方法进行了研究，利用压电陶瓷超声 换能器向混凝土结构体中激发m o r l e t 小波，对混凝土结构裂纹扩展进行检测研究。 利用m o r l e t 小波在时域和频域的紧致性，研究了结构损伤对超声波传播的影响，并 观察到裂纹等造成的非线性现象。本次试验系统采用自主设计的主动超声波检测系 统。论文共分五章，各章节安排如下： 第一章绪论。主要介绍了课题的研究背景及其意义，叙述了混凝土结构超声波 检测技术的发展概况，然后介绍了目前结构无损伤检测的国内外研究动态，最后是 关于本论文的结构安排。 第二章超声波法检测混凝土结构损伤的基本原理。介绍了超声波的基本知识以 及它在混凝土结构中的传播规律。阐述了超声波检测技术中主要用到的声学参数， 并分析其在混凝土检测过程中的主要影响因素。 第三章主动超声波检测系统的设计。详细介绍了超声波发射电路、接收放大电 路和基于l a b v i e w 的软件实验系统的设计实现。 第四章对混凝土中的裂纹扩展进行主动超声波检测的试验研究。介绍小波变换 计算时间延迟的原理，提出表征混凝土损伤的特征参数，最后设计试验的实施方案 并对试验数据进行分析处理，研究裂纹损伤对特征参数的影响。 第五章总结与展望。本章对全文的主要工作进行总结，分析试验中存在的问题， 并对以后可以改进的工作进行了展望。 6 五邑大学硕士学位论文 第二章混凝土结构超声检测的基本原理 2 1超声波基础知识 任何材料都是由众多质点组成，这些质点之间通过一定方式彼此联系着，在弹 性材料中，这种联系具有弹性性质，在弹黏塑性材料中，这种联系则具有弹黏塑性 性质。当材料中某一质点受到激励而产生振动时，必然将振动能量传递给周同质点， 使其周围质点也产生振动。这种振动的传播过程称为波动。机械振动在媒质中的传 播过程称为机械波或声波。 2 1 1 波的分类 根据质点振动方向与波的传播方向不同，可将机械波分为纵波、横波和表面波 三种 1 8 】。， ( 1 ) 纵波 介质质点的振动方向与波的传播方向一致，这种波称为纵波或压缩波，例如在 空气或水中传播的声波就是纵波，纵波又常称“p ”波。纵波的传播是依靠介质时疏 时密( 即时而拉伸，时而压缩) 使介质的容积发生变化引起压强的变化而传播的， 因此和介质的体积弹性相关。任何弹性介质都具有体积弹性，所以纵波可以在任何 介质中传播。 ( 2 ) 横波 介质质点的振动方向与波的传播方向垂直，这种波称为横波或剪切波，例如绷 紧的绳子上传播的波就是横波，横波又称为“s ”波。横波的传播是依靠使介质产生 剪切变形( 局部形状变化) 引起的剪应力变化而传播的，它和介质的剪切弹性相关。 由于液体、气体形状变化时，不能产生抗拒形变的剪应力，因此，液体和气体不能 传播横波，只有固体才能传播横波。 ( 3 ) 表面波 固体介质表面受到交替变化的表面张力，使介质表面的质点发生相应的纵向振 动和横向振动，结果使介质作这两种振动的合成振动，即绕其平衡位置作椭圆振动。 椭圆振动又作用于相邻的质点而在介质表面传播，这种波称为表面波或瑞利波，常 7 五邑大学硕士学位论文 以“r ”表示。 2 1 2 无限弹性介质中声波的波动方程 由弹性力字口j 知，经由静力平衡万栏、儿1 司刀栏利物埋乃栏，口j 以得出拉卺还 动方程【1 9 】。当不计体力时，该方程表示为： ( 舢) 警佃2 u = p b 泸2 _ _ _ _ u _ u ( 肌g ) 警佃2 舻尸嘉 ( 2 1 ) ( 舢) 警一2 w = p 3 a 2 产w 其中： 目= 缸+ y + z = 警+ 暑+ 薯 ( 2 2 ) g = 了三弋 ( 2 - 3 ) 2 币丽 。 拈而箍丽 q 1 4 ) 式中： p 一介质密度 一泊松比 力、g 一拉密系数 目一体积应变 材、v 、w 一分别为质点在x 、y 、z 方向上的位移 v ：一拉普拉斯算子7 v 2 ：兰+ 里+ 里 h 2a v 2 玉2 由拉密运动方程式( 2 1 ) ，设“= u ( x ，) ，v - 0 ，w = 0 ，则拉密运动方程可写成： ( a + g ) 案+ g 雨3 2 u = 尸万b 2 u ( 2 5 ) 8 五邑大学硕士学位论文 或写成： 妻= 喀妻 = 、孕 式( 2 - 6 ) 为无限弹性介质中纵波的波动方程， 五和g 用e 和表示，可得出： v p 2 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 7 ) 式为纵波的传播速度，将 ( 2 8 ) 由理苗运动万程瓦( 2 1 ) ，设甜20 ，1 ，= 0 ，w = w ( x ，y ) 则拉密廷动方程司写成： g 毫= 夕褰 9 ， 或写成： 害= v 。2a舻2w(2-10) 珞= 后 ( 2 式( 2 1 0 ) 即为无限弹性介质中横波的波动方程，珞为横波的传播速度，将g 用 e 和“表示，可得出： = 扇写 ( 2 1 2 ) 孥：、固 (2-13) 略v1 2 9 对于一般固体介质，大约为0 3 3 左右，故毒咄混凝土的泊松比介于 。2 。3 。之间，因此，乏介于1 6 3 - 1 8 7 之间，即在混凝土中，纵波速度为横波速 度的1 6 3 。1 8 7 倍。 i 天i 为纵浦比措沽谈府樟狙名晶铁拯能哭借射m 幺釉苤刑的浦垃t l q 蜘能婴+ b 9 五邑大学硕士学位论文 可接收到各种类型的波，但最先接收到是纵波，其后是纵波的余弦波、横渡和表面 波的相互叠加，所以目前在般的混凝土超声检测中主要研究的是首波即纵波。 2 1 3 声波的干涉和绕射 把两个频率、波长及相位相同或相位差恒定的渡源叫相干波源，它们产生的波 称为相干波，两个相干波在同一媒质相遇时，将引起两个谐振动的叠加。在一些点 处形成同相叠加而生成最大振幅。在另一些点处形成反相叠加，则生成最小振幅。 这种在空间出现固定的最大振幅点和最小振幅点的现象，就是波的干涉现象。 根据惠更斯菲涅耳原理，平面波在均匀媒质中传播时，在其传播方向遇到一定 尺寸的孔或障碍物时，会出现两种传播情况。 ( 1 ) 孔或障碍物的尺寸比波长大许多，这时声波基本仍沿直线传播，在孔的外 侧和障碍物后面没有声波，如图2 1 所示。 fa 1 平面# 在m 孔址的绕射 i i 1 i ， ( b 1 障碍物t 太 z 孔洞或太障碍物后的传播 图2 - 2 声波的绕射现象 瓣 m 、平面溉e 小障碍物* 射 ( 2 ) 当圆孔或障碍物尺寸较小( 小于或等于波长) 时，在圆孔或障碍物处便形 成许多于波源都向圆孔另一侧或障碍物表面发出球面子被，这些子波干涉叠加的 燮撩 五邑大学硕士学位论文 结果，使声波局部改变方向通过直径为d 的, j q ：l 或绕过尺寸为d 的障碍物继续传播， 这就是声波的绕射现象，如图2 2 所示。 2 2 超声波在媒质界面上的传播规律 超声波在介质中传播的过程中，遇到与原介质阻抗不同的障碍物时，在两种介 质面上超声波的传播规律、能量的分配都将发生变化。这种变化的规律依赖于超声 波波长和障碍物尺寸的比率、两种介质的特性阻抗以及超声波的入射方向。 如果障碍物尺寸远大于波长，超声波将在两种介质的界面处发生反射、折射等 现象。 如果障碍物尺寸与波长相近，将发生显著的绕射现象。 如果障碍物尺寸远小于波长，则超声波的绝大部分不受障碍物影响直接传播， 但有少部分高频成分在障碍物表面发生散射。 混凝土是一种多种材料的聚合体，在其内部存在多种声学界面，超声波在混凝 土中的传播是一个非常复杂的声学现象，研究超声波在异质界面上的传播规律对于 混凝土质量的超声波检测具有重要意义。 当两种介质的界面尺寸远大于超声波波长时，超声波在介质面上将发生反射、 折射和波型转换。 2 2 1超声波的反射和折射 ( 1 ) 超声波的反射 超声波从一种介质传播到另外一种介质时，在界面上有一部分能量被界面反射 回原来的介质，这部分超声波称为反射波。 入射波波线和反射波波线与界面法线的夹角分别为入射角和反射角，入射角口 的正弦与反射角夕的正弦之比，等于入射波与反射波在第一种介质中的波速v l 、t 之 比，即： 里坚= v ，l( 2 1 4 ) s i n , 8w 一一。 当入射波和反射波的波型相同时，m = 一，所以有， 口= ( 2 1 5 ) 五邑大学硕士学位论文 ( 2 ) 超声波的折射 当超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两种介质的分界面上，只有其中 一部分超声波透过界面，在另一介质中继续传播，这部分超声波称为折射波或透射 波。入射角口的正弦和折射角y 的正弦比，等于入射波在第一种介质中的波速v 与 折射波在第二种介质中的波速之比，即： 型：旦 s i ny v 2 ( 2 1 6 ) ( 3 ) 声盐反射翠 反射波声压p ，与入射波声压p 0 2 - 比，称为声压反射率f ，即： ，：p c ,( 2 1 7 ) p n 如声波从特性阻抗为z i 的媒质入射，传播到特性阻抗为z 2 的媒质中，则声压反 射率f 与两种媒质的特性阻抗z l 、z 2 存在如下关系： f ：墼圣堕z ( 2 1 8 ) 一= l l 二-l ，1xj z 2c o s 口+ z lc o s y 一 如果超声波在界面上垂直入射时，即口= y = 0 ，此时式( 2 1 8 ) 简化为： f = 缓 ( 2 - 1 9 ) ( 4 ) 声压透射率 透射波声压a 与入射波声压风之比，称为声压透射率k ，即： k = 且( 2 - 2 0 ) p q 声压透射率k 与媒质的特性阻抗z l 、z 2 存在如下关系： k 2 丽2 s z 口2c + o z j s 口面( 2 - 2 1 ) 当声波垂直入射时，式( 2 - 2 1 ) 变为： k 2 惫 (2-22) 由式( 2 19 ) 和式( 2 2 2 ) 看出：若z 2 = z l ，则f = 0 ，k = l ，这时超声波从第 一种媒质全部透射入第二种媒质，即不产生反射波。 1 2 五邑大学硕士学位论文 当z z ，则f 趋于1 ，超声波在界面上几乎被全部反射，透射极少。如超声 波在空气与混凝土的界面上将会发生这种情况，用超声波检测混凝土时，如发射换 能器辐射面不通过耦合剂与混凝土表面接触，而是直接放于混凝土表面，此时超声 波在混凝土表面全被反射掉，几乎没有声波进入混凝土，所以接收端将接收不到信 号。 当乙z l ，则f 趋近于1 ，超声波也几乎被反射，且反射波与入射波相位相反。 在混凝土超声检测中，如接收换能器辐射面不通过耦合剂与混凝土表面接触，而是 直接放在混凝土表面，此时超声波几乎被全部反射回混凝土中，通过个别接触点传 播到接收换能器的超声波很少，所以接收到的信号十分微弱甚至无法辨认。 2 2 2 超声波在异质界面上的波型转换 当超声纵波在两个特性阻抗不同的固体界面上入射时，不仅产生反射纵波和折 射纵波，同时还产生反射横波和折射横波，这就是波型转换现象。这些波的反射角 和折射角与入射角的关系，均服从前述的反射定律和折射定律，即： 旦=盘=生=生=且(2-23)sin,zps i n # , s i n r p s i n l咖屈 式中 v l p ，纵波在第、二媒质中的传播速度； v l 。，屹。横波在第一、二媒质中的传播速度； 晖，羼，名纵波入射角、反射角、折射角； 屈，苁横波反射角、折射角。 随着角增大筛角 d z n ；k ，当y p = 9 0 。时的入射角称为第一临界角。当入射角大 于等于第一临界角时，第二媒质中便没有折射纵波，只有折射横波存在。这就是超 声检测技术中获得横波的一种方法。 随着角增大，苁角也增大，当y , = 9 0 。时的入射角称为第二临界角。当入射角 大于等于第二临界角时，第二媒质中的折射横波只能沿着表面传播，即形成表面波。 在超声波检测技术中一般用这种方法获得表面波。 2 3混凝土超声波检测的特点 由于混凝土是由固液气三相组成的具有弹黏塑性质的复合材料，其内部存在 1 3 五邑大学硕士学位论文 着分布极其复杂的界面，例如砂浆与粗骨料之间的界面，砂浆和粗骨料与气孔或裂 缝之间的界面，混凝土缺陷( 裂缝、孔洞、不密实区等) 所形成的界面。因此，超 声波在混凝土中的传播情况要比在均匀媒质中复杂得多。根据超声波的性质和混凝 土的上述特性，决定了超声波在混凝土中传播的如下特点： ( 1 ) 超声波在混凝土中传播时衰减大 混凝土中的水泥石、砂、碎石或卵石等组成物具有不同的声阻抗，这使得超声 波在混凝土中的传播能量衰减比在相同声径的金属材料中的传播能量衰减大得多。 主要有四个方面的原因：一是在组成部分界面上的反射、折射现象，使弹性波发生 不规则的散射，从而产生散射衰减；二是由于普通混凝土的组成物几何尺寸的差异， 小至几个p i t i 的未水化水泥颗粒，大到5 4 0m m 的粗骨料，这些颗粒各具有其固有 的频率，当各种频率成分的弹性波通过混凝土介质时，相应自振频率的各种频率便 产生共振，形成球面波源使超声波的能量不断减弱；三是在弹性波的传播过程中， ， 由于混凝土的粘滞性及颗粒之间的干摩擦，使机械振动的能量转变为热量而散失， 这就是吸收衰减；四是超声波束有一定的扩散角，振动频率越低，其扩散角越大， 由于波束的扩散，随着传播距离增大，波阵面上的能流密度逐渐降低，声波的声压 和声强都随着传播距离增大而减弱，产生扩散衰减。 由于混凝土中存在广泛的异质界面，因此，其散射损失十分明显。如果把混凝 土中的骨料视为分散在水泥砂浆中的球状障碍物，这种散射功率的大小与频率的平 方成正比。为了使超声波在混凝土中的传播距离增大，混凝土超声检测常采用比金 属材料探伤的低得多的频率。因为当波长大于混凝土骨料粒径或孔隙时，它能绕过 颗粒或孔隙继续前进，减少因散射引起的能量衰减。 ( 2 ) 发射出的超声波指向性差 用于混凝土检测的超声波指向性差的主要原因是：其一是由于所采用的超声波 频率较低，波长较长，扩散角较大，当换能器直径为1 2 2 倍波长时，扩散角达9 0 。， 由发射换能器进入混凝土内的超声波实际上是以换能器为中心的球面波，几乎失去 指向性，超声场占据整个试块空间；其二是在骨料与水泥的界面，以及其它声阻抗 发生变化的界面上超声波被反射和折射，这种反射和折射往往是杂乱的，因而使入 射波束向周围扩散。再加上混凝土中颗粒的几何尺寸大小不一，它们的固有频率几 乎是一个连续的波谱，因而任何入射波的频率都可能激起某种颗粒的共振，可以说， 在混凝土中颗粒的共振现象几乎是经常存在的。超声波在混凝土中的这些反射和折 1 4 五邑大学硕士学位论文 射，并且相互干涉和叠加，使之大部分声波产生漫射。 由于超声波在混凝土中传播的方向性差和能量衰减大，因而，混凝土缺陷的探 测频率选择，应兼顾穿透的测距和探伤灵敏度两个方面。若采用较低频率的超声波 探伤，能量衰减小，穿透的距离长，但由于波长长，传播的方向性下降；若采用较 高频率的超声波探伤，超声波波长短而传播的方向性较好，探伤的灵敏度将相应提 高，但由于能量衰减大，所以探测的距离短f 4 引。 ( 3 ) 传播路径复杂 由于混凝土的非匀质性，超声波在无数不规则的石子与砂浆界面上发生反射和 折射，使得接收到的声波并非沿测试方向呈直线传播。 ( 4 ) 接收到的信号十分复杂 在混凝土超声检测中一般采用产生纵波的发射超声换能器。由于超声纵波在混 凝土中传播时。沿途会产生许多次的反射纵波和折射纵波以及波型转换产生的横波， 这些众多复杂的波，以不同相位、不同路径进行叠加，使其传播到接收换能器的信 号十分复杂。其中首波的声时、波幅、主频率及整个接收信号的频率谱和包络线图 的变化与混凝土质量情况有一定关系。因此，只要具有一定的理论知识和实践经验， 利用超声波接收信号的变化，可以对混凝土强度和缺陷情况进行综合评判。 2 4 超声波检测技术中的主要声学测量参数 目前，在混凝土检测中所常用的声学参数主要有： ( 1 ) 声速 声速即超声波在混凝土中的传播速度： ， v = 兰_( 2 2 4 ) z 式中1 ，超声波声速，k m s ； ，试块的测试长度( 声程) ，m m ； f 测区的平均声时值，p s 混凝土的声速与混凝土的弹性性质有关，也与混凝土内部结构( 孔隙、材料组 成) 有关。不同组成的混凝土，其声速各不相同。一般说来，弹性模量越高，内部 越是致密，其声速也越高。而混凝土的强度也与它的弹性模量、它的孔隙率( 密实 五邑大学硕士学位论文 性) 有密切关系。因此，对于同种材料与配合比的混凝土，强度越高，其声速也越 高。 若混凝土内部有缺陷( 孔洞、蜂窝等) ，则该处混凝土的声速将比正常部位低。 当超声波穿过裂缝而传播时，所测得的声速也将比无裂缝处声速有所降低。总之， 混凝土声速值能反映混凝土的性能及其内部情况。 ( 2 ) 振幅 接收波振幅通常指首波，即第一个波前半闽的幅值，接收波的振幅与接收换能 器处被测介质超声声压成正比，所以接收波振幅值反映了超声波在混凝土中衰减的 情况，而超声波的衰减情况又反映了混凝土粘塑性能。混凝土是弹一粘一塑性体， 其强度不仅和弹性性能有关，也和其粘塑性能有关。因此，衰减的大小，即振幅高 低也能在一定程度反映混凝土的强度。 实践证明，振幅对混凝土缺陷非常敏感，它是判断混凝土内部质量的重要参数 之一。 ( 3 ) 频率 在超声检测中用到的超声波大多是由多种频率成分组成的复频波，在混凝土内 部传播过程中，受到混凝土的吸收及各种界面的反射、散射，造成部分波被衰减掉， 频率越高，衰减越多，使接收波的主频率或频谱发生变化。这种变化的程度除与传 播距离有关外，主要取决于混凝土本身的性质以及内部有没有缺陷等。因此，接收 波主频率也是反映混凝土内部质量的主要声学参数之一。 ( 4 ) 波形 当超声波在传播过程中碰到混凝土内部缺陷、裂缝或异物时，由于超声波的绕 射、反射和传播路径的复杂化，直达波、反射波、绕射波等各类波相继到达接收换 能器，它们的频率和相位各不相同。这些波的叠加有时会使波形畸变。因此，对接 收波波形的分析、研究有助于对混凝土内部质量及缺陷的判断。鉴于波形的变化受 各种因素的影响，因而在判断缺陷时只能作为一种辅助参数。 2 5 超声波检测混凝土缺陷的主要影响因素 超声波检测混凝土缺陷，与超声波检测混凝土强度一样，都受许多因素的影响。 在工程检测中如不采取适当措施，尽量避免或减小其影响，必然给检测结果带来很 1 6 五邑大学硕士学位论文 多误差。大量试验和工程实测表明，影响超声波检测混凝土缺陷的主要因素大致有 以下几种： ( 1 ) 耦合状态的影响 由于超声波接收信号的波幅对混凝土缺陷最敏感，所以测得的波幅值是否可靠， 将直接影响混凝土缺陷检测结果的准确性和可靠性。对于测试距离一定的混凝土来 说，测试表面的平整程度和耦合剂的厚薄，是影响波幅测值的主要因素，如图2 3 所示。 12 3 3 ( a ) 测试面平整耦合良好( b ) 测试面不平局部点接触( c ) 耦合层厚薄不均 图2 - 3 耦合状态对波幅的影响 1 一换能器；2 一耦合层：3 - - 测试面；4 一砂粒 如前所述，超声波在特性阻抗( 媒质的声速与密度之乘积) 不同的两种媒质界 面上发生反射、折射和散射，导致声能损失，波幅降低。因此，为使声波最大限度 地传播到混凝土中去，从发射换能器辐射面到混凝土测试表面之间的界面数越少越 好，或者界面处两种媒质的特性阻抗差异越小越好。一般要