第六章 超声波检测技术基础(2011-3-6).ppt

第六章超声波检测技术基础 Xi anJiaotongUniversity 第一部分基本理论一 声波类别及对应的频率范围 用于混凝土声波透射法检测的声波主频率一般为2 104 2 5 105Hz USTB Xi anJiaotongUniversity 声波在固体介质中传播速度的影响因素 波的类型 介质的性质 边界条件 USTB Xi anJiaotongUniversity 二 描述声波的基本物理量 声压声强声阻抗辐射声场的指向性 指声源发射响应的幅值随方位角的变化而变化的特性 USTB Xi anJiaotongUniversity 声压比 USTB Xi anJiaotongUniversity 三 声波在混凝土中传播特点 USTB Xi anJiaotongUniversity 声波能量衰减大 异常界面 散射损失 指向性差 波长大 反射波折射波的干涉叠加造成漫射声能 传播路径复杂 较大缺陷 并非直线传播 经砼介质特性调制后声波的构成复杂 一次声场与二次声场的叠加 波形会产生畸变 传播过程复杂 砼内部的缺陷 粗骨料与水泥砂浆构成的声学界面的数量和空间分布也是随机的 多样的 很难找到合适的力学模型去模拟 目前 只能停留在定性的分析水平之上 但是了解声波在砼中传播的特点 是利用声波进行砼质量检测的基础 USTB Xi anJiaotongUniversity 四 砼声波透射法检测中使用的声波 每次发射的持续时间短 重复间断发射复频特性 脉冲声波的特点 USTB Xi anJiaotongUniversity 频散 不同频率的波在介质中传播时 具有不同的传播速度 一般高频快 低频慢 这种现象 频散必然导致声脉冲在介质中传播时 与传播距离俱增的畸变 频漂 由于各种频率成份的衰减量不同 频率高的成分比频率低的成分误减大 脉冲频谱将发生变化 主频将向低频端漂移 造成波形畸变 脉冲声波在介质中的传播特征 声脉冲主频的漂移程度 也是介质对声波衰减作用的一个表征 USTB Xi anJiaotongUniversity USTB Xi anJiaotongUniversity 五 声波信号的频域分析 频散频漂 USTB Xi anJiaotongUniversity USTB Xi anJiaotongUniversity 第二部分仪器设备一 声波仪的功能与发展概况 向待测的结构混凝土中发射声波脉冲 使其穿过混凝土 然后接收穿过混凝土的脉冲信号 记录下声脉冲穿过混凝土所需的时间 接收信号的波形 振幅等 USTB Xi anJiaotongUniversity 20世纪50年代 电子管声波仪 USA的UCT 第一代 20世纪60年代至70年代 晶体管集成电路声波仪 英国的PUNDIT 第二代 80年代 数字式声波仪 CTS 35第三代 90年代 智能型数字式声波仪 第四代 U Sonic 超声法检测混凝土缺陷技术规程 CS21 2000 USTB Xi anJiaotongUniversity CS97系统 USTB Xi anJiaotongUniversity USTB Xi anJiaotongUniversity 二 声波换能器 发射换能器 实现电能到声能的转换接收换能器 实现声能到电能的转换 功能 USTB Xi anJiaotongUniversity 电磁法静电法磁致伸缩法压电伸缩法 工作原理 USTB Xi anJiaotongUniversity USTB Xi anJiaotongUniversity USTB Xi anJiaotongUniversity USTB Xi anJiaotongUniversity 换能器频率选择 USTB Xi anJiaotongUniversity 二 砼的声学参数及检测 检测中常用的声学参数包括 声速 波幅 频率 波形 一 声学参数与砼质量的关系声速影响声速的因素 砼的强度砼内部的缺陷 Xi anJiaotongUniversity 波幅波幅是表征声波空过砼之后能量衰减的指标之一 与砼的粘塑性有关 波幅越低 衰减越大 当砼中存在低强度区 离析区以及存在夹泥 蜂窝等缺陷时 吸收衰减和散射衰减增大 使接收波波幅明显下降 波幅可直接在接收波上观察测量 一般只测量首波 即接收信号的前半个周期 的波幅为准 波幅与砼的质量密切相关 它对缺陷区的反应比声时更为敏感 是判断缺陷的重要参数 USTB Xi anJiaotongUniversity 接收频率脉冲声波是复频波 具有多种频率成份 在砼中各种频率成分的衰减程度不同 高频衰减比低频快 导致频漂 接收波主频实质上是砼衰减作用的一个表征量 缺陷越大 由于衰减严重 主频也会明显降低 接收波频率一般以首波的第一个周期为准 现场直接在示波器读出 或用频谱分析得到 USTB Xi anJiaotongUniversity 波形当砼内存在不同的缺陷时 由于声脉冲在缺陷界面处的反射折射等 形成波线不同波束 这些波束由于传播路径不同 或由于界面上产生波形转换等原因 使用得接收的声时不同 接收波成为许多同相位或不同相位波束的叠加 导致波形畸变 接收波形的畸变程度可作为缺陷程度的参考依据 USTB Xi anJiaotongUniversity 声波穿过正常砼后的接收波形特征 首波陡峭 振幅大 第一周波的后半周即达到较高振幅 包络线呈半园形 第一个周期的波形无畸变 USTB Xi anJiaotongUniversity 声波穿过有缺陷的砼后的接收波形特征 首波平缓 振幅小 第一周波的后半周甚至第二个周期 幅度增加仍不够 接收波形的包络线呈喇叭形 第一 二个周期的波形有畸变 USTB Xi anJiaotongUniversity 判定砼质量的几种声学参数的比较 声速 较稳定 重复性好 受非缺陷因素小 同一根桩的不同剖面 同一工程的不同桩之间可以比较 但对缺陷的敏感度不及波幅 波幅 首波幅值 对缺陷很敏感 判定缺陷的重要参数 但它受仪器系统性能 换能器耦合状况 测距等因素影响 不稳定 只能用于同一测点的比较 在同一桩的不同剖面或不同桩之间没有可比性 USTB Xi anJiaotongUniversity 主频的变化可反映砼的质量好坏 但它受测距 仪器设备状态等非缺陷因素的影响 因互只用于同一剖面内各测点的相对比较 在不同剖面或不同桩之间不具可比性 不太稳定 一般作为声速 波幅的辅助判断 接收波形对砼内部缺陷较敏感 现场检测时 除了逐点读取首波的声时 波幅外 还应密切观察接收波的形态 它反映了接 收换能器之间声波在砼各种声波传播路径上的总体能量 USTB Xi anJiaotongUniversity 二 声学参数的现场检测声速根据测距和声时来计算 因此声速的测度精度取决于测距与声时的测量精度 测距即是声测管外壁间的距离 一般用卷尺在桩顶面度量 这个测量值代表了整个测试剖面内各测点的测距 因此 声测管的平行度对声速测试的影响相当大 USTB Xi anJiaotongUniversity 声时声时 在被测介质中传播一定声距所需的时间 手动测读 自动测读 USTB Xi a