公路工程中超声波检测技术

1、第三章第三章 公路工程中超声波检测技术公路工程中超声波检测技术3.1 超声波检测概述超声波检测概述l 超声波检测技术是近年来在道路路基路面中应用的一种新超声波检测技术是近年来在道路路基路面中应用的一种新的无损检测新技术；的无损检测新技术；l 特点：激发容易、检测简单、操作方便、价格便宜；特点：激发容易、检测简单、操作方便、价格便宜；l 超声波检测技术早期应用于建筑工程和岩土工程，在道路超声波检测技术早期应用于建筑工程和岩土工程，在道路检测中应用前景广泛。检测中应用前景广泛。例如：波速法测量岩石的抗压强度、判断岩石的性质，评价建筑工程中水泥混例如：波速法测量岩石的抗压强度、判断岩石的性质，评价建

2、筑工程中水泥混凝土与钢筋水泥混凝土材料的质量。凝土与钢筋水泥混凝土材料的质量。l 超声波（超声波（Ultra-sonic）： 机械波机械波（*与电磁波的区别？）与电磁波的区别？） 频率：频率：f 20kHz（高于人耳能听到的频率（高于人耳能听到的频率20-20000Hz）（*超声波与次声波的区别？）超声波与次声波的区别？）通常频率越高，检测分辨率越高；通常频率越高，检测分辨率越高；然而频率越高，波长越短，遇到小尺寸集料时发生散射增加，波能然而频率越高，波长越短，遇到小尺寸集料时发生散射增加，波能损耗增大，也会引起测量误差的增加。损耗增大，也会引起测量误差的增加。因此超声波检测频率选择：因此超声

3、波检测频率选择：100kHz f 20kHz 人人狗狗猫猫蝙蝠蝙蝠海豚海豚发声范围（发声范围（Hz） 85-1100452-1800760-150010000-1200007000-120000听力范围（听力范围（Hz） 20-2000015-5000060-650001000-120000150-150000l 机械波与电磁波的对比：机械波与电磁波的对比： 相同点：相同点：1 1、都有波的的一切特性，如：都能产生反射、折射、干涉、衍射等现象。、都有波的的一切特性，如：都能产生反射、折射、干涉、衍射等现象。2 2、波速、波长、频率之间具有同样的关系。、波速、波长、频率之间具有同样的关系。 不同

4、点：不同点：1 1、产生机理不同；、产生机理不同；机械波是由机械波是由机械振动机械振动产生的；电磁波产生机理也不同，有产生的；电磁波产生机理也不同，有电子的周期性运动电子的周期性运动产产生（生（无线电波无线电波）；有）；有原子的外层电子受激发后原子的外层电子受激发后产生（产生（红外线红外线、可见光可见光、紫外线紫外线）；有）；有原子的内层电子受激发后原子的内层电子受激发后产生（产生（伦琴射线伦琴射线）；有）；有原子核受激发后原子核受激发后产生（射线）。产生（射线）。2 2、介质对传播速度的影响不同、介质对传播速度的影响不同机械波的传播速度由介质决定，与频率无关。机械波的传播速度由介质决定，与频

5、率无关。电磁波在电磁波在真空真空中传播速度相同，均为中传播速度相同，均为3 3108m/s108m/s。在同种介质中不同频率的电。在同种介质中不同频率的电磁波传播速度不同。磁波传播速度不同。（频率越大传播速度越小）（频率越大传播速度越小）机械波不能在真空中传播，电磁波能在真空中传播。机械波不能在真空中传播，电磁波能在真空中传播。其原因是：其原因是：机械波传播的是振动形式，通过振动形式传递能量，其本身不是物机械波传播的是振动形式，通过振动形式传递能量，其本身不是物质，故不能在真空中传播；而电磁波是电磁场在空间的传播，本身就是物质，在真空质，故不能在真空中传播；而电磁波是电磁场在空间的传播，本身就

6、是物质，在真空中可以传播，而在介质中传播速度反而受影响。中可以传播，而在介质中传播速度反而受影响。l 超声波特性：超声波特性：l （1）传播直线性）传播直线性超声波的波长短，通常障碍物的尺寸要比超声波超声波的波长短，通常障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此较少产生衍射，它在均匀介质中能够定向直线的波长大好多倍，因此较少产生衍射，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，这一特性就越显著。传播，超声波的波长越短，这一特性就越显著。l （2）功率特性）功率特性当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。在相同强度下，声波频率

7、越高，所具有的功率就越动而对微粒做功。在相同强度下，声波频率越高，所具有的功率就越大。大。l （3）空化作用）空化作用 当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使振动，会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的

8、液体（如水和油）发生乳化，了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，并且加速溶质的溶解，加速化学反应。并且加速溶质的溶解，加速化学反应。 l 超声波作为一种波，它在传输过程中服从波的传播超声波作为一种波，它在传输过程中服从波的传播规律：规律：1.超声波在材料中保持超声波在材料中保持直线直线行进（理想条件），若组成材料行进（理想条件），若组成材料较粗，甚至有一定的孔隙时，波将产生较粗，甚至有一定的孔隙时，波将产生吸收吸收、散射散射和和扩散扩散三种状态三种状态（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、“残能反射残能反射”）3.波发生反射时入射角和反射角相等波发生反射时入射角和反射角相等4.波的传输定理，即波的传输定理，即 （ 为波速，为波速， 为波长，为波长， 为频率），为频率），也可以这样改写：也可以这样改写： （ 为波的行程时间）为波的行程时间）*波在介质中行进速度越大，说明介质材料坚硬性越大（材料强度越大）。波在介质中行进速度越大，说明介质材料坚硬性越大（材料强度越大）。f1tt3.2 超声波检测基本原理l 波速法波速法即用波在路基路面材料中的行进速度来检测其力学特性的即用波在路基路面材料中的行进速度来检测其力学特性的方法方法l 无限大固体介质中纵波的传播速度（当固体介质的尺寸与无限

10、大固体介质中纵波的传播速度（当固体介质的尺寸与所传播的波长相比足够大时可视为半无限大体，其波速与所传播的波长相比足够大时可视为半无限大体，其波速与无限大介质中的波速相近）无限大介质中的波速相近） （3-1） 超声波纵波波速（超声波纵波波速（m/s） 弹性模量（弹性模量（MPa） 介质材料密度（介质材料密度（g/cm3） 泊松比，无量纲泊松比，无量纲(1)(1)(12 )LELl 材料的强度与波速的关系材料的强度与波速的关系材料的强度愈高，穿过它的超声波波速值就愈高材料的强度愈低，穿过它的超声波波速值就愈低l 超声波检测的依据超声波检测的依据超声波在正常材料体和有缺陷材料体中的波速不同l 材料的

11、弹性模量材料的弹性模量定义：材料所受应力与应变量的比值。（杨式模量）定义：材料所受应力与应变量的比值。（杨式模量） (3-2)2(1)(12 )(1)LEtLLvtL试样长度几种常用路用有关材料的声波波速表几种常用路用有关材料的声波波速表纵波波速Lc横波波速tc材料密度材料名称材料名称 （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空气空气3410钢钢610030507.70铁铁579032007.85铝铝656029802.70混凝土混凝土3560216

12、02.73.0橡胶橡胶105527.41.15几种常用的路用岩体声波波速表几种常用的路用岩体声波波速表纵波波速纵波波速Lc纵波波速纵波波速Lc岩石种类岩石种类 （m/s）岩石种类岩石种类 （m/s）辉绿岩辉绿岩6050大理石大理石5800玄武岩玄武岩5700石英黑云母麻石英黑云母麻岩岩5600安山岩安山岩5200双云母片麻岩双云母片麻岩5300石英斑岩石英斑岩5500奥陶纪石灰岩奥陶纪石灰岩5000花岗岩花岗岩5000前泥盆级砂岩前泥盆级砂岩4800花岗斑岩花岗斑岩5100前生代沉积岩前生代沉积岩3000l 超声波纵波波速、横波波速与表面波波速三者之间的关系 (3-3) (3-4) 横波波速，

13、质点振动横波波速，质点振动 方向垂直于波传播方向方向垂直于波传播方向 纵波波速，质点振动纵波波速，质点振动方向和波传播方向一致方向和波传播方向一致 表面波波速，质点振动轨迹是椭圆形，长轴垂直于传播方向，表面波波速，质点振动轨迹是椭圆形，长轴垂直于传播方向，短轴短轴 平行于传播方向，平行于传播方向，表面波沿界面表面传播表面波沿界面表面传播122 ( 1)tLcc0 .8 71 .1 21RtcctcLcRc1 (/ )2(1)tEcms0.871.121 (/ )12(1)REcms)( )21)(1 ()1 (m/s EcLl 用波速判定岩体材料的质量完整性表用超声波的波速原理来判别结构材料的

14、质量状况，在岩体中用得较多，经验也比较丰富。它是用岩体中的实测声速与完整的岩体试件声速比值的平方来判断岩体质量的完整性程度，这种方法，对于路基路面质量监测也可参考。完整性完整性系数系数完整性好完整性好中等中等差差0.750.900.450.750.45212(/)cc混凝土材料的抗压强度与超声波纵波传播速度混凝土材料的抗压强度与超声波纵波传播速度之间的关系曲线之间的关系曲线l 混凝土的抗压强度混凝土的抗压强度 与纵波速度与纵波速度 的关系，一般可用经验公的关系，一般可用经验公式表示式表示： （3-5）或或 （3-6）式中： 混凝土的抗压强度（MPa） 超声波纵波波速（km/s) 、 、 与混凝

15、土原材料、配合比有关的系数，可通过实验求得. 通过实验求得的系数，该系数这样求得：由试件试验，先求得 与 ，然后相除，即： Lb cTRe0KTLRkcTRTRLcLCabK0kLCTR0TLRkCn平均波速法平均波速法l 假设超声波从发射到接假设超声波从发射到接收到的时间为收到的时间为t，发射，发射器与接收器之间的距离器与接收器之间的距离为为L，如图，如图3-2所示。在所示。在图中，图中，E、与与分别是分别是材料的弹性模量、密度材料的弹性模量、密度与介电常数与介电常数。由图看出，。由图看出，平均波速为：平均波速为： （3-8）图3-2 超声波发射、接收示意图Stl 由式（由式（3-8）可知，

16、当超声波以角向材料中发射近似表面波）可知，当超声波以角向材料中发射近似表面波时，根据波传输最短距离原则，波由点经点到点为最短，时，根据波传输最短距离原则，波由点经点到点为最短，为此，便构成波的近似为此，便构成波的近似ABC。显然，。显然，B点是点是ABC的对的对称点。在称点。在ABD中，由于中，由于D点为中点，因此，波从点为中点，因此，波从A点到点到B点所经过的路程为：点所经过的路程为：发射角较小时发射角较小时(例如，例如，5以内以内)，就成为直达波，此时，波，就成为直达波，此时，波的行程近似为：的行程近似为： （310）式中符号意义同上。式中符号意义同上。cosADAB22cosADSAB1

17、2/ cos2L/ cosLsLl 波的发射角度波的发射角度 当波垂直于路基路面方向发射时，波能的全部或近似全部损耗于材料中，散射到面层的能量近于零，在实际工作中，对路基路面检测没有用处。当波的发射小于45角时，回射或散射的波能多起来，发射角愈小，则散射或回射能量愈多。但当发射角等于零时(贴面或沿面发射)，将有一半能量发射在空气中，只有一半能量进入路基路面表面层，且有一部分能量散射或回射后被探头接收，散发情况如图3-3所示。图3-3 能量散发情况 3.3 超声波路面探伤应用技术l 超声波反射法测量原理图图3-4 超声波反射法测量原理超声波反射法测量原理 在图3-4中，发射探头用角 向路面中发射

18、超声波，该波穿透路面结构材料到达路面底部。如波从发射到接收所经过的路程为S，时间为 ，则根据式（3-4）与式（3-5）波的平均波速为：45/ cos2 (/ )iiiSLttLm stit若超声波在路面中行进的正常波速为 ，由于路面结构中存在缺损时，例如结构软弱层或空洞等，声波产生小反射和绕射，使时间减缓拉长，由于两探头距离L一定，因此，波速随即变小。若用实验得到软弱时波速为 、空洞时的波速 为等一组标准结构缺陷波速值，即可得到缺陷波速与标准波速的比值，如下式所示： （3-11） 某一种缺陷波速（某一种缺陷波速（m/s） 结构标准波速（结构标准波速（m/s）这样，检测人员就可以根据这样，检测人

19、员就可以根据 的大小，初步判断出缺陷的大小，初步判断出缺陷的性质。的性质。012i缺标1ii缺标i缺标i根据实践，水泥混凝土结构的空洞直径由下式求出根据实践，水泥混凝土结构的空洞直径由下式求出： （3-12）空洞的直径（空洞的直径（cm）声波经过的长度（声波经过的长度（m）td有空洞处超声波传播的时间（有空洞处超声波传播的时间（s）tc无空洞处超声波传播的时间（无空洞处超声波传播的时间（s）2dc()12ttSR 超声波经过水泥混凝土结构中不密实层部分的深度，由超声波经过水泥混凝土结构中不密实层部分的深度，由下式求算：下式求算： （3-13）h 结构中缺陷的深度（结构中缺陷的深度（m） 密实结构的声速（密实结构的声速（m/s） 有离析或蜂窝处的声速（有离析或蜂窝处的声速（m/s）b 声路长度（声路长度（m）t 通过不密实层的声波传播时间（通过不密实层的声