超声首波相位反转机理解析

01:521第1页，共28页，2023年，2月20日，星期二1超声波检测混凝土裂缝深度的方法超声波首波相位反转法3单面平测CECS：21标准法1单面平测BS-1881标准法201:522第2页，共28页，2023年，2月20日，星期二1超声波检测混凝土裂缝深度的方法[1]1.1单面平测CECS：21标准法

裂缝深度的计算公式90版公式2000版公式

（a）等距不跨缝检测

（b）等距跨缝检测图1CECS：21标准检测混凝土裂缝深度

基本假设：1）裂缝附近混凝土质量基本一致；2）跨缝与不跨缝检测，其声速相同；(不跨缝检测的声速其实是平测声速）3)跨缝测读的首波信号绕裂缝末端至接收换能器。01:523第3页，共28页，2023年，2月20日，星期二1超声波检测混凝土裂缝深度的方法BS-1881标准检测混凝土裂缝深度的方法[1]的原理是，两次选取不同的a1、a2测距测量，a2=2a1，假设超声波在混凝土中两次传播的速度不变

v1=v2

，根据速度相同的条件可以得到声时和裂缝深度之间的计算公式。1.2BS-1881标准法

（90年代BS-4408）

定义：v1=v2,

a1=15cm,a2=2a1=30cm,得：图2BS-1881法检测混凝土裂缝深度01:524第4页，共28页，2023年，2月20日，星期二1超声波检测混凝土裂缝深度的方法超声波首波相位反转法

如图所示，1982年笔者发现[2]若置换能器于裂缝两侧，当换能器与裂缝间距a分别大于、等于、小于裂缝深度dc时，超声波接收波形如(a),(b),(c)所示。首波的振幅相位先后发生了180°的反转变化，即在平移换能器时，随着a的变化，存在着一个使首波相位发生反转变化的临界点，换能器间距与缝深比存在1.7~2倍的关系。1.3超声波首波相位反转法图3超声波首波相位反转法检测混凝土裂缝深度01:525第5页，共28页，2023年，2月20日，星期二1超声波检测混凝土裂缝深度的方法超声波首波相位反转法泊松比µ与回折角α＋β的关系1990年在日本，笔者浏览到1988年日本同行有关于首波反向发生时测距~裂缝深度的近似2倍关系的论文发表。当a≈dc时回折角α＋β约为900。在该临界点左右，波形变化特别敏感。只要把换能器稍作来回移动，首波振幅相位反转瞬间而变。1991年日本関西大学工学部的中野正吉推导出泊松比µ与回折角α＋β的关系[3]，中野正吉提出由于混凝土的泊松比μ在0.20～0.25之间，若取中值，则回折角α+β=90°。1.3超声波首波相位反转法µ0.100.150.200.250.300.35α＋β103.3°99.2°93.6°85.8°73.8°51.0°表1泊松比µ与回折角α＋β的关系01:526第6页，共28页，2023年，2月20日，星期二1超声波检测混凝土裂缝深度的方法换能器不对称布置时的超声波首波相位反转现象

在以往的研究中，笔者又发现[4][5]当换能器不对称布置在裂缝两侧的场合,可先固定某一换能器，

再移动另一换能器，则也可以观察到首波相位的反转变化现象。如图4所示(a)，(b)，(c)点波形参见图3(a)，(b)，(c)，在首波振幅相位反转的临界点处,回转角α+β也均约为90度。移动R换能器当观察到首波相位反转变化时的△ACB为直角三角形（可在小方格纸上按尺寸比例作图

验证）。

裂缝深度dc与二换能器的中心距的近似关系式：

。作为特例，当换能器距裂缝对称布置时，dc≈a，参见图3(b)。1.3超声波首波相位反转法图4换能器不对称布置01:527第7页，共28页，2023年，2月20日，星期二1超声波检测混凝土裂缝深度的方法1.3超声波首波相位反转法换能器间距与缝深比

1982年[2]采用同济大学自制的超声波检测仪，发现了因换能器平置裂缝两侧的间距不同而引起首波幅度及其振幅相位变化的现象，笔者提出了换能器间距与缝深比存在1.7~2倍的关系。平均1.85倍。01:528第8页，共28页，2023年，2月20日，星期二1超声波检测混凝土裂缝深度的方法

换能器间距与缝深比

换能器~裂缝间距与裂缝深度的关系国内不同研究单位意见不大一致，有的研究者（陕西院）[6]认为反相点处间距/缝深比为1.0倍（换能器间距为两换能器的内边距）。康科瑞濮存亭，孙刚柱在论文

“超声平测法检测混凝土裂缝深度测试方法的试验研究与建议”[7]中关于首波反相点出现的位置在进行了一系列的试验研究后：得出“反相点处间距/缝深比一般在1.5倍附近。（同上：此时换能器间距为两换能器的内边距）

基于同济大学1.7~2倍(平均1.85倍）和陕西院1.0倍以及康科瑞1.5倍的不同研究结果，

濮、孙的论文得出：“说明反相点处间距/缝深比并不能确定”的结论，间接否认了超声波首波相位反转法检测混凝土裂缝深度的方法。。1.3超声波首波相位反转法01:529第9页，共28页，2023年，2月20日，星期二1超声波检测混凝土裂缝深度的方法

换能器间距与缝深比

考察到濮存亭，孙刚柱论文[7]的实验数据在缝深较小时对应的间距/缝深比较小的事实，

这应该是与换能器的直径尺寸效应有关，即换能器的直径尺寸对越小缝深的影响越大。众所周知在平测法检测混凝土裂缝深度的计算公式中换能器的间距不取内间距。如果考虑换能器的直径尺寸，（设换能器的直径为38mm）笔者尝试重新计算了该论文[7]中反相点出现的位置一节中列出的全部试验数据，得出：当考虑了换能器直径的影响因素后，其对应的间距/缝深比的平均值为1.853倍。右图换能器间距2a为两换能器中心距。与1982年的同济大学结果一致。研究表明：首波相位发生反转变化的临界点，同济大学关于换能器的中心距与缝深比为1.7~2倍的观点是正确的。01:5210第10页，共28页，2023年，2月20日，星期二1超声波检测混凝土裂缝深度的方法下表引自：

濮存亭，孙刚柱[7]——

反相点出现的位置反相点处间距/缝深比一般在1.5倍附近。（换能器间距为两换能器的内边距）

笔者考察结果：当考虑了换能器直径的影响因素后，其对应的间距/缝深比的平均值为1.853倍（换能器间距为两换能器中心距）【设换能器直径为38mm计算】缝深mm反相点处的间距mm对应的间距/缝深51107.22.1063102.81.6375146.81.9684162.51.93103275.52.67130246.51.90148250.61.69208313.81.51316490.81.55412657.11.59缝深mm反相点处的间距mm对应的间距/缝深5169.21.356364.81.0375108.81.4584124.51.48103237.52.3130208.51.6148212.61.44208275.81.3316452.81.4412619.11.501:5211第11页，共28页，2023年，2月20日，星期二

三种方法对应的混凝土裂缝深度检测仪1.北京智博联根据CECS21:2000规程，采用单面平测Tc-T0法研发的ZBL-F610裂缝测深仪附带一根定位尺，简化了测试方法，提高了测试效率和效果。2.北京康科瑞研发的KON-FSY裂缝深度测试仪近视采用了修改BS-1881方法，该测试仪附有一个探头支架，将发射与接收换能器分别置于裂缝为对称的两侧，第一测点间距l1取100mm，读取声时值t1；第二测点间距取50mm或150mm，读取声时值t2，分别计算缝深h1、h2后取两次裂缝深度的平均值。3.廊坊大地华龙依照首波振幅相位反转现象，利用回折角与裂缝深度的几何关系在国内率先研发的DJCS-05裂缝测深仪，这款仪器的特点是不用计算，便可现场直接显示裂缝深度。01:5212第12页，共28页，2023年，2月20日，星期二2首波相位反转机理解释由“反转现象缺失”引出的思考实验介绍基础理论知识横波折射假说41234总结501:5213第13页，共28页，2023年，2月20日，星期二2首波相位反转机理解释2.1由“首波相位反转现象缺失”引出的思考

图5实验装置示意图其中：1——水槽；

2——水面（控制水面高度模拟不同的混凝土裂缝深度）；3、6——混凝土试块（尺寸为15×15×55cm）；

4、5——超声波换能器（直径38mm）；7——实验专用尺寸标定工具；

8——黄油（用于换能器与混凝土耦合）；9——混凝土试块间隙3mm01:5214第14页，共28页，2023年，2月20日，星期二

2首波相位反转机理解释模拟裂缝试样及辅助工具如图5所示将两块150×150×550mm混凝土试块留有间隙后对接放入水槽中，在水槽中放入不同深度的水达到形成不同深度裂缝的目的。如水深从10mm到140mm每次以10mm递增，相应模拟裂缝深度即为140，130，120，110，100，90，80，70，60，50，40，30，20，10（mm）；

另制作了600，300，150，75，38，19（mm）；500，250，125，63，32（mm）和400，200，100，50，25（mm）三个倍数系列的专用尺寸标定工具，对每一个模拟裂缝深度值，两换能器测距都分别以600，500，400，300，250，200，150，125，100，75，63，50，38，32，25，19（mm）共计16次检测并记录其声时值。01:5215第15页，共28页，2023年，2月20日，星期二2首波相位反转机理解释实验步骤向水槽中加入自来水，测量水深为140mm（此时模拟裂缝深度为10mm）。两换能器对称置于裂缝两侧，底部涂黄油耦合，内侧紧靠600mm专用尺寸标定工具——木尺。保持施加在换能器上的压力不变，首波等幅度4格读数，重复3次，取最稳定状态时采样、储存声时读数。依次更换木尺，直至减小测距到19mm，共记录一系列16个声时值。重复上面的步骤，依次取出水槽中约10mm深的水量，待水面平稳后分别测量水深为130mm、120mm……10mm时，依次更换木尺，记录不同裂缝深度、不同测距对应的声时值（共14组×16个声时数据）。混凝土的裂缝深度分别按CECS标准、BS-1881标准进行计算、比较。01:5216第16页，共28页，2023年，2月20日，星期二2首波相位反转机理解释几年前在指导学生毕业论文的实验过程中，在任何短测距（即两换能器间距小于2倍缝深）

的场合，

均没有观察到作者早年前提出的首波相位反转的现象。01:5217第17页，共28页，2023年，2月20日，星期二2首波相位反转机理解释笔者将两块40×40×160mm的水泥砂浆条，图6在两者端部留有1mm间隙的下部用5mm高度的环氧树脂把它们粘结成一个整体，即形成裂缝深度为35mm的试件。把试件放入水盆，在未盛水时，超声检测在两换能器的中心距70mm附近，有首播相位反转点。保持正波状态下换能器不移动，往水盆中加水，当水面高于5mm时，正波转为负波。此时，无论再相近移动换能器直至两换能器几乎接触，屏显波形依然是负波。将换能器中心距改为65mm后，从水盘中提起（连同耦合着的换能器一起）试件出水面，屏显波形还是负波。略倾斜试件吹除缝中的剩水后，屏显波形转为正波。2.2“首波相位反转现象缺失”的实验101:5218第18页，共28页，2023年，2月20日，星期二2首波相位反转机理解释

（图6）

实验1介绍试件裂缝深度约35mm无水70mm水高>5mm65mm70mm65mm无水有水01:5219第19页，共28页，2023年，2月20日，星期二2首波相位反转机理解释

另在一块600×1000×1000mm的原制有100mm裂缝深度的长龄期混凝土试块上继续超声实验。图7在两换能器中心距200mm处发现正负波形转换临界点。略相近移动换能器，使其保持正波状态，往裂缝中注水，正波即转为负波，再相近移动换能器，屏显依然是负波。用钢尺将裂缝中水分赶出些后插入纸吸水，当裂缝中的水吸干时，首波相位反转现象如期而至。2.2“首波相位反转现象缺失”的实验201:5220第20页，共28页，2023年，2月20日，星期二2首波相位反转机理解释

（图7）

实验2介绍试件裂缝深度约100mm200mm存在正负波形转换点加水后，正波变负波<200mm除水后，负波变正波<200mm01:5221第21页，共28页，2023年，2月20日，星期二2首波相位反转机理解释不同声速介质的界面在反射和折射过程可能发生波型转换。波型转换现象只发生在斜入射的场合。2)固体与气体的交界面，波型转换只发生在反射过程中；固体与固体

的界面在反射、折射过程中都会发生波型的转换。固体与液体的界面，折射波中只有纵波，因液体介质没有剪切弹性，不能传播横波。

3）另根据惠更斯定理：横波和纵波到达的每一个点都可以看作新的波源“次源”，每一个“次源”相当于一个单独波源，产生二次波动，形成“次源”波前，新的波前就是这些“次源”波前的包迹。2.3基础理论知识01:5222第22页，共28页，2023年，2月20日，星期二2首波相位反转机理解释

当换能器分别置于裂缝表面的两侧如图8所示，由于混凝土检测通常采用的是低频（50KHz）超声波，其特点是波长长，指向性差。当发射换能器A置于混凝土表面时，其向裂缝侧传播相当于斜入射的场合，即具备了斜入射的条件。超声纵波在裂缝侧面产生反射（反射波中有纵波，有横波），超声纵波在裂缝的尾端产生折射（折射波中有纵波，有横波）而且由图8所示，横波折射角与水平面的夹角小于纵波折射角。2.4（横波折射假说）图8横波折射假说示意图01:5223第23页，共28页，2023年，2月20日，星期二2首波相位反转机理解释

众所周知：纵波速度大于横波速度；本实验采用的是纵波换能器，换能器A发射出纵波，接收换能器B理应接收到纵波，但存在以下事实：1)折射波中因波型转换形成了横波。2)横波的折射角与纵波的折射角不同，横波与裂缝断面的夹角小于纵波，即横波折射在纵波之上。2.4（横波折射假说）01:5224第24页，共28页，2023年，2月20日，星期二2首波相位反转机理解释

首波相位反转的机理解释：超声波检测混凝土裂缝深度时，采用的纵波换能器在折射过程中发生波型转换产生了横波，发射纵波与接收到的横波之间存在相位差。虽然横波速度小于纵波速度，但横波折射角与纵波折射角不同，两者的绕射波前不同，在特定的首波相位反转临界点，参见图8接收换能器B至裂缝侧的区域内（图8中T区）绕射横波先于绕射纵波到达。首波相位反转临界点的T区以外是折射纵波L区。（在“S处”有水的场合）2.4（横波折射假说）01:5225第25页，共28页，2023年，2月20日，星期二2首波相位反转机理解释1）李宁的论文[8]“纵、横波首波相位关系实验现象的解释及其对全波测井的意义”：纵、横波首波幅度绝对值的变化规律相同；纵、横波首波的相位始终相反。即由发射换能器同一个振源转换成的横波，其相位永远和纵波反相。2)在没有水的场合，换能器跨缝检测时定有发生首播相位反转的现象，笔者以往在国内外所有的实验室内人为制作的裂缝试件上，全部都能观察到首波相位反转的事实。在施工现场能观察到首播相位反转现象的场合，可马上定性推断该混凝土的裂缝深度小于、等于两个换能器中心距之半。2.5总结01:5226第26