铁路桥隧检测课件：冲击弹性波检测混凝土强度

冲击弹性波检测混凝土强度1．超声波特性概述

波是振动的传播过程，波动是自然界中普遍存在的一种物质运动形式。机械振动在物体中的传播即为机械波。

当机械波的频率在人耳可闻的范围内（10~20000Hz)时，称为声波，低于此范围的称为次声波，而超过20000Hz的称为超声波。

由间歇振动的振源所引发的短暂的间歇超声波，称为超声脉冲。

次声波、声波、超声波以及超声脉冲，它们虽然各有特性，但就其本质而言，都是机械波，因而有许多共性。目前在混凝土超声检测中所常用的声学参数为声速、波形、频率及振幅,简介如下。（1）声速

声速即超声波在混凝土中传播的速度。它是混凝土超声检测中一个主要参数。混凝土的声速与混凝土弹性性质有关,也与混凝土内部结构(孔隙、材料组成等)有关。一般说来,弹性模量越高,密实性越好,声速也越高。同时,混凝土的强度与它的弹性模量和孔隙率(密实性)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,声速也越高。当混凝土内部有缺陷时(孔洞、蜂窝等),则该处混凝土的声速将比正常部位低。当超声波穿过裂缝传播时,所测得的声速也将比无裂缝处的声速有所降低。（2）波形

波形是指在示波屏上显示的接收波波形。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。（3）频率和振幅在超声检测中,由电脉冲激发出的声脉冲信号是复频超声脉冲波,它包含了一系列不同成分的余弦波分量。这种含有各种频率成分的超声波在传播过程中,高频成分首先衰减。因此，可以把混凝土看作是一种类似高频滤波器的介质,超声波越往前传播,其所包含的高频分量越少,则主频率也逐渐下降。主频率下降的量值除与传播距离有关外,主要取决于混凝土本身的性质和内部是否存在缺陷等。因此,测量超声波通过混凝土后频率的变化可以判断混凝土质量和内部缺陷、裂缝等情况。（3）频率和振幅

在超声检测中,由电脉冲激发出的声脉冲信号是复频超声脉冲波,它包含了一系列不同成分的余弦波分量。这种含有各种频率成分的超声波在传播过程中,高频成分首先衰减。因此，可以把混凝土看作是一种类似高频滤波器的介质,超声波越往前传播,其所包含的高频分量越少,则主频率也逐渐下降。主频率下降的量值除与传播距离有关外,主要取决于混凝土本身的性质和内部是否存在缺陷等。因此,测量超声波通过混凝土后频率的变化可以判断混凝土质量和内部缺陷、裂缝等情况。

接收波振幅通常指首波,即第一个波前半周的幅值,接收波振幅值反映了接收到的声波的强弱。对于内部有缺陷或裂缝的混凝土,由于缺陷使超声波反射或绕射,振幅也将明显减小。因此,振幅值也是判断混凝土缺陷的重要指标。

由于接收波主频率和振幅值的大小不仅取决于被测混凝土的性质和内部情况,还取决于仪器设备性能、设备状态、耦合状态以及测距的大小,所以很难有统一的度量标准,目前只是作为同条件(同一仪器、同一状态、同一测距)下对比用。2.冲击弹性波特性概述

弹性波能够直接反映材料的力学特性,是工程检测中最常用的媒介之一。其中,冲击弹性波用锤或电磁激振装置冲击产生,具有激振能量大,操作简单,便于频谱分析等特点,是一种非常适合工程无损检测的媒介。

弹性波的分类(1)P波(纵波)当无限均匀的弹性介质受到交替变化的正弦作用力的拉-压作用时,就会产生交替变化的拉伸和压缩变形,质点也就产生疏密相间的纵向波动。已振的质点又推动相邻的质点,在介质中继续向前传播。这时,介质中质点振动方向与波的传播方向一致,这种波称为纵波,也称压缩波或疏密波,表示为Р波,如图1-42(a)所示。其在介质中传播时,仅使介质各点改变体积而无转动。

因为任何弹性介质在体积变化时,都会产生弹性力。所以,P波可以在任何弹性介质(气体、液体、固体)中传播。同时,由于Р波在各种弹性波中波速最快,所以其应用十分广泛。（2)S波(横波)

由于固体介质既具有体积刚性,又具有剪切刚性。因此,当固体介质受到剪力作用时,将会产生相应的剪切变形,介质质点就产生具有波峰和波谷的横向振动,并在介质中传播。这时,介质质点的振动方向与波的传播方向相垂直。这种波称为横波,也称剪切波,以符号“S"表示,如图1-42(b)所示。其在介质中传播时,使介质各部分产生剪切变形而体积不变。

由于液体﹑气体的剪切刚性趋近于零,因此,其不存在S波。因而,在固体中传播的S波遇到液体﹑气体时会完全反射,所以S波也有较多的应用。（3）瑞利波（4）板波（5）其他波弹性波的分类分类标准：介质质点的振动方向与波动的传播方向的关系■P波（纵波/压缩波/疏密波）质点的振动方向与波的传播方向平行波速最快■S波（横波/剪切波）质点的振动方向与波的传播方向垂直

波峰—波形凸起部分波谷—波形凹下部分弹性波分类表面波■瑞利波（表面波）沿半无限弹性介质自由表面传播：绕平衡位置作椭圆轨迹的振动，并作用于相邻的质点而在介质表面传播，称为表面波。

表面波一般指瑞利波（雷利波），用符号“R”表示弹性波分类3.

与超声波法相比,冲击弹性波法具有如下优越性:①由于冲击弹性波的波长一般均大于骨料的直径,受骨料散射的影响小，因此,测试的波速较为稳定,同时,测强曲线的差异也较小;②冲击弹性波的频谱响应特性好,可利用频域分析反射信号,从而提高分析精度;③通过改变激振锤的大小,很容易改变激发信号的频率;④冲击弹