声波测试技术与声发射监测技术课件

1、声波测试技术与声发射监测技术,第 6 章 无损检测技术,声波测试技术与声发射监测技术,本章主要内容,6-1 声波的传播规律 6-2 声波测试技术及其应用 6-3 回弹法检测 6-4 地质雷达检测 6-5 声发射技术及其应用,声波测试技术与声发射监测技术,概述,定义,研究对象,工程背景,研究目的,研究内容,声波测试技术与声发射监测技术,波动与振动 在空间某处发生的扰动，以一定的速度由近及远地传播，这种传播着的扰动称为波动。 波动中介质各质点并不随波前进，只是在各自的平衡位置附近往复运动。这种运动称质点的振动（机械振动）。,声 波 声波是在介质中传播的机械波，依据波动频率的不同，声波可分为次声波、

2、可闻声波、超声波、特超声波。,6-1 声波的传播规律,声波测试技术与声发射监测技术,6-1 声波的传播规律,声波测试技术与声发射监测技术,6-1 声波的传播规律,一、波动类型 1. 纵波（Longitudional Wave） 质点振动方向与波的传播方向一致时称为纵波。,声波测试技术与声发射监测技术,6-1 声波的传播规律,2. 横波（Shear Wave，简称S波，又称作Transverse wave，简称T波，也称为切变波或剪切波） 质点振动方向与波的传播方向垂直时称为横波。,声波测试技术与声发射监测技术,6-1 声波的传播规律,3. 表面波（Surface Wave ） 沿介质表面传播，

3、波动振幅随深度增加而迅速衰减的波称为表面波(R波，瑞利波)。表面波质点振动的轨迹是椭圆形,长轴垂直于传播方向,短轴平行于传播方向。,声波测试技术与声发射监测技术,6-1 声波的传播规律,各种类型波的比较,声波测试技术与声发射监测技术,6-1 声波的传播规律,二、波的反射与透射 斯奈尔定律：,声波测试技术与声发射监测技术,6-1 声波的传播规律,第一临界角： 第二临界角：,声波测试技术与声发射监测技术,6-1 声波的传播规律,平面波垂直入射时 反射系数 透射系数,声波测试技术与声发射监测技术,6-2 声波探测技术及其应用,弹性波在岩体中的传播速度与岩体的种类、弹性参数、结构面、物理力学参数、应力

4、状态、风化程度和含水量等有关，具有如下规律： (1) 弹性模量降低时，岩体声波速度也相应的下降。 (2) 岩石越致密，岩体声速越高。 (3) 结构面的存在，使得声速降低，并形成各向异性。 (4) 岩体风化程度大则声速低。 (5) 压应力方向上声波速度高。 (6) 孔隙率n大，则波速低。 (7) 密度高、单轴抗压强度大的岩体波速高。,声波测试技术与声发射监测技术,6-2 声波探测技术及其应用,声波测试技术与声发射监测技术,6-2 声波探测技术及其应用,一、声波探测仪器设备 岩体声波探测的全过程是声波发射、传播及接收显示，其相应的仪器有发射换能器、接收换能器和声波仪。 1声波换能器,声波测试技术与

5、声发射监测技术,6-2 声波探测技术及其应用,声波测试技术与声发射监测技术,6-2 声波探测技术及其应用,一发双收换能器 1引出电缆 2发射振子 3联合体 4接收振子1 5接收振子2,声波测试技术与声发射监测技术,6-2 声波探测技术及其应用,BC段混凝 土的声速,声波测试技术与声发射监测技术,6-2 声波探测技术及其应用,换能器的性能指标 扩散角 品质因数 频带宽度,声波测试技术与声发射监测技术,6-2 声波探测技术及其应用,2. 声波仪 声波仪的主要部件是发射机和接收机，发射机的作用是向探头输出一定频率的声脉冲，接收机的功能是将接收探头收到的微小信号放大，并在示波器上显示或以数字的形式显示

6、。,声波测试技术与声发射监测技术,6-2 声波探测技术及其应用,二、测试技术 1换能器的布置方法 (1) 穿透法。 发射探头和接收探头放置在介质相对两个面上，根据声波穿透介质后波速和能量的变化来判断介质的质量。,声波测试技术与声发射监测技术,6-2 声波探测技术及其应用,(2) 反射法 它是换能器向介质发射声波，波动沿发射方向传播到介质的底面后，被反射回来再由换能器接收，根据反射波传播的时间和显示的波形来判断介质内部的缺陷和材料性质的方法。 结构混凝土厚度检测，基桩完整性检测。,声波测试技术与声发射监测技术,6-2 声波探测技术,(3) 剖面法 又称沿面法，发射换能器发射纵波通过一定角度入射到

7、介质中，被转换成面波，通过对其特性的测定来判断介质的缺陷和材料的性能。若发射换能器和接收换能器同时放入一个钻孔时，即为单孔测井。,声波测试技术与声发射监测技术,6-2 声波探测技术,2测试要求（注意事项） (1) 测试地点的选择。 (2) 对测孔的要求。 (3) 表面处理。 (4) 耦合剂。 (5) 探测频率的选择。 测试岩石、混凝土类介质时，频率一般为20kHz，最高不超过100kHz。,声波测试技术与声发射监测技术,6-2 声波探测技术及其应用,三、声波测试在岩体中的应用 1. 围岩松弛带测试,声波测试技术与声发射监测技术,6-2 声波探测技术及其应用,声波测试技术与声发射监测技术,6-2

8、 声波探测技术及其应用,声波测试技术与声发射监测技术,6-2 声波探测技术及其应用,声波测试技术与声发射监测技术,6-2 声波探测技术及其应用,2利用弹性波测试评价岩体强度和完整性程度 测定岩块及一定区域内岩体的波速，计算岩体的完整性系数或称龟裂系数： Cm是岩体分类中常用指标之一，也用于评价岩体完整性: Cm0.75 完整 Cm=0.750.55 较完整 Cm=0.550.35 较破碎 Cm=0.350.15 破碎 Cm0.15 极破碎,声波测试技术与声发射监测技术,6-2 声波探测技术及其应用,3岩体力学参数测定 通过测定岩体纵横波速度，根据岩体纵横波速与弹性模量、泊松比的关系计算出弹性模

9、量和泊松比。 通过测出现场岩体和室内试块的弹性波波速及抗压和抗拉强度，可估算岩体的抗压和抗拉强度：,声波测试技术与声发射监测技术,6-2 声波探测技术及其应用,4. 测定张开裂隙的延伸深度,声波测试技术与声发射监测技术,6-2 声波探测技术及其应用,5声波测井 作用：查明地层层位，构造和破碎带情况，基岩风化程度和风化深度，各地层的物理力学参数等. 探测方法：“单孔高差同步法”。 注意：发射和接收接触器之间的净距离l应满足,声波测试技术与声发射监测技术,6-2 声波探测技术及其应用,声波测试技术与声发射监测技术,结构混凝土的抗压强度与超声波在混凝土中的传播参数（声速、衰减等）之间的相关关系是超声

10、脉冲检测混凝土强度方法的基础。,1.超声波检测主要是测量超声波在混凝土当中的传播速度； 2.超声波在介质中传播时，遇到不同界面，将产生反射、折射、绕射、衰减等现象，从而使传播的声时、波形、频率等发生相应变化，测定这些规律的变化，便可得到材料的某些性质与内部构造情况；,定义,工作原理,四、声波测试在混凝土结构中的应用,1检测混凝土强度,声波测试技术与声发射监测技术,超声波探伤仪,超声波测厚仪,声时 距离 声速 波形,声波测试技术与声发射监测技术,压电效应,声波测试技术与声发射监测技术,计算公式,对于混凝土，其密度和泊松比通常不会随其强度而明显变化。如果已知超声波传播的速度，可以利用上式推断混凝土

11、的弹性模量，再通过混凝土弹性模量与混凝土强度的关系，就可以对混凝土的强度性能做出评价。,声波测试技术与声发射监测技术,（1）测区超声波传播速度 v=l/tm 其中tm=（t1+t2+t3)/3 式中 ： v为测区声速值，l为超声测距，t为声时值。 当在试件混凝土的浇筑顶面或底面测试时，声速值应作修正，即 vu=v 其中：为超声测试面修正系数。 在混凝土浇灌顶面及底面测试时，=1.034。 在混凝土侧面测试时，=1.0 。 （2）由试验量测的声速，按fcuv曲线求得混凝土强度换算值。,利用超声声速对混凝土强度进行大致判断的参考数据,数据处理,声波测试技术与声发射监测技术,3.,2.,4.,5.,

12、1.,检测过程无损于材料和结构构件的性能；,重复或复核检测方便，检测方法具有良好的重复性；,具有检测混凝土均匀性和内部缺陷的功能，可以将混 凝土的强度评定和内部缺陷评定有机的结合；,直接在结构物上进行检测并推定其实际的强度；,在有些情况下，其他非破损检测方法无法获取 混凝土的质量和强度信息，超声法有其特殊性。,特点,声波测试技术与声发射监测技术,1、开始测试前，利用标准棒对仪器进行校准。 2、通常在50100kHz范围内选择超声波发射频率。 3、测试时必须保持换能器与被测混凝土表面有良好的耦合（防止空气进入），并利用黄油或凡士林等耦合剂，以减少声能的反射损失。 4、一般尽可能选择在构件的侧面选

13、择测区，避免浇筑面的不平整。 5、每一试件上相邻测区间距不大于2m。 6、每个测区内应在相对测试面上对应布置三个测点，相对面上对应的辐射和接受换能器应在同一轴线上。 7、必须要对超声检测结果进行标定，也即是必须预先建立超声声速与混凝土强度的关系。 8、超声法一般不单独用来检测混凝土的强度。,注意事项,声波测试技术与声发射监测技术,例题,采用超声法进行构件混凝土密实性检测，经过计算得到的声速数据如下表1所示，请根据表2所提供的1值分析判断是否存在异常测点？如果有请将它们一一找出来。,声波测试技术与声发射监测技术,例题,表2,解： (1)24个测点声速平均值、标准差：,声波测试技术与声发射监测技术

14、,例题,N=24，查表2得1=1.73 声速异常值判定值 v0=mv-1Sv=4.48-1.730.10=4.31km/s 比较得v12=4.23km/sv0=4.31km/s，v20=4.25km/sv0=4.31km/s，故测点12和测点20为异常测点。 (2)剔除该2个测点后，继续计算剩余22个测点的声速平均值、标准差：,声波测试技术与声发射监测技术,例题,N=22，查表2得1=1.69 声速异常值判定值 v0=mv-1Sv=4.50-1.690.08=4.36km/s 比较得v13=4.32km/s5.5MPa。,声波测试技术与声发射监测技术,6-3 回弹法检测,五、评定报告内容 (1

15、) 建设单位名称 (2) 工程名称； (3) 施工日期： (4) 检测原因； (5) 试样抽检范围及试样名称编号。测区位置及强度值； (6) 出具报告单位名称、测试负责人、报告审定人； (7) 测试及出具报告的日期； (8) 其他需要说明的事项。 报告应包括原始记录表和强度计算表,声波测试技术与声发射监测技术,6-3 回弹法检测,六、结构或构件检测及计算举例 例6-1 某研究所会议室大梁长6m，混凝土强度等级C25，各种材料均符合国家标准养护，龄期4个月。因试块缺乏代表性现采用回弹法检测混凝土强度。 (1) 测试 按要求布置10个测区，回弹仪水平方向测试构件侧面，然后测量其碳化深度值。 (2)

16、 记录 见下页表,声波测试技术与声发射监测技术,6-3 回弹法检测,声波测试技术与声发射监测技术,6-3 回弹法检测,(3) 计算 计算出每一测区的平均回弹值N，计算至0.1。计算结果见上页表。 根据每一测区的平均回弹值N和平均碳化深度值L，查行业标准回弹法检测混凝土抗压强度技术规程（JGJT232001）附录A，求出该测区混凝土强度换算值。 计算平均值，均方差，最小强度值。 该梁强度推定值为22.2MPa。,声波测试技术与声发射监测技术,6-3 回弹法检测,例6-2某住宅楼六层一构造柱，混凝土强度等级为C20，各种材料均符合国家标准，自然养护，龄期6个月。因试块遗失，现采用回弹法检测混凝土强

17、度。 (1) 测试。 由于该柱高度小于4.5m，截面尺寸不大，故布置5个测区。 (2) 记录。 格式同例6-1，此处略，测区平均回弹值N和平均碳化深度值L见下页表。 (3) 计算。 步骤同例6-1，因该构造柱只有5个测区，故构造件的强度推定位取测区的最小值即为18.0MPa。,声波测试技术与声发射监测技术,6-3 回弹法检测,声波测试技术与声发射监测技术,6-3 回弹法检测,例6-3某家属楼二层圈梁，混凝土强度等级为C20，各种材料均符合国家标准，自然养护，龄期3个月。因试块遗失，现采用回弹法检测其中一段圈梁的混凝土强度。 (1) 测试。 同例6-1，该段圈梁长8m，高0.2m，布置10个测区

18、。 (2) 记录。 格式同例6-1，此处略，测区平均回弹值N和平均碳化深度值L见下页表。 (3) 计算。 格式同例6-1，因该段圈梁测区强度值中出现了小于10.0MPa，故该段圈梁强度推定值为10.0MPa。,声波测试技术与声发射监测技术,6-3 回弹法检测,声波测试技术与声发射监测技术,6-3 回弹法检测,例6-4某框架楼一层柱，混凝土强度等级为C45，泵送商品混凝土，各种材料均符合国家标准，自然养护，龄期3个月。因对试块强度有怀疑，现采用回弹法检测混凝土强度。 (1) 测试。 按要求布置测区，回弹仪水平方向测试构件侧面，然后测量其碳化深度值。 (2) 记录。 格式同例6-1，此处赂，测区平

19、均回弹值N和平均碳化深度值L见下页表。 (3) 计算。 格式同例6-1，此处略，该柱强度推定值为55.2MP。,声波测试技术与声发射监测技术,6-3 回弹法检测,声波测试技术与声发射监测技术,6-4 地质雷达检测,一、原理和系统结构 地质雷达(Ground Penetrating Rader)是采用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标体或地下界面进行扫描，以确定其内部结构形态或位置的电磁技术。 工作原理：高频电磁波以宽频带脉冲形式通过发射天线发射，经目标体反射或透射，被接收天线所接收。高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形将随所通过介质的电性质及集合形态而变化，由此通过对时域波形

20、的采集、处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置或结构状态。,声波测试技术与声发射监测技术,6-4 地质雷达检测,声波测试技术与声发射监测技术,6-4 地质雷达检测,剖面法：发射与接收天线以固定间距沿测线同步移动。单天线形式和双天线形式。测量结果用地质雷达时间剖面图像表示。,二、剖面法测量方法 测量方式：剖面法、宽角法、环形法、多天线法等,声波测试技术与声发射监测技术,6-5 地质雷达检测,介质对电磁波吸收强，深部信号弱可应用不同天线距的发射接收天线在同一测线上进行重复测量，然后叠加，可增强对深部地下介质的分辨能力。,声波测试技术与声发射监测技术,6-4 地质雷达检测,校正前叠加,校正后叠

21、加,声波测试技术与声发射监测技术,6-4 地质雷达检测,声波测试技术与声发射监测技术,6-4 地质雷达检测,三、现场量测技术 1. 对检测对象的分析 地质雷达检测的成功与否与对检测对象和赋存环境的详尽分析直接有关。 （1）检测对象的深度； （2）检测对象的几何形态（尺寸与取向）； （3）检测对象的电性（导电率和介电常数）； （4）围岩的不均匀性态； （5）测区工作环境（金属构件或无线电射频源？）。,声波测试技术与声发射监测技术,6-4 地质雷达检测,2. 测网布置 进行检测前应先建立测区坐标，以便确定测线的平面位置，通常遵循以下原则： (1) 检测对象分布方向已知时，测线应垂直于检测对象长轴方

22、向。如果方向未知时，则应布置成方格网。 (2) 检测对象体积有限时，只用大网格小比例尺初查以确定目的体的范围，然后用小网格大比例尺测网进行详查。网格大小等于检测体尺寸。 (3) 进行基岩面等二维体调查时，测区应垂直二维体的走向，线距取决于检测对象沿走向方向的变化程度。,声波测试技术与声发射监测技术,6-4 地质雷达检测,四、数据处理和资料解释方法 1数据处理 数据处理的目标是压制随机的和规则的干扰，以最大可能的分辨率在图像剖面上显示反射波，提取反射波的各种有用参数，包括电磁波速度、振幅、波形、频率等以帮助解释检测成果。通常以地震处理方法为其主要处理手段。例如数字滤波技术和偏移绕射处理等。 (1

23、) 数字滤波技术 (2) 偏移绕射处理,声波测试技术与声发射监测技术,6-4 地质雷达检测,声波测试技术与声发射监测技术,6-4 地质雷达检测,声波测试技术与声发射监测技术,6-4 地质雷达检测,2资料解释方法 地下介质的电性分布地质体分布 （1）反射层的拾取 通常可以从通过地质勘探孔的测线开始，根据勘探孔与雷达图像的对比，建立起各种地层反射波组特征。识别反射波组的标志为同相性、相似性与波形特征。 波组：比较靠近的若干个反射界面产生的反射波的组合。 同相轴：不同道上同一反射波相同相位的连接线。 同相性：同一波组有一组光滑平行的同相轴与之对应。 相似性：相邻记录道上同一反射波组的特征相同。,声波

24、测试技术与声发射监测技术,6-4 地质雷达检测,声波测试技术与声发射监测技术,6-4 地质雷达检测,（2）时间剖面的解释 在充分掌握区域地质资料、了解测区所处构造背景的基础上，充分利用时间剖面的直观性和覆盖范围大的特点，统观整条测线，研究重要波组的特征及其相互关系，掌握重要波组的地质构造特征，特别重视特征波的同相轴变化。通过特征波分析，可以研究获得剖面的主要地质构造特点。 特征波：指强振幅、能长距离连续追踪、波形稳定的反射波。一般均为重要岩性分界面的有效波，特征明显，易于识别。,声波测试技术与声发射监测技术,6-4 地质雷达检测,声波测试技术与声发射监测技术,6-4 地质雷达检测,声波测试技术

25、与声发射监测技术,6-4 地质雷达检测,声波测试技术与声发射监测技术,6-4 地质雷达检测,声波测试技术与声发射监测技术,6-4 地质雷达检测,声波测试技术与声发射监测技术,6-4 地质雷达检测,声波测试技术与声发射监测技术,6-5 声发射技术及其应用,材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，或材料内部缺陷及潜在缺陷在外部条件作用下改变状态时，以弹性波形式释放出能量的现象称为声发射。 声发射信号的强度、频率等各项特性指标等随着声发射源的类型、状态及材料性质的不同而不同，也随着外力的作用形式及强弱的变化而变化，因此，声发射特性是材料性质和状态的一个表征。,声波测试技术与声发射监测技术,6-5

26、声发射技术及其应用,声发射检测技术就是利用材料受力时的声发射特性，对其内部破坏状态及受力历史进行判断的方法，它不仅能对材料内部缺陷进行检测，而且还能反映材料内部缺陷形成、发展和失稳破坏的整个动态过程。 声发射技术在混凝土检测中主要用于裂缝的发生发展及位置的确定；在岩体检测中，研究岩石的损伤机理和断裂特性，测定岩体地应力，检测矿井和洞空的安全，以及预报岩爆的产生等。,声波测试技术与声发射监测技术,6-5 声发射技术及其应用,一、基本原理 声发射信号是分析声发射性质和状态的基本依据，通常用压电换能器在试件表面接收并记录这些信号，输入仪器进行分析和处理。处理和分析声发射信号的特性参数有计数率、能量和

27、能量率，以及频谱、波形以及多信号的时差等。 若记录每一个声发射事件，就叫AE事件计数。单位时间AE事件计数称为AE事件计数率，事件计数累积称AE事件总数。通常设置门槛电压，只有当输入信号超过该电压时，才能作为声发射事件被记录下来。显然，对声信号的各种计数描述着重于信号出现的频率，而较少反映信号的幅度。,声波测试技术与声发射监测技术,6-5 声发射技术及其应用,煤,声波测试技术与声发射监测技术,6-5 声发射技术及其应用,混凝土的声发射试验结果,声波测试技术与声发射监测技术,6-5 声发射技术及其应用,声波测试技术与声发射监测技术,6-5 声发射技术及其应用,声发射检测仪器应具有如下性能： (1) 具有高响应速度、高灵敏度、高增益、宽动态范围以及对强信号阻塞的恢复能力； (2) 具有较