超声波在粘弹性混凝土介质中传播机理研究
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第 ４１ 卷 第 ３ 期
物探化探计算技术
Ｖｏｌ．４１ Ｎｏ．３
２０１９ 年 ５ 月
ＣＯＭＰＵＴＩＮＧ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳＦＯＲ ＧＥＯＰＨＹＳＩＣＡＬ ＡＮＤ ＧＥＯＣＨＥＭＩＣＡＬＥＸＰＬＯＲＡＴＩＯＮ
Ｍａｙ２０１９
文 章 编 号 ：１００１１７４９（２０１９）０３０２９９０９
超声波在粘弹性混凝土介质中传播机理研究
鲁光银１，张志勇１．２，朱自强，付渝渝１
（１．中 南 大 学 地 球 科 学 与 信 息 物 理 学 院 ，长 沙 ４１００８３； ２．河 南 省 交 通 规 划 设 计 研 究 陈 院 股 份 有 限 公 司 ，郑 州 ４５００００）
摘 要 ： 混 凝 土 是 一 种 含 有 骨 料 、水 泥 浆 、钢 筋 、波 纹 管 包 裹 的 预 应 力 孔 道 及 空 洞 、孔 隙 的 多 相 非 均匀复合材料，作为一种粘弹性介质，超声在混凝 土中传 播 机 理 比 较 复 杂，常 规 的 弹 性 声 波 方 程 不能确切地模拟超声传播方式。这里从粘弹性介质材料性质出发，推 导了 基于 Ｋｅｌｖｉｎ粘弹 性介 质 模 型 的 高 阶 有 限 差 分 方 程 ，通 过 建 立 几 种 粘 弹 性 混 凝 土 介 质 数 值 模 型 ，模 拟 了 超 声 波 在 混 凝 土 中的传播过程，分析了含空洞、裂隙等不同缺陷的 混凝土 介 质 中 超 声 波 的 波 形 特 性，讨 论 了 缺 陷 部位波形的变化规律，探讨了 空 洞、裂 隙 等 不 同 缺 陷 对 超 声 传 播 机 理 的 影 响 以 及 能 量 分 布 的 差 异 ，为 准 确 判 断 识 别 混 凝 土 内 部 不 同 结 构 的 缺 陷 提 供 科 学 借 鉴 。
关 键 词 ： 混 凝 土 ；超 声 ；传 播 ；模 拟 ；缺 陷 ；开 尔 文 粘 弹 性 介 质 中 图 分 类 号 ：Ｐ６３１．４ 文 献 标 志 码 ：Ａ 犇犗犐：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１１７４９．２０１９．０３．０３
０ 引言
近 年 来 ，随 着 各 级 建 设 工 程 要 求 地 提 高 ，混 凝 土 成为各种工程建筑最常用的一种结构材料 。 ［１］ 在 混 凝土施工过 程 中，由 于 混 凝 土 材 质、外 界 因 素 的 影 响，在内部结构中往往会有缺陷存在［２］，但混凝 土 的 质量对整个结构工 程 至 关 重 要，关 乎 到 工 程 的 使 用 安全性和使 用 期 限 。 ［３］ 因 此，在 混 凝 土 浇 筑 完 成 之 后 ，需 要 对 混 凝 土 的 质 量 进 行 相 应 的 检 测 ，确 保 其 安 全 性 。 同 时 ，在 对 混 凝 土 检 测 时 ，又 要 尽 量 保 证 混 凝 土原有的质 量 尽 可 能 地 不 受 到 破 坏 。 ［４］ 因 此，常 用 无损检测进行混凝土质量的判断。而超声波具有很 强的穿透能力，方 向 性 强，检 测 设 备 简 单，仪 器 操 作 方便，节省人力和 检 测 成 本，分 辨 率 较 高，因 此 在 混 凝土无损检测领域应用最为广泛 。 ［５］
收 稿 日 期 ：２０１８０３０８ 基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 （４１３７４１２０，４１１７４０６１） 第 一 作 者 ： 鲁 光 银 （１９７６－ ），男 ，博 士 生 导 师 ，从 事 重 磁 法 勘 探 及 地 质 灾 害 监 测 ，Ｅｍａｉｌ：１３９７５８９４８９８＠１３９．ｃｏｍ。 通 信 作 者 ： 张 志 勇 （１９９２－ ），男 ，硕 士 ，主 要 从 事 混 凝 土 中 超 声 正 演 研 究 ，Ｅｍａｉｌ：ＺｈａｎｇＺＹ３３４＠１６３．ｃｏｍ。
为了更确切地研究超声在混凝土中的传播规
律，不同的数值计算 方 法 逐 渐 被 引 用 到 超 声 数 值 模 拟中来。模拟超声 波 传 播 常 用 的 数 值 方 法 有：有 限 元法、弹性动力学有限积分技术、有限差分法等 。 ［６］
笔者主要介绍有限差分法在混凝土正演中的应 用进展。有限差分法在弹性波数值模拟方面应用最 为 广 泛 ，因 此 逐 渐 地 被 应 用 到 超 声 波 的 数 值 模 拟 中 。 Ｄａｙ等［７］使用 Ｐａｄｅ近 似 法 进 行 了 二 维 时 间 域 的 数 值模拟；Ｅｍｍｅｒｉｃｈ等［８］提 出 了 广 义 标 准 线 性 固 体， 推导了粘弹 性 模 量 的 有 理 式；Ｒｏｂｅｒｔｓｓｏｎ 等 提 ［９］ 出 了 速 度 一 应 力 有 限 交 错 网 格 法 ，时 间 上 二 阶 精 度 ，空 间上四阶精度，用这 种 方 法 研 究 了 二 维 空 间 中 横 波 和 纵 波 的 传 播 性 质 与 规 律 ，并 从 二 维 推 广 到 三 维 ，取 得了较好的效果；Ｈ．Ｙａｍａｗａｋｉ等 在 ［１０］ 常 规 的 有 限 差分交错网格的基 础 上，提 出 了 改 进 交 错 网 格 节 点 的计算方案，使得有 限 差 分 法 更 能 适 应 于 各 项 异 性 介质；魏东等 应 ［１１］ 用 时 域 有 限 差 分 法，研 究 了 弹 性 固体中的二维声场特性，采用 ＰＭＬ（完全匹配层）吸
相对 于 弹 性 介 质，其 受 到 应 力 和 产 生 应 变 是 瞬 发的，且 满 足 Ｈｏｏｋ 定 律 中 应 变 与 应 力 成 线 性 关 系 。 ［１４］ 并且，当失 去 外 部 应 力 后，弹 性 体 会 迅 速 恢 复到原来的状 态。 而 对 于 粘 弹 性 介 质，其 物 理 性 质 介于弹性与粘 性 之 间。 在 受 到 外 力 作 用 时，粘 弹 性 介 质 会 永 久 发 生 形 变 ，且 在 外 力 消 失 后 ，不 会 恢 复 到 原来的状态。这种性质不仅跟粘弹性介质自身因素 有 关 ，还 与 压 力 大 小 、温 度 等 外 界 因 素 有 关 。 粘 弹 性 介质对混凝土中能量的衰减机理比较１ 卷
收 边 界 条 件，解 决 了 有 限 区 域 的 计 算 问 题；张 俊 等 基 ［１２］ 于有限差分法，设置建 立 了 含 有 多 个 探 头 的 相控阵超声检测模型；密士 文 在 ［１３］ 混 凝 土 超 声 数 值 模拟波动方程中加入粘弹性介质的拉梅常数项。但 其 只 是 推 导 出 速 度—应 力 公 式，未 对 超 声 正 演 模 拟 效果做出相应的研究。
物探化探计算技术
Ｖｏｌ．４１ Ｎｏ．３
２０１９ 年 ５ 月
ＣＯＭＰＵＴＩＮＧ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳＦＯＲ ＧＥＯＰＨＹＳＩＣＡＬ ＡＮＤ ＧＥＯＣＨＥＭＩＣＡＬＥＸＰＬＯＲＡＴＩＯＮ
Ｍａｙ２０１９
文 章 编 号 ：１００１１７４９（２０１９）０３０２９９０９
超声波在粘弹性混凝土介质中传播机理研究
鲁光银１，张志勇１．２，朱自强，付渝渝１
（１．中 南 大 学 地 球 科 学 与 信 息 物 理 学 院 ，长 沙 ４１００８３； ２．河 南 省 交 通 规 划 设 计 研 究 陈 院 股 份 有 限 公 司 ，郑 州 ４５００００）
摘 要 ： 混 凝 土 是 一 种 含 有 骨 料 、水 泥 浆 、钢 筋 、波 纹 管 包 裹 的 预 应 力 孔 道 及 空 洞 、孔 隙 的 多 相 非 均匀复合材料，作为一种粘弹性介质，超声在混凝 土中传 播 机 理 比 较 复 杂，常 规 的 弹 性 声 波 方 程 不能确切地模拟超声传播方式。这里从粘弹性介质材料性质出发，推 导了 基于 Ｋｅｌｖｉｎ粘弹 性介 质 模 型 的 高 阶 有 限 差 分 方 程 ，通 过 建 立 几 种 粘 弹 性 混 凝 土 介 质 数 值 模 型 ，模 拟 了 超 声 波 在 混 凝 土 中的传播过程，分析了含空洞、裂隙等不同缺陷的 混凝土 介 质 中 超 声 波 的 波 形 特 性，讨 论 了 缺 陷 部位波形的变化规律，探讨了 空 洞、裂 隙 等 不 同 缺 陷 对 超 声 传 播 机 理 的 影 响 以 及 能 量 分 布 的 差 异 ，为 准 确 判 断 识 别 混 凝 土 内 部 不 同 结 构 的 缺 陷 提 供 科 学 借 鉴 。
关 键 词 ： 混 凝 土 ；超 声 ；传 播 ；模 拟 ；缺 陷 ；开 尔 文 粘 弹 性 介 质 中 图 分 类 号 ：Ｐ６３１．４ 文 献 标 志 码 ：Ａ 犇犗犐：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１１７４９．２０１９．０３．０３
０ 引言
近 年 来 ，随 着 各 级 建 设 工 程 要 求 地 提 高 ，混 凝 土 成为各种工程建筑最常用的一种结构材料 。 ［１］ 在 混 凝土施工过 程 中，由 于 混 凝 土 材 质、外 界 因 素 的 影 响，在内部结构中往往会有缺陷存在［２］，但混凝 土 的 质量对整个结构工 程 至 关 重 要，关 乎 到 工 程 的 使 用 安全性和使 用 期 限 。 ［３］ 因 此，在 混 凝 土 浇 筑 完 成 之 后 ，需 要 对 混 凝 土 的 质 量 进 行 相 应 的 检 测 ，确 保 其 安 全 性 。 同 时 ，在 对 混 凝 土 检 测 时 ，又 要 尽 量 保 证 混 凝 土原有的质 量 尽 可 能 地 不 受 到 破 坏 。 ［４］ 因 此，常 用 无损检测进行混凝土质量的判断。而超声波具有很 强的穿透能力，方 向 性 强，检 测 设 备 简 单，仪 器 操 作 方便，节省人力和 检 测 成 本，分 辨 率 较 高，因 此 在 混 凝土无损检测领域应用最为广泛 。 ［５］
收 稿 日 期 ：２０１８０３０８ 基 金 项 目 ： 国 家 自 然 科 学 基 金 （４１３７４１２０，４１１７４０６１） 第 一 作 者 ： 鲁 光 银 （１９７６－ ），男 ，博 士 生 导 师 ，从 事 重 磁 法 勘 探 及 地 质 灾 害 监 测 ，Ｅｍａｉｌ：１３９７５８９４８９８＠１３９．ｃｏｍ。 通 信 作 者 ： 张 志 勇 （１９９２－ ），男 ，硕 士 ，主 要 从 事 混 凝 土 中 超 声 正 演 研 究 ，Ｅｍａｉｌ：ＺｈａｎｇＺＹ３３４＠１６３．ｃｏｍ。
为了更确切地研究超声在混凝土中的传播规
律，不同的数值计算 方 法 逐 渐 被 引 用 到 超 声 数 值 模 拟中来。模拟超声 波 传 播 常 用 的 数 值 方 法 有：有 限 元法、弹性动力学有限积分技术、有限差分法等 。 ［６］
笔者主要介绍有限差分法在混凝土正演中的应 用进展。有限差分法在弹性波数值模拟方面应用最 为 广 泛 ，因 此 逐 渐 地 被 应 用 到 超 声 波 的 数 值 模 拟 中 。 Ｄａｙ等［７］使用 Ｐａｄｅ近 似 法 进 行 了 二 维 时 间 域 的 数 值模拟；Ｅｍｍｅｒｉｃｈ等［８］提 出 了 广 义 标 准 线 性 固 体， 推导了粘弹 性 模 量 的 有 理 式；Ｒｏｂｅｒｔｓｓｏｎ 等 提 ［９］ 出 了 速 度 一 应 力 有 限 交 错 网 格 法 ，时 间 上 二 阶 精 度 ，空 间上四阶精度，用这 种 方 法 研 究 了 二 维 空 间 中 横 波 和 纵 波 的 传 播 性 质 与 规 律 ，并 从 二 维 推 广 到 三 维 ，取 得了较好的效果；Ｈ．Ｙａｍａｗａｋｉ等 在 ［１０］ 常 规 的 有 限 差分交错网格的基 础 上，提 出 了 改 进 交 错 网 格 节 点 的计算方案，使得有 限 差 分 法 更 能 适 应 于 各 项 异 性 介质；魏东等 应 ［１１］ 用 时 域 有 限 差 分 法，研 究 了 弹 性 固体中的二维声场特性，采用 ＰＭＬ（完全匹配层）吸
相对 于 弹 性 介 质，其 受 到 应 力 和 产 生 应 变 是 瞬 发的，且 满 足 Ｈｏｏｋ 定 律 中 应 变 与 应 力 成 线 性 关 系 。 ［１４］ 并且，当失 去 外 部 应 力 后，弹 性 体 会 迅 速 恢 复到原来的状 态。 而 对 于 粘 弹 性 介 质，其 物 理 性 质 介于弹性与粘 性 之 间。 在 受 到 外 力 作 用 时，粘 弹 性 介 质 会 永 久 发 生 形 变 ，且 在 外 力 消 失 后 ，不 会 恢 复 到 原来的状态。这种性质不仅跟粘弹性介质自身因素 有 关 ，还 与 压 力 大 小 、温 度 等 外 界 因 素 有 关 。 粘 弹 性 介质对混凝土中能量的衰减机理比较１ 卷
收 边 界 条 件，解 决 了 有 限 区 域 的 计 算 问 题；张 俊 等 基 ［１２］ 于有限差分法，设置建 立 了 含 有 多 个 探 头 的 相控阵超声检测模型；密士 文 在 ［１３］ 混 凝 土 超 声 数 值 模拟波动方程中加入粘弹性介质的拉梅常数项。但 其 只 是 推 导 出 速 度—应 力 公 式，未 对 超 声 正 演 模 拟 效果做出相应的研究。