超声波及应用

超声波1.超声波简介声波是一种机械波。

声的发生是由于发声体的机械振动，引起周围弹性介质中质点的振动由近及远的传播，这就是声波。

人耳所能听闻的声波其频率在20～20000Hz之间，频率在20～20000Hz以外的声波不能引起声音的感觉。

频率超过20000Hz的叫做超声波，频率低于20Hz的叫做次声波。

超声波的频率可以高达911Hz，而次声波的频率可以低达9-8Hz。

2.超声波传感器一般超声波传感器运用压电效应原理。

（1）发生器：压电式超声波发生器是利用压电晶体的电致伸缩现象制成的。

常用的压电材料为石英晶体、压电陶瓷锆钛酸铅等。

在压电材料切片上施加交变电压，使它产生电致伸缩振动，而产生超声波。

（1）接收器：当超声波作用到压电晶体片上时，使晶片伸缩，则在晶片的两个界面上产生交变电荷。

这种电荷先被转换成电压，经过放大后送到测量电路，最后记录或显示出结果。

它的结构和超声波发生器基本相同，有时就用同一个超声波发生器兼做超声波接收器。

3.应用于弹性模量测量在各向同性的固体材料中，根据应力和应变满足的虎克定律，可以求得超声波传播的特征方程。

（当介质中质点振动方向与超声波的传播方向一致时，称为纵波；当介质中质点振动方向与超声波的传播方向垂直时，称为横波。

在气体介质中，声波只是纵波。

在固体介质内部，超声波可以按纵波或横波两种波型传播。

）对于同一种材料，其纵波波速和横波波速的大小一般不同，但它们都由弹性介质的密度、杨氏模量和泊松比等弹性参数决定。

相反，利用超声波速度可以测量材料有关的弹性常数。

（固体在外力作用下，其长度沿力的方向产生变形，变形时的应力与应变之比就定义为杨氏模量，一般用E表示。

固体在应力作用下，沿纵向有一正应变（伸长），沿横向就将有一个负应变（缩短），横向应变与纵向应变之比被定义为泊松比。

）4.超声波探伤对高频超声波，由于它的波长短，不易产生绕射，碰到杂质或分界面就会有明显的反射，而且方向性好，能成为射线而定向传播；在液体、固体中衰减小，穿透本领大。

这些特性使得超声波成为无损探伤方面的重要工具。

(1)穿透法探伤穿透法探伤是根据超声波穿透工件后的能量变化状况，来判别工件内部质量的方法。

穿透法用两个探头，置于工件相对面，一个发射超声波，一个接收超声波。

发射波可以是连续波，也可以是脉冲。

在探测中，当工件内无缺陷时，接收能量大，仪表指示值大；当工件内有缺陷时，因部分能量被反射，接收能量小，仪表指示值小。

根据这个变化，就可以把工件内部缺陷检测出来。

(2) 反射法探伤反射法探伤是以超声波在工件中反射情况的不同，来探测缺陷的方法。

以一次底波为依据进行探伤的方法。

高频脉冲发生器产生的脉冲(发射波)加在探头上，激励压电晶体振荡，使之产生超声波。

超声波以一定的速度向工件内部传播。

一部分超声波遇到缺陷F时反射回来；另一部分超声波继续传至工件底面，也反射回来。

由缺陷及底面反射回来的超声波被探头接收时，又变为电脉冲。

通过分析计算得到损伤情况。

5.超声波测液位超声波测液位是利用回声原理进行工作的，当超声波探头向液面发射短促的超声脉冲，探头接收到从液面反射回来的回音脉冲。

只要知道超声波的速度，通过精确测量时间的方法，就可以测量出距离。

超声波速度在各种不同的液体中是不同的；即使在同一种液体中，由于温度和压力的不同，其值也是不同的。

因为液体中有其他成分的存在及温度的不均匀都会使超声波速度发生变化，引起测量的误差，故在精密测量时，要考虑采取补偿措施。

利用这种方法也可以测量料位。

6.超声波测厚度在超声波测厚技术中，应用较为广泛的是脉冲回波法。

脉冲回波法测量工件厚度原理，主要是测量超声波脉冲通过工件所需的时间间隔，然后根据超声波脉冲在工件中传播的速度求出工件的厚度。

超声波发生器产生的超声脉冲进入工件后，被底面反射回来，并由一个超声波发生器接收。

测出发射脉冲和接受脉冲的时间间隔，已知波速的情况下可以算出试件的厚度。

超声波检测技术在混凝土结构检测中的应用前言超声法测强采用单一声速参数推定混凝土强度。

当影响因素控制不严时，精度不如多因素综合法，但在某些无法测量回弹值及其他参数的结构或构件（如基桩、钢管混凝土等）中，超声法仍有其特殊的适应性。

1 超声波检测技术分析声波的指向性比较好，其频率越高，指向性越好。

超声波传播能量大，对各种材料的穿透力较强。

超声波的声速、衰减、阻抗和散射等特性，为超声波的应用提供了丰富的信息。

超声检测具有适应性强、检测灵敏度高、对人体无害、设备轻巧、成本低廉，可即时得到探伤结果，适合在实验室及野外等各种环境下工作，并能对正在运行的装置和设备实行在线检查。

超声法检测过程无损于材料、结构的组织和使用性能；直接在构筑物上测试验并推定其实际的强度；重复或复核检测方便，重复性良好[1]；超声法具有检测混凝土质地均匀性的功能，有利于测强测缺的结合，保证检测混凝土强度建立在无缺陷、均匀的基础上合理地评定混凝土的强度。

应用超声来进行无损检测也有其相应的缺点[2]。

对于平面状的缺陷，例如裂纹，只要波束与裂纹平面垂直，就可以获得很高的缺陷回波信号。

但是对于球面状的缺陷，例如空洞，假如空洞不是很大或分布不是较密集的话，就难以得到足够的回波信号或是其时间变化不明显；另外，对于各向非同性的材料，例如混凝土，相应会存在材料的离析，使得材料密度不均匀，这使得人们把离析误判为是内部的空洞而导致决策上的失误；对于表面缺陷的检测，超声波法的灵敏度要低得多，但超声无损检测方法可以较为精确的确定混凝土表面的裂缝深度。

2 测量参数混凝土超声检测目前主要是采用所谓“穿透法”，即用发射换能器重复发射超声脉冲波，让超声波在所检测的混凝土中传播，然后由接收换能器接收。

被接收到的超声波转化为电信号后再经超声仪放大显示在示波屏上，用超声仪测量直接收到的超声信号的声学参数。

当超声波经混凝土中传播后，它将携带有关混凝土材料性能、内部结构及其组成的信息。

准确测定这些声学参数的大小及变化,可以推断混凝土的性能内部结构及其组成情况。

2.1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的弹性性质有关，也与混凝土内部结构（孔隙、材料组成）有关。

不同组成的混凝土，其声速各不相同。

一般说来，弹性模量越高，内部越是致密，其声速也越高。

而混凝土的强度也与它的弹性模量、它的孔隙率（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，其声速也越高。

若混凝土内部有缺陷（孔洞、蜂窝体），则该处混凝土的声速将比正常部位低。

当超声波穿过裂缝而传播时，所测得的声速也将比无裂缝处声速有所降低。

总之，混凝土声速值能反映混凝土的性能及其内部情况。

2.2振幅接收波振幅通常指首波，即第一个波前半周的幅值，接收波的振幅与接收换能器处被测介质超声声压成正比，所以接收波振幅值反映了接收到的声波的强弱。

在发射出的超声波强度一定的情况下，振幅值的大小反映了超声波在混凝土中衰弱的情况。

而超声波的衰减情况又反映了混凝土粘塑性能。

混凝土是弹粘塑性体，其强度不仅和弹性性能有关，也和其粘塑性能有关，因此，衰减大小，即振幅高低也能在一定程度反映混凝土的强度。

对于内部有缺陷或裂缝的混凝土，由于缺陷、裂缝使超声波反向或绕射，振幅也将明显减小，因此，振幅值也是判断缺陷与裂缝的重要指标。

由于振幅值的大小还取决于仪器设备性能、所处的状态，耦合状况以及测距的大小，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）下相对比较用[3]。

2.3频率如前所述，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频率成分的余弦波分量。

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（被吸收、散射）。

因此，可以把混凝土看作是一种类似高频滤器的介质。

超声波愈往前传播，其所包含的高频分量愈少，则主频率也逐渐下降。

这已为不同测距的试验及频谱分析结果充分证实。

主频率下降的多少除与传播距离有关外，主要取决于混凝土本身的性质（质量、强度）和内部是否存在缺陷、裂缝等。

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。

要准确细致地测量和分析接收波各频率成分变化，须采用频谱分析的途径，这需要对波形采样后送入计算机，进行快速傅利叶变换（FFT），获得频谱图。

目前的数字式超声仪具有这一功能。

下面将提出用超声仪直接测量接收波主频率的简易有效的方法。

和振幅一样，接收波主频率的绝对值大小不仅取决于被测混凝土的性质的内部情况，也和所用仪器设备、传播距离有关，目前也只能用同于同条件下的相对比较用。

2.4波形这里指的波形第指在显示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、绕射波等各类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。

鉴于波形的变化受各种因素的影响，目前对波形的研究只能作一般的观察，记录。

这里还要说明的是，通常所用的纵波换能器所发射的超声脉冲波不仅有纵波成分也有横波成分，即便是较纯的纵波，在通过混凝土内各声学界面后也有部分转化为横波。

因此，接收到的一串波形中，既有纵波也有横波。

若邻近表面测量时，还有表面波。

但是由于横波与表面波传播速度较纵波慢，所以在首波之后一定时刻才出现并和纵波的后续波叠加在一起。

如果波形分析与研究也包括了这一部分，那么情况将更为复杂，所以，通常的波形分析与研究大多集中于波前部的纵波，而且最好是不受边界影响的直达纵波。

3 超声检测混凝土强度的主要影响因素超声法检测混凝土强度，主要是通过测量在测距内超声传播的平均声速来推定混凝土的强度。

可见，“测强”精度高低与超声声速读取值的准确与否是密切相关的，换句话说，正确运用超声声速推定混凝土强度和评价混凝土质量，从事检测工作的技术人员必须熟悉影响声速测量的因素，在检测中自觉地排除这些影响。

3.1横向尺寸效应关于试件横向尺寸的影响，在测量声速时必须注意。

通常，纵波速度是指在无限大介质中测得，随着试件横向尺寸减小，纵波速度可能向杆、板的声速或表面波速度转变，即声速比无限大介质中纵波声速为小。

当横向最小尺寸d≥2λ（λ为波长）时，传播速度与大块体中纵波速度值相当。

当λ＜d＜2λ时，可使传播速度降低2.5%～3%当0.2＜λd＜λ时，传播速度变化较大，约降低6%～7%，在这个区间里测量时，估计强度的误差可能达30%～40%，这是不允许的。

3.2温度和湿度的影响混凝土处于环境温度为5℃～30℃情况下，因温度升高引起的速度减小值不大；当环境在40℃～60℃范围内，脉冲速度值约降低5%，这可能是由于混凝土内部的微裂缝增多所致。