岩体超声检测技术

声
波
的
指 向
一般而言，希望θ0值尽量小，因为其值越小指向性越好，可以提高对缺陷的检测灵敏度和定位精度；
性
但在探测形状复杂的工作时，希望其值大一些，以便利用扩散声束探测某一区域的缺陷。
岩体超声检测技术
★声阻抗 Z（N⋅s/m3）：介质中某一质点的声压与该处质点的振动速度之比。 Z = p / Va 声阻抗表示介质对质点振动的阻碍作用。在同一声压下，声阻抗越大，质点的振动就越 小。当超声波由一种介质传入另一种介质，或是从介质的界面上反射时，其各种行为 （如反射、折射等）主要取决于这两种介质的声阻抗。
（
频
率
）
超声衰减值与超声波频率密切相关，频率越高，衰减越大，根据实际情况选择合适的
频率。
岩体超声检测技术
超声仪的基本功能
• 信号放大（增益，衰减）
• 信号滤波（高通，低通）
• 显示波形（延迟，记录宽度）
超
• 读取参数（声时，声幅）
声
波
检
测
仪
岩体超声检测技术
智能化超声仪应具备的特点
. 自动采用适当的放大倍数
岩体超声检测技术 检 测 系 统 武汉中科智创
岩体超声检测技术 武汉岩海
检 测 系 统
岩体超声检测技术
常见的超声波换能器类型： • 平面型 • 径向增压型 • 一发双收型 换 能 器
岩体超声检测技术
平 面 换 能 器
平面换能器的特点是压电体制成圆片状，当受电脉冲的作用后，压电体沿厚度方向振动，超 声波的发射或接收方向在圆片的法线方向，其构造如上图所示。 夹心式平面换能器的特点是能获得较低频率的声波和较高的发射功率，因而增加了检测深度。
声波的能量主要集中在主瓣声束内，这种声束集中向一 个方向辐射的性质就是声波的指向性。
超
声场的指向性好坏常用指向角（扩散角）θ0衡量，其值
声
为：
波
的
指
向
性
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sin0
D
式中：λ——介质中的超声波波长；
D——声源尺寸，对圆声源为其直径，对方声源为其边长；
超
κ——与晶片形状有关的参数，对圆声源κ=1.22，对方声源 κ=1.0。
主要由入射角度和不同介质的声学特性决定，利用超声波这一性质，可确定构件 中缺陷的有无及其性质。
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③ 传播特性 超声波能量高，在大多数介质中传播时能量损失小，传播距离远，穿透能力强，使得超声检测具有很 大的可检测范围。
④ 波型转换特性 超声波在异质界面上容易实现波型转换，构件检测中所需要的各种波型（包括纵波、横波、板、表面 波等）都可以通过压电晶片形成的纵波产生。
超
声学特性的衰减，包括吸收衰减和散射衰减，而不包括扩散衰减。
声
波
超声波的衰减表示为频率的函数为：
的
衰
减
1 2 a • f b • f2 c • f4
超声波的衰减与超声波频率密切相关，频率越高，衰减越大。
岩体超声检测技术
岩体特性与岩体中超声波传播特性 关系？
具有不同强度的岩体中超声波的传播行为有所不同，同一岩体结构中强度不相同 的区域中超声波的传播行为也不相同。根据超声波的传播特性来分析岩体的强度， 为分析整体结构的强度提供重要的信息。 岩体是一种弹-塑性体，其弹性性能和塑性性能都会影响超声波的传播，同时， 岩体是结构体和结构面得结合体，岩体内各种结构面、空洞、破碎带等地质上的 不连续面特别明显地改变超声波的传播过程和引起超声波能量衰减。
岩体超声检测技术 按介质质点的振动方向与波的传播方向间的关系，可将超声波分为不同的类型：
（1）纵波L（压缩波、疏密波）： 介质质点振动方向与波的传播方向平行的波。 波动传播方向
λ 纵波可在任何弹性介质（固体、液体和气体）中传播
● 质点振 动方向
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（2）横波S或T（剪切波）： 介质质点振动方向与波传播方向相互垂直的波。
波动传播方向
质
点
●
振 动
方
向
λ 横波只能在固体介质中传播
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（3）表面波R（瑞利波）： 固体介质（如岩石）表面在交替变化的应力作用下，质点
产生纵横复合振动。这种质点振动所引起的波动传播只在距固体介 质表面很小的范围内进行，故称表面波。
表面波在介质表面传播时，介质表面质点作椭圆运动，椭圆的 长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向。
越破碎的岩体对超声波的衰减作用越明显，因此，较破碎的岩体选用较低频率超声波换能器。
频率的选择还要考虑被测结构的横截面大小。横截面尺寸越大，其边界对超声波传播的影响越小。
一般横截面的最小尺寸应至少比超声波的波长大2倍。
换 能
换能器频率的选择可参考如下经验：
器
的
选
择
（
频
率
）
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换
能
器
的
选
择
. 自动判读参数（声时，声幅，频率等）
. 灵活高效的显示与记录方式
超
. 实时快速的现场分析功能
声
波
. 方便的数据管理（原始数据与结果）
检
测 仪
. 兼顾通用性与专用性
. 友好的界面
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主界面：
通道1波形 显示区
数据显示区 二
通道2波形 显示区
数据显示区 一
仪器状态设 置区域
操作命令区
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介 质 的 声 阻 抗
气体、液体与固体之间的特性声阻抗之比接近于1:3000:8000
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超声波在介质中传播时，其能量随传播距离的增加而逐渐减弱，这种现象为超声波的衰减。
引起超声波衰减的原因很多，主要包括扩散衰减、散射衰减和吸收衰减。
（1）扩散衰减 扩散衰减主要取决于波阵面的几何形状，而与传播介质无关，并遵从如下衰减规律：
Δm=ρ⋅ds⋅dx
F=p⋅dsLeabharlann 由动量定理：声 压
F⋅dt =Δm⋅Va
p⋅ds ⋅dt=ρ⋅ds⋅dx⋅Va
p= ρ⋅dx/dt ⋅ Va= ρ⋅V ⋅ Va
Va为体积元的振动速度，当体积元很小时，即为质点振动速度。
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声波为一点源时，声波从声源向四面八方辐射。如果声 源的尺寸比波长大时，则声波从声源集中成一波速，以 某一角度扩散出去，形成主瓣和副瓣声束，如图所示。
波动传播方向
空气 y
x
（a）某质点在一周期内的 位移末端轨迹
岩石
z
（b）某一时刻不同质点在的振动位移
表面波只能在固体介质中传播，且只能在固体表面传播。质点振动幅度随深度的增加迅速减小，可认为仅 存于固体介质表面二倍波长深度之内。
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（4）板波： 在板状且厚度与波长相当的弹性固体中，传播的声波是有别于表
岩体超声检测技术 结果显示
岩体超声检测技术
★耦合剂的作用：
排除探头与岩体表面之间的空气，使超声波能有效地传入岩体，以便检测；
减小探头与岩体表面之间的摩擦，延长探头使用寿命。
★耦合剂需满足的条件：
能湿润岩体和探头表面，流动性、黏度和附着力适当，易于清洗；
声阻抗介于探头与被测岩体之间，透声性能好； 耦
面波的另外类型的波，称板波。主要用于探测薄板状构件内的缺陷。
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★波速V(m/s)：岩体检测中最常用的参数 • 材料的弹性性质 • 材料的结构特性 波 速
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1.波速与材料的弹性性质 纵波波速Vp a.一维（细棒）： Vp1=
以下所提到的波速均为波在固体中传播的速度！
E
参数设置
检测项 目相关 信息
联机通讯 口设置
测试深度， 测点移距， 声测管间距 与管位，桩 长
系统延迟，水 和声测管的延
迟修正
选择是否 观测频谱
设置自动 判读方式 与判据
横波，纵波 波速，容重 求弹模，剪 模，泊松 比；纵波， 回弹值求混 凝土强度
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数据分析 指定深度的测 点原始波形
(3)吸收衰减 超声波在介质中传播时，由于介质质点间的内摩擦和热传导引起的衰减称为吸收衰减， 又称粘滞衰减。
吸收衰减可表示为频率的函数：
的。对于固体介质，吸收衰减相对于散射衰减几乎可以2忽略a不•计f； 而b 对1于•液f体2介质，吸收衰减则是主要
需要注意的是，超声波检测中所谓的衰减仅指介质对声波的衰减作用，即与介质有关的、表征介质
各测点的指 定数据显示
指定显示数据的 类型，显示的通 道
三者联 动显示
深度－指定数据 曲线，图中红线 为判据线，黑色 横线为选中相应 的深度，此时左 测图形显示区中 显示该深度处的 原始波形
指定数据的 分析处理结 果
存储打印PILE文件，分析处理测 选择打印的内容 桩数据时打上此钩
调整深度－ 指定数据曲 线的显示坐 标范围
岩体超声检测技术
为什么用超声波做检测？
在声波无损检测中，超声波检测用途最广。主要因为超声波具有以下特性： ① 束射特性 超声波频率高、波长短，声束指向较好，可以使超声能量向一个确定的方向集中辐
射，便于缺陷定位； ② 反射特性 超声波在弹性介质中传播时，遇到异质界面时会产生反射、透射或折射，这些现象
岩体超声检测技术
岩体超声检测技术
★ 超声波检测： 超声波测试技术是以人工激振的方式向介质(岩石、岩体、混凝土等)发射超声波， 在一定的空间距离上接收介质物理特性调制的超声波，通过观测和分析超声波在不同介质中的波 速、波幅、波形等声学参数，来了解岩体材料的物理力学特性、结构特征和风化程度等。
概 念
岩体超声检测技术
岩体超声检测技术
（1）岩体结构面的影响 超声波在传播过程中遇到结构面（节理、裂隙、劈理、片理、断裂等）将发生波的反射、折射和散射等。 超声波出现传播速度减低、振幅强度的显著降低。
（2）岩体空洞的影响 超声破在传播过程中遇到空洞时将发射波的绕射，出现速度降低现象，同时，随空洞中充填物质的不同 出现不同的波幅衰减。
速
平表面： Vr=
0.871.12 E 1 2(1)
在固体介质中，纵波、横波和表面波的波速有如下关系： Vp>Vs>Vr
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2.波速与材料的结构特性 • 材料的尺寸 • 材料的组成成分 • 空隙率 • 缺陷 波 速
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★声压（Pa）：超声场中的某一点在某一
瞬间，因超声波引起的压强。
（3）岩体风化程度 新鲜完整的岩体波速较高，风化岩体波速较低，风化越严重波速就越低。可以利用波速来估计岩体的风 化程度，可参照一下公式： Kw =（V0-V）/V0
Kw —风化系数； V0 —新鲜岩石波速； V —风化岩石波速
岩体超声检测技术 检 测 系 统
超声波检测系统？
超声波检测系统包括： 1.超声波换能器 2.超声波检测仪
平面波：不衰减；球面波：Px∝1/x
(2)散射衰减 散射是指超声波在传播过程中遇到声阻抗不同的异质界面时产生反射、折射和波型转换现
象。
超
声
导致散射衰减的主要原因是检测对象本身的特性，如混凝土的不均匀性，岩体的破碎程度、风化程
波 的
度及结构面等。
衰 减
散射衰减可表示为频率的函数：
1b1•f2c•f4
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合 剂
对人体无害，不污染环境；
性能稳定，能长期保存。
超声检测中常用的耦合剂包括水、润滑油、甘油、水玻璃（硅酸钠）
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一发双收换能器将发、收压电体装于同一探
头中，并置于单孔内。
一
发
双
收
换
能
事实上一发双收换能器仅仅是换能器的一种
器
组合工作方式。
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超声波在岩体中传播时的衰减较大，为了使超声波在岩体中有足够的传播距离，应适当选择换能
器的频率。在检测时常采用500KHz以下的低频超声波，且选用的频率随测量距离的增加而减小。
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径 向 换 能 器
径向换能器利用圆片状或圆管状压电陶瓷的径向振动发射或接收超声波。目前常用的有增压 式径向换能器，其构造如上图所示。 一般构造的增压式径向换能器可用作发射探头，也可用作接收探头。但有时为了增加接收信 号，在接收换能器中加装一个前置放大器。带有前置放大器的径向换能器只能用于接收，不 能用于发射。
波
b.二维（薄板）: Vp2=
速
E
c.三维（无限大介质） Vp2=
(1 2 )
E(1) (1)(12)
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横波波速Vs
G 无限大介质:Vs= =
E
表面波波速Vr
2 (1 )
表面波波速与表面曲率有关，平表面的表面波波速如下式，凸表面的表面波波速高于此值，凹表
面的表面波波速低于此值。 波
★原理：通过测定超声波在岩体中的传播情况（波速、声时值、波形、波幅等）来推定 岩体材料的结构特征
岩体结构密实，声速传播快； 岩体结构不密实，声速传播慢。
原 理
岩体超声检测技术
什么是超声波？ 声波按其频率分为次声波、可闻声波、超声波和特超声波四类。
次声波的频率在20 Hz以下，人耳听不到，但对人体伤害极大 可闻声波的频率在20 Hz ~ 20 KHz之间 ，人耳可以听到 超声波的频率在20 KHz ~ 1000 MHz，人耳听不到 特超声波的频率在1000 MHz以上，人耳听不到