2016年培训班超声波检测1

吸收衰减的概念。
声波在介质中传播时，部分机械能被介质转换成其他形式的能
量（如热能）而丧失，这种衰减现象称为吸收衰减。
§1.2 超声波的衰减：散射衰减
超声波基本参数
当介质中存在颗粒状结构（如固体介质中的颗粒、缺陷、掺杂物等） 而导致声波能量的衰减。如在混凝土中一方面其中的粗骨料构成许多声 学界面，使声波在这些界面上产生多次反射、折射和波型转换；另一方 面微小颗粒在超声波的作用下产生新的震源，向四周发射声波，使声波 能量的扩散到达最大。 散射衰减的概念。 声波在一种介质中传播时，因碰到另一种介质组成的障碍物而向不同 方向发生散射，从而导致声波衰减（即声波的定向性减弱）的现象称为 散射衰减。
§1.1
超声波的基本知识
波动是物质的一种运动形式，波动可分为两大类：一
类是机械波，它由于机械振动在弹性介质中引起的波
动过程。例如；水波、声波、超声波等； 另一类是电磁波，它是由于电磁振荡所产生的变化电 场和变化磁场在空间的转播过程，例如无线电波、红 外线、紫外线、可见光、雷达波等。
§1.1 简谐振动的概念

§2.1
超声波仪
建筑规范(JGJ 106 2014)对超声波仪的技术要求
具有实时显示和记录接收信号的时程曲线以及频率测 量或频谱分析的功能。 最小采样时间间隔小于或等于0.5μ s，声波幅值测量 相对误差小于5%，系统频带宽度为1～200kHz，系统 最大动态范围不小于100dB。 声波发射脉冲为阶跃或矩形脉冲，电压幅值为200～ 1000V。 具有首波实时显示功能。 具有自动记录声波发射与接收换能器位置功能。
外壁与混凝土粘结良好，不产生剥离缝，影响测试结果。 有较大的透声率：一方面保证发射换能器的声波能量尽 可能多地进入被测混凝土中，另一方面，又可使经混凝土传 播后的声波能量尽可能多地被接收换能器接收，提高测试精
度。

§2.4 3、声测管的尺寸要求
声测管
声测管内径大，换能器移动顺畅，但管材消耗大，且换能 器居中情况差；内径小，则换能器移动时可能会遇到障碍，但 管材消耗小，换能器居中情况好。因此，声测管内径通常比径 向换能器的直径大10~20mm即可。 现在的增压式换能器直径为20mm左右，因此，一般选用 40 号钢管（外径48mm，内径42mm）。 选配直径较小的径向换能器可减小声测管的直径，节约检 测成本。 声测管的壁厚对透声率的影响较小，一般不作限制，但从 节约成本的角度出发，管壁在保证一定刚度（承受新浇混凝土 的侧压力）的前提下，尽可能薄一点。

§1.1
超声波的基本知识
1. 纵波：质点运动方向平行与波的传播方向。P
质点运动 方向
目前超声脉冲技术中广泛应用的是纵波，如：综合法测强、测 缺（不密实区、裂缝深度、结合面质量、匀质性、损伤层厚度 等）、基桩完整性检测，岩土工程单孔或跨孔纵波波速测试。

系统声时校正
换能器中部十字交叉叠放在一起
仪器上增益设置较大，如200 读取出首波时间
此种方法注意有时应用于考试和能力 验证时

§2.3
系统声时校正
例题、将收发声波换能器置于清水中，在换能器内 侧净距离d1=600mm、d2=300mm时，仪器测得声时读 数分别为t1=420us、t2=210us。请计算出仪器的系 统延时t0
解：计算水的声速
则

§2.4 声测管
1、声测管的埋设数量要求 2、声测管的材质要求 3、声测管的尺寸要求 4、声测管的连接与埋设

§2.4
声测管
1、声测管的埋设数量要求
声测管是声波透射法测桩时,径向换能器的通道,其 埋设数量决定了检测剖面的个数(检测剖面数为（n为声 测管数)，同时也决定了检测精度：声测管埋设数量多，


§1.1 4、传播介质的不同
超声波的基本知识
横波的传播是依靠使介质产生剪切变形（局部形状变化）
引起的剪应力变化而传播的，它和介质的剪切弹性相关。
因液体、气体形状发生变化时，不能产生抗拒形变的剪应 力，故只有固体才能传播横波。
纵波 ：固体，液体，气体 横波 ：固体 表面波：固体表面
§1.2
超声波基本参数
引起衰减的分为以下三种类型
材料的粘滞性质（吸收衰减） 材料的结构特性（散射衰减） 材料的几何特性（扩散衰减）

§1.2 超声波的衰减：吸收衰减
超声波基本参数
声波在固体中传播时，部分声能会转化为热能等。一般认为吸
收衰减系数a。与声波频率的一次方、频率的二次方成正比。
声延迟：声波要通过换能器壳体或辐射体。

§2.3
系统声时校正
零时校正的方法
发射接收换能器直接对测 时距法测定空气中的声速 径向换能器水中测定声速

§2.3
系统声时校正
时距法测定空气中 声速
轴线重合对测
间距误差小于0.5% 测点不少于10个
沿直径布置
呈三角形布置
呈四方形布置
桩径D≤800mm时，埋设两根声测管
800mm＜桩径D ≤1600mm时，埋设三根声测管 桩径D＞1600mm时，埋设四根声测管

§2.4 2、声测管的材质要求
声测管
有足够的强度和刚度，保证在混凝土灌注过程中不会变
形、破损，声测管材料的温度系数应与混凝土接近，声测管
超声波的基本知识
如果物体或者质点做周期性的直线振动，且它离开平 衡位置的距离与时间的关系可以用正弦函数或余弦函数来 表示，这就称为简谐振动。
u
u
u A0 cos(t )
§1.1 波的产生与传播
超声波的基本知识
在弹性介质中，任何一个质点机械振动时，因为这 个质点与其邻近的质点间有相互作用的弹性力联系着， 所以它的振动将传递给与之相邻近的质点，使邻近的质 点也同样地发生振动，然后振动又传给下一个质点，依 次类推。这样，振动就由近及远向各个方向以一定速度 传播出去，从而形成了机械波和波的传播。 从上述可知，机械波的产生，首先要有做机械振动的 波（声）源，其次要有传播这种机械振动的介质。例如， 把石子投入平静的水中，在水面上可以看到一圈圈向外 扩展的水波。
则两两组合形成的检测剖面越多，声波对桩身混凝土的 有效检测范围更大、更细致，但需消耗更多的人力、物 力，增加成本；减小声测管数量虽然可以缩减成本，但 同时也减小了声波对桩身混凝土的有效检测范围，降低 了检测精度和可靠性。

§2.4
1 4 2 3
声测管
建筑JGJ106-2014规范要求
中南大学
雪飞胜
目录
1 2 3 4 5 6

超声波的基本知识
超声波检测系统 超声波检测技术 常见特殊情况的判定和处理 检测数据分析及判断 工程应用实例
1

超声波的基本知识
§1.1 超声波的基本知识 §1.2 超声波基本参数
§1.1
超声波的基本知识
§1.1 超声波的基本知识

§2.2
超声波换能器
建筑规范(JGJ 106 2014)对传感器的技术要求
圆柱状径向振动，沿径向无指向性 外径小于声测管内径，有效工作段长度不大于
150mm
谐振频率为30～60kHz
水密性满足1MPa水压不渗水

§2.3
系统声时校正
§2.3 系统零时校正
§1.1
超声波的基本知识
2. 横波：质点运动方向垂直于波的传播方向。S
目前超声脉冲技术中在岩土工程及需要测试介质结构、声学参数 中应用横波。

§1.1
超声波的基本知识
3. 表面波：
固体介质表面受到交替变化的表面张力作用，介质 表面质点发生相应的纵向振动和横向振动，结果使质 点做这两种振动的合成运动，即绕其平衡位置作椭圆 运动，该质点的运动又波及相邻质点，而在介质表面 传播，这种波称为表面波，又称R波。
次声波
频率范围
0～2×101 Hz
可闻声波
超声波 特超声波
2×101～2×104 Hz
2×104～1010 Hz >1010Hz
用于混凝土声波透射法检测的声波主频率一般为2×104～2.5×105 Hz. 在超声波检测中，50kHz频率的探头可获得相对最佳分辨率
§1.2
超声波基本参数
超声波在介质中传播可检测到的参数： 1、声速 超声波传播的速度
§1.2
超声波基本参数
2、声幅：反映材料衰减特性的参数
声波在介质中传播过程中其振幅将随传播距离的
增大而逐渐减小的现象为衰减。 声波衰减的大小及其变化不仅取决于所使用的超 声频率及传播距离，也取决于被检测材料的内部结构 及性能。因此研究声波在介质中的衰减情况将有助于
探测介质的内部结构及性能。

简谐振动--- 振动---波---超声波
振动：质点运动的往复机械运动，周期性，持续性，内源性。 （震动：非周期性，瞬时性，外源性） 波动：不同质点间机械运动（能量）状态的传播过程
1. 波动的物理实质是（能量）状态的一种传递形式。
2. 超声波是弹性介质中的一种机械（应力）波。
3. 波动是振动的传播过程，振动是波动的根源。
零时校正的由来
发射机的延迟 发射换能器的延迟 接收换能器的延迟

§2.3
系统声时校正
电延迟时间:发出触发电脉冲并开始计时的瞬间到电
脉冲开始作用到压电体的时刻,电路的触发、转换。 电声转换时间：电脉冲加到压电体瞬间到产生振动 发出声波瞬间有电声转换的延迟。

§2.3 时距法测定空气中声速(数据处理)
系统声时校正

§2.3 径向换能器测定水中声速与校零值
系统声时校正
换能器收轴线平行
置于清水中同一水平高度 数据处理类似于空气中的测试

§2.3 径向换能器空气中测定校零值