2018超声波透射检测技术及数据分析、案例分析

具有自动记录声波发射与接收换能器位置功能。
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2.2 超声波换能器
（1）常见的超声波换能器类型
（2）换能器的选择 （3）规范对声波换能器的要求
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2.2 超声波换能器
（1）常见的超声波换能器类型
平面型（高频）
朗之万型（低频）
径向增压型
一发双收
用于混凝土声波透射法检测的声波主频率一般为 20KHz～200KHz
1.超声波的基本知识
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
2、声幅
3、声频
超声波的波幅
超声波的频率
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1.1
声速：混凝土检测中最常用的参数
声速
固体介质中声波的波速取决于波动方程模型和
介质的弹性常数，而波动方程模型则取决于波的类
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2.1
超声波仪
（3）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，记录长度） 读取参数（声时，声幅）
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2.1
（4）智能化超声仪应具备的特点
超声波仪
自动采用适当的放大倍数
自动判读参数（声时，声幅，频率等）
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2.3
声测管
（1）声测管的埋设要求（JTG/T F81-01 2004）
800mm＜桩径D ≤1500mm时，埋设三根声测管 1500mm ＜桩径D时，埋设四根声测管
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2.3
（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，声测管外壁与 混凝土粘结良好，不产生剥离缝，影响测试结果。
灵活高效的显示与记录方式
实时快速的现场分析功能 方便的数据管理（原始数据与结果） 兼顾通用性与专用性 友好的界面
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2.1
超声波仪
（5）规范对超声波仪的技术要求（TB10218-2008）
具有实时显示和记录接受信号的时程曲线以及频谱分 析功能。 声时显示范围大于2000μ s，精度优于或等于0.5μ s。 声波发射脉冲宜为阶跃或矩形脉冲，电压幅值不小于 500V。 系统频带频带为5-200kHz。 声波幅值测量范围不小于80dB，声时声幅测量相对 误差小于5%。 系统最大动态范围不小于100dB。 采集器模-数转换精度不应低于12bit，采样间距应小 于1μ s，采用长度不应小于1024点。
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。
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2.3
声测管
（1）声测管的埋设要求（JGJ106-2014）
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）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
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2.3
（1）声测管的埋设要求
声测管
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，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
2.1
检测仪应具有一发双收功能
超声波仪
（5）规范对超声波仪的技术要求（JTG/T F81-01 2004）
声波发射应该采用高压阶跃或矩形脉冲 接收放大器的频带为5-200kHz 增益不应小于100dB,波幅测量范围80dB 计时显示范围大于2000μ s，精度优于0.5μ s 采集器模-数转换精度不应低于8bit 采集频率不应小于10MHz 最大采集长度不应低于32k
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2
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超声波检测系统
2.1 2.2 2.3 超声波仪 换能器 声测管
2.1
超声波仪
（1）超声仪的发展 （2）数字超声波仪的组成 （3）超声仪的基本功能
（4）智能化超声仪应具备的特点
（5）各规范对超声波仪器的要求
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2.1
超声波仪
使声波能量散射而衰减。
14
1.2
扩散衰减：
声幅
通常这类衰减主要源于声波传播过程中，因波阵面的 面积扩大，导致波阵面上的能流密度减弱。 扩散衰减的大小主要取决于声源辐射器的扩散性能及
波的几何形状，而与传播介质的性质无关。
1.3
声频
频率：反映超声波强度正负交变快慢的参数
① 影响材料的吸收特性 ② 影响材料的频散特性 ③ 影响材料的尺寸效应
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2.2 超声波换能器
（2）换能器的选择
混凝土灌注桩跨孔超声法检测中采用的是径向换能器
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2.2 超声波换能器
（3）规范对传感器的要求（JTG/T F81-01 2004）
径向水平面无指向性
谐振频率宜大于 25kHz 水密性满足 1MPa 水压能正常工作 导线有长度标志，标注允许偏差 <10mm 宜带有 5-60kHz 的前置放大器
② 在薄板(板厚远小于波长)中纵波声速
vP2 E



1 1 2

③ 在细长杆(横向尺寸远小于波长)中纵波波速
vP1
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E

1.2
声幅：反映材料衰减特性的参数
声幅的实用单位（dB )的含义：
声幅
ai ( j) Api ( j ) 20 lg a0
A pi ( j ) — 第 i 个测点的相对波幅值（dB） A i ( j ) — 第 i 个测点首波峰值（V）
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2.2 超声波换能器
（3）规范对传感器的要求(JGJ 106-2014)
圆柱状径向振动，沿径向振动无指向性 外径小于声测管内径，有效工作段长度不大150mm 谐振频率为30～60kHz 水密性满足1MPa水压不渗水
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2.3
声测管
（1）声测管的埋设数量要求
性特征愈强（E 或 G 愈大），则波速愈高。 ③ 边界条件：实际上就是固体介质的横向尺寸（垂直 于波的传播方向上的几何尺寸）与波长的比值，比值越大， 传播速度越快。
1.1
纵波波速：
① 在无限大固体介质中传播的纵波声速
vP3 E 1 1 1 2
声速

式中 E——介质弹性模量；μ——介质泊松比；ρ——介质密度。
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2.1
（5）规范对超声波仪的技术要求（JGJ 106-2014）
超声波仪
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5～200kHz，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。
a0
—
基准幅值，也就是0dB对应的幅值（V）
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1.2
声幅
声波在介质中传播时其声幅随传播距离的增大而逐渐 减小的现象为衰减。
声波的衰减与声波的频率及传播距离有关，也与被检
测材料的内部结构及性能有关。 通过研究声波在介质中的衰减情况,可以达到探测介质 的内部结构及性能的目的。
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超声波仪是混凝土灌注桩缺陷检测的基本装置。 它的作用是产生重复的电脉冲并激励发射换能器。发 射换能器发射的超声波经耦合进入混凝土，在混凝土
中传播后被接收换能器接收并转换为电信号，电信号
送至超声仪，仪器绘制并记录下波形。
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2.1
（1）超声仪的发展
超声波仪
模拟机：第一代 20世纪50年代出现了电子管声波仪，主要是国外的 1964年同济大学研制出我国第一台超声仪。 70年代后期，国内一些单位又研制出一批晶体管分离元 件的超声仪。代表仪器：CTS一25型和SYC一2型超声仪
2.2 超声波换能器
夹心式平面换能器
圆环式径向换能器
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2.2 超声波换能器
单孔检测采用一发双收一体型换能器，其发射换能 器至接收换能器的最近距离不应小于300mm，两接
收换能器的间距宜为200mm。
一发双收换能器
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2.2 超声波换能器
（2）换能器的选择（频率）
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2.2 超声波换能器
平面型（高频）换能器原理
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2.2 超声波换能器
朗芝万型（低频）换能器原理
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2.2 超声波换能器
1—引出电缆, 2—压电圆环，3—下锥体，4—扶正器，5—前置放大器
圆环式径向换能器原理
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1.2
声幅衰减可分为以下三种类型
( 1 ) 材料的粘滞性质（吸收衰减） ( 2 ) 材料的结构特性（散射衰减） ( 3 ) 材料的几何特性（扩散衰减）
声幅
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1.2
吸收衰减：
声幅
声波在固体介质中传播时，部分声能会转化为热能等。 一般认为：吸收衰减系数α 1 与声波频率的一次方、二次方 成正比。 内摩擦导致的吸收衰减系数：
第三代
在数字化超声仪的基础上为提高基桩透射法的工 作效率和测试精度，增加了深度自动记录的功能。
代表仪器：RSM-SY6 ZBL-520A RS-ST01（C）
基桩多跨孔超声波自动循测仪 第四代
实现了多通道自发自收设计，可以一次提升同时 完成四管六剖面的测试工作，又将检测效率提高六倍， 大幅降低了现场检测强度。 代表仪器：RSM-SY7、RSM-SY7W RS-ST06D
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2.2 超声波换能器
（3）规范对传感器的要求（TB10218-2008）
圆柱状径向振动，沿径向无指向性。 谐振频率宜为30-60kHz。
水密性满足 1MPa 水压能正常工作。
导线有长度标志，标注允许偏差 不应大于10mm。
当接收信号较弱时，宜选用带前置放大器的换能器。
1 a f b1 f
2
1.2
散射衰减：
声幅
因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振源，向四周发射声波，
数字机：第二代 1990年，天津建筑仪器厂首先研制成功了我国第一台数 字化的超声仪。这种超声仪受数字采集与传输速度等方面 的限制，无法实时动态显示波形。 从90年代中科院武汉岩土力学研究所生产的RSM-SY5声 波仪问世。
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2.1
（1）超声仪的发展
超声波仪
基桩超声波自动测桩仪
声波是在介质中传播的机械波，按频率的不同可分 为次声波、可闻声波、超声波、特超声波。 人类可听到的声波（即可闻声波）频率范围是20HZ～ 20KHz。
超声波人耳听不见、频率范围在20KHz ～100MHz。
1.超声波的基本知识
名称 次声波 可闻声波 超声波 特超声波 频率范围 0～2×101 Hz 2×101～2×104 Hz 2×104～1010 Hz >1010Hz
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2.1
超声波仪
无线化发展
WWWBaidu NhomakorabeaWHRSM.COM
2.1
超声波仪
声波CT检测仪可三维旋转查看缺陷形状及分布范围
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2.1
超声波仪
（2）数字超声仪的组成
计算机部分（控制，存储，显示） 高压发射与控制部分 程控放大与衰减部分 A/D转换与采集部分
超声波检测技术
2018.04 南昌
提纲
1. 超声波的基本知识
2. 超声波检测系统 3. 超声波检测技术 4. 常见特殊情况的判定和处理 5. 检测数据分析及判断 6. 工程应用实例
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1
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超声波基础知识
1.1 1.2 1.3 声速 声幅 频率
1.超声波的基本知识
型和介质的边界条件。因此，声波在固体介质中的 传播速度主要受下列三方面因素的影响： 波的类型、介质的性质、边界条件
1.1
声速
① 波的类型：由于不同类型的波在固体介质中的传播 机理不同，也就导致了传播速度的差异。 ② 介质的性质：对于弹性介质，主要取决于它的密度、
弹性模量、泊松比。这是影响波速的内在因素，介质的弹