超声波测试

D>2000 有效检测区
检测剖面编组：1-2; 1-2, 1-3,2-3; 1-2, 1-3, 1-4, 2-3, 2-4, 3-4;
✓ 平行度（直接影响检测结果的可靠性和试验的成败）
✓ 管材的选择
为了使探头能达到检测部位，必须预留若干检测通道。因此， 在采用超声检测时，必须在灌注混凝土前预埋声测管，混凝土硬化 后无法抽出，该管道即成为桩的一部分，也是声通路的一部分，影 响接收信号的分析。而且它在桩的横截面上的布局，决定了检测的 有效面积和探头提拉次数。所以声测管的预埋是影响检测方式和信 号分析判断的基本问题。
声波透射法检测技术
基本概念
声波检测一般是以人为激励的方式向介质（被测对象）发射声 波，在一定距离上接收经介质物理特性调制的声波（反射波、透射 波或散射波），通过观测和分析声波在介质中传播时声学参数和波 形的变化，对被测对象的宏观缺陷、几何特征、组织结构、力学性 质进行推断和表征。
声波透射检测技术则是以穿透介质的透射声波为测试和研究对象的。 而我们所要研究的对象是大直径的灌注桩。
用于混凝土声波透射法检测的声波主频率一般为2×104 ～2.5×105Hz
声波在固体介质中传播速度的影响因素：
✓ 波的类型； ✓ 介质的性质； ✓ 边界条件。
二、描述声波的基本物理量
❖ 声压 ❖ 声强 ❖ 声阻抗 ❖ 辐射声场的指向性 (指声源发射响应的幅值随方位角的 变化而变化的特性)
声压比
声测管材质的选择应考虑声能损失和安装定位的。
根据计算和试验，采用钢管时，双孔测量的声能通过率只有0.5%， 塑料管则为42%，可见采用塑料管时接收信号比采用钢管时强。但由于 在地下水泥水发热不易发散，而塑料温度变形系数较大，当混凝土硬 化后塑料管因温度下降而产生纵向和径向收缩，致使混凝土与塑料管 局部脱开，容易造成误判。
接收波频率一般以首波的第一个周期为准（现场直接在示波 器读出，或用频谱分析得到）
➢ 波形
当砼内存在不同的缺陷时，由于声脉冲在缺陷界面处的反射 折射等，形成波线不同波束，这些波束由于传播路径不同，或由于 界面上产生波形转换等原因，使用得接收的声时不同，接收波成为 许多同相位或不同相位波束的叠加，导致波形畸变；
特点（优点）：
✓ 检测全面、细致（声波检测的范围可覆盖全桩长的各个横截 面）；信息量相当丰富，结果准确可靠；
✓ 不受桩长、长径比的限制，一般也不受场地条件限制。
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第一部分 基本理论 一、声波类别及对应的频率范围
名
称
次声波
可闻声波
超声波
特超声波
频率范围 0～10Hz 2×10～2×104Hz 2×104 ～1010Hz >1010Hz
判定砼质量的几种声学参数的比较：
• 声速：较稳定，重复性好，受非缺陷因素小，同一根桩的不同 剖面、同一工程的不同桩之间可以比较；但对缺陷的敏感度不及波 幅。 • 波幅（首波幅值）对缺陷很敏感，判定缺陷的重要参数；但它 受仪器系统性能、换能器耦合状况、测距等因素影响，不稳定，只 能用于同一测点的比较，在同一桩的不同剖面或不同桩之间没有可 比性。
• 主频的变化可反映砼的质量好坏，但它受测距、仪器设备状态 等非缺陷因素的影响，因互只用于同一剖面内各测点的相对比较， 在不同剖面或不同桩之间不具可比性，不太稳定，一般作为声速、 波幅的辅助判断。 • 接收波形对砼内部缺陷较敏感，现场检测时，除了逐点读取首 波的声时、波幅外，还应密切观察接收波的形态，它反映了接、收 换能器之间声波在砼各种声波传播路径上的总体能量。
试验证明，钢管的界面损失虽然较大，但仍有足够大的接收信号， 而且安装方便，可代部分钢筋截面，还可作为以后桩底压浆的通道， 所以采用钢管作声测管是合适的。
塑料管的声能透过率较高，如能保证它与混凝土良好粘结的前提
下，效果更佳。
注意事项：
• 声测管底端及接头应严格密封，保证管外泥浆在1MPa压力下不会渗入 管内，且上端应加盖。 • 声测管可焊接或绑扎在钢筋笼的内侧，检测管之间应互相平行。 • 在检测管内应注满清水。 • 现场检测前应测定声波检测仪发射至接收系统的延迟时间
（二）声学参数的现场检测
➢声速
根据测距和声时来计算，因此声速的测度精度取决于测距与 声时的测量精度。
测距即是声测管外壁间的距离，一般用卷尺在桩顶面度量， 这个测量值代表了整个测试剖面内各测点的测距。
因此，声测管的平行度对声速测试的影响相当大。
➢声时 声时：在被测介质中传播一定声距所需的时间。 １． 手动测读
➢ 20世纪50年代：电子管声波仪（USA 的UCT，第一代） ➢ 20世纪60年代至70年代：晶体管集成电路声波仪（英国的PUNDIT， 第二代） ➢ 80年代：数字式声波仪（CTS-35第三代） ➢ 90年代：智能型数字式声波仪（第四代，U-Sonic）
《超声法检测混凝土缺陷技术规程》（CS21:2000）
基本方法： 基桩成孔后，在灌注混凝土之前，在桩内预埋若干根声测管
作为声波发射和接收换能器的上下通道，在桩身混凝土满足养护 期后，用声波检测仪沿桩的纵轴方向以一定的间距逐点检测声波 穿过桩身截面的声学参数，能过对检测数据进行分析、处理和判 断，确定桩身混凝土缺陷的位置、范围、程度，从而推断桩身混 凝土的连续性、完整性和均匀性，评定桩身完整性等级。
二、砼的声学参数及检测
检测中常用的声学参数包括：声速、波幅、频率、波形。
（一）声学参数与砼质量的关系
➢声速 影响声速的因素： 砼的强度
砼原材料性质及配合比； 龄期 温、湿度等更化环境 施工工艺
砼内部的缺陷
➢波幅 波幅是表征声波空过砼之后能量衰减的指标之一。与砼的粘
塑性有关，波幅越低，衰减越大。
当砼中存在低强度区、离析区以及存在夹泥、蜂窝等缺陷时， 吸收衰减和散射衰减增大，使接收波波幅明显下降。
由于径向换能器在纵向 测面内具有指向性，发、 接收连线与水平线角度 不能太大
✓ 局部缺陷
在平测中发现某测点处有异常（实线表示），进行斜测，在多条斜测线中， 如果仅有一条测线（实线）测值异常，其余皆正常，则可以判定，这只是一个局 部的缺陷。
✓ 缩颈
若在平测中发现某些测点处有异常（实线表示），进行斜测。如果斜线中仅 在通过异常平测点发收处的实测值异常，而穿过两声测管连线中间部位的测线正 常，则可判定桩的中心部位是正常的，缺陷应出现在桩的边缘，即在声测管附近， 可能为缩颈。
20
100~300
50
20
300~500
30~50
30
>500
20
50
第三部分 现场检测技术
一、超声波检测砼灌注桩的几种方式
根据声波换能器通道在桩体中不同的布置方式，分为：
（一）桩内跨孔法或双孔法： 发射探头和接收探头分别置于两根（或两根以上）管道中，超
声脉冲穿过两管道之间的混凝土，超声波束从发射探头到接收探头 所扫过的范围为有效测试面积。因此，必须使声测管的布置合理。
２． 自动测读
➢波幅
表示首波信号能量的大小。
一般用分贝（dB）表示法，将测点首波信号峰值与某一固定 信号量值的比值取对数后的量值作为该测点波幅的分贝值。
➢频率 周期法（模拟式声波仪）：
频谱分析法（数字式声波仪）
三、现场检测 （一）声测管的埋设要求
✓ 平面布局
D<=800 盲区
800<D<=2000
波幅可直接在接收波上观察测量，一般只测量首波（即接收 信号的前半个周期）的波幅为准。
波幅与砼的质量密切相关，它对缺陷区的反应比声时更为敏 感，是判断缺陷的重要参数。
➢ 接收频率 脉冲声波是复频波，具有多种频率成份；
在砼中各种频率成分的衰减程度不同，高频衰减比低频快， 导致频漂；
接收波主频实质上是砼衰减作用的一个表征量；缺陷越大， 由于衰减严重，主频也会明显降低；
接收波形的畸变程度可作为缺陷程度的参考依据。
声波穿过正常砼后的接收波形特征：
• 首波陡峭，振幅大； • 第一周波的后半周即达到较高振幅，包络线呈半园形； • 第一个周期的波形无畸变。
声波穿过有缺陷的砼后的接收波形特征：
• 首波平缓，振幅小； • 第一周波的后半周甚至第二个周期，幅度增加仍不 够，接收波形的包络线呈喇叭形； • 第一、二个周期的波形有畸变。
（三）桩外孔透射法 当上部结构已施工，在桩内无法检测时，可在桩外的土层中钻一孔
，埋入套管作为检测通道。强功率的低频发射探头，超声脉冲沿桩身向 下传播，增压式接收探头从桩孔中慢慢放下，超声脉冲沿桩身并穿过桩 与测孔之间的土进入接收换能器，逐段测读各物理量，即可作为分析桩 身质量的依据。同于超声脉冲在混凝土及土层中的衰减现象，这种方法 的可检深度受仪器穿透能力的限制。
CS97系统
换能器
二、声波换能器
功能：
发射换能器——实现电能到声能的转换 接收换能器——实现声能到电能的转换
工作原理：
电磁法 静电法 磁致伸缩法 ✓ 压电伸缩法
换能器频率选择
测距（cm） 换能器频率（kHz） 最小横截面尺寸（cm）
10~20
100~200
10
20~100
50~100
四、砼声波透射法检测中使用的声波
脉冲声波的特点：
❖ 每次发射的持续时间短、重复间断发射 ❖ 复频特性
脉冲声波在介质中的传播特征
❖ 频散（不同频率的波在介质中传播时，具有不同的传播 速度，一般高频快、低频慢，这种现象。频散必然导致声脉 冲在介质中传播时，与传播距离俱增的畸变） ❖ 频漂（由于各种频率成份的衰减量不同，频率高的成分 比频率低的成分误减大，脉冲频谱将发生变化，主频将向低 频端漂移，造成波形畸变）
（二）测试方法步骤
❖ 平测普查：
１．将多根声测管以两根为一个检测剖面进行全组合，并按顺时针方向进行 剖面编码；
２．将发、接换能器分别置于某一剖面的二声测管中，并放至桩的底部，保 持相同的标高；
３．自下而上将发、接换能器以相同的步长（一般不宜大于250mm）向上提 升。每提升一次，进行一次测试，实时显示和记录测点的声波信号的时程曲线， 读取声时、首波幅和周期值（模拟式）或显示频谱曲线和主频值（数字式）；
４．在同一桩的各检测剖面的检测过程中，声波发射电压和仪器设置参数应 保持不变，从而使测得的数据有可比性。
平测普查
❖ 对可疑测点的细测（加密平测、斜测、扇形扫测）
根据声时、波幅及主频待等声学参数，找出可疑测点；
加密平测：换能器提升步长为10-20cm，确定异常部位的纵向范围；
斜 测：
让发、接收换能器保持一定的高程差，在声测管内以相同步长同步升降测试， 而不是象在平测那样将发、接收换能器在检测过程中始终保持相同的高程。（单 向斜测、交叉斜测）
（二）桩内单孔透射法 钻孔取芯后形成一个检测孔道，采用单孔测量。超声波从水中及混
凝土中分别绕射到接收探头，所得到的接收信号为水及混凝土中传播而 来的信号叠加，分析这一叠加信号，并测出不同声通路的声时、波高、 频率等物理量，即可分析孔道周围混凝土（8-10cm）的质量情况。
用这一方式进行检测时，必须进行波形分析，排除管中的混响干扰 ，测量较为困难，而且检测有效范围不大，当孔中有钢质套管时，则不 能用单孔测量。
声脉冲主频的漂移程度，也是介质对声波衰减作用的一个表征
五、声波信号的频域分析
频散 频漂
主频的变化
主频的漂移程度或 者主频变化程度
频域分析
介质对声 脉冲的衰
减
介质的粘塑性 与内部结构状
况
第二部分 仪器设备 一、声波仪的功能与发展概况
向待测的结构混凝土中发射声波脉冲，使其穿过混凝土，然后接收 穿过混凝土的脉冲信号。记录下声脉冲穿过混凝土所需的时间、接收信 号的波形、振幅等。
三、声波在混凝土中传播特点
❖ 声波能量衰减大（异常界面，散射损失） ❖ 指向性差（波长大、反射波折射波的干涉叠加造成漫射声能） ❖ 传播路径复杂（较大缺陷，并非直线传播） ❖ 经砼介质特性调制后声波的构成复杂（一次声场与二次声场 的叠加，波形会产生畸变）
传播过程复杂，砼内部的缺陷、粗骨料与水泥砂浆构 成的声学界面的数量和空间分布也是随机的、多样的，很 难找到合适的力学模型去模拟，目前，只能停留在定性的 分析水平之上。但是了解声波在砼中传播的特点，是利用 声波进行砼质量检测的基础。
声波发射系统向被 测介质发射声波
声波在介质（被测介质） 中传播，介质对声波 进行调制
声波接收系统接收 经介质传播的声波
声波记录和分析系统
依据声学参数和波形的变 化，对介质特性进行工程
解释
❖ 结构混凝土的声学检测始于1949年；目前已成为混凝土无损检 测的重要手段；
❖ 20世纪70年代，声波透射法开始用于检测混凝土灌注桩的完整 性；