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1、超声法检测混凝土缺陷,福建省建筑科学研究院 陈松,一 混凝土无损检测概述,混凝土无损检测技术是以电子学、物理学、计算机技术为基础的测试仪器，直接在材料试体或结构物上，非破损地测量与材料物理、力学、结构质量有关的物理量，藉材料学、应用力学、数理统计和信息分析处理等方法，确定和评价材料和结构的弹性、强度、均匀性与密实度等的一种新兴的测试方法。,一 混凝土无损检测概述,结构混凝土无损检测技术工程应用，主要有结构混凝土的强度、缺陷和损伤的诊断测试，而钢筋的位置、直径和保护层厚度，以及钢结构焊缝质量检测也得到比较广泛的应用，随着新技术的开发，结构水渗漏、气密性和保温性能、钢筋腐蚀程度的检测也日益得到重视
2、。 无损检测技术的应用，已遍及建筑、交通、水利、电力、地矿、铁道等系统的建设工程质量检测与评估，正如国际上权威人士早就预言的“混凝土工程应用无损检测技术程度，是标志着一个国家对结构工程验收和质量检测技术的高低”，正说明了发展无损检测技术的必要性和实际意义。,无损检测技术的特点： 无损于材料、结构的组织和使用性能； 可以直接在试体或结构上，对质量或强度进行重复、全面的检测，弥补了因各种因素影响造成材料试件与结构物质量差别的缺点； 选用不同的方法，检测和判别结构表层和内部的质量或损伤，操作简便、迅速； 随着信息处理技术的发展，有利于实现“在线检测和生产自动化”。,国内外无损检测方法分类(一),国内
3、外无损检测方法分类(二),国内外无损检测方法分类(三),国内外无损检测方法分类(四),国内外无损检测方法分类(五),二 超声波检测基本概念,1 混凝土超声检测技术发展概况 1928年世界上第一台连续波的超声波石材探测仪问世。20世纪30年代初开始有学者尝试进行混凝土中声波传播性质的研究，有的采用金属超声波探伤仪，有的采用敲击产生振动的方法。40年代末50年代初，加拿大、德国和英国的一些学者开创了超声波检测混凝土质量这一新领域。至20世纪70年代末，随着电子技术的发展，超声波检测仪的不断改进和完善，促进了超声波检测技术的发展。,我国自20世纪50年代末60年代初开始超声法检测混凝土质量技术的研究
4、和应用，先后完成了“超声波检测混凝土缺陷”、“超声波检测混凝土强度”、“超声回弹综合法检测混凝土强度”、“超声波检测灌注桩完整性”、“超声波检测钢管混凝土质量”等课题的应用研究，目前都具有相应的技术规程。同时，国产的超声检测仪也达到了国际先进水平，形成了从模拟式的CTS-25(汕头超声仪器公司)到数字式的CTS-45以及智能化的NM系列(北京康科瑞公司)、ZBL-U系列(北京智博联公司)、RSM-SY5(武汉岩海公司)等品种繁多、性能稳定可靠、使用方便的一系列仪器。,值得一提的是，国内的超声检测仪比较注重波型的显示，无论是模拟式还是数字式、智能型的仪器，都具备波型显示、手动游标判读功能。而国外
5、的仪器，基本上都不具备波型显示功能，超声参数均由仪器自动判读，必要的时候可以将显示信号输出到示波器上显示波型，在实际使用中反而不如国产仪器方便。,2 超声波的基本知识,振动与波 超声波是一种机械振动波。当物体中某一个质点突然获得一定能量，在其自身的平衡位置产生往复运动时，机械振动即产生了。由于物体介质的连续性，则这种振动会传递到邻近的质点，并且一个个传递下去，从而使得振动在物体内传播，这就是机械振动波。注意在机械振动波传播过程中，质点本身是不会传播的，传播的仅仅是振动这种运动方式以及能量。,2 超声波的基本知识,波的种类 a 纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波称为纵波。产生于媒质受到拉、
6、压交变力的作用，在固体、液体和气体中均能传播。这是混凝土超声检测中应用最广泛的形式。从形态上看，也叫“疏密波”，即有的质点之间因为振动互相远离(疏)，有的质点直接互相靠近(密)。 b 横波：质点振动方向与波的传播方向垂直的波称为横波。具有切变弹性变形能力的物体，其媒质受到剪切力作用的时候，产生剪切变形，使质点沿切线方向振动而产生横波。只有固体才具有切变弹性变形能力，因此横波只能在固体中传播。,c 表面波：质点的振动方向与波的传播方向具有纵波和横波质点振动的综合特性，固体介质表面质点以纵向和横向两种振动的合成振动，便围绕其平衡位置做椭圆形振动。表面波的振动能量随着深度的增加而迅速减小，故只能沿着
7、固体表面传播。产生在固体介质自由表面的表面波称为瑞利波，瑞利波的最大特点是其波速只与介质的弹性常数有关，与振动频率无关，且属于二维振动的波，在固体表面传输的能量损耗小，传播距离远，可用于检测水下混凝土的表面裂缝情况。 纵波波速最高。,纵波,横波,表面波,波的形式,根据波阵面，波可以分为平面波、球面波和柱面波。 波阵面：振动传播过程中相位相同的所有质点轨迹的集合所形成的面。 波线：振动传播的方向。 波前：在某一瞬间振动传播到最前沿的各质点轨迹形成的面。,a 平面波：波阵面呈平面的波。可以看作是由无限大板状振源或从无限远处的点状振源发出的振动波。例如光线，可以看作平面波。 b 球面波：波阵面呈球面
8、的波。由点状振源发出。对于混凝土质量检测，因振源(换能器)尺寸较小，振动频率不太高，传播距离有限，因此一般都看成球面波。 c 柱面波：波阵面为同轴圆柱面的波。由无限长直棒振源发出的振动波。,波阵面形状不同的波,(a)平面波 (b)球面波(剖面示意图) (c)柱面波 1波线 2波阵面 3波前,振动频率,根据机械波的振动频率，可分为次声波、可闻声波、超声波和特超声波。 a 次声波：振动频率小于10Hz，人耳听不见。一些动物可听见次声波。传播距离远，可应用于声纳导航、海底潜艇声纳探测等等。 b 可闻声波：振动频率10Hz20kHz，人耳理论上能听到的声波。实际上，50Hz以下的低音一般人无法分辨，随
9、着年龄的增大，很多人对于高频声波的听觉也在不断退化。 c 超声波：振动频率在20kHz107kHz。广泛应用于无损检测。混凝土中常用的频率范围是20kHz300kHz，金属探伤的一般为500kHz2MHz。低频超声波常常与可闻声波伴随在一起。 d 特超声波：振动频率超过107kHz。,振动形式,声波振动中，还可根据质点振动的连续与否分为脉冲波和连续波。 a 脉冲波：波在传播过程中，媒质的质点作单个或间歇振动的波。在科研、检测中最常用的一种波，在混凝土超声检测中用的就是脉冲超声波。 b 连续波：波在传播过程中，各个质点均连续不断地振动。当各个质点都作同一频率的连续不断振动时，称为余弦波(也称正弦
10、波或简谐波)。 脉冲波在数学上可以分解为许多不同频率的余弦波，是一种复合波，因此余弦波是超声波研究的数学基础。,3 超声波的物理量,基本量： 速度：超声波单位时间传播的距离，用v表示，单位m/s； 频率：等于超声波传播介质中质点振动的频率，用f表示，单位赫兹Hz； 周期：在超声波传播介质中，相邻两个同相位质点间波传播的时间间隔，用T表示，单位秒s。f和T互为倒数。 波长：振动传播一个周期所走的路程，用表示，单位m; 振幅：质点振动幅度，用A表示。 它们之间有这样的关系：Tv,声场：被声波充满的空间。 声场的状态可用声压、声强、声阻抗等特征量来描述。 声压：声场中某一点在某一瞬间因声波所引起的压
11、强，用p表示，单位是帕斯卡Pa。 p=cv 是介质密度。c是介质质点振动速度，v在声学之中称为声阻抗，用Z表示。 声强：垂直于声波传播方向上的单位面积在单位时间内通过的声波能量。用I表示。,近场区：圆板状声源的声场特性之一。即从声源发射点起，有一个N点，从声源发射点到该点之间声压出现若干个极大值和极小值，这是由于圆板状声源各单元点辐射的声波在轴线互相干涉、叠加的结果，0N的范围称为近场区。超过N点后，声压p随距离的增加而明显减小，称为远场区。N的大小取决于圆板状声源的直径D和声波的波长，它们之间存在如下关系：,由于近场区声压变化很复杂，在实际应用中应避开这一区域。在混凝土超声波检测中，超声波频
12、率不高，波长一般为30mm90mm，声速一般为3.8km/s5.4km/s，换能器的直径为35mm45mm，所以N都在10mm以内，一般不会对检测造成影响。,4 声波在介质中的传播特性,一般把超声波在混凝土中的传播路径看成直线。和其它波类似，声波也会发生干涉、绕射和衍射等等。 声波的干涉：两个频率、波长以及相位相同或相位差恒定的波源称为相干波源，它们产生的波称为相干波，两个相干波在同一介质中相遇时，两个谐振频率叠加，从而产生某些点因为相位相同而振动加强，某些点因为相位相反振动减弱甚至抵消。这种在空间出现固定的最大振幅点和最小振幅点的现象，称为波的干涉现象。,根据惠更斯-菲涅耳原理，平面波在均匀
13、媒质中传播时，在其传播方向上遇到一定尺寸的孔或障碍物时，会出现下列两种情况： 孔或障碍物的尺寸比波长大许多，则声波基本仍沿直线传播，在孔的外侧和障碍物后面没有声波，如图3所示。 当圆孔或障碍物尺寸较小，接近于波长时，在圆孔或障碍物处形成许多子波源，都向圆孔另一侧或障碍物表面发出球面子波，这些子波干涉叠加的结果使得声波局部改变方向通过小孔或绕过小障碍物继续传播，称为声波的绕射现象，如下图所示。,声波遇到大孔洞或大障碍物后的传播,(a)孔径远大于 (b)障碍物远大于,声波的绕射现象,(a)平面波在小孔处的绕射 (b)平面波在小障碍物处的绕射,5 超声波在媒质界面上的传播特性,当声波从一种媒质传播到
14、另一种媒质时，在两种媒质的分界面上，只有一部分声波穿透界面，在另一媒质中继续传播，称之为折射波或透射波；另一部分声波被反射回原媒质称为反射波。穿过界面继续传播的声波，其传播方向、能量及波形等都会发生变化，变化的情况取决于两种媒质的阻抗、声波入射方向等因素。,当超声波垂直于媒质界面入射时，通常在界面产生两部分超声波：一为反射波，一为透射波。当超声波不垂直于媒质界面入射时，则根据入射角度，在界面会产生反射波、折射波，折射波的方向产生改变，服从Snell定律(光学折射定律)。在一定的角度范围内，折射波会分解成折射纵波、折射横波。在特定的角度下，对于入射纵波，会出现一个临界角，使得折射纵波消失，该角度
15、称为第一临界角，这是超声检测中用来获取横波的一种方法。 折射角度的变化与两种媒质的阻抗、入射角度等都有关系。,6 超声波传播过程中的能量衰减,超声波在媒质中传播时，其振幅随传播距离的增大而逐渐减小，这种现象称为衰减。 衰减是限制超声波检测距离的主要因素。当测距较大时，会降低测试灵敏度，增大测试误差。另一方面，可利用衰减大小判断混凝土的质量状况(声波透射法测桩时常用)。 振幅随距离增大而减小的规律可用下式表示：,上式中称为媒质的衰减系数，其度量单位是dB/cm，即单位长度上损耗的分贝数，用声压或振幅表示为：,在实际应用中，可以从仪器上直接读取波幅值，并配合衰减按键进行衰减量的测读。 对于平面波，
16、其衰减主要来源于吸收和散射，对于球面波，除了吸收衰减和散射衰减，还有波束本身的扩散衰减。,吸收衰减：超声波传播过程中，由于媒质的黏滞性，导致质点间产生内摩擦，使一部分声能转换成热能；同时超声波作为机械波，在传播的过程中，是质点(或分子)通过相互作用碰撞来传递能量的，这中间有一个时间过程，称之为“分子驰豫过程”，这两方面的损耗导致了媒质的吸收衰减。吸收衰减随超声波频率提高而增大，与频率的二次方成正比。 超声波在气体和非均质固体中吸收衰减比较大，在液体和均匀固体中吸收衰减较小。,散射衰减：当媒质中存在小尺寸的异物时，当超声波入射到这些异物时，这些异物会形成新的振源向四周发射超声波，这些声波相互干涉、叠加的结果造成超声能量的衰减，称之为散射衰减。由于混凝土是由水泥砂浆、石子等组成的多相堆聚体，其内部结构复杂，既有石子、砂浆等固体颗粒，又有气孔、微裂缝等不连续构造，因此其散射衰减很大。当超声波进入混凝土后，在砂浆中沿直线传播，当遇到石子后，
