声波探测实验

超声波检测试验

1 超声波检测原理

超声波检测技术是近年来发展非常迅速的一项新技术，它在岩土体的检测中也得到了广泛地应用。它在岩土体检测中应用的基本原理是用人工的方法在岩土介质和结构中激发一定频率的弹性波，这种弹性波以各种形式在材料和结构内部传播并由接收仪器接收。由于介质的弹性模量、泊松比与介质的波速直接相关，而介质内的应力、应变、强度等物理力学参数与介质的弹性模量、泊松比有关，所以可以通过分析研究接收和记录下来的波动信号来评估岩土介质和结构的物理力学参数，了解它们的内部缺陷。由于超声波检测与其它检测方法相比具有轻便、灵活、可以大范围检测等一系列优点，因而在水利、矿业、交通、铁道、市政等地下工程中得到广泛地应用。

1.1 超声脉冲穿透法检测原理

室内超声波检测采用超声脉冲穿透法（又叫透射法），它是将发射探头和接收探头分别置于试样的两个相对面上，根据接收探头接收的超声波来评价试样的声学特性。我们室内检测采用的超声波检测仪是中国科学院武汉岩土力学研究所研制的RSM-SY5型智能超声波检测仪，检测方法如图1所示。超声波在试样中传播的波速可以通过穿过试样的波形（如图2所示）来计算。从图2的波形可以通过超声波的起跳点来确定超声波在试样中传播的时间T

?（单位为μs）。设试样的长度为L（单位为mm），则超声波的波速V（单位为m/s）为：

T L

V

??

=

1000

图1室内超声波检测示意图

起跳点

图2 检测波形

1.2 一发双收检测原理

一发双收换能器由一个发射换能器和两个接收换能器组成，发射换能器位于上端，接收

为实测距离，该间距换能器位于下端，三者的相对位置固定。以两个接收换能器的间距L

的大小取决于对被测对象要求研究的详细程度，而不象“单发单收”那样受限制。但发射换能器和第一个接收换能器之间的距离则仍遵循“单发单收”法的要求。

从发射换能器发射出的超声波，通过井液，产生沿井壁滑行的折射波，在到达各接收换

能器时被接收换能器接收。两个接收换能器接收的超声波的时间差为T ?，则超声波穿透井壁岩土体的纵波波速可由下式求得：

T

L

V p ??=

2 试验仪器

2.1 超声波检测仪

超声波检测仪是超声波检测系统最重要的组成部分，它由发射系统和接收系统两部分组成。发射系统是一个声源讯号发射器，它由方波发生器、断续振荡器、前置放大器、功率放大器和阻抗变换器所组成，其主要作用就是用来产生电振荡。接收系统由接收放大器、时标电路、同步分离电路、锯齿波扫描电路、发射延时及脉冲发射电路、稳压和整流器等组成，其主要作用是将换能器接收到的电信号加以放大并显示。试验使用的超声波检测仪是中国科学院武汉岩土力学研究所研制的RSM —SY5型智能超声波检测仪。仪器有多种触发方式， 可连续采样。仪器可自动记录波形、声时等参数，可对波形进行压缩、放大、分析等多种操作。仪器外形如图4所示。

图4 仪器外形

仪器的主要技术性能如下：

（1）前置程控放大器。增益：1/10、1/5、1/2、1、2、5、10、100、200、500、1000、5000、10000倍（－20～80db ）定点或浮点放大可程控；带宽：100Hz ～1MHz 。

（2）模拟滤波器。高通：10Hz 、1kHz 、10kHz 、100kHz 四档；低通：1kHz 、10kHz 、100kHz 、1MHz 四档。

（3）触发电路。触发方式：连击状态，外同步（EXT ）、内同步（INT ）；单击状态，信号自同步、键盘触发（适于稳态）；触发电平：20、40、80、160、320、640、1280、2500mV

可选；触发延迟（或前置）：人工预设或按信号初至自动寻找1、2～65536个采样周期。

（4）模－数转换器。采样间隔：0.1～65535μs；幅值分辨率：12位±1/2LSB；每道采样长度：0.5K、1K、2K、4K、8K、16K可选。

（5）声波发射电路。发射电压：500伏/1000伏可选；发射脉宽：0.1、0.2、…10、20…（μs）；同步信号输出：TTL电平负脉冲，有以控制外置振源。

（6）串行通讯口：标准RS—232，波特率57600bps/19200bps可选。

（7）电源电压：～220伏AC或＋12伏DC交直流两用。

（8）工作温度：－10℃～＋40℃。

3试验的注意事项

3. 1 校零

读取试样的波速时必须扣除检测系统造成的延时，这样才能得到准确的波速值，这种扣除检测系统延时，得到准确波速的过程称为校零。由于检测系统延时受很多因素的影响（如温度，电压等），所以在每次启动仪器采集记录信号之前必须进行仪器的校零。RSM—SY5型智能超声波检测仪推荐的校零方法是用标准试棒的波形来进行校零。由于试验条件所限，我们就通过测定两个直接接触探头的波形来进行校零（如图5）。用这种方法来进行校零比较简便，也符合仪器的操作要求。

延时

图5 仪器的校零

表1是一些试样进行校零和未进行校零时所测纵波波速的对比。从表中可以发现：纵波波速越高，未进行校零时测得的纵波波速误差越大。所以在每次启动仪器采集记录信号之前必须对仪器进行校零。

表1 部分试样纵波波速对比表

3.2 起跳点的判断

准确判读出纵横波的起跳点，是超声波检测工作中一个非常重要的环节。如果不能准确判断起跳点，就无法准确判断试样的波速。

在弹性波（超声波）的典型波形中（如图6所示]，最先到达的初至波是频率较高、振幅较小、衰减迅速的纵波（P波），随之而来的是频率较低、振幅不断增大的横波（S波），之后才是其它类型的续至波。但是在实际检测工作中，由于各种各样的原因，接收到的波形常常较典型的波形要复杂得多。一般说来，初至纵波最先到达，其判别比较容易，而横波是后来才到达，常受其它波的干扰，较难识别（如图7所示）。

图6 弹性介质中的典型声波波形

所谓纵横波的识别问题，实质上是如何识别横波的问题。当P波和S波虽存在干涉现象，但总的波形仍与典型的波形相近时，观测者仍可以从“干涉点”细心地分辨出S波的起跳点。以干涉点判断时，还可借助于纵横波的波速比值（V p/V s）来帮助判读。注浆固结体纵横波波

速比值一般在2~3之间。如果V p与V s的比值不在这个范围内时，那就极有可能是误判。

在纵波没有受到充分压制，横波没有得到充分增强的情况下，利用“干涉点”来判断横波起跳点是非常不容易的。要提高判断横波起跳点的准确性，可以采取以下措施：

1、横波波形呈纺锤形，可以用来识别横波，如图6。

2、纵波的振幅较小，而横波的振幅较大。

3、调节检测仪的检测参数（如减小增益，增加采样点等）或对试样进行适当加压来尽量压制纵波振幅，增加横波振幅。

4、由于横波有方向性，当发射探头和接收探头的相对方向改变时，接收到的横波首波方向也会改变，所以可以通过改变发射探头和接收探头相对方向的方法来帮助识别横波。我们采取的方法是先将发、接两换能器的引线正向检测，然后再反向检测。如首波方向相反，则这便是横波到达的标志，如图8。

图7 较难判断起跳点的横波波形

3.3 耦合剂的选择和使用

如果被测试样表面粗糙不平，当探头与之接触时，不论压得多紧，两者之间仍会有空气层。由于超声波在该层迅速衰减而难以接收到超声波，所以在探头与试样端面之间未紧密接触的空间要用另一中间介质填补来实现耦合，以达到提高传声效果、减少声能损失的目的。这种中间介质通常称为“耦合剂”。

纵波是压缩波，它可以在液体、气体和固体中传播，所以纵波的耦合相对简单，可用黄油、凡士林、浆糊、水等作为耦合剂。纵波的耦合剂一般应具有下列性能[3][21]：

1、在实际检测中能提供可靠的声耦合；

2、使被检测物体的表面与换能器表面之间湿润，消除两者之间的空气；

3、使用方便；

4、耦合剂不会很快地从表面流溢；

5、提供合适的润滑，使换能器在被检测物体的表面易于移动；

6、耦合剂应是均匀的，不含有固体颗粒和气泡；

7、避免污染（如铅和硫），没有腐蚀性、毒性或危害，也不易燃烧；

8、在检测条件下，不易冻结和汽化；

9、检测结束后易于擦除或干燥。

室内超声波检测纵波的试验采用浆糊作为耦合剂，室外单孔超声波检测试验采用水作为耦合剂。

横波是剪切波，它不可能在液体和气体中传播，所以用水、黄油、凡士林等液体或乳状物作为横波的耦合剂是不可能检测到横波的。因此，横波的耦合与纵波的耦合截然不同，横波耦合应采用固体耦合材料，且要有较好的韧性，以使被检测物体与横波换能器能大面积接触并可以适当加压。横波传统的耦合方法是用水扬酸苯酯做耦合材料，但水扬酸苯酯有毒，对试验条件要求较高。室内超声波检测横波的试验中采用了锡箔作为耦合剂。锡箔耦合具有以下特点[2]：

1、有压制纵波的能力，可以进一步有效地提高横、纵波幅比；

2、可实现快速检测，安装方便；

3、能保证多次耦合的一致性；

4、无油污，不污染环境。

耦合的好坏除了与耦合剂有关外，与耦合的操作和被检测物表面的光洁度也有关系。所有在进行耦合前，应先擦干净被检测物体，避免有硬渣。对试样也需要进行打磨，使试样被测表面尽量光洁。