声波测试技术原理

2. 声波探测技术
2.1 声波探测仪器设备
声波探测的全过程是声波发射、传播及接收 显示，其相应的仪器有 发射换能器、接收换能器 和声波仪 。
?声波换能器
换能器是声电能量的转换器件，俗称探头。
换能器一般利用 压电陶瓷晶体的压电效应 原理工 作。
?发射换能器 是将声波仪输出的具有一定功率的 电信号转换成声信号发射到物体中，它的工作 原理是利用晶体的 逆压电效应 。
限约束(围压)的杆系结构。在桩顶施加一个初始扰动力 (锤 击一下)，弹性波立即从桩头沿桩身往桩底传播，并满足一 维波动方程。
波的传播速度：
比较纵波速度VP、横波VS和一维波VB。
则有VP>VB>VS A）纵波速度总是大于横波速度; B） 纵波又称P(Primary) 波，意即初至波，因其波速最快； C）横波又称S(Secondary) 波，意即次波，因其波速最小。
?对测孔的要求 孔壁要圆滑、顺直、清洁，孔径大小要适当， 双孔成一组孔联合测试时，要求各孔尽量的相 互平行。
?表面处理 测点处的表面要清理干净，粗糙不平的地方要 打磨平整，如果是不易打平的表面，可以用环 氧胶泥把测点处抹平，硬化后再涂上耦合剂。
?探测频率的选择 为了在测距短、波速较高的情况下保证有较高 的测量精度，则要求有足够高的探测频率，在 岩体破碎、吸收衰减严重时所使用的频率应小 一些。
?接收换能器 是将物体中传播的声信号转换成电 信号，输入到声波仪接收机的输入系统中，其 工作原理是利用晶体的 压电效应。
?压电效应的原理
?如果对压电陶瓷施加压力，它便会产生电位差 （称之为正压电效应）；
?反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效 应）。
?如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电 流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高 频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的 超声波信号。
拉普拉斯算子：
?纵波（P波）：
质点振动方向与波的传播方向一致时称为纵波。 将上式代入拉密方程可得：
可得无限弹性介质中纵波的波动方程：
可得纵波的传播速度：
?横波（S波）：
质点振动方向与波的传播方向垂直时称为横波。 将上式代入拉密方程可得：
可得无限弹性介质中横波的波动方程：
可得横波的传播速度：
?一维波动方程： 对于一根混凝土桩，当L 》D时，可把桩看成是具有侧
超声波探头结构
如图所示，它主要由
压电晶片、吸收块
金属壳
（阻尼块）、保护膜、
引线等组成。
吸收块
保护膜
导电螺杆 接线片
压电晶片
HF-2型平面换能器
?声波仪 声波仪是声波测试的主要仪器设备，它的主要部 件是发射机和接收机，发射机的作用是根据使用 要求向声波测试探头输出一定频率的声脉冲，接 收机的功能是将接收探收到的微量信号放大，并 在示波器上显示或以数字的形式显示。
?剖面法 发射换能器发射纵波通过一定角度入射到介质 中，被转换成表面波，通过对表面波特性的测 定来判断介质的缺陷和树料的性能。若发射换 能器和接收换能器同时放入一个钻孔时，即为 单孔测井。
?测试方法的确定
?测试地点的选择 根据测试目的的不同，应选择测试的地段能代 表某一段的地质情况，测点或测孔应布置在岩 性比较均匀、表面平坦、没有局部断裂破碎的 地方
1.2 弹性波探测的理论
由波速的表达式可知，弹性介质的性质及种 类不同，弹性常数及密度也不同，因此，弹性波 在介质中传播的速度也不同。这样，如用人工 (爆 破、锤击等 )发生弹性波，并设法用接收仪表测定 其波速，则可以用来判别物体的特性及状态 (如坚 硬或松软，裂隙与完整等 )以及混凝土桩基的完整 性和承载力等，这就是工程上经常使用的“弹性 波探测法”的理论依据。
?耦合剂 为了使声波有效地发射到被测介质或结构中， 以及有效地接收到从被测介质或结构中传来的 声波，必须使发射和接收换能器与被测表面有 良好的接触，须对被测表面平整后，用传声性 能良好的耦合剂涂在换能器与被测表面之间， 以紧密地填充换能器与被测表面间的空隙。常 用的耦合剂为机油、黄油或其它油类。
? 5.1.2 声波频率 ? 人对声音的感觉有一定频率范围，大约每秒钟振动20次到20000次 范围内，即频率范围是20Hz--20000Hz； ? 声波借助各种媒介向四面八方传播。如果物体振动频率低于 20Hz 或高于20000Hz人耳就听不到了，高于20000Hz的频率就叫做超声波， 而低于20Hz的频率就叫做次声波。
1. 声波及其物理性质
? 5.1.1 物理学定义 ? 声源体发生振动会引起四周空气振荡，那种振荡方式就是声波。 声以波的形式传播着，我们把它叫做声波； ? 声波借助各种媒介向四面八方传播； ? 除了空气，水、金属、木头、混凝土等也都能够传递声波，它们 都是声波的良好媒介。在真空状态中声波就不能传播了。
1.1 声波的传播规律
?在弹性介质内某一点，由于某种原因而引起初始 扰动或振动时，这一扰动或振动则以波的形式在 弹性介质内传播，形成弹性波。声波是弹性波的 一种，若视岩土和混凝土介质为弹性体，则声波 在岩土和混凝土介质中的传播服从弹性波传播规 律。
?拉密运动方程：
波动方程
拉密系数； 体积应变； 质点的位移； 介质密度。
HF-D型智能超声仪
HF-D型智能超声仪
HTY-C型超声波参数测定仪
混凝土超声波测试仪
2.2 测试技术
?换能器的布置方法 ?穿透法 将声波发射换能器 和接收换能器放置 在介质相对的两个 表面上。
?反射法 换能器向介质发射声波，波动沿发射方向传播 到介质的底面后，被反射回来再由换能器接收， 根据反射波传播的时间和显示的波形来判断介 质内部的缺陷和材料性质的方法，这种方法适 用于介质的另wk.baidu.com面无法安放换能器的情况，在 结构混凝土厚度检测，桩基完整性检测中即采 用反射法。
第七章 声波测试技术
? 声波测试技术是近年来发展非常迅速的一项新技 术。它的基本原理是用人工的方法在结构中激发 一定频率的弹性波，这种弹性波以各种波形在结 构内部传播并由接收仪器接收，通过分析研究接 收和记录下来的波动信号，来确定结构的力学特 性，了解它们的内部缺陷。由于声波测试与其它 材料试验方法相比有轻便、灵活、可以大范围测 试等一系列优点，因而在水利、矿业、交通、房 建、市政等工程中得到广泛的应用。