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v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v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。v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。 v 无损检测技术的特点：v无损于材料、结构的组织和使用性能；v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；v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；v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) 检测 目的常用方法测 试 量基本原理混凝 土强 度回弹法 超声脉冲法 回弹超声综合法 超声衰减综合法 射线法 落球法(脉冲回波法) 钻芯法 拔出法 压痕法 射击法回弹值 超声脉冲传播速度 回弹值 和声速 声速和衰减 吸收或散射强度 振动参数 芯样抗压强度 拉拔强度 压力和压痕直径或深 度 探针射入深度 根据混凝土应力 应变性质与强度 的关系，用弹性 模量或粘塑性指 标推算标准抗压 强度及特征强度 ；根据混凝土密 实度推算强度振 动参数与强度的 关系；局部区域 的抗压、抗拉或 抗冲击强度推算 成标准抗压强度及特征强度。 国内外无损检测方法分类(二) 检测 目的常用方法测 试 量基本原理混凝 土内 部缺 陷超声脉冲法 声时、波高、波形 、频谱、反射回波波的绕射、衰 减、叠加等射线法穿透后的射线强度射线强度记录 或 摄影 脉冲回波法 反射波位置缺陷表面形成反射 波 雷达法 雷达波反射位置缺陷表面形成雷达 反射信号国内外无损检测方法分类(三) 检测 目的常用方法测 试 量基本原理混凝 土受 力历 史和 损伤 程度声发射法声发射信号、事 件记数、幅值分 布、能谱等声发射信号源 定位、声发射 的凯塞效应、 破坏过程的连 续观察 超声脉冲法 声速、衰减国内外无损检测方法分类(四) 检测 目的常用 方法测 试 量基本原理弹性 模量 和粘 塑性 性质 及耐 久性共振法 敲击法 超声法 透气法 固有频率、品质因数 对数衰减率 声速、衰减系数、频 谱 气压变化 振动分析 应力波传播 分析 孔隙渗透性 国内外无损检测方法分类(五)检测 目的常用 方法测 试 量基本原理钢筋 位置 和锈 蚀磁测法 电测法 射线法磁场强度 钢筋的半电池电 位 射线钢筋对磁场的影响 电化学分析 射线摄影 二 超声波检测基本概念v1 混凝土超声检测技术发展概况v1928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。v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。v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v振动与波v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v波的种类va 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、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)。vb 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。vc 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。v纵波波速最高。 纵波横波表面波波的形式v根据波阵面，波可以分为平面波、球面波和 柱面波。v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。v波线：振动传播的方向。v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。va 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。vb 球面波：波阵面呈球面的波。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。vc 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v(a)平面波 (b)球面波(剖面示意图) (c)柱面波v1波线 2波阵面 3波前振动频率v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。va 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。vb 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，随着年 龄的增大，很多人对于高频声波的听觉也在不断退化。vc 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。vd 特超声波：振动频率超过107kHz。振动形式v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。va 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。vb 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(也称正弦波或简谐波)。v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v基本量：v速度：超声波单位时间传播的距离，用v表示，单位m/s；v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；v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。v波长：振动传播一个周期所走的路程，用表示，单位m;v振幅：质点振动幅度，用A表示。v它们之间有这样的关系：Tvv声场：被声波充满的空间。v声场的状态可用声压、声强、声阻抗等特征量来描 述。v声压：声场中某一点在某一瞬间因声波所引起的压 强，用p表示，单位是帕斯卡Pa。vp=cvv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。v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。v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：v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v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 。v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。v根据惠更斯-菲涅耳原理，平面波在均匀媒质中传播 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：v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。v当园孔或障碍物尺寸较小，接近于波长时，在园 孔或障碍物处形成许多子波源，都向园孔另一侧或 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v(a)孔径远大于 (b)障碍物远大于 声波的绕射现象v(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v当声波从一种媒质传播到另一种媒质时，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。v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