2018超声波透射检测技术及数据分析、案例分析

超声波检测技术2018.04南昌提纲超声波的基本知识声波是在介质中传播的机械波，按频率的不同可分为次声波、可闻声波、超声波、特超声波。人类可听到的声波（即可闻声波）频率范围是20HZ～20KHz。超声波人耳听不见、频率范围在20KHz～100MHz。名称频率范围次声波0～2×101Hz可闻声波2×101～2×104Hz超声波2×104～1010Hz特超声波1010Hz用于混凝土声波透射法检测的声波主频率一般为20KHz～200KHz1.超声波的基本知识超声波在介质中传播可检测到的参数：1、声速超声波传播的速度2、声幅超声波的波幅3、声频超声波的频率超声波的基本知识声速：混凝土检测中最常用的参数固体介质中声波的波速取决于波动方程模型和介质的弹性常数，而波动方程模型则取决于波的类型和介质的边界条件。因此，声波在固体介质中的传播速度主要受下列三方面因素的影响：波的类型、介质的性质、边界条件1.1声速①波的类型：由于不同类型的波在固体介质中的传播机理不同，也就导致了传播速度的差异。②介质的性质：对于弹性介质，主要取决于它的密度、弹性模量、泊松比。这是影响波速的内在因素，介质的弹性特征愈强（E或G愈大），则波速愈高。③边界条件：实际上就是固体介质的横向尺寸（垂直于波的传播方向上的几何尺寸）与波长的比值，比值越大，传播速度越快。1.1声速纵波波速：2111P3Ev2P211EvEvP1①在无限大固体介质中传播的纵波声速式中E——介质弹性模量；μ——介质泊松比；ρ——介质密度。③在细长杆(横向尺寸远小于波长)中纵波波速②在薄板(板厚远小于波长)中纵波声速1.1声速声幅的实用单位（dB)的含义：声幅：反映材料衰减特性的参数Api(j)—第i个测点的相对波幅值（dB）Ai(j)—第i个测点首波峰值（V）a0—基准幅值，也就是0dB对应的幅值（V）0p)(lg20)(ajajAii1.2声幅声波在介质中传播时其声幅随传播距离的增大而逐渐减小的现象为衰减。声波的衰减与声波的频率及传播距离有关，也与被检测材料的内部结构及性能有关。通过研究声波在介质中的衰减情况,可以达到探测介质的内部结构及性能的目的。1.2声幅声幅衰减可分为以下三种类型(1)材料的粘滞性质（吸收衰减）(2)材料的结构特性（散射衰减）(3)材料的几何特性（扩散衰减）声幅吸收衰减：声波在固体介质中传播时，部分声能会转化为热能等。一般认为：吸收衰减系数α1与声波频率的一次方、二次方成正比。内摩擦导致的吸收衰减系数：211afbf1.2声幅散射衰减：因介质中存在颗粒状结构（如固体介质中的颗粒、缺陷、掺杂物等）而导致声波能量的衰减。如在混凝土中：一方面粗骨料构成许多声学界面，使声波在这些界面上产生多次反射、折射和波型转换；另一方面微小颗粒在超声波的作用下产生新的振源，向四周发射声波，使声波能量散射而衰减。1.2声幅14扩散衰减：通常这类衰减主要源于声波传播过程中，因波阵面的面积扩大，导致波阵面上的能流密度减弱。扩散衰减的大小主要取决于声源辐射器的扩散性能及波的几何形状，而与传播介质的性质无关。1.2声幅频率：反映超声波强度正负交变快慢的参数①影响材料的吸收特性②影响材料的频散特性③影响材料的尺寸效应（1）超声仪的发展（2）数字超声波仪的组成（3）超声仪的基本功能（4）智能化超声仪应具备的特点（5）各规范对超声波仪器的要求超声波仪是混凝土灌注桩缺陷检测的基本装置。它的作用是产生重复的电脉冲并激励发射换能器。发射换能器发射的超声波经耦合进入混凝土，在混凝土中传播后被接收换能器接收并转换为电信号，电信号送至超声仪，仪器绘制并记录下波形。2.1超声波仪模拟机：第一代20世纪50年代出现了电子管声波仪，主要是国外的1964年同济大学研制出我国第一台超声仪。70年代后期，国内一些单位又研制出一批晶体管分离元件的超声仪。代表仪器：CTS一25型和SYC一2型超声仪数字机：第二代1990年，天津建筑仪器厂首先研制成功了我国第一台数字化的超声仪。这种超声仪受数字采集与传输速度等方面的限制，无法实时动态显示波形。从90年代中科院武汉岩土力学研究所生产的RSM-SY5声波仪问世。（1）超声仪的发展2.1超声波仪基桩超声波自动测桩仪第三代在数字化超声仪的基础上为提高基桩透射法的工作效率和测试精度，增加了深度自动记录的功能。代表仪器：RSM-SY6ZBL-520ARS-ST01（C）基桩多跨孔超声波自动循测仪第四代实现了多通道自发自收设计，可以一次提升同时完成四管六剖面的测试工作，又将检测效率提高六倍，大幅降低了现场检测强度。代表仪器：RSM-SY7、RSM-SY7WRS-ST06D（1）超声仪的发展2.1超声波仪超声波仪（2）数字超声仪的组成计算机部分（控制，存储，显示）高压发射与控制部分程控放大与衰减部分A/D转换与采集部分超声波仪（3）超声仪的基本功能信号放大（增益，衰减）信号滤波（高通，低通）显示波形（延迟，记录长度）读取参数（声时，声幅）超声波仪（4）智能化超声仪应具备的特点自动采用适当的放大倍数自动判读参数（声时，声幅，频率等）灵活高效的显示与记录方式实时快速的现场分析功能方便的数据管理（原始数据与结果）兼顾通用性与专用性友好的界面超声波仪（5）规范对超声波仪的技术要求（TB10218-2008）具有实时显示和记录接受信号的时程曲线以及频谱分析功能。声时显示范围大于2000μs，精度优于或等于0.5μs。声波发射脉冲宜为阶跃或矩形脉冲，电压幅值不小于500V。系统频带频带为5-200kHz。声波幅值测量范围不小于80dB，声时声幅测量相对误差小于5%。系统最大动态范围不小于100dB。采集器模-数转换精度不应低于12bit，采样间距应小于1μs，采用长度不应小于1024点。2.1超声波仪（5）规范对超声波仪的技术要求（JTG/TF81-012004）检测仪应具有一发双收功能声波发射应该采用高压阶跃或矩形脉冲接收放大器的频带为5-200kHz增益不应小于100dB,波幅测量范围80dB计时显示范围大于2000μs，精度优于0.5μs采集器模-数转换精度不应低于8bit采集频率不应小于10MHz最大采集长度不应低于32k超声波仪（5）规范对超声波仪的技术要求（JGJ106-2014）具有实时显示和记录接收信号的时程曲线以及频率测量或频谱分析的功能。最小采样时间间隔小于或等于0.5μs，声波幅值测量相对误差小于5%，系统频带宽度为5～200kHz，系统最大动态范围不小于100dB。声波发射脉冲为阶跃或矩形脉冲，电压幅值为200～1000V。具有首波实时显示功能。具有自动记录声波发射与接收换能器位置功能。超声波仪（1）常见的超声波换能器类型（2）换能器的选择（3）规范对声波换能器的要求超声波换能器（1）常见的超声波换能器类型平面型（高频）朗之万型（低频）径向增压型一发双收超声波换能器平面型（高频）换能器原理超声波换能器朗芝万型（低频）换能器原理—引出电缆,2—压电圆环，3—下锥体，4—扶正器，5—前置放大器一发双收换能器单孔检测采用一发双收一体型换能器，其发射换能器至接收换能器的最近距离不应小于300mm，两接收换能器的间距宜为200mm。2.2超声波换能器（2）换能器的选择（频率）（2）换能器的选择2.2超声波换能器（3）规范对传感器的要求（JTG/TF81-012004）径向水平面无指向性谐振频率宜大于25kHz水密性满足1MPa水压能正常工作导线有长度标志，标注允许偏差10mm宜带有5-60kHz的前置放大器超声波换能器（3）规范对传感器的要求（TB10218-2008）圆柱状径向振动，沿径向无指向性。谐振频率宜为30-60kHz。水密性满足1MPa水压能正常工作。导线有长度标志，标注允许偏差不应大于10mm。当接收信号较弱时，宜选用带前置放大器的换能器。超声波换能器（3）规范对传感器的要求(JGJ106-2014)圆柱状径向振动，沿径向振动无指向性外径小于声测管内径，有效工作段长度不大150mm谐振频率为30～60kHz水密性满足1MPa水压不渗水超声波换能器（1）声测管的埋设数量要求（2）声测管的材质要求（3）声测管的尺寸要求（4）声测管的连接与埋设声测管（1）声测管的埋设要求声测管是声波透射法测桩时,径向换能器的通道,其埋设数量决定了检测剖面的个数(检测剖面数为（n为声测管数)，同时也决定了检测精度：声测管埋设数量多，则两两组合形成的检测剖面越多，声波对桩身混凝土的有效检测范围更大、更细致，但需消耗更多的人力、物力，增加成本；减小声测管数量虽然可以缩减成本，但同时也减小了声波对桩身混凝土的有效检测范围，降低了检测精度和可靠性。≤800mm时，埋设两根声测管800mm＜桩径D≤1600mm时，埋设三根声测管桩径D＞1600mm时，埋设四根声测管（1）声测管的埋设要求（JGJ106-2014）2.3声测管800mm＜桩径D≤1500mm时，埋设三根声测管1500mm＜桩径D时，埋设四根声测管（1）声测管的埋设要求（JTG/TF81-012004）2.3声测管（2）声测管的材质要求①②有足够的强度和刚度，保证在混凝土灌注过程中不会变形、破损，声测管材料的温度系数应与混凝土接近，声测管外壁与混凝土粘结良好，不产生剥离缝，影响测试结果。有较大的透声率：一方面保证发射换能器的声波能量尽可能多地进入被测混凝土中，另一方面，又可使经混凝土传播后的声波能量尽可能多地被接收换能器接收，提高测试精度。2.3声测管（2）声测管的材质要求目前常用的声测管有金属管、钢质波纹管、塑料管3种；运用最多和效果最好的是金属管。公路、铁路规范要求采用金属管。JGJ106-2014规范要求：声测管有一定的径向刚度，如采用钢管、镀锌管等管材，不宜采用PVC管。2.3声测管声测管管壁太薄或材质较软时，混凝土灌注后的径向压力可能会使声测管产生过大的径向变