声波透射原理

1声波透射法2声波透射法概述：利用人工激励的方式向被检测介质发射声波，使声波穿透被检测介质，在一定的距离上接收声波经过介质物理特性调制的声波，通过观测和分析声波的声学参数和波形对砼进行工程解释。声波检测的过程：向被检测介质发射声波→声波在介质中传播→在一定距离上接收声波→反射波、透射波、散射波→声波记录和分析系统→分析声波参数和波形的变化，对介质特性进行工程解释灌注桩声波透射检测的基本方法：基桩成孔后，灌注砼之前，在桩内预埋若干根声测管，在桩身砼灌注若干天后开始检测：用声波检测仪从桩的纵轴方向以一定的间距逐点检测声波穿过桩身各横截面的声学参数→确定缺陷的位置、范围、程度，评定桩身完整性等级。特点：检测全面、细致，范围可覆盖整个桩长，现场操作简便、迅速、不受桩长、场地限制。3第一部分、基本理论一、波动与声波（1）波动：空间某处发生的扰动，以一定的速度由近及远传播，传播着的扰动称波动。（2）波动的类型：①机械振动--机械波（声波、水波）②电磁振动—电磁波（光波、红外线）机械波产生两个条件：①波源；②传播机械振动的介质（3）声波：在介质中传播的机械波类型频率（Hz）次声波0—2×101可闻声波2×101--2×104超声波2×1014-1010特超声波﹥1010声波透射法中声波主频率：3×104--5×1044二、振动与声波1、弹性固体介质中的声波与振动弹性介质：质点间由弹性力相互联系的集合体。机械波的产生：一个质点振动→（弹性力）相邻质点振动→（依次传递）振动以一定的速度沿着介质的某一方向传递，形成机械波。机械波—机械振动以一定的速度在介质中的传播；波速—振动的传播速度；弹性波—介质具有弹性性质。弹性固体材料中质点振动的基本形式—简谐振动（弹簧振子）52、弹性介质中质点的振动简谐振动—质点振动的基本形式。模型：质量为m的物体系于一端固定弹性系数为k的轻弹簧的自由端，置于光滑的水平台上构成一弹簧振子，取u轴沿着水平方向，以弹簧松弛位置作为坐标原点。运动方程：或解答：kuumumku)cos(0wtAu6运动方程：或解答：①A0—振幅，振动位移的最大值，②—相位，决定简谐振动状态的物理量③w—圆频率或角频率，相位变化的速率与初始条件无关，又称固有圆频率—初相位kuumumku)cos(0wtAuwtmk00/uVarctg220200VuA7④周期：T—完成一次完整振动所经历的时间，T=2π/w，⑤频率：f—单位时间内完成的振动次数（单位：Hz）f=1/T=w/2π，⑥振子能量：动能：势能：总能量：所以弹簧振子的机械能是守恒的，数值由初始条件决定。但是动能和势能都随时间变化。波幅可表示能量大小。kmT2mkf21mkf21)(sin21)(sin212122022022tkAtAmumEk)(cos21212202tkAmuEp2021kAEEEpK8弹簧振子的频率、周期、圆频率由其固有参量k和m决定，而与初始条件无关。而振幅和初相位不是振子固有性质，而与初始条件有关。93、波的类型与形式：（1）波的类型依据：介质中质点振动方向与波的传播方向的关系。①纵波（p波）—介质质点的振动方向与波的传播方向平行如：声波与介质的体积弹性相关在气体、液体、固体中都可以传播。②横波（s波）—介质质点的振动方向与波的传播方向平行。只能在固体中传播，与介质剪切弹性相关。③表面波（R波）—表面张力作用下，表面质点发生纵向振动和横向振动，沿介质表面传播。在固体表面附近传播，（当深度﹥2倍波长时，振幅就很小了）10（2）．波的形式：波的形式划分：声波在无限大且各向同性介质中传播时，波形是根据波振面来划分的。波振面：介质中振动相位相同的点的轨迹。在波的传播过程中，波振面有任意多个。波前：最前面的波阵面，某一时刻只有一个。波线：自波源出发沿着波的传播方向所画的线。在各向同性介质中，波线与波阵面是垂直的。波的形式：平面波：波阵面为平面的波；球面波：波阵面为球面的波；柱面波：波阵面为同轴柱面的波；11124、波动方程：波动方程：描述波动介质中任一质点的位移随该质点的空间位置和时间变化规律的数字物理方程。（1）、平面余弦波的理想介质中的波动方程：理想介质—无吸收的各向同性弹性介质。假设有一平面余弦波在理想介质中以速度v沿着x方向传播，在x=0的平面上质点振动方程：在x处的平面上质点振动方程：该方程描述了距离波源为x的平面上各个质点在任何时刻的运动规律，因此它就是平面余弦波在理想介质中的波动方程。)cos(0tAu)(cos0vxtAu13波长：波在一个周期内传播的距离：式中v：波速；T：周期或式中f：频率，f=1/T余弦波在理想介质中的波动方程：平面余弦波：球面余弦波：柱面余弦波：对于球面波和柱面波，波向空间发散传播，波阵面随与振源距离的增大而增大，单位面积的能量相应减少，质点的振幅相应减少。vTfv)(cos0vxtrAu)cos(0tAu145、波在弹性固体介质中的传播速度：（1）影响因素：边界条件，波的类型，固体介质的性质a.边界条件：固体横向尺寸与波长相比：介质类型波速无限大介质：最高薄板介质：中杆介质：最小介质类型的定义：无限大介质：aλ，bλ薄板介质：aλ，bλ杆介质：aλ，bλ(a,b为介质横向尺寸，λ：波长）15波速：无限大固体介质中传播的纵波波速vP：薄板介质中的纵波波速vP：细长杆中的纵波波速vP：无限大固体介质中传播的横波波速vP：无限大固体介质表面传播的表面波波速vR：)21)(1(1Evp)1(12EvpEvpGEvS)1(21GvR112.187.0注：E—介质杨氏弹性模量；μ—泊松比；ρ—介质密度16b.波的类型：纵波波速vP：最高横波波速vS：中表面波波速vR：最小混凝土中,μ可取0.2~0.3，所以有RPSRvvvv)08.2~81.1(,9.017（2）基桩低应变反射波法测试波速与声波透射法测试波速的比较1波长和边界条件低应变试验：波长量级为米，声速接近杆件波速。声波透射法测试：波长量级为厘米，声速接近体波波速。2声波频率低应变试验：频率几百Hz；声波透射法测试：频率30~50kHz。混凝土中频率越高，波速越高。3测距低应变试验：2倍桩长；声波透射法测试：略小于桩直径，明显小于桩长。混凝土中声波随传播距离的增加，主频降低，波速减慢。结论：基桩低应变反射波法测试波速高于声波透射法测试波速上述三个影响因素中，波长和边界条件是根本的。186、波的能量（a）模型：均质弹性杆中的简谐纵波，取密度为ρ弹性模量为E的体积元作为考察对象：动能：势能：总能量：上式表明:在波的传播过程中，介质中的任意质元的势能、动能和总能量都随时间变化，即机械能不守恒。xAVvxtAVtuVEk22022sin2121vxtAVxuVEEp22022sin2121vxtAVxuVEEEEpk22022sin19结论：在波的传播过程中，介质中的任意质元与相邻质元之间在不断进行能量交换，表明波传播过程也是能量的传播过程。（b）能量密度:概念：单位体积所具有的能量，表示波的能量在介质中的分布情况。动能与势能密度：能量密度：一个周期内平均值为:vxtAVEEEkpk2202sin21vxtAVEE2202sin20221A207、描述声场特征量：声场—充盈声波的介质所占据的空间。①声压P—声场中某一点在某一时刻所具有的压强P1与没有声场存在时同一点的静态压强P0之差。在声场中取一体积元，长dx，截面面积dA，根据动量定理：式中：②声强J—垂直于声波传播方向上单位面积，单位时间通过的声能量mVFdtvVPdxdAVPdAdt质点振动速度。波速；密度；Vv22021vAJ21③声阻抗率Z（特性阻抗）在声学，介质中某点的声压与质点振动速度的比值。取决于介质的特性。材料特性阻抗（）钢材470淡水14.8混凝土约108空气0.004玻璃70vVPZ质点振动速度某点声压)/(1024scmg)/(1024scmg228、声源辐射声场的指向性：声场—充盈声波的介质所占据的空间。声源指向性—声源发射响应的幅值随方向角的变化而变化的特性。点声源所产生的声场无指向性，实际声源各部分发射的声波在自由坡远场干涉叠加1圆盘声源的指向性声源辐射面为圆盘的声波所产生的声场有指向性：基本假设：A.声源发射的是连续余弦波；B.传声介质为液体；它是研究固体声场的基础。23偏离角θ：一方向与圆盘轴线的夹角。半扩散角θ0：声压比=0时的偏离角。声压比：偏离圆盘面轴线某一角度的声压与轴线上声压之比。半扩散角越大，声源指向性越差；反之，半扩散角越小，声源指向性越强。249、声波在两种介质界面上的传播规律：影响因素：①声波波长与障碍物大于之比；②两种介质的特性；③声波入射角度障碍物尺寸波长时：声波发生反射、折射等现象障碍物尺寸相近波长时：显著的绕射障碍物尺寸波长时：大部分绕射，部分散射障碍物为刚性球状物且kd1时：形成一个新声源，将声源向四周散射当纵波从一固体介质射入另一固体介质时：反射、折射的纵波、横波（可能）以及表面波（特定条件）。，角波数注：2k25声波的反射与折射声波从一种介质传播到另一种介质时，在界面上会产生反射与折射：两种介质：（1）反射定律（2）折射定律222111,vZvZ111'sinsinvv21sinsinvv当入射波和反射波的波形相同时，入射角与反射角相同。26反射率反射系数透过率当第二层很厚时：透过系数coscoscoscos'1212ZZZZPP入射声压反射声压21212coscoscoscos'ZZZZJJfR入射声强反射声强PPRT入射声压透过声压2coscoscos2122ZZZRT212212coscoscoscos4）（入射声强透过声强ZZZZJJfT2710、声波在固体介质中传播时的能量衰减概念：声波在固体介质传播过程中，质点振幅随与波源距离增大而减小的现象（1）平面波中声波的衰减系数声波在某种介质中传播，由于存在衰减现象，质点振幅逐渐减小，衰减率dA/A正比于声波的行进距离dx，dxxAxdAdxxAxdA)()()()(00)(lncxxA由边界条件为得0000)(AxAxAAx00ln10)(0cxeexA或注意：上述衰减系数是从平面波推出的。28（2）声波在介质传播过程中的衰减原因根据衰减原因可将声波衰减分为三类：吸收衰减散射衰减扩散衰减前两类衰减取决于介质的特性，后一类由声源的空间特征决定。在讨论声波与介质特性的关系以及一般衰减系数计算中时：仅考虑前两类。在估计能量损失时：必须全面考虑。29（2）声波在介质传播过程中的衰减原因1吸收衰减：声波在介质中传播时，部分机械所转换成其他形式的能量与介质的粘滞性、热传导及各种弛豫过程。规律：声波频率越高，衰减越快。2散射衰减：衰减碰到另一种介质组成的障碍物而向不同方向产生散射导致声波减弱的现象。规律：与介质和障碍物（性质、数量、尺寸、形状）有关声波频率越高，衰减越快。吸收衰减