超声波检测的基本原理范文

导语：如何才能写好一篇超声波检测的基本原理，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：超声检测；混凝土结构；影响因素

中图分类号：TU112.7文献标识码：B文章编号：1009-9166（2011）017(C)-0151-01

引言：超声波法是一种重要的混凝土强度检测方法，其检测过程对混凝土材料没有损伤，也不影响建筑结构或构件的使用性能，重复或复检方便，重复性良好，因而在混凝土检测中应用非常广泛。本文简要探讨混凝土结构超声检测的基本原理及影响因素。

一、超声波检测混凝土的基本原理分析

混凝土超声检测是混凝土非破损检测的一项非常重要的技术，在国内外都取得了广泛的应用。发射换能器以一定重复频率间断地发射出超声脉冲波，它不具有单一频率而是所谓复频波，各种频率成分的波将以不同速度传播。超声波检测技术中的主要声学测量参数有以下几个，可以从这几个参数来简要分析超声波检测混凝土的基本原理分析。1、声速。超声波在混凝土中的传播速度，其同混凝土内部结构（孔隙、材料组成等）有关，同混凝土的弹性性质有关。通常混凝土的弹性模量越高，内部越致密，声速也越高。所以在超声波检测时，如混凝土内部有空洞、蜂窝体等缺陷时，声时值会有所增大，声速也会相应地降低。在结构混凝土检测中，声速还会受到探头的种类和安置位置等自身因素的影响，所以为提高测量的精度，就应控制好测量声速和声程，最大限度地排除各种干扰。2、振幅。接收波振幅一般指的是第一个波前半周的幅值，也即是首波，接收到的超声波信号越强，振幅越大，当发射出的超声波强度一定时，就可以通过振幅的大小来反映混凝土粘塑性能，由于混凝土的强度同其弹性性能和粘塑性能有关，因而振幅也可体现混凝土的强度。采用超声波检测时，如果混凝土存在裂缝或缺陷时，便会引起超声波的绕射或反射，从而减弱振幅值。3、频率。由于在超声波检测中，声脉冲信号包含了一系列不同频率成分的余弦波分量，它们在传播过程中高频部分首先衰减，所以超声波愈往前传播，其高频成分愈小，主频率下降的多少不仅同传播距离有关，还与混凝土的质量、强度及内部缺陷情况有关，故可以测量超声波通过混凝土后频率的变化来判断其质量情况。4、波形。正常的混凝土，超声波在显示屏上而显示的接收波波形为衰减正弦波；如果混凝土内部存在缺陷、裂缝或者疏松，就会改变传播路径，最后在显示屏上出现畸变波，故可将波形作为判断混凝土内部缺陷的一种辅助参数。

二、超声波在混凝土中传播的基本特性

混凝土为多相凝聚体，主要由砂、石、水泥及孔隙等构成，其内部存在各种不同的界面，超声波在内部传播时，遇到这些界面，便出现折射或反射等现象，这些都使得超声波在混凝土中传播时衰减大，并且传播时指向性较差；此外，由于会因界面反射和折射而曲折，使得在混凝土中存在缺陷时便不沿直线传播；最后采用超声波检测混凝土时，探头所接收的信号是一次声波和二次声波的叠加。

三、超声波法检测混凝土强度影响因素分析

1、原材料及配合比。不同的混凝土原材料使超声声速值有差异，就算采用的原材料相同，不同的配合比也会产生不同的声速值。（1）水泥品种。不同的水泥配制的混凝土，其早龄期的强度发展规律是不一样的，所以对于早龄期的混凝土检测，应将水泥品种作为一个考察因素，但对于较长龄期的混凝土，就可忽略水泥品种的影响。（2）粗骨料的品种和含量。一般来说石子的品种对超声波检测的影响并不显著，在利用测强曲线的时候甚至可忽略这一因素。虽然碎石和卵石石质相同，对声速影响较小，但碎石表面粗糙，有利于水泥和骨料的粘结，因而强度会略高。在混凝土强度相同的情况下，粗骨料含量越高，超声声速值越大。（3）矿物细掺料。当前的混凝土都倾向于高强、高性能，因而也开始广泛地掺加矿物细料，如掺加硅灰会有效提高混凝土的强度，也会提高超声波传播的声速，这是因为硅灰颗粒细小，具有高度的分散性，填充在水泥之间后会提高整体的密实度，所以也会提高超声声速值。（4）砂率。混凝土砂率控制的好坏会影响混凝土的密实度和粘聚性，从而对声速的影响也较大。（5）配合比。各种材料相同的混凝土，由于配合比不同，也会造成超声声速存在差异，如超声波在粗骨料偏多的混凝土中传播会更快，对于水灰比大的混凝土水分蒸发多，孔隙多，也会降低声速。2、外部条件。（1）龄期。在早龄期的混凝土中，混凝土强度的增加会引起声速值的增加，并且后者的增长速度要大于前者，随着龄期增加，前者的增长速度也会逐渐大于后者。（2）养护方法。通常混凝土在水中养护时比在空气中养护时水化要更充分，相应地减少了毛细孔孔隙率，故也会提高声速。（3）温度和含水率。当温度超过50℃时，声速随温度的升高而降低；含水率越高时，水分会填满孔隙，使得超声波传播速度也大。3、其他条件。（1）结构中的钢筋。由于超声波在钢筋中的传播速度比在混凝土中要大很多，所以在检测含有钢筋的混凝土时，往往需要根据实际情况对检测得到的超声声速值予以修正。（2）混凝土中缺陷与损伤。若混凝土中存在裂缝，混凝土的强度就不能用超声波来检测，检测过程中如果首波形状发生改变，则表明混凝土内部存在缺陷，便不得以超声声速换算混凝土强度。

结束语：了解混凝土结构超声检测的基本原理和影响因素，有助于更好地再混凝土检测中运用这种技术，提高检测的准确度，从而对混凝土结构进行有效地评价，以及对受损构件采取有效的加固措施。

作者单位：广东荣基鸿业建筑工程总公司

参考文献：

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关键词：VB；动画仿真系统；高职；超声检测

目前，高职课堂教学面临着课程学时减少、难度增大、学生文化基础薄弱、缺乏学习兴趣等困难。如何提高课堂教学质量，创新教学方法，是值得深入研究的重要课题。

超声检测是无损检测方向一门十分重要的课程，需要学生在理论基础与操作能力上有透彻的理解和娴熟的应用。由于超声检测的部分理论知识枯燥艰深，课堂教学难以让学生建立感性认识，不容易激发学生的学习兴趣。若建立实验室平台则耗时、耗材。如果对这些重要知识点借助计算机进行仿真教学，不仅方便经济，还可以通过修改参数、变换模型，让学生随时观察到系统模型各变量变化的全过程。这样就使学生的学习过程由感性到理性，学生将更深刻地理解超声检测技术。可以此为基础，调动学生进行模拟仿真学习的积极性与参与性，逐步实施基于工作过程的自主学习型高技能人才培养模式。

目前，可以实现仿真的软件很多，基于VB来编写教学仿真系统相对而言直观、灵活。下面笔者将以A型脉冲反射式超声波探伤、超声波倾斜入射到异质界面的反射和折射以及超声纵波声场三个知识点为例，介绍VB在超声检测教学中的仿真应用。

A型脉冲反射式超声波探伤

（一）基本原理

在一定重复频率的同步脉冲信号触发下，发射电路以相同的重复频率产生高频高压脉冲信号，该信号激励换能器以相同的重复频率发射同频率的超声波。这种超声波传导于工件中，遇到不连续性（包括工件底面）后产生反射，该反射回波被换能器接收并转换为电信号，经接收、放大后传至显示器的垂直偏转板产生垂直偏转。与此同时，在同步信号的触发下，时基电路以相同的重复频率产生时基信号，给显示器的水平偏转板产生时基扫描线。这样，接收信号的波形便显示于示波屏，根据示波屏上显示信号的位置、高度和特征，可判断不连续性的位置、大小和性质。

（二）仿真系统

探伤平台仿真系统涉及信号发送、超声波工件探伤和接收信号显示三大部分，如图1所示。信号发送部分包括同步信号、时基电路和发射信号三个演示框。探伤平台部分用蓝色实体方框表示被测工件，红色实体方框表示换能器（探头），黄色实体方框表示工件内部缺陷，探头接收到激励信号产生超声波，传播到工件内部进行探伤，同时探头经接收电路将微弱的反射信号进行放大处理在显示器部分演示出来，让缺陷回波信号位置随缺陷埋深的变化而变化。演示平台上还设置了频率、幅值等调节参数，通过这些参数的变化，学生可以更深刻地理解超声检测原理。

程序关键部分是超声波激励信号的模拟演示。笔者引用的激励信号为加窗正弦波信号，表达形式为Vin（t）=A[H阶梯函数。

部分程序如下：

For i = 0.5 To 8 * pi Step pi / 6000

f1（j） = heavi（i * （10 ^ （-6））） - heavi（i * （10 ^ （-6）） - n / （fc * 1000））

f2（j） = 1 - Cos（2 * pi * fc * i * （10 ^ （-3）） / n）

f3（j） = Sin（2 * pi * fc * i * （10 ^ （-3）））

Picture2.DrawWidth = 1

Picture2.PSet （（i * 30 + m * 4 * pi * 80） / Frq， Amp * 5 * f2（j） * f3（j） * f1（j） * 30 + Picture2.Height / 2）， vbYellow

j = j + 1

Next

… …

（三）教学应用

A型脉冲反射式超声波探伤基本工作原理是较难理解的一个知识点。学生很难把同步信号、时基信号、发射信号等概念以及它们之间的联系掌握清楚。为此，教学可安排在实训室进行，一方面，学生自行演示并操作仿真软件方便理解超声检测设备内部的电路运行情况，另一方面，让学生选择检测系统搭建试验平台，同时在超声探伤仪屏幕上观察检测结果。这样，让学生将软硬件结合，动手操作和学习结合，能极好地调动学生的学习兴趣，使学生深入理解超声探伤基本工作原理，为后续实训操作奠定了基础。

超声波倾斜入射到异质界面的反射和折射

（一）基本原理

当超声波在某一介质中以入射角倾斜入射到异质界面时，将会在界面处发生反射、折射和波型转换，即产生反射纵波和反射横波以及折射纵波和折射横波。入射角与反射角之间以及入射角与折射角之间符合施耐尔定律。通过该定律还可以延伸出临界角的概念。

（二）仿真系统

如图2所示，演示平台中包括参数设置和声波传播演示两部分。参数设置涉及两种异质材料和入射角的选择，确定好异质材料，右侧的信息栏中将显示出两种介质的纵波速度与横波速度，有助于学生对材料信息的了解。一旦调节入射角，用直线条表示的超声波随即在平台部分显示出来，借助不同颜色区分入射、反射和折射的纵波与横波，线条的粗细用来表示信号能量的强弱。随着入射角的改变，反射波与折射波角度亦随之发生变化，当条件满足，可以清晰掌握折射角达到90°时波形轨迹的变化，这会使学生对第一临界角和第二临界角的理解更加深入。程序编制过程需要注意的是当入射角达到第一临界角时，在介质2中只有横波而无纵波，此时反射纵波能量加强，当入射角达到第二临界角时，在介质2中既没有横波也没有纵波，反射横波沿界面传播。

（三）教学应用

这部分是超声检测的重要知识点。在传统教学中，学生由于不熟悉超声波传播特性，只能死记公式，无法灵活运用，对临界角的概念理解不清。在教学中，可将仿真软件与练习题相结合，教师先介绍仿真软件的使用，随即让学生进行仿真操作，模拟各种光疏到光密物质、光密到光疏物质的超声波传播情况，观察第一、第二临界角的产生条件与时机，同时结合仿真动画理解斯奈尔公式每个参数的含义，再结合练习题进行公式运用，之后将公式计算结果在仿真软件中进行验证，保证了学生全面掌握超声波传播原理与斯奈尔定律。

超声纵波声场

（一）基本原理

超声换能器向介质中辐射超声波的区域称为声场，通常用声压分布与声场的指向性来描绘。该声压在极大值和极小值间起伏变化，最后一个极大值点处与声源的距离称为近场长度，用N表示，N=D2/4λ。声场能量主要分布在以声轴线为中心的一定角度内，这种声束集中向一个方向辐射的性质称为声场的指向性，用指向角或半扩散角?兹表示，?兹=sin-11.22λ/D。近场长度和半扩散角是描述声场的两个关键要素，而它们的值主要取决于检测频率和探头晶片尺寸。

（二）仿真系统

如图3所示，演示平台包括参数设置和声场演示两部分。晶片尺寸和检测频率通过滚动条调节大小，从而表现出对声场的影响。演示部分分别用不同颜色表示被检工件、探头、声场，其中近场区声场不扩散，而进入远场区声束开始扩散。当分别改变晶片尺寸和检测频率大小时，可以清晰看到声场中近场长度与扩散情况的变化。由于晶片尺寸和检测频率同时决定声场，因此在程序中需要用到大量条件嵌套语句。

部分程序如下：

Private Sub HScroll1_Change（）

f = HScroll1.Value

'f为晶片尺寸滚动条数值

Select Case d

'd为检测频率滚动条数值

Case 1

Select Case f

Case 1

… …

Case 2

… …

End Select

End Sub

（三）教学应用

晶片尺寸与检测频率对声场与扩散角的影响以及近场的概念是学生必须掌握的重要知识点。知识点的掌握主要还是对公式的理解与记忆。学生通过设置仿真参数，模拟各种声场扩散情况，将仿真动画结果与公式实例分析互相验证，不仅能对各参数的含义有更深入的理解，同时将公式运用到实例能真正实现对声场全面的理解。

本文介绍的基于VB实现的教学仿真已经很好地应用于超声检测课程教学，促进了课堂互动，极大地改善了教学效果，强化了学生对知识理解，得到了一致好评，值得教学一线的教师尝试和持续改进。目前，该超声检测课程已成功申报检测技术及应用专业自主学习型高级能人才培养模式实践研究教育教学研究项目，并已获批深圳职业技术学院校级精品课程。

参考文献：

[1]李立宗.VB程序设计教程[M].天津：南开大学出版社，2009.

[2]李淑华.VB程序设计及应用[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]X Lin，F G Yuan.Diagnostic Lamb waves in an integrated piezoelectric sensor/actuator plate: analytical and experimental studies[J].Smart Mater.Struct，2011，（10）:907-913.

[4]史亦韦.超声检测[M].北京“机械工业出版社，2005.

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【关键词】无损检测；混凝土结构；超声检测技术

随着混凝土结构的广泛使用，其质量检测和性能评估是目前土木工程界迫切需要解决的问题。由于结构混凝土无损检测技术能反映结构物中混凝土的强度、均匀性、连续性等各项质量指标，对保证新建工程质量，以及对已建工程的安全性评价等方面具有无可替代的重要作用，因而越来越受到人们的重视。

1 超声检测技术概述

超声法是一种广泛用于混凝土缺陷探测的方法，混凝土的物理力学性能与超声波在其中的传播速度及其他声学参数有很好的相关性。超声波的探测精度能满足缺陷探测要求，但以目前的超声仪及换能器，当超声波换能器正对测试时，在混凝土中的最大穿透距离只能达到10m左右，而当换能器错开一定距离时，穿透距离仅能达到2、3m。显然超声波换能器无法满足长距离探测的要求。采用稀土超磁致伸缩材料制作的超磁致换能器，具有发射功率大、发射频率高、穿透距离远、接收信号频带宽、重复性好、余振短等优点，能够同时兼顾到传播距离及检测分辨率，是一种理想的长距离探测震源。超磁致换能器发射中心频率为10-50kHz，处于可闻声波及超声波频段。将超磁致换能器和超声波换能器发射产生的应力波统称为声波。

目前，超声探伤常用的缺陷分析判断方法有经验法、数理统计法、数值判据法和模糊判别法。经验法，即依据超声探伤的基本原理判别缺陷。其结果依赖于检测人员的实践经验，漏判和误判严重。数理统计法简单易行，但是只能对单个声学参数进行统计意义上的判断，且物理意义不明确。数值判据法须根据测试值建立合理的物理模型，经适当的数学处理后，找出一个可能存在缺陷的临界值作为判断的依据。模糊判别法是计算各声学参数相对于正常获异常的隶属度，然后将各个声学参数加权平均得到综合的相对于正常或异常的隶属度。由于测试分析方法本身的局限性，以上方法仍处于定性或半定量水平，都只对缺陷的定位具有一定精度，而对缺陷的大小、形状及性质难以给出定量的结果，从而给最终准确评价带来困难。超声波的频率范围为20kHz至15MHz，超声发生器则是由产生超声频振荡的电子线路和换能器(传感器)组成。超声层析的应用范围很广，早在世界二次大战期间，超声层析在军事监测方向就获得了比较满意的效果，以后更广泛地应用于医学之中；此外，超声层析在工业无损探伤方面用途也很广。

2 超声无损检测技术在工程中的运用分析

超声无损检测属于弹性波法。在各种无损检测方法中，超声无损检测是当前无损检测工作中研究最活跃、发展最快的检测方法。目前，超声脉冲检测技术已成为检测工程结构质量的重要手段之一。其主要优点是有效探测距离长，测试精度高，设备简单且无污染。

将超声技术技术应用于混凝土质量检测中，其理论依据是混凝土的质量与声速有较好的相关性，首先在被测混凝土结构物某断面上，将测区划分成网格，发射换能器在一侧某点发射，接收换能器在另一侧所有点上接收，使每个网格都有2条以上的测线通过，利用声时通过反演技术获得测区各部分的波速分布图，从而确定缺陷区的位置、尺寸以及缺陷本身的波速，推断缺陷的类型、强度等。

2.1 超声无损检测的基本原理

根据弹性波的运动学和动力学特征，弹性波层析成像方法可以分为两大类：一是以运动特征为基础的射线层析成像；二是以动力学特征为基础的波动方程层析成像。

作为反演声波穿透的射线层析成象，其基本思想是根据声波的射线几何运动学原理，将声波从发射点到接收点的旅行时间表达成探测区域介质速度参数的线积分，然后通过沿线积分路径进行反投影来重建介质速度参数的分布图像。

混凝土声波CT无损检测技术就是根据声波射线的几何运动学原理，利用最先进的声渡发射、接收系统，在被检测块体的一端发射，在另一端接收，用声波扫描被检测体，然后利用计算机反演成像技术，呈现被检测体各微小单元范围内的混凝土声波速度，进而对被检测体作出质量评价。

2.2 观测系统布置

根据混凝上结构物的形状特点，对结构物常用的测线布置方式为：白色点为接收点，黑色点为激发点。理论及实践都证明，三侧激发一侧接收，所得反演效果最好。射线密度达到要求。一般检测过程中测线都采用该方式布置，激发边和接收边道间距，1般在20-50cm范围。在结构物两端的部份，可适当加密激发点和接收点，以利于增加射线密度。根据结构物的临空面不同，可采用合适的测线布置。

2.3 观测系统完备性评价

观测系统完备是声波CT结果可靠性的基本保障。观测系统的完备性是通过单元的射线密度和射线正交性来衡量的。因此，射线密度和射线正交性就成了表征观测系统完备性的I爵个重要指标，它们是观测系统可靠性评价的有效方法。为保证声波CT结果的可靠性和分辨率，要求研究区内每个单元体内的射线超过40条，同时要求每个单元体内通过的射线其交角至少有一组大于60°，其交角的正弦值大于0.87。

2.4 后期成像

所用软件为TDSoft的《工程CT》，该软件有模块化设计、文件格式要求清晰、处理速度快等优点。软件共有数据输入、射线追踪、速度反演三个主模块和正交性分析一个辅助模块组成。最后通过网格化、成图、导出DXF格式等多个步骤的处理，最终得到混凝土声波CT波速反演图。

3 结语

无损检测技术是以无损检测手段探明被检测体内部缺陷的有无、大小、位置和性质的专门技术。在工程中，需要根据工程构件材料的性能和工程条件具体选择恰当的检测方法。其中，弹性波方法是工程中最为常用的方法之一，特别适合混凝土构件、岩土体等工程问题的无损检测工作。射线理论和射线方法是研究弹性波传播理论的重要方面之一，针对不同的工程材料和工程条件探索研究弹性波射线追踪方法，对于许多工程问题的分析研究具有重要的意义。

参考文献

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关键词：钢管混凝土 检测方法 浇筑质量

所谓“钢管混凝土”是指在钢管中填充混凝土而形成的构件。其工作的基本原理是利用钢管对混凝土的约束作用使混凝土处于复杂应力状态，从而使混凝土的强度得以提高，塑性和韧性性能大为改善。同时，由于混凝土的存在可以避免或延缓钢管发生局部屈曲，可以保证其材料性能的充分发挥。然而，由于钢管混凝土是由两种截然不同的材料组合在一起。一方面，其亲和力有限；另一方面，混凝土的施工工艺是在实际施工过程中是向钢管内灌注混凝土，无法保证钢管内部完全均匀充实而无缺陷。所以钢管混凝土的施工属于隐蔽工程，看不见摸不着。对管内混凝土是否存在蜂窝、麻面、夹渣、结合不良等缺陷完全不知，且这些缺陷在实际工程中是不可避免的。因此采取科学有效的方法，对钢管混凝土结构进行质量检测是非常必要的。

一、钢管混凝土的一般缺陷

（1）蜂窝离析。由于施工时混凝土的配比不合适，使水泥浆与粗骨料分离或靠混凝土自重使得填充不够密实，容易产生蜂窝离析现象。蜂窝大都出现在钢管内部混凝土难以浇筑密实的部位。主要是由于混凝土配合比不当，搅拌不均匀，施工方法不当等原因造成。

（2）孔洞。施工中选料不细致，混凝土中出现大的砾石，在无振捣的情况下，大砾石附近容易出现孔洞；有时钢管壁内有障碍物使得混凝土塌落不畅或受阻则更易出现孔洞现象。

（3）脱黏。钢管壁与核心混凝土黏结不良、局部脱空。造成钢管混凝土脱黏的主要原因有：①混凝土配合比设计不当，如配置的混凝土膨胀率较低，不足以弥补混凝土的自收缩和泵送施工过程中形成的气模；或拌制的混凝土离析、黏聚性不好，结构顶面浮浆较多，造成沉降收缩。②管壁内除锈未尽，或黏结处渗入一些空气，使管壁与混凝土接触处形成不良胶结。③温度变形，钢管和混凝土的热膨胀系数、导热系数不同。④受轴压作用，钢管与核心混凝土间存在径向应力，超过一定的轴向压力荷载时，钢管与混凝土即发生脱空现象。

二、一般检测方法

目前非金属超声波探测技术在混凝土结构非破损检测中应用十分广泛（超声回弹法），它对确定混凝土强度等级及检测内部缺陷与匀质性效果良好。然而，由于钢管混凝土是一种由钢管与混凝土组合而成的建筑构件，不同介质的组合增加了检测难度。因此对钢管混凝土内部混凝土质量的检测一直没有一个适当、可靠和简便的方法。国内外检测技术中应用较为广泛的钢管混凝土内部质量检测方法主要有人工敲击法，超声波检测法，射线检测法等。

2.1人工敲击法

敲击法是最常用的检验钢管混凝土浇筑质量的检测方法，这种检查方法由检查者聆听敲击钢管的声音，根据不同的音色找出钢管与混凝土剥离部位。此法大部分情况下是基于经验来进行判断，且不能够真正的得出混凝土与钢管之间的空隙大小和分布范围，随机性较强，因此建议作为辅检测手段使用。

2.2超声波检测法

超声波法又称超声法，其检测的基本原理是根据超声波在传播过程中遇到由各种介质缺陷形成的界面时会改变传播方向和路径，其能量会在缺陷处引发衰减，造成到达接收换能器时的声时、振幅、频率变化。对这些变化进行分析，就可检测钢管混凝土的质量。

当用超声波检测仪对钢管混凝土进行进行检测时，超声波的测试频率一般是在40～100 Hz之间。当超声波通过钢管混凝土时，钢管与混凝土和空隙对其速度、振幅、波形等会产生不同的影响，这就会在显示仪器上表现出来，对比无缺陷的钢管混凝土各种标定，通过分析就可确定管内混凝土的状况和质量。在钢管混凝土质量检测的实际工程中常用的超声波法有首波声时法、波形识别法和首波频率法。

2.3钻芯取样法

用混凝土钻芯机，直接从所需检测的结构或构件上钻取混凝土芯样，判定核心混凝土的内部缺陷及钻芯处的钢管壁和混凝土的黏结情况。该方法具有检测结果直观、可靠的优点。然而，由于取芯工作费用较高，而且会对结构造成一定程度的破坏，故芯样位置、数量受到一定的限制。

除上述几种方法外，还有红外热成像法，光纤传感监测系统，射线检测法等。但运用这些方法在检测时仍存在有许多问题，所以仍需对现有的检测方法进行改进或提出新的方法。

三、新型检测方法探讨

近年来，随着对工程质量、安全的日益重视，以及无损检测技术的发展，对钢管混凝土无损检测技术的新方法也层出不穷，下面介绍几种近几年发展比较成熟的钢管内混凝土的检测方法。

3.1冲击反射法

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关键字：建筑结构；检测技术；混泥土

Abstract: with the development of the economy, construction in constant speed up, especially in recent years, the construction is under unprecedented development, will bring on the building structure performance examination also more and more cause the attention of people, in this paper, several common building structure performance inspection technology discussed.

Key word: building structure; The detecting technology; Mixes clay

中图分类号：V448.15+1 文献标识码：A 文章编号：

建筑检测的一个最重要的环节就是建筑结构性能的检查，为了对建筑结构有一个整体的认识，需围绕建筑的实体结构的强度和刚度、稳定性，来对建筑实体进行相应的检查。建筑是人们日常生活的必须品，因而要在安全，适用和耐久性方面具有一定的保障，才能让人们安心的生活，体现其自身的价值。为了提高建筑工程质量，建筑结构性能检查技术的发展将发挥着重大的作用，它可为国家和企业节省很多金钱和精力，也能避免企业在生产安全方面和人民的财产方面不必要的损失。

一、混泥土结构检查技术

在整个房屋建筑工程中的安全性、实用性、经济性，都和混凝土结构工程的质量好坏有直接的联系，混凝土结构检查技术也越来越受到了重视，这些检查项目主要包括混凝土材料检测、构件检测、混凝土强度检测等。

在混凝土材料和构件检测中，为了检查其内部空洞、裂缝深度和完整性（特别是桩基）等缺陷，我们通常采用的是超声波检查技术。其基本原理是采用超声波检测仪，测量超声脉冲波在混凝土的传播速度、首波幅度和接收信号主频率等声学参数，并根据这些参数及相应变化，判定混凝土中的缺陷情况。由于混凝土是一种多项复合材料，均质性较差，对超声脉冲的吸收、散射衰减较大，因此，超声波在所检查的混凝土上传播，当遇到空洞和裂缝等缺陷部位时，超声波振幅和超声波的高频成分发生衰减。当超声波在传播中碰到混凝土的内部缺陷时，由于超声波的绕射、反射和传播路径的复杂变化，不同的叠加会使波形发生畸变。因此超声波正是根据声速、振幅、波形和频率等参数发生变化，来测定混凝土内部缺陷情况。

关于混凝土强度的检查主要有回弹法、超声法和钻芯法等。回弹法是以在混凝土结构或构件上测得的回弹值和碳化深度来评定混凝土结构或构件强度的一种方法，这种方法由于简便、灵活、准确、可靠、快速、经济等特点而倍受工程检查人员的青睐，但这种方法在使用过程中出现较多的操作不规范、随意性大、计算方法不当等问题，检查的精度往往不高；超声法可用于检测混凝土缺陷，也可用于检测混凝土强度。其基本原理就是根据监测到的波速推定混凝土强度。采用超声波测定混凝土强度在实际工程中应用局限性比较大；钻芯法是采用金刚石岩钻探技术和操作工艺，在结构混凝土上钻取芯样以检测混凝土强度和缺陷的一种检测方法，钻芯法是一种比较直观、准确、可靠的一种方法，但由于钻芯法检测费用较高，费时长，且对混凝土会造成局部损伤，因而在没有得到委托方的同意或容易产生严重后果的情况下，最好要慎用这种方法。

二、砌筑结构检查技术

比起混凝土结构检查技术的发展,砌筑结构检查技术的起步要相对晚一些，在技术成熟程度上也比混凝土强度检查略差一些。由于受我国传统结构的影响，目前国内大部分建筑结构仍采取的是砌体结构，这主要是砌体结构在取材方面比较方便，而且还具有保温、隔热、隔音等特点，因而一直被人们广泛使用。但砌体结构也存在很大的缺点，由于砌体承担着建筑物的承载作用，一旦砌体的承载能力不足，就会引起砌体的局部压裂、压碎、剪裂和拉裂等现象，再一砂浆与块体间的粘接力也比较弱，如果受到外界的强力作用，可能会因局部破坏造成整体失稳而倒塌。因而在建筑结构性能检查上，对砌体结构的检查是必不可少的。

砌体结构检查主要是进行抗压和抗剪强度的测定，它包含砖、石、砌块，砂浆等的强度。测定砌体结构的检查方法一般有现场检测法和间接检查法，现场检查法需要从墙体上截取试件，检测的难度大而又比较繁杂，影响的因素较多，且试件一旦被挪动，其强度会受到很大的影响，因而这种检查方法一般应用较少。间接检查法一般是对砌块和砂浆的强度进行测试，然后根据砌体结构设计规范直接确定砌体强度，对砌块强度的检查通常可以从砌体上取样，采取回弹法、取样结合回弹法或钻芯法。

三、钢结构检查技术

与混凝土结构和砌体结构相比，工程建设中钢结构的数量相对较少，钢结构具有以下特点：材质均匀、质量稳定、可靠度高；钢材的强度高，塑性和韧性好，抗冲击和抗振能力强。加上各行各业对钢结构检验方法比较完善，因而在检查技术上一般是通过借鉴和学习其它行业的先进方法，一般通常所采用的方法有：射线检测、超声波检查、磁粉检查、渗透检查、TOFD检测等。射线检测是利用射线（X射线、Y射线、中子射线等）穿过材料或工件时的强度衰减，检测其内部结构不连续性的技术。超声波检查是利用超声波在金属、非金属材料及其工件中传播时，材料的声学特性和内部组织的变化对超声波的传播产生一定的影响，通过对超声波受到影响程度和状况的探测了解材料性能和结构变化。磁粉检测是利用利用漏磁和合适的检测介质发现材料表面和近表面的不连续性的。渗透检查是利用液体的毛细血管作用，将渗透液渗入固体材料、工件表面开口缺陷处，再通过显像剂渗入的渗透液吸出到表面显示缺陷的存在。TOFD是当超声波遇到诸如裂纹等缺陷时，将在缺陷尖端发生叠加到正常反射波上的衍射波，探头探测到衍射波，可以判定缺陷的大小和深度。

四、建筑结构性能检测技术展望

随着工程技术的发展和检测要求的提高，建筑结构性能检测技术必将得到更广泛的研究。在今后的建筑结构性能检查技术上，更加准确、减少损伤、快捷方便无疑是已有建筑结构检验测试技术改善和提高的发展目标，开发新的检验项目，使检验测试技术更加完善则是这项技术发展的方向。

结语:

建筑结构性能检查将关系到人民生活的保障，因此就需要我们工程技术人员需具备扎实的理论基础，同时还需要制定一套严谨科学的检查方法。让我们一起发挥自身的优势，为努力推进我国建筑结构检查工作而奋斗，为构建社会主义和谐社会共创美好未来。

参考文献：

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【关键词】声波透射法；基桩；完整性检测

1 引言

在现行的检测技术中，无损检测被越来越多的人接受，成为了一种新的检测方式，特别是在各种大型工程、地下工程中得到广泛应用。在桥梁基桩桩身完整性检测中，声波透射法充分发挥了其准确性高，可定量分析出桩身缺陷的大小和确切部位的优点，具有较高的实用价值。

2 声波透射法测试原理及方法

内部的结构特性与外部环境条件等很多因素会制约混凝土的物理力学性质，混凝土的应力应变关系反应于它的声波传播特性。根据弹塑性介质中的波动理论，其应力波波速为：

其中E为介质的动态弹性模量；ρ为密度；μ为泊松比。混凝土的弹性模量和介质的强度之间存在一定的相关性。超声检测的理论依据是混凝土介质的物理力学指标（强度、密度、动弹模等）与超声波的各种传播参数（波幅、声时值、衰减系数和声速等）之间的相关关系。当混凝土介质的构成材料以及均匀度、施工条件等所有内、外因素大多数一致时，超声波在其中的传播参数也会是一致的；超声波在传播中遇到存在缺陷的混凝土介质时，超声波会产生异变，声时、声速、声幅、频谱等各项参数都会产生变化，检测桩基完整性可通过高精密声波发射-接收仪器及传感器来记录与描述。

3 声波透射法测试方法

3.1 主要仪器设备

超声检测仪器设备主要采用：中国科学院武汉岩土研究所RSM-SY5智能声波检测仪1台及CH-1型声波跨孔测试换能器3只。

3.2 检测方法

首先向所有被检测的混凝土灌注桩预埋声测管内注满清水，用钢卷尺准确测量出桩顶各个声测管之间的净距离。缓缓将声波跨孔测试换能器分别置于预埋管中的两个声测孔的底部，让其高度保持一致，记录好深度，每隔25cm布置一个测点，基桩声波透射法现场检测示意图参见图1。为保证检测的准确性，确保各测点发射与接收换能器累计相对高差不大于2cm，并且随时校正其高度，如果发现测试结果异常，则必须对数据不合理部位重新检测。缺陷的位置和范围通过对测、斜测、交叉测及扇形扫测等各种测试方法确定。以每两声测管为一个测试剖面，对同一基桩所有剖面分别进行检测。

图1 桩基声波透射法现场检测示意图

3.3 数据处理及判定

可以用以下三种情况来判定桩身混凝土异常的临界值：

（1） 声速判据

在混凝土中超声波的传播速度（波速）Vp依据实测声时值tp、测距L计算得出：

其中：

t0为声时值初读数，t/为声时值修正值。

式中D为测管外径，d为测管内径，d/为换能器外径，Vt为检测管壁厚度方向声速，Vw为水的声速。

μp（μt）、σv（σt）分别为波速平均值和波速标准差。

如果实测混凝土声速值低于声速临界值，则应将其作为可疑缺陷区。

（2） 波幅判据

用波幅平均值减6dB作为波幅临界值，当实测波幅低于波幅临界值时，应将其作为可疑缺陷区。

式中 AD―波幅临界值（dB）；

Am―波幅平均值（dB）；

Ai―第i个测点相对波幅值（dB）；

n―测点数。

（3） PSD判据

采用斜率法作为辅助异常判据，当PSD值在某测点附近变化明显时，应将其作为可疑缺陷区。

式中：tci---第i个测点的声时；

tci-1---第i-1个测点的声时；

Zi---第i个测点的深度；

Zi-1---第i-1个测点的深度；

如果发现混凝土声速和波幅值出现异常并判为可疑缺陷区，必须用水平加密、等差同步或扇形扫测等方法进行更细致的测量，结合波形分析确定桩身混凝土缺陷的位置及其严重程度。

4 结语

随着现代铁路、公路的繁荣发展，很多重点工程都要求对桩基进行超声波无损检测。声波透射法优点众多，具有很广阔的市场前景。本文浅析声波透射法的基本原理和检测方法，旨在给该领域提供简单参考，还有很多缺陷和不足，有待进一步去完善。

参考文献

[1] 中华人民共和国行业标准.建筑基桩检测技术规范（JGJ 106 C 2003），北京：中国建筑科学研究院，2003

[2] 罗骐先.桩基工程检测手册，北京：人民交通出版社，2003

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Abstract: The paper discussed the quality test of concrete pile survey by ultrasonic method.

关键词：原理方法；测试技术；适用范围

Key words: principle and method; test technology; applicable scope

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）12-0112-01

1 基本原理及方法

混凝土是由多种材料组成的多相非匀质体。对于正常的混凝土，声波在其中传播的速度是有一定范围的，当传播路径遇到混凝土有缺陷时，如断裂、裂缝、夹泥和密实度差等，声波要绕过缺陷或在传播速度较慢的介质中通过，声波将发生衰减，造成传播时间延长，使声时增大，计算声速降低，波幅减小，波形畸变，利用超声波在混凝土中传播的这些声学参数的变化，来分析判断桩身混凝土质量。

声波透射法检测桩身混凝土质量，是在桩身中预埋2～4根声测管。将超声波发射、接收探头分别置于2根导管中，进行声波发射和接收，使超声波在桩身混凝土中传播，用超声仪测出超声波的传播时间t、波幅A及频率f等物理量，就可判断桩身结构完整性。

2 适用范围

声波透射法适用于检测桩径大于0.6m混凝土灌注桩的完整性，因为桩径较小时，声波换能器与检测管的声耦合会引起较大的相对测试误差。其桩长不受限制。

3 仪器设备

3.1 试验装置

声波透射法试验装置包括超声检测仪、超声波发射及接收换能器（亦称探头）、预埋测管等，也有加上换能器标高控制绞车和数据处理计算机。

3.2 超声检测仪的技术性能应符合下列规定：接收放大系统的频带宽度宜为5～50kHz，增益应大于100dB，并带有0～60（或80）dB的衰减器，其分辨率应为1dB，衰减器的误差应小于1dB，其档间误差应小于1％。

3.3 换能器应采用柱状径向振动的换能器，将超声仪发出的电脉冲信号转换成机械振动信号，其共振频率宜为25～50kHz，外形为圆柱形，外径Φ30mm，长度200mm。换能器宜装有前置放大器，前置放大器的频带宽度宜为5～50kHz。绝缘电阻应达5MΩ，其水密性应满足在1MPa水压下不漏水。桩径较大时，宜采用增压式柱状探头。

3.4 声测管是声波透射法检测装置的重要组成部分，宜采用钢管、塑料管或钢质波纹管，其内径宜为50～60m。

4 测试技术

4.1 预埋声测管应符合下列规定：桩径0.6～1.0m应埋设双管；1.0～2.5m应埋设三根管；桩径2.5m以上应埋设四根。声测管底端及接头应严格密封，保证管外泥冰在1MPa压力下不会渗入管内。上端应加盖。声测管可焊接或绑扎在钢筋笼的内侧，检测管之间应互相平行。

在检测管内应注满清水。

4.2 现场检测前应测定声波检测仪发射至接收系统的延迟时间t0，并应按下式计算声时修正值t'：

t'=（D-d）/Vt+（d-d'）/Vw

4.3 检测步骤应符合下列要求：测量时上述发射与接收换能器可置于同一标高，当发射与接收换能器置于不同标高时，其水平测角可取30～40°。

测量点距20～40cm。当发现读数异常时，应加密测量点距，以保证测点间声场可以覆盖而不至漏测。

每组检测管测试完成后，测试点应随机重复抽测10％～20％。其声时相对标准差不应大于5％；波幅相对标准差不应大于10％。并对声时及波幅异常的部位应重复抽测。

5 检测数据的处理与判定

5.1 由现场所测的数据应绘制声时－深度曲线及波幅（衰减值）－深度曲线。

5.2 桩身完整性应按下列规定判定：应采用声时平均值μt与声时2倍标准差σt之和作为判定桩身有无缺陷的临界值。并应按下列公式计算：

式中，

n―测点数；tci―混凝土中第i测点声波传播时间（μs）；μt―声时平均值（μs）；σt―声时标准差。

波幅（衰减量）比声速对缺陷反应更灵敏，可采用接收信号能量平均值的一半作为判断缺陷临界值。波幅值以衰减器的衰减量q表示。波幅判断的临界值qD有下列关系：

式中，

μq―衰减量平均值（dB）；qi―第i测点的衰减量（dB）；n―测点数。

对超越临界值的测区应进行缺陷分析与判断。

6 工程实例

某特大桥桩基础进行声波透射法检测，现场测试工作于2009年6月11日完成。大桥桩基础采用钻孔灌注桩，被测桩编号为Z2－1#，桩径Ф1200mm，桩长26.8m，桩身混凝土强度等级C30，桩端持力层为砾砂，土层自上而下为：粘土，粉质粘土，粗砂，砾砂。

声波透射法按《建筑基桩检测技术规范》JGJ106-2003有关规定进行，桩内埋设3根测管，通过测量整个桩身检测区域内的超声波传播时间，观察接收到的信号幅度变化，来分析判断桩身结构完整性。本次检测采用RS-ST01C型非金属超声检测仪。

该桩同时采用反射波法进行检测，所用仪器为武汉岩海公司RS-1616K（S）基桩动测仪，实测时域曲线。

根据声波透射法检测结果分析，桩顶下7～7.5m处，16.5～17.5m处及28.0～32.0m处均有明显的波峰，前两个波峰处其Ktz・Δt值（即PSD判据值）分别为200及580左右，这两处缺陷为局部夹泥，而桩顶下28.0～32.0m处六对测向均无法接收到超声信号，判断该桩28.0～32.0m处桩身混凝土严重离析，不合格桩。

由反射波法测得的时域曲线图可看出，该桩桩顶下32.0m处有与入射波同相位的明显反射波，判断为该处桩身混凝土严重离析，与声波透射法检测结果基本吻合。

参考文献：

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关键词：声波透射法；基桩检测； 应用研究；

中图分类号：C35文献标识码： A

1.声波透射法在基桩检测的应用的基本概念

在目前的生产实践中，对基桩进行检测时主要从基桩的完整程度与基桩的承载能力两个方面进行。一般来说，如果基桩的完整程度能够达到设计要求，那么基桩的承载能力应该亦能符合要求；但是如果反过来，基桩的承载力可以达到设计要求，那么基桩的完整程度不一定能符合标准。所以，在对基桩进行检测时，对其的完整程度进行检测是一个非常重要的步骤。一般来说，对基桩的完整程度检测有钻芯法与声波透射法这两种方法。这两种检测方法比较而言，钻芯法的优势是检测结果较为直观可信。但是相对的，这种方法的劣势也是较为明显的，那就是钻芯法只能够局部的反应基桩内部的状况，不具有代表性，此外，由于基桩的长度、基桩上存在的不能用钻芯法检测的盲区以及基桩自身存在的一些隐性缺陷，直接导致这种检测方法检测出的结果布局说服力。与此相反的是，声波检测法虽然较为复杂，但是其极高的准确率使得其在很多的工程实践中得到工程人员的青睐。

2.声波透射法检测基桩的基本原理和检测方法

2.1声波透射法的基本原理

运用声波透射法检测基桩时，应预先在那些需检查的基桩内竖直安装适量的声测管，保证声测管是相互平行的。在检测时，先将收发换能器和超声波发射器安置在预先安装好的声测管中，然后再在声测管中注入适量的清水，再由超声波发射器发射出超声波，发出的超声波将穿过那些等待检测基桩表面上的混凝土，然后被预先安装好的声测管检测到。由于基桩中的混凝土的结构表现呈多孔不均匀，超声波在穿过它时会发生一定程度的折射、反射与绕射，这造成的结果就是发射出的超声波的幅度、声速以及波形都发生了一定程度的变化，发生的这些变化反过来可以印证基桩的完整性是否达到设计要求。接下来，进行检测的过程人员便可以根据接收到的声波的幅度、声速以及波形对集装袋完整性进行系统科学的研究分析。

2.2用声波透射法检测基桩的方式与检测基桩的仪器

在运用声波透射法对基桩进行检测时，检测孔的常用的方式一般有检测单孔、检测双孔以及检测桩外孔；检测探头降升的常用方式有同步水平方式、同步高差方式以及重叠声阴影方式与扇形扫射方式。

2.3基桩完整程度的检测

基桩完整程度的检测包括基桩自身完整程度的检测与组成基桩的混凝土缺陷的检测。

基桩自身完整程度的检测。检测基桩自身的完整程度时，主要是依靠对声速、波幅以及K・ΔT图像的分析。分析声速时，应先求出平均声速，再用平均声速与其两倍的标准差做差，从而判断是有否存在问题的临界值。分析波幅时，由于波幅对于基桩中存在的微小缺陷十分敏感，再求出接收的波幅的能量的平均值后，用平均值的二分之一的大小来对基桩的完整程度进行评估。 分析K・ΔT图像时，应先取高程与声波图像上的任意两点，求出该图线的斜率K的大小，再用K与ΔT做积，对求出的K・ΔT进行分析，继而判断基桩的完整程度。

混凝土缺陷的检测。一般来说，对混凝土缺陷检测时主要是利用声波的声速、频率、波幅以及波形所表现出的各个特点来进行分析研究。在实际的研究分析中，不能单纯的只是依靠对声波各个特性的分析来确定混凝土中是否存在缺陷。由于声速的大小与混凝土的弹性程度有直接关系，声波的波幅的形状和混凝土弹性程度有直接关系，所以通过对声速各个指标的分析能够为混凝土缺陷的检测得出较为合理科学的结果。对混凝土缺陷的检测的实际操作步骤简单的可以划分为一下五步：

（1）运用平测的方式对基桩各个需要检查的剖面仔细的进行全面系统的检查；

（2）将检查的结果记录下来并进行系统科学的分析，从而确定是否存在异常情况的剖面；

（3）如果在以上的检查步骤中发现存在异常情况的剖面，就对那些剖面在进行更加系统更加全面的检查；

（4）将各个剖面的检查结果进行综合，从而推断出基桩中混凝土的缺陷状况；

（5）得出既庄重混凝土的缺陷状况的数据后，用这些数据对自己装的完整程度进行评估。

2.4对基桩中混凝土质量评估方法的缺陷

根据相关的规定，在对基桩的完整程度进行评估时依据基桩自身是否有缺陷和缺陷的程度深浅，可以将基桩的完整程度划分为A、B、C、D四个等级。此外，还可以根据基桩中存在异常状况的剖面的分布情况来对基桩的完整程度的类别进行划分。但是，毫无疑问，混凝土是由多种不同材料复合而成，在混凝土结构内部存在多种不同的界面，再由于外界地理、气候等各方面因素的影响，导致在对基桩的混凝土缺陷的检测当中，或多或少的都会存在因这些因素形成的有异常情况出现的剖面。所以，在实际的检测过程当中不能只是单纯的按照上诉的那些标准进行评价，如果生搬硬套，即使在检测中出现A类基桩，但是实际上却是相差甚远，甚至可能连B类的要求都难以达到。所以在实际的生产操作中，应综合声波各项特性的数据与混凝土正常的偏离情况以及异常剖面所呈现的波形与混凝土正常情况下呈现的波形进行系统的分析，从而对基桩中的混凝土的质量作出正确的评估。

3.运用声波透射法检测基桩的实例研究

菏泽市某一大型结构物的基桩是用钻孔的方式灌注的，该结构物的基桩长度为63m,基桩的直径为1800mm。在对结构物基桩的完整程度进行检测时采用的是当今最为先进的非金属材料的超声波检测器。进行检测前，在预先确定好的基桩中埋下四根检测管，四根检测管的摆放是呈正方形的，并同时保证它们是相互平行放置的。然后再在检测管中注入足够的清水，然后进行检测。在进行检测的时候，应采用细测与普查相互结合的方式。在进行普查时，一般运用的方式是对测法，测量时两个点的间距应保持在0.25m，在移动时应该让两个测点以相同的高度进行等距的移动，在测试的过程中认真记录各个声学数据以及换能器所在的不同的深度。如果在检测的过程中出现异常的数据，那么就应该对那些出现异常数据的测量点进行更加精确的测量。

综合各个剖面的检测情况可以发现，在基桩的桩顶下方PSD图线发生了非常明显的突变，声波的波形已经发生很大程度的扭曲，呈现为喇叭形。之后，施工单位针对出现的状况对那些基桩钻孔、取芯，得到的检测结果和超声波的检测结果相同。施工方在经过认真的讨论研究后，对那些存在缺陷的地方进行了切割、压浆的处理，在处理后再次对其进行检测，通过对声波各个指标的分析，检测结果与上次检测结果大同小异。施工方仔细分析整个过程，发现出现错误的原因是因为在施工过程中灌注的不连续造成的，即也就是因为施工的过程中停歇的时间过长导致基桩的某些薄弱地方出现缺陷。在该大型结构物的建设过程中，运用声波透射法可以及时的排除基桩中可能存在的问题，从而保证整个结构物的质量能够符合预期的要求。

4.结语

在基桩的检测中用声波透射法，能够较为精准的判断基桩中是否存在缺陷。笔者相信，随着科学的不断发展，检测基桩的方法将会不断完善，检测仪器也将更加精密，声波透射法在基桩的检测中将会作出更大的贡献。

参考文献：

[1]石志坚；浅谈声波透射法在基桩检测的应用方法[J]；中国科技纵横；2001(04).

[2]梁翠英；刍议声波透射法在基桩检测的应用途径[J]；太原科技；2006(08).

[3]李志明；声波透射法在基桩检测的基本原理[J]；岩土工程界；2002(09).

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关键词：超声法;混凝土缺陷;检测

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：

1超声波检测混凝土缺陷的基本原理

采用超声脉冲波检测混凝土结构缺陷的基本原理是,利用脉冲波在技术条件相同(指混凝土的原材料、配合比、龄期和测试距离一致)的混凝土中传播的时间(或速度)、接收波的振幅和频率等声学参数的相对变化,来判定混凝土的缺陷。由于超声脉冲波传播速度的快慢,与混凝土的密实程度有直接关系,对于原材料、配合比、龄期及测试距离一定的混凝土来说,声速高则混凝土密实,相反则混凝土不密实。当有空洞或裂缝存在时,便破坏了混凝土的整体性,超声脉冲波只能绕过裂缝或空洞传播到接收换能器,因此传播路程增大,测得的声时必然偏长或声速降低。另外,由于空气的声阻抗率远小于混凝土的声阻抗率,脉冲波在混凝土中传播时,遇着蜂窝、空洞或裂缝等缺陷,便在缺陷界面发生反射和散射,声能被衰减,其中频率较高的成分衰减更快,因此接收信号的波幅明显降低,频率明显减小或者频率谱中高频成分明显减少。再者经缺陷反射或绕过缺陷传播的脉冲波信号与直达波信号之间存在声程和相位差,叠加后互相干扰,致使接收信号的波形发生畸变。根据以上原理,可以利用混凝土声学参数测量值和相对变化综合分析、判别其缺陷的位置和范围,或者估算缺陷的尺寸。

2 超声波在混凝土结构无损检测中的应用

土木工程无损检测技术有助于评估新旧建筑物的稳定性和整体性，能够对新旧建筑物整体或部分作质量状态监视，能够用来估计建筑材料和结构的性质和性能。

2.1 超声波对混凝土裂缝深度的检测

由于施工不慎混凝土未捣实、施工中因温度变形和干燥收缩、早期施工过载以及混凝土承载后产生的受力损伤等都会形成裂缝，利用超声仪可以检测出上述裂缝的开展深度及以后的开展情况，其所用的方法主要包括双面检测法和单面检测法。

2.1.1 双面检测法。双面检测法是当构件截面不大，而构件的两个侧面都能安放探头(发射探头、接收探头)时，直接探测裂缝的一种方法。如图1所示，探头分别置于1、2、3、4、5、6各对跨缝点。当发射、接收探头在构件两侧面相对位置移动时，测出不同位置的声波传播时间，量得声路的长度(各测点到裂缝截面边缘的水平距离)，从b-t关系曲线的突然转折处，即时间从变化转为平稳的过渡点，就是所要测的裂缝深度A。然而在通常的工程结构中很少有满足上述条件的，因而此种方法虽简单，但具体操作时却不一定可行。

2.1.2 单面检测法。单面检测法是当构件的截面很大或只有开裂的一个表面能够安放探头时沿面检测裂缝的一种方法。公路桥梁上的主梁裂缝由于条件的限制，其探测基本上也以单面法为多。对于单面检测法，最常用的方法要算tc―to法和BS4408标准方法，另外的方法还包括表面波的传播声时测量裂缝深度、利用超声波首波相位变化的方法检测裂缝深度、冲击回波法检测裂缝深度等，这里主要介绍一下tc―to法。如图2所示，首先在裂缝附近完好的表面，选择一定的长度工作为校准距离，设这段距离为2a，在这段距离的两端安放探头，测出声波通过2a的时间为tc，再将发射与接收探头安放在裂缝两侧，并使两个探头至裂缝的距离都为a，测得通过裂缝处声波的传播时间：tc，如果裂缝与表面正交，以声波通过前后两处混凝土所传播的速度相等为条件，很容易推导出混凝土裂缝深度的计算公式：d=a[(tc/to)2-1]0.5在《超声法检测混凝土缺陷技术规程》(CECS21：2000)中对上述的tc―to法加以了改进，即在不跨缝进行声时测量时，将T和R换能器置于裂缝附近同一侧，使其内边距分别等于50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm共6个点，读取这时的声时值(to)1，由此可以画出相应的时－距坐标图。然后在跨缝进行声时测量时，取同样距离的6个点，相应读出这时的声时值(t)1，再根据相应的公式求出每个测点所对应的裂 缝 深 度值，最后取其平均值，这样做主要是因为探头声源并不是在探头中心点位置，通过上述方法可以求出声源的确切位置。

2.2 超声波对混凝土的不密实区及其空洞的检测。超声波检测混凝土内部不密实区及其空洞的原理就是当发射探头发射的超声波遇到空洞时，声波就产生反射使一部分能量衰减，另一部分将绕过空洞沿着孔壁传播，并最终将被安放在另一头的接收探头所接收，从而从超声仪上读出的时间与同类材料相同距离下的正常温凝土会有所差别。通过各测点时间读数的变化情况以及超声振幅、波形的变化，就可以推测混凝土内部空洞的大致尺寸，通常以该空洞的最大内径来表示。这里要注意的一点就是首先要用其它方法判断该混凝土内部是空洞还是缺陷，然后再进行下一步操作。在具体对混凝土空洞检测过程中需要布置大量的测点，如果该混凝土结构材料有两对平行测试面，用对测法即可；如果只有一对互相平行的测试面，应在对测的基础上还要进行交叉斜测，同时对可疑数据点区段内应加密测点。

3检测数据处理及判断

由于混凝土本身的不均匀性,即使是没有缺陷的混凝土,测得的声时、波幅等参数值也会在一定范围波动,更何况混凝土原材料品种、用量及混凝土的湿度和测距等都不同程度地影响到声学参数值;因此,不可能确定一个固定的临界指标作为判断缺陷的标准,一般都利用统计方法进行判别。

统计学方法的基本思想是:给定一置信概率(如0.99或0.95),并确定一个相应的置信范围(如mx±λ1・Sx),凡超过这个范围的观测值,就认为它是由于观测失误或者是被测对象性质改变所造成的异常值。如果在一系列观测值中混有异常值,必然歪曲试验结果,为了能真实地反映被测对象,应剔除测试数据中的异常值。

在超声检测中,凡遇着读数异常的测点,一般都要检查其表面是否平整、干净或是否存在别的干扰因素,必要时还要加密测点进行重复测试。因此,应该说不存在观测失误的问题,出现的异常测值,必然是混凝土本身性质改变所致。这就是利用统计学方法判定混凝土内部存在不密实和空洞的基本思想。

4 注意事项

1）在固定波幅下进行声时测读:在检测时，应将仪器首波幅度调整到一定高度再进行声时测读。 因为有无缺陷的混凝土波幅差异较大，且在同一测试条件下声时测读值随着首波幅度降低而增大, 所以为了使声时测值具有可比性，各测点都应将首波波幅调整到一定高度再进行声时测读。

2）在保持最佳耦合状态下进行声时测读:在检测时，应反复移动换能器至首波幅度达到最高再进行读数。 当出现移动换能器，波幅降低的情况时，应检查测点表面是否平整或耦合层中是否垫有砂砾等脏物，待排除干扰后再进行波幅测读。 因为检测时换能器的耦合状态是否良好对波幅测量值影响很大，所以检测时，应尽量保证换能器的耦合状态良好。

3）在保持首波不畸变及前三个波不截幅的条件下测量主频率:模拟式混凝土超声仪是通过测量首波周期或半周期来计算频率值,如果首波发生畸变，测试结果误差较大。 智能式混凝土超声仪一般是采用前三个波进行频率值判读， 如果这些波被截幅，频率值判读结果将会产生较大误差。 所以检测时，应在保持首波不畸变及前三个波不截幅的条件下测量主频率，以确保检测的准确性。

5.结束语

对结构或构件混凝土进行不密实区和空洞缺陷检测,不仅在监控混凝土的施工质量、消除工程隐患、加快施工进度等方面具有很重要的意义,而且对长久使用中的工程结构物进行质量鉴定,以便确定继续使用还是加固改造或者是推倒重新修建,也具有决定性的作用。超声波检测是工程中检测混凝土不密实区和空洞的较常用的一种方法,本文结合作者的工作认识,从超声检测原理、方法出发 ,详细阐述了构件不密实区空洞检测的数据处理技术,以供同行参考。

参考文献

[1]王韶先.混凝土超声检测技术的研究与应用.水力发电，1993-05-16.

[2]张建国，琚晓辉，路晋.水泥混凝土路面厚度超声检测系统研究.公路交通技术，2006-02-28.

[3]朱金颖，陈龙珠.混凝土受力状态下超声波传播特性研究.工程力学，1998-08-30.

[4] 沈在康. 《混凝土结构试验方法标准 》 GB50152-92 介绍 (续)[M] .建筑科学,1993, (04) :57-59.

篇10

【关键词】超声波 土木工程 检测

中图分类号： S969.1 文献标识码： A 文章编号：

一、前言

超声波检测是超声波无损检测技术的一种，适用于工程施工过程质量的监测及工程竣工验收和结构物使用期间质量的鉴定。常用穿透法，即一侧发射超声脉冲波另一侧接收通过被测物后的超声波。准确测定声速、首波幅度和波形，通过综合分析其大小及变化，可以推断混凝土的性能、内部结构及其组成情况，为解决工程问题提供可靠的依据。

二、超声检测的基本原理及其优点

超声检测技术是利用频率很高的超声波(一般为10～250kHz)作为信息的载体，对混凝土构件进行探测，测量超声脉冲纵波在结构混凝土中的传播速度、首波幅度和接收信号频率等声学参数，并根据这些参数的相对变化，判定混凝土中的缺陷情况。超声波用于混凝土结构检测的优点是检测可靠，测定迅速，操作简便，便于在现场使用，对系统不改变运行状态，另外研制成的仪器设备比较便宜，可用性好，寿命长，携带方便，所以应用非常广泛，将分别作一些简单的介绍。

三、超声检测在土木工程中的应用

1、检测混凝土强度

包括测定混凝土结构物现在强度及用于强度发展。变化有关的检测众所周知，超声法检测混凝土的强度基于混凝土强度R与超声波在混凝土中的传播速度V之间有较好的相关性。一般说来，混凝土强度越高，超声波传播速度越快。若预先建立强度R与声速V之间的函数关系式R—R(V)，即所谓的测强曲线，则可根据在实体结构物上测得声速反推混凝土的强度、原材料、配合比和混凝土的养护条件和龄期对测强曲线的影响比较敏感。目前，用超声脉冲法来推定结构混凝土强度主要有二个方法，即校准曲线法和修正系数法。

（一）校准曲线法

在试验室内制定一定数量的立方块，同时对试块进行测量声速和用破损方法实测抗压强度，然后建立强度R与声速V的关系规律，可用GRAPH'ILX3L软件对数据进行回归，这种方法，必须在混凝土的各种强度影响因素相同时，才能具有较高的精度。

（二）修正系数法

当被测混凝土的各项技术条件与建立曲线的原始条件不符时，则采用修正系数法，这种方法是在用数理方法求出该曲线的回归方程后，凡条件差异时，则乘以一定的修正系数加以修正。将超声脉冲法与回弹法综合使用超声回弹综合法，则既能反映混凝土的弹性，又能反映混凝土的塑性；既能反映表层状态，又能反映内部的构造；自然能比较确切地反映混凝土的强度。我国已经制定“超声回弹综合法检测混凝土抗压强度规程”，对于新建筑物的混凝土检测，超声法都可应用。日本在这方面曾经采用纵波速度+横波速度+纵波频率+横波频率十纵波脉冲幅度+横波脉冲幅度之和来综合评定强度。目前。国家规范及各地区都建立了基准测强曲线可供参考。但是应该注意到建立基准测强曲线时，混凝土试件是在不受力状态下测得波速的，而实际工程中的构件，则是处于不同的受力状态，那么推定混凝土强度时，受力状态下测得的波速是否需要修正，混凝土的应力应变关系是非线性的，弹性模量E随应力的增长而降低，而波速与E的关系则是混凝土超声测强的基础，经做试验，得出波速对应力的变化不敏感，当应力大于最大应力的百分之七十时，波速才有较明显的变化，因此对处于正常承载状态的承力构件，利用波速强度基准曲线推测混凝土的强度无须修正。

2、混凝土内部缺陷检测

混凝土裂缝检测

对于结构混凝土开裂深度不大于500 mm的裂缝，可采用平测法或斜测法进行检测。

（一）单面平测法。当结构或构件只有一个表面可供检测时，可采用单面平测法进行裂缝深度的检测。检测时可在裂缝检测部位以不同的测距同时按跨缝和不跨缝布置测点，分别测量超声波从T到R的声时值。将发射换能器T和接收换能器R以裂缝为对称布置在裂缝的两侧，其距离为li，测得超声波传播的声时为tio，再将换能器以相同的测距布置在裂缝同一侧完好混凝土的表面，测得相应的声时为ti。

（二）双面斜测法。

当结构的裂缝部位具有两个相互平行的测试表面(梁、板、柱等)时，可采用双面斜测法测量裂缝深度。将T，R换能器分别置于对应测点1，2，3⋯的位置，读取相应的声时值ti和波幅值A及频率值fi。当T，R换能器的连线通过裂缝时，超声波在裂缝的界面上产生很大的衰减，接收信号的波幅和频率明显降低。根据波幅和频率的突变，可以判定裂缝的深度以及是否在平面方向贯通。

3、混凝土不密实区和空洞检测

超声检测混凝土内部的不密实区域或空洞的原理，是根据各测点的声时(或声速)、波幅或频率值的相对变化确定异常测点的坐标位置，从而判定缺陷的范围。

检测方法

（一）对测法。当结构具有两对可=相平行的测试面时可采用对测法。在测区的两对相互平行的测试面上，分别腼间距为200mm--300 mm的网格，确定出测点的位置。

（二）斜测法。对于只有一对相互平行的测试面可采用斜测法。即在测区的两个相瓦平行的测试面上，分别绘出交叉测试的两组测点位置.

（三）钻孔法。当结构测试距离较大时，可在测区的适当部位钻出平行于结构侧面的测试孔，直径范同为45 mm～50mm，其深度视测试需要决定。

4、数据处理与缺陷判定

数据处理：采用3a法则或萧维纳准则等常用数值分析方法剔除异常数据。

缺陷判断：当测区中某些测点出现声时延长(或声速降低)、波幅降低、高频部分明显衰减的异常情况时，可结合异常点的分布及波形状态确定混凝土内部存在小密实区域和空洞的范围。

5、检测混凝土的厚度

混凝土结构的破坏层厚度，路面厚度以及隧道喷锚支护混凝土厚度的测量，都是有重要意义和实用价值，当前，超声检测混凝土的厚度主要有三种方法：一是窄脉冲探头法；二是脉冲相关法测量底面反射波；三是用分离谱法增强底面反射信号。众所周知，混凝土是非均匀介质，特别是粗骨料的声散射给检测工作造成很大困难，所以超声波法检测混凝土的厚度是当前国内外正在研究的难题之一，研究内容主要有两个方面，即超声换能器性能提高和信号处理方法，适合于混凝土检测用的宽带超声换能器的研制，对提高底波反射信号的灵敏度是很重要的。如何排除或减少直达波和散射波的影响，提高反射波的识别能力，则是信号处理的内容。国外学者TaknbayashiT和Ishida．等于1984年提出了用振动法测量厚度的方案，精度达到士5％，通过实验发现，不需要采用特制的超声换能器，只要用普通高频换能器作为发射探头，低频换能器作接收探头，而采用互相关分析法，即可准确找到反射波，且计算厚度与实际厚度的相对误差小于2％，值得推广使用。

结论

超声波检测方法是结构无损检测的重要手段。随着检测技术的不断发展和检测设备的不断进步，超声法在土木工程结构无损检测中的应用越来越广泛。为了充分发挥超声法的优势，提高其在土木工程结构无损检测中的应用前景，应着重研究超声法在强度检测中的相关强度方程，制订相关内部缺陷检测规范和试验操作规程，使超声法在土木工程结构无损检测中的应用更加规范化。

【参考文献】

[1]陕西省建筑科学研究院，同济大学．CECS21：90，超声法检测混凝土缺陷术规程Es]．北京：中国计划出版社，1992．

[2]朱金颖，陈龙珠．混凝土受力状态下超声波传播特性研究[J]．工程力学，1998，15(3)．