超声波桩基检测

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1、基 桩 检 测 的 常 用 方 法 之 一基 桩 检 测 的 常 用 方 法 之 一超声波法： 是在桩身预埋一定数量的声测管，通过水的耦合，超声波从一根声测管中发射，在另一根声测管中接收，或单孔中发射，可以测出被测混凝土介质的参数。由于超声波在混凝土中遇到缺陷时会波产生绕射、反射和折射，因而达到接收换能器时，根据声时、波幅及主频等特征参数的变化来判别桩身的完整性。鉴于目前公路桥梁工程大量使用大直径桩和超长桩，该方法将越来越多的使用在基桩的检测中。l声学理论l检测技术l测试方法l工程实例l声学基础l声波在介质中的传播速度l声波在介质界面上的反射与透射l声波在传播过程中的衰减l混凝土中的声波特性一

2、、声学基础 1、波动 波动是物质的一种运动形式，波动可分为两大类：一类是机械波机械波，它由于机械振动在弹性介质中引起的波动过程，例如；水波、声波、超声波等；另一类是电磁波电磁波，它是由于电磁振荡所产生的变化电场和变化磁场在空间的转播过程，例如无线电波、红外线、紫外线、可见光、雷达波等。声波声波: : 是弹性介质的机械波。人们所能听到声 波频率范围是2020KHz，即可闻声波。 当声波频率超过2020KHz时，人耳就听 不到了，这种声波就叫超声波，超声波，其频率范 围是20K20K100MHz 100MHz ；当频率低于20Hz的叫 次声波，人耳也听不到。各种声波的频率 范围见下表。次声波可闻声

3、波超声波特超声波0202020K20K100M100M2、谐振动 物体在一定位置附近作来回重复运动称为振动振动，例如摆的运动、汽缸中活塞的运动、弹簧振子的运动等，这些是可以直接看到的振动。又例如一切发声体的运动、在高频电压激励下压电晶体的运动，这些是不易或不能直接看到的振动。 相互间由弹性力联系着的质点所组成的物质，称为弹性介质弹性介质。需要进行超声检验的大量固体构件都是弹性介质。弹性介质是由相互间用小弹簧联系着的质点所组成。如图1-1所示。若这种介质中任何一个质点离开了平衡位置，则会产生使它恢复到平衡位置的力，这就是弹弹性力性力。 进一步来说明谐振动 可以用弹簧振子来说明谐振动。如图1-2所

4、示，弹簧左端固定，右端系一物体。为使讨论较为简单，设弹簧振子穿在光滑的水平玻璃棒上，以避免重力对运动的影响。设物体在位置0时，弹簧作用在物体上的力是零。这个位置就是物体的平衡位置，若把物体向右移动到位置B，这时弹簧被拉长，相应地有指向左方即向平衡位置的弹性力作用在物体上，使物体返回平衡位置。当物体回到平衡位置时，弹簧的弹力等于零，但物体在返回时获得了速度，由于惯性，它将继续向左移动。当物体在平衡位置左边时，弹簧被压缩，物体所受弹性力是指向右方，即平衡位置。这时弹性力作用是阻碍物体运动，直至物体停止在位置C。在这以后，物体在弹性力的作用下向右移动，情况和上述向左移动相似。这样，在弹簧的弹性力作用

5、下，物体在平衡位置的左右作重复运动，即振动。 取平衡位置0为X轴的原点，并设X轴的正向向右根据胡克定律，物体所受的弹性力F与物体位移x（即弹簧的变形量）的关系为： F=-kx (1.1) 式中：k弹簧的弹性系数； -力和位移的方向相反。 设物体的质量为m根据牛顿第二定律（ ），它的速度为： (1.2)xmkmFamaF 因为k和质量m都是常数，所以它们的比值可以用一恒量F表示,即： (1.3) 式中：角频率或圆频率。 代入上式，得： a=-a=-2 2x x (1.4) 从上式看出，上述振动的特征是：物体的物体的加速度和位移成正比且方向相反，这种振动称加速度和位移成正比且方向相反，这种振动称为

6、谐振动。为谐振动。物体在弹性力作用下发生的运动是谐振动。谐振动是最简单最基本的振动。任何复杂振动都是由许多不同频率的谐振动许多不同频率的谐振动所合成的。2/mk因为 = ,又得： +2x=0 (1.5) 根据微分方程理论，上式的解为： x=Acos(t+x=Acos(t+ ) ) (1.6) 式中 A,两个恒量； A振幅，它是质点离开平衡位置的最大 位移； t+振动的相位。 这是谐振动中位移x和时间t的关系式，称为谐振动的运动方程式，简称谐振动方程式谐振动方程式。 22dtxda22dtxd3、波的产生与传播 在弹性介质中，任何一个质点机械振动时，因为这个质点与其邻近的质点间有相互作用的弹性力

7、联系着，所以它的振动将传递给与之相邻近的质点，使邻近的质点也同样地发生振动，然后振动又传给下一个质点，依次类推。这样，振动就由近及远向各个方向以一定速度传播出去，从而形成了机械波。从上述可知，机械波的产生，首先要有做机械振动机械波的产生，首先要有做机械振动的波（声）源，其次要有传播这种机械振动的介质。的波（声）源，其次要有传播这种机械振动的介质。例如，把石子投入平静的水中，在水面上可以看到一圈圈向外扩展的水波。4、波的种类 波的种类是根据介质质点的振动方向和波的传播方向的关系来区分的。它主要分为纵波、横波、表面波纵波、横波、表面波等。(1) 纵波：介质质点的振动方向与波的传播方向一致，这种波称

8、为纵波，例如空气、水中传播的声波就是纵波，如图1-5所示。纵波又常称“ P”波。 纵波的传播是依靠介质时疏时密（即时而拉伸，时而压缩）使介质的容积发生变形引起压强的变化而传播的，因此和介质的容变弹性有关。任何弹性介质（固体、液体、气体）在容积变化时都能产生弹性力，所以纵波可以在任何固体、液体、气体中传播在任何固体、液体、气体中传播。 （3）表面波：固体介质表面受到交替变化的表面张力，使介质表面的质点发生相应的纵向振动和横向振动，结果使质点作这两种振动的合成振动，即绕其平衡位置作椭圆振动。椭圆振动又作用于相邻的质点而在介质表面传播，这种波称表面波，常以“ R”表示。 图1-7为表面波传播示意图。

9、图中示出了瞬时的质点位移状态。右侧的椭圆表示质点振动的轨迹。由图可知，质点只在xy平面内作椭圆振动而波在体表面（xz平面）沿x方向传播。振动的长轴垂直于波的传播方向，短轴平行于波的传播方向。表面波传播时，质点振动的振幅随深度的增加而迅速减小。当深度等于2倍的波长时，振幅已经很小了，因此，表面波多用于探测构件表面的情况。 5、波的形式 波的形式是根据波阵面的形状来划分的。如图1-8所示，声源在无限大且各向同性的介质中振动时，振动向各方面传播。传播的方向称为波线；在某一时刻振动所传到各点的轨迹称为波前；介质中振动相应相同的所有质点的轨迹称为波阵面。在任一确定的时刻，波前的位置总是确定的，只有一个波

10、前，而波阵面的数目则是任意多的。 按波阵面的形状可以把波分成平面波、球面波和柱面波。 （1）平面波：波阵面为平面的波称为平面波，其振源是一个作谐振动的无限大的平面。另外，从无穷远的点状声源（点源）传来的波，其波阵面可视为平面，也可称为平面波。 （2）球面波：波振面为球面的波称为球面波，其振源是一个点状声源。 （3）柱面波：波阵面为同轴圆柱面的波称为柱面波，其振源是一无限长的直柱形。6、波动方程 用数学方程式来描述一个前进中的波动，即描述介质中某质点相对于平衡位置的位移随时间的变化，该数学方程式为波动方程。由于谐振动是最简单的振动，所以由它产生的余弦波是最简单、最基本的波。因此，先讨论余弦振动在

11、均匀介质中传播过程所形成的余弦波波动方程。 如1-9所示，设一平面余弦波在无吸收的无限均匀介质中沿x轴的正向传播，波速为0、设0为波线上任意一点，并取其为坐标原点y轴为振动位移，若0点处质点作谐振动，从（1.6）式可知，其振动方程为： (1.7) 式中：A振幅；角频率； y0质点在时间t时离开平衡位置的位移。tAycos0 若是横波，则位移方向与X轴垂直；如是纵波，则位移方向沿着X轴。设B为波线上另一任意点，离开原0的距离为x。因为振动从0点传播到B点需要的时间为x/，所以B点处质点在时间t的位置等于0点处质点在时间(t-x)的位移，即 （1.8） )(cosvxtAy (18)式表示，在波线