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对超声检测接收波形变化规律的探讨 吴庆曾 （原中国地质调查局技术方法研究所） 摘要：超声检测应用声学信息声时、波幅、频率、波形判断被测介质的物性。前三个信息均有定量或半定量数学表达式为依据，波形还无法有定量解释。为寻求波形的变化规律，采用模型试块进行试验，试验结果证实：符合声学边界条件的均匀介质，接收信号的波形基本与发射的子波具有相似性，介质中存在异物（缺陷）接收信号发生变异，可由斯奈尔定律、叠加定律作出解释，总结出一定规律。 关键词：声学信息；模型试验；缺陷；波形变异 前言 众所周知，非金属超声检测可利用声波穿透信号或反射信号的声速、波幅、频率、波形等声学信息对被检测介质的物性进行评价。 声速可由弹性波动理论导出的数学式为依据做出评价依据即： 纵波声速 ------------------------------ (1) 横波声速 -------------------------------(2) 式(1)(2)中――弹性模量；――密度；――泊松比；G――剪切模量 波幅的大小可由脉冲声波播距离和介质物性所决定的衰减系数来定量计算即：播了距离后球面波的波幅 --------------------------------------------------------(3) 式(3)中――声波发射点的振幅；――声衰减系数。 衰减系数 -----------------------------------------------(4) 式(4)中――由介质特性决定的比例系数；――由介质内散射特性决定的比例系数 ；――频率，故衰减系数是频率的函数，它可以解释声学信息频率与介质物性间的半定量关系。 但声波接收信号波形与被测介质物性的关系，很难有定量解释，本文将就此展开讨论其变化规律。 2. 解释波形信号变化规律的声学原理 声学边界条件下的非均匀介质，超声脉冲信号的接收波形难于给出定量解释，这是由于超声波在介质中传播规律比较复杂而引起的。特别是当介质内存在不同声(波)阻抗界面时，超声波在介质中将不完全沿直线波束传播到达接收点，同时还有不同声阻抗界面反射后到达接收点的信号。根据叠加定律，这些经不同路径传播到达接收点的超声脉冲信号叠加后，使接收波形不再是发射时的脉冲超声波形波形。这里把发射的脉冲波成其为“子波”。 在此，有必要对叠加定律加以描述。叠加定律的定义是：振动系统同时受到两个以上驱动力作用时，所产生的振动为各个力分别作用时的和[1]。 超声检测中，经常发生的有两种情况：①是振幅、相位不同、频率相近两个或多个波的叠加；②振幅、相位不同、频率相差较远的两个波的叠加。图1、图2给出连续正弦信号叠加后的干涉波形，它简单说明了波的叠加干涉现象。实际脉冲波的叠加往往是千变万化的 [2]。 下面将借用叠加定律，通过模型试验来探讨声波透射接收波形变化的一般规律。 3. 超声透射模型试验应遵循的原则 超声模型试验，是研究声波传播规律的重要手段。旨在用尺度较小的模型试验来探讨和论证工程现场混凝土结构物中声波的传播规律。但是模型试验一定要尊守模型试验相似准则，即模型尺度的缩小和探测频率的提高是成比例的。 决定选用频率500KHz纵波换能器(辐射面尺度为18mm)，模型尺度定为50mm。可类比现场用50KHz换能器(辐射面尺度约40mm)在500mm尺度的梁、柱、桩上的检测。 模型材质的选择，选用声学边界条件下的均匀介质和非均匀介质两类。均匀介质采用有机玻璃、紫铜、致密的闪长岩、水泥砂浆(经过细筛过的细砂)试块，非均匀介质采用人工嵌入石子(粒径10mm左右)的细沙水泥砂浆试块。 模型试块和测试系统如图3。图中前列为不同材质的模型试块；后列是测试系统，采用自制发射电路驱动换能器辐射超声波，接收采用UT2025C型数字示波器接收放大、显示波形。 4. 模型超声测试的方法及测试结果 将500KHz超声换能器与不同材质模型试块用凡士林耦合。发射电路提供的脉冲电压约400V，500KHz接收换能器接收到的信号直接送入数字示波器放大显示。鉴于我们最为关注的是子波和接收到的直达波波组，故试验结果主要将他们加以显示，如表1。 表1. 500KHz换能器在不同材质相同尺寸模型的超声波形穿透波形 序号 介质 尺寸 (mm) 声 时 () 声 速 （m/s） 超声波穿透信号波形 测试内容或方法 1 子波 初读数 t0=0.72 子波的提取方法 T：发射换能器 R：接收换能器 2 有机 玻璃 18.0 2770 3 紫铜 9.92 5040 4 闪长 岩 8.96 5580 5 水泥砂浆