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混凝土超声检测知识

第一章声学概念

一、波形及其参数

波是物质运动的一种运动型式。波动可分为两大类：一类是机械波，它是由机械振动在弹性介质中引起的波动过程，如水波、声波等；另一类是电磁波，它是由电磁振荡所产生的变化电场和变化磁场在空间的传播过程，如无线电波、红外线、可见光等。

声波是物体机械振动时迫使周围介质也发生振动并使振动向外传播而形成的一种波动。人们通常听到的声波频率范围是20～20000Hz，叫可闻声波。但声波频率超过20000Hz时，人耳就听不见了，这种声波叫超声波。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表1-1。

表1-1 各种声波的频率范围（Hz）

次声波

次声波

0～20

可闻声波

20～20000

超声波

2×104～1010

特超声波

＞1010

在弹性介质中，任何一个质点作机械振动时，因为这个质点与其邻近的质点间有相互作用的弹性力联系着，所以它的振动将传递给与之相邻的质点，使邻近的质点也同样发生振动然后振动又传递给下一个质点，依次类推。这样振动就由近至远向各个方向以一定速度传播出去，从而形成机械波。从上述可知，机械波的产生必须要有产生机械振动的振源和传播振动的介质。

将接收换能器置于某点接收由声源传过来的声波，实际上就是接收该点在声波作用下

的振动过程。振动大小和方向随时间而变化的过程曲线就称为波形。超声仪屏幕上的图形就是传播到接收换能器所在位置质点振动位移随时间变化的曲线。

由于谐振运动是最简单的振动，所以它产生的余弦波是最简单、最基本的波。先讨论

余弦振动在均匀介质中传播的波动方程。图1-1表示离振源一定距离处的质点位移随时间的变化曲线，振源为一余弦振动。其振动方程如下：

y Acosωt （1-1）

式中 A——振幅

ω——角频率

t——时间

振幅

振

幅

A

T

时间

移

A波形参数：

A

周期T——相位相同的相邻的波之间所经历的时间称为周期。

频率f——周期的倒数称为频率，单位赫兹或 图1-1 波形图

千赫兹（Hz，kHz）。混凝土超声检测使用频率一般在20~200kHz之间，f与圆频率的关系为ω＝2πf。

振幅A——波动的幅度，表征波的强弱，通常以分贝（db）或直接以屏幕上波高度的电压表示。

波长λ ——声波波动一次所传播的距离。

波速v——单位时间波传播的距离，以m/s或km/s表示。波长、频率、波速间有如下关系：

v

λ = f （1-1）

例如超声波通过混凝土后被接收到，测得其频率为50kHz，超声波在混凝土中的传播速度为4500m/s，则由（1）式可计算出混凝土中超声波的波长：

二、波的分类

λ =4500?102

50?103

?9cm

声波在介质中传播时按照介质质点振动方向与波的传播方向之间的关系，可分为纵波、横波和表面波。

纵 波：介质质点的振动方向与波的传播方向一致，这种波称为纵波，又称为P波。可在固体、流体中传播。

横 波：介质质点的振动方向与波的传播方向垂直，这种波称为横波，又称为S波。只能在固体中传播。

表面波：沿固体表面传播的波，它是由纵波和横波组合而成，又称瑞利波，R波。通常的超声换能器置于混凝土表面发射时，振动状况复杂，既有纵向振动又有横向振

动，其发射出的超声波既有纵波也有横波和表面波。

三、声波在介质中的传播速度

在同一种介质中，不同种类的波具有不同的传播速度。

同一种类型的波，在同一种介质中，因为不同的边界条件，其传播速度也不相同。对于固体介质来说：

在无限大或半无限大介质中的纵波速度v：

P

E?

E

?（1?μ）（1?2μ）

1?μ

P=

在有限的固体中传播时，则形成制导波，传播速度变小。

在薄板中（板厚远小于波长）纵波的传播速度v：

L

E

Lv= ?（1?μ2） （1-3）

L

在细长杆中（杆的横向尺寸远小于波长）纵波的传播速度v：

o

E?v

E

?

o

在无限固体中横波的传播速度v：

S

G?E?1

G

?

E

?

1

2(1?μ2)

S

（1-5）

在固体表面传播的表面波速度v：

R

式中ρ——密度；

0.87?1.12μ

v=vR 1?μ S

v=

v

（1-6）

E——杨氏模量；G——剪切弹性模量；μ——泊松比

在同一种介质中，纵波速度横波速度表面波速度。从（1-2）、（1-5）、（1-6）式可知：

2(1

2(1?μ)

1?2μ

VP?

S

P一般固体，μ介于0-0.3左右，V

P

V

S

1.14，混凝土μ在0.2-0.3左右，V

PV

P

S

（1-7）

?1.63-1.87，

因为VR≈0