声波检测仪校准装置

❶ 声波检测的原理

(1)检测原理

声波检测的基本原理与地震勘探的原理十分类似，是以研究弹性波在岩土介质中的传播特征为基础。声波在不同类型的介质中具有不同的传播特征。当岩土介质的成分、结构和密度等因素发生变化时，声波的传播速度、能量衰减及频谱成分等都将发生相应的变化，在弹性性质不同的介质分界面上还会发生波的反射和折射。因此，用声波仪器探测声波在岩土介质中的传播速度、振幅及频谱特征等，便可推断被测岩土介质的结构和致密完整程度。

例如，当对某岩体(或硐)进行声波探测时，只要将发射点和接收点分别置于该岩体或硐的不同地段，根据发射点和接收点的距离和声波在岩体中的传播时间，即可算出被测岩体的波速v。也可根据声波振幅的变化和对声波信号的频谱分析，还可了解岩体对声波能量的吸收特性等，从而对岩体作出评价。声波检测过程如图5.31所示。

图5.31声波检测过程示意图

(2)检测仪器

声波仪主要由发射系统和接收系统两部分组成。发射系统包括发射机和发射换能器。接收系统由接收机、接收换能器和用于数据记录和处理用的微机组成。

发射机是一种声源讯号发生器。其主要部件为振荡器，由它产生一定频率的电脉冲，经放大后由发射换能器转换成声波，并向岩体辐射。

电声换能器是一种实现声能和电能相互转换的装置。其主要元件是压电晶体，一种天然的(或人工制造的)晶体或陶瓷。压电晶体具有独特的压电效应，将一定频率的电脉冲加到发射换能器的压电晶片时，晶片就会在其法向或径向产生机械振动，从而产生声波，并向介质中传播。晶片的机械振动与电脉冲是可逆的。接收换能器接收岩体中传来的声波，使压电晶体发生振动，则在其表面产生一定频率的电脉冲，并送到接收机。

根据测试对象和工作方式的不同，电声换能器也有多种型号和样式，如喇叭式、增压式、弯曲型等，还有测井换能器和横波换能器等。

接收机是将接收换能器接收到的电脉冲进行放大，并将声波波形显示在荧光屏上，通过调整游标电位器，可在数码显示器上显示波至时间。若将接收机与微机连接，则可对声波讯号进行数字处理，如频谱分析、滤波、初至切除、计算功率谱等，并可通过打印机输出原始记录和成果图件。

❷ 　声波法

固体中的机械波是声波。由于其作用力的量级所引起的变形在线性范围，符合虎克定律，也可称其为弹性波。声波检测和浅层地震、面波勘探同属弹性波“动测”技术。

声波检测（Sound Wave Detecting）所使用的波动频率从几百赫到50千赫（现场原位测试）及50到500千赫（岩石及砼样品测试），覆盖了声频到超声频，但在检测声学学科领域中称其为“声波检测”。其测试原理与浅层地震相同，但使用频率及测时精度均高于浅层地震勘探。

应提及的是，这里所阐述的声波检测包含被动声波检测，即不需要振源的地声检测技术。

12.3.1基本原理

声波检测技术中有三个声学参量，即声速（俗称波速）、声波波幅及频率，可对介质的物性做出评价。当前应用最多的是声速，其次为波幅，频率参量也日渐加入应用。

声波可以评价岩体（及混凝土）的性状，更可提供物理力学参数，但固体的声速和介质的几何尺寸有关。无限体（大块的岩体）、一维杆（防滑桩）、二维板（挡土墙）的声速表达式中的动弹性力学参数不尽相同，边界条件不一样，有必要对它们分别讨论。

12.3.1.1无限（无界）固体介质中的声速

无限体指的是介质的尺寸远比波长λ

波长A是一个基本的声参量，其物理含意是声波波动一个周期T所传播的距离。所以A=T·C式中C为声速。而周期 T与频率f存在T=1/f，因此A=T·C=C/f。大，理论及实验证明，当介质与声波传播方向相垂直的尺寸D＞(2～5）λ，此时的介质可认为是无限体。

声速是介质质点弹性振动的传递（传播）速度。由弹性理论可知，在无限固体介质中由应力引起弹性应变过程的波动方程为：

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式中：θ为体积膨胀率，

表示在声波扰动下体积相对变化；u_x、u_y、u_z分别为x、y、z方向的位移；λ、μ为拉梅常数；▽²为拉普拉斯算子，

；p为介质密度。将12.6式中的第一式对x求导，第二式对y求导，第三式对z求导，然后相加，可得：

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设

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式中：E为弹性模量；σ为泊松比，两者都是介质的弹性常数，它们与拉梅常数λ、μ之间有一定互换关系。将（12.8）式代入（12.7）式，可有：

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显然，（12.9）式中的C_l具有速度的量纲，代表介质内由质点振动传递过程引起的体积膨胀率的传播速度，也就是纵波的传播速度，人们常用v_P表示。即：

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纵波的质点振动传播的物理过程可用图12-6a表示。可见，质点的振动和传播方向是一致的。

图12-6纵波及横波质点传播过程

从三维角度看，质点的振动还可以与传播方向相垂直，这种波动称之为切变波或横波，它不引起固体微元的体积变化，故从12.6式中令θ＝0可求得：

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式中：C_t代表横波传播速度，人们常用v_s表示。

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式中：G为剪切模量。横波的质点振动传播的物理过程可用图12.6b表示。

（1）声速与弹性力学参数：由（12.10）及（12.12）式可见，只要测取岩体的纵波及横波声速v_p及v_s，并已知岩体密度p的情况下，便可以获取岩体的动弹性模量E、剪切模量 G及泊松比σ，对岩体的动力学特征做出评价。故动弹性力学参数可由下列公式计算：

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（12.14）及（12.15）式中v_P及v_S以m/s计，p以kg/m³计，E、G的单位为Pa。

（2）用v_P/v_s评价岩体质量：泊松比σ反映的是岩体弹性性能，即在应力作用下产生纵向（应力方向）相对变形量与横向（应力垂向方向）相对变形量之比的倒数，反映的是岩体的“软”、“硬”程度。由于泊松比与纵、横声速之比有着密切的关系，所以常用纵、横波速度之比来反映岩体的物理性状。纵、横波速度比v_P/v_s与泊松比σ的关系如表12-5。

显然，v_P/v_s值越大，岩体越“软”。通过大量的统计，v_P/v_s的量值与岩体的完整程度如表12-6。

表12-5纵横波速度比 v_p/v_s与泊松比σ的关系

表12-6v_P/v_s的量值与岩体的完整程度

（3）声速岩体完整性指数：评价岩体的质量也可以只用纵波声速。例如“工程岩体分级标准”（GB50218-94）规定，可以用岩体的纵波波速v_Pm与岩石的纵波声速v_Pr按（12.6）式测算出岩体完整性指数K_v。

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显然岩体包含的裂隙、节理比小体积的岩石要少，故 K_v＜1。可见，它反映的是岩体的完整程度。由完整性指数，可对岩体的工程力学性质进行分类，如表12-7。

表12-7工程兵某部的岩体分类研究

（4）声速与岩性：不同岩性由于其结构、矿物组合、成因、地质年代等因素的不同，声速是不同的。又由于节理、裂隙等结构因素，它们的声速并不固定，而分布在一定范围。表12-8是常见到的几种有代表性岩体的纵波声速统计值。

表12-8常见岩体的纵波声速统计值

（5）声速与岩体风化：同一种岩性风化程度的不同其声速有着明显的区别（表12-9）。以长江三峡三斗坪坝岩体风化程度与纵波声速为例，说明用纵波声速划分岩体风化的可行性。

表12-9风化岩石纵波声速值（波速单位km/s)

（6）声速与岩体的裂隙：众所周知，岩体裂隙无论是原生的还是后期因地应力作用产生的次生裂隙，裂隙的出现便是岩体风化的开始。所以，有必要论述声速与岩体裂隙及风化相关的机理。

声学理论中的“惠更斯原理”对这一机理做出了合理的解释。惠更斯原理指出：弹性介质中，在某一时刻 t，声波波前上的所有点，均可视为该时刻开始振动的新的点振源，各点振源产生新的球面波，这些球面波在 t＋△t后波前的包络的叠加组合，形成新的波前，如此循环不已。故当波动的前方有裂隙存在时，在裂隙尖端所产生的新的点振源将可绕过裂隙继续传播，形成波的“绕射”。绕射的过程声线“拉”长，声时（声波传播的耗时）加长，使视声速降低，故声速不仅可对岩体的风化程度加以划分，对岩体中存在的裂隙有着极为敏感的反映，特别是张裂隙。

（7）声速与岩体结构的关系：岩体的结构可分为四类：整体块状结构、层状结构、碎裂结构、散体结构。声波在整体块状结构中的传播速度最快。后三类结构中，由于岩体的节理裂隙发育程度不相同，声波在这种非均质介质中传播，将会在不同的波阻抗界面产生波的反射、折射、波形转换等，使声线拉长，从而使声速随结构的复杂而降低。但在声波的传播中还有一个原理，即“费玛原理”。费玛原理指出：声波从一个点向另一个点传播，会沿着最短、最佳、最不费时的路径传播。这就决定了随着岩体结构的不同，声波的传播走时是会有一定规律的，其关系如表12-10。

表12-10声速与岩体结构

（8）声速与地应力：裂隙对声速的影响称之为“裂隙效应”。岩体受到外界应力作用时，其变形首先是裂隙的压密，由此可使声速提高。但当应力超过强度极限，岩体又会出现新的裂隙而使声速下降。图12-7是四块岩石试块（砂岩）应力与声速关系的实测曲线。

图12-7岩石应力与超声波波速的关系

P—压力方向；F—发射换能器；S—接收换能器

根据上述原理，对岩体做应力释放处理测取应力释放前后的声速，然后再对取得的岩心加压测量其声速，可推测出地应力的量值及方向。

12.3.1.2有限固体介质中的声速

（1）一维杆的声速：固体介质的尺寸和波长满足下列关系称为一维杆。即：

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式中：λ为波长，D是一维杆直径，L是一维杆的长度。这时杆轴线方向的纵波声速存在下列关系：

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显然，

与无限体的纵波声速相差

0.25,

，见（12.10式），当σ＝0.2～

（2）二维板的声速：当固体二维板在x及y方向的尺寸远大于：方向尺寸，且z方向的尺寸L_z＜λ时，二维板在x及y方向的纵波声速如下：

而横波声速不依赖几何尺寸。

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讨论—维杆及二维板的纵波声速，目的在于对滑坡体治理时可能采用抗滑桩及挡土墙等工程治理措施，其施工质量的检测大多会采用声波透射法及声波反射法。对于正常声速的取值及动弹性力学参数的测算，分别应使用（12.8式）及（12.9式）。抗滑桩使用混凝土的情况较多，一维杆使用反射波法对混凝土优劣的声速划分与用声波透射法不同，见表12-11。其不同的原因是反射波使用的声波频率在1kHz左右（A=4m左右）属一维杆的纵波声速，而声波透射法使用30kHz左右的频率（λ＝0.13m左右）属无限体的声速。

表12-11测桩混凝土声速分级

12.3.1.3声波的反射、折射及波型转换

声波在固体介质中的反射、折射及波型转换是岩体及砼声学检测的重要理论依据。

（1）垂直入射时的反射及透射：当固体介质不连续时，如存在波阻抗界面（波阻抗的定义是介质密度ρ与声速c的乘积，即Z＝ρc），如图12-8，如声波传播的声线与x=n的界面相垂直，则为垂直入射。在该界面处，质点振动振速 v及振动产生的声压P具有声压连续及振速连续，如下：

图12-8声波（平面波）的入射、反射及透射示意图

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式中：P、v为入射声速的声压及振速；P₁、v₁为反射声压与振速；P₂、v₂为透过的声压及振速。将波阻抗Z＝ρc关系代入上式可求出：

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（12.22）式中的R_P为声压反射系数，（12.23）式中的_Rv为振速反射系数。它们从不同角度说明声波反射的同一物理现象，声压反射系数说明了反射时质点振动的应力关系。同理可推导出声压透过系数。

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垂直反射比较简单，不产生波型转换。

（2）斜入射时的反射、折射及波型转换：如果在波阻抗界面处入射声波不是垂直入射，将产生反射、折射及波型转换，其规律见图12-9及图12-10。

图12-9声波斜入射时的反射示意图

注：

(a）纵波斜入射；（b）横波斜入射

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反射、折射规律遵循Snell定律，如（12.25）式：

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式中：α_l、

β_l、β_t的含意见图12-9及图12-10。由（12.25）式可得到一个重要的入射角，称为第一临界角α_i：

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该式说明：当纵波入射角等于第一临界角时，在比第一层介质声速高的第二层介质中的折射角等于90°，即折射波在第二层介质表面滑行。

（3）斜入射时的反射及折射系数：图12-9(a）纵波斜入射的反射系数 R_P（如式12.27），而图12-10(a）中声波的透过系数R_T（如式12.28）：

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（12.27）式及（12.28）式中的Z₁＝ρ₁c₁,Z₂＝ρ₂c₂，分别为上下层介质的波阻抗。

（4）声波的绕射及散射：用惠更斯原理可解释声波的绕射，前文已述及，不再赘述。

声波在介质中传播，如介质中含有随机分布的不同波阻抗的颗粒，而这些颗粒的几何尺寸 r＜λ（λ为波长），这时声波将被这些颗粒反射而散射开来，使声波不能全部向前传播形成声能的损失，这种现象称为散射。

12.3.1.4声波的波幅及声波的衰减

声波的传播是质点振动的传递过程，单位时间传递的距离就是“声速”，而质点在振动传递过程中其振动的幅度便是声波的“波幅”。声波波幅会随着质点振动相互碰撞，在将动能转换成热能的过程中，质点振动的能量耗损使其振动幅度渐减，称之为声波的衰减。声波的衰减显然随介质材质、结构及声波频率的不同而各异，同一种介质，声波频率高衰减快。

在声波检测技术的应用中，目前还没有用声波的衰减评价被测介质特性，而是通过测量声波波幅的变化检测诸如岩体内裂隙的发育情况、风化特征以及混凝土内部的各种缺陷等。

声波的波幅A与传播距离有下列关系：

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两式中：A_m为发射点的声波波幅；α为声波衰减系数，l为传播距离。（12.29）式适用平面波，（12.30）式适用球面波。

12.3.1.5声波的频率

由富氏变换可知，声波检测发射的脉冲波是由多个不同频率的正弦波组成。在岩体中随着传播距离加大，或由于岩体裂隙的发育程度、风化程度的不同，接收到的脉冲波的高频信号衰减快，使接收信号的主频（能量最丰富的频率）降低。故接收到的声波信号的频率特性，可反映出岩体的物理性状。

12.3.1.6声发射现象与凯萨效应

当岩体受到外力作用，例如地下残余应力、人为或自然界对岩体产生扰动引发的应力集中等，超过岩体的强度时，岩体内部将被破坏。这种破坏往往要经历一个过程，开始时局部产生微破裂，出现一些新的裂隙，当外应力增加，这种破裂的数量（次数）增加，新生的裂隙增加并延伸，外应力增加到一定程度后，最终造成整块岩体破损坍塌。在上述岩体受力破坏的过程中，每产生一次破裂，能量被释放并转换成一次脉冲波动，形成一组声脉冲，称为“声发射”。每出现一次声发射，即为一次声发射“事件”。

声发射现象产生的脉冲声波的频谱甚为丰富，据国外文献及国内有关单位研究，其频率的上限到兆赫，下限到千赫。因此，可以在距离声发射点几十米以外接收到声发射信号，一般接收仪器接收到的是主频数千赫以下的声发射脉冲波组。由所接收到声发射事件的次数、单位时间内事件数，及声发射信号的波幅强度等动力学特征，可对岩体是否失稳进行预报。

岩体声发射现象，还有一个特殊效应系由凯萨氏发现，定名为“凯萨效应”。从岩体上取下一块完整的岩石试样，放在材料试验机上缓缓施加压力，在所加压力未超过它历史上所受到应力之前，是不会发生声发射的。由此，从加压后开始出现声发射现象之前的一级压力，即为该岩体历史上所受到的最大应力。

12.3.2观测方法

声波检测（主动式）的全过程，可用图12-11加以说明。当今声波检测仪均已数字化，现以数字化声波检测仪的发射、接收、数据采集及信号处理过程说明声波检测的观测原理。

图12-11声波检测（主动式）原理框图

（1）声波的发射：传统的声波仪用压电型换能器的逆压电效应将电脉冲信号转换成机械振动，向岩体辐射声波，其透射距离在10m以内（频率20～50kHz）。为加大穿透距离，声波仪也可以用电火花、锤击等单次瞬态激励振源向岩体发射声波（频率约3kHz以下）。

（2）声波的接收：传统的声波仪多使用压电型接收换能器的压电效应，将经岩体传播后的声波信号转换成电信号，这些信号携带了岩体的物理力学及地质信息。

（3）放大及数据采集：见图12-11，由接收换能器送出的信号先经接收放大系统加以适当的放大，再经A/D转换数据采集系统对放大后的信号由A/D转换器将模拟信号转换成二进制数字信号，并按采样的时间顺序存储在随机存储寄存器（RAM），再将这些离散的二进制数字信号送入微电脑，最终接收换能器接收到的声波信号波形显示在电脑显示屏上。目前最高档的声波检测仪，在将波形显示在屏幕上的同时，可将接收信号的首波波幅及首波的到达时间（即声时）自动加以判读，同时加以显示。接收到的波形、波幅、声时等可存入电脑的硬盘或软盘，用作下一步的分析处理。上述声波信息可在专用的数据与信息处理软件的支持下，对被测介质作出评价。

（4）被动式声波检测：岩体中的声发射信号、滑坡体蠕动产生的摩擦声信号统称为“地声信号”。对这些信号的接收过程与图12-11基本相同，只不过没有声波发射系统，但接收是多通道的（三个以上），故称之为被动式声波检测。另一个重要的不同点是，它需要计时系统，记录出现地声的时刻，同时需对地声脉冲信号的主频、波幅量化处理后存储记录，统计出地声事件出现的频度。被动式声波检测仪必须长时间连续工作，提供不间断的观测记录。地声监测是地质灾害的勘查手段之一，对于研究地质灾害发展规律十分重要。

12.3.3检测方法

由检测对象及检测目的的不同，声波检测有多种方法。

12.3.3.1透射法

发射的声波经被测介质传播透过后，由接收换能器接收的测试方法为透射法。

（1）表面测试：工程场地的岩体、混凝土，如需检测内部结构特性、缺陷及力学性能，而目标体又有外露的测试面，可采用对测法，如图12-12(a）；只有一个检测面时，可采用平面测试法，如图12-12(b）。

表面测试多用于地下洞室、隧道、边坡、大型桥墩等如图12-13。

图12-12表面测试原理图

I—声波检测仪；T—发射换能器；R—接收换能器；M—检测介质

图12-13声波表面测试示意图

1～3—隧道及洞室；4—桥墩类

＞发射点；接收点

（2）跨孔测试：在两个相距一定距离的钻孔中，分别放入发射振源和接收换能器，如图12-14。具体方法有同步提升测试法，图12-14(a）；斜测法，如图12-14(b）；及扇面测试法，如图12-14(c）。

跨孔测试用于孔间岩体破碎带、岩溶、滑坡的滑带（床）的测试；扇面测试用于声波层析成像（CT）测试。此外，跨孔测试还用于防滑桩、挡土墙等地质灾害防治工程的工程质量检测。

如图12-15，在钻孔地面旁敲击，孔中用三分量检波器（或压电换能器）接收。横敲木板可测取地层横波声速，直接敲地面测取纵波声速。地面—孔中测井可用于测取地层动力学参数，划分地层，对滑坡体进行检测，掌握滑床（带）部位、物理性状等。

图12-14声波跨孔测试示意图

T—发射振源；R—接收换能器；H—钻孔

12.3.3.2折射法——单孔一发双收声测井

如图12-16，发射换能器 T近似点振源，故总有一条声线满足第一临界角，这时进入岩体的声波折射角为90°，射波沿孔壁滑行，以后又被相距L的R₁及相距为L＋△L的R₂接收，其声时分别为t₁及 t₂。声速v_P为：

图12-15声波地面—孔中测试示意图

I—声波仪；R—三分量检波器；B—帖壁气囊；M—岩体；H—钻孔；W—激振木板；P—压力；F—正向激振；F′—反向激振I—声波仪；T—发射换能器；R₁、R₂—接收换能器；M—岩体；H—钻孔

图12-16单孔一发双收声波测井原理

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单孔－发双收声波测井用于岩体风化壳划分及强度评价，深部地层的构造、软弱结构面、破碎带埋深及发育的勘查。

一发双收声波测井必须注意的问题是，接收换能器R₁在接收到沿孔壁滑行折射波的同时，还能接收到由井液中直接传播的声波，因此必须保证滑行波的走时t_.小于井液中传播的声时t_w，才能保证正确的测试。由于岩体的声速大于井液的声速，所以，只要加大发射换能器 T与接收换能器R1之间的距离 L(L称源距）即可达此目的。通过计算可求得最小的源距 L_min有下列关系：

（12.32）式中D为钻孔直径；α为换能器外径；C_w为井液声速；C_m为岩体纵波声速的最低值。

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（12.31）式说明，当一发双收换能器的直径及源距确定后，所能适用的钻孔孔径也就被限制在一定范围之内。用其在钻孔中进行测试之前，应按（12.31）式核算一下是否适应孔径。

12.3.3.3反射法

图12-17是桩（或混凝土挡土墙）反射波测试示意图。用手锤或力棒敲击桩顶产生入射波T，在桩底（或有缺陷 F）产生反射波R(R′）。接收传感器 T_，先后接收到直达波D、缺陷反射R′及桩底反射波R，即可由检测仪器I将它们依次记录。由记录的波形可判断桩是否完整，或有无缺陷，以及桩身混凝土声速，并由声速推断混凝土质量（强度等级）、缺陷的位置。

图12-17桩（墙）反射波测试

I—仪器；H—手锤；Tr—传感器；P—桩（墙）；F—缺陷；E—地层；T—入射波；R—桩底反射波；R′—缺陷反射波；D—直达波

上述桩的反射波法，实际是一维杆的“零”偏移距反射波法（也就是浅层地震所谓的最小偏移距反射法）。按此原理，还可以对地下连续墙、挡土墙进行墙体的完整性及深度检测。依此类推，也可以对地下隧道开挖面前方的岩体破碎带、溶洞等不良地质体进行“零”偏移距反射波法测试，目前已取得较好的实测结果。

12.3.3.4岩石样品的声波测试

（1）岩石样品（试件）声波测试的目的。岩石样品多由钻探取芯或工程现场取样获取。测试岩石样品的目的是：获取无结构面的完整岩石声速，作为评价岩体完整性的基础数据；研究声速与应力间的关系；利用凯萨效应掌握历史上曾受到过的地应力的最大值；提供岩石动弹性力学参数 E_d、G_d、σ等。

（2）岩样的几何尺寸与测试频率的选择。岩石样品几何尺寸较小，按有关规程规定，其尺寸应为5×5×5(cm）、5×5×10(cm）、φ7×5及φ7×10(cm）。为了获取无限体的声速，必须采用高频换能器测取纵波、横波声速v_p、_v。频率的选取原则是 D≥（2～5)A如2.1.1(B）节中的要求。因此，声波换能器的频率应在200～1000kHz，仪器的测量声传播时间的分辨率，应达到0.1μs。

表12-12多种声波检测方法总汇

（3）岩石样品的加工要求，见原地质矿产部《岩石物理力学性质试验规程》（1986年12月颁布）。

12.3.3.5多种声波检测方法总汇

因检测目的的不同，声波检测有着多种测试方法，各种方法又随探测距离各异，出现多种发射振源及不同接收方式。各种声波检测方法的总汇如表12-12。

12.3.4信号处理

我国的声波检测仪已普遍实现数字化并领先于国际水平。数字化的实现，加速了信号处理技术的提高。目前已在多个方面应用了信号处理技术，并开发出了相应的处理软件。

（1）为研究应用声波信号的频率特性，傅氏变换频谱分析技术普遍用于声波检测，并备有相应软件供用户使用；

（2）高、低、通数字滤波软件，用于滤除不同的干扰信号；

（3）积分处理对接收信号进行积分运算，将振动加速度信号转换成振动速度型信号及消除接收信号（直达波及反射波）的余振；

（4）多点平滑滤波将数字序列中的第i点信号（i=0、1、2、3、……N）与相邻的i+n个信号幅度相加除以i+n的值作为i点的波幅，目的是消除噪音使波形光滑；

（5）叠加处理将n次（n任选）发射、接收到数字信号序列逐点相加，使波幅增强，以提高信噪比，消除随机噪音。

上述信号处理软件，多已装入仪器，可以方便地调用。

12.3.5数据处理

数据处理的目的是用测取的声学参量，以及由它们衍生出的物理量评价岩体的结构、物理力学性能及混凝土结构强度、完整性等。

（1）声速计算：

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其含义与（12.10）式及（12.12）式相同。

（2）岩体完整性指数（K_v）：

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式中：vP_m为岩体纵波声速[km/s],vP_r为岩石试件纵波声速[km/s]。根据《工程岩体分级标准》（GB50218-94）,K_v定性划分岩体完整程度的对应关系如表12-13。

表12-13K_v定性划分岩石完整程度的对应关系表

（3）准岩体抗压强度（F_m）:

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式中：F_r为岩石试样的单轴抗压强度。

（4）岩体风化系数（I）：

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式中：

为完整岩体的纵波声速；

为风化岩体的纵波声速。

（5）动弹性力学参数：当测取了岩体及混凝土的纵波及横波声速，可求得下列动弹性力学参数

地质灾害勘查地球物理技术手册

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（12.36）至（12.38）式中：v_P、v_s为纵、横波声速；ρ为密度。

12.3.6仪器设备

（1）水文地质工程地质专用声波测井仪见表12-14。

表12-14水文地质工程地质专用声波测井仪一览表

（2）典型超声波（声波）检测仪见表12-15。

（3）电火花振源：为加大声波穿透距离，可使用大功率电火花振源。其原理是：在高压储能电容上充4～8kV电压，然后通过电缆及放电电极在水中瞬间放电，使水高热气化，产生激励脉冲声波。其特点是：能量可控、一致性好、能量大。便携式电火花振源的能量可达300～700J（焦尔），湘潭市无线电厂生产，型号XW5512A。

表12-15典型超声波（声波）检测仪

（4）发射与接收换能器：由于声波测试方法的不同，需要有多种换能器，满足不同的测试要求。现有定型生产的各类换能器，表12-16所示给出了它们的名称及主要技术性能、外形尺寸、耦合方法及适应的测试方法。

表12-16定型生产的各类换能器

参考文献

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董万里.1978.岩石动弹性性质的超声测试，岩体工程地质力学问题，中国科学院研究所编，北京：科学出版社工程岩体分级标准（GB50218-94).1995.国家技术监督局、建设部联合发布

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Wu Qingzeng.1992.Sonic Reflection for lnspecting The lntegrity of Foundation Pile,14th International Conger s on Acoustics

❸ 简述使用超声波探伤判断金属内部裂纹的方法

钢结构在现代工业中占有重要地位，更是海洋石油行业重要的基础设施，在国民经济和社会发展中起到十分重要的作用。钢结构在建造焊接过程中受到各种因素的影响，难免产生各种缺陷，甚至是裂纹等危害性较大的缺陷，若在建造过程中不及时发现并将其移除，将可能发生重大突发事件，甚至危及生命安全。因此，无损检测在建造环节中尤为重要，目前常用的无损检测方法有：射线检测、超声波检测、磁粉检测、渗透检测等，而超声波检测由于其效率高、灵敏度高、无辐射无污染等优点，在海洋钢结构的建造中得到广泛的应用。
1 超声波检测基础
超声检测是指超声波与工件相互作用，就反射、透射和散射波进行研究，对工件进行宏观缺陷检测、几何特性测量、组织结构和力学性能变化的检测和表征，并进而对其特定应用性进行评价的技术。
1.1 超声波检测原理
利用超声波对材料中的宏观缺陷进行探测，依据的是超声波在材料中传播时的一些特性，如：声波在通过材料时能量会有损失，在遇到两种介质的分界时，会发生反射等等，其工作原理是：
1）用某种方式向被检试件中引入或激励超声波；
2）超声波在试件中传播并与其中的物体相互作用，其传播的方向或特征会被改变；
3）改变后的超声波又通过检测设备被检测到，并可对其处理和分析；
4）根据接收的超声波的特征评估试件本身及其内部存在的缺陷特征。
通常用以发现缺陷并对缺陷进行评估的基本信息为：
1）来自材料内部各种不连续的反射信号的存在及其幅值；
2）入射信号与接收信号之间的传播时间；
3）声波通过材料以后能量的衰减。
图1 超声检测示意图
1.2 超声波检测的优点和局限性
1.2.1 优点
与其他无损检测方法相比，超声检测方法的主要优点有：
（1）适用于金属、非金属、复合材料等多种材料的无损评价。
（2）穿透能力强，可对较大厚度范围的试件内部缺陷进行检测，可进行整个试件体积的扫查。
（3）灵敏度高，可检测到材料内部很小的缺陷。
（4）可较准确的测出缺陷的深度位置，这在很多情况下世十分必要的。
（5）设备轻便，对人体和环境无害，可作现场检测。
1.2.2 局限性
（1）由于纵波脉冲反射法存在盲区，和缺陷取向对检测灵敏度的影响，对位于表面和近表面的某些缺陷常常难以检测。
（2）试件形状的复杂性，如不规则形状，小曲率半径等，对超声波检测的课实施性有较大影响。
（3）材料的某些内部结构，如晶粒度，非均匀性等，会使灵敏度和信噪比变差。
2 横向裂纹检验
横向裂纹不仅给生产带来困难，而且可能带来灾难性的事故。裂纹焊接中最危险的缺陷之一，他严重削弱了工件的承载能力和腐蚀能力，即使不太严重的裂纹，由于使用过程中造成应力集中，成为各种断裂的断裂源。正因为裂纹有如此大的危害性，像JB/T 4730， GB 11345，AWS D1.1， API RP 2X等国内外各大标准中都有“裂纹不可接受”等类似描述。而超声波检测对缺陷性质判定没有射线检测直观，如果检测方法不当等原因造成横向裂纹的漏检或误判，其都有不良结果：若把其他缺陷判为横向裂纹造成不必要的返修，进而影响材料韧性等性能；把裂纹判为点状缺陷放过，则工程就存在较大的安全隐患。所以正确选择探测方法和对回波特性分析，对横向裂纹的超声波检测尤为重要。
2.1 探头角度的选择
纵波直探头：横向裂纹属面状缺陷，一般和探测面垂直，而0°直探头适用于发现与探测面平行的缺陷，所以直探头不能有效的探测出横向裂纹。
横波斜探头：对同一缺陷，70°和60°探头声程较大，声波能量由于被吸收和散射造成衰减严重，尤其只在检测母材厚度较大的焊缝时，回波高度较低，对发现缺陷波和波形分析不利，进而影响是否为横向裂纹的判定。而45°探头具有声束集中、声程短衰减小，声压往复透射率高的特点，所以选用45°探头具有良好的效果。图2是70°，60°和45°探头在相同的基准灵敏度的前提下，对同一横向裂纹的回波比较：
（a）70°探头回波 （b）60°探头回波
（c）45°探头回波
图2 70°，60°和45°探头对同一横向裂纹的回波
2.2 横向裂纹的扫查
图3 焊缝UT扫查方式平面图
常见的焊接缺陷（如夹渣、未熔合、未焊透等）大多与焊缝轴线平行或接近平行，或以点状形式存在，针对这种情况，综合使用图3中的方式A、方式B和方式C即可，但该三种扫查方式对横向裂纹等与焊缝轴线垂直（与声束方向平行）的横向缺陷无回波显示，即无法被检出。为能有效探出焊缝横向裂纹应尽可能使声束尽可能平行于焊缝。可用如下几种扫查方式探测横向裂纹：
2.2.1 骑缝扫查
如果焊缝较平滑或焊缝加强高已经打磨处理，探头“骑”在焊缝上探测是检查横向裂纹的极为有效的方法，可采用在焊缝上直接扫查的方式，如图3方式D所示。
2.2.2 斜平行扫查
若焊缝表面较为粗糙且不宜进行打磨处理，为探测出焊缝中的横向裂纹，可用探头与焊缝轴线成一个小角度或以平行于焊缝轴线方向移动扫查，如图3方式E所示。 2.2.3 用双探头横跨焊缝扫查法
将两个斜探头放在焊缝两侧，组成一发一收装置，此时若焊缝中有横向裂纹，发射的超声波经反射后会被接收探头接收从而检出缺陷，如图4所示。
图4 双探头横跨焊缝扫查法
该三种方法各有特点，斜平行扫查操作简单、效率高、焊缝无需处理、耦合较好，但由于声束方向与裂纹不能完全垂直而造成灵敏度不高；双探头横跨焊缝扫查法操作精度要求高困难大、效率不高；骑缝扫查对焊缝表面要求较高，对埋弧焊或其他焊接方法但焊缝表面进过处理的焊缝，表面相对较平滑，能够有效的耦合，该方法较为直接，且效率高，灵敏度高，所以在很多情况下“骑缝扫查”是首选。
2.3 扫查灵敏度
按照各项目业主所规定的标准调节。
3 横向裂纹的判别
根据形状，我们把缺陷分为点状缺陷、线状缺陷和面状缺陷（裂纹、未熔合）。显然，反射体形状不同，超声波反射特性必然存在一定的差异，反过来，通过分析反射波、缺陷位置、焊接工艺等信息，就可以推测缺陷的性质。
横向裂纹具有较强的方向性，当声束与裂纹垂直时，回波高度较大，波峰尖锐，探头转动时，声束与裂纹角度变化，声束能量被大量反射至其他位置而无法被探头接收，回波高度急剧下降，这一特性是判定横向裂纹的主要依据。
检测过程中横向裂纹的判别可以按以下步骤：
1）在扫查灵敏度下将探头放在的焊缝缝上扫查（参考2.2节扫查方式）；
2）发现横向显示后，找到最高波，确定是否为缺陷回波；
3）定缺陷回波后，定出缺陷的具体位置，并在焊缝上做出标记；
4）探头围绕缺陷位置做环绕扫查（如图5所示）；
图5 环绕扫查示意图 图6 动态波形图1
环绕扫查时回波高度基本相同，变化幅值不大，其动态波形如图6所示，则可以判定其为点状缺陷；若环绕扫查时其动态波形如图7或图8所示，结合静态波形，可判断为横向裂纹，在条件允许的情况下可用同样的方法到焊缝背面扫查确认。
图7 动态波形图2 图8 动态波形图3
5）若条件允许可打磨到裂纹深度，借助磁粉检验（MT）进一步验证。
图9 横向裂纹MT验证
4 结论
超声波探伤是检出焊缝横向裂纹的有效手段，尤其是厚壁焊缝，射线检测灵敏度下降，难以发现其中的横向裂纹。用超声波检测方法，选择正确的参数、合适的扫查方式，掌握横向裂纹的静态和动态波形特点，能够有效的判别横向裂纹，这已举措已经在海洋石油工程的各个项目中得到应用，并多次准确成功检测出横向裂纹，保证了多项工程质量。

❹ 超声波检测桩基介绍

一说到超声波检测桩基，相关建筑人士还是比较陌生的，什么是超声波检测桩基？超声波检测桩基基本概况如何？以下是中达咨询为建筑人士梳理相关超声波检测桩基基本内容，具体内容如下：
中达咨询通过本网站建筑知识专栏的知识整理，梳理超声波检测桩基的相关内容：
什么是超声波检测桩基？
所谓超声波检测就是在灌注桩基前，在下钢筋笼的时候同时下三根到底的检测管，120°方向一根，一般安放在钢筋笼内侧，通过焊接与钢筋笼固定，长度超过桩基面，浇筑完混凝土后到达一定的龄期，用专用设备两两放入检测管内，通过超声波检测桩基的完整性。
超声波检测桩基主要原理：
超声波检测仪产生重复的电脉冲激励发射探头(发射换能器), 发射探头将电脉冲能量转化为机械振动能量, 接收探头将机械振动能量转化为电振动能量。发射探头发出的超声波经耦合而进入混凝土, 在混凝土中传播后为接收探头接收并转换成电信号传送至接收仪, 经过放大后显示在波屏上, 可以测读传播声时和首波波幅。将两探头以某等量的移动步距同时向上逐步提升直至桩顶, 并测读声时和首波波幅。根据两根导管的距离可计算出混凝土的声速, 进而得到声速及波幅与桩身深度的关系曲线, 通过曲线可判断桩身混凝土均匀性, 缺陷部位及缺陷性质。
在进行超声波检测桩基施工检测的过程中，前期准备的内容是什么？
检测仪器连同换能器必须每年送有关法定计量单位进行率定, 率定合格后方可使用。率定后在具体工程检测前, 必须确定仪器的零声时。确定方法有两种: 一是按规范进行公式计算; 二是进行现场率定。可取现场切割下来的两根声测管,注满清水紧靠在一起置于水池中, 按正常检测程序测量声时, 测3个数据取其平均值作为零声时,这种方法的好处是将仪器本身的误差(厂家给定)包括在内。如笔者所用仪器, 经确定为32Lm, 直接输入仪器即可, 一个工程标段如声测管是同一型号的则不用更改。在检测前要求施工单位配合将声测管管口焊割齐平, 两管管口基本等高, 大约在破除好的桩顶之上10cm , 管口焊渣清理干净, 灌满清水, 现场应备有220V电源。声波检测仪可使用内置电源(应充电) , 也可以使用交流电源, 但要保证交流电稳定以免仪器受损。
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❺ 现在有无测次声波的一仪器

有，并且比较容易制作。用一个大口径的喇叭就可以作为传感器，连接示波器就可以看到波形。

❻ 声波透射仪检定需要带什么

声波透射法指在预埋声测管之间发射并接收声波，通过实测声波在混凝土介质中传播的声时、频率和波幅衰减等声学参数的相对变化，对桩身完整性进行检测的方法。仪器设备
声波发射与接收换能器应符合下列要求：
1 圆柱状径向振动，沿径向无指向性；
2 外径小于声测管内径，有效工作面轴向长度不大于150mm；
3 谐振频率宜为30～50kHz；
4 水密性满足1MPa水压不渗水。
声波检测仪应符合下列要求：
1 具有实时显示和记录接收信号的时程曲线以及频率测量或频谱分析功能。
2 最小采样间隔时间小于或等于0.5μs，系统频带宽度为1～200kHz，声波幅值测量相对误差小于5%，系统最大动态范围不小于100dB。
3 声波发射脉冲宜为阶跃或矩形脉冲，电压幅值为200～1000V。
声波透射法现场检测图片
准备工作
1 采用标定法确定仪器系统延迟时间。
2 计算声测管及耦合水层声时修正值。
3 在桩顶测量相应声测管外壁间净距离。
4 将各声测管内注满清水，检查声测管畅通情况；换能器应能在全程范围内升降顺畅。
检测步骤
1 将发射与接收声波换能器通过深度标志分别置于两根声测管中的测点处。
2 发射与接收声波换能器应以相同标高（图10.3.3a）或保持固定高差（图10.3.3b) 同步升降，测点间距不宜大于250mm。
3 实时显示和记录接收信号的时程曲线，读取声时、首波峰值和周期值，宜同时显示频谱曲线及主频值。
4 将多根声测管以两根为一个检测剖面进行全组合，分别对所有检测剖面完成检测。
5 在桩身质量可疑的测点周围，应采用加密测点，或采用斜测（图10.3.3b）、扇形扫测（图10.3.3c）进行复测，进一步确定桩身缺陷的位置和范围。
6 在同一根桩的各检测剖面的检测过程中，声波发射电压和仪器设置参数应保持不变。