混凝土质量检测声测法中的频漂与频散现象

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1、第12期广东土木与建筑No．122008年l2月GUANGDONGARCHII1ECTURECIVILENGINEERINGDEC2OD8混凝土质量检测声测法中的频漂与频散现象粱柏波陈久照2(1、广东工业大学建设学院广州510006；2、广东省建筑科学研究院广州510500)摘要：通过衰减系数的计算，运用经典吸收理论解析了混凝土质量检测声测法中的频漂现象，而驰豫吸收理论解析了违背经典吸收理论的频散现象的本质，并结合工程实例的信号波形解析频漂与频散现象。关键词：衰减系数；粘滞性；热传导；驰豫吸收混凝土检测中采用的声波一般都是

2、脉冲波(又称声脉冲)．脉冲波每次发射的持续时间短，重复简2频漂现象短发射．发射频率为50Hz或100Hz。经过频谱分析，该脉冲波又是一种由多种频率成分的余弦波叠加组引起媒质对声波吸收的原因很多．在经典吸收理成的复频波．而主频就是声波换能器的标称频率Ⅲ。论中．纯媒质中产生声吸收的原因有媒质的粘滞性、频漂：复频波在媒质中传播时，各种频率成分的热传导的作用。以下从流体的粘滞性、热传导所引起衰减量是不同的．一般都是频率高的成分比频率低声波的吸收去讨论声波在传播中频漂现象的本质[2]。的成分衰减大．因此其频谱的主频将向低频漂移，形2

3、．1粘滞作用的衰减系数成频漂现象媒质对声波产生吸收．媒质的粘滞性是声波衰减频散：复频波不同的频率在媒质中传播时，声波的的主要原因当粘滞媒质中相邻质点的运动速度不传播速度具有高频快、低频慢的现象，称为频散现象。同时．它们之间产生相对运动时会产生内摩擦力。也上述两种现象的本质都与声波在媒质里传播过称粘滞力程中能量的衰减有关。粘滞系数由切变粘滞系数t／和容变粘滞系数77”两部分组成，即：1衰减系数[13=专研+根据粘滞流体媒质中的波动方程可得出粘滞作声波在媒质用的衰减系数：中传播．由于衰减。+现象的存在．质点的振幅会相应地声源一

4、一器0c=一0c。(争3逐渐减小．衰减率图1声波衰减原理示意图正比于声波2．2热传导效应下的衰减系数的传播距离。如图1所示。引起媒质中声波吸收的另一个物理原因是媒质的热传导吸收。当非理想媒质中存在热传导时．相邻dA。(一ctA。()一dx的压缩区与膨胀区存在着温度梯度。使热量从梯度A。()=(C为待求常数)高部分流向梯度低部分。该过程就是熵的传递过程．由边界条件A。()l瑚；A∞，得：机械能转化为热能，且该过程是不可逆的[。Ao()；A00e媒质的热传导吸收系数为：式中：A。()分别为声源振幅和处的振幅；为衰减系数，a=l

5、n(Aoo／a。>／x。的量纲为[]一；的单貉‘=貉c一苦位为em；ln(Aoo／a。)为两个同量纲比值的自然对数，式中：为热传导系数；C、为定容与定压比热容；称为奈培(NP)；故衰减系数的单位是NP／em。为定压比热容与定容比热容的比值，即=c。592008年12月第12期梁柏波等：混凝土质量检测声测法中的频漂与频散现象DEC2008No．122．3经典吸收理论中的衰减系数=f～(Cv／C)，最后得出总的声吸收系数表达式：经典吸收理论认为媒质是不可压缩的．因而忽略容变粘滞系数77”，考虑了媒质的粘滞性与热传导[争(一)苦

6、]效应，总的声吸收系数公式口=+，即：式中：‘器[争(一1L)1表示当媒质内同时存在多种且其过程相互独立的驰因频率ft比于角频率，衰减系数与厂z成豫过程时．总的驰豫过程的吸收系数为正比厂越大则越大。复频波在混凝土媒质中传播时，频率高的成分比频率低的成分衰减量大．因此其4工程实例频谱的主频将向低频漂移．从而形成频漂现象以下为广东肇庆某桥梁工程其中一桩基的超声3频散现象波检测工程实例该桩采用武汉岩海RS—STO1D(P)跨孔超声波自动检测仪采集信号．其中试桩0墩5变化经典吸收理论的声吸收公式，得：桩为1300、=23m人工挖孔

7、灌注桩。l～2检测面测距为900mm利用岩海声波分析系统3．4．1版分A=+[(一)]，析波形信号．得到该检测面的声速一波幅曲线(如图总的吸收是由切变粘滞引起的声吸收A，和热3)与声时一PSD曲线(如图4)。传导引起的声吸收A，两部分组成。而A是一个与频率无关的常数．由媒质的粘滞性和热传导等物理性质所决定在实验中容易发现有时会出现不符合经典吸收理论的现象。A。不是常数，而随着频率厂的增大而减小，同时发现声速C随频率厂的增大而显著增大．这种现象称为频散(或色散)现象．可以根据驰豫吸收理论来解释这一现象根据驰豫吸收理论，R=C

8、p--C，C为外自由度定容比热容，为驰豫时间，有：c2=Po(1+RC~丽1-(o2v2Cw)。i÷谴酬{nl姆mec图4声时一PSD曲线利用声速平方公式，对声速传播速度进行讨论。从l2检测面中选取检测深度分别为7．6m当CO<<1(即很小)和f>>1(即很大)时，有：(12—0620测点)、17．21