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1、第3卷第8期岩土工程界勘察测试与分析论声参量波幅的应用吴庆曾(地矿部桩基无损检测协会,北京100812)[摘要]对被测介质中存在的异常体波幅比声速反应更灵敏,但应用波幅必须保持换能器耦合的一致性。讨论了异常体在有效接收声场不同部位时,波幅及声时的变化,并用模型及工程测试结果说明了波幅在超声检测中的作用。[关键词]换能器耦合一致性发射声场有效接收声场众所周知,在非金属超声检测中超声波波幅比声1-alA=Ame(1)速(或声时)对被测介质的物性、介质内部存在的异常lAm—发射点的波幅;A—经传播距离l后的波
2、体(例如砼中的各类缺陷、岩体中的破碎带、裂隙、空洞等)能更加灵敏的作出反应。我国在声参量综合应用幅;a—介质声衰减系数,1/l—球面波扩散衰减。当介质内存在异常体,如结构混凝土内夹杂的异物、蜂窝、研究方面十分重视,波幅应用已被列入有关技术规程,如“超声法检测混凝土缺陷技术规程”(CCES21:90)、裂缝、不密实区、空洞;岩体中的破碎带、裂隙、溶洞等(这里所说异常体应理解为低速异常,它们仅是局部的“基桩低应变动力检测规程”(JGJ/T93-95)等。尽管如此,我国波幅声参量超声检测中的应用也并非完善小范
3、围的随机的分布在被测介质内),超声波的声线复盖了这些低速异常体时波幅如何变化?显然用(1)式无缺,现就笔者近年来参与检测研究的体会论述如下。是无法对其作出解释的。此时应从发射声波的声场和1波幅声参量应用的先决条件接收换能器的灵敏度指向性进行分析。波幅参量实际上反映的是发射至接收穿过被测介2.1发射换能器的声场鉴于混凝土、岩体的声速一般在3000m/s以上,质声能的变化。因此,波幅声参量对被测介质的特性能更加灵敏的作出反应。但它也带来测试中的弊端,所使用的频率在30kHz～50kHz,换能器声波幅射面的当
4、换能器与介质耦合状态有所变化时,所测声时值(声线度均小于波长,故不论使用平面测试的夹心式换能速)尚未明显作出反映,而声波波幅却出现了较大的变器,还是孔中测试使用的圆管形换能器,都可看做是点化。笔者研究表明:无论是平面测试还是孔中测试,在根源,从总体上可将被测介质看作是均匀体,则发射换同一测点换能器随机多次耦合测取声时及波幅,由于能器的声场便是以换能器所在位置为圆心的半球面耦合状态的不一致。声时的误差仅1%～3%,而波幅(平面测试)或球面(孔中测试)分布(图1中以O点为的变化可达百分之几十到大于100%。
5、圆心的同心圆)。耦合引起的波幅变化大到能掩盖被测介质特性及2.2接收换能器的有效“接收声场”缺陷所引起的波幅变化时,人们就会放弃对波幅声参同理,接收换能器的接收灵敏度指向性也是以换能量的应用。在早期的研究中特别注重了换能器性能及器为圆心的同心圆(图1中以O′点为圆心的同心圆),上其耦合状态一致性等技术措施。如孔中测试不再使用述O点及O′点为圆心同心圆相交点的连线便是接收有明显径向指向性的增压式换能器,而只用圆管型径换能器的理想“接收声场”的空间分布(图1)。这些同向振动换能器;加装扶正器保持换能器耦合的
6、一致性;心圆交点连线轨迹满足椭圆方程平面测试在应用波幅时则必须采取保证耦合一致性等x2y2+=1(2)22一系列措施等。ab故波幅声参量应用的先决条件是保持换能器耦合(2)式中的a及b分别的椭圆的长半轴及短半轴,的一致性。O及O′为椭圆焦点,OO′=2c称焦距,而a与b有下222列关系c=a-b。由此可见,在满足椭圆方程的情2介质内部异常体对超声波幅影响机理分析况下a及b值越大椭圆越大,接收灵敏度将越高,而O均匀介质内超声波幅随传播距离l的衰减如下式:至O′连线是理想“接收声场”最灵敏的部位。但a与b大
7、到一定程度,受发射换能器发射声功率及超声仪的[收稿日期]2000-04-01;[责任编辑]王延忠。9勘察测试与分析GEOTECHNICALENGINEERINGWORLD2000年8月接收灵敏度、接收换能器灵敏度的制约,对介质内存在的异常体不再能作出反应。a、b值所决定的椭圆空间范围称之为有效“接收声场”。显然,有效“接收声场”的范围大小由换能器及超声检测仪的性能所决定。图3异常体在有效接收声场不同部位对波幅影响图1均匀介质中接收声场的分布有效“接收声场”在空间的完整分布实际是一个椭圆球体,被测介质内存
8、在的异常体如在有效“接收声场”范围外,波幅值对它不能作出反应。在实际检测中,接收声信号的波幅测取如图2所示。由于换能器制作工艺上的差异,首波A可能是上跳度(图2(a)),也可能是下跳度(图2(b))。当介质中的异常体出现在有效“接收声场”范围内,整组接收信号波幅都会发生变化,但我们只测取首波波幅,因为它是最先到达的,不会象首波波组后面的续至波有可能受到被测介质边界反射波干涉叠加,因而首波最能反映被测介质的特性。图4缺陷处于有效声场不同部位的
