声波透射法判定混凝土缺陷的基本物理参量及特征

李占庆

摘要：当混凝土中存在缺陷时，超声波声速、声幅、频率和波形诸参量都有反映。首先是当混凝土内部存在缺陷时，在超声波发射探头与接收探头两者之间的通路上形成了不连续介质，低频超声波将绕过缺陷向前传播，在探测距离内，其绕射到达所需的“声时”比超声波在无缺陷的混凝土中直接传播时所需的“声时”长，反映出超声波的声速减小。其次是由于存在缺陷时，超声波在混凝土中传播时

声能衰减加大，接收信号的首波幅度下降。第三是由于混凝土存在缺陷时，高频成分比低频成分衰减快，接收信号的频率总是比通过相同测距的无缺陷混凝土接收到的频率低。最后，由于超声波在缺陷界面上的复杂反射、折射，使声波传播的相位发生差异，叠加的结果导致接收信号的波形发生畸变。据此即可对混凝土内部的质量情况做出判断。

关键词：声波透射法；物理参量；信号特性；

一、判别混凝土缺陷的基础物理参量

(1)声时值

由于钻孔桩的混凝土缺陷主要是由于灌注时混入泥浆或混入自孔壁坍落的泥、砂所造成的。缺陷区的夹杂物声速较低，或声阻抗明显低于混凝土的声阻抗。因此，超声脉冲穿过缺陷或绕过缺陷时，声时值增大，增大的数值与缺陷尺度大小有关，所以声时值是判断缺陷有无和计算缺陷大小基本物理。声速的测试比较稳定、重复性较好，受非缺陷因素响较小，在同一根桩的不同剖面以及同一工程混凝土配合比相同的不同桩之间可以相互比较，是判定混凝土质量的主要参数，但声速对缺陷的敏感度不及波幅。

接收声波波速与混凝土质量的关系。声波在混凝土中传播的波速反映了混凝土的弹性性质，而混凝土的弹性性质与混凝土的强度具有相关性，因此在混凝土声速与强度之间存在相关性。另一方面,对组成材料相同的构件(混凝土),其内部越密实,孔隙率越低,其声波波速越高,强度也越高。因此，构件（混凝土）的强度与声速之间亦应有相关性。但是，混凝土材料是一种复合体，其强度与声速的关系受到混凝土材料性质、配合比、龄期、硬化环境、施工工艺等多种因素的影响。

声波在混凝土中传播，当混凝土中存在异物（夹泥、蜂窝）及漏振不密实区（如空洞、夹泥等）时，由于混凝土与陷部位的特性阻抗相差悬殊，界面的声反射系数近1，因此声波很难穿透混凝土缺陷区域界面。由于低频超声波漫射的特点，声波又将沿缺陷边缘传播，声波在缺陷边缘处会产生折射、绕射、反射，使声测线（声波路径）拉长，所测得的声时要比正常混凝土声时要增大，在计算混凝土声速时，我们总是以换能器之间的直线距离L作为声传播距离，结果有缺陷处的计算声速（视声速)就降低。

有时混凝土内部缺陷是由较为疏松的材料构成（例如漏振等情况形成的蜂窝、孔洞或配料错误形成的低密实区)，由于这些部位的声速要比正常混凝土声速低，也会使得这些测点的声时加大。在这种情况下，声波分为两条路径传播；一是绕过缺陷分界面传播；二是直接穿过低声速材料。无论哪种情况，在该处的声时都会比正常部位长。因为，我们是以首先到达的波（首波）为准来读取声时值，总之，在缺陷部位测得的声速要比正常部位的声速小。

②影响声速测试值的因素。在测试结构混凝土声速时，所测得的介质声速受到一些因素的影响，在要求准确测量声速值的场合，应考虑这些影响因素，并加以避免或修正。

(2)波幅（或衰减）

当波束穿过缺陷区时，部分声能被缺陷内含物所吸收，部分声能被缺陷的不规则表面反射和散射，到达接收探头的声能明显减少，反映为波幅降低。实践证明，波幅对缺陷的存在非常敏感，是在桩内判断缺陷的重要参数。

接收声波波幅与混凝土质量的关系。接收波波幅是表征声波穿过混凝土后能量衰减程度的重要参数。一般认为，接收波幅的强弱与混凝土黏塑性有关。接收波幅值越低，混凝土对声波减就越大。根据混凝土声波衰减的原因可知，在混凝土中存在低强度区、离析区以及夹泥、蜂窝等缺陷时，吸收衰减和散射衰减增大，使得接收波波幅明显下降。波幅值可以直接在接收波上观测到（数字式超声仪可以直接显示波幅值)，测量时通常以首波（接收信号前半个周期）的波幅为准。后续波往往受其他叠加波的干扰，影响测量结果。幅值的测量受换能器与被测构件的耦合条件影响较大，在灌注桩检测中，在声测管中注满水进行耦合，一般比较稳定，但要注意使换能器在管中处于居中位置因此应在换能器上安装扶正器。        接收声波幅值与混凝土质量紧密相关，它对缺陷区的反应比声时更为敏感，所以它也是缺陷判断的重要参数之一。

②波幅检测。波幅是标志接收换能器接收到声波信号能量大小的参数，波幅的测量是对接收波首波波峰大小的测量。目前在波幅测量中一般都采用分贝(dB)表示法，即将测点首波信号的峰值a与某一固定信号量值a。的比值取对数后的量值定位该测点波幅的分贝(dB)值，表示为Ap=20lg(a/a0)。

(3)接收信号的频率变化

当超声脉冲穿过缺陷区时，声脉冲中的高频部分首先被衰减，导致接收信号主频下降，即所谓频漂，其下降百分率与缺陷的严重程度有关。接收频率的变化实质上是缺陷区声能衰减作用的反映，它对缺陷也较敏感，而且测量值比较稳定，因此，也可作为桩内缺陷判断的重要依据。

接收波的主频。接收波主频的变化能够反映声波在传播过程中的衰减状况。超声脉冲信号是复频波，在传播过程中，其高频成分衰减（被吸收、散射等）大，主频逐渐向低频方向漂移，但主频的变化也受测距的影响，因此在不同剖面、不同桩之间的可比性不大，只用于同一剖面内各测点的相对比较，其测试值也没有声速稳定，因此目前主频指标只用于辅助判定混凝土质量。

②接收波频率变化与混凝土质量的关系。超声脉冲是复频波，具有多种频率成分。当它们穿过混凝土后，各频率成分的衰减程度不同，高频部分比低频部分衰减严重，因而导致接收信号的主频向低频漂移。其漂移的多少取决于衰减的严重程度。所以，接收主频率实质上是介质衰减作用的一个表征量，当遇到缺陷时，由于衰减严重，使接收主频明显降低。

(4)接收波形的畸变

接收波形产生畸变的原因较复杂，一般认为是由于缺陷区的干扰，部分超声脉冲波被多次反射而后到达接收探头。这些波束的前锋到达接收探头的时间参差不齐,相位也不尽一致,叠加后造接收波形的畸变，因此，接收波形上带有混凝土内部的丰富信息，如果能对波形进行信息处理，搞清波束在混凝土内部反射和叠加机理，则可确切地进行缺陷定量分析。但是目前波形信息处理方法没能解决，一般只能将波形畸变作为缺陷定性分析依据以及判断缺陷的参考指标。

声波透过正常混凝土后的波形特征：①首波陡峭，振幅大；②首波的后半周即达到较高振幅，包络线为半圆形；③首波（第一个周期的波）波形无畸变。

声波透过缺陷混凝土后的波形特征：①首波平缓，振幅小；②首波的后半周振幅增大不明络线呈喇叭形；③第一、二周期的波形有畸变；④当缺陷严重且范围大时，无法接收到波形。

参考文献

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