声波检测的发射与接收

   

    声波检测技术,是应用频率在几百赫至几十千赫的弹性波,对非金属材料:例如岩体、岩石、混凝土构筑物、木材等进行物理力学性能及内部结构、不连续结构面、缺陷进行检测的一门较新兴的检测技术。在机理上它与浅层地震勘探同出一辙,但由于使用的频率较高,仪器的计时精度达微秒级,因而有较高的分辨能力,在岩石试件,混凝土试块测试时使用的频率可达几百千赫,测时精度高达0.05微秒,故有时又称其为“超声波检测”。

    鉴于当前我国研制与生产的声波(或称超声波)检测仪的技术水平,已处国际领先水平,本文将对声波的发射或称发射器及接收换能器,在不同检测方法中应具备的特性加以研讨。

    一、声波检测原理

　　声波检测是工程物探的手段之一。为解决复杂的工程地质勘察和岩土工程施工质量检测, 60年代后期,我国自行开发的声波或称超声波检测技术,并在上述勘察实际践中为解决不断提出的新课题,包括地质灾害勘察中的问题,在不断的发展,归结起来可用图1的框图来说明它的检测过程。声波(或超声波)所测的声学参数是:被检测介质L距离内的声波传播时间T、波幅A及波动的振动频率F。

　　介质内声波的传播,是质点弹性振动的传递过程,由弹性理论可知,在无限介质中不考虑体积压力作用时,用位移表示的各向同性的理想弹性体的波动方程如下:

    式中表示在声波扰动下体积相对变化,为体积膨胀率,ux,uy,ug,分别表示X、Y、Z方向的位移,K和L为拉美常数,为拉普拉斯算子,Q为密度。由(1)式经计算可有

    (3)及(5)式中E为弹性模量,G为剪切模量,²为泊松比,CL及Ct为纵波及横传播速度。可见,只要测准纵波及横波传播时间,计算出纵波声速CL及横波声速Ct,由(3)及

    (5)式可测算出介质的动弹性力学参数E、G及²。此外,声速尚可反映介质的密实程度及各种不连续面、缺陷、结构特征。

    理论证明在固体的自由界面上存在表面波,它是一种表面声扰动,大部分能量集中于表面下大约一个波长的厚度,其传播声速CR有下列关系:

　　　　　　

    这些成为面波勘探的重要理论依据。在有界体内的声波传播速度,不再由(3)、(5)式表

示,工程中最感兴趣的桩,可视为一维捍件,一维捍件的声速为

　　　　　

    声波在传播过程中,当介质的Q及C的乘积发生变化将产生反射、折射及绕射现象,使声线加长,视声速降低,这一规律成为检测岩体(或砼)中破碎带、溶洞及砼中的缺陷之理论依据。

    声波在固体介质中传播时,能量的衰减与介质物性有关,在工程使用中,大部分可以把声场按平面波计算,则声波的衰减,可用下式表示: