第三章公路工程中超聲波檢測技術(shù)3.1超聲波檢測概述超聲波檢測技術(shù)是近年來在道路路基路面中應(yīng)用一個新無損檢測新技術(shù)；特點(diǎn)：激發(fā)輕易、檢測簡單、操作方便、價格廉價；超聲波檢測技術(shù)早期應(yīng)用于建筑工程和巖土工程，在道路檢測中應(yīng)用前景廣泛。 比如：波速法測量巖石抗壓強(qiáng)度、判斷巖石性質(zhì)，評價建筑工程中水泥混凝土與鋼筋水泥混凝土材料質(zhì)量。公路工程中超聲波檢測技術(shù)第1頁超聲波（Ultra-sonic）：機(jī)械波（*與電磁波區(qū)分？）頻率：f

>20kHz（高于人耳能聽到頻率20-0Hz） （*超聲波與次聲波區(qū)分？）通常頻率越高，檢測分辨率越高；然而頻率越高，波長越短，碰到小尺寸集料時發(fā)生散射增加，波能損耗增大，也會引發(fā)測量誤差增加。所以超聲波檢測頻率選擇：100kHz>f

>20kHz

人狗貓蝙蝠海豚發(fā)聲范圍（Hz）85-1100452-1800760-150010000-107000-10聽力范圍（Hz）20650001000-10150-150000公路工程中超聲波檢測技術(shù)第2頁機(jī)械波與電磁波對比：相同點(diǎn)：1、都有波一切特征，如：都能產(chǎn)生反射、折射、干涉、衍射等現(xiàn)象。2、波速、波長、頻率之間含有一樣關(guān)系。不一樣點(diǎn)： 1、產(chǎn)生機(jī)理不一樣；

機(jī)械波是由機(jī)械振動產(chǎn)生；電磁波產(chǎn)生機(jī)理也不一樣，有電子周期性運(yùn)動產(chǎn)生（無線電波）；有原子外層電子受激發(fā)后產(chǎn)生（紅外線、可見光、紫外線）；有原子內(nèi)層電子受激發(fā)后產(chǎn)生（倫琴射線）；有原子核受激發(fā)后產(chǎn)生（射線）。 2、介質(zhì)對傳輸速度影響不一樣

①機(jī)械波傳輸速度由介質(zhì)決定，與頻率無關(guān)。

②電磁波在真空中傳輸速度相同，均為3×108m/s。在同種介質(zhì)中不一樣頻率電磁波傳輸速度不一樣。（頻率越大傳輸速度越?。?/p>

③機(jī)械波不能在真空中傳輸，電磁波能在真空中傳輸。

其原因是：機(jī)械波傳輸是振動形式，經(jīng)過振動形式傳遞能量，其本身不是物質(zhì)，故不能在真空中傳輸；而電磁波是電磁場在空間傳輸，本身就是物質(zhì)，在真空中能夠傳輸，而在介質(zhì)中傳輸速度反而受影響。公路工程中超聲波檢測技術(shù)第3頁超聲波特征：（1）傳輸直線性──超聲波波長短，通常障礙物尺寸要比超聲波波長大好多倍，所以較少產(chǎn)生衍射，它在均勻介質(zhì)中能夠定向直線傳輸，超聲波波長越短，這一特征就越顯著。（2）功率特征──當(dāng)聲音在空氣中傳輸時，推進(jìn)空氣中微粒往復(fù)振動而對微粒做功。在相同強(qiáng)度下，聲波頻率越高，所含有功率就越大。（3）空化作用──當(dāng)超聲波在液體中傳輸時，因?yàn)橐后w微粒猛烈振動，會在液體內(nèi)部產(chǎn)生小空洞。這些小空洞快速脹大和閉合，會使液體微粒之間發(fā)生猛烈撞擊作用，從而產(chǎn)生幾千到上萬個大氣壓壓強(qiáng)。微粒間這種猛烈相互作用，會使液體溫度驟然升高，起到了很好攪拌作用，從而使兩種不相溶液體（如水和油）發(fā)生乳化，而且加速溶質(zhì)溶解，加速化學(xué)反應(yīng)。

公路工程中超聲波檢測技術(shù)第4頁超聲波作為一個波，它在傳輸過程中服從波傳輸規(guī)律：超聲波在材料中保持直線行進(jìn)（理想條件），若組成材料較粗，甚至有一定孔隙時，波將產(chǎn)生吸收、散射和擴(kuò)散三種狀態(tài)（土木工程主要利用“吸收”性能）反射和折射定律（“全能反射”、“殘能反射”）波發(fā)生反射時入射角和反射角相等波傳輸定理，即（為波速，為波長，為頻率），也能夠這么改寫：

（為波行程時間）*波在介質(zhì)中行進(jìn)速度越大，說明介質(zhì)材料堅硬性越大（材料強(qiáng)度越大）。公路工程中超聲波檢測技術(shù)第5頁3.2超聲波檢測基本原理波速法

即用波在路基路面材料中行進(jìn)速度來檢測其力學(xué)特征方法無限大固體介質(zhì)中縱波傳輸速度（當(dāng)固體介質(zhì)尺寸與所傳輸波長相比足夠大時可視為半無限大致，其波速與無限大介質(zhì)中波速相近） （3-1）

超聲波縱波波速（m/s）

彈性模量（MPa）

介質(zhì)材料密度（g/cm3）

泊松比，無量綱公路工程中超聲波檢測技術(shù)第6頁材料強(qiáng)度與波速關(guān)系

材料強(qiáng)度愈高，穿過它超聲波波速值就愈高

材料強(qiáng)度愈低，穿過它超聲波波速值就愈低超聲波檢測依據(jù)

超聲波在正常材料體和有缺點(diǎn)材料體中波速不一樣材料彈性模量

定義：材料所受應(yīng)力與應(yīng)變量比值。（楊式模量）

(3-2)公路工程中超聲波檢測技術(shù)第7頁幾個慣用路用相關(guān)材料聲波波速表縱波波速橫波波速材料密度材料名稱

（m/s）

（m/s）

（g/cm3）粘土1128～25005791.40土壤153～76291.5～5491.1～2.0砂14004571.93水146201.0冰3350—0.9空氣3410—鋼610030507.70鐵579032007.85鋁656029802.70混凝土356021602.7～3.0橡膠105527.41.15公路工程中超聲波檢測技術(shù)第8頁幾個慣用路用巖體聲波波速表縱波波速縱波波速巖石種類

（m/s）巖石種類

（m/s）輝綠巖6050大理石5800玄武巖5700石英黑云母麻巖5600安山巖5200雙云母片麻巖5300石英斑巖5500奧陶紀(jì)石灰?guī)r5000花崗巖5000前泥盆級砂巖4800花崗斑巖5100前生代沉積巖3000公路工程中超聲波檢測技術(shù)第9頁超聲波縱波波速、橫波波速與表面波波速三者之間關(guān)系

(3-3)

(3-4)

橫波波速，質(zhì)點(diǎn)振動

方向垂直于波傳輸方向縱波波速，質(zhì)點(diǎn)振動

方向和波傳輸方向一致

表面波波速，質(zhì)點(diǎn)振動軌跡是橢圓形，長軸垂直于傳輸方向，短軸平行于傳輸方向，

表面波沿界面表面?zhèn)鬏敼饭こ讨谐暡z測技術(shù)第10頁用波速判定巖體材料質(zhì)量完整性表

用超聲波波速原理來判別結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量情況，在巖體中用得較多，經(jīng)驗(yàn)也比較豐富。它是用巖體中實(shí)測聲速與完整巖體試件聲速比值平方來判斷巖體質(zhì)量完整性程度，這種方法，對于路基路面質(zhì)量監(jiān)測也可參考。完整性系數(shù)完整性好中等差0.75~0.900.45~0.75<0.45公路工程中超聲波檢測技術(shù)第11頁混凝土材料抗壓強(qiáng)度與超聲波縱波傳輸速度之間關(guān)系曲線公路工程中超聲波檢測技術(shù)第12頁混凝土抗壓強(qiáng)度與縱波速度關(guān)系，普通可用經(jīng)驗(yàn)公式表示：（3-5）

或（3-6）式中：混凝土抗壓強(qiáng)度（MPa）超聲波縱波波速（km/s)

、、與混凝土原材料、配合比相關(guān)系數(shù)，可經(jīng)過試驗(yàn)求得.

經(jīng)過試驗(yàn)求得系數(shù)，該系數(shù)這么求得：由試件試驗(yàn)，先求得與，然后相除，即：

公路工程中超聲波檢測技術(shù)第13頁平均波速法假設(shè)超聲波從發(fā)射到接收到時間為t，發(fā)射器與接收器之間距離為L，如圖3-2所表示。在圖中，E、ρ與ε分別是材料彈性模量、密度與介電常數(shù)。由圖看出，平均波速為：

（3-8）

圖3-2超聲波發(fā)射、接收示意圖公路工程中超聲波檢測技術(shù)第14頁由式（3-8）可知，當(dāng)超聲波以角向材料中發(fā)射近似表面波時，依據(jù)波傳輸最短距離標(biāo)準(zhǔn)，波由點(diǎn)經(jīng)點(diǎn)到點(diǎn)為最短，為此，便組成波近似△ABC。顯然，B點(diǎn)是△ABC對稱點(diǎn)。在△ABD中，因?yàn)镈點(diǎn)為中點(diǎn)，所以，波從A點(diǎn)到B點(diǎn)所經(jīng)過旅程為：

發(fā)射角較小時(比如，5°以內(nèi))，就成為直達(dá)波，此時，波行程近似為：

（3—10）

式中符號意義同上。公路工程中超聲波檢測技術(shù)第15頁波發(fā)射角度當(dāng)波垂直于路基路面方向發(fā)射時，波能全部或近似全部損耗于材料中，散射到面層能量近于零，在實(shí)際工作中，對路基路面檢測沒有用處。當(dāng)波發(fā)射小于45°角時，回射或散射波能多起來，發(fā)射角愈小，則散射或回射能量愈多。但當(dāng)發(fā)射角等于零時(貼面或沿面發(fā)射)，將有二分之一能量發(fā)射在空氣中，只有二分之一能量進(jìn)入路基路面表面層，且有一部分能量散射或回射后被探頭接收，散發(fā)情況如圖3-3所表示。圖3-3能量散發(fā)情況

公路工程中超聲波檢測技術(shù)第16頁3.3超聲波路面探傷應(yīng)用技術(shù)超聲波反射法測量原理圖3-4超聲波反射法測量原理在圖3-4中，發(fā)射探頭用角向路面中發(fā)射超聲波，該波穿透路面結(jié)構(gòu)材料抵達(dá)路面底部。如波從發(fā)射到接收所經(jīng)過旅程為S，時間為，則依據(jù)式（3-4）與式（3-5）波平均波速為：公路工程中超聲波檢測技術(shù)第17頁若超聲波在路面中行進(jìn)正常波速為，因?yàn)槁访娼Y(jié)構(gòu)中存在缺損時，比如結(jié)構(gòu)軟弱層或空洞等，聲波產(chǎn)生小反射和繞射，使時間減緩拉長，因?yàn)閮商筋^距離L一定，所以，波速隨即變小。若用試驗(yàn)得到軟弱時波速為、空洞時波速為等一組標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)波速值，即可得到缺點(diǎn)波速與標(biāo)準(zhǔn)波速比值，以下式所表示：

（3-11）

某一個缺點(diǎn)波速（m/s）

結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)波速（m/s）

這么，檢測人員就能夠依據(jù)大小，初步判斷出缺點(diǎn)性質(zhì)。公路工程中超聲波檢測技術(shù)第18頁依據(jù)實(shí)踐，水泥混凝土結(jié)構(gòu)空洞直徑由下式求出：

（3-12）

Ｒ——空洞直徑（cm）Ｓ——聲波經(jīng)過長度（m）td——有空洞處超聲波傳輸時間（s）tc——無空洞處超聲波傳輸時間（s）公路工程中超聲波檢測技術(shù)第19頁超聲波經(jīng)過水泥混凝土結(jié)構(gòu)中不密實(shí)層部分深度，由下式求算：

（3-13）

h

結(jié)構(gòu)中缺點(diǎn)深度（m）密實(shí)結(jié)構(gòu)聲速（m/s）有離析或蜂窩處聲速（m/s）b聲路長度（m）t

經(jīng)過不密實(shí)層聲波傳輸時間（s）當(dāng)代道路交通檢測技術(shù)公路工程中超聲波檢測技術(shù)第20頁超聲波表面波測量原理圖3-5超聲波表面法測量原理圖當(dāng)代道路交通檢測技術(shù)當(dāng)發(fā)射角盡可能小時，即可得到表面波。表面波沿路面?zhèn)鬏?，在路面深度方向?qū)⒓彼偎p。公路工程中超聲波檢測技術(shù)第21頁表面裂縫與路面正交時縫深計算

裂縫深度計算式：

（3-14）

h——裂縫深度（cm）d——探頭對稱距離cm）無裂縫時聲波經(jīng)過2d時間（s）有裂縫時聲波經(jīng)過2d時間（s）圖3-6表面裂縫與路面正交時縫深求算圖在利用式（3-14）求算裂縫深度時，必須是裂縫與表面正交情況，而且，選擇標(biāo)準(zhǔn)表面應(yīng)與該結(jié)構(gòu)基本質(zhì)量情況一致，才能確保測量精度，不然，會引發(fā)誤差

公路工程中超聲波檢測技術(shù)第22頁3.4超聲波測定路面材料動態(tài)彈性模量與分析針對半剛性材料采取超聲波測定其動態(tài)彈性模量試驗(yàn)測定

把發(fā)射探頭和接收探頭接觸在試件表面，由發(fā)射探