公路工程中超声波检测技术

第三章 公路工程中超声波检测技术3.1 超声波检测概述 超声波检测技术是近年来在道路路基路面中应用的一种新 的无损检测新技术； 特点：激发容易、检测简单、操作方便、价格便宜； 超声波检测技术早期应用于建筑工程和岩土工程，在道路 检测中应用前景广泛。例如：波速法测量岩石的抗压强度、判断岩石的性质，评价建筑工程中水泥混 凝土与钢筋水泥混凝土材料的质量。

现代道路交通检测技术

超声波(Ultra-sonic): 机械波(*与电磁波的区别？) 频率：f >20kHz(高于人耳能听到的频率20-20000Hz) (*超声波与次声波的区别？)人 发声范围(Hz) 85-1100 听力范围(Hz) 20-20000 狗 452-1800 15-50000 猫 760-1500 60-65000 蝙蝠 10000-120000 1000-120000 海豚 7000-120000 150-150000

通常频率越高，检测分辨率越高； 然而频率越高，波长越短，遇到小尺寸集料时发生散射增加，波能 损耗增大，也会引起测量误差的增加。 因此超声波检测频率选择：100kHz> f >20kHz

现代道路交通检测技术

机械波与电磁波的对比： 相同点：1、都有波的的一切特性，如：都能产生反射、折射、干涉、衍射等现象。 2、波速、波长、频率之间具有同样的关系。

不同点：1、产生机理不同； 机械波是由机械振动产生的；电磁波产生机理也不同，有电子的周期性运动产 生(无线电波);有原子的外层电子受激发后产生(红外线、可见光、紫外线); 有原子的内层电子受激发后产生(伦琴射线);有原子核受激发后产生(射线)。 2、介质对传播速度的影响不同 ①机械波的传播速度由介质决定，与频率无关。 ②电磁波在真空中传播速度相同，均为3×108m/s。在同种介质中不同频率的电 磁波传播速度不同。(频率越大传播速度越小) ③机械波不能在真空中传播，电磁波能在真空中传播。 其原因是：机械波传播的是振动形式，通过振动形式传递能量，其本身不是物 质，故不能在真空中传播；而电磁波是电磁场在空间的传播，本身就是物质，在真 空中可以传播，而在介质中传播速度反而受影响。

现代道路交通检测技术

超声波特性： (1)传播直线性──超声波的波长短，通常障碍物的尺寸要比超声波 的波长大好多倍，因此较少产生衍射，它在均匀介质中能够定向直线 传播，超声波的波长越短，这一特性就越显著。 (2)功率特性──当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振 动而对微粒做功。在相同强度下，声波频率越高，所具有的功率就越 大。 (3)空化作用 ──当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈 振动，会在液体

内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使 液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的 压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到 了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体(如水和油)发生乳化， 并且加速溶质的溶解，加速化学反应。

现代道路交通检测技术

超声波作为一种波，它在传输过程中服从波的传播 规律：1. 超声波在材料中保持直线行进(理想条件),若组成材料 较粗，甚至有一定的孔隙时，波将产生吸收、散射和扩散 三种状态(土木工程主要利用“吸收”性能) 2. 反射和折射定律( “全能反射”、“残能反射”) 3. 波发生反射时入射角和反射角相等 4. 波的传输定理，即 ( 为波速， 为波长， 为频率), 也可以这样改写：

( 为波的行程时间)*波在介质中行进速度越大，说明介质材料坚硬性越大(材料强度越大)。

3.2 超声波检测基本原理 波速法即用波在路基路面材料中的行进速度来检测其力学特性的 方法 无限大固体介质中纵波的传播速度(当固体介质的尺寸与 所传播的波长相比足够大时可视为半无限大体，其波速与 无限大介质中的波速相近) (3-1) 超声波纵波波速(m/s) 弹性模量(MPa) 介质材料密度(g/cm3) 泊松比，无量纲

现代道路交通检测技术

材料的强度与波速的关系材料的强度愈高，穿过它的超声波波速值就愈高 材料的强度愈低，穿过它的超声波波速值就愈低

超声波检测的依据超声波在正常材料体和有缺陷材料体中的波速不同

材料的弹性模量定义：材料所受应力与应变量的比值。(杨式模量)

(3-2)

L vL t L 试样长度

几种常用路用有关材料的声波波速表 现代道路交通检测技术材料名称 粘土 纵波波速 cL (m/s) 1128~2500

ct

(m/s) 579

材料密度 (g/cm3) 1.40

土壤砂 水

153~7621400 1462

91.5~549457 0

1.1~2.01.93 1.0

冰空气 钢

3350341 6100

—0 3050

0.9— 7.70

铁铝 混凝土 橡胶

57906560 3560 1055

32002980 2160 27.4

7.852.70 2.7~3.0 1.15

现代道路交通检测技术

几种常用的路用岩体声波波速表岩石种类 辉绿岩纵波波速

cL(m/s)6050

岩石种类 大理石 石英黑云母麻 岩

纵波波速

cL (m/s)5800

玄武岩 安山岩石英斑岩 花岗岩 花岗斑岩

5700 52005500 5000 5100

5600 53005000 4800 3000

双云母片麻岩奥陶纪石灰岩 前泥盆级砂岩 前生代沉积岩

超声波纵波波速、横波波速与表面波波速三者之 间的关系(3-3)

(3-4) 横波波速，质点振动 方向垂直于波传播方向纵波波速，质点振动 方向和波传播方向一致cL

…… 此处隐藏：1263字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……