對(duì)我國非金屬聲測技術(shù)半個(gè)世紀(jì)發(fā)展的回顧

摘 要：對(duì)我國聲波檢測在巖體、巖石及混凝土的應(yīng)用研究情況，從不斷發(fā)展起來的多種測式方法、廣泛的應(yīng)用、相關(guān)檢測技術(shù)規(guī)程與規(guī)范、聲波檢測儀 器及換能器的現(xiàn)狀進(jìn)行了概括性的總結(jié)與回顧。對(duì)近年來的技術(shù)發(fā)展，如聲學(xué)參量波幅的應(yīng)用、聲波層析成像（CT技術(shù)）、反射波法基樁檢測技術(shù)、沖擊——回波 測厚技術(shù)和聲波換能器性能改善等，進(jìn)行論述與探討。

關(guān)鍵詞：聲波檢測、超聲波檢測、聲波層析成像、沖擊—回波、換能器

一.前言
這里所論述的聲波檢測，是指工作頻率在幾百赫芝到幾百千赫茲的聲波及超聲波檢測技術(shù),在檢測聲學(xué)領(lǐng)域，把這個(gè)頻率范圍的非金屬聲學(xué)檢測技術(shù)統(tǒng)成為“聲波檢測”.。
我 國聲波檢測技術(shù)的應(yīng)用研究是從二十世紀(jì)六十年代開始的。從事這一領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)工作者，根據(jù)工程檢測的需要，在不斷研制改進(jìn)檢測儀器的同時(shí)，由仿制到研制 了適合不同檢測需要的多種換能器,相應(yīng)對(duì)現(xiàn)場及室內(nèi)的測試方法進(jìn)行研究，歷時(shí)近半個(gè)世紀(jì),可以說是經(jīng)一代人的努力，達(dá)到今日的水平。
二.非金屬聲波檢測技術(shù)的現(xiàn)狀
(1). 關(guān)于測試方法
測 試方法是由工程檢測的需要發(fā)展起來的。隨著檢測的需要及技術(shù)的發(fā)展，檢測儀器由模擬型發(fā)展到數(shù)字化；聲波發(fā)射由換能器發(fā)射到電火花振源及錘擊激振振源；換 能器類型增加到十余種（包括橫波換能器），換能器的頻率從10 kHzs發(fā)展1000 kHz；聲學(xué)參量的應(yīng)用：繼聲速（聲時(shí)）發(fā)展到波幅及頻率的研究與應(yīng)用；測試方法由聲波透射法發(fā)展到折射法及反射射法；常規(guī)適用的多種測試方法如表1概括 所示。

(2) 關(guān)于聲波檢測技術(shù)的應(yīng)用
聲波檢測的應(yīng)用，可從兩個(gè)方面加以論述：
A.應(yīng)用研究現(xiàn)狀
表 2對(duì)聲波檢測的應(yīng)用按頻率進(jìn)行劃分來展示。頻率高于20 kHz的均以換能器發(fā)射和接收，透射、折射、反射有著不同的應(yīng)用；;頻率低于20 kHz可分為錘擊瞬態(tài)激振、穩(wěn)態(tài)激振( 例如電磁激振器連續(xù)波激振) ,電火花激振；而被動(dòng)式聲波測試的振源很廣，有金屬容器受壓力產(chǎn)生的破裂，還有巖體的斷裂產(chǎn)生的聲發(fā)射脈沖，它們有著很寬的頻率范圍，另一種是由巖體的位 移蠕動(dòng)產(chǎn)生的摩擦噪聲，還有由于人類活動(dòng)和大自然的活動(dòng)（例如海浪、風(fēng)瀑布等）產(chǎn)生的振動(dòng)。

表1.聲波檢測的多種測試方法一覽

表2.應(yīng)用面寬廣的聲波檢測技術(shù)

注1：此表第三欄標(biāo)有顏色的是非金屬聲波檢測的內(nèi)容；注2：第四欄有底色的是筆者參與過研究的內(nèi)容

B.檢測技術(shù)的規(guī)程及規(guī)范的編制與頒發(fā)，能說明檢測技術(shù)應(yīng)用的成熟程度。與非金屬聲波檢測技術(shù)有關(guān)的規(guī)程與規(guī)范如表3所示。

表3.有關(guān)的聲波檢, 測技術(shù)規(guī)程與規(guī)范

三.當(dāng)代我國的典型聲波(超聲波)檢測儀現(xiàn)狀

（1） 水文地質(zhì)工程地質(zhì)專用聲波檢測儀如表4。

表4.水文地質(zhì)工程地質(zhì)專用聲波測井儀

(2).目前我國的數(shù)字化超聲檢測分析儀如表5所示。

表5 我國的數(shù)字化超聲波分析檢測儀

四.當(dāng)前商品化聲波換能器現(xiàn)狀如表6。

表6 定型生產(chǎn)的各類換能器

注1：圓管型換能器內(nèi)可加裝20dB 以上的前置放大器，使其成為寬帶接收換能器。

五.聲波檢測技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及有關(guān)問題的探討

（1） 于聲學(xué)參量――波幅的應(yīng)用

有關(guān)資料顯示，中國是也是將聲波波幅參量用于缺陷檢測的國家。隨著聲波透射法納入基樁檢測規(guī)程，波幅在基樁完整性檢測中的大量應(yīng)用，引起了對(duì)它的進(jìn)一步研究。

作了有關(guān)的試驗(yàn)證實(shí)及推導(dǎo)，波幅能夠被檢測到的區(qū)域，是以發(fā)射、接收換能器所在點(diǎn)為焦點(diǎn) 的橢圓（有關(guān)論述見《巖土工程界》2000年第8期“論聲參量波幅的應(yīng)用” ）如圖1中A、B為檢測孔中在同一水平面上發(fā)射與接收換能器，即橢圓的焦點(diǎn)。此橢圓稱為“有效接收聲場”，它的覆蓋面積與發(fā)射換能器發(fā)射強(qiáng)度、接收換能器 接收靈敏度成正比。如缺陷（D）處于橢圓外，對(duì)接收的波幅無任何影響；當(dāng)缺陷（E）處于橢圓內(nèi)的AB連線外，波幅減小，聲時(shí)不變；而缺陷（F）處于AB連 線上，則波幅減小、聲時(shí)加大。

根據(jù)上述規(guī)律，當(dāng)灌注樁埋設(shè)三根以上檢測管時(shí)，便可以半定量的推斷缺陷在平面上的展布范圍及大小。

檢測實(shí)踐證實(shí)，也有特例。當(dāng)檢測管局部發(fā)生彎曲，檢測管間距發(fā)生變化，換能器不能平行相對(duì)，此時(shí)聲時(shí)減小，波幅也減小。

（2） 關(guān)于聲波層析成像――CT技術(shù)

聲波層析成像已成為當(dāng)前的一個(gè)熱點(diǎn)，存在的問題有二：

其一是現(xiàn)場測試需作多點(diǎn)扇面測試如圖2；其二是反演圖像重建的計(jì)算問題。就此分別論述如下：

1. 要求檢測設(shè)備能快速作扇面測試。目前已研制出12通道井中接收換能器，解決了多點(diǎn)同時(shí)接收，提高了檢測速度；在要求加大發(fā)射能量的同時(shí)，還要改善接收換能 器的頻帶寬度和接收靈敏度。這是因?yàn)槟芊褡x準(zhǔn)每一個(gè)接收點(diǎn)的首波聲時(shí)，是是否能正確重建CT圖像的關(guān)鍵，這成為CT技術(shù)的關(guān)鍵之一。
2. 聲波CT成像反演圖像重建的計(jì)算，是引起很多人關(guān)注的問題。總的計(jì)算思路如圖3，將檢測的剖面劃分為N×M個(gè)方格，如其中的某一條聲線T到R，它穿過第 i.j.方格的聲線長度是Li.j.（i=1、2、3、……N；j＝1、2、3、……M），設(shè)i.j.方塊的聲速為Vi.j.，則其聲時(shí)

Ti.j= Li.j, ÷ Vi.j= Li.j × Gi.j

上式中Gi.j =1∕Vi.j.稱曼度。同理，排方格總的聲時(shí)如下式

L11G11+ L12G12+ L13G13+ ……+L1nG1n=T1n

所有聲線的聲時(shí)如下

這 是一個(gè)大型稀疏超定矛盾方程組。下面的問題是求解，即如何對(duì)曼度GNM賦值，使計(jì)算出的t1到tnm 的所有反演計(jì)算值與實(shí)測值盡量接近。于是，由各個(gè)方格聲速重建的聲速圖像，便可反映出被測介質(zhì)的結(jié)構(gòu)圖像。這樣，計(jì)算方法成為CT技術(shù)的關(guān)鍵之二。實(shí)際上 這是一個(gè)反演問題，的聯(lián)合迭代ART走時(shí)反演，以及進(jìn)一步發(fā)展了SIRT和SART算法等等，到目前還在研究的聲速與衰減因素等多參量成像方法研究， 使成像的質(zhì)量不斷提高。圖4是深圳某建筑基礎(chǔ)聲波（彈性波）三個(gè)鉆孔孔間CT成像構(gòu)成的二維剖面圖。目的在于探明覆蓋層下深度變化較大的白云質(zhì)大理巖的起 伏和白云質(zhì)大理巖的巖溶發(fā)育，其地質(zhì)解釋如圖5。

圖4.孔間聲波（彈性波）地質(zhì)構(gòu)造CT成像

由圖5可見：聲速1100m/以上為覆蓋層，1100～2100m/s聲速條帶可解釋為含礫巖粘性土，大于2100m/s以下為白云質(zhì)大理巖的界面，基巖面以下小于2100m/s的封閉圈為巖溶發(fā)育區(qū)★。 圖5.孔間CT成像地質(zhì)解釋

（3） 關(guān)反射波法基樁無損檢測技術(shù)

（a） 反射波法基樁無損檢測技術(shù)，經(jīng)過近十年的科研與實(shí)踐，在下列方面取得進(jìn)展：

▲ 對(duì)振速反射系數(shù)RV＝和聲壓反射系數(shù)RP=(式中Z1=；Z2=) 物理解的統(tǒng)一性，作出了合理的解釋。

▲ 對(duì)擴(kuò)徑多次反射波的特點(diǎn)作了研究，得到合理的物理解，即奇次反射波與直達(dá)波反相，偶次發(fā)射波與直達(dá)波同相，并為實(shí)踐所證實(shí)。

▲&n, bsp; <, S, PAN style=”FONT-SIZE: 12px; mso-ascii-font-family: ‘Times New R, oman’; mso-hansi-font-family: ‘Times New Roman’; FONT-: 宋體”>對(duì)反射波檢測的關(guān)鍵技術(shù)錘擊進(jìn)行了研究，即激振脈沖寬度與錘頭材質(zhì)的彈性模量E成反比、與密度ρ、泊桑比σ成正比；與錘頭的面積成正比；與 錘頭的落距關(guān)系不大，測試結(jié)果如圖6※。

（a） （b）

圖6.錘擊激振脈寬的有關(guān)因素

（a）與錘頭材質(zhì)的關(guān)系；（b）與錘頭落距的關(guān)系

▲對(duì)缺陷性質(zhì)的確定必須掌握并結(jié)合成孔、成樁工藝及場地工程地質(zhì)勘察報(bào)告加以確定。

（b）反射波法存在的問題

▲ 缺陷的上下界面混疊，無法分辨缺陷的垂直方向尺寸；

▲ 缺陷水平方向的尺寸無法定量確定；

▲ 嵌巖樁有可能推斷出孔底有無沉渣，但無法確定其厚度；

▲ 逐漸擴(kuò)徑后突然縮徑的缺陷很容易誤判為縮徑；

▲ 只能了解樁身的平均聲速，不可用聲速推定樁身混凝土強(qiáng)度；

▲ 僅從反射波的時(shí)域波形不能推斷出缺陷的性質(zhì)；

▲ 目前有人錯(cuò)誤的認(rèn)為：“樁身混凝土聲速與樁周土的阻力有關(guān)”（在個(gè)別的技術(shù)刊物上發(fā)表）。這種論點(diǎn)違背了聲學(xué)的基本原理—費(fèi)瑪定律；

▲ 另一個(gè)錯(cuò)誤的論點(diǎn)是：“認(rèn)為樁周土越硬，土的阻力使彈性波越不容易傳入樁底。”結(jié)論雖是對(duì)的，但解釋是很錯(cuò)的。理由是：由圖7可知，點(diǎn)振源產(chǎn)生的是半球面波，其斜入射的波根據(jù)Snell定律，將折射入樁周土層，僅以折射縱波的折射系數(shù)

可知地層越硬，Z2.越大，RT越大，折射

入地層的能量越多，傳播到樁底的能量相

對(duì)減小。這才是地層越硬，越不易傳入樁

底的真正原因，而不是土阻力在起作用。

（c）反射波法的研究是檢測基樁的傾斜度。廣

東省工程勘察院作了大量研究，本文略。

（4） 關(guān)于沖擊——回波法測厚 圖7.聲波由樁內(nèi)折射入地層

A.沖擊—回波測厚的概況

沖擊――回波法，國外稱之為“Impact.－Echo”，.簡稱“IE”法。由字面可知， 指的是以沖擊為振源，利用反射波來檢測混凝土扳厚度的一種方法。上個(gè)世紀(jì)九十年代前后，開始了這項(xiàng)研究。這是因?yàn)楫?dāng)混凝土構(gòu)筑物只有一個(gè)檢測面時(shí)（如高速 公路路面、飛機(jī)跑道、現(xiàn)澆樓板等），只好用反射法來測試。用實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收板底界面反射，存在較多困難，故測厚選擇了IE法。我國有些單位也在 此期間開展了此項(xiàng)研究，取得可喜成果。測厚成為國內(nèi)外目前的一個(gè)熱點(diǎn)。