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超声波(透射法)在公路工程中的应用 时间:2022-06-18 07:05:17 作者:欧宝app登录注册 来源:欧宝app官网

  超声波是一种频率高于人耳能听到频率的声波。它在传输过程中服从于波的传输规律,在介质中保持直线传播

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产品描述

  超声波是一种频率高于人耳能听到频率的声波。它在传输过程中服从于波的传输规律,在介质中保持直线传播,服从波的反射定律与折射定律,在介质中的传播速度服从于波的传输定理(即,式中:为波速,为波长,为频率)。实践证明,频率愈高,检测分辨率愈高,测量精度也愈高,但是频率较高时,波长会减小,当减少到与被测材料中的集料尺寸处于同一数量级时,散射面积扩大,声波的散射量增加,随之衰减量增加,而使有用的反射波减少,相应地波的回收能量也随之减少,使测量误差增加,因此,在实践中利用超声波测量时,频率范围一般介于20kHz~100kHz之间。

  对比公式(1)和公式(3)可以发现,纵波在无限介质中要比在杆件中传播的快,这是因为杆件中可能有侧向位移,而在无限介质中没有。

  (2)对于试件尺寸相同时,不同材料的动态弹性模量差别很大,水泥稳定天然砂砾的动态弹性模量是水泥稳定土的2.7~2.9倍。这主要是因为水泥稳定天然砂砾混合料的刚度比和最大干密度都比水泥稳定土大造成的。

  沥青混合料在水–温–光循环作用下自身结构发生了本质性的变化,作为超声波传播的介质,必然会导致超声波声学参数的改变。所以,利用超声波在损伤前后的沥青混合料中传播时声速、波形、振幅和频率等参数的变化,可以对沥青混合料的损伤进行初步判断。

  在超声波检测过程中,为了减少声能损耗,在与探头接触的试件表面涂抹凡士林作为耦合剂,如图3(a)所示。考虑到沥青混合料试件的非均匀性,在每个试件上均匀的布置5个超声测点,如图3(b)所示。数据处理时,舍弃1个最大值和1个最小值,利用3个中间值作为样本数据。

  制作AC-16、SMA-16两组沥青混合料试件,对各组试件进行20次水–温–光循环,每次水–温–光循环结束后,按照上文所述方法对各组试件进行超声波测试。提取各组试件的声时、主频、振幅等声学参数,并采集其波形图和频谱图。各组试件损伤前后典型波形图与频谱图,如图4所示。

  由图4可见:水-温-光循环损伤后,AC-16与SMA-16级配沥青混合料的超声波声学参数的性质发生了如下变化:

  观察损伤前后的波形图可以看出,沥青混合料在水-温-光损伤之后的波形发生形变并显得杂乱无章,出现多峰值现象,振幅发生明显衰减。这是由于水-温-光循环导致试件的空隙率增大或者薄弱部分疏松,超声波在有损伤的试件中传播时,在损伤界面会产生绕射、反射、透射等现象。由于频率和相位的差异,各种形式的波最终叠加成一个综合的超声波信号,导致波形的畸变。波形畸变越剧烈,表明损伤的程度越严重,损伤的范围越大。

  试件损伤后,声时延长。这是由于损伤前沥青混合料整体密实度较高,空隙率较小,超声波的传播路径近似为直线,传播距离即为超声波发射端与接收端的间距;水–温–光循环作用使试件的整体性遭到破坏,其内部出现大量空隙,而空隙中空气的声阻抗率远小于集料和沥青膜的声阻抗率,超声波脉冲在分界面上不能透射,只能绕过空隙传播,因此,传播的路程增大,使得测得的声时延长。

  通过以上研究可以看出,利用超声波波形、主频、声时和振幅等声学参数能够反映密级配沥青混合料在水–温–光循环作用下自身结构的变化,可以利用该方法进行沥青混合料的损伤判断。

  由图5可知,该位置处灌浆前首波声时为110.4μs,首波波幅为44.5dB,后续波形部分残缺。灌浆后,首波声时减少到84.2μs,相对减少23.7%,首波波幅增加至81.7dB,相对增加83.6%。

  对比两图可知,浆液覆盖位置的测点在灌浆前首波波幅较小,首波声时较大,后续整体波形多处畸形,原因是灌浆前试件的贯穿裂缝使超声波传递路径上出现空洞区。该区域将导致超声波传递路径改变,以致超声波接收端获得的首波声时增加,波幅损失增大,整体波形出现残缺。由灌浆后的波形可见,由于浆液的覆盖,填充了裂缝空洞区,使超声波传递路径缩短,首波声时减小,波幅损失减小,后续波形更完整。通过波形特征值分析可知,浆液覆盖区与未覆盖区的超声波特征值变化情况差异显著,可根据超声波波形特征值的变化有效判断灌浆后的浆液覆盖情况。

  超声波在预应力孔道压浆效果检测方面能够发挥很好的作用,但由于频率高、散射快,只能用于小距离的孔道横断面单点检测,但这为孔道内部空洞范围的确定起了关键作用。

  如图7所示,检测采用两面对测法,在被检测孔道外径的一端,利用换能器辐射发射高频信号,经混凝土区→波纹管壁→波纹管圆心→波纹管壁→混凝土区,最后传向波纹管外径另一侧的接收换能器。

  混凝土灌注桩的超声波检测的工作过程,如图8所示。一般采用水作为换能器与混凝土耦合剂,应保证声测管中不含悬浮物,悬浮液中的固体颗粒对声波有较强的散射衰减,影响波幅的测试结果。

  超声波(透射法)检测混凝土灌注桩桩身缺陷、评价其完整性的依据是通过测定超声波经过混凝土传播后各种声学参数的量值得到的,目前所用到的声学参数主要有波速、波幅、频率及波形。几种典型的检测结果分析如下:

  图9为完整桩的超声曲线,从图中可以看出,声速、波幅曲线均没有超过临界值,PSD曲线没有突变,检测结果表明该桩为完整桩。

  如图11所示,该桩桩长18m,当以声速作为判据时,桩在10.25m处的波速为3380m/s,桩在12.75m处的波速为3439m/s,而该桩整体的声速判定值为3509m/s,这两处位置的声速要低于声速判据值,从而判定该处存在一定的缺陷;当以波幅作为判据时,在所有位置处,波幅均高于其判据值82.98dB,没有发现异常;当以PSD作为判据时,PSD曲线m处均发生突变,这表明桩在该位置存在一定缺陷。考虑到桩身离析容易造成超声波幅的降低,而该桩波幅判据较为正常,判定该桩在10.25m及12.75m处轻微缩颈。

  1949年加拿大的Leslide、Cheesman和英国的Jones、Gatfield首先把超声波脉冲检测技术应用于结构混凝土的检测,开创了混凝土超声检测这一新领域。经过70多年的发展,检测仪器由电子管单示波显示型发展到集成化、数字化和智能化的多功能型;测量参数由单一的声速发展到声速、波幅和频率等多参数;检测范围由单一的大空洞或浅裂缝检测发展到沥青混凝土损伤检测、孔道压浆密实度检测等多种性质的缺陷检测;缺陷的判别由大致定性发展到半定量和定量的程度,未来将会使无损检测推向更高层次的无损诊断和无损评估。

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