超聲波在水利工程質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

胡春濤

（河北省水利工程局，石家莊 050021）

超聲波是一種人類聽不到的機(jī)械波，人類能聽到的聲波頻率在20Hz~20kHz之間，超過20kHz的聲波稱之為超聲波。目前，超聲波已運(yùn)用到工作和生活的方方面面，如醫(yī)學(xué)B超檢查、通信、超聲波缺陷檢測等。這些運(yùn)用正是利用了超聲波的穿透性、指向性好、能量集中、對周圍環(huán)境影響小等特點(diǎn)，同時對被超聲波穿透的物體沒有物理性損傷，可做到“隔空透視”。

1 超聲波檢測原理及方法

超聲檢測是利用超聲波在被檢測物體內(nèi)部傳播時，遇到材料密度發(fā)生變化的界面（如空洞、其他雜質(zhì)）發(fā)生反射或透射接收的聲波訊號特征變化，來檢測物體內(nèi)部的缺陷情況。

超聲波檢測，依據(jù)發(fā)射和接收方式及時間的不同可分為脈沖反射法、脈沖透射法、共振法和衍射時差法。

1.1 脈沖反射法

脈沖反射法是利用超聲探頭產(chǎn)生的超聲脈沖波，入射到兩種不同密度或材質(zhì)的界面上發(fā)生反射的原理進(jìn)行檢測，這種檢測方法常采用同一超聲探頭（一般使用壓電陶瓷轉(zhuǎn)換器）作為發(fā)射和接收裝置。

1.2 脈沖透射法

脈沖透射法的原理與X射線的原理基本相似，即利用兩個超聲探頭置于被檢測物體的兩側(cè)，分別作為發(fā)射和接收裝置，通過緩慢移動兩個超聲探頭，觀察接收能量的變化，來判定被檢測物體內(nèi)部的缺陷情況。

1.3 共振法

利用可調(diào)頻率的超聲波檢測物體內(nèi)部情況，當(dāng)超聲波的半波長與被測物體的厚度成整數(shù)倍關(guān)系時，會引起共振現(xiàn)象，儀器會顯示出共振頻率。當(dāng)被檢測物體厚度發(fā)生變化，共振頻率也會相應(yīng)發(fā)生變化，通過儀器顯示的不同頻率，可以判定被檢測物體的厚度變化，來確定質(zhì)量情況，稱為共振法。

1.4 衍射時差法

利用一對或多對縱波斜探頭在被檢測區(qū)域?qū)ΨQ放置，接收信號的探頭同時接收反身波和衍射波，當(dāng)檢測區(qū)域內(nèi)部有缺陷時，反射波和衍射波會發(fā)生變化，通過測量反射波發(fā)生變化時衍射波在檢測區(qū)域內(nèi)傳播時間，利用三角關(guān)系方程式計(jì)算，確定檢測區(qū)域內(nèi)部缺陷的位置和尺寸。

2 超聲波質(zhì)量檢測影響因素

超聲波檢測精確度的影響因素眾多，從主、客觀兩方面分析：①主觀方面主要是人的影響因素，如現(xiàn)場超聲波檢測人員的熟練程度、檢測人員的培訓(xùn)教育情況及專業(yè)技術(shù)水平等；②客觀影響因素主要是設(shè)備、耦合劑選擇、方法、環(huán)境等。

2.1 設(shè)備影響因素

設(shè)備的影響因素主要是掃查速度及探頭選定的頻率。

2.1.1 掃查速度

所謂掃查，即在進(jìn)行超聲檢測時，探頭與被檢測工件的相對運(yùn)動。對于混凝土檢測而言，掃查應(yīng)滿足兩個條件：①掃查過程中聲束入射方向始終與混凝土面保持垂直；②保證混凝土檢測區(qū)域有足夠的聲束覆蓋，以避免漏檢。

聲束入射方向保持垂直是為了保證被測混凝土內(nèi)部缺陷大小正確的判定，而保證混凝土檢測區(qū)域足夠的聲束覆蓋、不漏檢，要求在檢測探頭的有效輻射面積內(nèi)必須有脈沖重復(fù)頻率，即檢測探頭在檢測面的掃查速度或移動速度不能過快。

如果設(shè)待檢測物體厚度為H，超聲波在檢測物體內(nèi)的傳播速度為C1，檢測探頭的掃查速度為V，檢測探頭的有效輻射直徑為ψ，超聲波在檢測物體內(nèi)的傳播時間T1=2H/C2，檢測探頭的掃查時間T2=ψ/V。

要使掃查檢測物體內(nèi)部達(dá)到不漏檢，必須滿足T1≤T2。

則檢測探頭的掃查速度V應(yīng)滿足V≤C2ψ/2H，即相同的時間內(nèi)檢測探頭移動距離應(yīng)遠(yuǎn)小于檢測探頭掃查的有效距離。

2.1.2 檢測探頭頻率的選擇

理論上，超聲波能夠發(fā)現(xiàn)檢測物體區(qū)域內(nèi)部的最小缺陷為超聲波發(fā)射波長的1/2，在能夠保證超聲波穿透檢測物體內(nèi)部的前提下，盡量先用頻率高，發(fā)射功率大的探頭。

2.2 耦合劑

超聲波檢測時，由于被檢測表面不完全規(guī)則，檢測探頭與之不能良好的貼合，存在著或大或小的空隙，為了能夠消除空隙，使超聲波能夠順利被導(dǎo)入檢測物體內(nèi)部，必須使用一種能夠消除空隙的液體，這種液體就是耦合劑。能夠作為耦合劑使用的材料很多，常用的材料有甘油、水玻璃、合成機(jī)油、化學(xué)漿糊等。

耦合劑的涂層厚度稱為耦合層，耦合層的厚度越薄對檢測的影響越小，因此當(dāng)檢測物體的表面過于粗燥或涂刷耦合劑過厚時，應(yīng)對檢測物體的表面拋光處理后再涂刷耦合劑進(jìn)行檢測。

2.3 環(huán)境

環(huán)境的影響因素主要是溫度、濕度及被測工件所處的地理位置的影響。如在過高、過低的濕度及溫度的環(huán)境或高氯環(huán)境下，檢測結(jié)果有微小差異。特別是易被環(huán)境影響而產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)或物理變化的檢測工件，檢測環(huán)境更為嚴(yán)格。

3 超聲波檢測應(yīng)用

3.1 超聲波用于鋼焊縫質(zhì)量檢測

在鋼焊縫質(zhì)量檢測過程中，通常使用的方法是超聲波法和X射線法，由于在工程施工過程中鋼焊縫的數(shù)量一般較大，而且需要檢測分析的長度也非常長，檢測工件所處的環(huán)境也較為復(fù)雜。因此用超聲波方法對于鋼焊縫的質(zhì)量進(jìn)行檢測時，就會凸顯出檢測過程中的優(yōu)勢：如設(shè)備尺寸小、操作簡單、檢測過程中無輻射外泄隱患等。

鋼焊縫質(zhì)量檢測時，由于金屬的晶粒尺寸較小，鋼焊縫所受的影響較大，為探測存在的缺陷。通常通過超聲脈沖波變化情況來進(jìn)行比較。當(dāng)檢測焊縫質(zhì)量良好時，檢測超聲波可順利傳播到達(dá)檢測物體底面，超聲波檢測儀器中只有表示發(fā)射脈沖及底面回波兩個信號，如果被檢測焊縫中存在缺陷，在超聲波檢測儀器中底面回波前會有缺陷回波信號。由此可以判定存在缺陷。

3.2 混凝土強(qiáng)度檢測

混凝土是水泥、石子、砂、外加劑摻合料組成由多相復(fù)合材料，其組成成份復(fù)雜。一般的混凝土強(qiáng)度檢測是預(yù)留混凝土試塊、現(xiàn)場取蕊樣等方法。如果預(yù)留的混凝土試塊質(zhì)量存疑，現(xiàn)場又不允許取芯樣，需要運(yùn)用超聲波等無損檢測手段?；炷帘旧聿皇且环N均質(zhì)材料，相同標(biāo)號的混凝土由于組成材料變化，超聲波在混凝土內(nèi)傳播速度也不同，并且在混凝土內(nèi)部存在著石子—水泥、水泥—砂等各種界面，超聲波遇到這些界面時會發(fā)生反射、衍射等多種傳播方式。因此簡單的將混凝土與超聲波之間建立直線性數(shù)學(xué)關(guān)系模型是困難的，需要將混凝土看作均質(zhì)的彈塑性材料。

建立起混凝土強(qiáng)度與超聲波聲速的關(guān)系曲線和經(jīng)驗(yàn)公式，作為超聲波檢測混凝土強(qiáng)度的依據(jù)?？v波的傳播速度公式為，可以看出超聲波速度和固體介質(zhì)的材料性質(zhì)、密實(shí)度、彈性模量及泊松比有關(guān)。

超聲波在不同介質(zhì)中有著不同的傳播速度，根據(jù)聲時值T，距離L，由公式V=L/T可先計(jì)算出聲速值。再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式fcuc=AVB和fcuc=Aebv（A，B為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)）兩種非線性的數(shù)學(xué)公式，計(jì)算出混凝土強(qiáng)度。

由于混凝土組成材料的復(fù)雜性，利用超聲波檢測混凝土強(qiáng)度存在著一定誤差，不同的混凝土原材料使超聲聲速值各有差異，即使同樣的原材料，也因混凝土配合比不同，產(chǎn)生不同的速度值。水泥的硅酸三鈣含量越高，細(xì)度越大，礦物細(xì)摻料的細(xì)度越大，相應(yīng)的超聲的傳播速度也會越高，反映出的混凝土強(qiáng)度就會增大、相反混凝土強(qiáng)度顯示值就會降低。如果混凝土中粗骨料偏多超聲波的傳播速度就要比粗骨料偏少的快，顯示出的強(qiáng)度就要高。因此超聲波檢測混凝土強(qiáng)度應(yīng)采用多參數(shù)法綜合提高測試精度，如混凝土成熟度—超聲聲速、聲速—衰減系數(shù)、聲速—振幅、聲速—含水率、聲速—混凝土齡期等。

3.3 混凝土裂縫檢測

3.3.1 混凝土裂縫的分類

混凝土由水泥、石子、砂、摻合料、外加劑等組成的復(fù)合材料。由于混凝土本身的特性及使用條件的不同，產(chǎn)生的裂縫原因也不盡相同：有混凝土養(yǎng)護(hù)條件不善、內(nèi)部水水泥水化熱過快，造成內(nèi)外溫差過大，在混凝土內(nèi)部形成拉應(yīng)力集中區(qū)，超過混凝土本身的耐受拉力而產(chǎn)生的貫穿裂縫；有混凝土拌制過程中質(zhì)量控制不佳，造成水膠比過大或水泥用量過多，混凝土凝固過程當(dāng)中表面收縮引起的表面裂縫；有混凝土成型后受力條件改變，如基礎(chǔ)持力層條件改變、混凝土受力載荷變化超出混凝土本身所受拉應(yīng)力的極限而發(fā)生的結(jié)構(gòu)裂縫。

3.3.2 混凝土裂縫檢測

混凝土裂縫檢測時，常采用透射法或平行反射法，具體選用哪種方法跟裂縫的位置、混凝土結(jié)構(gòu)型式有直接關(guān)系。

3.3.2.1 透射法

適用于發(fā)生裂縫的面積較小，混凝土結(jié)構(gòu)尺寸規(guī)距、厚度不大的情況。運(yùn)用透射法檢測時，發(fā)射探頭與接收探頭分別在裂縫的兩側(cè)移動，當(dāng)探頭與裂縫沒有相交時，檢測超聲波不會發(fā)生明顯變化，當(dāng)探頭與裂縫相交時，檢測超聲波會在裂縫處發(fā)生衍射，從而使接收探頭的接收時間和接收強(qiáng)度發(fā)生變化，根據(jù)時間和強(qiáng)度的變化確定裂縫的位置及深度。

3.3.2.2 平行反射法

當(dāng)混凝土的裂縫面積較大或結(jié)構(gòu)尺寸復(fù)雜，不宜采用透射法檢測時，可采用平行反射法。運(yùn)用平行反射法檢測時，應(yīng)先檢測裂縫周邊混凝土的聲波速度，由于混凝土是一種復(fù)雜的混合材料，聲波速度受原材、配合比、齡期的影響因素較大，應(yīng)在裂縫周邊進(jìn)行多次的聲波速度檢測，取平均值。然后使用一對探頭在裂縫的兩側(cè)平行移動。

移動時探頭之間的距離應(yīng)與裂縫的估測深度相近。如果探頭之間的距離過遠(yuǎn)檢測出的數(shù)據(jù)較實(shí)際的裂縫深度要小。

4 結(jié)語

（1）超聲波法檢測，能對相對干燥環(huán)境下的鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測。不但方便，而且還經(jīng)濟(jì)、可靠性高。

（2）超聲波法不僅可對混凝土和鋼結(jié)構(gòu)的缺陷進(jìn)行精確檢測，還可對混凝土的強(qiáng)度進(jìn)行檢測，可做為工程質(zhì)量驗(yàn)收時的參考依據(jù)。

（3）隨著超聲波檢測設(shè)備制造水平的提高和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，超聲波法檢測還在不斷完善，會在日后的水利工程質(zhì)量檢測當(dāng)中，應(yīng)用范圍越來越廣。

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