一、超聲波的基本性質

超聲波是一種頻率高于人耳能聽到頻率的聲波。它在傳輸過程中服從于波的傳輸規律，在介質中保持直線傳播，服從波的反射定律與折射定律，在介質中的傳播速度服從于波的傳輸定理(即，式中：為波速，為波長，為頻率)。實踐證明，頻率愈高，檢測分辨率愈高，測量精度也愈高，但是頻率較高時，波長會減小，當減少到與被測材料中的集料尺寸處于同一數量級時，散射面積擴大，聲波的散射量增加，隨之衰減量增加，而使有用的反射波減少，相應地波的回收能量也隨之減少，使測量誤差增加，因此，在實踐中利用超聲波測量時，頻率范圍一般介于20kHz~100kHz之間瀝青網sinoasphalt.com。

超聲波的傳播速度與波的類型、介質的物理性質和邊界條件有關。

對比公式(1)和公式(3)可以發現，縱波在無限介質中要比在桿件中傳播的快，這是因為桿件中可能有側向位移，而在無限介質中沒有。

二、超聲波檢測儀的基本組成和工作原理

三、采用超聲波測定材料的動態彈性模量

變換公式(1)的形式可以得到：

按照公式(4)，實測了兩組水泥穩定材料的動態彈性模量，如表1所示。

由表1可知：

(1)對于同一種材料，試件形狀不同時，動態彈性模量也不相同。這主要是受試件橫向尺寸大的影響。一般的只要試件橫向尺寸，則超聲波在該試件中的傳播速度與在無限介質試塊中的傳播速度相當，只有試件橫向尺寸，超聲波的傳播速度才與在桿件中的傳播速度相當。根據實測結果，超聲波在水泥穩定土中傳播時波長為3cm~4cm，據此認為橫截面尺寸為φ10cm的圓柱形試件滿足的要求，其測試結果可信度高，試驗結果的變異系數也小，推薦采用圓柱形試件進行試驗。

(2)對于試件尺寸相同時，不同材料的動態彈性模量差別很大，水泥穩定天然砂礫的動態彈性模量是水泥穩定土的2.7~2.9倍。這主要是因為水泥穩定天然砂礫混合料的剛度比和最大干密度都比水泥穩定土大造成的。

四、采用超聲波進行瀝青混凝土損傷檢測

瀝青混合料在水–溫–光循環作用下自身結構發生了本質性的變化，作為超聲波傳播的介質，必然會導致超聲波聲學參數的改變。所以，利用超聲波在損傷前后的瀝青混合料中傳播時聲速、波形、振幅和頻率等參數的變化，可以對瀝青混合料的損傷進行初步判斷。

在超聲波檢測過程中，為了減少聲能損耗，在與探頭接觸的試件表面涂抹凡士林作為耦合劑，如圖3(a)所示?？紤]到瀝青混合料試件的非均勻性，在每個試件上均勻的布置5個超聲測點，如圖3(b)所示。數據處理時，舍棄1個最大值和1個最小值，利用3個中間值作為樣本數據。

制作AC-16、SMA-16兩組瀝青混合料試件，對各組試件進行20次水–溫–光循環，每次水–溫–光循環結束后，按照上文所述方法對各組試件進行超聲波測試。提取各組試件的聲時、主頻、振幅等聲學參數，并采集其波形圖和頻譜圖。各組試件損傷前后典型波形圖與頻譜圖，如圖4所示。

由圖4可見：水-溫-光循環損傷后，AC-16與SMA-16級配瀝青混合料的超聲波聲學參數的性質發生了如下變化：

(1)波形畸變

觀察損傷前后的波形圖可以看出，瀝青混合料在水-溫-光損傷之后的波形發生形變并顯得雜亂無章，出現多峰值現象，振幅發生明顯衰減。這是由于水-溫-光循環導致試件的空隙率增大或者薄弱部分疏松，超聲波在有損傷的試件中傳播時，在損傷界面會產生繞射、反射、透射等現象。由于頻率和相位的差異，各種形式的波最終疊加成一個綜合的超聲波信號，導致波形的畸變。波形畸變越劇烈，表明損傷的程度越嚴重，損傷的范圍越大。

(2)主頻減小

觀察損傷前后的頻譜圖可以發現，超聲波在有損傷的試件中傳播過程中，聲能發生衰減，不同頻率成分的衰減程度不同，其高頻部分的較低頻部分衰減嚴重，從而使接收波的主頻向低頻端漂移。這是因為瀝青混合料作為一種高頻濾波器，超聲波在其中傳播路徑越長，所包含的高頻成分愈小，接收信號的主頻率值也逐漸下降。

(3)聲時延長

試件損傷后，聲時延長。這是由于損傷前瀝青混合料整體密實度較高，空隙率較小，超聲波的傳播路徑近似為直線，傳播距離即為超聲波發射端與接收端的間距；水–溫–光循環作用使試件的整體性遭到破壞，其內部出現大量空隙，而空隙中空氣的聲阻抗率遠小于集料和瀝青膜的聲阻抗率，超聲波脈沖在分界面上不能透射，只能繞過空隙傳播，因此，傳播的路程增大，使得測得的聲時延長。

通過以上研究可以看出，利用超聲波波形、主頻、聲時和振幅等聲學參數能夠反映密級配瀝青混合料在水–溫–光循環作用下自身結構的變化，可以利用該方法進行瀝青混合料的損傷判斷。

五、采用超聲波進行注漿效果檢查

混凝土裂縫注漿效果檢查

由圖5可知，該位置處灌漿前首波聲時為110.4μs，首波波幅為44.5dB，后續波形部分殘缺。灌漿后，首波聲時減少到84.2μs，相對減少23.7%，首波波幅增加至81.7dB，相對增加83.6%。

由圖6可知，由于該位置漿液未覆蓋到，所以灌漿前后的波幅及聲時變化較小。

對比兩圖可知，漿液覆蓋位置的測點在灌漿前首波波幅較小，首波聲時較大，后續整體波形多處畸形，原因是灌漿前試件的貫穿裂縫使超聲波傳遞路徑上出現空洞區。該區域將導致超聲波傳遞路徑改變，以致超聲波接收端獲得的首波聲時增加，波幅損失增大，整體波形出現殘缺。由灌漿后的波形可見，由于漿液的覆蓋，填充了裂縫空洞區，使超聲波傳遞路徑縮短，首波聲時減小，波幅損失減小，后續波形更完整。通過波形特征值分析可知，漿液覆蓋區與未覆蓋區的超聲波特征值變化情況差異顯著，可根據超聲波波形特征值的變化有效判斷灌漿后的漿液覆蓋情況。

橋梁預應力孔道壓漿效果檢查

超聲波在預應力孔道壓漿效果檢測方面能夠發揮很好的作用，但由于頻率高、散射快，只能用于小距離的孔道橫斷面單點檢測，但這為孔道內部空洞范圍的確定起了關鍵作用。

如圖7所示，檢測采用兩面對測法，在被檢測孔道外徑的一端，利用換能器輻射發射高頻信號，經混凝土區→波紋管壁→波紋管圓心→波紋管壁→混凝土區，最后傳向波紋管外徑另一側的接收換能器。

與氣體的聲阻抗率相比較，混凝土的聲阻抗率明顯偏大，兩者接觸面容易形成明顯的界限。檢測波在混凝土中傳播時，遇到上述界面，如蜂窩、空洞、裂縫時，要在界面處發生散射。其中，頻率高的成分衰減很快，當波抵達接收探頭時，波的總能量已經減小，波幅降低，接收頻率也明顯減小。根據相關試驗結果，常常將波速值作為第一參數值，該值不僅對測量結構敏感，而且結果變化范圍大，易于對結果進行分析判斷。波幅值變化范圍較小，與波速比較不能更明顯的體現結果，可以用來作為缺陷判斷的第二參數值，頻率也作為輔助判斷參數。實際檢測過程中宜采用概率法結合經驗法對孔道缺陷進行判別。概率法是在孔道壓漿檢測中，將測點布置于孔道軸心處，通過各個測點測值與臨界值的比較判定缺陷。

六、采用超聲波(透射法)檢測灌注樁樁身完整性

混凝土灌注樁的超聲波檢測的工作過程，如圖8所示。一般采用水作為換能器與混凝土耦合劑，應保證聲測管中不含懸浮物，懸浮液中的固體顆粒對聲波有較強的散射衰減，影響波幅的測試結果。

超聲波(透射法)檢測混凝土灌注樁樁身缺陷、評價其完整性的依據是通過測定超聲波經過混凝土傳播后各種聲學參數的量值得到的，目前所用到的聲學參數主要有波速、波幅、頻率及波形。幾種典型的檢測結果分析如下：

圖9為完整樁的超聲曲線，從圖中可以看出，聲速、波幅曲線均沒有超過臨界值，PSD曲線沒有突變，檢測結果表明該樁為完整樁。

圖10為樁底沉渣樁的超聲曲線，該樁長度13.7m，從圖中可以看出，樁身在0~12.3m處的波速及波幅曲線均高于臨界值，PSD曲線也較為正常，12.3m以下的樁身，波幅及聲速均低于臨界值，且PSD曲線發生突變，樁底存在1m左右的沉渣或低強度區。

如圖11所示，該樁樁長18m，當以聲速作為判據時，樁在10.25m處的波速為3380m/s，樁在12.75m處的波速為3439m/s，而該樁整體的聲速判定值為3509m/s，這兩處位置的聲速要低于聲速判據值，從而判定該處存在一定的缺陷；當以波幅作為判據時，在所有位置處，波幅均高于其判據值82.98dB，沒有發現異常；當以PSD作為判據時，PSD曲線在10.25m及12.75m處均發生突變，這表明樁在該位置存在一定缺陷?？紤]到樁身離析容易造成超聲波幅的降低，而該樁波幅判據較為正常，判定該樁在10.25m及12.75m處輕微縮頸。

從圖12中可以看出，該樁在樁身13m左右位置處存在缺陷。從聲速方面看，該位置處的超聲聲速最低，且低于聲速判據值；從波幅方面看，該位置處波幅降低非常明顯，大大低于波幅的臨界判據值；從PSD判據來看，該處PSD曲線發生較大的突變?？紤]到樁身離析容易造成超聲波速及波幅的同時降低，綜合各方面分析我們判定該樁在13m位置處嚴重離析。

九、結語

1949年加拿大的Leslide、Cheesman和英國的Jones、Gatfield首先把超聲波脈沖檢測技術應用于結構混凝土的檢測，開創了混凝土超聲檢測這一新領域。經過70多年的發展，檢測儀器由電子管單示波顯示型發展到集成化、數字化和智能化的多功能型；測量參數由單一的聲速發展到聲速、波幅和頻率等多參數；檢測范圍由單一的大空洞或淺裂縫檢測發展到瀝青混凝土損傷檢測、孔道壓漿密實度檢測等多種性質的缺陷檢測；缺陷的判別由大致定性發展到半定量和定量的程度，未來將會使無損檢測推向更高層次的無損診斷和無損評估。