第一章聲學概念
一、 波形及其引數
波是物質運動的一種運動型式。波動可分為兩大類：一類是機械波，它是由機械振動在彈性介質中引起的波動過程，如水波、聲波等；另一類是電磁波，它是由電磁振盪所產生的變化電場和變化磁場在空間的傳播過程，如無線電波、紅外線、可見光等。
聲波是物體機械振動時迫使周圍介質也發生振動並使振動向外傳播而形成的一種波動。人們通常聽到的聲波頻率範圍是20～20000hz，叫可聞聲波。但聲波頻率超過20000hz時，人耳就聽不見了，這種聲波叫超聲波。
頻率低於20hz的叫次聲波，人耳也聽不到。各種聲波的頻率範圍見表1-1。
表1-1各種聲波的頻率範圍 （hz）
在彈性介質中，任何乙個質點作機械振動時，因為這個質點與其鄰近的質點間有相互作用的彈性力聯絡著，所以它的振動將傳遞給與之相鄰的質點，使鄰近的質點也同樣發生振動然後振動又傳遞給下乙個質點，依次類推。這樣振動就由近至遠向各個方向以一定速度傳播出去，從而形成機械波。從上述可知，機械波的產生必須要有產生機械振動的振源和傳播振動的介質。
將接收換能器置於某點接收由聲源傳過來的聲波，實際上就是接收該點在聲波作用下的振動過程。振動大小和方向隨時間而變化的過程曲線就稱為波形。超聲儀螢幕上的圖形就是傳播到接收換能器所在位置質點振動位移隨時間變化的曲線。
由於諧振運動是最簡單的振動，所以它產生的余弦波是最簡單、最基本的波。先討論余弦振動在均勻介質中傳播的波動方程。圖1-1表示離振源一定距離處的質點位移隨時間的變化曲線，振源為一余弦振動。
其振動方程如下：
1-1）
式中 a——振幅
ω——角頻率
t——時間
y——質點在t時刻離開平衡位置的位移
波形引數：
週期t——相位相同的相鄰的波之間所經歷的時間稱為週期。
頻率f——週期的倒數稱為頻率，單位赫茲或千赫茲（hz，khz）。混凝土超聲檢測使用頻率一般在20~200khz之間，f與圓頻率的關係為ω＝2πf 。
振幅a——波動的幅度，表徵波的強弱，通常以分貝（db）或直接以螢幕上波高度的電壓表示。
波長λ——聲波波動一次所傳播的距離。
波速v——單位時間波傳播的距離，以m/s或km/s表示。
波長、頻率、波速間有如下關係：
1-1）
例如超聲波通過混凝土後被接收到，測得其頻率為50 khz，超聲波在混凝土中的傳播速度為4500 m/s，則由（1）式可計算出混凝土中超聲波的波長：
9cm二、 波的分類
聲波在介質中傳播時按照介質質點振動方向與波的傳播方向之間的關係，可分為縱波、橫波和表面波。
縱波：介質質點的振動方向與波的傳播方向一致，這種波稱為縱波，又稱為p波。可在固體、流體中傳播。
橫波：介質質點的振動方向與波的傳播方向垂直，這種波稱為橫波，又稱為s波。只能在固體中傳播。
表面波：沿固體表面傳播的波，它是由縱波和橫波組合而成，又稱瑞利波，r波。
通常的超聲換能器置於混凝土表面發射時，振動狀況複雜，既有縱向振動又有橫向振動，其發射出的超聲波既有縱波也有橫波和表面波。
三、聲波在介質中的傳播速度
在同一種介質中，不同種類的波具有不同的傳播速度。
同一種型別的波，在同一種介質中，因為不同的邊界條件，其傳播速度也不相同。
對於固體介質來說：
在無限大或半無限大介質中的縱波速度vp：
vp1-2）
在有限的固體中傳播時，則形成制導波，傳播速度變小。
在薄板中（板厚遠小於波長）縱波的傳播速度vl：
vl1-3）
在細長桿中（杆的橫向尺寸遠小於波長）縱波的傳播速度vo：
vo1-4）
在無限固體中橫波的傳播速度vs：
vs1-5在固體表面傳播的表面波速度vr：
vr= vs1-6
式中 ρ——密度；
e—— 楊氏模量；
g—— 剪下彈性模量；
μ——泊松比
在同一種介質中，縱波速度》橫波速度》表面波速度。從（1-2）、（1-5）、（1-6）式可知：
1-7）
一般固體，μ介於0-0.3左右， >1.14，混凝土μ在0.2-0.3左右， -1.87，因為vr≈0.9vs，所以vp≈（1.8-2.0）vr。
因為縱波比橫波速度快得多，雖然換能器發射出各種型別的波，接收換能器也可接收到各種型別的波，但最先接收到的波仍然是縱波。目前在混凝土超聲檢測中主要研究的是首波，即縱波。
表1-2為部分材料的彈性模量、波速和特性阻抗值。
表1-2 部分材料的彈性模量、波速和特性阻抗
四、波在介質介面的反射和折射
聲波在傳播過程中，由一種介質到達另一種介質，在兩種介質的分介面（介面）上，聲波會發生方向和能量的變化：一部分聲波被反射回到原來介質中，稱為反射波；另一部分聲波透過介面在另一種介質中繼續傳播，稱為折射波。
若以聲強i （定義：在垂直於聲波傳播方向上單位面積、單位時間內通過的聲能量）表示能量的大小，且定義：
r= 為聲強反射係數； t = 為聲強透射係數。
式中 i0、i1、i2 分別為入射波、反射波、透射波的聲強。
聲強反射係數、聲強透射係數反映了介面上聲波能量變化在數量上的關係。
由理論推導和實驗可知，反射係數與透射係數的大小取決於兩種介質的聲學特性，具體來說取決於介質的特性阻抗z。
特性阻抗z表徵介質的聲學特性，其值為介質的密度和波速的乘積，即z=ρ×v。（見表1-2）。
對於垂直入射到兩個無限大介面的聲波（圖1-2）：
r1-8）
t1-9）
式中 z1、z2——第
一、二種介質的特性阻抗。
從（8）式、（9）式可知：
1） r+t=1，這符合能量守恆定律；
2） z1= z2時，r=0，t=1，即當兩種介質特性阻抗相等時，聲波全部透過介面，無反射，對聲波來說，兩種介質如同一種介質一樣；
3） 當兩種介質特性阻抗相差懸殊時（z1>> z2或z1<< z2），r→1，t→0，即聲波能量在介面絕大部分被反射，難於進入第二種介質。
從表1-1可看到，鋼、混凝土一類固體介質特性阻抗較大，液體一類介質次之，空氣的特性阻抗最小，因此，在空氣與固體介質介面上，聲波很難通過，絕大部分被反射。
這也就是為什麼換能器和被測體之間需要耦合介質（黃油、水等）的原因。也正是利用聲波在介面這一點，可以用超聲波探測裂縫。
第二章混凝土超聲檢測原理
一、 混凝土超聲檢測原理
超聲波通過混凝土傳播後，其聲學引數將發生變化。根據這些聲學引數的變化可以探測混凝土內部缺陷、裂縫及質量情況。
常用於混凝土超聲探測的聲學引數如下：
1） 波速v（聲速）： 波速就是聲波在介質中傳播的速度。
v2-1式中 l——聲波傳播距離。因為是以最先到達的波為準，l就是發、收換能器間的最短距離；
t——聲波傳播時間（聲時）。聲時由超聲儀測得，測距需要實體測量得到。
波速是主要的聲學引數。
2）振幅a：接收波首波的幅度。振幅可以分貝（db）表示，由超聲儀上讀出，也可憑示波器上的刻度（mm）度量振幅引數在探測缺陷和裂縫中是重要的引數
首波後面1~2個周波是直達的縱波，所以測定接收波頻率時應當測定這1~2個波的頻率。可以通過移動游標的辦法測定兩個波谷（峰）的聲時t1、t2，則頻率f：
f2-2
3）收波主頻率（簡稱頻率）f：發射換能器發出的超聲脈衝波是複頻脈衝波，它包含各種頻率成分。超聲脈衝波在混凝土中傳播過程中高頻成分首先衰減，結果隨著傳播距離的增加，超聲波的主頻率不斷下降。
接收波主頻率的下降除了與傳播距離有關外，還取決於混凝土內部缺陷、裂縫和質量。因此，接收波頻率也是乙個有用的引數。
4）波形：即波的形狀。正常的混凝土，超聲波接收波形是衰減正弦波，其包絡線大致為半圓形。
當混凝土內存在缺陷時，有時會出現畸變波，如後圖所示。波形受許多因素影響，在判斷缺陷中只能作為一種輔助引數。
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