混凝土质量检测声测法中的频漂与频散现象.pdf

第1 2 期 2 0 0 8 年l 2 月 广 东土木 与建筑 GUANGDONG ARCHI I 1EC T URE CI VI L ENGI NE ER I NG No 1 2 D EC 2 O D 8 混凝土质量检测声测法中的频漂与频散现象 粱柏 波 ( 1 、 广东工业大学建设学院 广州 5 1 0 0 0 6 ； 陈久 照 2 2 、 广 东省建筑科学研究院 广州 5 1 0 5 0 0 ) 摘要 ： 通过衰减 系数的计算 ， 运 用经典吸收理论解析 了混凝土质量检 测声测法 中的频漂现象 ， 而驰豫 吸收理论 解析 了违背经典吸 收理论 的频散现 象的本质 ， 并结合 工程 实例 的信号 波形解析频漂与频散现象。 关 键 词 ： 衰 减 系数 ；粘 滞 性 ；热 传 导 ；驰 豫吸 收 混凝土检测中采用 的声波一般都是脉冲波 ( 又 称声脉冲) 脉冲波每次发射的持续时间短 ， 重复简 短发射 发射频率为 5 0 H z 或 1 0 0 H z 。 经过频谱分析 ， 该脉冲波又是一种 由多种频率成分的余弦波叠加组 成的复频波 而主频就是声波换能器的标称频率。 频漂 ： 复频波在媒质 中传播时， 各种频率成分的 衰减量是不 同的 一般都是频率高的成分 比频 率低 的成分衰减大 因此其频谱的主频将向低频漂移 ， 形 成频漂现象 频散： 复频波不同的频率在媒质中传播时， 声波的 传播速度具有高频快 、 低频慢的现象 ， 称为频散现象。 上述两种现象的本质都与声波在媒质里传播过 程中能量的衰减有关 。 1 衰减 系数 1 3 声 波在 媒 质 中传播 由于衰减 现象的存在 质点 的振 幅 会 相 应 地 声 源 逐渐减小 衰减率 正比于声波 一 图 1 声 波衰 减 原 理 示 意 图 的传播距离 。 如图 1 所示 。 d A 。 ( 一 c t A。 ( ) 一 d x A。 ( ) = ( C为待求常数 ) 由边界条件A 。 ( ) l 瑚； A ， 得： Ao ( ) ； A 0 0 e 式中： A 。 ( ) 分别为声源振幅和 处的振幅； 为 衰减系数， a = l n ( A o o a 。 x 。 的量纲为 一 ； 的单 位为 e m； l n ( A o o a 。 ) 为两个同量纲比值的自然对数， 称为奈培( N P ) ； 故衰减系数 的单位是 N P e m。 2频 漂现 象 引起媒质对声波吸收的原因很多 在经典吸收理 论中 纯媒质 中产生声吸收的原因有媒质 的粘滞性 、 热传导的作用。以下从流体的粘滞性、 热传导所引起 声波的吸收去讨论声波在传播中频漂现象的本质 2 。 2 1 粘滞作用的衰减系数 媒质对声波产生吸收 媒质的粘滞性是声波衰减 的主要原 因 当粘滞媒质中相邻质点的运动速度不 同时 它们之间产生相对运动时会产生内摩擦力 。 也 称粘滞力 粘滞 系数 由切变粘滞 系数 t 和容变粘滞系 数 7 7 ” 两部分组成 ， 即： =专研 + 根据粘滞流体媒质 中的波动方程可得 出粘滞作 用的衰减系数 ： 。 + 器 = ( 争 一 0 c 一 0 c 。 3 2 2 热传导效应下的衰减系数 引起媒质 中声波吸收的另一个物理原因是媒质 的热传导吸收。 当非理想媒质 中存在热传导时 相邻 的压缩区与膨胀区存在着温度梯度 。使热量从梯度 高部分流 向梯度低部分 。 该过程就是熵的传递过程 机械能转化为热能 ， 且该过程是不可逆的 。 媒质 的热传导吸收系数为 ： 貉 = 貉 c 一 苦 式 中： 为热传导系数 ； C 、 为定容与定压 比热容 ； 为定压比热容与定容比热容的比值 ， 即 = c 。 5 9 2 0 0 8 年1 2 月 第1 2 期 梁柏 波等： 混 凝土质 量检 测声测 法中的 频漂与 频散 现象D E C 2 0 0 8 N o 1 2 2 3 经典吸收理论 中的衰减系数 经典吸收理论认 为媒质是不可压缩 的 因而忽 略容变粘滞系数 7 7 ” ， 考虑 了媒质的粘滞性与热传导 效应 ， 总的声吸收系数公式 口= + ， 即 ： 争 ( 一 1L ) 1 因频率 f t比于角频率 ， 衰减系数 与 厂 z 成 正 比 厂 越大则 越大。 复频波在混凝土媒质 中传播 时， 频率高的成分 比频率低的成分衰减量大 因此其 频谱 的主频将 向低频漂移 从而形成频漂现象 3频散 现象 变化 经典 吸收 理论 的声 吸收公 式 ， 得 ： A = + ( 一 ) ， 总的吸收是 由切变粘滞引起的声吸收 A ， 和热 传导引起的声吸收 A， 两部分组成 。而 A 是一个与 频率无关的常数 由媒质 的粘滞性和热传导等物理 性质所决定 在实验中容易发现有时会出现不符合经典吸收 理论的现象。A。 不是常数， 而随着频率 厂 的增大而减 小， 同时发现声速 C随频率 厂 的增大而显著增大 这 种现象称为频散( 或色散 ) 现象 可 以根据驰豫吸收 理论来 解 释这一 现象 根据驰豫吸收理论 ， R = C p - - C ， C 为外 自由度定 容比热容 ， 为驰豫时间 ， 有 ： c 2 = Po 。 ( 1 + R C 丽1- (o 2 v 2 C w ) c 利用声速平方公式 ，对声速传播速度进行讨论。 当 C O 1 ( 即 很大) 时， 有 ： c 02- 去( 1 + 百R ) c P o。 ( 1 + R ) 了声波传播速度 随频率 而变化的频散现象 图 2 为角频率 自然对数与声 速的关系曲线 当 C O 时声波传播速度为常数 ： 当 一时 声波传播速 度为常数 C 曲线的拐点 6 0 图 2 l o g 。 l o g 关 系 曲线 = f ( C v C ) ， 最后得出总的声吸收系数表达式： 争 ( 一 ) 苦 式 中 ： 器 表示当媒质内同时存在多种且其过程相互独立的驰 豫过程时 总的驰豫过程的吸收系数为 4 工程 实例 以下为广东肇庆某桥梁工程其中一桩基的超声 波检测工程实例 该桩采用武汉岩海 R S S T O 1 D( P ) 跨孔超声波 自动检测仪采集信号 其中试桩 0 墩 5 桩为 1 3 0 0 、 = 2 3 m人工挖孔灌注桩 。 l 2 检测 面 测距为 9 0 0 mm 利用岩海声 波分析系统 3 4 1版分 析波形信号 得到该检测面的声速一 波幅曲线( 如图 3 ) 与声时一 P S D曲线( 如 图 4 ) 。 i 谴 酬 n l 姆 m e 图 4声 时一 P S D 曲 线 从 l 2 检测面 中选 取检测深度 分别为 7 6 m ( 1 2 0 6 2 0测点) 、 1 7 2 1 m( 1 2 - - 0 2 4 0测点) 、 1 8 4 8 m( 1 2 0 1 9 0测点) 、 2 2 0 2 m( 1 2 0 0 5 0测点) 的检测波形 ， 读取 其首波位置 接收到的复频脉冲信号波形 ( 即时域 图) 、 对应的频谱 ( 即频域图) 如图 5 - 6 。 ( 1 )图 5 a和图 6 a属于正常的复频脉冲信号的 波形。 首波清晰陡峭 。 振幅大； 第 1 周期波的后半周期 达到较高振幅 前半段波形幅值达到整个波形较大 值： 波形的包络线显半圆形： 主频值为 5 0 6 k H z 。通过 傅里叶转换计算所得到的频域图中 频率的高频部分 的幅值大 而 5 0 6 k H z 频率在波形的功率谱 中为幅值 最大值所对应的频率 判定为波形的主频值 2 0 1 1 8 年1 2 月 第l 2 期 D E C 2 0 0 8 N o 1 2 当前涯逼 谴遒一 文件 0 s 序号 l 2 - 8 6 2 0 对闻2 0 7轧s幅度 蚰7 g r a y 采样f 可 隅 l 如 C 采样点披3 胀 延迟时f I 2 触发方式莲发 触地电平710*olegR 艘射辕竟 10us 发射 电压 5 0 谴瓤蒂 强 6 H 霉声时- l 8 。 I l s 声时 2 0 7 O u s 渡 蕞9 5 7 d B主搁- s O 砌 k 敞墙2 0 1 ( b )测点 1 2 0 2 4 0 l 当 前遁 道 逼遘一 l 文 件o 5 序 号 l2 如 H l 采样闽瞒 l s r_一 l 廷 避 时 间l2 l 7 1 0 1 R l 艟 按 电 平 l ： l发 射 辣 竟l 0 I ； V I 擞射 电压 5 D 口 v l ： l遇绷 带 驰 6 挑 l I事声时 轧 $ I 声时 2 8 8 0 雌波幅 ， 9 8 雌主 ( d )测点 1 2 0 0 5 0 的波形 图( 即时域 图 ) 有 1 9 9 k H z 频 域 图 中 低频部分幅值 比高频部 分大得多 低频部分的 功率 比高频部分大 波 形 的主频值 明显地漂移 到了低频部分 ( 4 )图 5 d和 图 6 d 的波形对比于复频脉冲 的理想波形 存在明显 的波形畸变。 首波平缓 ： 从第 1 周期波的波形开 始 整个 波形 已发 生 明显 畸变 ； 包络线不明显 ： 复 频脉 冲的声能量小 ： 正 弦波形的周期都 已明显 增大。 经频谱分析计算 。 得到其主频值 1 0 0 k H z 频域图中高频部分的幅 ( b ) 测点1 2 0 2 4 0 值 已明显衰减到很小 几乎接近为零 ：信号波 形 的大部 分 功率集 中在 低频部分 幅值最大值 对应频率 1 0 0 k H z 频漂 现象明显。 显然 。 这是复 ( 。 ) 测点 1 2 0 1 9 0 ( d ) 测点 1 2 0 0 5 0 频脉 冲穿越了有明显的 图6 频谱分析图( 即频域图) 缺陷的混凝土媒质后造 ( 2 )图 5 b和图 6 b的复频脉冲信号波形后半段 成接收信号发生明显畸变而造成 的结果 出现异常。虽然波形的首波较清晰陡峭 第 1周期 波的后半周也达到较高 的振幅 ： 但波形 的包络线明 5 小结 显 已经变形 信号波形的后半段部分后续波 已出现 明显畸变 ， 此低频后续波的声能量也较大 ， 致使通过 由于声波在固体媒质 中传播的复杂性 使得声 频谱分析计算后 ， 频域图中信号波形 幅值的最大值 波在 固体媒质 中传播 的理论计算存着在一定难度 在低频部分 ， 信号波形的主频取值 2 1 5 k H z 。 因此在现有声学理论研究中大多采用理想液态或气 由于能量的衰减 ， 复频脉冲的高频部分与低频 态媒质模型。 以便使得计算得 以简化。 在混凝土无损 部分在混凝土媒质的传播过程 中都会发生衰减。此 检测中， 通过这些数学模型的计算分析 我们能够较 脉 冲信号到达接收换能器时 ， 高频部分 比低频部分 简单地理解复频脉冲在混凝土媒质中传播而发生的 的衰减得多。 通过频谱分析计算所得到的功率谱中， 频漂与频散现象 功率的最大值 出现在低频部分 ， 因此最后对于整个 5 1 声波在媒质的传播过程中，能量的衰减系数 波形的主频值作出的判断 ， 其值 比正常的波形 要偏 与角频率 c o 2 ( 或频率 厂 ) 成正 比。 复频脉 冲在穿越混 低 ， 漂移到低频部分 。 凝土媒质传播时 ，表现为复频脉冲的高频部分 比低 ( 3 )图 5 c和图 6 c的复频脉冲信号波形存在 明 频部分衰减得更快 。 使得在频谱分析计算中 功率的 显的异常。首波不清晰 ； 整个波形发生 明显畸变 ； 包 最大值 出现在低频部分 ，接收信号的主频值向低频 络线不 明显； 复频脉冲的声能量小 ； 得到的主频值只 漂移， 出现频漂现象。( 下转第 1 9页 ) 61 2 0 0 8 年1 2 月 第1 2 期 广东土 木与建筑 D E C 2 0 o 8 N o 1 2 聚力 C较小( 2 0 4 0 k P a ) 时 对沉降影响率是有较大 影响的 ： 当 C较大( 4 0 k P a ) 时， 它对沉降影响率趋 向 平缓并接近水平 即 C与相邻荷载的沉降影响率是一 个常数关系 4 3 载荷 大小影 响效应 相邻荷载与测试点的距离分别取 ( 2 0 ， 3 O ， 4 0 ) m。 E = 1 0 M P a ， C = 3 0 k P a ， = 3 0 。 ， r = 5 。 。在 静 载 1 0 0 4 0 0 k P a作用下 相邻荷载对测试点的沉降影响量如 图 7 可见 当相邻荷载小于地基极限承载力时， 其 荷载的变化与沉降影响量呈线性递增 ： 当相邻荷载 荷载 大于地 基 极 限承载 力 时 地 基 的变形 量较 大 ， 可 能 发 生 沉 降 或 隆 起。荷载与沉降影 一： 响率的关系曲线较 平缓甚至是趋向一 罨 数值 ，也 即荷载的 蜉! 大小和与相邻荷载 的沉降影响率是一 图7 个 常数关 系 5结论 0 l0 0 l 50 2 0 0 2 5 0瑚瑚枷 荷载( k P a ) 荷 载 与 沉 降影 响 量 的 关 系 5 1 由有限元计算结果可知 就相邻荷载对测试点 的沉降影响量而言 距离与荷载是影响最大的因素， 土质参数( 变形模量与粘 聚力 ) 次之 ； 就相邻荷载对 测试点的沉降影响率而言 距离的变化影响最大 变 形模量 、 粘聚力 、 荷载大小与沉降影响率均可以认为 是常数 关 系 5 2 相邻荷载的距离与沉降影响量 、 沉降影响率与 相邻荷载的距离呈非线性递减关系。随着相邻荷载 的距离和附加应力的增大 相邻荷载的的沉降影响 量 、 沉降影响率都显著降低。 当距离小于 2 m时， 沉降 影响量显著较大：而 当相邻荷载与测试点的距离大 于 4 m时 沉降的影响量很小 。 5 3 变形模量对沉降影响量是非线性递减 的变形 模量与相邻荷载的影响率曲线是平缓和接近水平 可 认为变形模量与相邻荷载的影响率是一个常数关系。 5 4 粘聚力与沉降影响量是非线性递增关 系， 但增 幅较小 当粘聚力较小 时 对沉降影响率有较大的影 响 ： 当粘聚力较大时 ， 其对沉降影响率的关系是趋 向 平缓和接近水平 即粘聚力与相邻荷载的沉降影响 率是 一个 常数 关 系 5 5 荷载的变化与沉降影响量是线性递增 的， 荷载 的大小与沉降影响率的曲线较平缓 ，也可以认为是 一 个 常数 关 系 5 6本文研究 的相邻荷载荷载影响的地基沉降影 响量 相邻荷载与测试点距离为 2 4 m， 变形模量为 6 2 0 MP a 粘聚力为 2 0 7 0 k P a 荷载为 1 0 0 4 0 0 k P a 等 文 中规律是否适用尚需进一步研究 。另外 ， 本文 的结论也应在工程实 际中接受进一步检验 参考文献 1 顾晓鲁等 地 基与基础 ( 第三版 ) M 北京 ： 中国建筑工 业 出 版 社 2 0 0 3 2 高大钊 ， 徐超 ， 熊启 东 天然地基上 的浅基础 M 北京 ： 机 械 工 业 出 版 社 2 0 0 2 3 盛 和太A N S Y S有 限元原 理与工程 应用 实例大 全 M 北京 ： 清华大学出版社 。 2 0 0 6 4 G B 5 0 0 0 7 -2 0 0 2建筑地基基础设 计规 范 S f 上接第 6 1页 ) 5 - 2 在理论计算中， A 值在一定范围内是一个常数。 但是 由于驰豫吸收现象的原因 ， 有时 值会随着角 频率 ( 或频率 的增大反而减小 ， 同时声速 c却 增大 从而出现频散现象 但由于混凝土无损检测中 所用到的复频脉冲 发射换能器主频多在 2 0 3 0 0 k Hz 范围之间 相对于角频率的 自然对数与声速的变化关 系 变化范围不大： 而且复频脉冲在混凝土媒质 中的 传播路径 复杂 。 很难去对 比脉冲信号的高频部分与 低频部分 值相等的情况下沿 同一传播路径的各 个频率的传播速度 因此频散现象在混凝土无损检 测中不如频漂现象那么显而易见 参考文献 1 陈凡 ， 徐天平 ， 陈久照等基桩 质量 检测 技术 M 北京 ： 中国建筑工业出版社 2 0 0 3 2 杜功焕 ， 朱哲 民， 龚秀芬 声学基础 M 南京 ： 南京大学 出版社 2 0 0 4 3 许 肖梅 声 学基础 M 北京 ： 科学出版社 ， 2 0 0 3 1 9