混凝土工程檢測儀器所涉及的聲學基礎知識
1、波動是物質的一種運動形式
▲ 機械波 — 機械振動在彈性介質中的傳播過程
如：聲波、水波等
（應用如：超聲儀、測樁儀）
▲ 電磁波 — 電磁振蕩引起的變化的電場與磁場在空間的傳播
如：無線電波、紫外線、光線等
（如：鋼筋磁感儀、雷達）
2、聲波是機械波
▲ 次聲波 0～20hz
▲ 可聞聲波 20～20khz
▲ 超聲波 20khz～1010 hz （ 砼超聲 ：20khz～250khz）
▲ 特超聲波 ＞ 1010 hz
3、聲波的產生與傳播： 聲波是質點振動的傳播過程，產生并傳播聲波的條件是：
▲要有作機械振動的波（聲）源，如聲帶發(fā)出聲音、超聲發(fā)射換能器發(fā)出超聲波
▲要有傳播振動的介質，如空氣、水、混凝土，但真空中不能傳播機械波
4、振動：物體在一定位置附近重復運動
▲振動位移μ μ＝asinωt
▲振動速度v v＝＝aωcosωt
▲振動加速度a a＝＝－aω2sinωt
a－振幅，離開平衡位置的位移
－角頻率
5、波的類型
①的波是縱波和橫波
▲縱波（p波）— 質點振動方向與波的傳播方向一致，如聲波
縱波可以在固體、液體、氣體中傳播
▲橫波（s波）— 質點振動方向與波的傳播方向垂直
橫波只能在固體中傳播
②縱波、橫波迭加產生其它類型的波
▲表面波（r波）－ 縱向振動與橫向振動迭加形成橢園振動，沿介質表面?zhèn)鞑?br>表面波只能在固體中傳播
6、波的形式
①聲波在無限大且各向同性介質中向各方向傳播
▲波線 － 傳播的方向
▲波前 － 介質中質點振動傳播到達的各點的軌跡
▲波陣面 － 介質中質點振動同相位的所有質點的連線（或稱軌跡）
②按波陣面分
▲平面波 － 波陣面是平面，振源是無限大平面
▲球面波 － 波陣面是球面，振源是點源
▲柱面波 － 波陣面是同軸園柱面，振源是無限長園柱
（a） 平面波；（b）球面波；（c）柱面波
1－波線；2－波前；3－波陣面
7、基本物理量
▲周期t － 質點完成一次振動的時間，單位：秒
▲波長λ － 在周期t內波傳播的距離，單位：米
▲頻率f － 每秒振動的次數，單位：1/秒
▲速度v － 每秒傳播的距離，單位：米/秒
基本物理量之間的關系：
例：v＝4000m/s f＝50khz ＝80mm
二、聲速－質點振動傳播的速度
1、無限體中的聲速
無限體的邊界條件：d >2λ (d：橫向尺寸、λ：波長)
▲縱波聲速vp=
▲橫波聲速vs= =
▲面波聲速vr＝vs
（ e:彈性模量 ：密度 ：泊桑比 g：切變彈性模量）
縱波聲速vp＞橫波聲速vs＞面波聲速vr
砼中： vp＝（1.62～1.87）vs （ 當σ＝0.25時 vp=1.73vs）
vp＝（1.81～2.08）vr
vr＝0.9vs
縱波p、橫波s、面波r的時序關系 實測的縱波、橫波、面波
2、不同幾何尺寸介質的縱波聲速
▲無限體中的聲速（無限體的幾何條件：與聲線相垂直尺寸大于2倍波長）
▲薄板介質中的聲速（薄板的幾何條件：板厚<>板厚z）
▲細長桿（一維桿）聲速（細長桿的幾何條件：橫向尺寸<>橫向尺寸）
無限體中的聲速vp＞薄板介質聲速vl＞細長桿（一維桿）聲速vb
例：砼中： vp ≈ 4500m/s
vl ≈ 4368m/s
vo ≈ 4280m/s
混凝土的σ＝0.2～0.23，以錘擊作振源時反射波法所測混凝土聲速（一維桿的縱波聲速）比超聲波法所測混凝土聲速要低5%～7%
三、聲波在聲界面的反射與折射（透射）
1、聲阻抗率z：在數值上是密度和聲速的乘積，對于一定頻率的聲波，聲阻抗率只取決于介質特性，故也稱之為介質的特性阻抗
混凝土特性阻抗z＝108×104g/cm2.s
2、聲界面：指聲阻抗率z不同的介質的界面
3、垂直入射
聲壓反射率
聲壓透射率
垂直入射：1－入射波；2－反射波；3－透射波
z1＝z2 相同介質 全透射 r＝0，d＝1
z1《z2 聲疏 聲密， 如空氣 砼，幾乎全反射， r ≈1 d≈0
z1 》z2 聲密 聲疏， 如砼 水，幾乎全反射（反射波反相）， r≈ -1 d≈0
4、斜入射
反射定律 入射角等于反射角
折射定律
在流體（氣體、液體）界面，介質中只有單一的縱波
5、在固體介質的聲界面聲波將發(fā)生方向，角度及波型的變化
一種波（縱波）入射到固體界面時，不僅波方向發(fā)生變化，而且波型也發(fā)生變化，分離為反射縱波、反射橫波、折射縱波、折射橫波。各類波的傳播方向各不相同，符合反射定律和折射定律
6、臨界角：若入射波是縱波，且（聲疏 →聲密），則：折射角＞入射角 當折射角＝900時的入射角稱為臨界角
若縱波入射角＞臨界角，第二種介質中沒有折射縱波，只有折射橫波，這是產生橫波的一種方法
四、聲波的繞射
在聲阻抗不連續(xù)的介質中，聲波在傳播中會發(fā)生聲波的繞射
當介質中出現(xiàn)聲阻抗差異較大的障礙物和裂縫，空洞及低聲阻抗的異物時聲波會發(fā)生繞射現(xiàn)象
五、聲波的散射
不均勻介質，例如混凝土中的骨料、缺陷、摻雜物等，會發(fā)生聲波的散射
散射只在波長入與粗骨料的粒徑d相近時發(fā)生，波長（λ）≈骨料粒徑（d）
散射會使聲傳播過程中發(fā)生能量損失
由此決定了混凝土超聲檢測所使用的頻率一般要低于200khz。頻率高，能量損失大
六、聲波的衰減
聲波在傳播過程中振幅隨傳播距離的增大而逐漸減少的現(xiàn)象稱為衰減，在超聲檢測中用首波波幅值的相對變化描述聲波的衰減程度
1、產生衰減的原因
▲吸收衰減： 傳播中質點間的摩擦使聲能轉化為熱能造成吸收衰減
▲散射衰減： 傳播中多次反射、折射，波型轉換造成散射衰減
▲擴散衰減： 傳播中波束擴散使能量分散造成擴散衰減
2、衰減系數，衰減與頻率的關系
平面波：a=am e-αl； 球面波：a=（1/l ）ame－αl （式中l(wèi)為聲傳播距離）
衰減系數：
吸收衰減系數 正比于
散射衰減系數 正比于
總的衰減系數
a、b、c是由介質性質和散射物特性所決定的比例系數
總體來說，衰減系數是頻率的函數，頻率越高衰減越大
3、衰減的度量（波幅的度量）：分貝
分貝數＝
分貝是用對數表示同一種物理量（接收波聲壓與標準聲壓）的相對大小，分貝為無量綱量
相對固定幅度a0 信號幅度a，用分貝表示為幅度a
a=2 a0 a的幅度值
a=1/2 a0 a的幅度值
a=10 a0 a的幅度值
a=100 a0 a的幅度值
a=1000 a0 a的幅度值
七、混凝土聲學特性
1、 聲速與混凝土物性關系
▲由聲速可以計算出混凝土的動彈性力學參數：
泊松比μ
彈性模量e
, 剪切模量g
▲聲速與混凝土密實度，強度存在相關性：
當聲波傳播到有缺陷的部位，由于聲阻抗變化，聲波會產生折射、反射以及繞射現(xiàn)象，使聲線拉長，聲時加大，視聲速下降
2、波幅即衰減系數與混凝土物性關系
致密、強度高的混凝土波幅衰減少
強度低或存在缺陷的混凝土波幅衰減大
3、頻率與混凝土物性關系
砼中應用的超聲脈沖波是復頻波，含有多種頻率成份，最主要的頻率為主頻
在傳播過程中高頻成份容易衰減掉，使主頻向低頻側漂移（頻移），主頻率變低
混凝土質量差，存在缺陷時接收信號的頻移較大，主頻率明顯變低