冲击弹性波

升拓无损检测技术—冲击弹性波

（四川升拓检测技术有限责任公司，四川成都610045）

摘要：冲击弹性波则是用锤或其他激振装置与测试对象冲击产生，是弹性波的一种。因为其具有激振能量大、操作简单、便于频谱分析等特点，是一种非常适合无损检测的媒介。

关键词：无损检测技术，冲击弹性波，波的分类，反射特性，升拓无损检测

无损检测运用广范，在国内许多行业和部门，例如机械、粉末冶金、建筑、公路、铁道、隧道、桥梁、石油天然气、石化、化工、航空航天、船舶、电力、核工业、兵器、煤炭、有色金属、医疗机构、核工业、海关等领域均有运用。四川升拓检测技术有限责任公司的无损检测技术主要致力于工程质量、结构安全和广域防灾减灾等方面的设备、系统的开发和销售。以振动、波动、声响、冲击等作为测试和监测媒介。

无损检测技术，又称非破坏检查技术，在不破坏物质原有状态及化学性质的前提下，利用物质中因有缺陷或组织结构上的差异存在而使其物理性质的物理量发生变化的现象，以不使检查物使用性能和形态受到操作为前提，通过一定的检测手段来测试、显示和评估这些变化，从而了解从而了解和评价材料、产品、设备构件等被测物的性质、状态或内部结构等所采用的检查方法。

无损检测技术是第二次世界大战后迅速发展起来的一门新兴的工程科学，它最突出的特点是“无损伤”。其发展过程经历了三个阶段：无损探伤阶段、无损检测阶段和无损评价阶段。首先，无损探伤阶段主要是探测和发现缺陷；其次，无损检测阶段不仅仅是探测缺陷，还包括探测试件的一些其他信息，例如、材质、结构、性质、状态等，并试图通过测试，掌握更多的信息；再次，无损评价阶段不仅要求发现缺陷，探测试件的材质、结构、性质、状态，还要求获取更全面，更准确的综合的信息，例如缺陷（裂缝、剥离、内部空洞、蜂窝等）、几何尺寸（厚度、埋深）、位置、取向、内含物、残余应力等，结合成像技术、自动化技术、计算机数据分析和处理等技术，材料力学、断裂力学等知识综合应用，对试件或产品的质量和性能给出全面、准确的评价。无损检测技术常用的方法有冲击弹性波检测（包含超声波检测和声波检测）、射线检测，超声波检测，磁粉检测，渗透检测、涡流检测、声发射检测等方法。进入21世纪以后，为满足生产的需求，并伴随着现代科学技术的发展，特别是计算机技术、数字化与图像识别技术、人工神经网络技术和机电一体化技术的快速发展，无损检测的方法和种类日益繁多，除了上面提到的几种方法外，射线、激光、红外、微波、液晶、等技术都被应用于无损检测。

在交通工程中，无损检测技术的应用是十分广泛的。无论是公路的路基填筑、路面铺装，

还是桥梁、隧道的施工和维护，处处可以看到无损检测技术的身影。下表列出了面向混

凝土结构的常见的无损检测技术。表1-1 各种检测方法的领域和特征

类型代表方法测试对象主要特征

冲击/弹性波

冲击回弹仪混凝土强度操作方便

弹性波

（机械波）

声波仪、超声波仪、基

桩测试仪

混凝土材质（刚性、强

度）、尺寸、缺陷（裂缝、

内部空洞等）

测试种类多，范围广诱导振动打声法、谐振法混凝土材质及缺陷操作较为方便

电磁波/电磁诱导

电磁波混凝土雷达内部钢筋、缺陷形象直观电磁诱导钢筋仪钢筋操作方便

红外线红外线成像仪剥离、脱落、漏水等测试面积大、并可远距

离测试

放射线

X射线X光成像仪结构内部钢筋、空洞分辨率高、形象直观伽马射线RI（核子密度水分仪）混凝土材质对密度、水分敏感

其中，冲击弹性波和振动是有着密切关系的一个物体的两个方面。例如，对混凝土表面敲击后，敲击部位及其附近产生振动。同时，该振动又会以弹性波的形式向四周扩散，即形成冲击弹性波。

由于振动和冲击弹性波可以直接反映混凝土结构和材料的力学特性、几何条件和边界条件，具有作为土木工程无损检测的得天独厚的条件，从而得到了广泛的瞩目和飞速的发展。而超声波则可以作为冲击弹性波的一个特例，但其应用领域等受到很大的限制。

本公司开发的各类检测和监测设备，均以振动和冲击弹性波为检测媒介，并正逐步形成相应的技术体系。

冲击弹性波的产生

当某处物质粒子离开平衡位置，即发生应变时，该粒子在弹性力的作用下发生振动，同时又引起周围粒子的应变和振动，这样形成的振动在弹性介质中的传播过程称为“弹性波”；而通过机械冲击在对象材料中产生的弹性波，又称为冲击弹性波。冲击弹性波的产生一般有两种方法，即外力击打产生和由物体内部破损产生。

打击产生冲击弹性波

冲击锤打击或刚球落下是最一般的激振方式。

图1-1 打击产生弹性波

改变打击锤，可以产生不同频率特性的冲击弹性波。一般来讲，小的硬质锤可产生高频的弹性波。相反大的硬质锤可产生低频的弹性波，即与锤和打击对象的接触时间有明显的关系。钢球打击时，刚球和混凝土的接触时间Ts 可以近似为[6]：

D T S 0043.0= (1-1)

其中，Ts 是接触时间，单位s ；D 为刚球的直径，单位m 。打击的冲击信号和敲击引起的自由振动频率的关系如下：

S

S T f 25.1= (1-2)

（a ）冲击过程 (b)冲击过程的频率特性

图1-2 冲击信号的频率特性

损伤以及冲击弹性波的发生（AE ）

AE （Acoustic Emission 的缩写）的意思是“声的发射”，也是一种冲击弹性波。结构物的内部产生破坏现象时，萌生扩展过程中会释放一部分弹性波能量。借用习惯的说法，所以称为“声发射”。实际上，许多声发射的频率非常高，远远超过了人耳所能听到的范围（20-20KHz ）,需要用高频率、高灵敏度的传感器才可以检出。

图1-3 AE信号的发生、传播和检出AE有以下特征：

(1)频率高：混凝土的场合，大多在数百KHz以上；

(2)衰减快：衰减快，传播距离一般不超过数米；

(3)信号弱、受周边环境影响大。AE传感器

裂缝进展

冲击弹性波的传播特性

在这里讲述冲击弹性波的传播特性（主要是速度和衰减特性）。

弹性波的传播速度

如前所述，弹性波中有各种成分波，其传播速度也各有不同。

1) P 波

弹性波的各种波中，P 波速度最快，因此叫Primary wave 。然而，P 波的波速不是一个定值，与传播物体的尺寸、形状以及P 波波长有关。当物体的3维尺寸大于P 波波长时，P 波的传播速度可由下式表示。

)21)(1()1(3μμμρ-+-?=

E V P （2-1） 其中，E 为材料的弹性模量，μ为泊松比，ρ为密度。

而当传播物体为桩、立柱等细长物体而P 波波长较长时，其P 波波速为1维速度：

ρE V P =

1 （2-2） 当传播物体为平板，而P 波波长较长的场合，P 波速度为2维速度：

)1(22μρ-=E

V p (2-3)

容易得出321P P P V V V <<的关系。若泊松比取为0.20，则有：

054.1:021.1:1::321=P P P V V V (2-4) 如前所述，P 波的传播速度不仅取决于传播物体的尺寸、形状，还取决于P 波的波长。一般来说，波长越短的P 波，其传播速度越接近3P V 。由于超声波发信子产生的P 波的波长比用锤打击产生的冲击波的波长要短很多，因此在平板结构中当，因此，在板中传播的冲击弹性波的P 波速度比超声波的P 波速度大约慢3%左右。

此外，当P 波中含有不同波长的成分，其波速又不相同时（称为“频散”），不同速

度的波合成后会产生一个“群速度”，鉴于篇幅所限，其分析方法不做详述，感兴趣的读者可以参考相关书籍。

2) S 波

与P 波不同，S 波的波速与传播物体的形状、大小以及波长等均没有关系：

ρ

μρ)1(2+==E G

V S (2-5) 其中，G 为材料的剪切模量。

水或空气中不存在剪切刚性（0=G ），因此S 波不存在。这是流体与固体材料的重要差别。

3) R 波

R 波的速度R V 用下式表示：

0)/1(16)/()/1624()/(8)/(2

22222222322=--?-+-P S S R P S S R S R V V V V V V V V V V （4-6） 下表列出了各泊松比下的不同波的速度。

表4-1 各成分波的速度和泊松比的关系 d μ

S P V V / S R V V / R P V V / 0.50

∞ 0.9554 ∞ 0.40

6 0.9535 2.5689 1/3

2.0 0.9325 2.1448 0.25

3 0.919

4 1.8839 0.20

1.6330 0.9110 1.7925 0.15

1.5584

0.9002 1.7312 4) Lame 波

Lame 波的速度，不仅取决于材料的特性还与波长以及厚度相关。其速度也叫相位速度。此外，理论解非常复杂。下图表示了Lame 波的非对称模型（屈曲型）传播速度～板厚/波长的关系。

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

00.51

1.52

H /L c /V R

图2-1 Lame 波的理论频散曲线

图中，c 表示Lame 波的相位速度，R V 表示表面波速度，H 表示板厚度，L 表示Lame 波的波长。如1/>L H 时，Lame 波的相位速度与瑞利波的速度相似。5.0/

波的衰减

从振源发振的弹性波，伴随传播而衰减。主要衰减如下：

1) 几何衰减（又叫扩散衰减）

激发的弹性波伴随传播距离的增加，前锋波面增大，单位面积的能量减小。体波（P 波以及S 波）的传播是圆球状扩散，由于球面积是与半径（传播距离）的平方成正比，所以能量密度即与传播距离的平方成反比。另一方面，R 波的传播是沿圆柱状（圆柱的高度大约相当于1倍波长）扩散，其表面积与传播距离的一次成正比波，因此其衰件要比体波慢得多。所以，在半无限结构物表面激发的弹性波在沿物体表面传播过程中，其体波成分衰减得很快，一定距离后，主要成分被R 波所占据。

2) 透过衰减

当弹性波在传播过程中遇到不同材料的场合，有反射或重复反射产生，从而使得传播的能量减少。

3) 粘滞性衰减

当材料不是完全弹性体时，由于粘滞性的存在也会引起能量的衰减。如果用振幅，可以表示如下：

r e A A )(0ωα-=

（2-1-1）

其中，0A ：基准点的振幅 QC 2)(ωωα=

，为反映粘性衰减的指数

r ：与基准点的距离

ω ：圆频率

C ：波的传播速度

Q ：表示材料粘性衰减特性的常数，其值越小说明材料的衰减也越大。

可以看出，弹性波的频率越高，其粘性衰减越大，而且与频率呈指数关系。

冲击弹性波的反射特性

弹性波在异种媒介的边界面会引起反射，而这正是立柱埋深检测所需的。

在两种媒介垂直入射的情况

在机械阻抗（一般用z 来表示材料的机械阻抗，CA z ρ=，这里的A 是断面截面积））发生变化的边界面上，传播的弹性波会产生波的反射和透过。

图3-1 变化的机械阻抗面发生的反射和通过

这里，↓1v ，↑1v 表示单元1的粒子的运动速度（入射和反射），↓2v 表示单元2的粒子的运动速度。在界面上产生弹性波的反射以及通过，可以表示如下： 反射波：↓+-↑=12

1211v z z z z v (3-1) 透过波：↓+↓=

121122v z z z v (3-2) 此外，反射波和透过波的大小用振幅率来表示。

振幅反射率： 2

121||z z z z R +-= (3-3) 振幅透过率： 2112z z z T +=

(3-4) 弹性波的反射和透过具有如下性质。

(1) 媒介的机械阻抗相同（21z z =），那么就算材料不同，也不会产生波动；

(2) 两种媒介的机械阻抗相差越大，反射率也越大。对于立柱埋深检测而言，立

1z 2z 透过波2v ↓

反射波1v ↑ 入射波1v ↓

柱的先端是软弱土层则要比岩石、混凝土等坚硬材料容易测试，精度也更高；

(3) 在裂缝或劣化处，以及柱的端部机械阻抗减少（21z z >）时，反射波和入

射波符号相同（相位相同）。对于立柱埋深检测而言，当立柱的先端是土层

时，其反射信号与激振信号同向，而在先端是岩石，特别是嵌岩时，其反射

信号有可能与入射信号反向。

中间有不同夹层的情况

当一种材料中夹有另一种材料，例如有裂缝的场合，在媒介1（1111A v z ρ=）和媒介2（2222A v z ρ=）的两个交界处均会产生的透过和反射，如下式所示。

入射波A 透过波E

反射波B

图1-2-12 夹入不同的媒介时弹性波的反射

)(sin )()(cos 42||||||2222212222212

1L k z z L k z z z z A E T ++== (3-5)

其中，T ：振幅的透过率（绝对值）

22/V k ω=：媒介-2中的波数

L ：媒介-2的长度

同样，可以得到振幅反射率的绝对值R ：

21T R -= (3-6)

因此，在有不同媒介介入的场合下，

(1) 反射（通过）率与频率相关，通常高频波容易反射。

(2) 在特定的频率下，反射波消失。

媒质-1 媒质-2

媒质-1