PAGEPAGE54超聲波角、平測及聲速計算方法張治泰（陜西省建筑科學研究設計院，西安710082）一、概述采用超聲波檢測混凝土質量，一般是根據構件或結構的幾何形狀、所處環境、尺寸大小以及所能提供的測試表面等條件，選用不同的測試方法。一般常用的檢測方法有以下幾種：1.對測法。當混凝土被測部位能提供一對相互平行的測試表面時，可采用對測法檢測。即將一對厚度振動式換能器（發射簡稱F換能器，接收簡稱S換能器），分別耦合于被測構件同一測區兩個相互平行的表面逐點進行測試，F、S換能器的軸線始終位于同一直線上。例如檢測一般混凝土柱、梁等構件。2.角測法。當混凝土被測部位只能提供兩個相鄰表面時，雖然無法進行對測，但可以采用丁角方法檢測。即將一對F、S換能器分別耦合于被測構件的兩個相鄰表面進行逐點測試，兩個換能器的軸線形成90°夾角。例如檢測旁邊存在墻體、管道等障礙物的混凝土柱子。3.平測法。當混凝土被測部位只能提供一個測試表面時，可采用平測法檢測。將一對F、S換能器置于被測結構同一個表面，以一定測試距離進行逐點檢測。比如檢測路面、飛機跑道、隧道壁等結構。其中角測或斜測法以及平測法在超聲波檢測混凝土缺陷中經常用到，我們在《陜西省綜合法檢測混凝土強度技術規程》DBJ―24―7―88中提出了超聲波斜測（含角測）和平測方法，在《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術規程》CECS02：88中尚未規定這兩種測試方法。根據工程檢測的需要，在CECS02規程修訂稿中增加了角測和平測內容。二、超聲波角測及其聲速計算1.測試方法。超聲波角測法的測點布置如圖2―1所示。為使超聲波能充分反映構件內部混凝土質量，同時還要避開鋼筋的影響，布置超聲測點時應使換能器盡量離開構件邊緣遠一些，同時為了簡化測試操作工序，減少測距l和聲速v的計算工作量，宜將同一測區三個測點布置成統一的尺寸l1、l2（如圖2―1(b)）。通過計算分析表明，換能器中心點與構件邊緣的距離只要不小于200mm，混凝土聲速小到3.50～3.80km/s均不會受到鋼筋的影響。在工程檢測中經常遇到的構件，可供測試的兩個表面不一樣寬，所以布置測點時不要求l1與l2相等，但二者相差不宜大于2倍。l1、l2的測量精度應控制在±1%之內。2.超聲測距和混凝土聲速計算。丁角測試的測距l可采用F、S換能器中心點與構件邊緣的距離l1、l2的平方和再開方求得，即l應按（2―1）式計算：(mm)（2―1）l2FS1l1F1S2F2S3SF3l2l1(a)超聲測點布置平面圖（b）超聲測點布置立面圖圖2-1超聲波角測示意第i點混凝土的聲速vi應按（2―2）式計算，精確至0.01km/s。（2―2）式中li――第i點角測的計算測距（mm）ti―――第i點角測的聲時測讀值（s）t0――聲時初讀數（s）。根據使用的超聲波儀器和所配置的換能器及其連接電纜實測確定。如果同一測區三個測點的l1、l2不相同，則應首先按（2―2）式分別計算三個測點的聲速值，再按（2―3）式計算測區混凝土的聲速，精確至0.01km/s。（2―3）式中vc――測區混凝土聲速（km/s）v1、v2、v3――分別為該測區第1、2、3點的混凝土聲速（km/s）當同一測區三個測點的l1、l2相同時，則只計算一個測距值，測區混凝土的聲速可按（2―4）式計算，精確至0.01km/s。（2―4）式中vc――測區混凝土聲速(km/s);l――超聲角測的計算測距(mm);tm――該測區三個測點的聲時平均值(s);l1、l2――分別為F、S換能器中心至構件邊緣的距離(mm)。大量對比試驗表明，丁角測試按（2―4）式計算的聲速值與對測聲速值沒有明顯差異，不需作任何修正。三.超聲波平測及其聲速計算在實際工程檢測中有時遇到被測結構或構件只能提供一個測試表面（如道路、機場跑道、現澆樓板、隧道壁、擋土墻等），顯然無法用對測和角測的方法進行測試。為了使《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術規程》適應各種類型構件的測試需要，這次修訂增加了平測方法。1.測試方法。超聲平測法的測點布置如圖3―1所示。(a)平面圖(b)立面圖圖3―1超聲波平測示意圖F－發射換能器；S－接收換能器；G－鋼筋軸線因為板型結構或構件的表面內分布有鋼筋網片，為了避開鋼筋的影響，布置平測超聲測點時，應使發射（F）和接收（S）換能器的連線與測點附近鋼筋軸線保持一定夾角，一般控制在40°～50°，同時為了減少聲速計算工作量，布置超聲測點時可使同一測區三個測點的測距保持相等（可采用一根300～400mm長的木條作支撐，以控制每一測點F、S換能器間距的一致性）。大量實踐證明，平測時測距過小或過大，超聲接收信號的首波起始點難以辨認，測讀的聲時誤差較大。一般將F、S換能器中對中距離保持在300～400mm時，首波起始點較好辨認，便于進行聲時測量。但平測法必定只能反映淺層混凝土的質量，對于厚度較大的板式結構（如混凝土承臺、筏板等）不宜用平測法，可沿結構表面每間隔一定距離鉆一個φ40～φ50mm的超聲測試孔，用徑向振動式換能器進行聲速測量。2.混凝土聲速計算。平測時某測點的聲速應按（3―1）式計算，精確至0.01km/s。（3―1）式中vi――第i點平測聲速值（km/s）;li――第i點F、S換能器中心之間的距離（mm）;t0――聲時初讀數（s）。測區混凝土聲速應按（3―2）式計算，精確至0.01km/s。（3―2）式中vc――測區混凝土聲速（km/s）v1、v2、v3――分別為該測區第1、2、3測點的平測聲速（km/s）k――平測聲速修正系數。當同一測區三個測點的測距相同時，測區混凝土聲速可按（3―3）式計算，精確至0.01km/s。（3―3）式中l――F、S換能器中心之間的距離（mm）tm――該測區3個測點的聲時平均值（s）k――平測聲速修正系數。t0――聲時初讀數（s）。根據一些模擬試驗和工程檢測中所做的平測與對測的對比結果表明，平測聲速(vP)與對測聲速(vd)之間存在差異，但這些差異并非固定值，因為平測的聲速受到測試表面混凝土質量好壞的影響較大。所以當測試部位混凝土質量表里一致，表面光潔、平整且未受任何損傷時，平測與對測聲速的差異不大，一般vd/vp=1.00～1.03；如果混凝土測試表面粗糙、疏松或存在微裂縫，則vp與vd之間的差異較大，一般vd/vp=1.04～1.15。在實際工程檢測中，如有條件在同一測試部位(如剪力墻門洞附近)做平測和對測比較，可求出實際修正系數，按實測修正系數k對平測聲速進行修正。當無條件做對比測試時，可選取有代表性的部位，依次改變發射和接收換能器之間的距離（如200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1100、1200mm）進行平測,逐點讀取相應聲時值，然后以測距li與對應聲時ti求回歸方程l=a+bt,其中回歸系數b相當于對測時的混凝土聲速vd，然后以vd與各測點聲速的平均值vm進行比較，求出該狀態下的平測聲速修正系數k。下面用幾個平測的實例，來說明混凝土測試表面的質量狀態，對平測聲速修正系數k的影響情況，結果見表3-1。表3-1幾個試件的平測分析結果編號測距(mm)200250300350400450500平均聲速h-1聲時(s)54.663.472.285.097.8109.8113.8聲速(km/s)3.663.944.164.124.094.104.394.07回歸方程L=350+4.68tr=0.9947k=4.68/4.07=1.151t-1聲時(s)54.671.882.697.8114.6120.6126.0聲速(km/s)3.663.483.633.583.493.733.973.65回歸方程L=350+3.97tr=0.9872k=3.97/3.65=1.088f-3聲時(s)73.891.4105.8127.4129.8139.4157.0聲速(km/s)2.712.742.842.753.083.233.182.93回歸方程L=-107.6+3.68tr=0.9862k=3.68/2.93=1.257k-2聲時(s)48.264.680.687.498.6111.4125.0聲速(km/s)4.153.873.724.004.064.044.003.98回歸方程L=350+4.06tr=0.9954k=4.06/3.98=1.020由表3-1看出，試件h-1