对我国非金属声测技术半个世纪发展的回顾

摘 要：对我国声波检测近半个世纪以来在岩体、岩石及混凝土的应用研究情况，从不断发展起来的多种测式方法、广泛的应用、相关检测技术规程与规范、声波检测仪器及换能器的现状进行了概括性的总结与回顾。对近年来的技术发展，如声学参量波幅的应用、声波层析成像（CT技术）、反射波法基桩检测技术、冲击——回波测厚技术和声波换能器性能改善等，进行论述与探讨。

关键词：声波检测、超声波检测、声波层析成像、冲击—回波、换能器

一.前言
这里所论述的声波检测，是指工作频率在几百赫芝到几百千赫兹的声波及超声波检测技术,在检测声学领域，把这个频率范围的非金属声学检测技术统成为“声波检测”.。
我国声波检测技术的应用研究是从二十世纪六十年代开始的。从事这一领域的科学技术工作者，根据工程检测的需要，在不断研制改进检测仪器的同时，由仿制到研制了适合不同检测需要的多种换能器,相应对现场及室内的测试方法进行研究，历时近半个世纪,可以说是经一代人的努力，达到今日的水平。       
二.非金属声波检测技术的现状
(1). 关于测试方法
测试方法是由工程检测的需要发展起来的。随着检测的需要及技术的发展，检测仪器由模拟型发展到数字化；声波发射由换能器发射到电火花振源及锤击激振振源；换能器类型增加到十余种（包括横波换能器），换能器的频率从10 kHzs发展1000 kHz；声学参量的应用：继声速（声时）发展到波幅及频率的研究与应用；测试方法由声波透射法发展到折射法及反射射法；常规适用的多种测试方法如表1概括所示。

(2) 关于声波检测技术的应用
声波检测的应用，可从两个方面加以论述：
A.应用研究现状
表2对声波检测的应用按频率进行划分来展示。频率高于20 kHz的均以换能器发射和接收，透射、折射、反射有着不同的应用；;频率低于20 kHz可分为锤击瞬态激振、稳态激振( 例如电磁激振器连续波激振) ,电火花激振；而被动式声波测试的振源很广，有金属容器受压力产生的破裂，还有岩体的断裂产生的声发射脉冲，它们有着很宽的频率范围，另一种是由岩体的位移蠕动产生的摩擦噪声，还有由于人类活动和大自然的活动（例如海浪、风瀑布等）产生的振动。

表1.声波检测的多种测试方法一览

表2.应用面宽广的声波检测技术

	超声波 （f＞20kHz）	透  射  法	地质结构检测		溶洞、裂缝、塌陷、岩体完整性系数
			岩体松动范围		隧道围岩、边坡爆破施工后松动范围
			力学参数测试		混凝土强度、岩体、砼动弹性力学参数（Ed、Gd、μd）、         木材硬度
			混凝土缺陷测试		基桩完整性、构件（梁、柱、板）缺陷、钢管混凝土施工质量、混凝土构筑物裂缝、结构CT成像
			岩体补强检测		灌浆补强效果检测、提供补强后动弹力学参数
			地应力测试		矿山井下应力、岩体应力大小及方向、岩体历史应力（凯萨－Kaiser效应）、
			液体物性测试		流量、浓度、油品、血管中的血流速、河水含沙量等
			自动控制		计数、开关、防盗等
		反 射 法	距离测量		钻孔井径及井斜、水深、水下地貌、液位、料位、厚度
			地质构造		水下浅地层剖面
			金属探伤		铸件及锻件、焊缝、钢轨、钢管、钢板等
			非金属探伤		涂层厚度、医疗诊断等
			自动控制		开关、防盗等
		折 射 法	岩体结构划分 （单孔测井一发双收）		岩体风化壳划分与评价、岩体软弱结构面、断层破碎带划分、提取横波声速、含水层划分、固井质量
					混凝土损伤层厚度、隧道喷射混凝土厚度
声  波 （f＜20kHz		透 射 法		稳态面波测试		地质分层、溶洞、洞穴、古墓、混凝土厚度及缺陷
				瞬态面波测试		地质分层、溶洞、洞穴、古墓、混凝土厚度及缺陷
				电火花透射测试		溶洞、裂缝、塌陷、结构CT成像、岩体完整性系数
		反 射 法		冲击回波测试 （Impact－Echo简称IE法）		基桩完整性、基桩桩身倾斜
						路面厚度、跑道厚度、隧道衬砌厚度、楼板厚度
						隧道开挖前方不良地质体预报、矿山安全、混凝土裂缝
被动式声波检测（f=0.1～ 1×106Hz)				声发射观测(Acoustic Emission)		地质灾害预报、矿井岩崩预报、金属容器探伤
				地脉动观测		地层自然谐振周期、推断地质构造
				地声监测		滑坡、泥石流、岩崩地质灾害预报

注1：此表第三栏标有颜色的是非金属声波检测的内容；注2：第四栏有底色的是笔者参与过研究的内容

 

B.检测技术的规程及规范的编制与颁发，能说明检测技术应用的成熟程度。与非金属声波检测技术有关的规程与规范如表3所示。

表3.有关的声波检, 测技术规程与规范

序号	规 程 名 称	编号	颁发年月		组织与颁发部门	与声波检测技术有关的内容
1	岩石物理力学性质试验规程	无	1986.12.		原地质矿产部	岩石纵、横声速测试及一发双收声波测井
2	超声回弹综合检测混凝土强度技术规程	CECS 02:88	1988.11.		中国工程建设标准化委员会标准	混凝土结构物的混凝土强度检测
3	超声法检测混凝土缺陷技术规程	CECS 21：90	1990.9.		中国工程建设标准化委员会标准	混凝土结构物的缺陷及裂缝检测
4	工程岩体分级标准	GB 50218—94	1995.7.1.		国家技术监督局 建设部	按岩体完整性系数KV=对岩体分级（VPM、VPR岩体、岩石声速）
5	场地微振动测量技术规程	CECS 74：95	1995.6		中国工程建设标准化委员会标准	检测工程场地地基共振优势频率、周期，提供场地土分类、震害预测及场地选址与评价
6	基桩低应变动力检测规程	JGJ/T93—95	1995.12.		原地质矿产部 建设部	反射波法、机械阻抗法、声波透射法检测基桩完整性和机械阻抗法、频率－初速法、频率法检测基桩承载力
7	浅层地震勘探技术规范	DZ/T0170－1997		1997.11.1	原地质矿产部	单孔一发双收声波测井、跨孔声波测井法对地层结构进行划分
8	地基动力特性测试规程	GB/T 90269-97	1998.5.		国家技术监督局 建设部	检测地基动刚度
9	基桩低应变动力检测技术规程	DBJ 10－4－98	1998.5.		浙江省建设厅	反射波法、机械阻抗法、声波透射法检测基桩完整性和球击法测基桩承载力
10	工程岩体试验方法标准	BG/T 50266-99	1999.5.		国家技术监督局 建设部	为满足工程勘察、设计、施工要求的工程场地岩块及岩体声速测试（包括单孔一发双收及跨孔声波册井）
11	超声法检测混凝土缺陷技术规程	CECS 21：2000	2001.1.		中国工程建设标准化委员会标准	CECS 21:90 的修改版
12	深圳地区基桩质量检测技术规程	SJG 09－99	2000.1.		深圳市建设局	反射波法、声波透射法检测基桩完整性
13	基桩反射波法检测规程	DBJ 15－27－2000	2001.3.		广东省建设厅	反射波法检测基桩完整性
14	建筑基桩检测技术规程	DB 29－38－2002	2002.11.		天津市建设管理委员会	反射波法、声波透射法检测基桩完整性
15	建筑基桩检测技术规程	JGJ 106-2003	2003.7.1.		建设部	反射波法、声波透射法检测基桩完整性
16	公路工程基桩动测技术规程	（已通过评审）	待报批		交通部	反射波法、声波透射法检测基桩完整性及单孔一发双收声波测井检测抽芯后混凝土完整性

三.当代我国的典型声波(超声波)检测仪现状

（1）    水文地质工程地质专用声波检测仪如表4。

表4.水文地质工程地质专用声波测井仪

型号名称		yc-10型岩土工程超声检测仪	SSJ-2D型全自动声波测井仪
主 要 技 术 性 能	接收通道	1	2
	放大器增益(dB)	100(前放60+主机40)	80(前放40+主机40)
	放大器频带宽度(KHZ)	4.5~750	1~20
	折合到输入端噪音(μv)	≤1.0	≤1.0
	A/D转换器位数(bit)		12
	最小换样间隔(μs)		2
	发射电压(V)	1000可调	1000
	发射脉宽(μs)	15	阶跃脉冲
	测读方式	自动或人工	自动
	声耦合方式	直接耦合	水或泥浆
	操作系统		Window 95
	软件配置		成果处理专用
主要配件技术条件		① 井中探头源距：0.5m ② 适应孔径：100~200mm ③ 直接贴壁耦合气囊及加压装置 ④ 监示波型示波器 ⑤ CCD彩色摄像头像素537×592 用观测孔内地质结构	① 井下探头： 源距：0.5m；间距：0.3m； 直径：φ78mm ② 电缆： 长度：300m；直径：9.0mm 芯线结构：三钢四铜 φ025mm ③ 绞车：手动；质量：500KN
研发及制造单位		国土资源部水文地质工程地质技术方法研究所(保定071051)

(2).目前我国的数字化超声检测分析仪如表5所示。

表5 我国的数字化超声波分析检测仪                      

型 号 技术指标	NM-3C	NM-4A	NM-4B	RS-UT01C	RSM-SYⅤ	CUT-201A(B)
通道数	2	2	1	1	2	1(2)
放大器增益(dB)	70	76	76	-40~+78	-20~+80	98
放大器频带(KHZ)	0.005~500	0.01~500	0.01~500	0.01~200	0.01~1000	0.05~500
接收灵敏度(μv)	≤30	≤30	≤30	≤30	≤20	≤30
波幅测读范围(dB)	0~176	0~183	0~183	0~+133	0.01~5.0mv	30~160
最小采样间隔(μs)	0.05	0.05	0.05	0.1	0.1	0.1
发射电压(V)	250、500、1000	250、500、1000	250、500、1000	500、1000	500、1000	250、500、750、1000
发射脉宽(μs)	阶跃脉冲	阶跃脉冲	阶跃脉冲	10~5000可调	0.5~5.0可调	阶跃脉冲
测读方式	自动判读声时波幅	自动判读声时波幅	自动判读声时波幅	自动判读声参量		自动判读声时、波幅
触发方式	内、外触发	外、内、信号触发	外、内、信号触发	内、外、稳态触发	内、外延迟、超前触发	内触发
微电脑	工业级586	专用ALL-IN--ONE	专用ALL-IN--ONE	内置工业ALL-IN--ONE	外置书本式电脑	联想天玑2000掌上电脑
显示屏	液晶9〃640×480TFT(彩)	液晶半反半透 6〃640×480	液晶半反半透 6〃640×480	液晶640×200	书本式电脑显示屏	掌上电脑显示屏
内存 (dytes)	32M	4~64M电子硬盘	4~64M电子硬盘	6M电子硬盘	书本式电脑内存	掌上电脑内存可扩展32M
键盘	工控机标准盘	专用导电橡胶键盘	专用导电橡胶键盘	光电旋钮或热键	书本式电脑键盘	笔输入及回专用键
接口	通用接口二串一并	通用接口一串一并	通用接口一串一并	通用接口一串一并	通用接口二串一并	掌上电脑红外通迅
电源	AC220V DC 12V	DC12V	DV12V	内置12V2Ah可充电电池	AC 220 DC 12V	内置12V2.5Ah可充电电池
体积 (mm)	250×400×200	245×300×85	245×300×85	280×250×110	采集仪275×250×75	215×175×(45~50)
质量(kg)	10	1.8	1.8	＜3.0	3.0(电脑除外)	1.5
研发生产单位	北京康科瑞工程检测技术有限公司			武汉岩海工程技术开发公司	中科院武汉岩土力学研究所四室	成都工程检测研究所

四.当前商品化声波换能器现状如表6。

表6 定型生产的各类换能器

换能器 类  型	谐振频率 范围(KHZ)	阻抗范围 (Ω)	指向性	首次 波比	外形尺寸 (m.m)	耦合 方法	适应的 测试方法
夹心式 (喇叭型)	10~50	几至十几	无	＜1	Φ35×70 ~Φ70×250	黄油或 凡士林	表面及 平面测试
增压式	25~35	1000左右	有	＜1	Φ30左右×200左右	水	钻孔中 跨孔测试
圆管型	一般为 20~40	1000~2000 左右	无径向指向性， 长度大时有轴 向指向性	优质品 可接近 1	Φ25~40长60~200	水	钻孔中 跨孔测试
一发双收	30左右		无	优质品 可接近 1	Φ30~46 长不等	水	钻孔中 单孔测试
单片弯曲 振动式	5~20		无	＜1	Φ28~40高15~30	黄油或 凡士林	表面及 平面测试
高  频 换能器	100~1000	10左右	无	优质品 ≥1	Φ28×40	黄油或 凡士林	岩样测试
横  波 换能器	40~400		无	＜1	Φ40左右 高25左右	多层铝 箔或银 箔	试岩样及短 距离表面测

注1：圆管型换能器内可加装20dB 以上的前置放大器，使其成为宽带接收换能器。

五.声波检测技术的发展状况及有关问题的探讨

（1）   于声学参量――波幅的应用

有关资料显示，中国是较早将声波波幅参量用于缺陷检测的国家。随着声波透射法纳入基桩检测规程，波幅在基桩完整性检测中的大量应用，引起了对它的进一步研究。

笔者作了有关的试验证实及推导，波幅能够被检测到的区域，是以发射、接收换能器所在点为焦点的椭圆（有关论述见《岩土工程界》2000年第8期“论声参量波幅的应用” ）如图1中A、B为检测孔中在同一水平面上发射与接收换能器，即椭圆的焦点。此椭圆称为“有效接收声场”，它的覆盖面积与发射换能器发射强度、接收换能器接收灵敏度成正比。如缺陷（D）处于椭圆外，对接收的波幅无任何影响；当缺陷（E）处于椭圆内的AB连线外，波幅减小，声时不变；而缺陷（F）处于AB连线上，则波幅减小、声时加大。

根据上述规律，当灌注桩埋设三根以上检测管时，便可以半定量的推断缺陷在平面上的展布范围及大小。

检测实践证实，也有特例。当检测管局部发生弯曲，检测管间距发生变化，换能器不能平行相对，此时声时减小，波幅也减小。

（2）   关于声波层析成像――CT技术

声波层析成像已成为当前的一个热点，存在的问题有二：

其一是现场测试需作多点扇面测试如图2；其二是反演图像重建的计算问题。就此分别论述如下：

A.要求检测设备能快速作扇面测试。目前已研制出12通道井中接收换能器，解决了多点同时接收，提高了检测速度；在要求加大发射能量的同时，还要改善接收换能器的频带宽度和接收灵敏度。这是因为能否读准每一个接收点的首波声时，是是否能正确重建CT图像的关键，这成为CT技术的关键之一。

B.声波CT成像反演图像重建的计算，是引起很多人关注的问题。总的计算思路如图3，将检测的剖面划分为N×M个方格，如其中的某一条声线T到R，它穿过第i.j.方格的声线长度是L_i.j.（i=1、2、3、……N；j＝1、2、3、……M），设i.j.方块的声速为V_i.j.，则其声时

Ti.j= Li.j, ÷ Vi.j= Li.j × Gi.j

上式中Gi.j =1∕V_i.j.称曼度。同理，第一排方格总的声时如下式

 L₁₁G₁₁+ L₁₂G₁₂+ L₁₃G₁₃+ ……+L_1nG1n=T_1n

所有声线的声时如下

这是一个大型稀疏超定矛盾方程组。下面的问题是求解，即如何对曼度G_NM赋值，使计算出的t₁到t_nm 的所有反演计算值与实测值尽量接近。于是，由各个方格声速重建的声速图像，便可反映出被测介质的结构图像。这样，计算方法成为CT技术的关键之二。实际上这是一个反演问题，最早的联合迭代ART走时反演，以及进一步发展了SIRT和SART算法等等，到目前还在研究的声速与衰减因素等多参量成像方法研究，使成像的质量不断提高。图4是深圳某建筑基础声波（弹性波）三个钻孔孔间CT成像构成的二维剖面图。目的在于探明覆盖层下深度变化较大的白云质大理岩的起伏和白云质大理岩的岩溶发育，其地质解释如图5。

                           图4.孔间声波（弹性波）地质构造CT成像

由图5可见：声速1100m/以上为覆盖层，1100～2100m/s声速条带可解释为含砾岩粘性土，大于2100m/s以下为白云质大理岩的界面，基岩面以下小于2100m/s的封闭圈为岩溶发育区^★。                       图5.孔间CT成像地质解释

（3）   关反射波法基桩无损检测技术

（a）     反射波法基桩无损检测技术，经过近十年的科研与实践，在下列方面取得进展：

▲    对振速反射系数R_V＝和声压反射系数R_P=(式中Z₁=；Z₂=) 物理解的统一性，作出了合理的解释。

▲    对扩径多次反射波的特点作了研究，得到合理的物理解，即奇次反射波与直达波反相，偶次发射波与直达波同相，并为实践所证实。

▲&n, bsp;   <, S, PAN style="FONT-SIZE: 12px; mso-ascii-font-family: 'Times New R, oman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'; FONT-: 宋体">对反射波检测的关键技术锤击进行了研究，即激振脉冲宽度与锤头材质的弹性模量E成反比、与密度ρ、泊桑比σ成正比；与锤头的面积成正比；与锤头的落距关系不大，测试结果如图6^※。

（a）                                                       （b）

图6.锤击激振脉宽的有关因素

               （a）与锤头材质的关系；（b）与锤头落距的关系

         ▲对缺陷性质的确定必须掌握并结合成孔、成桩工艺及场地工程地质勘察报告加以确定。

（b）反射波法存在的问题

▲    缺陷的上下界面混叠，无法分辨缺陷的垂直方向尺寸；

▲    缺陷水平方向的尺寸无法定量确定；

▲    嵌岩桩有可能推断出孔底有无沉渣，但无法确定其厚度；

▲    逐渐扩径后突然缩径的缺陷很容易误判为缩径；

★：图4、图5引自成都理工大学赵连锋的博士学位论文；※图6引自康科瑞孙钢柱硕士学位论文

▲    只能了解桩身的平均声速，不可用声速推定桩身混凝土强度；

▲    仅从反射波的时域波形不能推断出缺陷的性质；

▲    目前有人错误的认为：“桩身混凝土声速与桩周土的阻力有关”（在个别的技术刊物上发表）。这种论点违背了声学的基本原理—费玛定律；

▲    另一个错误的论点是：“认为桩周土越硬，土的阻力使弹性波越不容易传入桩底。”结论虽是对的，但解释是很错的。理由是：由图7可知，点振源产生的是半球面波，其斜入射的波根据Snell定律，将折射入桩周土层，仅以折射纵波的折射系数

可知地层越硬，Z₂.越大，R_T越大，折射                  

            入地层的能量越多，传播到桩底的能量相             

              对减小。这才是地层越硬，越不易传入桩

            底的真正原因，而不是土阻力在起作用。

    （c）反射波法最新的研究是检测基桩的倾斜度。广          

  东省工程勘察院作了大量研究，本文略。

（4）    关于冲击——回波法测厚                  图7.声波由桩内折射入地层

A.冲击—回波测厚的概况

   冲击――回波法，国外称之为“Impact.－Echo”，.简称“IE”法。由字面可知，指的是以冲击为振源，利用反射波来检测混凝土扳厚度的一种方法。上个世纪九十年代前后，开始了这项研究。这是因为当混凝土构筑物只有一个检测面时（如高速公路路面、飞机跑道、现浇楼板等），只好用反射法来测试。用超声换能器实现发射和接收板底界面反射，存在较多困难，故测厚选择了IE法。我国有些单位也在此期间开展了此项研究，取得可喜成果。测厚成为国内外目前的一个热点。

到目前为止，国际上有下列产品推向市场，如图8～图11，分别是丹麦

GERMAM仪器公司的Docter冲击回波测试系统；图9.是美国OLSON仪器公司的IE测试系统；图10.是Imact－Echo公司的IE测试系统；图11.是荷兰TNO的冲击－回波测试系统。

我国在20世纪90年代初中期已经商品化的检测系统计有：

▲    康科瑞工程检测技术公司的冲击回波检测系统，可安装在NM系列超声检测分析仪，配专用软件、冲击器、宽带接收传感器；

▲    南京水利科学研究院研制的IES-A型冲击反射测试系统；

▲    同济大学的U-Sonic超声检测系统内设制的专用IE测试系统；

▲    武汉岩海工程检测技术公司开发的RS回波测厚系统。

 

                 图8.GERMAN仪器公司的Docter冲击回波测试系统

  

IE-1                      CTG-1                    CTG-1TF

图9  OLSON仪器公司的IE系列冲击-回波检测系统.

 

图10 IMPACT-ECHO公司的IEI冲击回波检测系统

 

FPDS-5                          FPDS-6

图11. 荷兰TNO公司的FPDS