声波检测方法视频

1. 声波检测的原理

(1)检测原理

声波检测的基本原理与地震勘探的原理十分类似，是以研究弹性波在岩土介质中的传播特征为基础。声波在不同类型的介质中具有不同的传播特征。当岩土介质的成分、结构和密度等因素发生变化时，声波的传播速度、能量衰减及频谱成分等都将发生相应的变化，在弹性性质不同的介质分界面上还会发生波的反射和折射。因此，用声波仪器探测声波在岩土介质中的传播速度、振幅及频谱特征等，便可推断被测岩土介质的结构和致密完整程度。

例如，当对某岩体(或硐)进行声波探测时，只要将发射点和接收点分别置于该岩体或硐的不同地段，根据发射点和接收点的距离和声波在岩体中的传播时间，即可算出被测岩体的波速v。也可根据声波振幅的变化和对声波信号的频谱分析，还可了解岩体对声波能量的吸收特性等，从而对岩体作出评价。声波检测过程如图5.31所示。

图5.31声波检测过程示意图

(2)检测仪器

声波仪主要由发射系统和接收系统两部分组成。发射系统包括发射机和发射换能器。接收系统由接收机、接收换能器和用于数据记录和处理用的微机组成。

发射机是一种声源讯号发生器。其主要部件为振荡器，由它产生一定频率的电脉冲，经放大后由发射换能器转换成声波，并向岩体辐射。

电声换能器是一种实现声能和电能相互转换的装置。其主要元件是压电晶体，一种天然的(或人工制造的)晶体或陶瓷。压电晶体具有独特的压电效应，将一定频率的电脉冲加到发射换能器的压电晶片时，晶片就会在其法向或径向产生机械振动，从而产生声波，并向介质中传播。晶片的机械振动与电脉冲是可逆的。接收换能器接收岩体中传来的声波，使压电晶体发生振动，则在其表面产生一定频率的电脉冲，并送到接收机。

根据测试对象和工作方式的不同，电声换能器也有多种型号和样式，如喇叭式、增压式、弯曲型等，还有测井换能器和横波换能器等。

接收机是将接收换能器接收到的电脉冲进行放大，并将声波波形显示在荧光屏上，通过调整游标电位器，可在数码显示器上显示波至时间。若将接收机与微机连接，则可对声波讯号进行数字处理，如频谱分析、滤波、初至切除、计算功率谱等，并可通过打印机输出原始记录和成果图件。

2. 有什么方法能够检测超声波和次声波出来，什么仪器能做到

咨询记录 · 回答于2021-11-22

3. 有什么方法可以检测次声波

次声波传感器可以检测到次声波。

次声波传感器又叫次声传感器，就是能够接收次声波的传声器。通常有多种换能类型的传感器可用作次声波传感器，只要有足够低的下限频率。

目前它的种类很多，常见的有：电容式、波纹管膜盒型、光纤 等。其中以电容式的体积小，灵敏度高，频率响应好，可以直接与记录器或信号实时模/数转换器联结，使用方便。

(3)声波检测方法视频扩展阅读：

次声波的特点是来源广、传播远、能够绕过障碍物传得很远。次声的声波频率很低，在20Hz以下，波长却很长，传播距离也很远。它比一般的声波、光波和无线电波都要传得远。

例如，频率低于1Hz的次声波，可以传到几千以至上万千米以外的地方。次声波具有极强的穿透力，不仅可以穿透大气、海水、土壤，而且还能穿透坚固的钢筋水泥构成的建筑物，甚至连坦克、军舰、潜艇和飞机都不在话下。次声波的传播速度和可闻声波相同，由于次声波频率很低。

大气对其吸收甚小，当次声波传播几千千米时，其吸收还不到万分之几，所以它传播的距离较远，能传到几千米至十几万千米以外。

1883年8月，南苏门答腊岛和爪哇岛之间的克拉卡托火山爆发，产生的次声波绕地球三圈，全长十多万公里，历时108小时。1961年，苏联在北极圈内新地岛进行核试验激起的次声波绕地球转了5圈。7000Hz的声波用一张纸即可阻挡，而7Hz的次声波可以穿透十几米厚的钢筋混凝土。

地震或核爆炸所产生的次声波可将岸上的房屋摧毁。次声如果和周围物体发生共振，能放出相当大的能量。如4Hz-8Hz的次声能在人的腹腔里产生共振，可使心脏出现强烈共振和肺壁受损。

4. 声波检测的方法

(1)工作方式

岩体声波探测的现场工作，应根据测试的目的和要求，合理地布置测网、确定装置距离、选择测试的参数和工作方法。

测网的布置应选择有代表性的地段，力求以最少的工作量解决较多的地质问题。测点一般应布置在岩性均匀、表面光洁、无局部节理、无裂隙的地方，以避免介质不均匀对声波的干扰。装置的距离要根据介质的情况、仪器的性能以及接收的波形特点等条件而定。

(2)测试方法

将各种测试方法归纳总结，由表5.1列出。现有的测试方法分为三大类，即透射法、折射法和反射法。三大类中又各有平面测试及孔中测试。所用振源，根据情况可选用换能器发射、锤击、电火花。

出于纵波较易识读，因此当前主要是利用纵波进行波速的测定。在测试中，最常用的是直达波法(直透法)和单孔初至折射波法(一发二收或二发四收)(图5.32)。反射波法目前仅用于井中的超声电视测井和水上的水声勘探。陆地上的反射波法还处于试验阶段。

表5.1声波检测方法总汇

环境与工程地球物理

图5.32常用的几种现场工作示意图

5. 测速探头原理

1、线圈测速

根据车辆经过平行线圈的速度来判断是否超速，并摄像取证。该检测方法的缺点是在于地面埋设的感应线圈的施工量大，路面一旦变更则需重埋线圈，另外高纬度开冻期和低纬度夏季路面以及路面质量不好的地方对线圈的维护工作都是巨大的。

2、视频检测

该方法通过对连续视频图像的分析，跟踪违章车辆行为的过程，通过分析控制拍照进行违章抓拍。该系统的优点是不受路面情况限制，安装不需要破坏路面，或在路面下埋设感应圈，通过在道路上方架设摄像头来检测交通数据，是新一代的道路车辆检测方式。

3、微波雷达

路口通常为多车道、并且具有多车辆、多行人的复杂性。单使用多普勒效应的微波雷达对路口违章车辆的侦测同样具有较大困难，而对于速度较快，方向单一的高速路，微波雷达则是配合高速摄像机的最佳搭档，高速摄像机接受到微波雷达所侦测到的高速移动车辆，迅速进入快速抓拍状态，配合高速快门进行违章取证。国际上的主流产品就是雷达配合高速摄像头拍摄超速。

4、声波检测

主要是利用超声波测距原理：通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了。这与雷达测距原理相似。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

5、激光检测

红外线和激光检测有类似之处，由于激光有点测量行为，从理论上讲是可行的并且检测过程都相当高，但与微波雷达相比，同样面临路口多，道路多，车辆多，行人多的影响，点测量效率无法满监管要求，最重要的是：激光检测中的激光束对人体主要是人眼的伤害是其在尤为严重的问题。

6. 怎样检测超声波

是清洗用吗？如果是可以采用日本本多的超声波感测器，不过价格有点高，据说要2万左右
还有就是锡箔纸来测，方法是把锡箔纸放入超声波清洗槽，在十秒内如果能击穿锡箔纸，且均匀的话，效果不错了。

7. 超声波检查的方法有哪几种

超声检查即利用超声波原理作用于人体，来判断人体组织的生理特性、形态结构与功能状态的一种非创伤性检查方法。超声检查的特点是：操作简便、可多次重复、切面灵活多样，且无放射损伤，同时具价廉、安全、无痛、定位可靠报告及时等。超声波检查宜做近期跟踪复查，以掌握病情的动态，同时也可作为产期健康检查项目之一，以便早期发现病变。超声波检查的方法有4种，即A型(示波)法、B型(成象)法、M型(超声心动图)法、扇型(两维超声心图)法(多普勒超声法)。

B型法，即B超检查在腹部应用最广，能显示肝、胆、脾、胰、肾及肾上腺的正常解剖，判断有无病变，病变是囊性或实性、良性或恶性。

B超腹部检查必须在空腹状态下进行，尤其是对胆囊的观察。妇产科病变，如子宫及附件肿瘤，也应首选B超检查。妊娠时做B超检查，可确定胎儿的数目、发育情况、胎盘的位置等。膀胱检查时，受检者处憋尿状态，对病变的显示更清楚。乳腺病变也可用B超检查。但是B超也有其局限性，不适宜检查含气的结构(如肺)，也不适宜检查骨及被骨遮蔽的结构。

扇型法可得到心脏各种切面图象，并可观察到心脏收缩和舒张时的真实表现，检测心脏和血管的血流动力学状态，尤其对先天性心脏病和瓣膜病的分流及返流情况，有较大的诊断价值。多普勒彩色血流显象，以实时彩色编码显示血流的方法，即在显示屏上以不同彩色显示不同血流方向和流速，从而增强对血流的直流感。心腔中存在的小血块以及瓣膜上的裂口等改变也可被发现。此外，经颅超声多普勒对脑血管病的诊断，及腹部血管检查对肾功能狭窄、胎儿脐带绕颈等的诊断均有很高价值。

M型法可根据体内心脏等结构活动，记录其与胸壁(探头)间的回声距离变化曲线，从记录的曲线图上，可清晰认出心壁、室间隔、心腔、瓣膜等特征。可用来诊断多种心脏病。对心房内粘液瘤检出率极高。

A型法主要从示波上的波幅、波数、波的先后次序等，来判断有无异常病变。可诊断脑血肿、脑瘤、囊肿及胸腹水、早孕、葡萄胎等。但由于此法过分粗略，现已基本淘汰。

8. 声波透射法的检测步骤

1 将发射与接收声波换能器通过深度标志分别置于两根声测管中的测点处。2 发射与接收声波换能器应以相同标高（图10.3.3a）或保持固定高差（图10.3.3b) 同步升降，测点间距不宜大于250mm。
3 实时显示和记录接收信号的时程曲线，读取声时、首波峰值和周期值，宜同时显示频谱曲线及主频值。4 将多根声测管以两根为一个检测剖面进行全组合，分别对所有检测剖面完成检测。5 在桩身质量可疑的测点周围，应采用加密测点，或采用斜测（图10.3.3b）、扇形扫测（图10.3.3c）进行复测，进一步确定桩身缺陷的位置和范围。6 在同一根桩的各检测剖面的检测过程中，声波发射电压和仪器设置参数应保持不变。

9. 声波透射法的检测方法

按照超声波换能器通道在桩体中的不同的布置方式，超声波透射法基桩检测主要有三种方法：桩内单孔透射法
在特殊情况下只有一个孔道可供检测使用，例如在钻孔取芯后，需进一步了解芯样周围混凝土质量，作为钻芯检测的补充手段，这时可采用单孔检测法，此时，换能器放置于一个孔中，换能器间用隔声材料隔离（或采用专用的一发双收换能器）。超声波从发射换能器出发经耦合水进入孔壁混凝土表层，并沿混凝土表层滑行一段距离后，再经耦合水分别到达两个接收换能器上，从而测出超声波沿孔壁混凝土传播时的各项声学参数。需要注意的是，运用这一检测方式时，必须运用信号分析技术，排除管中的影响干扰，当孔道中有钢质套管时，由于钢管影响超声波在孔壁混凝土中的绕行，故不能用此法。
桩外孔透射法
当桩的上部结构已施工或桩内没有换能器通道时，可在桩外紧贴桩边的土层中钻一孔作为检测通道，检测时在桩顶面放置一发射功率较大的平面换能器，接收换能器从桩外孔中自上而下慢慢放下，超声波沿桩身混凝土向下传播，并穿过桩与孔之间的土层，通过孔中耦合水进入接收换能器，逐点测出透射超声波的声学参数，根据信号的变化情况大致判定桩身质量。由于超声波在土中衰减很快，这种方法的可测桩长十分有限，且只能判断夹层、断桩、缩颈等。
桩内跨孔透射法
此法是一种较成熟可靠的方法，是超声波透射法检测桩身质量的最主要形式，其方法是在桩内预埋两根或两根以上的声测管，在管中注满清水，把发射、接收换能器分别置于两管道中。检测时超声波由发射换能器出发穿透两管间混凝土后被接收换能器接收，实际有效检测范围为声波脉冲从发射换能器到接收换能器所扫过的面积。根据不同的情况，采用一种或多种测试方法，采集声学参数，根据波形的变化，来判定桩身混凝土强度，判断桩身混凝土质量，跨孔法检测根据两换能器相对高程的变化，又可分为平测、斜测、交叉斜测、扇形扫描测等方式，在检测时视实际需要灵活运用。

10. 　声波法

固体中的机械波是声波。由于其作用力的量级所引起的变形在线性范围，符合虎克定律，也可称其为弹性波。声波检测和浅层地震、面波勘探同属弹性波“动测”技术。

声波检测（Sound Wave Detecting）所使用的波动频率从几百赫到50千赫（现场原位测试）及50到500千赫（岩石及砼样品测试），覆盖了声频到超声频，但在检测声学学科领域中称其为“声波检测”。其测试原理与浅层地震相同，但使用频率及测时精度均高于浅层地震勘探。

应提及的是，这里所阐述的声波检测包含被动声波检测，即不需要振源的地声检测技术。

12.3.1基本原理

声波检测技术中有三个声学参量，即声速（俗称波速）、声波波幅及频率，可对介质的物性做出评价。当前应用最多的是声速，其次为波幅，频率参量也日渐加入应用。

声波可以评价岩体（及混凝土）的性状，更可提供物理力学参数，但固体的声速和介质的几何尺寸有关。无限体（大块的岩体）、一维杆（防滑桩）、二维板（挡土墙）的声速表达式中的动弹性力学参数不尽相同，边界条件不一样，有必要对它们分别讨论。

12.3.1.1无限（无界）固体介质中的声速

无限体指的是介质的尺寸远比波长λ

波长A是一个基本的声参量，其物理含意是声波波动一个周期T所传播的距离。所以A=T·C式中C为声速。而周期 T与频率f存在T=1/f，因此A=T·C=C/f。大，理论及实验证明，当介质与声波传播方向相垂直的尺寸D＞(2～5）λ，此时的介质可认为是无限体。

声速是介质质点弹性振动的传递（传播）速度。由弹性理论可知，在无限固体介质中由应力引起弹性应变过程的波动方程为：

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式中：θ为体积膨胀率，

表示在声波扰动下体积相对变化；u_x、u_y、u_z分别为x、y、z方向的位移；λ、μ为拉梅常数；▽²为拉普拉斯算子，

；p为介质密度。将12.6式中的第一式对x求导，第二式对y求导，第三式对z求导，然后相加，可得：

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设

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式中：E为弹性模量；σ为泊松比，两者都是介质的弹性常数，它们与拉梅常数λ、μ之间有一定互换关系。将（12.8）式代入（12.7）式，可有：

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显然，（12.9）式中的C_l具有速度的量纲，代表介质内由质点振动传递过程引起的体积膨胀率的传播速度，也就是纵波的传播速度，人们常用v_P表示。即：

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纵波的质点振动传播的物理过程可用图12-6a表示。可见，质点的振动和传播方向是一致的。

图12-6纵波及横波质点传播过程

从三维角度看，质点的振动还可以与传播方向相垂直，这种波动称之为切变波或横波，它不引起固体微元的体积变化，故从12.6式中令θ＝0可求得：

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式中：C_t代表横波传播速度，人们常用v_s表示。

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式中：G为剪切模量。横波的质点振动传播的物理过程可用图12.6b表示。

（1）声速与弹性力学参数：由（12.10）及（12.12）式可见，只要测取岩体的纵波及横波声速v_p及v_s，并已知岩体密度p的情况下，便可以获取岩体的动弹性模量E、剪切模量 G及泊松比σ，对岩体的动力学特征做出评价。故动弹性力学参数可由下列公式计算：

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（12.14）及（12.15）式中v_P及v_S以m/s计，p以kg/m³计，E、G的单位为Pa。

（2）用v_P/v_s评价岩体质量：泊松比σ反映的是岩体弹性性能，即在应力作用下产生纵向（应力方向）相对变形量与横向（应力垂向方向）相对变形量之比的倒数，反映的是岩体的“软”、“硬”程度。由于泊松比与纵、横声速之比有着密切的关系，所以常用纵、横波速度之比来反映岩体的物理性状。纵、横波速度比v_P/v_s与泊松比σ的关系如表12-5。

显然，v_P/v_s值越大，岩体越“软”。通过大量的统计，v_P/v_s的量值与岩体的完整程度如表12-6。

表12-5纵横波速度比 v_p/v_s与泊松比σ的关系

表12-6v_P/v_s的量值与岩体的完整程度

（3）声速岩体完整性指数：评价岩体的质量也可以只用纵波声速。例如“工程岩体分级标准”（GB50218-94）规定，可以用岩体的纵波波速v_Pm与岩石的纵波声速v_Pr按（12.6）式测算出岩体完整性指数K_v。

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显然岩体包含的裂隙、节理比小体积的岩石要少，故 K_v＜1。可见，它反映的是岩体的完整程度。由完整性指数，可对岩体的工程力学性质进行分类，如表12-7。

表12-7工程兵某部的岩体分类研究

（4）声速与岩性：不同岩性由于其结构、矿物组合、成因、地质年代等因素的不同，声速是不同的。又由于节理、裂隙等结构因素，它们的声速并不固定，而分布在一定范围。表12-8是常见到的几种有代表性岩体的纵波声速统计值。

表12-8常见岩体的纵波声速统计值

（5）声速与岩体风化：同一种岩性风化程度的不同其声速有着明显的区别（表12-9）。以长江三峡三斗坪坝岩体风化程度与纵波声速为例，说明用纵波声速划分岩体风化的可行性。

表12-9风化岩石纵波声速值（波速单位km/s)

（6）声速与岩体的裂隙：众所周知，岩体裂隙无论是原生的还是后期因地应力作用产生的次生裂隙，裂隙的出现便是岩体风化的开始。所以，有必要论述声速与岩体裂隙及风化相关的机理。

声学理论中的“惠更斯原理”对这一机理做出了合理的解释。惠更斯原理指出：弹性介质中，在某一时刻 t，声波波前上的所有点，均可视为该时刻开始振动的新的点振源，各点振源产生新的球面波，这些球面波在 t＋△t后波前的包络的叠加组合，形成新的波前，如此循环不已。故当波动的前方有裂隙存在时，在裂隙尖端所产生的新的点振源将可绕过裂隙继续传播，形成波的“绕射”。绕射的过程声线“拉”长，声时（声波传播的耗时）加长，使视声速降低，故声速不仅可对岩体的风化程度加以划分，对岩体中存在的裂隙有着极为敏感的反映，特别是张裂隙。

（7）声速与岩体结构的关系：岩体的结构可分为四类：整体块状结构、层状结构、碎裂结构、散体结构。声波在整体块状结构中的传播速度最快。后三类结构中，由于岩体的节理裂隙发育程度不相同，声波在这种非均质介质中传播，将会在不同的波阻抗界面产生波的反射、折射、波形转换等，使声线拉长，从而使声速随结构的复杂而降低。但在声波的传播中还有一个原理，即“费玛原理”。费玛原理指出：声波从一个点向另一个点传播，会沿着最短、最佳、最不费时的路径传播。这就决定了随着岩体结构的不同，声波的传播走时是会有一定规律的，其关系如表12-10。

表12-10声速与岩体结构

（8）声速与地应力：裂隙对声速的影响称之为“裂隙效应”。岩体受到外界应力作用时，其变形首先是裂隙的压密，由此可使声速提高。但当应力超过强度极限，岩体又会出现新的裂隙而使声速下降。图12-7是四块岩石试块（砂岩）应力与声速关系的实测曲线。

图12-7岩石应力与超声波波速的关系

P—压力方向；F—发射换能器；S—接收换能器

根据上述原理，对岩体做应力释放处理测取应力释放前后的声速，然后再对取得的岩心加压测量其声速，可推测出地应力的量值及方向。

12.3.1.2有限固体介质中的声速

（1）一维杆的声速：固体介质的尺寸和波长满足下列关系称为一维杆。即：

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式中：λ为波长，D是一维杆直径，L是一维杆的长度。这时杆轴线方向的纵波声速存在下列关系：

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显然，

与无限体的纵波声速相差

0.25,

，见（12.10式），当σ＝0.2～

（2）二维板的声速：当固体二维板在x及y方向的尺寸远大于：方向尺寸，且z方向的尺寸L_z＜λ时，二维板在x及y方向的纵波声速如下：

而横波声速不依赖几何尺寸。

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讨论—维杆及二维板的纵波声速，目的在于对滑坡体治理时可能采用抗滑桩及挡土墙等工程治理措施，其施工质量的检测大多会采用声波透射法及声波反射法。对于正常声速的取值及动弹性力学参数的测算，分别应使用（12.8式）及（12.9式）。抗滑桩使用混凝土的情况较多，一维杆使用反射波法对混凝土优劣的声速划分与用声波透射法不同，见表12-11。其不同的原因是反射波使用的声波频率在1kHz左右（A=4m左右）属一维杆的纵波声速，而声波透射法使用30kHz左右的频率（λ＝0.13m左右）属无限体的声速。

表12-11测桩混凝土声速分级

12.3.1.3声波的反射、折射及波型转换

声波在固体介质中的反射、折射及波型转换是岩体及砼声学检测的重要理论依据。

（1）垂直入射时的反射及透射：当固体介质不连续时，如存在波阻抗界面（波阻抗的定义是介质密度ρ与声速c的乘积，即Z＝ρc），如图12-8，如声波传播的声线与x=n的界面相垂直，则为垂直入射。在该界面处，质点振动振速 v及振动产生的声压P具有声压连续及振速连续，如下：

图12-8声波（平面波）的入射、反射及透射示意图

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式中：P、v为入射声速的声压及振速；P₁、v₁为反射声压与振速；P₂、v₂为透过的声压及振速。将波阻抗Z＝ρc关系代入上式可求出：

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（12.22）式中的R_P为声压反射系数，（12.23）式中的_Rv为振速反射系数。它们从不同角度说明声波反射的同一物理现象，声压反射系数说明了反射时质点振动的应力关系。同理可推导出声压透过系数。

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垂直反射比较简单，不产生波型转换。

（2）斜入射时的反射、折射及波型转换：如果在波阻抗界面处入射声波不是垂直入射，将产生反射、折射及波型转换，其规律见图12-9及图12-10。

图12-9声波斜入射时的反射示意图

注：

(a）纵波斜入射；（b）横波斜入射

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反射、折射规律遵循Snell定律，如（12.25）式：

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式中：α_l、

β_l、β_t的含意见图12-9及图12-10。由（12.25）式可得到一个重要的入射角，称为第一临界角α_i：

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该式说明：当纵波入射角等于第一临界角时，在比第一层介质声速高的第二层介质中的折射角等于90°，即折射波在第二层介质表面滑行。

（3）斜入射时的反射及折射系数：图12-9(a）纵波斜入射的反射系数 R_P（如式12.27），而图12-10(a）中声波的透过系数R_T（如式12.28）：

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（12.27）式及（12.28）式中的Z₁＝ρ₁c₁,Z₂＝ρ₂c₂，分别为上下层介质的波阻抗。

（4）声波的绕射及散射：用惠更斯原理可解释声波的绕射，前文已述及，不再赘述。

声波在介质中传播，如介质中含有随机分布的不同波阻抗的颗粒，而这些颗粒的几何尺寸 r＜λ（λ为波长），这时声波将被这些颗粒反射而散射开来，使声波不能全部向前传播形成声能的损失，这种现象称为散射。

12.3.1.4声波的波幅及声波的衰减

声波的传播是质点振动的传递过程，单位时间传递的距离就是“声速”，而质点在振动传递过程中其振动的幅度便是声波的“波幅”。声波波幅会随着质点振动相互碰撞，在将动能转换成热能的过程中，质点振动的能量耗损使其振动幅度渐减，称之为声波的衰减。声波的衰减显然随介质材质、结构及声波频率的不同而各异，同一种介质，声波频率高衰减快。

在声波检测技术的应用中，目前还没有用声波的衰减评价被测介质特性，而是通过测量声波波幅的变化检测诸如岩体内裂隙的发育情况、风化特征以及混凝土内部的各种缺陷等。

声波的波幅A与传播距离有下列关系：

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两式中：A_m为发射点的声波波幅；α为声波衰减系数，l为传播距离。（12.29）式适用平面波，（12.30）式适用球面波。

12.3.1.5声波的频率

由富氏变换可知，声波检测发射的脉冲波是由多个不同频率的正弦波组成。在岩体中随着传播距离加大，或由于岩体裂隙的发育程度、风化程度的不同，接收到的脉冲波的高频信号衰减快，使接收信号的主频（能量最丰富的频率）降低。故接收到的声波信号的频率特性，可反映出岩体的物理性状。

12.3.1.6声发射现象与凯萨效应

当岩体受到外力作用，例如地下残余应力、人为或自然界对岩体产生扰动引发的应力集中等，超过岩体的强度时，岩体内部将被破坏。这种破坏往往要经历一个过程，开始时局部产生微破裂，出现一些新的裂隙，当外应力增加，这种破裂的数量（次数）增加，新生的裂隙增加并延伸，外应力增加到一定程度后，最终造成整块岩体破损坍塌。在上述岩体受力破坏的过程中，每产生一次破裂，能量被释放并转换成一次脉冲波动，形成一组声脉冲，称为“声发射”。每出现一次声发射，即为一次声发射“事件”。

声发射现象产生的脉冲声波的频谱甚为丰富，据国外文献及国内有关单位研究，其频率的上限到兆赫，下限到千赫。因此，可以在距离声发射点几十米以外接收到声发射信号，一般接收仪器接收到的是主频数千赫以下的声发射脉冲波组。由所接收到声发射事件的次数、单位时间内事件数，及声发射信号的波幅强度等动力学特征，可对岩体是否失稳进行预报。

岩体声发射现象，还有一个特殊效应系由凯萨氏发现，定名为“凯萨效应”。从岩体上取下一块完整的岩石试样，放在材料试验机上缓缓施加压力，在所加压力未超过它历史上所受到应力之前，是不会发生声发射的。由此，从加压后开始出现声发射现象之前的一级压力，即为该岩体历史上所受到的最大应力。

12.3.2观测方法

声波检测（主动式）的全过程，可用图12-11加以说明。当今声波检测仪均已数字化，现以数字化声波检测仪的发射、接收、数据采集及信号处理过程说明声波检测的观测原理。

图12-11声波检测（主动式）原理框图

（1）声波的发射：传统的声波仪用压电型换能器的逆压电效应将电脉冲信号转换成机械振动，向岩体辐射声波，其透射距离在10m以内（频率20～50kHz）。为加大穿透距离，声波仪也可以用电火花、锤击等单次瞬态激励振源向岩体发射声波（频率约3kHz以下）。

（2）声波的接收：传统的声波仪多使用压电型接收换能器的压电效应，将经岩体传播后的声波信号转换成电信号，这些信号携带了岩体的物理力学及地质信息。

（3）放大及数据采集：见图12-11，由接收换能器送出的信号先经接收放大系统加以适当的放大，再经A/D转换数据采集系统对放大后的信号由A/D转换器将模拟信号转换成二进制数字信号，并按采样的时间顺序存储在随机存储寄存器（RAM），再将这些离散的二进制数字信号送入微电脑，最终接收换能器接收到的声波信号波形显示在电脑显示屏上。目前最高档的声波检测仪，在将波形显示在屏幕上的同时，可将接收信号的首波波幅及首波的到达时间（即声时）自动加以判读，同时加以显示。接收到的波形、波幅、声时等可存入电脑的硬盘或软盘，用作下一步的分析处理。上述声波信息可在专用的数据与信息处理软件的支持下，对被测介质作出评价。

（4）被动式声波检测：岩体中的声发射信号、滑坡体蠕动产生的摩擦声信号统称为“地声信号”。对这些信号的接收过程与图12-11基本相同，只不过没有声波发射系统，但接收是多通道的（三个以上），故称之为被动式声波检测。另一个重要的不同点是，它需要计时系统，记录出现地声的时刻，同时需对地声脉冲信号的主频、波幅量化处理后存储记录，统计出地声事件出现的频度。被动式声波检测仪必须长时间连续工作，提供不间断的观测记录。地声监测是地质灾害的勘查手段之一，对于研究地质灾害发展规律十分重要。

12.3.3检测方法

由检测对象及检测目的的不同，声波检测有多种方法。

12.3.3.1透射法

发射的声波经被测介质传播透过后，由接收换能器接收的测试方法为透射法。

（1）表面测试：工程场地的岩体、混凝土，如需检测内部结构特性、缺陷及力学性能，而目标体又有外露的测试面，可采用对测法，如图12-12(a）；只有一个检测面时，可采用平面测试法，如图12-12(b）。

表面测试多用于地下洞室、隧道、边坡、大型桥墩等如图12-13。

图12-12表面测试原理图

I—声波检测仪；T—发射换能器；R—接收换能器；M—检测介质

图12-13声波表面测试示意图

1～3—隧道及洞室；4—桥墩类

＞发射点；接收点

（2）跨孔测试：在两个相距一定距离的钻孔中，分别放入发射振源和接收换能器，如图12-14。具体方法有同步提升测试法，图12-14(a）；斜测法，如图12-14(b）；及扇面测试法，如图12-14(c）。

跨孔测试用于孔间岩体破碎带、岩溶、滑坡的滑带（床）的测试；扇面测试用于声波层析成像（CT）测试。此外，跨孔测试还用于防滑桩、挡土墙等地质灾害防治工程的工程质量检测。

如图12-15，在钻孔地面旁敲击，孔中用三分量检波器（或压电换能器）接收。横敲木板可测取地层横波声速，直接敲地面测取纵波声速。地面—孔中测井可用于测取地层动力学参数，划分地层，对滑坡体进行检测，掌握滑床（带）部位、物理性状等。

图12-14声波跨孔测试示意图

T—发射振源；R—接收换能器；H—钻孔

12.3.3.2折射法——单孔一发双收声测井

如图12-16，发射换能器 T近似点振源，故总有一条声线满足第一临界角，这时进入岩体的声波折射角为90°，射波沿孔壁滑行，以后又被相距L的R₁及相距为L＋△L的R₂接收，其声时分别为t₁及 t₂。声速v_P为：

图12-15声波地面—孔中测试示意图

I—声波仪；R—三分量检波器；B—帖壁气囊；M—岩体；H—钻孔；W—激振木板；P—压力；F—正向激振；F′—反向激振I—声波仪；T—发射换能器；R₁、R₂—接收换能器；M—岩体；H—钻孔

图12-16单孔一发双收声波测井原理

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单孔－发双收声波测井用于岩体风化壳划分及强度评价，深部地层的构造、软弱结构面、破碎带埋深及发育的勘查。

一发双收声波测井必须注意的问题是，接收换能器R₁在接收到沿孔壁滑行折射波的同时，还能接收到由井液中直接传播的声波，因此必须保证滑行波的走时t_.小于井液中传播的声时t_w，才能保证正确的测试。由于岩体的声速大于井液的声速，所以，只要加大发射换能器 T与接收换能器R1之间的距离 L(L称源距）即可达此目的。通过计算可求得最小的源距 L_min有下列关系：

（12.32）式中D为钻孔直径；α为换能器外径；C_w为井液声速；C_m为岩体纵波声速的最低值。

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（12.31）式说明，当一发双收换能器的直径及源距确定后，所能适用的钻孔孔径也就被限制在一定范围之内。用其在钻孔中进行测试之前，应按（12.31）式核算一下是否适应孔径。

12.3.3.3反射法

图12-17是桩（或混凝土挡土墙）反射波测试示意图。用手锤或力棒敲击桩顶产生入射波T，在桩底（或有缺陷 F）产生反射波R(R′）。接收传感器 T_，先后接收到直达波D、缺陷反射R′及桩底反射波R，即可由检测仪器I将它们依次记录。由记录的波形可判断桩是否完整，或有无缺陷，以及桩身混凝土声速，并由声速推断混凝土质量（强度等级）、缺陷的位置。

图12-17桩（墙）反射波测试

I—仪器；H—手锤；Tr—传感器；P—桩（墙）；F—缺陷；E—地层；T—入射波；R—桩底反射波；R′—缺陷反射波；D—直达波

上述桩的反射波法，实际是一维杆的“零”偏移距反射波法（也就是浅层地震所谓的最小偏移距反射法）。按此原理，还可以对地下连续墙、挡土墙进行墙体的完整性及深度检测。依此类推，也可以对地下隧道开挖面前方的岩体破碎带、溶洞等不良地质体进行“零”偏移距反射波法测试，目前已取得较好的实测结果。

12.3.3.4岩石样品的声波测试

（1）岩石样品（试件）声波测试的目的。岩石样品多由钻探取芯或工程现场取样获取。测试岩石样品的目的是：获取无结构面的完整岩石声速，作为评价岩体完整性的基础数据；研究声速与应力间的关系；利用凯萨效应掌握历史上曾受到过的地应力的最大值；提供岩石动弹性力学参数 E_d、G_d、σ等。

（2）岩样的几何尺寸与测试频率的选择。岩石样品几何尺寸较小，按有关规程规定，其尺寸应为5×5×5(cm）、5×5×10(cm）、φ7×5及φ7×10(cm）。为了获取无限体的声速，必须采用高频换能器测取纵波、横波声速v_p、_v。频率的选取原则是 D≥（2～5)A如2.1.1(B）节中的要求。因此，声波换能器的频率应在200～1000kHz，仪器的测量声传播时间的分辨率，应达到0.1μs。

表12-12多种声波检测方法总汇

（3）岩石样品的加工要求，见原地质矿产部《岩石物理力学性质试验规程》（1986年12月颁布）。

12.3.3.5多种声波检测方法总汇

因检测目的的不同，声波检测有着多种测试方法，各种方法又随探测距离各异，出现多种发射振源及不同接收方式。各种声波检测方法的总汇如表12-12。

12.3.4信号处理

我国的声波检测仪已普遍实现数字化并领先于国际水平。数字化的实现，加速了信号处理技术的提高。目前已在多个方面应用了信号处理技术，并开发出了相应的处理软件。

（1）为研究应用声波信号的频率特性，傅氏变换频谱分析技术普遍用于声波检测，并备有相应软件供用户使用；

（2）高、低、通数字滤波软件，用于滤除不同的干扰信号；

（3）积分处理对接收信号进行积分运算，将振动加速度信号转换成振动速度型信号及消除接收信号（直达波及反射波）的余振；

（4）多点平滑滤波将数字序列中的第i点信号（i=0、1、2、3、……N）与相邻的i+n个信号幅度相加除以i+n的值作为i点的波幅，目的是消除噪音使波形光滑；

（5）叠加处理将n次（n任选）发射、接收到数字信号序列逐点相加，使波幅增强，以提高信噪比，消除随机噪音。

上述信号处理软件，多已装入仪器，可以方便地调用。

12.3.5数据处理

数据处理的目的是用测取的声学参量，以及由它们衍生出的物理量评价岩体的结构、物理力学性能及混凝土结构强度、完整性等。

（1）声速计算：

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其含义与（12.10）式及（12.12）式相同。

（2）岩体完整性指数（K_v）：

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式中：vP_m为岩体纵波声速[km/s],vP_r为岩石试件纵波声速[km/s]。根据《工程岩体分级标准》（GB50218-94）,K_v定性划分岩体完整程度的对应关系如表12-13。

表12-13K_v定性划分岩石完整程度的对应关系表

（3）准岩体抗压强度（F_m）:

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式中：F_r为岩石试样的单轴抗压强度。

（4）岩体风化系数（I）：

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式中：

为完整岩体的纵波声速；

为风化岩体的纵波声速。

（5）动弹性力学参数：当测取了岩体及混凝土的纵波及横波声速，可求得下列动弹性力学参数

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（12.36）至（12.38）式中：v_P、v_s为纵、横波声速；ρ为密度。

12.3.6仪器设备

（1）水文地质工程地质专用声波测井仪见表12-14。

表12-14水文地质工程地质专用声波测井仪一览表

（2）典型超声波（声波）检测仪见表12-15。

（3）电火花振源：为加大声波穿透距离，可使用大功率电火花振源。其原理是：在高压储能电容上充4～8kV电压，然后通过电缆及放电电极在水中瞬间放电，使水高热气化，产生激励脉冲声波。其特点是：能量可控、一致性好、能量大。便携式电火花振源的能量可达300～700J（焦尔），湘潭市无线电厂生产，型号XW5512A。

表12-15典型超声波（声波）检测仪

（4）发射与接收换能器：由于声波测试方法的不同，需要有多种换能器，满足不同的测试要求。现有定型生产的各类换能器，表12-16所示给出了它们的名称及主要技术性能、外形尺寸、耦合方法及适应的测试方法。

表12-16定型生产的各类换能器

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