超声波的基本原理篇1

关键词：超声检测；混凝土结构；影响因素

中图分类号：TU112.7文献标识码：B文章编号：1009-9166（2011）017(C)-0151-01

引言：超声波法是一种重要的混凝土强度检测方法，其检测过程对混凝土材料没有损伤，也不影响建筑结构或构件的使用性能，重复或复检方便，重复性良好，因而在混凝土检测中应用非常广泛。本文简要探讨混凝土结构超声检测的基本原理及影响因素。

一、超声波检测混凝土的基本原理分析

混凝土超声检测是混凝土非破损检测的一项非常重要的技术，在国内外都取得了广泛的应用。发射换能器以一定重复频率间断地发射出超声脉冲波，它不具有单一频率而是所谓复频波，各种频率成分的波将以不同速度传播。超声波检测技术中的主要声学测量参数有以下几个，可以从这几个参数来简要分析超声波检测混凝土的基本原理分析。1、声速。超声波在混凝土中的传播速度，其同混凝土内部结构（孔隙、材料组成等）有关，同混凝土的弹性性质有关。通常混凝土的弹性模量越高，内部越致密，声速也越高。所以在超声波检测时，如混凝土内部有空洞、蜂窝体等缺陷时，声时值会有所增大，声速也会相应地降低。在结构混凝土检测中，声速还会受到探头的种类和安置位置等自身因素的影响，所以为提高测量的精度，就应控制好测量声速和声程，最大限度地排除各种干扰。2、振幅。接收波振幅一般指的是第一个波前半周的幅值，也即是首波，接收到的超声波信号越强，振幅越大，当发射出的超声波强度一定时，就可以通过振幅的大小来反映混凝土粘塑性能，由于混凝土的强度同其弹性性能和粘塑性能有关，因而振幅也可体现混凝土的强度。采用超声波检测时，如果混凝土存在裂缝或缺陷时，便会引起超声波的绕射或反射，从而减弱振幅值。3、频率。由于在超声波检测中，声脉冲信号包含了一系列不同频率成分的余弦波分量，它们在传播过程中高频部分首先衰减，所以超声波愈往前传播，其高频成分愈小，主频率下降的多少不仅同传播距离有关，还与混凝土的质量、强度及内部缺陷情况有关，故可以测量超声波通过混凝土后频率的变化来判断其质量情况。4、波形。正常的混凝土，超声波在显示屏上而显示的接收波波形为衰减正弦波；如果混凝土内部存在缺陷、裂缝或者疏松，就会改变传播路径，最后在显示屏上出现畸变波，故可将波形作为判断混凝土内部缺陷的一种辅助参数。

二、超声波在混凝土中传播的基本特性

混凝土为多相凝聚体，主要由砂、石、水泥及孔隙等构成，其内部存在各种不同的界面，超声波在内部传播时，遇到这些界面，便出现折射或反射等现象，这些都使得超声波在混凝土中传播时衰减大，并且传播时指向性较差；此外，由于会因界面反射和折射而曲折，使得在混凝土中存在缺陷时便不沿直线传播；最后采用超声波检测混凝土时，探头所接收的信号是一次声波和二次声波的叠加。

三、超声波法检测混凝土强度影响因素分析

1、原材料及配合比。不同的混凝土原材料使超声声速值有差异，就算采用的原材料相同，不同的配合比也会产生不同的声速值。（1）水泥品种。不同的水泥配制的混凝土，其早龄期的强度发展规律是不一样的，所以对于早龄期的混凝土检测，应将水泥品种作为一个考察因素，但对于较长龄期的混凝土，就可忽略水泥品种的影响。（2）粗骨料的品种和含量。一般来说石子的品种对超声波检测的影响并不显著，在利用测强曲线的时候甚至可忽略这一因素。虽然碎石和卵石石质相同，对声速影响较小，但碎石表面粗糙，有利于水泥和骨料的粘结，因而强度会略高。在混凝土强度相同的情况下，粗骨料含量越高，超声声速值越大。（3）矿物细掺料。当前的混凝土都倾向于高强、高性能，因而也开始广泛地掺加矿物细料，如掺加硅灰会有效提高混凝土的强度，也会提高超声波传播的声速，这是因为硅灰颗粒细小，具有高度的分散性，填充在水泥之间后会提高整体的密实度，所以也会提高超声声速值。（4）砂率。混凝土砂率控制的好坏会影响混凝土的密实度和粘聚性，从而对声速的影响也较大。（5）配合比。各种材料相同的混凝土，由于配合比不同，也会造成超声声速存在差异，如超声波在粗骨料偏多的混凝土中传播会更快，对于水灰比大的混凝土水分蒸发多，孔隙多，也会降低声速。2、外部条件。（1）龄期。在早龄期的混凝土中，混凝土强度的增加会引起声速值的增加，并且后者的增长速度要大于前者，随着龄期增加，前者的增长速度也会逐渐大于后者。（2）养护方法。通常混凝土在水中养护时比在空气中养护时水化要更充分，相应地减少了毛细孔孔隙率，故也会提高声速。（3）温度和含水率。当温度超过50℃时，声速随温度的升高而降低；含水率越高时，水分会填满孔隙，使得超声波传播速度也大。3、其他条件。（1）结构中的钢筋。由于超声波在钢筋中的传播速度比在混凝土中要大很多，所以在检测含有钢筋的混凝土时，往往需要根据实际情况对检测得到的超声声速值予以修正。（2）混凝土中缺陷与损伤。若混凝土中存在裂缝，混凝土的强度就不能用超声波来检测，检测过程中如果首波形状发生改变，则表明混凝土内部存在缺陷，便不得以超声声速换算混凝土强度。

结束语：了解混凝土结构超声检测的基本原理和影响因素，有助于更好地再混凝土检测中运用这种技术，提高检测的准确度，从而对混凝土结构进行有效地评价，以及对受损构件采取有效的加固措施。

作者单位：广东荣基鸿业建筑工程总公司

参考文献：

[1]李士伟,林维正,李少波,夏平.混凝土损伤的超声检测试验研究[J].无损检测.2007(05).

超声波的基本原理篇2

关键词：超声波流量计；案例运用；流量测量

中图分类号：TM711 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）17-0117-02

1 超声波流量计测量原理概述

1.1 超声波流量计基本原理

在流动流体中流体的运行速度与超声波的传播速度之间存在着一定的关系，与固定坐标系相比，超声波的顺流中的传播速度远远大于在逆流中的传播速度。为了更好地对流量速度进行测量，首先需要准备一个能够发射超声波的超声波探头（即换能器），一般可以采用石英等制作成某种元件器件作为流量计中的超声波探头，由此可以在进行超声波发射的时候充分使用负压电高频电脉冲的作用力使得压电晶体实现稳定的高频振动，从而最终实现有一定脉冲变化的超声波发射效应。超声波可以从一定的角度发射进入到流体中进行传播，然后在超声波换能器的作用之下实现超声波信号的接收效能，与此同时，超声波换能器再一次经过一定的环节将高频电脉冲信号成功转换。从上述分析可以知道对同一个超声波换能器进行轮流性的使用可以成功发射不同类型的脉冲压力波，同时可以实现接受功能。

对超声波流量计可以从如下几个角度进行分类：一是按照基本原理可以将超声波流量计分为时差法、声环法、相位差法、相关法、沃街法以及多普勒法等；二是按照超声波探头的安装方式可以将超声波流量计分为外缚式以及插入式、插入式又可以按照是否带有测量管段来进行区分；三是根据声道数量可以将超声波流量计分为多声道和单声道两种类型；四是按照超声波的性能特点可以将超声波流量计分为便携式、固定式、标准型以及低温防水型等。

1.2 超声波流量计测量原理

从上述分析中，可以知道超声波流量计有多种类型，这里主要对时差法和多普勒测量法两种方法的测量原理进行详细概述。

时差法测量原理如图1所示，时差法测量一般情况之下是运用所测量流体传播声波来进行测量，并通过不同传播速度流体特征来测量他们在不同流动方向的传播速度之间的差值，从而最终测量出流体的流动流量以及相应的速度。

多普勒法超声波在进行流体流量测量实践中的基本原理如图2所示，这是在超声波在进行流体流量测量实践中所产生的多普勒效应对相应的频率差进行相关测量，由于主要是使用某一个固定的声源作为相应的发生器，随着流体与某一运动声源之前的相对运动，促使该物体进入到超声波中并最终出现超声波接收器的反射接收。进入超声波和发射超声波二者之间的频率差就是运动物件所产生的多普勒频移，并且所测量的多普勒频率差与流体流速之间呈现出一定的正比例关系，因此可以如果可以求出多普勒频率差，就可以相应得到流体的流速以及流体相应的流量。

2 超声波流量计基本特点分析

超声波流量计在长期的发展中逐步将传统的涡轮流量计、差压流量计以及电磁流量计等测量方法取代，从各个角度来进行分析，可以知道超声波流量计在实践运用中主要具备如下几个方面的优势特征：

第一，超声波流量计在实践中进行安装维修更为方便快捷，超声波流量计与其他的流量计方法相比而言，安装维修更为方便快捷，对于大口径的流量计量体统来说，超声波流量计在这一方面的优势是非常明显的，可以节约大量的人力和物流成本。近年来，随着超声波流量计在各个研究领域的实践运用，超声波流量计在安装维修时可以不用考虑是否在官道上切断流量或者进行打孔等繁琐步骤。

第二，超声波流量计的测量管径相对较大，超声波流量计在进行测量时其管径测量最大可以达到10 m，这也是超声波流量计的突出优势，超声波流量计的适用管径范围相对来说较大，可以在一定范围之类进行较为自由的流量测量，当所测量的管径超出一定范围时，流量计可能会受到外界各个方面的因素限制而难以满足具体的测量要求，这个时候可以考虑使用超声波流量计来有针对性地解决这些问题，同时可以测量任意管径。除此之外，管径大小范围并不会影响到超声波流量计的价格，而其他流量计价格往往会随着管径大小范围的变化而变化。

第三，超声波流量计的测量可靠性较高，不论是湿式安装或者是外夹式安装的超声波流量计均不会对测量流量的流畅性产生影响，没有任何的压力损失；与此同时，以微机为中心的传感器可以使用锁相环路等计时的方法解决电力故障以及信号衰弱等方面的问题，从而使得超声波流量计的测量可靠性更高。

第四，超声波流量计的测量不会受到流体相关参数的影响，比如说流体的物理性能以及导电率、粗糙度等相关参数不会对超声波流量计的测量产生影响。除此之外，超声波流量计的测量结果可以通过计算机自动控制系统进行自动显示和打印，并实现联网运行。

但是，超声波流量计在实践运用中也存在一些缺点，一是超声波流量计的传感器安装情况对测量结果准确度有一定的影响，因此传感器安装有着严格的要求；二是超声波流量计的准确度与电磁流量计准确度相比还存在一定的差距。

3 超声波流量计在电厂流量测量上的应用

由于超声波流量计有着突出的技术应用优势，因此超声波流量计在电厂流量测量等各个领域得到了广泛的关注的应用，可以从如下几个应用案例中得到体现。

越南IAGIAI Ⅲ水电站中需要对循环水流量进行测量，由于所需要测量的管径属于超大型号，分别为DN6000型号和DN3000型号，在对所要测量的流量以及各种类型流量计进行全方位分析论证之后，最终认为最为经济适用可行的超声波流量计可以用来解决该方案，因此最终选取了超声波流量计对循环水流量进行了准确的测量，解决了相应的问题。

华能白杨河电厂在2003年以前一般都是采用差压式流量计实现单一方向的流量测量，在使用超声波流量计进行流量测量之后，发现了负流量现象，并因此为电厂节约了大量的购水成本，该电厂最初在凝结水管道上将涡衔流量计安装上，但是由于在实践中受到流量计工艺有所变动等方面的影响，从而对流量测量计的准确度和精确度提出了更高的要求，而涡衔流量计在这种情况之下无法满足这一需求，因此在保障电厂正常运行的情况之下可以选取超声波流量计做出更为精确的测量。

鲁能运河发电厂在2008年时在实践运用中需要对相关油量进行相应的测量，由于之前使用价格高达10万元的质量流量计进行测量，价格昂贵且运行使用周期较长，质量流量计的安装也极为不方便，后来鲁能运河发电厂选用了价格仅仅两万元的外夹式超声波流量计，不仅解决了存在的问题，而且在较低的成本之下达到了有效的测量结果。

华电漯河发电厂最开始选取了电磁流量计对流量进行测量，安装前后均做了较好的防腐内衬，其加工难度大且使用成本较高，但是选用超声波流量计时这些问题都迎刃而解了，没有使用更多的设备和安装成本。

综上所述，当前超声波流量计已经被作为主要的流量测量工具运用到愈来愈多的电厂，安装维护方便快捷且较长的生命周期优势使得超声波流量计备受欢迎，尽管超声波流量计还存在一定的缺陷，但是相信随着科学技术的高速发展，超声波流量计将以其综合性优势得到更为广阔的发展空间。

参考文献：

[1] 解兵，梅强，王成亮.超声波流量计在发电机定子内冷水流量测量中的应用[J].江苏电机工程，2007，（7）：53-54.

[2] 吕永焕.浅析超声波流量计在AP1000主给水测量中的应用[J].科技风，2013，（5）：158-159.

[3] 梅海舟.基于TDC-GP21型超声波流量计的开发与研究[D].广州：华南理工大学，2012.

超声波的基本原理篇3

油田采出水中含高达1000-2000mg/L的油,8×104~14×104mg/L的矿化度,大量的悬浮固体颗粒(主要是粘土颗粒、砂粒、粉砂等10-100μm的小粒径物质),细菌,胶体,重金属等其他物质;水温通常在40-80℃,且易受酸碱影响而改变PH值,处理难度较大,直接排放会对环境造成影响。目前在原油开采过程中,需注入大量的清水到储油层。如对采出水进行处理并用于回注则可以减少用水量,带来一定的经济效益,减少对环境的危害。

2超滤超声技术在油田废水处理中的应用

2.1膜技术的优势及超滤的基本原理与传统水处理工艺相比,由于膜技术具有高效,用药量少、操作简单、运行维护费用低且不产生副产品等优势而被广泛应用。当含有大、小分子两类溶质的溶液流过膜表面时,溶剂和小分子溶质将透过膜,作为滤出液被收集起来而大分子溶质(如有机胶体等)则作为浓缩液被膜截留下来。在我国用超滤处理油田采出水已获得了较好的效果并可满足回注水的基本要求。

2.2超声波清洗的基本原理超声波是一种频率高达2000赫兹的声波,研究中发现对液体使用足够强的声波可以使其出现空化现象。同时超声波在传播中如遇不同的介质会产生速度差,从而在不同界面上产生剪切力将界面间的附着物剥离,实现动态化清理。另外,超声波不受污染物颗粒大小的影响,从而保证了清洗的效果,同时在运行中可以对频率进行调控,安全可靠,清洗速度较快。

2.3超滤膜结合超声波等工艺的流程设计对于图中的传统工艺我们不再做说明,只对其中的超滤超声系统做简单的介绍。1)超滤膜-超声波组合系统主要是用超声波发生器产生的超声波作为清理超滤膜组件的主要措施,以此简化膜组件,减少冲洗程序。用超声波的空化效果、振动效果对污染物进行清理,同时也可起到杀菌作用,这样可以增强超滤膜的处理效率,延长其使用寿命。2)膜材料的选择在应用中需对采出水的水质进行分析,利用试验确定不同条件下何种膜材料对工艺的适应性强。目前采用纳米A1203改性聚偏氟乙烯超滤膜进行研究的较多。3)超声波装置及超声强度的设定利用不同的换能器可以组合成不同的超声波化学反应器,通常可用的有非变幅辐射式超声波化学反应器或者变幅辐射式超声化学反应器、管道式生化反应器等。在具体的应用中可以采用探头式与管道式反应器结合的方式,以此适应采出水处理的工艺需求。研究发现,超声波频率与空化阈值关系密切,频率越高则阈值越大增加也越快,15KHz时的空化阈值为0.5-2.0atm,可见超声波频率是影响气泡运动的关键。当超声波频率小于气泡谐振时气泡才能消除;当频率超过气泡谐振时气泡出现复杂振动效果,而不消除,因此选择低频率(200KHz)超声波有利于空化的效果。超声波的强度大于液体本身空化阈值时才会产生空化,强度越大则越容易产生空化,在液体中产生的清洁作用也越好。超声强度取决于超声的功率和超声覆盖面积,而这主要取决与换能器的形式与材料,因此在使用中应对其进行试验分析,作出准确选择。

3结束语

超声波的基本原理篇4

一、磁粉探伤及渗透探伤的基本原理

1、磁粉探伤原理

磁粉探伤的基本原理是将被检工件通入大电流或磁力线，使工件磁化，则试件中产生或通入的磁力线过到缺陷时，特别是与磁力线垂直正交的缺陷，扰乱了磁力线的正常分布，并且缺陷的磁导率远比基体低，从而使表面或近表面的缺陷产生漏磁，形成了N极和S极，吸附磁粉，显示了漏磁，也就显示了缺陷。

2、渗透探伤原理

渗透探伤的基本原理是利用了有色或荧光渗透液，能浸润被检试件表面，并对表面开裂性缺陷具有良好的渗透性能。由于表面张力作用和毛细管作用，经过渗透、清洗、显示处理，用目视法直接观察缺陷的形状和大小。渗透探伤法主要有着色探伤法和荧光探伤法。我厂目前采用着色探伤法。

这两种方法都是用于检查工件表面缺陷的。磁粉探伤只适用于铁磁性金属，而渗透探伤对于除多孔材料外的结构均匀的材料都适用。但只能检查被检工件露出表面的缺陷，而磁粉探伤法对于未露出的近表面缺陷也能检验，而检验缺陷的深度也可随电流强度加大而加深。

二、磁粉探伤法和渗透探伤法在对接焊缝探伤上的应用

对接焊缝主要缺陷有气孔、夹渣、未焊透、未熔合、裂纹等到。对于气孔、夹渣、未熔合、未焊缝、裂纹等缺陷，采用超声波探伤或射线探伤来检查很有效。而对一些近表面或已露出工件表面而且肉眼直接观察不到的缺陷，例如裂纹、气孔等，采用磁粉探伤或渗透探伤来检查就更为简便易行，安全可靠。

对于对接焊缝的技术要求，一般都要进行超声波探伤或射线探伤。例如北方重工生产的重点产品盾构机盾体的技术要求，对于探伤有如下规定“用X射线轴查筒体焊缝不小于全部焊缝的25%，超声波探伤为100%检查，要求焊缝内部质量为DIN EN 1714-1712Ⅱ级。验收标准为《1103SD00004B》B级，所有焊缝不得有裂纹。”而不作磁粉或渗透探伤要求。

DG1120422（1-1）台，DG1120422（2-2）台，DG110423（1-1）台的盾体，材质为Q345B。对接焊缝坡口为X型，其对接焊缝总长度为60m以上。（见示意图）

我们在用超声波探伤法检查焊缝质量时，发现在某些环焊缝的表面有缺陷波反射。由于反射波出现的位置与焊缝底角反射波的位置很相近，不易观察，很难确定。我们决定打破常规，采用磁粉探伤法进行检查。检查的结果发现焊缝表面上有条状磁痕显示。为了证实它们是否是开裂缺陷，我们又采用渗透探伤法进行检验。结果证明缺陷的性质是裂纹。我们先后对产品号为DG1120422（1-1台）、DG1120422 （2-2台）、DG110423（1-1台）的，三台等三节盾体的部分环缝进行渗透探伤。发现有的环缝上存在大量的裂纹缺陷，在一条环缝最多存在有20条裂纹。这些裂纹走向大都沿垂直环缝走向，少量与环缝走向平行。（见照片）

说明：中间白色部分为显像剂白色底色，深色为显示缺陷的红色渗透剂。图中深色条状的痕迹即为裂纹缺陷显示。

我们用于磁粉探伤的主要仪器有射阳产的CYE-5000型电磁轭探伤仪和日本产“携带用极间磁粉探伤器N-1BS型号为等。这些仪器体积小，重量轻，操作简单，性能可靠，适用于现场对焊缝的检验。我们用于渗透探伤的主要有DPT-5牌HD型着色渗透探伤剂。便于携带，使用方便，灵敏度高，很适于检查裂纹等缺陷。上述仪器和探伤剂都符合 NB/T 47013标准的要求。（见附录）

具体操作方法也按照NB/T 47013标准中的――磁粉探伤”，“及――渗透探伤”规定进行。

三、几种探伤法的比较

检查对接焊缝内部缺陷时，采用超声波探伤来检验盾体对接焊缝内部的缺陷很有效。但对于上述表面缺陷，就容易产生漏检。其原因之一是用斜角探头检查时，其各种缺陷反射波和焊缝上下焊角反射波很难区分开，并且焊缝所产生的最有危害性缺陷--裂纹，大部分多为横向裂纹，且平行于超声波声束方向，因此很难有缺陷波出现。使超声波对焊缝近表面及表面缺陷的检验具有一定的局限性。

而采用X射线探伤方法对盾体对接焊缝进行检验时，则不管是劳动强度、还是检验成本都要大大提高，单就按每张片长300mm，检查一条焊缝至少需要40张片子。检查一节盾体至少需要2天时间。总之，这种探伤方法操作起来更复杂、工作量更大、检验周期更长、费用也更大。

因此，磁粉探伤方法和渗透探伤方法对检验盾体近表面缺陷与其它检验方法相比较而言，它有很大的优越性，其主要优点有，设备简单，现场操作方便，工作起来安全可靠，并且检验表面缺陷灵敏度高。只要我们检测人员严格按照标准进行探伤，对焊缝的近表面缺陷就不易漏检。

作者简介

超声波的基本原理篇5

关键词：桩检测；超声波投射法；低应变法

引言

在桥梁的运行中，基桩是其整个结构中非常重要的组成部分，基桩的质量是否过关直接关系到整个桥梁的结构安全。目前，各工程单位即监理、设计、建设、施工等各方以及各有关部门对桥梁基桩的质量问题给与了高度的关注。同时，桥梁桩基的施工环境复杂，各工序也有其高度的隐蔽性，因此在施工过程极易出现影响基桩质量的缺陷，因此总体来说，相比于上部建筑结构来说，桩基础工程的质量检测、施工等将更为复杂，其对质量产生威胁的隐患也将更多。

质量检测的主要指标便是桩身完整性检测，目前主要采用低应变反射波法和超声波透射法来进行基桩桩身的完整性检测。

1 超声波投射法与低应变法的基本概念

1.1 超声波投射法

在混凝土灌注桩中预埋声测管，在声测管之间对超声波信号进行接收并发射，对桩身完整性的检测就是通过实测的声学参数即超声波在混凝土介质中传播的波幅衰减、频率、PSD、声时等。该方法适用于检测直径不小于800mm的混凝土灌注桩。

超声波及工程检测频率范围如表1所示。

表1 声波及工程检测频率

1.2 低应变法

低应变法的原理是在桩顶激振即采用低能量稳态或瞬态的激振的方式，对桩顶速度时程曲线做出实测值，对该实测值使用一维波动理论进行频域分析或时域分析，来进行桩身完整性的判定。该方法主要是对桩身的缺陷位置以及影响程度进行判定，进而对桩端欠固状况进行判定，因此比较适用于刚性材料桩如预制桩或混凝土灌注桩等。该方法的关键问题是桩底有明显的反射信号。

2 超声波投射法与低应变法的基本理论

2.1 超声波投射法的基本理论

超声波投射法的基本原理是，在混凝土浇筑前预埋声测管，在桩的两侧分别接收和发射超声波信号，超声波信号在电能被发射探头转变为机械能的情况下穿透混凝土桩，被接收到的超声波再将探头转变成电信号。根据超声波在混凝土中的传播时间在测得混凝土厚度的情况下尽可以算出在整个混凝土结构中超声波的传播速度，进而通过算得的声速来对混凝土的质量进行评判。显然，在检测的过程中，声速越大的越充分说明混凝土的质量越好，越密实，相反，对于松散的混凝土，或者是有离析、裂缝、孔洞等缺陷的混凝土，其声速也就会越低。因此，此方法可以科学的检测混凝土桩身的完整性和质量。不难看出，弹性波的波速与介质特性之间的关系既是超声波投射法对桩基质量进行检测的理论基础。对介质特性的变化可以从实测的波幅、声速等参数中推断出来。

声波在混凝土介质中的传播有如下特点：（1）指向性差，其原因主要有：a.低频声波扩散角大，波长长；b.混凝土内部结构复杂，具有大量的异质界面，会造成多个反射波和折射波，其各个波之间相互叠加和干涉，容易造成严重的漫射声能。（2）快速衰减。骨料在混凝土中的分布比较散漫，散射功率与声波频率的平方成正比，采用低频声波来检测可以增大声波在混凝土中的传播距离。（3）声波的构成比较复杂。在混凝土中的任何一点声场所及的范围内，都存在着一次声波及二次声波。一次声波与二次声波便是换能器所接收的信号。（4）传播路径复杂。声波的传播路径因为截面的折射和反射而曲折。当混凝土的内部结构中存在有较大的缺陷时，声波就不沿直线传播而是沿最短时间的路径传播。

2.2 低应变法的基本理论

低应变法的基本原理就是在桩顶进行激振，同时在桩顶接收速度相应信号，对桩顶的加速度或者是速度响应时程曲线测出其实测值，对桩身的完整性分析即利用假设条件下的一维波动理论。在桩顶使用敲击的方法给与适当的能量，但是其承载能力应该远大于其动荷载，使阻止贯入度的产生，即在只有弹性变形的情况下使桩土之间不产生相对位移。低应变法就是通过分析激励波沿桩身反射和传播的波形来检测桩身的安全。但是由于其结果不准确，误差较大且理论依据不足，不可以用来确定极限承载力。低应变法的仪器设备便于携带、检测快、成本低、监测面积大而且物理数学假设完善、理论模型成熟，因此应用广泛，发展迅速。

3 超声波投射法与低应变法的特征分析

在桩基的质量完整性检测中，超声波投射法与低应变法的主要特征以及对比如表2所示。

表2 超声波投射法与低应变法的主要特征分析

在大多数的情况下，超声波法只有一小部分是检测的盲区，一般会得出比较准确可靠结果，出现漏判的情况是少之又少；低应变法的测量结果是对桩身桩基的阻抗的变化情况，它是大体的反应了对于桩身上有缺陷部位的定性，但对于是缺陷的位置或者是怎样的缺陷均不能够做出精确的判断。

4 超声波投射法与低应变法的对比结果的分析

在适用范围上，相比于超声波法，低应变法更有优势。但由于其在检测的过程中存在一定的判断误差而且检测的精确度较低，对所涉及到的仪器设备也比较复杂且繁多，所以在目前桩的检测中相对于超声波投射法其应用范围还相对较低。但在一些特铁路的群桩中，施工进程中并未埋设声测管，所以低应变法便成为其常用的检测桩质量的方法。

此外，对于超声波法来说，它是科学化与信息化相结合的产物，不仅能够有效地提高我国各应用结构中桩的质量检测的效率的目的，同时也能够很好的体现出我国当前的科技水平。同时，该方法还具有新的检测方法，其具有强大的抗干扰能力，无疑该方法便可成为我国桩基检测中的有利方法。

5 结束语

总的来说，不论是超声波投射法还是低应变法都有其在工程运用中的优越性，并且对于我国的建筑行业的发展和施工进展都是不可或缺的。因此，对于我国相关行业的技术人员来说，其应该对超声波投射法与低应变法的技术优越性、技术原理、应用实例、应用特点等有清晰、全面的了解，以便能够高效的运用到桩基的质量安全检测中。不仅使超声波投射法与低应变法这两种检测方法得到发展，同时桩基的相关技术都能得到积极、健康、稳步的发展。

参考文献

[1]武汉中科智创岩土技术有限公司.基桩动测技术指南[R].中国科学院武汉岩土力学分院，2008.

超声波的基本原理篇6

中图分类号：TE939文献标识码：A文章编号：1003-2738（2011）12-0292-01

摘要：卤水流量的精确计量是保证卤水生产过程安全经济运行、降低消耗、提高效益、实现科学管理的基础。由于采卤泵站震动较大，且有硫化氢气体腐蚀，很难实现卤水在采输过程的精确计量。本文分析了超声波流量计在卤水采输过程中对流量计量的应用，对降低卤水输送成本具有重要意义。

关键词：卤水采输；超声波流量计；计量

一、引言

卤水学名为盐卤，是由海水或盐湖水制盐后残留于盐池内的母液。卤水流量测量是实现卤水采输过程中封闭管道中的导电性液体和浆液中的体积流量。随着工业生产过程的自动化和智能化的提高以及节能降耗和成本核算管理的要求，流量仪表在整个计量仪表中所占的比重越来越高。传统检测流量计都需要将其传感器安装在管内，并要求配置一段安装管，这不但不便于安装，而且会引起流体的压力损失、泄漏等。本文介绍了超声波流量计的工作原理，并在此基础上分析了其在卤水采输测量中的优点。

二、超声波流量计的工作原理和特点

超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表。根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法、多普勒法等。传播速度差法又包括直接时差法、相差法和频差法，其基本原理都是测量超声波脉冲顺水流和逆水流时速度之差来反映流体的流速，从而测出流量；多普勒法的基本原理则是应用声波中的多普勒效应测得顺水流和逆水流的频差来反映流体的流速从而得出流量[1]。

（一）时差法测量原理。

超声在流体中的传波速度受流体流速的影响，超声波在流体中顺流传播时，速度将加快，逆流传播时速度会减小，两个速度的差值越大，表明流体流速越快，反之则慢。时差法测量流体流量的原理如图1所示，在管道的上下游安装两个传感器A和B距离为L，L与水平方向的夹角为 。设静止流体中的声速为 ，流体流动的速度为 ,当超声波传播方向与流体方向一致时。超声波的传播速度为 ；而当超声波传播方向与流体流动方向相反时，超声波的传播速度为 。

图1 时差法测量流体流量原理图

从图1可以看出，探头A向探头B发射超声波信号为顺流方向，其传播时间为： ，反之逆流方向传播的时间为： ，二者时间差为：

（1）

由于静止流体中的声速 远远大于流体流动的速度 ，故 可忽略不计，则有：

（2）

得到的流体流速为： （3）

式（3）中的 、L、 均为常数，所以测得时间差 即可知道流体流量。

（二）多普勒法测量原理。

多普勒法测量原理，是依据声波中的多普勒效应，检测其多普勒频率差。两个换能器对称地装在待测流体管路两侧，发射换能器发射频率为 的超声波信号，经过管道内液体中的悬浮颗粒或气泡后，频率发生偏移，以 的频率反射到接收换能器，这就是多谱勒效应。 与 之差即为多谱勒频移 。多普勒频移正比于流体中颗粒的运动速度，即流体的运动速度，因而只要平均流速与流通截面积相乘即可得体积流量。若颗粒以与流体相同的速度 运动，静止流体中的超声波声速为 ，声波发射方向、反射方向与流体流动方向的夹角分别为 ，则由于颗粒的漫反射而进入接收换能器的超声频率 可表述为：

（4）

当 远远大于 时，（4）式可化为：

（5）

在 的情况下有：

（6）

则可得到多普勒频移 为：

（7）

三、超声波流量计在采输卤水中应用应注意的事项

（一）测量点的选择。

超声波流量计的安装在所有流量计中是最简单便捷的。采用超声波流量计测量采输卤水流量时，只要选择一个合适的测量点、把测量点处的管道参数输入流量计中，然后把探头安装在卤水采输管道上即可。选择测量点要求一定的直管段，要选择流体流场分布均匀的部分，以保证测量数据准确。一般遵循以下原则：1.要选择充满流体的管段，如管路的垂直部分或充满流体的水平管段。2.测量点要选择距上游10倍管径，下游5倍管径以内的均匀直管段．没有任何阀门等干扰。3.充分考虑管道内壁结垢状况，尽量选择无结垢管段测量，实在不能满足，可把结垢考虑为衬里以求较好的测量精度。4.选择管材均匀致密，易于超声波传输的管段。

（二）探头安装方式。

采用超声波流量计对采输卤水管中的流量进行计量时，合理的探头安装方式对提高流量计量精确度至关重要。超声波流量计一般有两种探头安装方式，即Z法和V法。一般在小管径时 (管径100-300mm)可先选用V法；V法测不到信号 或信号质量差时则选用Z法。管径在300mm以上或测量铸铁管时应优先选用Z法。V法一般情况下是标准的安装方法，使用方便，测量准确。可测管径范围为25mm至大约400mm。安装探头时，注意两探头水平对齐，其中心线与管道轴线水平一线。当管道很粗或由于液体中存在悬浮物、管内壁结垢太厚或衬里太厚，造成V法安装信号弱时，要选用Z法安装[2]。

（三）检查安装。

检查“安装”是指检查超声波流量计探头安装在采输卤水管的位置和方式是否合适，是否能够接受到正确的、足够强的、可以使主机正常工作的超声波信号。安装的好坏直接关系到卤水流量值的准确和机器长时间的可靠运行，主要通过主机检查两个参数：信号强度、信号质量。信号强度是指上下游两个方向上接收信号的强度。信号强度越大，测量值越稳定可信，越能长时间可靠的运行。信号强度与探头的安装位置调整、安装间距、管道情况有关。

（四）超声波流量计在采输卤水应用中常见问题及解决方案。

由于卤水输送过程中卤水中掺杂的介质较多时，这将导致超声波流量计探头使用一段时间后会出现不定期的报警，这种问题在实际运用中会较常见。解决办法：定期清理探头(建议一年清理一次)。其次超声波流量计输送的卤水中含有水等液体杂质，流量计引压管容易产生积液，气温较低时会出现引压管冻堵现象，尤其在北方地区冬季较常见。解决办法：对引压管进行吹扫或加电伴热。

四、结束语

卤水的特性限制着卤水在采输过程的精确计量，超声波测流计以其测量精度高、实时性好，同时适于解决流量测量困难问题的一类流量计，特别在大口径流量测量方面有较突出的优点，超声波测流计在测量采输卤水中的流量应用越来越得到重视。随着国家对卤水需求量的增大和超声波测流技术普及和成本的降低，超声波测流计将很快成为卤水采输过程中主要测流手段而得到广泛的应用。

参考文献：

[1]廖志敏,熊珊. 超声波流量计的研究和应用[J]. 管道技术与设备,2004,(4).12-14.

超声波的基本原理篇7

【关键词】超声波；扫描；声阻抗

一、声阻抗

声波是纵波，当它在媒质中传播的时候，媒质的密度将作周期性的变化。这种情况自然会引起压强的变化。以空气为例，如果没有声波在其中传播时，各处的压强为大气压强P0，当有声波在其中传播时，每点的压强将会在半个周期内比P0高，在另外半个周期内比P0低。对纯音来说，压强的变化是正弦式的。压强的瞬时值与平均压强P0之差叫声压。计算结果表明，声压的幅值P由以下公式确定：P=Aωρc（其中A表示振幅，ω表示振动的角频率，ρ表示媒质的密度，c表示声波在该媒质中的速度）。又因为媒质质点振动速度的幅值是：V=Aω。两式相除得：■=ρc=Z。Z称为媒质的声阻抗。（这个名词是从电阻抗里借用过来的，在电学中，交流电压与它所产生电流之比叫电阻抗；在声学中，媒质中的声压与质点速度之比叫声阻抗）。声阻抗是说明媒质的声学性质的一个重要物理量。它的大小取决于媒质密度与声速，而声速在一定温度下仅与媒质性质有关，可见声阻抗是由媒质决定的。

二、声波的反射与折射

声波像光波一样，行进到两种媒质的分界面上，会发生反射与折射现象。部分声波返回原媒质传播，称为声波的反射，反射波也称回波。另一部分声波，进入第二种媒质，改变行进方向继续传播，称为折射，折射波也称透射波。声波的反射与折射遵守光的反射与折射定律。反射波的强度Ir与入射波的强度Ii之比决定于两媒质的声阻抗差：。式中ρ1c1和ρ2c2分别代表入射媒质与反射媒质的声阻抗。当界面两侧媒质的声阻抗接近时，ρ1c1≈ρ2c2，则反射波极弱，声波几乎全部透射。当界面两侧声阻抗值悬殊时，ρ1c1﹤﹤ρ2c2或ρ1c1﹥﹥ρ2c2，则声波几乎全部反射。例如，超声波由空气垂直入射人体，空气声阻抗为415kg/s·m2，而肌肉的声阻抗为1.63×106kg/s·m2，两个数值相差几千倍，代入上式，可算出反射波的强度Ir与入射波的强度Ii之比为99.9%。计算结果表明，声波很难从空气进入人体。同样，声波也很难从人体透出进入空气。因此，利用超声波探查人体时，发射超声波的探头与人体表面之间，要涂油或液体石蜡等导声耦合剂。涂抹液体用来消除探头与人体之间的空气夹层，避免超声波在空气与人体的界面上发生强烈的反射。例如，超声波由篦麻油垂直入射人体，篦麻油的声阻抗为1.36×106kg/s·m2，此值与人体肌肉的声阻抗比较接近，可算出反射波的强度Ir与入射波的强度Ii之比为1.8%，反射小，大量超声波透入体内，实践证明，即使反射的强度只有原来强度的万分之一，由于超声波的强度一般很高，反射波仍然可以被测出来。这也是超声波的一个很有用的特点。

三、超声扫描

在医疗诊断中已经普遍采用超声波来探测人体内部的情况，所用的仪器叫做超声扫描仪。这类仪器的基本原理是利用超声波在人体内遇到密度不同的组织的界面时（即声阻抗不同时），部分能量被反射回来，形成回波，根据回波出现的时间间隔，就可以知道不同组织间的距离。从而诊断体内状况。超声扫描仪分为A型、B型、M型、C型等多种类型，简称A超、B超、M超、C超等。它们的基本原理相同，只是工作方式有差别。最简单的超声扫描仪是A型扫描仪。它用一个压电晶体（俗称探头）兼作超声波发射器和回波探测器。所用的超声频率为兆赫级。超声波以脉冲的形式发出，每个脉冲只包含几次振动，在两个脉冲之间，探头起到探测器的作用。超声脉冲进入人体后在不同组织的交界面上（即声阻抗不同的地方）产生回波。回波被探头接收后，经过适当处理（例如放大）后显示在示波器的荧光屏上。A型扫描仪提供的是体内器官的一维信息。荧光屏给出的只是在某一方向上器官分界面的位置和回波的强度，但不能显示整个器官的形状。为了克服这一缺点，B型超声扫描仪采用移动的探头，并使回波的强度不再控制光点的Y轴位移，而只控制光点的亮度。这样当探头在某一方向扫描时，荧光屏上出现的回波就不是一个有高度的尖峰，而是一个亮点。所得的亮点就可以组成人体某一剖面的二维图象。如果人体内有病变组织，则它的声阻抗与其周围组织的声阻抗不同，于是在荧光屏上就可以清晰看出病变的位置及大小。

超声波扫描技术近年来发展很快，成象质量不断提高，与X射线相比，超声波比较安全，对软组织的分辨力也较高。作为一种辅助诊断手段，超声波扫描常用于头颅、胎儿、眼球、肝脏、脾脏等部位的探查。

参 考 文 献

超声波的基本原理篇8

1研究背景

油田采出水中含高达1000-2000mg/L的油，8×104～14×104mg/L的矿化度，大量的悬浮固体颗粒（主要是粘土颗粒、砂粒、粉砂等10-100μm的小粒径物质），细菌，胶体,重金属等其他物质；水温通常在40-80℃，且易受酸碱影响而改变PH值，处理难度较大，直接排放会对环境造成影响。目前在原油开采过程中，需注入大量的清水到储油层。如对采出水进行处理并用于回注则可以减少用水量，带来一定的经济效益，减少对环境的危害。

2超滤超声技术在油田废水处理中的应用

2.1膜技术的优势及超滤的基本原理与传统水处理工艺相比，由于膜技术具有高效，用药量少、操作简单、运行维护费用低且不产生副产品等优势而被广泛应用。当含有大、小分子两类溶质的溶液流过膜表面时，溶剂和小分子溶质将透过膜，作为滤出液被收集起来而大分子溶质（如有机胶体等）则作为浓缩液被膜截留下来。在我国用超滤处理油田采出水已获得了较好的效果并可满足回注水的基本要求。

2.2超声波清洗的基本原理超声波是一种频率高达2000赫兹的声波，研究中发现对液体使用足够强的声波可以使其出现空化现象。同时超声波在传播中如遇不同的介质会产生速度差，从而在不同界面上产生剪切力将界面间的附着物剥离，实现动态化清理。另外，超声波不受污染物颗粒大小的影响，从而保证了清洗的效果，同时在运行中可以对频率进行调控，安全可靠，清洗速度较快。

2.3超滤膜结合超声波等工艺的流程设计对于图中的传统工艺我们不再做说明，只对其中的超滤超声系统做简单的介绍。1）超滤膜-超声波组合系统主要是用超声波发生器产生的超声波作为清理超滤膜组件的主要措施，以此简化膜组件，减少冲洗程序。用超声波的空化效果、振动效果对污染物进行清理，同时也可起到杀菌作用，这样可以增强超滤膜的处理效率，延长其使用寿命。2）膜材料的选择在应用中需对采出水的水质进行分析，利用试验确定不同条件下何种膜材料对工艺的适应性强。目前采用纳米A1203改性聚偏氟乙烯超滤膜进行研究的较多。3）超声波装置及超声强度的设定利用不同的换能器可以组合成不同的超声波化学反应器，通常可用的有非变幅辐射式超声波化学反应器或者变幅辐射式超声化学反应器、管道式生化反应器等。在具体的应用中可以采用探头式与管道式反应器结合的方式，以此适应采出水处理的工艺需求。研究发现，超声波频率与空化阈值关系密切，频率越高则阈值越大增加也越快，15KHz时的空化阈值为0.5-2.0atm，可见超声波频率是影响气泡运动的关键。当超声波频率小于气泡谐振时气泡才能消除；当频率超过气泡谐振时气泡出现复杂振动效果，而不消除，因此选择低频率（200KHz）超声波有利于空化的效果。超声波的强度大于液体本身空化阈值时才会产生空化，强度越大则越容易产生空化，在液体中产生的清洁作用也越好。超声强度取决于超声的功率和超声覆盖面积，而这主要取决与换能器的形式与材料，因此在使用中应对其进行试验分析，作出准确选择。

3结束语