1超聲波的概念和原理

1.1超聲波的概念

所謂超聲波是人類聽(tīng)不見(jiàn)的機(jī)械波，其聲波超過(guò)20kHz。在現(xiàn)階段的超聲波計(jì)分析中，主要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)超聲波檢查、通信程。由于超聲波具有特殊的穿透性、指向性功能，可以通過(guò)能量的集中降低對(duì)周圍環(huán)境的影響，因此，該種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)隔空透視的目的，為行業(yè)的發(fā)展提供支持。在超聲波檢測(cè)中，各聲頻的使用范圍存在一定差異。

1.2超聲波檢測(cè)原理

通過(guò)對(duì)超聲波檢測(cè)方法的分析，將其應(yīng)用于水利工程質(zhì)量檢測(cè)，可以提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。在超聲波檢查中，超聲波在混凝土中遇到缺陷，反射和折射的方法會(huì)改變傳播的波形，通過(guò)這個(gè)原理的運(yùn)用，可以檢測(cè)出水利工程中混凝土的密度和結(jié)構(gòu)狀態(tài)等。在超聲波的具體檢查過(guò)程中，超聲波結(jié)合混凝土彈性模量的特征和強(qiáng)度，建立聲速傳播途徑，在評(píng)價(jià)混凝土強(qiáng)度的檢查中遇到缺陷混凝土?xí)r，發(fā)出的聲速值低于正常值2。

1.3超聲波的傳播特征

在水利工程項(xiàng)目施工中，混凝土作為復(fù)雜的混合材料，其內(nèi)部存在分布復(fù)雜的現(xiàn)象，因此在混凝土的檢查中，超聲波的傳播特征如下:第一，在水利工程中，混凝土內(nèi)部存在的界面抵抗性比較大，而且超聲波在混凝土內(nèi)部傳播時(shí)，采用高頻率的聲波，在混凝土的表面出現(xiàn)明顯的傳播現(xiàn)象第二，水利工程中混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢測(cè)中界面折射現(xiàn)象發(fā)生，聲波和折射波重疊，漫射現(xiàn)象發(fā)生，超聲波在混凝土內(nèi)部發(fā)生指向性和差異問(wèn)題。第三，在超聲波脈沖法的使用中，在混凝土強(qiáng)度的檢查中，通過(guò)超聲波原理的運(yùn)用，可以提高超聲波的接收效果，而且在超聲波檢查中，通過(guò)不同的傳播途徑、位置的重疊等，得到的超聲波波形變復(fù)雜3。

2影響超聲波質(zhì)量檢測(cè)的相關(guān)因素

2.1設(shè)備因素

將超聲波應(yīng)用于水利工程檢測(cè)，設(shè)備影響因素的發(fā)生影響水利工程質(zhì)量檢測(cè)的準(zhǔn)確性。通常情況下，水利工程中影響超聲檢測(cè)結(jié)果的設(shè)備因素體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，超聲音速度的影響。在超聲波檢查的過(guò)程中，系統(tǒng)的探針和被檢查的結(jié)構(gòu)呈相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在混凝土檢查的過(guò)程中，清掃過(guò)程不僅要滿足超聲波的攝取方向，還要保證混凝土檢查區(qū)域有足夠的聲音。聲束入射過(guò)程中，垂直狀態(tài)是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土內(nèi)部缺陷的判斷，保證水利工程檢查的合理性，整個(gè)檢查過(guò)程的速度不能過(guò)快，提高設(shè)備使用的整體價(jià)值。第二，在選擇探頭頻率的過(guò)程中，通過(guò)使用超聲波可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)檢查過(guò)程中的最小缺陷，在保證超聲波穿透力檢查的同時(shí)，選擇頻率高、發(fā)射功率大的探頭，充分滿足超聲波檢查的需求4。

2.2耦合因素

在水利工程的超聲波檢查中，檢查的表現(xiàn)完全處于不規(guī)則狀態(tài)，檢查探針無(wú)法適應(yīng)的現(xiàn)象，如果無(wú)法及時(shí)解決，會(huì)影響檢查的整體效率。因此，為了提高檢查的整體效果，消除檢查中的間隙，應(yīng)使用耦合劑提高檢查的整體效率。在水利工程質(zhì)量檢測(cè)中，甘油、水玻璃、合成油等作為耦合劑的材料很多。應(yīng)注意的是，在使用耦合劑的過(guò)程中，耦合層的厚度越薄，對(duì)檢查的影響越小，為了保證檢查的正確性，必須研磨檢查物的表面，避免超聲波檢查中檢查結(jié)果不合理的現(xiàn)象5。

2.3環(huán)境因素

通過(guò)對(duì)水利工程超聲波檢測(cè)情況的分析，環(huán)境因素的出現(xiàn)是影響超聲波檢測(cè)結(jié)果的重要內(nèi)容，在整個(gè)檢測(cè)過(guò)程中，如果檢測(cè)環(huán)境溫度過(guò)高或過(guò)低，則檢測(cè)結(jié)果會(huì)發(fā)生微小差異的變化。在超聲波檢查過(guò)程中，檢查結(jié)果受環(huán)境影響，嚴(yán)重會(huì)給水利工程相關(guān)設(shè)備帶來(lái)化學(xué)反應(yīng)和物理反應(yīng)變化，最終無(wú)法檢查。

2.4人為因素

超聲波檢查的手段和方法很多，檢查員分析波形判斷被檢查的物品，其正確性人為因素占50%左右，檢查員需要長(zhǎng)期的專業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。因此，為了提高檢查的準(zhǔn)確性，專業(yè)檢查員的技能訓(xùn)練和長(zhǎng)期實(shí)踐訓(xùn)練也是必不可少的。

3在水利工程質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

3.1金屬結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的應(yīng)用

由于超聲波設(shè)備輕便，便于攜帶，對(duì)人體無(wú)傷害，安全性高，常用于水利工程金屬結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢測(cè)。由于金屬結(jié)構(gòu)工程中設(shè)備差異化大，焊接種類多，焊接結(jié)構(gòu)和尺寸大小有差異，因此焊接受環(huán)境和外部因素的影響，不能科學(xué)檢查處理，影響焊接連接的有效性，影響水利工程的整體質(zhì)量。通過(guò)超聲波檢測(cè)方法的運(yùn)用，在鋼焊接檢測(cè)過(guò)程中，根據(jù)焊接尺寸、材料聲阻、部位、厚度等，可以用不同角度的換能器、聲速、頻率、幅度值和波長(zhǎng)等手段分析，提高焊接檢測(cè)的整體質(zhì)量。在水利工程項(xiàng)目中，一些灌區(qū)管路、水電站、調(diào)水工程中壓力管路運(yùn)用鋼質(zhì)材料，長(zhǎng)期性運(yùn)用中，會(huì)遭受自然環(huán)境的侵蝕，管壁的有效厚度會(huì)隨著銹蝕的深度慢慢減少，影響運(yùn)作安全。此時(shí)使用超聲法檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來(lái)，可以無(wú)損害地測(cè)量鋼管蝕余厚度，為水利工程運(yùn)行安全提供可靠保障。

3.2混凝土工程檢測(cè)中的應(yīng)用

超聲法檢測(cè)在水利工程質(zhì)量上得到了廣泛的應(yīng)用，結(jié)合混凝土建筑物的特點(diǎn)和檢測(cè)對(duì)象，可使用超聲脈沖波法進(jìn)行檢測(cè);對(duì)混凝土內(nèi)部裂縫長(zhǎng)度、深度可使用斜測(cè)法、鉆孔法來(lái)開(kāi)展檢測(cè)。在使用鉆孔法檢測(cè)時(shí)，要據(jù)換能器的尺寸在混凝土裂縫周圍按一定的距離鉆A、B、C等小孔，在孔中加入水作為換能器與混凝土的耦合劑，沉入探頭進(jìn)行檢測(cè)(見(jiàn)圖1、圖2)。需要注意的是，采用斜測(cè)法時(shí)，由于混凝土中存在小砂礫，這些小砂礫夾雜在裂縫中，只采用單面斜測(cè)法檢測(cè)裂縫深度，發(fā)射的超聲波的一部分通過(guò)砂礫和裂縫，另一部分繞過(guò)未通過(guò)的裂縫達(dá)到接收器

采用雙面斜測(cè)定方法，可直接平面斜測(cè)定裂縫，檢定過(guò)程更直接、更準(zhǔn)確。因此，在水利工程施工中，為了保證裂縫檢測(cè)的整體質(zhì)量，應(yīng)使用超聲波法進(jìn)行合理的檢測(cè)，提高水利工程質(zhì)量檢測(cè)的整體價(jià)值6。這種檢測(cè)技術(shù)可以更直觀地檢測(cè)混凝土缺陷問(wèn)題。但是，該技術(shù)的使用存在困難的問(wèn)題，技術(shù)的研究空間也需要加強(qiáng)7。

3.3機(jī)械電氣檢測(cè)中的應(yīng)用

泵站、水電站、排水站等水利工程的流量和流速可以用超聲波法檢測(cè)。由于超聲波設(shè)備具有便攜性和安全性的特點(diǎn)，安裝簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便，測(cè)量快速準(zhǔn)確。在渠道、輸水管道特別是大型渠道、大口徑管道的流量、流速的測(cè)量中，超聲波檢測(cè)法的優(yōu)勢(shì)得到了很大的體現(xiàn)。其主要優(yōu)點(diǎn)如下:一是無(wú)需安裝大量槳速計(jì)，提高了檢測(cè)的經(jīng)濟(jì)性。二是不需要連接和鋪設(shè)大量的測(cè)量電纜，不會(huì)造成過(guò)多的信號(hào)損失，提高了經(jīng)濟(jì)性、可靠性和準(zhǔn)確性。三是大型測(cè)量框架不需要制作和安裝，降低了測(cè)量中設(shè)備的運(yùn)輸、安裝、拆卸和調(diào)試難度，大大降低了測(cè)量人員的安全風(fēng)險(xiǎn)，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，大大提高了經(jīng)濟(jì)性。四是實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)，無(wú)需在相應(yīng)的管道開(kāi)孔和渠道內(nèi)大規(guī)模施工，無(wú)需進(jìn)入管道內(nèi)架設(shè)流速計(jì)，大幅度降低設(shè)備和人身安全風(fēng)險(xiǎn)。使用超聲波法檢測(cè)渠道流量時(shí)，應(yīng)注意上下游兩側(cè)換能器對(duì)應(yīng)的聲路和水流方向的夾角在45°~60°范圍內(nèi)，提高精度的設(shè)置時(shí)最好輔助經(jīng)緯儀的測(cè)量。

測(cè)量段路線底部平整，無(wú)大型石塊、水草等阻礙聲波收發(fā)的障礙物。安裝渠道底部換能器時(shí)，請(qǐng)保持一點(diǎn)距離，以免聲波從渠道底部傳播。可根據(jù)渠道內(nèi)水面高度，調(diào)整換能器探針的間隔，在流態(tài)變化的地方縮小間隔，保證測(cè)定流速的正確性。通過(guò)擴(kuò)展多通道實(shí)現(xiàn)多層測(cè)量，提高測(cè)量精度。實(shí)施管道流速、流量檢測(cè)時(shí)，可根據(jù)管道尺寸計(jì)算兩個(gè)或兩個(gè)換能器的角度和尺寸，無(wú)需拆卸管道，只需將換能器鉗安裝在管道兩側(cè)即可實(shí)現(xiàn)流速、流量的測(cè)量。需要注意的是，換能器的安裝位置、管內(nèi)介質(zhì)的氣泡含量、換能器鉗的尺寸和角度等對(duì)超聲波法檢測(cè)的精度有很大影響。因此，為提高檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，檢測(cè)時(shí)管道內(nèi)必須充滿介質(zhì)，測(cè)量宜在直管段進(jìn)行。為防止擾流和氣泡，選取上游直管段為10倍以上管徑，下游為3倍以上管徑的部位進(jìn)行;最好采用雙測(cè)量面的雙聲路法消除測(cè)量誤差;鉗裝換能器聲路與管道中心線的夾角應(yīng)在45°～75°之間。對(duì)渠道及輸水管道可采取如下所示方法進(jìn)行安裝和施測(cè)(見(jiàn)圖3、圖4)

4結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)前水利事業(yè)發(fā)展的背景下，為逐漸提升水利工程質(zhì)量，水利工程項(xiàng)目檢測(cè)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到超聲檢測(cè)法的先進(jìn)性，并掌握它的使用技術(shù)。通過(guò)檢測(cè)技術(shù)的運(yùn)用和分析，選擇目標(biāo)、適當(dāng)?shù)臋z測(cè)方法，有效提高水利工程質(zhì)量檢測(cè)過(guò)程中的便利性和準(zhǔn)確性，提高水利工程項(xiàng)目檢測(cè)的有效性，推進(jìn)水利行業(yè)工程質(zhì)量的穩(wěn)步提高，滿足現(xiàn)代水利行業(yè)穩(wěn)步發(fā)展的需求。