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摘 要：本文对水利水电工程混凝土质量声波检测技术进行讨论，重点介绍声波检测混凝土质量的基本方法和技术原理，为广大水利水电施工技术人员提供理论参考。
关键词：水利水电；混凝土质量；声波检测技术
1、声波检测混凝土质量的基本方法及技术原理
声波在均匀介质中传播其声波衰减很少。应用声波检测混凝土质量即是利用此原理来研究混凝土结构的形态。目前，较为成功的声波检测方法有透射法（也称穿透法）和反射法。下面将具体介绍声波检测混凝土质量各种方法的特点和使用范围。
（1）透射法（穿透法）。
透射法是一种简单而有效的检测方法，主要用作混凝土结构的完整性检测。本方法的主要优点是准确度高，可定量分析混凝土结构的缺陷和判定缺陷所处位置。而缺点是需要提前埋设声测管，成本增加且造成施工不便，现场的检测效率也不高。
透射法主要利用三种设备或仪器，即声波发射器、接收换能器和声波检测仪。通常，要求声波发射器和接收换能器要满足以下几点要求：
a. 柱状径向振动，且沿径向具有无指向性；
b. 外径不大于声测管的内径，有效工作面的轴向边长小于150mm；
c. 谐振频率不宜超过60 kHz；
d. 在不小于1MPa水压条件下该设备不发生渗水现象，水密性保持良好。
声波检测仪需满足一下几点要求：
a. 功能齐全。拥有即时显示和记录时程曲线或频谱分析等功能；
b. 该检测仪最小的采样间隔不大于0.5μs，频带宽度宜为1kHz～200kHz，控制测量声波幅值的相对误差不大于5%，最大的动态范围应该至少为100 Db。
c. 声波发射的脉冲应为阶跃或矩形脉冲，电压幅值在200V～1000V范围以内。
根据声波换能器通道不同的布置形式可将声波透射法分为三种，即体内单孔透射法、体外孔透射法和体内跨孔透射法。
a.体内单孔透射法。特殊情况下，水利水电工程某个混凝土构件如只有单孔可供质量检测，在完成钻孔取芯后，同时了解芯样周边混凝土的质量，以作为钻芯检测的辅助手段，这种情况即可采用体内单孔检测。这时候换能器被放在孔内，并以隔声材料（或配置具备一发多收的换能器）进行隔离处理。声波从发射器、换能器经过耦合水进入到孔壁混凝土的表层，沿着混凝土表层滑行，再经过耦合水分别到达两组接收换能器内，从而得到声波沿着孔壁混凝土传送的诸项声学指标及参数。这里值得强调的是，应用此法进行混凝土质量检测时，需充分利用信号分析技术来排除管内的干扰因素，尤其是孔道外层包裹钢制套管有可能会因为钢管影响声波在孔壁混凝土中的绕行现象，因此不可应用。
b.体外孔投射法。当水利水电工程混凝土构件在施工过程中未预留换能器通道，可以在体外紧邻构件的土层中钻孔并作为检测的通道。在检测过程中，混凝土构件的顶面可安置一台功率较大的发射换能器，接收换能器则从体外自上而下依次放入，声波沿着构件表层的混凝土依次向下传送，同时穿过构件与孔之间的土体，经过孔内的耦合水可进入到接收换能器，逐步检测出投射声波的诸项声学参数，按照信号变化可大致判断构件的混凝土质量。
c.体内跨孔透射法。本方法较为可靠，是声波透射法检测水利水电工程混凝土构件最为主要的形式。它需要在构件内预埋两组或两组以上声测导管，在声测导管内注水，同时将发射换能器和接收换能器分别放置在两组导管内。检测过程中声波发射换能器发出声波穿过两组导管之间的混凝土，然后由接收换能器实现接收，实际有效的检测范围是声波脉冲从发射换能器到接收换能器经过的所有面积。按照不同情况采取一种或集中不同的检测方法来采集诸项声学指标及参数。同时，按照波形变化判定混凝土构件的质量。体内跨孔透射法按照发射换能器和接收换能器相对高程的变化也可分为平测、斜测和交叉斜测等多个方式，在实际检测活动中可根据现场条件灵活选择。
（2）反射波（回波）法。
发射波法，也称回波法。它是一种基于一维应力波以截面波阻抗Z=ρCA为指标（其中，ρ为材料的密度，C为声波速率，A为截面积）来描述和判定混凝土质量。当应力波沿着混凝土构件传送时，如遇波阻变化截面会产生反射现象和投射现象，反射的相位和幅值的大小都由波阻抗的变化来决定。波阻抗减小，混凝土离析、夹泥或颈缩，声波发生同相反射；波阻抗增大，声波发生反相发射，波阻抗变化越大则说明发射波的幅值越大，由发射波的发射时间可推算出混凝土构件内声波传送的平均速度，由缺陷反射信号波的时间即可确定缺陷所处的具体位置。
按照声波的测波情况可推断混凝土构件存在缺陷的位置，同时也可根据发射波信号预估混凝土基底持力层和沉渣情况，反射波检测现场的操作也更为便捷，所投入的成本也会很少。但是，反射波作为反演手段不可能做到直接反映混凝土质量情况，存在一定的不确定性，而作为描述混凝土质量情况和影响声波传送的重要指标波阻抗Z，它在很大程度上也会受到混凝土构件截面尺寸和材质特性的影响，因此反射波发不能准确识别如颈缩、夹泥和离析等问题。波阻抗是截面评价参数对于截面以上局部的小缺陷问题难以准确反应，波阻抗突变截面相对于应力波来说放映比较显著，而对于波阻抗的渐变则反映不够明显，波阻抗突然变小（变大）或还原的情况也容易出现判定结果错误的情况。
在我国，大部分检测机构采用反射法（瞬态时域分析法）来检测混凝土结构的完整性，究其原因就在于该方法利用的设备和仪器比较简单，现场施测十分快捷，同时结合激励手段和频域分析法作为检测和辅助分析手段。当然，低应变法检测不管缺陷是哪种类型，它的综合表现都是阻抗变小，且对于缺陷性质分析不明，这也是反射法应用的一个最主要的局限性。
声波于混凝土构件的内部传播，混凝土是否均匀或界面是否破碎等波阻抗不同引起反射波。如波阻抗面距波形振动的延续面较小时，它会产生两种波形振动带挈相互叠加，反射波分辨率最好的位置是发射换能器附近；如发射换能器和接收换能器的距离过大，浅层的反射波振动带也会带来严重的干扰反射波，主要干扰下层工作区，这时候声波型图比较复杂且无法清楚分辨。因此，在应用反射法时需注意如下几点要求：
a.接收换能器需紧邻靠近发射换能器，因声波在这时候具有稳定强度和一致的波形，反射波极容易被追踪。
b.发射换能器附近的临测区，反射波法可以清楚分辨出界面相近的反射波。
c.检测点距离发射换能器不远的时候，反射波信号在发送方向上的形态与反射面法线近似一致。因此，混凝土构件的的中间界面折射影响大大降低，这样一来，可提高对于波形的认识和解释精度。
a.接收探头应尽量靠近发射探头，因为这时波具有稳定的强度和一致的波形，这使得反射波容易追踪。
2、结束语
综上所述，在水利水电工程混凝土质量检测方面，施工单位应不断加强质量检测的管理力度和增强对混凝土施工质量控制的重视程度，强化相应质量检测方法的创新，并认真执行国家法规及规范，在法律允许的范围之内不断提升工程质量检测水平，确保质检工作的科学性、准确性和权威性，保障水利水电工程质量的可靠性。
参考文献
[1] 王宝林；超声法检测桥梁墩柱混凝土质量[J]；天津市政工程；2011，（02）.
[2] 张宏，鲍树峰，马晔；基于声波透射法的大直径超长桩的完整性分析[J]；路基工程；2012，（12）.
[3] 马恒春，靳国礼，刘洋；声波透射法在混凝土灌注桩桩身完整性检测中的应用[J]；价值工程；2011，（28）.
关键词：水利水电；混凝土质量；声波检测技术
1、声波检测混凝土质量的基本方法及技术原理
声波在均匀介质中传播其声波衰减很少。应用声波检测混凝土质量即是利用此原理来研究混凝土结构的形态。目前，较为成功的声波检测方法有透射法（也称穿透法）和反射法。下面将具体介绍声波检测混凝土质量各种方法的特点和使用范围。
（1）透射法（穿透法）。
透射法是一种简单而有效的检测方法，主要用作混凝土结构的完整性检测。本方法的主要优点是准确度高，可定量分析混凝土结构的缺陷和判定缺陷所处位置。而缺点是需要提前埋设声测管，成本增加且造成施工不便，现场的检测效率也不高。
透射法主要利用三种设备或仪器，即声波发射器、接收换能器和声波检测仪。通常，要求声波发射器和接收换能器要满足以下几点要求：
a. 柱状径向振动，且沿径向具有无指向性；
b. 外径不大于声测管的内径，有效工作面的轴向边长小于150mm；
c. 谐振频率不宜超过60 kHz；
d. 在不小于1MPa水压条件下该设备不发生渗水现象，水密性保持良好。
声波检测仪需满足一下几点要求：
a. 功能齐全。拥有即时显示和记录时程曲线或频谱分析等功能；
b. 该检测仪最小的采样间隔不大于0.5μs，频带宽度宜为1kHz～200kHz，控制测量声波幅值的相对误差不大于5%，最大的动态范围应该至少为100 Db。
c. 声波发射的脉冲应为阶跃或矩形脉冲，电压幅值在200V～1000V范围以内。
根据声波换能器通道不同的布置形式可将声波透射法分为三种，即体内单孔透射法、体外孔透射法和体内跨孔透射法。
a.体内单孔透射法。特殊情况下，水利水电工程某个混凝土构件如只有单孔可供质量检测，在完成钻孔取芯后，同时了解芯样周边混凝土的质量，以作为钻芯检测的辅助手段，这种情况即可采用体内单孔检测。这时候换能器被放在孔内，并以隔声材料（或配置具备一发多收的换能器）进行隔离处理。声波从发射器、换能器经过耦合水进入到孔壁混凝土的表层，沿着混凝土表层滑行，再经过耦合水分别到达两组接收换能器内，从而得到声波沿着孔壁混凝土传送的诸项声学指标及参数。这里值得强调的是，应用此法进行混凝土质量检测时，需充分利用信号分析技术来排除管内的干扰因素，尤其是孔道外层包裹钢制套管有可能会因为钢管影响声波在孔壁混凝土中的绕行现象，因此不可应用。
b.体外孔投射法。当水利水电工程混凝土构件在施工过程中未预留换能器通道，可以在体外紧邻构件的土层中钻孔并作为检测的通道。在检测过程中，混凝土构件的顶面可安置一台功率较大的发射换能器，接收换能器则从体外自上而下依次放入，声波沿着构件表层的混凝土依次向下传送，同时穿过构件与孔之间的土体，经过孔内的耦合水可进入到接收换能器，逐步检测出投射声波的诸项声学参数，按照信号变化可大致判断构件的混凝土质量。
c.体内跨孔透射法。本方法较为可靠，是声波透射法检测水利水电工程混凝土构件最为主要的形式。它需要在构件内预埋两组或两组以上声测导管，在声测导管内注水，同时将发射换能器和接收换能器分别放置在两组导管内。检测过程中声波发射换能器发出声波穿过两组导管之间的混凝土，然后由接收换能器实现接收，实际有效的检测范围是声波脉冲从发射换能器到接收换能器经过的所有面积。按照不同情况采取一种或集中不同的检测方法来采集诸项声学指标及参数。同时，按照波形变化判定混凝土构件的质量。体内跨孔透射法按照发射换能器和接收换能器相对高程的变化也可分为平测、斜测和交叉斜测等多个方式，在实际检测活动中可根据现场条件灵活选择。
（2）反射波（回波）法。
发射波法，也称回波法。它是一种基于一维应力波以截面波阻抗Z=ρCA为指标（其中，ρ为材料的密度，C为声波速率，A为截面积）来描述和判定混凝土质量。当应力波沿着混凝土构件传送时，如遇波阻变化截面会产生反射现象和投射现象，反射的相位和幅值的大小都由波阻抗的变化来决定。波阻抗减小，混凝土离析、夹泥或颈缩，声波发生同相反射；波阻抗增大，声波发生反相发射，波阻抗变化越大则说明发射波的幅值越大，由发射波的发射时间可推算出混凝土构件内声波传送的平均速度，由缺陷反射信号波的时间即可确定缺陷所处的具体位置。
按照声波的测波情况可推断混凝土构件存在缺陷的位置，同时也可根据发射波信号预估混凝土基底持力层和沉渣情况，反射波检测现场的操作也更为便捷，所投入的成本也会很少。但是，反射波作为反演手段不可能做到直接反映混凝土质量情况，存在一定的不确定性，而作为描述混凝土质量情况和影响声波传送的重要指标波阻抗Z，它在很大程度上也会受到混凝土构件截面尺寸和材质特性的影响，因此反射波发不能准确识别如颈缩、夹泥和离析等问题。波阻抗是截面评价参数对于截面以上局部的小缺陷问题难以准确反应，波阻抗突变截面相对于应力波来说放映比较显著，而对于波阻抗的渐变则反映不够明显，波阻抗突然变小（变大）或还原的情况也容易出现判定结果错误的情况。
在我国，大部分检测机构采用反射法（瞬态时域分析法）来检测混凝土结构的完整性，究其原因就在于该方法利用的设备和仪器比较简单，现场施测十分快捷，同时结合激励手段和频域分析法作为检测和辅助分析手段。当然，低应变法检测不管缺陷是哪种类型，它的综合表现都是阻抗变小，且对于缺陷性质分析不明，这也是反射法应用的一个最主要的局限性。
声波于混凝土构件的内部传播，混凝土是否均匀或界面是否破碎等波阻抗不同引起反射波。如波阻抗面距波形振动的延续面较小时，它会产生两种波形振动带挈相互叠加，反射波分辨率最好的位置是发射换能器附近；如发射换能器和接收换能器的距离过大，浅层的反射波振动带也会带来严重的干扰反射波，主要干扰下层工作区，这时候声波型图比较复杂且无法清楚分辨。因此，在应用反射法时需注意如下几点要求：
a.接收换能器需紧邻靠近发射换能器，因声波在这时候具有稳定强度和一致的波形，反射波极容易被追踪。
b.发射换能器附近的临测区，反射波法可以清楚分辨出界面相近的反射波。
c.检测点距离发射换能器不远的时候，反射波信号在发送方向上的形态与反射面法线近似一致。因此，混凝土构件的的中间界面折射影响大大降低，这样一来，可提高对于波形的认识和解释精度。
a.接收探头应尽量靠近发射探头，因为这时波具有稳定的强度和一致的波形，这使得反射波容易追踪。
2、结束语
综上所述，在水利水电工程混凝土质量检测方面，施工单位应不断加强质量检测的管理力度和增强对混凝土施工质量控制的重视程度，强化相应质量检测方法的创新，并认真执行国家法规及规范，在法律允许的范围之内不断提升工程质量检测水平，确保质检工作的科学性、准确性和权威性，保障水利水电工程质量的可靠性。
参考文献
[1] 王宝林；超声法检测桥梁墩柱混凝土质量[J]；天津市政工程；2011，（02）.
[2] 张宏，鲍树峰，马晔；基于声波透射法的大直径超长桩的完整性分析[J]；路基工程；2012，（12）.
[3] 马恒春，靳国礼，刘洋；声波透射法在混凝土灌注桩桩身完整性检测中的应用[J]；价值工程；2011，（28）.