Page 51 - 《应用声学》2021年第3期

第 40 卷 第 3 期 郑康琳等： 双横波声速法检测单向受压混凝土构件永存应力 369

分别为横波 V 1 、V 2 在被测构件中的传播时间，设 (4) 横波双声速法测量时全程无需改变探头位
置，可避免探头移动产生的测试误差。理论上双声
∆t = t 2 − t 1 为V 1 、V 2 传播的时间差，在测量 V 1 、V 2
速法检测永存应力既可采用纵波也可采用横波，采
时因入射波探头和接收探头位置相同，所以 V 1 、V 2
的传播距离及路径相同，设声波传播距离为 l，因 用纵波法分别测量V 1 、V 2 时需要改变入射探头和接
V 1 、V 2 为间接测出量，t 1 、t 2 为直接测出量，采用参数 收探头的位置，由于混凝土材质的离散性，这个过程
“∆t”代替“(V − V )”。以下为推导过程： 会产生较大不可预知的误差；采用横波法时测量全
2
2
1 2
( ) 2 ( ) 2 程无需改变探头位置，只需转动探头的角度，这避免
2
2
V − V 2 l/t 1 − l/t 2
1
σ = = 了移动探头所带来的巨大误差，这也是双横波声速
K K
2
2
l 2 t − t 2 l (t 2 + t 1 )(t 2 − t 1 ) 法最大优势，所以本文采用双横波声速法。以下通
1
2
= . 2 2 = 2 2
K t t K t t 过实验对本方法进行验证。
2 1 2 1
2
l (t 2 + t 1 )
= ∆t. (6)
2 2
K t t 2 实验过程与结果讨论
2 1
因 t 1 、 t 2 相 对 变 化 都 较 小， 故 t 2 ≈ t 1 ≈
(t 2 + t 1 )/2 = t 0 ，所以由公式(6)得 2.1 实验方法
l 2 (t 2 + t 1 ) 1 2l 2 本实验中制作混凝土立方体试件作为实验对
σ = . 2 2 ∆t ≈ . 3 ∆t. (7) 象，试件尺寸为15 cm×15 cm×15 cm，共计17个，依
K t t K t
2 1 0
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对一个确定的测试构件，K、l 都是常数，t 0 的相 次标记为 1 # ∼ 17 ，分别制作 C30、C40、C50 三种
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对变化值很小，近似为常数，所以结构永存应力σ 大 标号的试件，1 # ∼ 6 、12 试件混凝土标号为 C50，
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小取决于 ∆t。依据公式推导的前提条件可知本检 7 # ∼ 9 、14 、17 试件混凝土标号为 C40，10 、
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测方法适用条件如下： 11 、13 、15 、16 试件混凝土标号为 C30。超声
(1) 测试对象为单向受力构件，且应力的方向 波测试设备采用 RITEC RAM-5000 SNAP 非线性
已知； 高能超声测试系统，数据采集采用MSO4104B-L 示
(2) 测试对象在在无应力情况下声波在各个方 波器，探头采用奥林巴斯 V150-RM 横波探头 (中心
向的传播速度相同； 频率为 0.25 MHz)。本次研究进行了 3 个方面验证
(3) 测试对象应力值处在材料弹性范围内，结 实验：
构不能出现裂缝及过大的非线性形变等现象。 实验一 应力效应实验。共进行 11 组，试件编
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与使用单一声学参数相比本方法具有以下 号为1 ∼ 11 ，实验目的是验证试件应力与声学参
优点： 数之间的关系 (公式 (7))。本实验中，在试件顶底面
(1) 理论上参数 ∆t 零应力值为零，易于标定。 用液压设备均匀施加均布压力 F，设试件横截面为
当 σ = 0 时，对于各向同性介质 t 1 = t 2 = t 0 ，则 S，则试件内部压应力为 σ = F/S，在实验的过程中
∆t = t 2 − t 1 = 0。而其他单一声学参数零应力值一 通过调节均布力 F 的大小来改变构件内部应力 σ，
般不为零，检测时则需要标定零应力值，标定过程中 如图1 所示。探头布置采用对测法，S和R分别横波
会产生误差。 发射探头和接收探头，S 与 R 连线方向与应力 σ 方
(2) 参数 ∆t 对应力 σ 有更高的敏感性。∆t = 向垂直(如图1所示)。每次测试时，先把横波发射探
t 2 −t 1 = (t 2 −t 1 )−(t 0 −t 0 ) = (t 2 −t 0 )−(t 1 −t 0 ) = 头和接收探头声波质点振动方向调整为与应力平
∆t 2 − ∆t 1 ，依据声弹性理论，当 σ 增加时，t 1 减小、 行方向，测得声速 V 1 在构件中传播的时间 t 1 ，然后
t 2 增加，即∆t 1 与∆t 2 反号，在相同的应力变化情况 保持探头中心点位置不变，把发射探头和接收探头
下，|∆t| = |∆t 1 | + |∆t 2 |，由此得出 ∆t 较单一参数 同方向旋转 90 再同法测试，可得声速 V 2 在构件中
◦
t 1 、t 2 对应力有更好的敏感性。 传播的时间 t 2 。改变均布力 F 的大小，重复上述步
(3) 参数 ∆t 能够消除温度、湿度等环境因素 骤，就可以测出不同应力σ 状态下的 t 1 、t 2 、V 1 、V 2 及
对测试结果的影响。环境因素 (温度、湿度等) 会 ∆t。然后依据实验数据归纳总结出 ∆t 与应力 σ 之
显著影响声学参数的变化，但这种影响是各向同 间关系曲线。在应力加载过程中，试件的温度、湿度
性的，即对 t 2 、t 1 影响基本相同，这种影响在参数 均保持不变。实验中入射波为 1 周期的正弦波 (如
∆t = t 2 − t 1 做差值的时候即可消除。 图 2 所示)，频率为 0.15 MHz，接收波信号采用连续