1、 升拓技术 弹性波基本原理 走进升拓 感受未来 sensing the future 028-68611518 四川升拓检测技术有限责任公司 http/ 1 升拓技术 弹性波基本原理 （四川升拓检测技术有限责任公司，四川 成都 610045） 摘要： 在混凝土、岩土、金属等固体物质中，通过力或应变发振产生的扰动波叫弹性波。弹性波由于能够直接反映材料的力学特性，从而 在无损检测技术里被 广泛应用。 关键词：弹性波，原理，无损检测 首先，要分清楚两个容易混淆而又相互关联的概念，即振动和波。振动表示局部粒子的运动，其粒子在平衡位置做往复运动。而波动则是全体粒子的运动的合成。在振源开始发振产生的扰动，
2、以波动的形式向远方向传播，而在波动范围内的各粒子都会产生振 动。 换句话说，在微观看主要体现为振动，而在宏观来看则容易体现为波动。 图 1-1 振动概念 波頭粒子图 1-2 弹性波的概念 在交通工程中所用的无损检测技术里，也会用到各种波动和振动作为测试媒介。常用的有光波、电磁波、弹性波（包括冲击弹性波、超声波、声波）等。其中，弹性波由于能够直接反映材料的力学特性，从而得到了非常广泛的应用。而冲击弹性波则是用锤或其他激振装置与测试对象冲击产生，是弹性波的一种。因为其具有激振能量大、操作简单、便于频谱分析等特点，是一种非 常适合无损检测的媒介。其中，基桩完整性小应变检测技术（ PIT: Pile
3、Integrity Test）就是冲击弹性波最广泛的应用领域之一。 升拓技术 弹性波基本原理 走进升拓 感受未来 sensing the future 028-68611518 四川升拓检测技术有限责任公司 http/ 2 1.2 弹性波的分类 在混凝土、岩土、金属等固体物质中，通过力或应变发振产生的扰动波叫弹性波。根据波动的传播方向与粒子的振动方向的关系分类如下。 1) P 波（纵波、又叫疏密波）：波的传播方向与粒子运动方向平行； 2) S 波（又叫横波）：波的传播方向与粒子运动方向垂直（粒子的运动方向与结构物表面平行的 S 波也称为 SH 波，与表面垂直的 S 波为 SV 波）。 P 波和
4、 S 波存在于物体的内部，因此也 叫体波。另一方面，在边界面附近，由于边界条件的约束则产生表面波（ Rayleigh 波、 Love、 Lame 波等）： 1) R 波（ Rayleigh 波）：由 P 波和 SV波 合 成。 R 波的大部分能量集中在约 1 个波长深度范围内， 是代表性的表面波。由于它的衰减比其他的体波少，在结构物表面激振和传播的信号主要是 R 波。 2) Love 波：当下层材料坚硬，上层结构松软时，在上表面由 SH波合成产生。 3) Lame 波：又叫板波。在板厚度较薄的板状弹性体，由上下两个表面反射的波相互干涉合成的。 图 1-3A P 波和 S 波 粒子的运动方向 粒
5、子的运动方向 波传播方向 S 波 波传播方向 P 波 发振方向 升拓技术 弹性波基本原理 走进升拓 感受未来 sensing the future 028-68611518 四川升拓检测技术有限责任公司 http/ 3 图 1-3B 弹性波的样子 下图表示在垂直于结构物的方向激振，观测到的弹性波各成分。 图 1-4 弹性波各成分的比较 5 下图表示了各弹性波成分的相互关系。 半无限弹性体 板状弹性体 内部 表面附近 Lame 波（板波） 图 1-5 各弹性波成分的关系 1.3 振动与 波动的基本要素 1) 粒子振动的基本要素： 最快，信号较弱 R 波 粒子的运动 体波 P 波 S 波 : SV
6、 波 SH 波 面波 R 波 Love 波 S 波和 R 波的速度几乎 相同 升拓技术 弹性波基本原理 走进升拓 感受未来 sensing the future 028-68611518 四川升拓检测技术有限责任公司 http/ 4 (1) 振幅 A (2) 周期 T /圆频率 /频率 f (3) 相位 因此，一个粒子振动的基本方程可以写成： (1) 位移： )2s in ()s in ( ftAtAx （ 1-2-1） (2) 速度： )2c o s (2)c o s ( ftfAtAx （ 1-2-2） (3) 加速度： )2s in (4)s in ( 222 ftfAtAx （ 1-2
7、-3） 2) 波动的基本要素： (1) 波的传播速度： V (2) 波长： (3) 波数： N (4) 相位： 波动的基本要素的意义可以参见下图： 图 1-6 波动的基本要素 需要指出的是，冲击弹性波往往不是单的频率，一般包 括各种频率成分的波混在一起。用冲击弹性波进行无损检测时，有以下特点。 (1) 能量较高、振幅较大， S/N（信噪比）较高，相对容易测试； u t = t0t = t1xLA升拓技术 弹性波基本原理 走进升拓 感受未来 sensing the future 028-68611518 四川升拓检测技术有限责任公司 http/ 5 (2) 频率较高信号一般对缺陷更加敏感，测试精度较高，但是能量衰减大，测试范围小； (3) 测试的信号经过真实信号（粒子的运动） 电缆 放大器 A/D 转换卡等。各阶段都会引入噪声使信号失真。因此如何防止噪声混入，抑制信号失真是非常重要的。
