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前言 1

第1章 绪论 1

1.1 非金属超声检测技术概况 1

1.1.1 非金属超声检测技术的现状与发展 1

1.1.2 超声与声波检测技术在非金属检测中的应用 3

1.2 超声与声波基桩检测 4

1.2.1 桩式基础的优越性 4

1.2.2 基桩的分类 4

1.2.3 基桩质量的检测方法和依据 7

1.3 当今基桩工程质量检测的问题与思考 7

参考文献 7

第2章 超声与声波检测技术的声学原理 8

2.1 介质的弹性振动与波动 8

2.1.1 介质中单个质点的振动 8

2.1.2 介质中有阻尼时的质点振动 10

2.2 固体中的声波 11

2.2.1 体积变形与剪切变形 12

2.2.2 单一受力情况下物体的弹性性能 13

2.2.3 任意受力情况下固体中的弹性性能 14

2.2.4 固体中的波动 15

2.2.5 声波的几种传播形式—波阵面 23

2.2.6 声波在固体界面上的反射和折射 24

2.2.7 声波的吸收衰减和散射衰减 26

2.3 费玛定律 28

2.4 叠加原理 28

2.5 惠更斯原理 29

参考文献 29

第3章 非金属检测换能器 30

3.1 概述 30

3.2 压电材料 31

3.2.1 压电效应 31

3.2.2 压电材料的分类 31

3.2.3 压电方程 32

3.3 压电振子与其等效电路 34

3.3.1 横向极化长条纵向振动模式 34

3.3.2 纵向极化长棒纵向振动模式 34

3.3.3 薄板厚度振动模式 35

3.3.4 薄圆片径向振动模式 35

3.3.5 薄圆环径向伸缩振动模式 36

3.3.6 薄片剪切振动模式 36

3.3.7 等效电路 36

3.4 压电换能器的基本原理及结构 38

3.4.1 复合结构纵向振动换能器（又称夹心式或喇叭型换能器） 38

3.4.2 单片弯曲式换能器 39

3.4.3 增压式换能器 40

3.4.4 圆管式换能器 41

3.4.5 单孔“一发双收”换能器 43

3.4.6 内装电子线路的一发双收换能器 45

3.4.7 横波换能器 45

3.4.8 高频换能器 45

3.4.9 干耦合换能器 46

3.5 换能器的主要特性参数 46

3.5.1 工作频率 46

3.5.2 频率特性 46

3.5.3 阻抗特性 46

3.5.4 品质因数 47

3.5.5 电声效率 47

3.5.6 方向性 47

3.5.7 功率极限和动态范围 48

3.5.8 相位响应（略） 49

3.5.9 加速度响应和加速度抑制 49

3.5.10 不同介质对换能器性能的影响 49

3.5.11 对声场强度的影响 50

3.5.12 对方向性的影响 50

3.6 非金属检测换能器的性能测试 50

3.6.1 传输线法 50

3.6.2 电桥法 51

3.6.3 其他测试方法 52

3.7 不同类型换能器名称的规范化 52

参考文献 52

第4章 非金属超声波检测仪器 53

4.1 超声波检测仪器概述 53

4.1.1 超声波检测仪器应具有的功能 53

4.1.2 关于国内外非金属超声检测仪的发展动态 53

4.1.3 超声波检测仪器的检测技术方法和配用的换能器 54

4.2 模拟式超声波检测仪 55

4.2.1 模拟式超声波检测仪的工作原理 55

4.2.2 模拟超声波检测仪的发射与接收 57

4.3 数字化超声波检测仪 62

4.3.1 数字化超声仪的发射电路 63

4.3.2 数字化超声仪的接收电路 63

4.3.3 模拟信号与数字信号的转换 63

4.3.4 超声仪的微电脑 65

4.4 数字化超声仪的波形显示 65

4.4.1 采样周期（或采样间隔）与波形显示时间窗 66

4.4.2 波形在屏幕上可以左右移动或翻页 66

4.4.3 波形的延迟显示 67

4.4.4 将多个测点采集到的波形排列成为波列 67

4.4.5 波形叠加显示 68

4.5 数字超声仪采集信号的触发方式及作用 68

4.6 超声仪的时间分辨率及耦合误差 68

4.6.1 时间分辫率与测时误差 68

4.6.2 换能器耦合的声时误差 69

4.7 超声仪的检测分析处理软件 69

4.8 数字超声仪技术指标及基本形式实例 70

4.8.1 数字超声仪的技术指标与性能 70

4.8.2 数字超声仪的基本形式 71

4.9 自动化超声波基桩检测系统 72

4.9.1 跨孔声波透射自动测试系统原理 72

4.9.2 实现自动化跨孔声波透射法的要点 73

4.9.3 自动跨孔声波透射测试系统的分类 73

4.9.4 自动化跨孔声波透射检测速度和问题 75

4.10 超声检测仪的机外处理软件 75

4.11 电火花振源 78

参考文献 79

第5章 超声波测试方法 80

5.1 换能器的初读数t0测试 80

5.1.1 出现t0的原因 80

5.1.2 t0测试方法 81

5.1.3 时距曲线法测to 81

5.1.4 换能器耦合的声时误差 82

5.2 表面穿透测试 83

5.2.1 对测法 83

5.2.2 平测法 83

5.3 跨孔穿透测试 84

5.3.1 水平同步测试法 84

5.3.2 斜测法 85

5.3.3 扇面测试法 85

5.4 单孔声波测井 86

5.4.1 纵波声速测试 86

5.4.2 横波声速测试 86

5.5 室内试块的纵波与横波声速测试方法 88

5.5.1 纵波测试技巧与换能器频率的选取 89

5.5.2 横波的测试方法 89

5.6 关于声波传播时间和波幅的测试 90

5.6.1 声波传播时间判读和前提条件 90

5.6.2 首波相位与掉波问题 91

5.6.3 接收声波信号的波幅问题 91

5.7 关于声学参量频率的应用问题 92

5.8 不同测试目的与测试方法对测试频率的选择 95

参考文献 95

第6章 基桩跨孔声波透射法测试数据的推断解释 96

6.1 概述 96

6.2 桩身缺陷类型及其对声波传播影响 96

6.2.1 完整桩 96

6.2.2 沉渣、桩头底强度区、二次浇灌面 97

6.2.3 蜂窝、空洞、严重缩颈 97

6.2.4 夹泥、离析 98

6.3 超声跨孔透射确定基桩缺陷的方法 99

6.4 桩身缺陷位置与体积的定性确定方法 101

6.4.1 声测管的埋设数量 101

6.4.2 用波幅确定桩身缺陷的平面范围 102

6.5 桩身缺陷性质的确定原则 104

6.6 桩身完整性的类别划分 105

6.7 基桩跨孔声波透射现场检测技术 106

6.7.1 检测前的准备 106

6.7.2 人工操作检测 107

6.7.3 半自动检测与全自动检测 107

6.8 基桩声波透射资料的室内分析解释 108

6.9 跨孔声波透射检测基桩完整性实例 110

6.10 跨孔声波透射法的优势与缺憾 116

6.10.1 优势 116

6.10.2 劣势 117

参考文献 117

第7章 跨孔扇面测试声波层析成像技术 118

7.1 跨孔扇面测试的观测系统 118

7.2 现场测试数据采集方法 119

7.3 声层析成像图像重建的计算 119

7.4 实例 120

7.4.1 长江某大桥2-P41桩跨孔声波检测 120

7.4.2 桩底沉渣层析成像实例 121

7.4.3 建筑基础的跨孔层析成像实例 121

7.5 声波跨孔层析成像的技术关键 122

参考文献 124

第8章 单孔声波测井在桩基工程中的应用 125

8.1 一发双收声波测井—折射波测井 125

8.2 一发一收声波测井—管波测井 126

8.2.1 充水钻孔孔壁的伪瑞利波—斯通利（Stonely）波 126

8.2.2 管波探测岩溶的现场测试方法 126

8.2.3 管波探测岩溶的原理 127

8.3 工程实例之一 127

8.4 工程实例之二 128

8.5 管波探测溶洞的应用价值 129

8.6 管波测井的优势分析 129

参考文献 131

第9章 声波反射法检测基桩完整性基本原理 132

9.1 基本原理 132

9.1.1 点源激振在桩身内的振动与波动规律 132

9.1.2 桩土体系声波传播规律 134

9.1.3 垂入射波的衰减与反射 135

9.1.4 垂入射在桩身存在缺陷时的反射与透射 136

9.2 桩身内不同类型缺陷反射波的规律 137

9.2.1 完整桩的反射波 137

9.2.2 缩径类缺陷的反射 137

9.2.3 扩径的反射波和多次反射 137

9.2.4 缩径桩的多次反射 138

9.2.5 断桩的反射 138

9.2.6 桩头浅部反射—关于检测的盲区 139

9.2.7 扩底桩的反射 139

9.2.8 嵌岩桩的桩底反射 139

9.2.9 桩头附近严重缺陷的“反射波” 140

9.2.10 关于地层的反射 141

9.2.11 缺陷上界面与缺陷下界面的反射 141

9.2.12 基桩多缺陷的反射波 142

9.3 工程实例 142

9.3.1 完整桩 142

9.3.2 缩径类缺陷的反射 142

9.3.3 在“盲区”内的反射波 143

9.3.4 嵌岩桩入岩反射波 143

9.3.5 多缺陷桩的反射波 143

9.3.6 扩底桩的反射 143

9.3.7 地层反射波问题 144

9.3.8 缩径桩的多次反射 145

9.3.9 扩径的多次反射波 145

9.3.10 断桩的反射波 145

9.4 基桩反射法检测缺陷反射波规律小结 146

9.5 反射波法测试桩身混凝土衰减系数 147

9.5.1 桩身混凝土声衰减系数简易测算法 148

9.5.2 桩身混凝土声衰减系数的严密测算法 148

参考文献 149

第10章 桩身轴向振动原理和作用 150

10.1 一维杆的纵向振动 150

10.1.1 自由状态下的一维杆 150

10.1.2 非自由状态下的一维杆 151

10.2 不同约束条件下桩的轴向振动 152

10.2.1 桩底被嵌固桩头自由 152

10.2.2 桩底自由桩头自由 152

10.2.3 桩的实际状况 153

10.3 桩轴向振动特性曲线的应用 153

10.4 获取桩轴向多阶振动的必要条件 154

10.5 反射波频域分析有利于桩完整性判断 156

10.5.1 应用实例之一 156

10.5.2 应用实例之二 156

10.6 反射波频域分析暂不便推广的原因 157

参考文献 157

第11章 声波数字信号的处理 158

11.1 概述 158

11.2 信号的傅里叶变换 159

11.2.1 时域信号与频域信号的关系 159

11.2.2 数字信号的傅里叶变换—DFT变换与FFT变换 159

11.2.3 频谱分析的性质 161

11.2.4 频谱分析频率分辫率与时域时间分辫率 162

11.2.5 频谱分析的开窗 163

11.3 小波分析 164

11.3.1 小波的概念 164

11.3.2 小波变换的分析能力 166

11.3.3 离散小波变换 167

11.3.4 小波变换对时域信号的分析 168

11.3.5 小波变换的应用探讨 168

11.4 数字滤波 169

11.5 信号的积分与微分 171

11.5.1 改变信号的物理量 171

11.5.2 改善信号“质量” 171

11.5.3 关于微分处理 172

11.6 辅助的信号处理功能 172

参考文献 173

第12章 反射波法检测的仪器装备 174

12.1 检测仪器的组成与工作原理 174

12.2 击振设备 174

12.3 接收传感器 177

12.3.1 速度型传感器 177

12.3.2 加速度传感器 181

12.4 检测仪器—数据采集与分析设备 185

12.4.1 检测仪器的工作原理概述 185

12.4.2 关于接收信号的放大 186

12.4.3 A/D转换器与数据采集 187

12.4.4 关于负延迟触发 188

12.4.5 基桩完整性检测仪信号处理 188

12.4.6 反射波基桩检测仪概况及其技术指标 188

12.4.7 声波反射法检测仪器的操作模式 191

12.4.8 基桩完整性检测Windows平台分析处理软件 192

参考文献 193

第13章 反射波法现场检测的技术关键 194

13.1 击振技术的技巧 194

13.1.1 桩头必须处理平整 194

13.1.2 励脉冲宽度和频带宽度的调节 195

13.1.3 击振能量的调节 196

13.1.4 击振时的干扰信号 197

13.2 接收传感器 198

13.2.1 关于加速度传感器 198

13.2.2 关于速度型传感器 201

13.3 检测的操作使用技巧 202

13.3.1 进入检测现场前的准备工作 203

13.3.2 检测前仪器参数设置 203

13.3.3 检测过程的要点 204

参考文献 206

第14章 反射波法测试资料的推断解释 207

14.1 测试波形信号的处理 207

14.1.1 数字滤波 207

14.1.2 频谱分析 207

14.1.3 指数放大功能 210

14.1.4 积分处理 210

14.1.5 波形旋转与平移 212

14.1.6 多点平滑滤波 212

14.2 国内外仪器对测试波形信号处理方式的异同 213

14.3 测试资料推断解释的基本原则 214

14.3.1 反射波信号分析解释的多解性 214

14.3.2 必须掌握场地工程地质勘察资料 214

14.4 反射波信号处理分析实例 215

14.5 反射波法对桩身完整性的判断准则 221

参考文献 221

第15章 反射波法检测基桩倾斜度 222

15.1 基桩倾斜时反射波信号的异常 222

15.2 反射波检测基桩倾斜度原理 222

15.2.1 关于倾斜桩的有关定义 222

15.2.2 倾斜桩的异常特点 223

15.2.3 倾斜桩反向脉冲异常点的理论解释 223

15.3 倾斜桩的检测方法 226

15.3.1 桩头处理和测点的布置 226

15.3.2 击振与检测 227

15.3.3 对采集信号的处理 227

15.4 检测仪器装备 227

15.4.1 激振装置 227

15.4.2 信号接收传感器 227

15.4.3 记录仪器及信号处理装置 227

15.5 基桩倾斜度的检测 228

15.5.1 垂直桩反射波时程曲线的特征 228

15.5.2 倾斜桩反射波时程曲线的特征 228

15.5.3 桩底反射波波幅变异系数 229

15.6 基桩倾斜度和倾斜方位的估算 230

15.7 基桩倾斜度的判断精度 231

15.8 有轻微缺陷桩的倾斜检测 232

15.9 工程实例 233

15.10 本章编撰所引用的技术资料 234

参考文献 234

第16章 声波反射法检测混凝土板厚 235

16.1 混凝土板状结构厚度检测的实用性 235

16.2 冲击回波法检测混凝土板厚原理 235

16.2.1 击振后混凝土板内的声场 235

16.2.2 击振后混凝土板上传感器的接收信号 236

16.2.3 频域测试法的必要条件 236

16.3 冲击-回射法检测仪器设备 237

16.3.1 击振设备 237

16.3.2 接收传感器 237

16.3.3 检测仪器 238

16.4 冲击-回波法如何测准厚度 240

16.4.1 混凝土板声速测试方法 240

16.4.2 由振幅谱的f0产生的厚度误差 241

16.5 冲击-回波的两种检测方法 241

16.5.1 频域分析法 241

16.5.2 时域测试法的显示分析与厚度计算 242

16.6 冲击-回波法检测缺陷的可行性 244

16.7 冲击-回波法的水平分辨率 244

16.8 存在的问题 245

参考文献 246

第17章 基桩高应变动力检测技术 247

17.1 高应变动力法所用的锤击设备 247

17.2 高应变动力法的接收传感器 248

17.2.1 速度信号是通过加速度传感器测取 248

17.2.2 桩身应力用应变传感器测取 249

17.3 高应变动力法数据采集电路 252

17.4 高应变动力法接收到的波形信号 253

17.4.1 关于振动速度时程曲线 253

17.4.2 关于桩土体系振动力时程曲线 253

17.4.3 典型高应变反射波实例 254

17.5 高应变动力法基桩承载力测试概述 255

17.5.1 凯斯法 255

17.5.2 实测曲线拟合法简述 257

17.6 关于桩身完整性检测 259

参考文献 260

结束语 261

参考文献 261