学文网声速测量篇1
关键词：光声信号，组织声速，测量
1 引言
声速的测量方法很多，在工程技术中用的比较多的是传播时间法、脉冲回鸣法和脉冲迭加法，这三种方法都是测量声速的有效方法[1]。科技论文。本文采用的是利用短脉冲激光激发宽频带的光声信号，采用一针状PVDF膜的宽带水听器接收光声信号，在水听器前面放上各种规则的组织，通过测量组织厚度和延时，可以很方便的测出各种组织的声速；通过采集测量信号的峰峰值，还可以得出光声信号对各种组织的反射与衰减情况。
2 理论分析
当用脉冲光源照射某种吸收体时，其局部的温度将发生瞬时的改变，导致体积膨胀而产生超声波，这种超声波称为光声信号 [2]。在空间某一位置接收到的光声压p(r,t)和光吸收系数的分布A(r)的关系可以表达为[3]
（1）
其中为等压膨胀系数，c0为光声信号在吸收体中的声速，cp为比热，I0为光强，r表示光声压的场点位置，表示光声源的位置，表示场点到源点的距离。
当纯水为某一温度时，超声在纯水中的声速为（比如水温为22℃，超声在纯水中的声速为1492.0m/s），在水听器的前面放上任一规则的组织，让激发的光声信号穿过，设组织的厚度为x，信号在组织中的声速为，通过测量光声信号在水中与组织中的传播时间差，可得出信号在组织中的传播速度，即可表示为：
即 （2）
3 实验结果与讨论
***1为吸收体和超声换能器都置于纯水中的实验装置***。科技论文。将脉冲激光(波长为1064nm,脉宽为8ns，脉冲重复频率为20Hz)均匀照射在样品上，产生光致超声。在水槽中通过移动、测量水听器(PrecisionAcoustics LTD，灵敏度为950nv/pa，接收面积直径为1mm)的位置，由示波器(TDS3032, Tektronix，最高采样率2.5G ，带宽 300MHz)、GPIB采集卡和计算机采集光声信号，记下光声信号的传播时间(实验中脉冲激光和示波器由同一触发源同时触发, 探测器接收到的光声信号相对触发信号的延迟时间就是光声信号从光声激发位置到探测器的传播时间)，可以计算出光声信号在水中的传播速度，由实验测量得，当水温为22℃时，声速为1492m/s，再将水温降低或升高，可以得到水的声速随温度的变化关系[4,5]。科技论文。实验中示波器的采样率为250MHz。
***1 声速测量实验装置***
在水听器的前面放上一些规则的组织，让激发的光声信号穿过，通过测量光声信号在水中与组织中的传播时间差，如***2所示，可得出信号在组织中的传播速度，比如超声在鱼肉中的声速为1541.7m/s，具体各种组织声速如表1所示。
由***2可以看出，超声在纯水（13℃）中传播的延时最长，即传播的速度最慢，在瘦肉中传播的延时最短，即传播的速度最快；而且信号在纯水中的峰峰值最大，为310mv，在瘦肉中的峰峰值最小，为84mv，说明信号在组织之间声速不匹配时，有很强的反射，当然另一方面信号在组织中传播时也有衰减[6,7]。
***2 光声信号在各种组织中的延时
生物样品 厚度(cm) 信号峰峰值(mv) 信号延时之差(µs) 声速（m/s） 纯水(13℃)
声速测量篇2
关键词：三维风速测量；相位差；超声波；向量法
DOI：10.15938/j.jhust.2016.04.009
中***分类号：TP274.5
文献标志码：A
文章编号：1007-2683（2016）04-0045-05
0引言
近年来，由于超声波检测技术应用在风速测量中，相较于机械式、热式等测量方法非接触，无磨损，测量速度快精度高，维护成本低等使研究利用超声波进行风速测量成为了一个较为热门的课题现阶段国外对该技术的研究已经较为深入，而国内在研究将超声波用于风速测量方向上正处于快速发展阶段，国内对于利用超声波对一维或二维风速的理论研究成果较多，而对三维风速测量的理论研究成果较少，同时，现有的研究采用超声波测风速理论均采用时差法，由于该方法需要用间歇式脉冲来驱动超声波传感器，因此时差法避免不了超声波传感器本身存在的起振余振的问题，虽然有许多这方面的研究，但这些研究较多依赖于DSP及CPLD等高速器件，且没能从根本上解决问题，针对时差法的问题，本文研究了一种基于相位差的超声波三维风速测量方法，该方法采用连续驱动超声波传感器的方式，避免了超声波传感器本身存在起振余振的问题且电路成本较低，无需高速器件即可实现对风速快速、准确测量，
1.相位差超声波三维风速测量基本
原理
超声波三维风速测量技术基于向量空间投影分析法，采用此技术的重点是准确获得声波上承载的流体信息以及向量的空间分解与合成，超声波时差法测风速基本原理是通过测量同等声程下超声波脉冲顺风和逆风传播时间差来反映风速，如***1所示，由超声波发射探头发射一组超声波脉冲，从发射激励脉冲到接收到第一个脉冲的超声波传播时间为f，则t=L（V0±v）式中三为传感器之间的距离，V0为无风时超声波的传播速度，v为风速，根据该公式可以求出风速v，这便是时差法原理，
然而，驱动脉冲发射过程中，超声波换能器晶片将经历受迫振动、平衡振动和衰减振动3个状态，并且接收超声波过程中，由于压电晶体具有一定的振动惯量，接收到超声波后，振幅是按照指数曲线增加的，要经历几个周期才能饱和，而且当发射信号结束时，晶片还要保持几个或十几个周期的余振，因此很难准确判断超声波到达以及结束的时刻，而本文的相位差测量方法则将时间差转换为相位差，运用该方法超声波传感器一直处于连续的工作过程中不存在间歇式的脉冲驱动，因此相位差法避免了超声波传感器起振余振的问题，相对于时差法相位差法具有电路成本低（不依赖高速器件）、软硬件易于实现等优点，本文超声波三维风速测量传感器配置形式设计为正四面体结构，其中四个收发一体的超声波传感器分别位于正四面体的四个顶点，配置形式如***2所示，
某一时刻，假设风秽沿某一角度吹到传感器结构上（如***2），根据三维空间向量投影关系，只要求得v在正四面体任意两个面上的投影向量，根据该投影向量写出投影面方程，联立投影面方程便可求出风速v。
2.任意面风矢量合成算法
风矢量（面分量）可以由如下步骤计算：由硬件电路控制四个收发一体的超声波探头轮流收发一个周期，这时可以获得风矢量在每个面三角形上的分量在各面三角形边上的分量大小，根据各边上的分量进行合成，便可求出风矢量在每个面三角形上的分量。
4.验证与结果分析
声速测量篇3
根据天津市委八届三次全会提出的“三步走”战略目标和五大战略举措，以建设世界名河为目的，海河综合开发改造工程正在紧张有序地建设实施。海河堤岸改造是本工程的重要组成部分之一，又是先期实施的基础工程，该工程从北运河的北洋桥至海河外环线桥，河道全长约20km，左右两岸累计堤岸长约40km，起步区段为慈海桥至北安桥段和琼州道至海河大桥段。
按照海河综合开发规划，其堤岸工程断面大多采用退台式护岸，需对现状护岸进行改造。刘庄桥下游段堤岸断面在高程2.0m（大沽高程，下同）处设亲水平台，亲水平台与现状地面之间设直墙式护岸，亲水平台与河岸边多采用重力式挡土墙或板桩式护岸。
该工程段(右岸)在埋深0～18m范围内所涉及到的地层为第四系全新统松散堆积物，自上而下依次为：
⑴人工填土层（rQ）：全区分布，该层由杂填土和素填土组成，层底高程-0.51～2.00m。
⑵古河道、河漫滩冲积相新近沉积层（alQ43N）：全区分布，该层岩性变化不大，主要由粉质粘土及粉土组成，局部夹有淤泥质粉质粘土及淤泥质粉土透镜体，层底高程-7.18～-6.54m。
⑶第四系全新统中部海相层（mQ42）：全区分布，岩性由粉质粘土及粉土组成，局部夹有淤泥质粉质粘土透镜体，层底高程-12.45～-10.53m。
⑷第四系全新统下部陆相沉积层（alQ41）：岩性由粉质粘土及粉土组成，该层未揭穿，可见厚度大于7.00m。
依据委托单位提供的设计及施工资料，本段地连墙总长度为308.33m，共分18个槽段，四种建筑类型，本次检测其中一种类型（即I型），该类型地连墙厚0.6m、宽6.0m、深13.5m。按照国家和天津市的有关规定，并考虑本工程的具体情况和设计要求，确定检测6个槽段，检测比例为33.3%。检测位置见***1（***中A、B、C为各检测段号三个预埋声测管）。
2检测原理与方法
以介质的弹性特征为基础，进行弹性波测试，以求得筑墙介质的物理力学指标。当弹性波在介质内传播时，与介质本身的物理力学性质有着密切的关系，通过测取弹性波的波列记录，可以取得一系列运动学和动力学参数，分析整理这些参数，来判定介质质量的优劣，并提供定量依据。
理论分析和实践经验表明，地连墙混凝土质量较好时，其声波速度值较高或波幅值较大(信号强)，且波速离散性较小；而混凝土质量存在缺陷(离析、密实度差、强度低)时，其声波速度值较低或波幅值减小(信号弱)，且波速离散性较大。
检测采用声波穿透法，测试原理见***2。其中由发射换能器激发的声波经水的耦合传播到声测管，再在墙体混凝土介质中传播，经接收端的声测管由水耦合到接收换能器。
根据本次检测任务要求和现场各槽段声测管的分布特点，施测时在每一槽段的三个预埋管中放入三个谐振频率为50kHz的声波换能器，中间管(***1中B号管)放置发射换能器，两侧管(***1中A号管和C号管)放置接收换能器。首先将三个换能器置入管底并使其位于同一高程，由下而上实施观测，测点距为0.25m，三探头同步提升并进行测试，直至管口。
测试仪器为国产WSD—2型数字声波分析仪及其附属设备。
3数据整理与分析
将实测数据进行归纳整理，按照式(1)计算声波速度Vp(m/s)。
Vp=L/T………………………………………………(1)
式中：L——发射管与接收管外壁之间的水平距离(m)；T——声波在距离L内的走时(s)。
根据求得的声波波速值绘制速度(Vp)——深度(H)曲线，并按照下列方法和步骤确定声速临界值，以此判定声速异常区。
（1）将同一检测剖面各测点的声速值由大到小依次排序，即
Vp1≥Vp2≥…≥Vpi≥…≥Vpn-k≥…≥Vpn-1≥Vpn………………………………(2)
式中：Vpi——按序排列后的第i个声速(Vp)测量值；n——测点数；k——逐一去掉式(2)Vpi序列尾部最小数值的数据个数。
（2）对逐一去掉Vpi序列中最小数值后余下的数据进行统计计算。当去掉最小数值的数据个数为k时，对包括Vpn-k在内的余下数据Vp1～Vpn-k按下列公式进行统计计算：
Vp0=Vpm－λSx…………………………………………(3)
…………………………………(4)
………………………(5)
上述式中：Vp0——异常判断值；Vpm——n－k个数据的平均值；Sx——n－k个数据的标准差；λ——由表1查得的与n－k相对应的系数。
（3）将Vpn-k与异常判断值Vp0进行比较，当Vpn-k≤Vp0时，Vpn-k及其以后的数据均为异常，应去掉；再用数据Vp1～Vpn-k-1并重复式(3)～(5)计算步骤，直到Vpi序列中余下的全部数据满足：Vpi＞Vp0，此时，Vp0为声速的异常临界值VpD。
（4）声速异常时的临界值判据为：Vpi≤VpD，当其成立时，声速可判定为异常。
（5）当检测剖面n个测点的声速值普遍偏低且离散性较小时，宜采用声速低限值判断：Vpi＜VpL，其中Vpi——第i个测点声速(m/s)；VPl——声速低限值(m/s)，由预留同条件混凝土试件的抗压强度与声速对比试验结果并结合实际经验确定。
当上式成立时，可直接判定为声速低限值异常。
表1统计数据个数n－k与对应的λ值
n-k
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
42
44
46
48
λ
1.64
1.69
1.73
1.77
1.80
1.83
1.86
1.89
1.91
1.94
1.96
1.98
2.00
2.02
2.04
n-k
50
52
54
56
58
60
62
64
66
68
70
72
74
76
78
λ
2.05
2.07
2.09
2.10
2.11
2.13
2.14
2.15
2.17
2.18
2.19
2.20
2.21
2.22
2.23
n-k
80
82
84
86
88
90
92
94
96
98
100
105
110
115
120
λ
2.24
2.25
2.26
2.27
2.28
2.29
2.29
2.30
2.31
2.32
2.33
2.34
2.36
2.38
2.39
n-k
125
130
135
140
145
150
160
170
180
190
200
220
240
260
280
λ
2.41
2.42
2.43
2.45
2.46
2.47
2.50
2.52
2.54
2.56
2.58
2.61
2.64
2.67
2.69
（6）当采用斜率法的PSD值作为辅助异常点判据时，PSD值应按下列公式计算：PSD=K·T…………………………………………(6)
………………………………………(7)
T=Tpi－Tpi-1………………………………………(8)
式中：Tpi——第i个测点的声时(μS)；Tpi-1——第i－1个测点的声时(μS)；Zi——第i个测点的深度(m)；Zi-1——第i－1个测点的深度(m)。
根据PSD值在某深度处的突变，结合波幅变化情况，进行异常点判断。
（7）当采用信号主频值作为辅助异常点判据时，主频——深度曲线上主频值明显降低，可判定为异常。
综合上述分析，地连墙混凝土质量异常区应结合各声学参数临界值、PSD判据、混凝土声速低限值以及混凝土质量可疑点加密测试后的结果等综合判定，并确定混凝土缺陷的范围和大小。
4成果分析与质量评价
综合分析声速(波幅)——深度曲线***(典型曲线见***3)并结合施工资料，对地连墙混凝土内部结构进行质量评价。
（1）地连墙缺陷：以声速临界值（或声速低限值）、声速平均值以及波幅临界值判据进行综合分析判定。
（2）地连墙混凝土均匀性按声速离散系数Cv（Cv=Sx/Vpm×100%）可分为A、B、C、D四级(见表2)。
（3）根据地连墙混凝土声学特征及其均匀性，是否存在缺陷以及缺陷的严重程度，将地连墙的内部结构质量分为四类：
表2声速离散系数级别表
混凝土均匀性等级
A级(均匀)
B级(一般)
C级(较差)
D级(极差)
Cv(%)
Cv<5
5≤Cv<10
10≤Cv<15
Cv≥15
Ⅰ类(优良)：各检测剖面的声学参数均无异常，无声速低于低限值异常。
Ⅱ类(较好)：某一检测剖面个别测点声学参数出现异常，个别测点声速低于低限值异常。
Ⅲ类(一般)：某一检测剖面连续多个测点的声学参数出现异常；两个或两个以上检测剖面在同一深度测点的声学参数出现异常；局部混凝土声速出现低于低限值异常。
Ⅳ类(较差)：某一检测剖面连续多个测点的声学参数出现异常；两个或两个以上检测剖面在同一深度测点的声学参数出现异常；混凝土声速出现普遍低于低限值异常或无法检测首波或声波接收信号严重畸变。
由本测段地连墙预留同条件混凝土试件的抗压强度与声速对比试验结果，并结合本市实际测试经验确定该地连墙混凝土质量评价的声速低限值为4.00km/s。现就检测槽段的声波成果分析如下：
①段13-I/38：该检测段号测试深度仅为9.00m(9m以下因堵孔无法测试)，AB、BC剖面在深0～1.00m处声速小于低限值4.00km/s，影响声速平均值、临界值的计算取值，其余测段各测点声速正常；AB、BC剖面声波速度平均值分别为3.97km/s、4.3km/s，标准差分别为0.34km/s、0.38km/s，混凝土离散系数分别为8.56、8.69，表明混凝土在0～1.00m间质量较差，其余测段混凝土质量优良。结合波幅等声学参数，综合判定该段混凝土质量为Ⅲ类，混凝土均匀性为B级。
②段11-I/30：该检测段号测试深度为13.5m，其中BC剖面在深8.0～8.5m处声速小于低限值4.00km/s，影响声速平均值、临界值的计算取值，其余测段各测点声速正常；AB、BC剖面声波速度平均值分别为4.74km/s、4.24km/s，标准差分别为0.16km/s、0.22km/s，混凝土离散系数分别为3.37、5.19。结合波幅等声学参数，综合判定该段混凝土质量为Ⅱ类，混凝土均匀性为A～B级。
③段11-I/31：该检测段号测试深度为13.5m，其中AB剖面在深0～0.25m处声速小于低限值4.00km/s，混凝土质量较差，其余测段各测点声速正常，混凝土质量优良；AB、BC剖面声波速度平均值分别为4.65km/s、4.36km/s，标准差分别为0.18km/s、0.12km/s，混凝土离散系数分别为3.87、2.75。结合波幅等声学参数，综合判定该段混凝土质量为Ⅱ类，混凝土均匀性为A级。
④段14-I/39：该检测段号测试深度为11.0m，其中BC剖面在深0～0.5m处声速小于低限值4.00km/s，混凝土质量较差，其余测段各测点声速正常，混凝土质量优良；AB、BC剖面声波速度平均值分别为4.60km/s、4.43km/s，标准差分别为0.12km/s、0.16km/s，混凝土离散系数分别为2.61、3.61。结合波幅等声学参数，综合判定该段混凝土质量为Ⅱ类，混凝土均匀性为A级。
⑤段15-I/41：该检测段号测试深度为13.5m，其中AB剖面在深0～0.75m处声速小于低限值4.00km/s，混凝土质量较差，其余测段各测点声速正常，混凝土质量优良；AB、BC剖面声波速度平均值分别为4.93km/s、4.94km/s，标准差分别为0.40km/s、0.30km/s，混凝土离散系数分别为8.11、6.07。结合波幅等声学参数，综合判定该段混凝土质量为Ⅱ类，混凝土均匀性为B级。
⑥段10-I/29、段12-I/35、段13-I/36、段13-I/37：各段内混凝土声速值较高，离散性小，表明检测段内混凝土质量优良，结合波幅等声学参数，综合判定上述四段混凝土质量为I类，混凝土均匀性为A级。
各槽段检测结果及综合分析见表3。
表3地连墙混凝土质量检测综合成果表
段号
检测深度
龄期
平均声速
声速异常临界值
声速
标准差
离散系数
混凝土设计强度
质量综合分析与评判
备注
AB/BC
(m)
(d)
(km/s)
(km/s)
(km/s)
(km/s)
(%)
段10-I/29
13.0
>28
4.57
4.52
4.37
0.11
2.41
C30
整体质量优良，综合评价Ⅰ类，均匀性A级
由本测
段地连
墙混凝
土预留
同条件
混凝土
试件的
抗压强
度与声
速对比
试验结
果并结
合本市
实际测
试经验
确定该
地连墙
混凝土
质量评
价的声
速低限
值为4.00
km/s。
4.48
4.11
0.20
4.46
段11-I/30
13.5
>28
4.74
4.49
4.42
0.16
3.37
C30
整体质量较好，其中BC剖面在深8.0～8.5m处声速小于低限值4.00km/s，综合评价Ⅱ类，均匀性A～B级
4.24
3.85
0.22
5.19
段11-I/31
13.5
>28
4.65
4.50
4.30
0.18
3.87
C30
整体质量较好，其中AB剖面在深0～0.25m处声速小于低限值4.00km/s，综合评价Ⅱ类，均匀性A级
4.36
4.13
0.12
2.75
段12-I/35
9.00
>28
4.42
4.42
4.15
0.14
3.17
C30
整体质量优良,综合评价Ⅰ类，均匀性A级。因C孔堵塞严重，BC剖面没有进行检测
/
/
/
/
段13-I/36
13.5
>28
4.44
4.58
4.20
0.12
2.70
C30
整体质量优良，综合评价Ⅰ类，均匀性A级
4.72
4.38
0.18
3.81
段13-I/37
13.0
>28
4.71
4.58
4.36
0.18
3.82
C30
整体质量优良，综合评价Ⅰ类，均匀性A级
4.46
4.20
0.13
2.91
段13-I/38
9.00
>28
3.97
4.17
3.22
0.34
8.56
C30
质量一般，其中AB和BC剖面均在深0～1.0m处声速小于低限值4.00km/s，综合评价Ⅲ类，均匀性B级
4.37
3.51
0.38
8.69
段14-I/39
11.0
>28
4.60
4.51
4.36
0.12
2.61
C30
整体质量较好，其中BC剖面在深0～0.5m处声速小于低限值4.00km/s，综合评价Ⅱ类，均匀性A级
4.43
4.10
0.16
3.61
段15-I/41
13.5
>28
4.93
4.93
4.29
0.40
8.11
C30
整体质量较好，其中AB剖面在深0～0.75m处声速小于低限值4.00km/s，综合评价Ⅱ类，均匀性B级
4.94
4.17
0.30
6.07
通过对6个槽段计9个测区的检测成果综合分析和评价可得出如下检测结果。
（1）被检测槽段中，混凝土内部结构整体优良（Ⅰ类）4个，占所检测槽段的44.4%；整体质量较好（Ⅱ类）4个，占所检测槽段的44.4%；整体质量一般（Ⅲ类）1个，占所检测槽段的11.2%。
（2）被检测槽段混凝土内部结构整体优良或较好，局部槽段质量一般，在检测的剖面中多存在声测管管口附近混凝土质量较差。
5结语
以上详细介绍了声波穿透法在地连墙质量检测中的应用及其数据处理和分析方法，由此可以看出，该法具有经济、无损、快速、便于分析等优点，因而在地连墙质量检测中得到较为广泛的应用。
目前，应用地球物理探测技术对地下隐蔽工程的无损检测已经取得了很大的进展，已由试验研究阶段转向实用阶段，并在工程实践中不断得到完善和提高。但由于地下隐蔽工程的施工工艺和填筑材料的不同，其存在的质量问题也不尽相同，因此对地下隐蔽工程质量的无损检测难度也会更大，这就要求我们研究或寻找多种检测技术或方法，综合开发，综合应用，综合分析，有效地提高地下隐蔽工程质量检测的精度，并查明工程内部的质量隐患类型和位置，更好地为工程建设服务，这将是我们今后努力的方向。
参考文献
[1]刘康和.超声回弹综合法的工程应用[J].长江职工大学学报,2003,(1).
[2]杨萍,刘康和.混凝土非破损检测技术应用与探讨[J].电力勘测设计,2003,(2).
声速测量篇4
主题词：超声波;天然气;流速
Abstract: In the natural gas project, the general to used the time ultrasonic flowmeter. Noise, the fluid flow pattern and gas the temperament are the impact of factors to measure the ultrasonic flowmeter. Ultrasonic flowmeter should be noted that the correct selection and reasonable installation. Key words: ultrasonic; natural gas; velocity
中***分类号：O657.5文献标识码： A 文章编号：
1引言
超声波流量计用于流体的流速测量有许多优点。和传统的机械式流量仪表、电磁式流量仪表相比，超声波流量计的计量精度高、对管径的适应性强、非接触流体、使用方便、易于数字化管理等等。近年来，由于电子技术的发展，电子元气件的成本大幅度下降，使得超声波流量仪表的制造成本大大降低，超声波流量计也开始普及起来。
超声波流量计有多种分类方法，根绝测量原理的不同，可以分为多普勒式和时差式。
多普勒式一般用于测量含有适量能反射超声波信号的颗粒或气泡的流体，如工厂排放液、未处理的污水、杂志含量稳定的工厂过程液等。它对被测介质要求比较苛刻，即不能是洁净水，同时杂技含量要相对稳定，才可以正常测量，而且不同厂家的仪表性能及对被测厂家的要求也不一样。选择此类超声波流量计即要对被测介质心中有数，也要对所选用的超声波流量计的性能、精度和对被测介质的要求有深入的了解。一般适用于液体环境。
天然气工程中，一般采用时差式超声波流量计。
时差式超声波流量计的原理
时差式超声波流量计其工作原理如***1所示。他是利用一对超声波换能器相向交替（或同时）收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺溜和逆流传播时间差来间接测量流体的流速，在通过流速来计算流量的一种间接测量方法。
***1 时差法超声波流量测量原理示意***
***1中有两个超声波换能器：顺流换能器和逆流换能器，两只换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离，管线的内直径为D，超声波行走的路径长度为L,超声波顺流时间为td,逆流时间为tu,超声波的传播方向与流体的流动方向加角为θ。由于流体流动的原因，是超声波顺流传播L长度的距离所用的时间比逆流传播所用的时间短，其时间差可用下式表示：
其中：c是超声波在非流动介质中的声速，V是流体介质的流动速度，tu和td之间的差为：
式中X是两个换能器在管线方向上的间距。
为了简化，我们假设，流体的流速和超声波在介质中的速度相比是个小量。即：
上式可简化为：
也就是流体的流速为：
由此可见，流体的流速与超声波顺流和逆流传播的时间差成正比。
流量Q可以表示为：
气体超声波流量计的测量影响因素
（1）噪声对气体超声波流量计准确度影响。来自被测介质内部的噪声可能会对气体超声波流量计的测量准确度带来不利的影响。噪声的来源主要有环境噪声和气流经过没有全开的阀门时节流的噪声。采用气体超声波流量计上游阀门节流控制流量大小时，节流的声音随着流量的增大而增大，气体超声波流量计与标准孔板流量计的相对误差也逐步增大，气体超声波流量计的流量低于标准孔板流量计流量。当上游阀门全开，用下游阀门控制流量大小的时候，气体超声波流量计的信噪比较大且基本保持不变。
（2）流态对气体超声波流量计的影响。气体超声波流量计上游直管段最少为10D，下游直管段至少为5D，以保证进入流量计的天然气流态是对称的充分发展的紊流速度分布。根据测量管径及精度要求的不同，超声波一般分两声道、四声道、八声道集中模式。一般沿管道横截面由上到下平行分布四个声道：A声道、B声道、C声道、D声道。气体超声波流量计通过对各个声道测得的流速进行加权平均得到管道中气体的平均流速。
当上游阀门节流时，随着流量的增大，天然气在管道中的流速分布越来越不均匀，反应在超声波A、D声道的流速大于B、C通道的流速。随着流量的增大管道内气体的流速由凸形分布逐渐变成凹形分布，即沿管壁的气体流速由低于管道中心气体流速变成高于管道中心气体流速。当上游阀门全开时，没有对气流产生阻挡，随着流量的增大，管道内气体的流速分布变化不大，始终保持正常分布，符合标准规定的流态。当天然气经过没有完全开启的闸阀时，天然气由于阀门闸板的阻挡产生与管道中心轴不对称的旋转气流，经过发展成为漩涡流。
（3）气质对气体超声波流量计的影响。天然气中的凝液和粉尘对气体超声波流量计的工作性能有影响。凝液或粉尘在气体超声波流量计最底部的换能器和表体的结合处堆积，导致气体超声波流量计的工作不正常，影响流量计正常工作。多声道的气体超声波流量计能够在一个声道故障时根据其它声道测得的流量进行自动补偿运算，这个补偿过程使流量计的流量输出比正常时略有偏高。
气体超声波流量计应用中应注意的问题
气体超声波流量计测量天然气流量的实验数据表明气体超声波流量计的确有很多优点，但在使用中应该注意以下问题：
（1）正确选型。任何流量计有它自身的测量范围，气体超声波流量计测量范围很宽，一般说来最小流量和最大流量比为1：30，大口径流量计最大可以做到1：100。气体超声波流量计主要是利用测量天然气的流速来测量天然气的流量。其理想的工作流速范围为（2。7～27）m/s。所以，在进行气体超声波流量计的选型时应该充分考虑天然气在管道中的流速，避免出现超低限或超高限运行的情况。
选用气体超声波流量计作为计量装置时还应考虑是否存在声波干扰源，主要指能产生超声波信号的各种设备，如高速度、大差压的减压设备和消音设备等。安装气体超声波流量计的时候应该避开存在对流量计产生影响的声波的场合，亦可采取相应措施减小或消除噪声。
（2）合理的安装。气体超声波流量计上下游直管段应该满足要求，对于安装条件受测量现场限制的场合应该加装流动调整器。
气体超声波流量计安装方式应该水平安装。此外，在天然气含液较多的场合，气体超声波流量计及其计量管段的安装位置不应低于其上下游管道，使得天然气中凝析出来的液体能够随气流被带走，而不在气体超声波流量计处堆积，造成计量故障。对于含有大量固体粉尘的天然气应该在气体超声波流量计上游直管段外加装过滤器，否则气体超声波流量计会因为换能器表面沉积物的堆积出现故障。
结束语
气体超声波流量计作为计量性能优异的仪表，使用越来越广泛，而且技术更新很快，只有充分掌握气体超声波流量计的工作原理和性能，才能更好地了解它，使用它，让它更好地服务于天然气计量。
参考文献
[1]廖志敏，熊珊.超声波流量计的研究和应用.管道技术与设备，2004，（4）：12-14
声速测量篇5
中***分类号：TE939文献标识码：A文章编号：1003-2738（2011）12-0292-01
摘要：卤水流量的精确计量是保证卤水生产过程安全经济运行、降低消耗、提高效益、实现科学管理的基础。由于采卤泵站震动较大，且有硫化氢气体腐蚀，很难实现卤水在采输过程的精确计量。本文分析了超声波流量计在卤水采输过程中对流量计量的应用，对降低卤水输送成本具有重要意义。
关键词：卤水采输；超声波流量计；计量
一、引言
卤水学名为盐卤，是由海水或盐湖水制盐后残留于盐池内的母液。卤水流量测量是实现卤水采输过程中封闭管道中的导电性液体和浆液中的体积流量。随着工业生产过程的自动化和智能化的提高以及节能降耗和成本核算管理的要求，流量仪表在整个计量仪表中所占的比重越来越高。传统检测流量计都需要将其传感器安装在管内，并要求配置一段安装管，这不但不便于安装，而且会引起流体的压力损失、泄漏等。本文介绍了超声波流量计的工作原理，并在此基础上分析了其在卤水采输测量中的优点。
二、超声波流量计的工作原理和特点
超声波流量计是通过检测流体流动对超声束(或超声脉冲)的作用以测量流量的仪表。根据对信号检测的原理超声流量计可分为传播速度差法、多普勒法等。传播速度差法又包括直接时差法、相差法和频差法，其基本原理都是测量超声波脉冲顺水流和逆水流时速度之差来反映流体的流速，从而测出流量；多普勒法的基本原理则是应用声波中的多普勒效应测得顺水流和逆水流的频差来反映流体的流速从而得出流量[1]。
（一）时差法测量原理。
超声在流体中的传波速度受流体流速的影响，超声波在流体中顺流传播时，速度将加快，逆流传播时速度会减小，两个速度的差值越大，表明流体流速越快，反之则慢。时差法测量流体流量的原理如***1所示，在管道的上下游安装两个传感器A和B距离为L，L与水平方向的夹角为 。设静止流体中的声速为 ，流体流动的速度为 ,当超声波传播方向与流体方向一致时。超声波的传播速度为 ；而当超声波传播方向与流体流动方向相反时，超声波的传播速度为 。
***1 时差法测量流体流量原理***
从***1可以看出，探头A向探头B发射超声波信号为顺流方向，其传播时间为： ，反之逆流方向传播的时间为： ，二者时间差为：
（1）
由于静止流体中的声速 远远大于流体流动的速度 ，故 可忽略不计，则有：
（2）
得到的流体流速为： （3）
式（3）中的 、L、 均为常数，所以测得时间差 即可知道流体流量。
（二）多普勒法测量原理。
多普勒法测量原理，是依据声波中的多普勒效应，检测其多普勒频率差。两个换能器对称地装在待测流体管路两侧，发射换能器发射频率为 的超声波信号，经过管道内液体中的悬浮颗粒或气泡后，频率发生偏移，以 的频率反射到接收换能器，这就是多谱勒效应。 与 之差即为多谱勒频移 。多普勒频移正比于流体中颗粒的运动速度，即流体的运动速度，因而只要平均流速与流通截面积相乘即可得体积流量。若颗粒以与流体相同的速度 运动，静止流体中的超声波声速为 ，声波发射方向、反射方向与流体流动方向的夹角分别为 ，则由于颗粒的漫反射而进入接收换能器的超声频率 可表述为：
（4）
当 远远大于 时，（4）式可化为：
（5）
在 的情况下有：
（6）
则可得到多普勒频移 为：
（7）
三、超声波流量计在采输卤水中应用应注意的事项
（一）测量点的选择。
超声波流量计的安装在所有流量计中是最简单便捷的。采用超声波流量计测量采输卤水流量时，只要选择一个合适的测量点、把测量点处的管道参数输入流量计中，然后把探头安装在卤水采输管道上即可。选择测量点要求一定的直管段，要选择流体流场分布均匀的部分，以保证测量数据准确。一般遵循以下原则：1.要选择充满流体的管段，如管路的垂直部分或充满流体的水平管段。2.测量点要选择距上游10倍管径，下游5倍管径以内的均匀直管段．没有任何阀门等干扰。3.充分考虑管道内壁结垢状况，尽量选择无结垢管段测量，实在不能满足，可把结垢考虑为衬里以求较好的测量精度。4.选择管材均匀致密，易于超声波传输的管段。
（二）探头安装方式。
采用超声波流量计对采输卤水管中的流量进行计量时，合理的探头安装方式对提高流量计量精确度至关重要。超声波流量计一般有两种探头安装方式，即Z法和V法。一般在小管径时 (管径100-300mm)可先选用V法；V法测不到信号 或信号质量差时则选用Z法。管径在300mm以上或测量铸铁管时应优先选用Z法。V法一般情况下是标准的安装方法，使用方便，测量准确。可测管径范围为25mm至大约400mm。安装探头时，注意两探头水平对齐，其中心线与管道轴线水平一线。当管道很粗或由于液体中存在悬浮物、管内壁结垢太厚或衬里太厚，造成V法安装信号弱时，要选用Z法安装[2]。
（三）检查安装。
检查“安装”是指检查超声波流量计探头安装在采输卤水管的位置和方式是否合适，是否能够接受到正确的、足够强的、可以使主机正常工作的超声波信号。安装的好坏直接关系到卤水流量值的准确和机器长时间的可靠运行，主要通过主机检查两个参数：信号强度、信号质量。信号强度是指上下游两个方向上接收信号的强度。信号强度越大，测量值越稳定可信，越能长时间可靠的运行。信号强度与探头的安装位置调整、安装间距、管道情况有关。
（四）超声波流量计在采输卤水应用中常见问题及解决方案。
由于卤水输送过程中卤水中掺杂的介质较多时，这将导致超声波流量计探头使用一段时间后会出现不定期的报警，这种问题在实际运用中会较常见。解决办法：定期清理探头(建议一年清理一次)。其次超声波流量计输送的卤水中含有水等液体杂质，流量计引压管容易产生积液，气温较低时会出现引压管冻堵现象，尤其在北方地区冬季较常见。解决办法：对引压管进行吹扫或加电伴热。
四、结束语
卤水的特性限制着卤水在采输过程的精确计量，超声波测流计以其测量精度高、实时性好，同时适于解决流量测量困难问题的一类流量计，特别在大口径流量测量方面有较突出的优点，超声波测流计在测量采输卤水中的流量应用越来越得到重视。随着国家对卤水需求量的增大和超声波测流技术普及和成本的降低，超声波测流计将很快成为卤水采输过程中主要测流手段而得到广泛的应用。
参考文献：
声速测量篇6
【关键词】超声检测；灌注桩混凝土
引 言
用超声检测灌注桩抗压强度的意义十分重大，超声属于一种无损检测手段，有无损、迅速、准确等优点。用超声检测灌注桩缺陷比较成熟，但是，目前国内还没有关于超声检测混凝土强度的规范，也就没有全国统一的测强曲线，因此还不能用超声波检测混凝土的强度.灌注桩施工过程的质量监测，目前常用的方法是取芯，但是这种方法有很多的缺点，比如对构造物有破坏性、取样率低、速度慢、不能对桩体强度分布作出判断，而超声法解决了以上的问题。混凝土强度与超声波传播速度之间的相关规律是随着技术条件不同而各异的，即定量关系是受原材料和工艺条件如水泥品种、粗骨料品种和含量、龄期、养护条件等因素影响的.因此各类混凝土没有统一的声速-强度关系曲线，即不能根据超声声速推算预先不知道强度关系的某种混凝土强度。
1、超声检测灌注桩混凝土的基本原理、方法及适用范围
混凝土是由多种材料组成的多相非匀质体。对于正常的混凝土，声波在其中传播的速度是有一定范围的，当传播路径遇到混凝土有缺陷时，如断裂、裂缝、夹泥和密实度差等，声波要绕过缺陷或在传播速度较慢的介质中通过，声波将发生衰减，造成传播时间延长，使声时增大，计算声速降低，波幅减小，波形畸变，利用超声波在混凝土中传播的这些声学参数的变化，来分析判断桩身混凝土质量。声波透射法检测桩身混凝土质量，是在桩身中预埋2～4根声测管。将超声波发射、接收探头分别置于2根导管中，进行声波发射和接收，使超声波在桩身混凝土中传播，用超声仪测出超声波的传播时间t、波幅A及频率f等物理量，就可判断桩身结构完整性。声波透射法适用于检测桩径大于0.6m混凝土灌注桩的完整性，因为桩径较小时，声波换能器与检测管的声耦合会引起较大的相对测试误差。其桩长不受限制。
2、超声法检测灌注桩混凝土强度试验
超声波在混凝土中的传播速度取决于混凝土的密度和弹性性质，而混凝土的弹性模量又与抗压强度存在着内在联系.所以混凝土中超声波的传播速度v与混凝土的抗压强度之间也有着良好的相关性，即混凝土的强度越高，相应的超声声速值也越高。混凝土强度与超声波传播速度之间的相关规律是随着技术条件不同而各异的，即定量关系是受原材料和工艺条件如水泥品种、粗骨料品种和含量、龄期、养护条件等因素影响的.因此各类混凝土没有统一的的关系曲线，即不能根据超声声速推算预先不知道关系的某种混凝土强度。本文通过对不同的龄期和不同设计强度等级的室内大量立方试块、模型桩以及现场工程桩的声速的测定，用统计分析方法建立起不同的设计强度、不同龄期的混凝土声速与时间强度之间的相关关系。从而建立本地区的超声测强曲线，利用该曲线测定超声声速可推定混凝土的强度。
2.1 立方体试块率定试验
试块的制作分六种强度等级，即C10、C20、C30、C15、C25、C35.试块尺寸为150mm×150mm×150mm，每种设计强度各做30块.试块的原料选用425普通硅酸盐水泥.最大粒径不超过40mm碎石、中砂.按《普通混凝土配比设计规定》（JGJ55-81）的配比设计.制作时各种原材料均过磅，采用人工振捣方式，室内水池中进行养护。各设计强度试块依各预定龄期（3、5、7、10、15、28天），用一对小型径向换能器紧紧靠在试块的对称边上，每个试块检测3个点的声参量，每个点包括首波声时和振幅.各设计强度试块在每个龄期全部进行声参量测试，检测完毕后，每组（3块）擦干后放在压力机上做破坏性试验，得出此龄期的抗压强度值.
2.2 模型桩试验研究
模型桩试验的灌注是按照如下数据进行，桩身10m，桩径1.3m，按混凝土设计强度等级模型桩分三组：分别为C20两根桩，C30两根桩，C40一根桩.每根桩径向设置一对声测管Υ38钢管.模型桩每到一定的龄期（3、5、7、10、15、20、28天）后，进行超声检测，测得首波声时值和首波幅度值。
2.3 工程桩超声检测试验工程
桩取自位于A工程出口的改建桥梁，总计做10根.其桩身33m，桩径1.3m，结合研究对现场工程桩进行不同龄期检测试验，检测龄期为3、7、10、15、28天，同时预留试块30块，试块超声法检测龄期为3、7、10、15、28天.工程桩超声检测的方法是将发射和接收换能器分别置于注满清水的两声测管中，以相同高程，等间距自上而下同步移动，并由超声检测仪逐点采集记录首波时值和首波幅度值.
3、钻孔灌注桩桩身混凝土强度的推定及工程应用
桩身混凝土强度的推定有两种情况：一种是以总体验收为目的，即给出其全桩的平均强度；另一种是以缺陷区或低强度区的强度值验算为目的，给出低强度值，以便确定处理方案。我们将上述两种情况分别处理。
比如，灌注桩缺陷区及桩纵剖面逐点混凝土强度的估算中，钻孔灌注桩由于施工中水文地质，机械故障，操作失误，管理不善等原因，有时会发生断桩、夹泥、夹砂以及灌注不良造成局部缺陷，如不密实，离析等事故。通过超声检测若确定为严重缺陷，如大面积夹泥、夹砂等松散物，则该区可作无强度处理。但是，如果缺陷为混凝土低强度区，则仍具有一定强度。若能确定缺陷区内混凝土的强度，给出全桩纵向各处的深度─强度值，则对缺陷桩的安全核算及确定修补方案具有重要指导意义。根据本次试验研究成果，采用“声速─衰减”综合法，进行推算桩纵剖面逐点混凝土强度效果较好。该法采用声速、幅度两项参数来推算桩纵剖面逐点强度。其公式如下：
式中，a为各测点的衰减系数（a=第i点首波幅度值平均幅度值）；其它符号意义同前。采用该法时应保证探头在声测管中的耦合稳定，在同一根桩内检测只能用同一对反射和接收换能器，以保证a值的稳定测量和准确性。
总之，对于均匀性较差的桩，以及缺陷桩，要检测和推算其各点强度。如果工作做得仔细，用“声速─衰减”综合法能取得较好的结果。
结束语
超声检测较其它检测方法有它的优越性。如：大长灌注桩的检测；超声检测能提供信息施工；方便可靠；不但能检测基桩混凝土灌注质量的均匀性、桩身的完整性，还能推算混凝土强度。是目前基桩检测中应用比较广泛的一种手段。针对某一工程可在现场做150mm立方体试块7～10组（21～30块），分别在不同龄期下（3天、5天、7天、10天、15天、20天、28天），用上述试验的方法，做超声检测和抗压强度试验，建立不同龄期下，声速与强度的关系式，求出A、B值。将现场建立的关系式和A、B值用于此工程即可。
参考文献
[1]陈达力.超声检测灌注桩混凝土缺陷的判断方法[C].//第三届浙江省岩土力学与工程学术讨论会论文集.1997：163-168.
[2]王英.混凝土灌注桩工程质量超声波检测理论、方法及应用[D].山东科技大学，2005.
声速测量篇7
关键词：桩基检测；声波透射法；影响因素
中***分类号：TU473文献标识码： A
一、前言
作为建筑物基础部分的基桩，其作用在于穿过软弱的可压缩性土层，把来自上部结构的荷载传递到更密实“更坚挺”压缩性小的土层或岩层上。它不仅承受上部结构的垂直轴向荷载，而且还可能承受上部结构因风力“水流”撞击等横向推力所引起的侧向荷载和弯矩，以及地震状态下的复杂应力，因此其质量好坏，直接关系到建筑物的安全使用。随着无损检测技术的迅速发展和日臻成熟，声波的透射法检测已成为工程质量控制不可或缺的手段。它借助超生检测仪，获取与混凝土性质相关的三个声学参量，即声时（声速）、波幅和频率，再根据这些声学参量对混凝土灌注桩的桩声完整性做出评价。本文结合大量现场检测过程中容易出现的问题探讨声波透射法检测的影响因素。
二、基本原理
声波透射法检测桩声完整性的基本原理是：有超声脉冲发射源在混凝土内激发高频弹性脉冲波，并用高精度的接收系统记录该脉冲波在混凝土内传播过程中表现的波动特征，当混凝土内存在不连续或破损界面时，缺陷面形成波阻抗界面，波达到该界面时，产生波的投射和反射，使接收到透射能量明显降低；当混凝土内存在松散、蜂窝、空洞等严重缺陷时，将产生波的散射和绕射。根据波的初至到达时间和波的能量衰减特征、频率变化及波形畸变程度等特性，可以获得侧区范围内混凝土的密实度参数。声波透射法检测桩身质量，即通过测试记录不同侧面、不同深度的超声波动特征，经处理分析判别测区内混凝土的参考强度和判断桩身的完整性类别。
三、声波透射法检测的影响因素
超声波检测桩身、桩椴混凝土的灌注质量，主要通过测量在测距内超声波传播的平均声速、波幅和频率三个声学参数来了解混凝土的灌注质量的。作为从事检测工作的技术人员必须熟悉影响声波测量的主要因素，在检测和数据分析处理中自觉排除这些影响。这类因素本身与混凝土无关，但又对声波检测带来一定影响。
1、测试路径距离的影响
声波透射法检测灌注质量之前首先是量测桩两声侧管外壁间的净距离，即声波通过的两管之间混凝土的距本原则而研制。预制钢筋笼时两管之间的距离并非与测量面两管距离相等，尤其是在中长桩（装长达30m以上）很难保证。因此在预制钢筋笼时，除了要求管子焊接顺直、平行外，在现场还应进行管距的量测，测试路径量测精度的高低直接影响声学参量测量的准确性，一般测试误差应小于1%。
2、耦合剂的影响
在声波透射法检测过程中，往往在声管中注入清水作耦合剂，但一些工程实例中，发现声测管中注入的是泥水或者污水。一方面在经过一段时间的静置后，泥水发生沉淀，使换能器未能测试到管底；另一方面污水中悬浮的小颗粒使声波产生折射影响声波的传播及接收，如某大桥的水中桩，直接注入污染的江水做声管耦合剂，导致无法正常检测，当用清水置换管中污水之后，检测得以顺利进行。
3、检测探头的影响
用不同的换能器测量时，其波形相差很大。不同批次不同厂家生产的换能器有些实测波幅较高，达100dB以上，有些只有40~50dB。因此对桩基检测的雷管状增压式探头波形应作合理的分析，尽量做到匹配使用。
4、桩基钢筋的影响
钢筋截面积较小，其接收信号远小于混凝土信号。实际测试时，可通过仪器中的增益旋钮制箍钢筋的接收信号：当有较粗的横向钢筋时，应从波形上加以区别。
5、声测管管接头的影响
做声测管的管材一般都不长（钢管为6m长一根），当受检桩较长时，需要几节联结起来。联结方式有螺纹联结和套筒联结，一般选择套筒联结，联结工艺用10cm短管节，其内径大于声测管外径3~5mm，套焊接而成。超声检测时，若换能器正好处于在两管接头之处时，这样就会造成声时少有增大，声速下降不太明显，但首波波幅下降很明显，对于1200mm的测距大约会下降20dB左右。因此在检测和分析数据时，深度―幅度曲线上如出现有规律的波幅突变时，应分析是否是管接头的影响。
6、桩低声测管弯曲的影响
在预制钢筋笼的安装以及混凝土灌注过程中，特别是钢筋笼非通笼时，会造成声测管底部弯曲变形，使管距增大或变小，有时设计的桩底钢筋笼直径缩小（变径），为了保证声测管压弯或打折，甚至折断。当桩底声测管弯曲，使发射与接收换能器不再保持平行，造成波幅降低。由于桩底是缺陷易发生部位，根据此类曲线很难判定桩底是否存在缺陷，很可能发生漏判、误判，给工程留下安全隐患。
7、泥浆护壁灌注桩泥浆比重过大的影响
当泥浆比重过大时，在局部声测管周围会附着一薄层泥皮，两声管测之间发射换能器发射上的声波将穿过泥皮，声波通过低声速介质。当泥皮较薄时，对声速影响不明显；当泥皮较厚时，将首波波幅下降，严重时会出现丢波现象，有时还会造成首波误判。
8、灌注桩桩底沉渣的影响
当超声检测到桩底时，有时会出现桩底声速和首波幅度急剧下降的情况。可能是由于桩底沉渣沉淤太厚，超过300~600mm，甚至更大。沉渣的声速在2.0km/s以下，首波幅下降25~30dB左右。
9、混凝土龄期影响
混凝土声速随龄期的增加而上升（在一定期间内）。但在硬化初期，声速很低，与泥沙夹层难以区别。而且混凝土对声能的吸收系数较大，信号较低。实验证明：混凝土强度达到设计标号70%以上时，便于明确的判断缺陷的存在。一般需要10~15天时间。
10、零声时的影响
零声时分为系统延时（t。）和现场检测的零声时（t。′）两部分。在检测时，仪器所显示的脉冲与接收信号之间的时间间隔，实际上是发射电路施加于压电晶片上的电信号的前缘与接收的声波被压电晶体交换成的电信号的起点之间的时间间隔，在电延迟时间、电声转换时间和声延迟三部分延迟中，声波延迟所占比重最大，称系统延时。它的标定方法一般采用时距法。现场检测时的零声时（t。′）为（t。′）=（d1-d2）/Vw+(d3-d1)/Vp(d1―声测管内径d2―换能器外径，Vw―耦合介质的声速，d3―声测管外径，Vp―声测管介质的声速)。系统延时（t。）的标定方法不正确和现场检测时的零声时（t。′）的计算有误，都将对检测结果造成一定的影响。
声速测量篇8
混凝土灌注桩是桥梁工程桩基础中的主要形式，由于其成桩质量受地质条件、成桩工艺、机械设备、施工人员、管理水平等诸多因素的影响，较易产生夹泥、断裂、缩颈、混凝土离析、桩底沉渣较厚及桩顶混凝土密实度较差等质量缺陷，危及主题结构的正常使用与安全，甚至引发工程质量事故，加上是隐蔽工程，因此加强对桩基础质量的现场检测十分必要。为此国家近年来先后出台了《建筑基桩检测规范》（JGJ106-2003)和《公路工程基桩动测技术规程》（JTG/T F81-01-2004),进一步明确要求规范基桩工程的现场质量检测工作。
与其它方法相比较，声波透射法有以下特点：
1、 检测全面细致，检测范围可覆盖整个桩长的各个断面，几乎无检测“盲区”
2 、检测结果准确可靠，全桩长的断面扫描检测，加上短距离时声波对较小范围的缺陷也较为敏感，可以较为准确的各缺陷部位在深度方向的准确位置和范围，便于缺陷的分析与处理。
3 、不受桩长、 桩径的限制 ，也不受场地的限制。
4 、检测较为快捷方便。因此该方法已成为大直径、长桩的混凝土灌注桩完整性检测重要手段
本文结合在使用北京康科瑞非金属声波测试仪在桩基检测工程中的应用，对声波透射法的检测做出一些总结 。
二、检测实例分析
⑴桩1为摩擦灌注桩，设计桩长37.8m，桩径 1300 mm，混凝土强度等级C25.各个剖面声学参数均无异常，声速离散系数均小于5%，混凝土均匀性等级为A，桩身完整，判为Ⅰ类。
⑵桩2也为摩擦灌注桩，设计桩长44.6米，桩径 1500mm，混凝土强度等级C25.其中3个剖面18.6米处同时出现声学参数异常，异常范围的波速比平均波速下降 20 %，波幅比平均波幅下降 30dB;该桩判为Ⅱ类桩。
三、超声波检测中的若干体会
1、应正确理解并处理相关规范中关于桩身完整性的判定
基桩检测的相关规范中，根据桩身是否存在缺陷及存在缺陷的严重程度，将桩的完整性分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 、Ⅳ共四个类别；并根据各检测剖面的声学参数异常点的分布情况及异常点的偏离程度，决定被测桩的完整性类别；对实际的检测数据，采用概率法确定声速临界值来评判声速是否异常，采采用平均幅度减去6dB作为幅度临界值来评判幅度是否异常。
但是由于混凝土是集结型的复合材料，多相复合体系，分布复杂界面（骨料、气泡、各种缺陷），因此其检测的声参数据波动较大，加上灌注桩的混凝土需要自密实、地质条件以及成桩工艺复杂等情况，其声参量的波动性就更大了，因此在实际测试的过程中完全不出现异常测点的可能性较小，因此不能机械的理解并执行规范中桩身完整性的判定标准（规范对声参异常判断均采用“可判断”），否则工程上很难有Ⅰ类桩，也不符合桩的完整性分类的定义。因此理论异常点只是可能的缺陷点，还应结合实际，根据以下五个方面进行综合判定。
① 异常点的实测声速与正常混凝土声速的偏离程度
② 异常点的实测幅度与同一剖面内正常混凝土幅度的偏离程度
③ 异常点的波形与正常混凝土的波形相比的畸变程度
④ 异常点的分布范围及其他剖面异常点的分布情况
⑤ 桩的类型（摩擦型或端承型）、地质情况及成桩工艺，桩的类型及地质情况决定了混凝土的压应力及弯矩大小随深度的变化规律，因此相同大小及程度的缺陷在桩身不同深度对该桩是否达到设计要求的影响程度差别较大，应适当加以区分
2、判断混凝土质量的几种声学参数的比较
声速：声速的测试值比较稳定、重复性较好，受受非缺陷因素影响小，在同一根桩的不同剖面以及同一工程混凝土配合比相同的不同桩之间相互比较，是判定混凝土质量的主要参数，但是声速对缺陷的敏感度不如波幅。
波幅：接收波波幅通常指首波波幅，即第一个波的前半周期的幅值，在发射强度一定的情况下，波幅值的大小直接反映了超声波在混凝土中传播衰减的情况，波幅对缺陷很敏感。是判断混凝土质量的另一个重要参数。但是波幅的测试受仪器设备性能、换能器耦合状态以及测距等诸多因素的影响，同条件下在同一根桩的不同剖面或者不同桩之间不具备可比性。
波形：接收波形也是反映混凝土质量的一个重要信息，它对混凝土内部的缺陷也很敏感，在在现场检测时，除逐点读取首波的声时、波幅外，还应观察整个接收波形态的变化，作为声波透射法对混凝土质量进行综合判定时的一个重要参考信息。
3、声学参量与缺陷性质的关系
混凝土内部存在缺陷必然会引起声学参量的变化或波形畸变。
① 对于混凝土离析造成的骨料堆积、砂浆缺少的缺陷，由于骨料声速高于砂浆，因此该缺陷处的声速基本不会比正常混凝土低甚至偏高，但是声波经过的界面明显增多，导致幅度下降。相反对骨料少而砂浆多的低强度区其波速偏低，但幅度基本不变甚至偏高。
② 对于坍塌形成的缩颈、夹砂夹泥缺陷，导致该处的声速、幅度较正常混凝土均有明显下降，因为缺陷介质的声速低于混凝土，衰减系数高于混凝土。
③ 桩底一段深度范围内的波速和幅度的明显下降表明桩底存在一定厚度的沉渣，因清孔不彻底遗留在成孔过程中的地层松散体，成分复杂、波速低、衰减大。
④ 桩头部分波速和幅度明显、缓慢下降一般表明该范围内浮浆过多、强度较低，因为灌注桩浇筑工艺会导致在浇筑过程中上部骨料较少，浮浆及气泡较多，如果浇筑到桩头部位时上述浮浆未排除会造成波速和幅度及强度降低。
⑤ 若导管提升不当，或施工故障导致停留时间过长，拔管清理不干净、二次浇注，形成断桩，造成声速和幅度的急剧下降、波形严重畸变或无法接收波形，且所有其他剖面的大致相同深度范围均会存在上述异常情况。
对于缺陷的性质除根据声参量的变化情况外，还必须结合地勘报告、施工工艺、甚至施工记录综合分析进行判定。
四、检测现场常见问题或故障的判断及处理
1、检测过程中接收信号突然消失
有两种原因可以造成此类现象，一是声测管内无水，二是设备系统故障。首先应检查声测管内是否有水，可在采样状态下迅速往管内注水，至现象消除。否则将换能器提出声测管，平行靠近（5cm左右）放在空气中，采样观察是否有波形。无接收波形则是设备系统故障。
2、发射正常接收时好时坏
换能器刚下水测试时波形正常，一会儿波形逐渐异常，甚至无接收波形，提到声测管外面后波形正常，或提出声测管外、待换能器干燥后波形正常。该现象是由于换能器信号线破损（漏水）、水密性丧失、遇水压大时渗透到换能器主题造成，换能器故障。
3、桩头最后一测点声速、幅度急剧下降
一些桩在桩头部位的最后一个或几个测点的声参量急剧下降，而桩头部位混凝土表现良好。该现象可能是在剔除桩头（使用机械设备）时，引起声测管与混凝土脱离（产生间隙）或者混凝土局部破损（产生裂隙）而造成。可在声测管外壁或桩头混凝土浇清水，该现象会好转。
声速测量篇9
关键词： 测深仪；原理；应用
引言
海洋声学仪器发展迄今为止，出现突飞猛进的技术飞跃，国际上推出许多先进的海洋声学设备，如：多波束海底成像系统、数字测深仪、水下声标应答器等等。而测深仪只是声学仪器家族中最常用的一种设备，水深测量经历了如下几个发展阶段：测绳重锤测量（点测量）；单频单波束测深（点测量）；双频单波束测深（点测量）；波束测深（面测量）；机载激光测深（面测量）。水下地形测量的发展与其测深手段的不断完善是紧密相关的。目前国际上大多型号的测深仪还是采用机械记录针式或热敏记录方式。国内目前使用最多的测深仪还是机械记录针式的，体积大，功耗大，故障率高[1]。数字成像测深仪用先进数字处理的方法捕捉水底回波信号，既精度高，又稳定可靠。回声测深仪是目前国内商品化测深仪中最先进的测深仪。
测深仪工作原理
测深仪工作原理是利用换能器在水中发出声波，当声波遇到障碍物而反射回换能器时，根据声波往返的时间和所测水域中声波传播的速度，就可以求得障碍物与换能器之间的距离。声波在海水中的传播速度，随海水的温度、盐度和水中压强而变化。在海洋环境中，这些物理量越大，声速也越大。常温时海水中的声速的典型值为1500米/秒，淡水中的声速为1450米/秒。所以在使用回声测深仪之前，应对仪器进行率定，计算值要加以校正。
1、声波测深原理
假设声波在水中的传播水面速度为V，当在换能器探头加窄脉冲声波信号，声波经探头发射到水底，并由水底反射回到探头被接收，测得声波信号往返行程所经历的时间为t，则：
Z = V*t/2
Z就是从探头到水底的深度，再加上探头吃水就是水深了。
声波测深的关键技术是时间门跟踪技术，由于水底的变化是比较平缓的，两次测深之间（约0.1秒），水深变化不会太大，我们假定二次深度的变化量为±10%，则我们就在上次正确回波时刻前10%×Z到后10%×Z开一道时间门，只有在时间门内的回波我们才认为是正确的回波，这±10%就叫时间门宽度，一旦时间门内没有回波，就逐渐扩大时间门直至全程搜索回波，直原理到重新捕获正确的回波。
2、 多波束测深
多波束测深系统是从单波束测深系统发展起来，能一次给出与航线相垂直的平面内的几十个甚至上百个深度。它能够精确地、快速地测定沿航线一定宽度内水下目标的大小、形状、最高点和最低点，从而较可靠地描绘出水下地形的精细特征，从真正意义上实现了海底地形的面测量。与单波束回声测深仪相比，多波束测深系统具有测量范围大、速度快、精度和效率高、记录数字化和实时自动绘***等优点。
多波束测深是水声技术、计算机技术、导航定位技术和数字化传感器技术等多种技术的高度集成。其工作原理是通过声波发射与接收换能器阵进行声波广角度定向发射、接收，通过各种传感器对各个波束测点的空间位置归算，从而获取在与航向垂直的条带式高密度水深数据。典型多波束系统应包括3个子系统：①多波束声学子系统包括多波束发射接收换能器阵和多波束信号控制处理电子柜；②波束空间位置传感器子系统包括电罗经等运动传感器、DGPS差分卫星定位系统和SVP声速剖面仪。③数据采集、处理子系统（包括多波束实时采集、后处理计算机及相关软件和数据显示、输出、储存设备） [2] 。
通常按照测量量程可以分为浅水多波束，中水多波束，深水多波束。按照工作原理可以分为条带多波束和相涉多波束。多波束测深仪能同时获得几十至数百个水深数据，把传统的“点一线”测量变成了“线一面”测量，在利用现代计算机技术进一步处理后，可获得平面甚至立体的测量成果***，是专门为浅海和江河湖泊水下地形地貌测量研制的尖端测深工具。
影响测深仪精度的分析
测深仪精度应理解为改正后测深仪的精度。测深仪深精度主要取决于对影响水深值的系统误差和可能的随机误差的估计精度。总传播误差由所有对测深有影响的因素所造成的测深误差组成，其中包括：① 与声信号传播路径（包括声速剖面）有关的声速误差，水温、含盐量和静压力对超声波传播速度的影响，以温度的影响最为显著。通常水温随水深的增加而降低，水压随水深的增加而增大，所以温度的降低和水压的增加对声速的影响几乎相互抵消，水底坡度误差也是由于水底不平坦时声波反射回来的信号时间不一致，造成在显示器上出现一个相当宽的回波信号带而引起的测量深度的读数误差；② 测深与定位仪器自身的系统误差；③ 潮汐测量和模型误差；④ 船只航向与船摇误差；⑤ 由于换能器安装不正确引起的定位误差；⑥ 船只运动传感器的精度引起的误差，如纵横摇的精度、动态吃水误差；⑦ 数据处理误差等等。总之，提高测深仪测深精度的方法，一方面是尽可能利用高精度仪器监测并减弱测量中的各种误差，另一方面就是利用各种误差模型进行误差估计。
测深仪的应用
测深仪可以用来测量水的深度，它是一种测量水深的船用导航仪器。船舶通过测量水深可以辨认船位；在开辟新航区或在浅水区航行时，可为船舶导航，以保证船舶航行安全；在航道及港口测量方面，它可提供准确的水深资料。目前在众多的导航仪器中，回声测深仪仍是船舶必不可少的导航设备之一[3]。
测深仪也可以是测量海底地形的主要工具， 海底地形测量是测量海底起伏形态和地物的工作。是陆地地形测量在海域的延伸。按照测量区域可分为海岸带、大陆架和大洋三种海底地形。特点是测量内容多，精度要求高，显示内容详细。
当前城市河道建设及整治已成为生态城市建设的一个重要组成部分，通过测深仪可以有效的对城市河道进行基础的测绘，获得水下深度，得到城市河道水下地貌，能为生态城市的建设规划提供有力的保障。
总结
海洋声学仪器发展迄今为止，出现突飞猛进的技术飞跃，先进的测深仪不断被推出，经过复杂的数字处理实现高精度和高可靠测量，进一步促进了测深仪的更新换代，对船舶运输、地形测绘及海洋工程有重要意义。
参考文献
[1]王宁.工程技术.中国新技术产品.2011.
声速测量篇10
【关键词】抽油井 液位测量 深度精度
液位值在抽油井测试过程中十分重要，它是了解抽油井供液情况和确定抽油井深度状况的重要指标。在抽油井的实际测量工作之中，对于液位测量的尝试与精度仍然存在着误差大，不方便等弊端。本文则围绕这一问题探讨有效的提高抽油井液位测量深度与精度的方法。
1 抽油井液位测量存在的主要问题分析
我国许多油田使用声波反射法进行液位测量，所使用的探测仪称为回声仪，它是根据回声测距原理工作的，测量距离一般不超过两千米。从现场使用情况看，该方法主要存在如下几个问题。
1.1 液位测量深度较低
因为时间很短，不容易控制，而不是通过增加脉冲宽度来提高测量的深度；此外，由于壳体声饱和，这是不可能改善声音的强度，同时，由于油管接箍套的存在，由于声波的反射和衰减快的多因此，这种方法一般是二千米范围内的液位测量。特别是当时出现泡沫段时，将不会有明显的界面，声波是泡沫吸收，此时如果表面深度只有几百米，不能准确测量。
1.2 液位测量精度较低
声音的速度是根据回音标或耦合的回波信号，计算是近似的，只有从附近的一个节点可以接收反射波井口。因为套管环形空间气相介质的压力，温度和密度与深度不同，所以通过实际速度的平均速度更换将带来较大的误差，从而降低测量误差精度，有时几十米。随着油井深度的增加，回波信号越来越弱，最后液面以上的水平从最近的耦合回波和面信号消失的噪声，容易造成的错误。更大的深度，误差值增加。
1.3 脉冲信号（***声信号）能量利用不足
如果信号为矩形脉冲信号，正弦函数的频率分布。脉冲频率分布更广泛，更集中向低频率；脉冲频率分布更窄，向高频率色散。根据气体中声传播的规律，声波，声波频率气体吸收系数的平方成正比。套管井，由于截面配筋的固有频率相对密集，振动及其各阶固有频率的声管耦合，相似成分容易刺激钢管对应的频率，也使声能损失。
脉冲信号，特别是信号的持续时间很短，频谱分布较宽，脉冲能量是在高频率分布的一个重要组成部分，并随着传播距离的增加，这些高频声波的能量会迅速衰减，即脉冲能量已经不在位置，充分利用。
1.4 低频信号的接收、检测和处理方法灵敏度低
由于高频成分被衰减掉了，所以，深度越大，返回声波的频率就越低，强度也越弱。因此需要高灵敏度的低频信号接收装置。套管井内部情况复杂，背景噪声较大，即使有回波信号也可能淹没在背景噪声中。显然，提高测量仪器的接收灵敏度和信噪比可扩大回声法的量程，高灵敏度仪器的研制、使用意义重大。
2 提高抽油井液位测量深度与精度的方法探讨
2.1 提高测量深度的方法
提高测量深度必须从以下几个方面考虑。这是改善声源性能，减少声音传输损耗，提高辐射强度，提高灵敏度和分辨率的接收。套管和油管形成声波导之间的环形空间。根据声学理论，在波导色散的理想平面波，不衰减。但在套管威尔斯的实际情况，许多因素可以引起声衰减的存在，包括耦合的反射，吸收，散射和耦合振动的管壁吸收的介电弛豫。套管威尔斯，只有在声学特性的声传播损失。
为了提高测量深度的增加传输距离。为了寻找声源的合适的分析功能，对激励强度，形式，频率的影响，对声传播距离和ANSYS的声衰减时间等因素的影响，在低频声波频率注射套管，零点六兆帕的喷射压力（低压），0.3秒的持续时间，在半开放式六十毫米直径的阀门，从井口阀门三百米的外壳可以超过六千帕压力。压力和开放程度更大，更强的声功率的喷注生产能力更强，传播得更加深远。无论是高压或低压的状况，开口小（半开）喷注生产，由于小孔节流作用是相对稳定的，可产生高强度宽脉冲压力波在套管，传播距离，非常适合用于回声测距。零点六兆帕的注射压力，在油田的八毫米的喷嘴直径，从井上与***壳分别采用声学和射流声学测量深度当接收到的信号可以看出，回波信号强度产生射流的声源是高于的回波信号源，更有利于在后期的识别和处理。显然，该喷射源的使用能提高回波法的范围。
2.2 提高测量精度的方法
提高测量精度的关键是要准确地获得套管井内的声速。所以，要利用自相关函数周期识别性的特点，对接收信号进行分帧短时处理。目前普遍采用的声速确定方法是，首先对接收到的回波进行带通滤波以凸现接箍波，然后根据一段清晰可辨的连续规则接箍波对应的距离和声波传播时间计算该段的平均声速，以此作为整个油井套管环隙内的声速。然而，实际应用中清晰可辨的连续规则接箍波的个数有限，甚至有时根本无法找出一段清晰可辨的规则接箍波以至于无法确定声速。况且，以上方法均以较短距离内的平均声速作为整个套管环隙内的声速，忽略了声速的变化，容易引起较大的测量误差。
2.3 采用适宜的科学仪器提高测量的精度和深度
采用油井检测专用仪器仪表工具可以很好地提高抽油井液位测量的深度和精度。以油井液位示功***综合测试仪为例。
该仪器在测量时有如下优点：其一、测液面不用打子弹。本设备只需操作人员用手轻轻敲击放气阀，瞬间释放套管气体，便可发出声音信号传输到油井液面，通过敏感回音接收器处理信号后直接在手持器液晶上显示液位深度，并可直接显示套压值。没有套压的油井，配有专用空气压缩工具。
其二、测示功***不用卸载荷。本设备只需将光杆传感器直接卡固在抽油机光杆上，光杆传感器测量光杆直径变化率和自身位置的变化，并转换成相应的负荷变化，便可测出示功***、载荷值、位移和冲次等参数。
其三、携带便利。手持器自备液晶加热装置，工作环境温度：零下40℃～零上50℃。采用四节五号充电电池供电。可连续测量存储五十口油井数据。
其四、测量数据可传输到计算机存储、分析、打印。
其五、有效测试深度三千米以上；测试过程无需任何材料费用；测试数据重复性好；配有计算机分析软件，对疑难井液面分析具有很好的帮助作用。
3 结束语
综上所述，在抽油井测试过程中液位值是了解抽油井供液情况和确定抽油井深度状况的重要指标。通过采用低频高强度单色次声波作为测量载体可提高测量深度，使用高压喷注声源结合信号短时处理技术能有效提高测量的深度和精度。希望本文的浅显论述能对这一问题的解决起到积极推动作用。
参考文献
[1] 安锋，张光德，段卫星，于小刚，董长安.陆上地震勘探随机干扰分析[J].油气地质与采收率，2011，（04）
[2] 吴新杰，王鲁川，孙定源，张建成，王师.油井液面深度测量仪的研制[J].自动化仪表，2010，（02）