1 前言

　　超聲波科學(xué)家們將每秒鐘振動的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。我們?nèi)祟惗淠苈牭降穆暡l率為20～20000Hz。當聲波的振動頻率大于20KHz或小于20Hz時，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。通常用于醫(yī)學(xué)診斷的超聲波頻率為1～5兆赫茲。它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠，可用于測距，測速，清洗，焊接，碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。超聲波因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得名

　　超聲波在介質(zhì)中傳播時， 遇到不同介質(zhì)的界面就將產(chǎn)生反射、折射、繞射和衰減等現(xiàn)象。超聲檢測技術(shù)就是利用超聲波在介質(zhì)中的傳播特性（聲速、衰減、反射、聲阻抗等） 來實現(xiàn)對非聲學(xué)量（如缺陷、厚度、密度、強度、硬度、流量、液位等） 的測定。非金屬超聲檢測儀主要用于混凝土的無損檢測[1], 也可用于木材、塑料、橡膠、石墨、碳素纖維、陶瓷等材料的物理性能測量。

　　目前， 非金屬超聲檢測儀主要為晶體管、集成電路混合式模擬儀器， 采用CRT 示波管作為顯示器， 具有簡單實用、直觀、超聲波形實時性好等特點， 但體積大且笨重， 功耗高， 無法實現(xiàn)各種檢測工藝的選擇調(diào)用， 也沒有自動測讀、存儲、打印、傳輸?shù)葦?shù)字化處理功能， 因而不適應(yīng)當今用戶的實際檢測應(yīng)用和數(shù)據(jù)庫管理需求?？梢灶A(yù)期，具有體積小、耗能低、應(yīng)用靈活、功能強大、可靠性強等諸多優(yōu)點的嵌入式主控技術(shù)的應(yīng)用將引起非金屬超聲檢測儀向超小型手持化發(fā)展。

　　本文首先討論了超聲檢測的原理，并分析了超聲技術(shù)在混凝土檢測的機理和應(yīng)用方法[2，3]，采用ARM9嵌入式芯片做為主控制芯片，配合高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、LCD液晶顯示模塊等設(shè)計的非金屬超聲檢測分析儀。該儀器集超聲波發(fā)射、同步接收、聲參量自動檢測、數(shù)據(jù)分析處理、結(jié)果實時顯示、數(shù)據(jù)存儲與輸出等功能于一身，具有體積小，功耗低等優(yōu)點，十分具有應(yīng)用前景。

　　2 超聲波檢測的基本原理

　　超聲波的波長比一般聲波要短，具有較好的方向性，而且能透過不透明物質(zhì)，這一特性已被廣泛用于超聲波探傷、測厚、測距、遙控和超聲成像技術(shù)。超聲成像是利用超聲波呈現(xiàn)不透明物內(nèi)部形象的技術(shù) 。把從換能器發(fā)出的超聲波經(jīng)聲透鏡聚焦在不透明試樣上，從試樣透出的超聲波攜帶了被照部位的信息（如對聲波的反射、吸收和散射的能力），經(jīng)聲透鏡匯聚在壓電接收器上，所得電信號輸入放大器，利用掃描系統(tǒng)可把不透明試樣的形象顯示在熒光屏上。上述裝置稱為超聲顯微鏡。超聲成像技術(shù)已在醫(yī)療檢查方面獲得普遍應(yīng)用，在微電子器件制造業(yè)中用來對大規(guī)模集成電路進行檢查，在材料科學(xué)中用來顯示合金中不同組分的區(qū)域和晶粒間界等。聲全息術(shù)是利用超聲波的干涉原理記錄和重現(xiàn)不透明物的立體圖像的聲成像技術(shù)，其原理與光波的全息術(shù)基本相同，只是記錄手段不同而已（見全息術(shù)）。用同一超聲信號源激勵兩個放置在液體中的換能器，它們分別發(fā)射兩束相干的超聲波：一束透過被研究的物體后成為物波，另一束作為參考波。物波和參考波在液面上相干疊加形成聲全息圖，用激光束照射聲全息圖，利用激光在聲全息圖上反射時產(chǎn)生的衍射效應(yīng)而獲得物的重現(xiàn)像，通常用攝像機和電視機作實時觀察。

　　在彈性介質(zhì)內(nèi)某一點，由于某種原因而引起初始擾動或振動時，這一擾動或振動將以波的形式在彈性介質(zhì)內(nèi)傳播，形成彈性波。聲波是彈性波的一種，若視巖土和混凝土介質(zhì)為彈性體，則聲波在巖土和混凝土介質(zhì)中的傳播服從彈性波傳播規(guī)律。

　　比較（2.3）、（2.4）式，可看出VP>VS，即縱波波速大于橫波波速，因此縱波又稱為初至波，橫波又稱為次波。由波速的表達式還可以看出，當彈性介質(zhì)的性質(zhì)和種類不同、彈性常數(shù)和密度不相同時，彈性波在介質(zhì)中傳播的速度也不同。在實際測量中，由于橫波的發(fā)生和接收都比較困難，多以測縱波為主，故本文主要考察的是縱波。

　　2.1 聲波在兩種介質(zhì)面上的傳播規(guī)律

　　聲波是物體機械振動狀態(tài)（或能量）的傳播形式。所謂振動是指物質(zhì)的質(zhì)點在其平衡位置附近進行的往返運動形式。譬如，鼓面經(jīng)敲擊后，它就上下振動，這種振動狀態(tài)通過空氣媒質(zhì)向四面八方傳播，這便是聲波。 超聲波是指振動頻率大于20000Hz以上的，其每秒的振動次數(shù)（頻率）甚高，超出了人耳聽覺的上限（20000Hz），人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。超聲和可聞聲本質(zhì)上是一致的，它們的共同點都是一種機械振動模式，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)會傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點是超聲波頻率高，波長短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超聲成象所用的頻率范圍在 2∽5兆Hz之間，常用為3∽3.5兆Hz（每秒振動1次為1Hz，1兆Hz=10^6Hz,即每  超聲波熔接器[1]秒振動100萬次，可聞波的頻率在16－20，000HZ 之間）。超聲波是聲波大家族中的一員。

　　超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律，與可聽聲波的規(guī)律并沒有本質(zhì)上的區(qū)別。但是超聲波的波長很短，只有幾厘米，甚至千分之幾毫米。與可聽聲波比較，超聲波具有許多奇異特性：傳播特性──超聲波的波長很短，通常的障礙物的尺寸要比超聲波的波長大好多倍，因此超聲波的衍射本領(lǐng)很差，它在均勻介質(zhì)中能夠定向直線傳播，超聲波的波長越短，這一特性就越顯著。功率特性──當聲音在空氣中傳播時，推動空氣中的微粒往復(fù)振動而對微粒做功。聲波功率就是表示聲波做功快慢的物理量。在相同強度下，聲波的頻率越高，它所具有的功率就越大。由于超聲波頻率很高，所以超聲波與一般聲波相比，它的功率是非常大的?？栈饔茅ぉぎ敵暡ㄔ谝后w中傳播時，由于液體微粒的劇烈振動，會在液體內(nèi)部產(chǎn)生小空洞。這些小空洞迅速脹大和閉合，會使液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用，從而產(chǎn)生幾千到上萬個大氣壓的壓強。微粒間這種劇烈的相互作用，會使液體的溫度驟然升高，起到了很好的攪拌作用，從而使兩種不相溶的液體（如水和油）發(fā)生乳化，并且加速溶質(zhì)的溶解，加速化學(xué)反應(yīng)。這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應(yīng)稱為超聲波的空化作用。

　　2.2 聲波在混凝土中的傳播特點

　　混凝土類材料是一種集結(jié)型復(fù)合材料，是多相復(fù)合體系，其內(nèi)部存在著廣分布的復(fù)雜界面，例如砂漿與骨料的界面、各種缺陷所形成的界面，因此超聲在混凝土中的傳播狀態(tài)要比均勻介質(zhì)中復(fù)雜得多，根據(jù)超聲波的性質(zhì)，超聲波混凝土中的傳播有如下特點：

　　1.超聲波在混凝土中衰減較大?；炷敛牧暇哂姓乘苄?，當超聲波穿過混凝土?xí)r將引起能量吸收，使部分聲波在材料中被轉(zhuǎn)換成其他能量而損失，即所謂吸收衰減；混凝土中存在顆粒結(jié)構(gòu)—骨料或缺陷，因而其中存在廣泛的界面，當超聲波到達界面時會產(chǎn)生射現(xiàn)象，從而產(chǎn)生散射衰減，散射功率的大小與頻率的平方成正比。因此，為使超聲波在混凝土中的傳播距離增大，往往采用比金屬材料探傷中采用的頻率得多的超聲頻率，頻率低的波擴散角很大，波束擴散，單位面積上的聲能隨傳距離的增大而減小，產(chǎn)生擴散衰減。根據(jù)文獻[4]，對于質(zhì)量正常的混凝土，超聲波在傳播過程中的總衰減系數(shù)a與頻率f的關(guān)系為：

　　其中，f為超聲頻率；a、b、c 為由介質(zhì)和散射物特性決定的比例常數(shù)，混凝土中存在缺陷時，被空氣或其他物質(zhì)（如水）所填充的缺陷在混凝土中形一個夾層，使混凝土的連續(xù)性受到破壞，由于高頻分量易于被反射，超聲波通裂縫后，接收波中高頻分量減小，其結(jié)果是接收波的頻率下降。

　　2.超聲波在混凝土中的指向性差。主要有兩個原因：其一是由于采用的頻率較低，即波長較長，擴散角θ 一般較大，超聲波失去指向性。其二是由于眾多的界面所造成的發(fā)射和折射波，雖然這些波的聲強比入低，但由于數(shù)量眾多，而且彼此相互干涉和疊加，造成較大的漫射聲能，也束的指向性變差。

　　3.超聲波的傳播路線往往因界面的發(fā)射和折射而曲折，因此當超聲波在土中遇到較大的缺陷時并非直線傳播。

　　4.在混凝土的超聲檢測中一般采用產(chǎn)生縱波的發(fā)射超聲換能器，當超聲一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時，聲波能量在界面上要發(fā)生轉(zhuǎn)化，因為混凝土種成分極為復(fù)雜的非均勻性物質(zhì)，所以即使入射波為單一縱波，也會通過在介質(zhì)界面上的波形轉(zhuǎn)換產(chǎn)生橫波。

　　由以上可知，高頻超聲波在傳播過程中有很大的衰減，所以在混凝土的超聲檢測中一般都采用低頻超聲波，在檢測缺陷時，超聲波束不可能集中對準某一范圍，這使缺陷處的反射波很微弱，所以在混凝土的超聲檢測中一般采用透射法。超聲波在混凝土中的傳播特點是超聲無損檢測的基礎(chǔ)，但由于結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性，我們對其傳播特性的了解仍然十分膚淺[5]。

　　2.3 超聲波用于樁身混凝土檢測時采用的物理量

　　超聲脈沖法是根據(jù)聲波在固體介質(zhì)中的傳播速度與密實度成正相關(guān)而建立的一種無損檢測方法，其主要特點是使超聲波穿透混凝土，以獲知質(zhì)量信息，包括強度及缺陷。就此而言，超聲波法具有其他僅作用于混凝土表層的無損檢測方法所不具備的優(yōu)點，超聲脈沖法的實用價值主要體現(xiàn)在對混凝土內(nèi)部缺陷的判別上。超聲聲速由材料的剛度和密度所決定，而傳播時間與傳播距離及聲速有關(guān)，超聲的衰減以及頻譜的變化與介質(zhì)的成分和內(nèi)部所含顆粒的大小密切相關(guān)。因此超聲脈沖技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用，能用于檢測和定位混凝土中的缺陷、孔穴、鋼筋等，測量厚度，評估橋梁、大壩、墻壁狀態(tài)的完整性和可靠性，以及監(jiān)測混凝土固化過程中強度的變化等。

　　2.4 超聲檢測的判斷標準

　　超聲脈沖法對混凝土結(jié)構(gòu)檢測時，通過利用超聲的聲時、波幅、頻率以及波形等參數(shù)綜合對混凝土的淺裂縫、深裂縫、不密實區(qū)和空洞、混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)合面質(zhì)量、表面損傷層以及混凝土內(nèi)部勻質(zhì)性等缺陷進行檢測和判定[5，6，7]。

　　1.聲速變化：當超聲波在傳播路徑上遇到缺陷時，若該缺陷是空洞，則其中必充填空氣或水汽。由于混凝土與空氣的特性阻抗相差懸殊，界面的聲能反射系數(shù)近于1,因此超聲波難于通過混凝土/空氣界面。但由于低頻超聲波漫射的特點，聲波又將沿缺陷邊緣而傳播，所測得的聲時也就比正常的混凝土長。在計算測點聲速時，我們總是以換能器間的距離t作為傳播距離，結(jié)果在缺陷處的計算聲速（視聲速）就減小。

　　2.接收波振幅的變化：由于缺陷對聲波的反射或吸收比正?；炷链?，所以當超聲波通過缺陷后，衰減比正?；炷链?，即接收波的振幅將減小。因此，和聲時（速）一樣，根據(jù)接收波首波振幅的異常變化也可以發(fā)現(xiàn)缺陷的存在。

　　3.接收波主頻率的變化：對接收波信號的頻譜分析證明，不同質(zhì)量的混凝土對超聲脈沖波中的高頻分量的吸收、衰減不同，因此，當超聲波通過不同質(zhì)量的混凝土后，接收波的頻譜（即各頻率分量的幅度）也不同。質(zhì)量差或有內(nèi)部缺陷、裂縫的混凝土，其接收波中高頻分量相對減少而低頻分量相對增大，接收波的主頻率值下降，從而反映出缺陷和裂縫的存在。

　　4.接收波波形的變化：當超聲波通過混凝土內(nèi)部缺陷時，由于混凝土的連續(xù)性己被破壞，使聲波的傳播路徑復(fù)雜化，直達波，繞射波等各類波相繼到達接收換能器。它們各有不同的頻率和相位。這些波的疊加有時會造成波形的畸變。

　　3 基于ARM9 嵌入式系統(tǒng)的非金屬超聲檢測分析儀的研制[8,9,10]

　　3.1 基于ARM 的檢測系統(tǒng)設(shè)計

　　本系統(tǒng)選用的三星S3C2510A處理器中內(nèi)嵌ARM940T核[8]。本設(shè)計主要考慮到這款芯片具有高達166 MHz的主頻且內(nèi)含以太網(wǎng)控制器（MAC），同時具有6個32位可編程計數(shù)器， 2路異步串行通信接口。

　　數(shù)據(jù)采集與處理芯片選用的Spartan-3是Xilinx公司的新一代FPGA產(chǎn)品， 是一款90nm工藝FPGA, 采用1.2V內(nèi)核， 在超高速數(shù)據(jù)采集和信號處理方面有著明顯的優(yōu)勢。該FPGA 時鐘頻率高， 內(nèi)部時延小，硬件資源豐富， 全部控制邏輯均可由硬件資源完成， 而且速度快，效率高，組成形式靈活，并可集成外圍控制、譯碼和接口電路。

　　圖1 主控制電路系統(tǒng)框圖

　　3.2 軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)選用軟件系統(tǒng)模塊化，且克服了前后臺軟件設(shè)計的弊端，提高了系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。整個程序從結(jié)構(gòu)上分為幾大模塊：實時探傷系統(tǒng)，儀器參數(shù)設(shè)計，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，報表打印模塊。實時探傷系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的超聲檢測技術(shù)規(guī)程， 以每秒60幀的速度實時顯示回波信號， 同時對閘門內(nèi)的波形進行檢驗， 若超標則進行報警提示。軟件啟動后， 首先執(zhí)行首波聲時、頻率、靈敏度等指標的自動測讀。儀器參數(shù)設(shè)置向硬件系統(tǒng)設(shè)定與檢測相關(guān)的參數(shù)。同時檢驗參數(shù)的有效性并給出提示。

　　4 實驗分析

　　經(jīng)調(diào)試使用，該儀器達到了下列性能指標：聲時測讀范圍：0～50mS，聲時測讀：± 0.1 uS，幅度測讀范圍：0～78 dB，幅度分辨率：0.024‰，頻率范圍：10Hz～250KHz，可探測距離>10m，程序采樣周期：0.1～10uS，發(fā)射電壓：250V、500V、1000V、1500V可選，接收靈敏度≤30 μV，采樣長度32K，工作時間：8小時（鋰電池）。聲速是介質(zhì)中微弱壓強擾動的傳播速度，其大小因媒質(zhì)的性質(zhì)和狀態(tài)而異。下面給出對混凝土灌注樁（Ⅲ類樁）進行無損檢測，聲測管的管距980mm，測試剖面，測試間距為0.05m,整個剖面分析結(jié)果如下：

　　聲速值：5.131 （km/s）；聲速值：3.904（km/s）；聲速平均值： 4.588 （km/s）；聲速標準差： 0.156 （km/s）；聲速異常值判定值： 4.128 （km/s）；幅度值： 108.9 （dB）；幅度值： 88.8 （dB）；幅度平均值： 97.8（dB）；幅度標準差：3.3（dB）；幅度異常值判定值： 91.8 （dB）。

　　圖2 25.65m 處波形

　　結(jié)合25.65m 處波形，如圖2 所示，聲時明顯增大，首波幅度衰減嚴重，波形明顯異常。因此可初步推定在此樁的AB 剖面的25.45m-25.7m 處可能有缺陷。這與所測試試件為Ⅲ類樁的事實相符合。

　　5 結(jié)論

　　本文介紹了超聲波用于非金屬無損檢測的基本原理，基于ARM9處理器作為處理器，并設(shè)計了一臺數(shù)字式非金屬超聲波分析儀，并進行了混凝土無損檢測的實驗。試驗結(jié)果表明：該儀器可準確快速地檢測出被測件的缺陷，與傳統(tǒng)的儀器相比，提高了系統(tǒng)得穩(wěn)定性和可靠性，且具有體積小、重量輕和價格便宜和軟硬件升級方便的優(yōu)點，具有很好的應(yīng)用價值。