超音波

超音波(ultrasonic wave)為一般人耳可聽見的音頻(frequency)範圍大約介於 20Hz 至 20 kHz，但通常音波超過 20 kHz 以上人耳是無法所聽見。在非破壞檢測 應用上，常用的超音波頻率約在20 kHz 至 150 kHz 之間，一般應用於混凝土非 破壞檢測的頻率約在25 kHz 至 100 kHz 之間[25- 27]。

在超音波技術係應用壓電(piezoelectric)材料製成發射與接收探頭(sensor)，壓 電材料是一種特殊材料，可將電壓轉換成應力，在將應力轉換成電壓，當加入一 正負的交變電壓訊號時，電壓材料晶體薄片形成厚薄變化，而產生高頻率上下震 盪，透過介質傳遞形成超音波。將待測物所產生的波傳至接收探頭，此時壓電材 料晶體薄片承受正負交變之震盪，震盪力越大則晶體所產生的電壓差越大，當透 過電路(circuit)系統，將此電壓訊號增幅放大呈現於示波器(oscilloscope)上[25]。

直接傳遞技術(direct transmission technique)之超音波速法，發展於 1930 年，

主要是用在量測材料動態彈性模數(dynamic modulus of elasticity)，至 1960 年推 廣材料性質量測，並發展出表面反射技術(surface reflection technique)。超音波速 法藉由直接量測縱波波速，以辨識材料內部之緻密性與在新舊材料界面之完整 性，也藉由直接量測橫波波速，以辨識材料凝結狀況與強度成長趨勢[28- 30]。

現有常用超音波偵測技術有下列三種:

脈衝回波法技術(pulse/echo)：

為一般常見的超音波檢測技術，止使用單一探頭進行波的發送與接收，如圖 2-1 所示，檢測之材料波速則依式(2-1)計算：

V 2h

= Δt (2-1) 式中 V 為超音波速，h 為待測物厚度，∆t 為發射波與反射波之時間差，此 一方法亦可擷取其反射波振幅，分析材料衰減特性，但此方法不適用於較薄之待 測材料。

投捕法技術(pitch/catch)：

此種方法為兩個直束探頭，置於待測物同一表面，如圖 2-2 所示，一邊探頭 為發射連續脈衝波，另一邊的探頭就作為接收端，透過移動探頭接收到某一段距 離，捕捉發射表面波與反射波，藉此來判斷材料內部缺陷及裂縫深度，如圖2-2。

穿透法技術(through/transmission)：

此為最基本超音波檢測法，如圖 2-3 所示，讓兩個探頭分別固定在待測物兩 邊，一邊為超音波發射端，另一邊則為超音波接收端，判定材料波速，依式(2-2) 計算：

V h

=Δt (2-2) 2.3 波傳理論與波傳性質

所謂波傳，好比一懸掛物體的彈簧，將物體向下拉伸再放開，則物體因彈簧 拉力而反彈回去，而產生上下震盪，其時間與位移為一正弦或餘弦震盪。如圖 2-4 所示，即為波傳行為。

2.3.1 波傳種類

縱波 (longitudinal wave)

介質粒子振動方向與波傳遞方向呈現平行狀態，且凡是能夠壓縮與拉伸的行 為來達到能量傳遞效果，即稱為壓力波 (compressive wave, pressure wave, P-wave) 或疏密波，如圖2-5 所示。固體介質常用脈衝超音波速檢測縱波波速(longitudinal wave velocity, Cp)，由於氣體與液體液可以藉著壓縮方法，來達到能量傳遞之效 果，故縱波亦可同時存在於固體、液體與氣體三相之中[31, 26, 27]。

橫波 (transverse wave)

介質粒子振動方向與波傳遞方向呈現垂直狀態，亦稱為剪力波(shear wave,

S-wave)，如圖 2-6 所示，由於液體和氣體並不具剪切彈性力，因此不能傳播剪 力波及任何具有橫向震動分量之波形[31, 26, 32]。

表面波(surface wave)

表面波由雷利(Rayleigh)先生所發現，故稱做雷利波(Rayleigh wave)又稱表面 波，僅存在於介質表面，物體質點在表面波作用下，介質質點隨著近似橢圓之軌 跡振動且與波傳方向垂直，垂直位移分量均大於水平位移分量，一般約為1.5 倍，

如圖2-7 所示，在質點振幅大小隨離固體表面距離呈指數遞減，表面波速(surface wave velocity, CR)約為橫波波速之 90%。在顧體內部傳遞之縱波及橫波，觸及表 面亦會產生表面波[31, 26, 32]。

材料之縱波、橫波與表面波波速可依計算關係式，如下：

Cp = E(1 υ) (1 υ)(1 υ)ρ

−

+ − (2-3)

Cs = E

2 (1 υ)

ρ

+ (2-4) CR =(0.87 1.12 )

(1 )

υ Cs

+

υ

+ (2-5) 式中E 為材料彈性模數(modulus of elasticity)，ρ 為材料容積密度(density)，ν 為 材料卜松比(Poisson ratio)。

2.3.2 超音波之干涉與繞射

當兩個頻率、波長及相位相同或相位差恆定的波原稱為相干波源，它們產生 的波稱為相干波，兩個相干波在某一質相遇時，將引起兩個諧振動的疊加。在一 些點處形成相疊加而生成最大振幅，在另一些點處形成反相疊加則生成最小振 幅。這種空間出現的固定最大振幅和最小振幅的現象，就是波的干涉現象[33]。

根據惠更斯-菲涅耳(Christian Huygens)原理，平面波在均勻介質中傳播時，

在其傳播方向遇到一定尺寸的孔洞或障礙物時，會出現兩種傳播情況。

當孔洞或障礙物的尺寸比波長大許多，這時音波基本延直線傳播，在孔的外側和 障礙物後面沒有音波，如圖2-8 所示。

當孔洞或障礙物尺寸較小(小於或等於波長)時，在原孔或障礙物處變形成許多子 波源，都向圓孔另一側或障礙物表面發出球面子波，這些子波干涉疊加的結果，

使音波局部改變方向通過直徑為d 的小孔或繞過尺寸為 d 的障礙物繼續傳播，這 就是音波的繞射現象，如圖2-9 所示。對於圓板狀聲源，其上各點所產生的音波 相當於圓孔處各點所產生的子波，因此圓板形波源輻射的波與通過圓孔後的波完 全相同，其繞射現象與圓孔類似。

2.4 界面與層狀的影響

物體材料本身的內部狀況對超音波速有很大的影響，例如材料的均質性、完

整性、顆粒大小、材料的種類(氣體、液體、固體)等，都是影響超音波速的主要

根據物理學中的反射和透射定律，則不同的介質會有不同的音阻抗之特性，而有 不同的反射振幅(reflection wave amplitude, Ar)、透射振幅(transmission wave amplitude, At)反射率(reflection, R)，由下式表示[33]：

^{( 2 1 )}

A t =時間域上第二個反射波

₂( )

RL為介質之衰減係數，衰減係數的單位為距離波的耗損分貝數(dB)。

以平面波來說，會造成衰減的主要原因係傳播介質的吸收(absorption)，以及 介質本身質量變化產生散射(scattering)。當有外在因素影響介質產生振動，都會 引起衰減，各材料衰減係數如表2-1 所示而衰減的原因分別有以下三項[33]:

吸收衰減：

超音波在經由介質的傳播時，由於介質本身的黏滯性在質點內產生摩擦，使 得一部分音波之能量轉換成熱能；在同一時間，由於超聲傳播過程，讓質點(或 分子)通過相互碰撞來傳遞能量的。而一般來說超音波在氣體和非均質的固體中 吸收影響衰減較大，在液體和均勻固體中吸收衰減的影響則較小。

散射衰減：

在結構物中，其內部含有較多的顆粒狀之介質或介質中含有較雜的粒子時 (如氣體中的塵埃、煙霧、液體中的氣泡、懸浮粒子或試固體中的顆粒結構、孔 隙、裂縫等)，對超音波的傳遞會造成影響，當音波傳播到這些粒子後，將產生 新的振源即向四周發射音波，使得音波之間互相干涉與疊加的結果，將產生衰 減，而此種現象稱之為散射衰減。對於由水泥砂漿、各種不同尺寸的石子、孔隙 及微裂縫組成的混凝土，對超音波散射衰減影響很大。

擴散衰減：

當超音波探投產生波動時，音波的傳遞會隨著傳播距離的增大，音束以球狀 前之形式不斷向外擴散，使得音束截面積內超音波的強度減弱，此現象稱之為擴 散衰減。擴散衰減取決於音波換能器的直徑與振動頻率，此衰減與波傳之波形和 距離有關，與傳播之介質無關。

2.4.4 波於三態中之衰減特性

1. 氣體：

由於氣體僅能承受壓應力，無法承受剪應力，因此氣體只能傳遞縱波。

一般而論，在一大氣壓與20°C 的環境中，頻率為 1 MHz 的波，在空氣介質之 的衰減係數約為12 nepers/m。由於黏滯現象、熱傳現象與熱弛滯現象，導致 氣體本身對波的吸收，氣體介質的波傳，僅限於較短的距離。

2. 液體：

波在液體中傳遞方式與氣體狀況相似，僅能以縱波形式傳遞波能。液中 波速隨溫度變化較氣體為複雜，在多數情況下，波速隨溫度升高而有降低趨 勢。此外，液體中的波速通常隨著壓力增大而增加。再者，在黏性液體(viscous liquid)或膠體(gel)波傳遞時，尚需考慮橫波的存在，對黏滯係數(η)較低的膠 體，橫波波速(Cs)與衰減係數(α)分別表示為：

2

C

S ηω

= ρ (2-13)

2 α ωρ

= η

(2-14) 黏滯性越大的膠體，波橫波波速越高，衰減係數較低；而波速與衰減係數同時隨 頻率增高而增加。

3. 固體：

固體可同時傳播縱波與橫波，各類常見材料之衰減係數範圍如表 2-2 所 列，依衰減係數高低可分為三大類：一般金屬材料，玻璃及陶瓷之衰減係數 低於10 dB/m，塑膠類及其它金屬材料(如鋼鐵合金，銅，鋅，黃銅，青銅，

鉛)之衰減係數介於 10 至 100 dB/m 之間，木材，硬化後橡膠，石及有孔隙陶 瓷之衰減係數高於100 dB/m，硬固水泥接近石或有孔隙陶瓷，故其波傳衰減 效果相當明顯，較難採用應力波直接量測其水化凝結變化[36]

2.5 水泥系材料簡介

2.5.1 波特蘭水泥

波特蘭水泥主要原料為石灰石(limestone)及含鈣、矽、鋁、鐵等氧化物之黏 土(clay)及頁岩(shale)礦物。原料(raw feed)礦物經高溫旋轉窯(rotary kiln)加熱，除 含少量之氧化鎂(

MgO )、氧化鈉( Na

₂

O

)、氧化鉀(

K

₂

O

)、硫化氧(

SO )之外，石

₃ 灰(

CaO

)、二氧化矽(

SiO

₂)、氧化鋁(

Al

₂

O

₃)、及氧化鐵(

Fe

₂

O

₃)等四種主要礦物，

隨溫度之變化而生成以矽酸三鈣(

C

₃

S

)、矽酸二鈣(

C

₂

S

)、鋁酸三鈣(

C

₃

A

)、鋁鐵 酸四鈣(

C

₄

AF

)等四種主要單礦物的水泥熟料(clinker)，研磨(grid)後添加石膏 (gypsum)成為波特蘭水泥。依此四種單礦物含量多寡，美國試驗與材料學會 (American Society for Testing and Materials, ASTM)將波特蘭水泥分類成五種類 型，如表2-1 所示列[37]。

2.5.2 高鋁水泥

高鋁水泥為早強水泥，亦稱為鋁酸鹽水泥，最早由法國發明在第一次世界大 戰後，由於在火山地帶的特殊環境中，波特蘭水泥易受到硫酸鹽(sulfate)的侵蝕，

遂改以採鋁礬土(aluminate) 混合石灰石燒製成高鋁水泥，用以克服混凝土工程 的硫酸鹽腐蝕難題。

高鋁水泥與波特蘭水泥同樣具有水硬性，不過其化學組成及水化特性卻與波特蘭 水泥大不相同，高鋁水泥的氧化鋁含量高達 39%至 43%以上，28 天抗壓強度 (compressive strength)可達 84 MPa，抗張強度(tensile strength)可達 31.5 MPa，其 抵抗海水浸蝕性最強，具有一定程度的耐高溫特性，可於高溫環境下仍保持較高 的強度。

高鋁水泥適合用配製各種混凝土的凝合劑，亦可以低量高鋁水泥配合製作可 鑄性耐火材。此外，高鋁水泥具有快乾硬化特性，尤其在緊急修護工程和預鑄混 凝土方面，此項優點可大幅減少施工或養護時間。然而凝固時易產生高水化熱，

應防止高鋁水泥過快風乾，導致高鋁水泥強度受損[38,39]

2.5.3 活性粉混凝土(Reactive Powder Concrete, RPC)

過去數十年，各國學者專家力求改善混凝土之性能，大致採取下列三種方 式：(1)超細粉緻密系統(Densified System Containing Ultra-Fine Particles, DSP)：以 細粉來增加水泥漿體之密實性，提高強度；(2)無巨觀缺陷砂漿(Macro-Defect Free

過去數十年，各國學者專家力求改善混凝土之性能，大致採取下列三種方 式：(1)超細粉緻密系統(Densified System Containing Ultra-Fine Particles, DSP)：以 細粉來增加水泥漿體之密實性，提高強度；(2)無巨觀缺陷砂漿(Macro-Defect Free

在文檔中 超音波檢測技術之整合性評估應用於水泥基系材料之修補震損鋼筋混凝土構件 (頁 19-0)