超声波技术测量

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1、超声波测量技术一.测量的意义利用声波在岩体内传播的特性，（波速、振幅、频率、相位）研究岩体物理力学性质、构造特征及应力状态超声波频率高于20000Hz目前岩体声波量测技术主要可以解决下列问题1.岩体的工程地质分类；2.确定围岩松动圈的范围，为合理设计锚杆长度、喷浆或衬砌厚度提供依据；3.测定岩体物理力学参数，包括动弹性模量、泊松比、单轴抗压强度及密度等；4.工程注浆效果检测；5.煤柱、岩柱稳定性评价；6.混凝土探伤及强度检测：7.冻结法凿井时，冻结壁厚度的检测；8.断层、裂隙及溶洞等地质异常的研究；9.地应力测

2、试，冲击地压、煤与瓦斯的突发事件及地震灾害的预报等。声波量测法的实质在被测岩体中，利用声波的传播速度或振幅的衰减规律取得的数据，再通过计算求出所需的力学参数。岩体测量假设岩体视为弹性体，承载信息的是弹性声波。二、无限弹性介质中的波1.纵波与横波根据固体弹性理论，在不考虑体力的情况下各向同性理想弹性介质中的波动方程为(2.1)式中——介质质点的位移向量；——介质的弹性常数；——介质的密度；——体应变，可表示为位移向量的散度，——拉普拉斯算子(2.1)式两端分别取散度，利用算符及之间的对应关系可得（2.2）（2.3

3、）或上式实际上描述的是一种胀缩状态扰动传播的波动方程式。（无旋波）假定在岩体中取一点作为波的震源，随时间的变化规律为（2.4）式中—初始振幅；—角频率。振动是由震源向四周传播的，那么，距震源为r的点处的体应变为（2.5）式中—声波在岩体介质中的传播速度。式(2.5)分别对r和t求二阶导数，得：将(2.6）和（2.7)式代入(2.3)式得上式表示体应变以大小的速度在介质中传播，这就是弹性纵波(P波)。对式（2.1）两边分别取旋度，可得（2.6）（2.7）（2.8）（2.9）令，将上式整理得表示弹性体在旋转外力作用

4、下介质产生的角度转动，可以看出上式描述的是旋转状态扰动传播的波动方程式。（无散波）依照上述分析方法，得：上式表示旋转量w是以的速度在介质中传播，横波(S波)。（2.10）（2.11）已知体积压缩模量，故此式说明，纵波不仅与K有关，也与G有关，即纵波传播时，介质不只是承受一个简单的压缩，而承受的是压缩和剪切的组合作用。从弹性理论知道，拉梅常数、与弹性模量和泊松比有如下关系：（2.12）（2.13）（2.14）于是有（2.15）上式表明，固体介质的vp和vs值的大小是由其弹性模量、泊松比及密度决定的。相反，如果测量

5、得出vp、值vs，并且知道密度时，即可算出固体介质纵、横波速度的大小。根据公式（5.14）、（5.15），可得：即岩体的只与泊松比有关，而与密度和弹性模量无关。多数岩石的泊松比为0.25，故以上讨论得知，在无限的弹性介质中传播的波，只有纵波和横波两种波。（2.16）（2.17）纵波特性不论波长的大小和波形如何，在弹性岩体内都以疏密发散的形式传播，其速度为常数，速度的大小只与弹性常数和密度有关。横波特性不论波长大小和形状如何，在弹性岩体中均以剪应变的横向位移形式向前和向后传播，其速度为常数，它也是只与弹性常数和密

6、度有关的常数。这个结论是材料力学性质的超声技术测量主要理论基础。二.声波量测应用的参量声波穿过岩体时，有三个方面的参数将因岩体力学性质、结构状态的不同而发生变化，这些指标可作为声波探测岩体的参量。(1)声速声波在岩体中传播的速度，包括纵波速度和横波速度。(2)声幅声波的能量或强度大小，表现在观测仪表上为声波波形的振幅大小。(3)频谱任何一个非正弦的振动波，可以分解成不同振幅、不同频率、不同相位的多个正弦波，这些不同频率、不同振幅的正弦波构成频谱，振幅(能量)最大的频率称为主频。左图为不同岩体的声学特性坚硬、致密

7、、完整的岩体，声波的传播速度较快，能量(振幅)衰减较小，频谱成分变化也较小，因而总的波形变化不大（a）。(a)完整岩体；(b)非完整岩体软弱、破碎岩体，声速较低，声幅衰减较大，频谱中高频成分被严重吸收，波形变化较大，表现为周期拉长(b)。现场测量中主要应用纵波速度和横波速度。研究与测试表明，这些参量与岩体稳定的岩性、风化程度、结构面、所受应力状态等。三、超声波量测仪器1.声波换能器压电晶体→电压作用→变形压电晶体→受力作用→电压压电晶体既能发出声波，还可以接收声波，把接收的声波，转换成相应的电压，经过声波仪接收

8、机放大并显示出波形，可以测量声波在介质中的传播时间，用以计算波速。由压电晶体组成的声波测量元件叫电声换能器，包括作为振源的发射换能器和作为探测器的接收换能器。利用压电晶体的这种特性可以实现电－声之间的能量转换。将声波仪发射机产生的脉冲电压加到压电晶体上，晶体便产生变形而振动，成为振源。2.声波参数的测量走时与旅程测量声波的走时，最为关键是波初至点的准确位置的确定。岩体声波探测对仪器的要