固体中纵波和横波速度的测量
杨氏模量计算方法 横波速度 密度 纵横波速度比
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超声波传播速度的测量
超声波在固体中传播速度的测量在固体中传播的声波是很复杂的，它包括纵波、横波、扭转波、弯曲波、表面波等，而且各种声速都与固体棒的形状有关，金属棒一般为各向异性结晶体，沿任何方向可有三种波传播。
【实验目的】1、学会用时差法测定超声波在固体中的传输速度。
2、学会用逐差法处理实验数据。
3、熟悉数字示波器等仪器的使用。
【实验原理】时差法测量原理：在实际工程中，时差法测量声速得到广泛的应用。
时差法测试声速的基本原理是基于速度V=距离S/时间T，通过在已知的距离内计测声波传播的时间；从而计算出声波的传播速度，在一定的距离之间由控制电路定时发出一个声脉冲波，经过一段距离的传播后到达接收换能器。
接收到的信号经放大，滤波后由高精度计时电路求出声波从发出到接收这个在介质传播中经过的时间，从而计算出在某一介质中的传播速度。
只因为不用目测的方法，而由仪器本身来计测，所以其测量精度相对于前面两种方法要高。
同样在液体中传播时，由于只检测首先到达的声波的时间，而与其它回波无关，这样回波的影响比较小，因此测量的结果较为准确，所以工程中往往采用时差法来测量。
连续波经脉冲调制后由发射换能器发射至被测介质中，声波在介质中传播，经过t时间后，到达L距离处的接收换能器。
由运动定律可知，声波在介质中传播的速度可由以下公式求出：速度V=距离L/时间t。
通过测量二换能器发射接收平面之间距离L和时间t ,就可以计算出当前介质下的声波传播速度。
图5-5 发射波与接收波【仪器与器材】SVX-7声速测试仪信号源、SV-DH-7A型测试架、数字示波器、材料样品（有机玻璃棒、铝棒等）【实验内容与步骤】1、时差法测量超声波在固体中传播速度步骤图5-6 时差法测量超声波在固体中传播速度接线图（1）按图5-6接线，将测试方法设置到脉冲波方式将，接收增益调到适当位置（一般为最大位置），以计时器不跳字为好。
（2）将发射换能器发射端面朝上竖立放置于托盘上，在换能器端面和固体棒的端面上涂上适量的耦合剂，再把固体棒放在发射面上，使其紧密接触并对准，然后将接收换能器接收端面放置于固体棒的上端面上并对准，利用接收换能器的自重与固体棒端面接触。
纵、横波速度识别火成岩气、水层影响因素实验研究
纵、横波速度识别火成岩气、水层影响因素实验研究贾俊;李昌;王亮;赵宁【摘要】为了揭示纵、横波速度识别火成岩气、水层的物理机理与储层内在因素的联系,指导火成岩储层流体类型识别,选取准格尔盆地石炭系火成岩岩心,采用超声波脉冲法对其纵、横波速进行测量,分别获取了干燥和饱和水状态下岩心的纵、横波速度,并进一步分析了流体类型、孔隙度、密度和岩性等地层因素对纵、横波速度的影响.地层含气会引起纵波速度和纵、横波速比明显减小,而对横波速度影响较小;在低孔隙层段,气、水层的纵、横波速差异特征弱化,流体类型识别较困难;火成岩岩性复杂,纵波速度受SiO2含量影响较大,应区分不同岩性进行流体识别.基于实验认识,分岩性建立VP/Vs—Rt交会图对研究区测试层段进行气、水层识别,中—基性岩和酸性岩VP/Vs分别为1.85和1.75时,气、水层被有效区分,但受到低孔隙度影响,气、水层响应特征差异弱化,不能区分气层与气水同层.【期刊名称】《油气藏评价与开发》【年(卷),期】2018(008)005【总页数】6页(P8-13)【关键词】火成岩;纵、横波速度;物理机理;影响因素;流体识别【作者】贾俊;李昌;王亮;赵宁【作者单位】绵阳师范学院资源环境工程学院,四川绵阳621006;西南石油大学地球科学与技术学院,四川成都610500;中国石油杭州地质研究院,浙江杭州310023;西南石油大学地球科学与技术学院,四川成都610500;西南石油大学地球科学与技术学院,四川成都610500【正文语种】中文【中图分类】P631流体类型识别是发现油气富集区，认识油气藏类型的关键。
针对流体类型的测井识别方法包括电法和非电法两大类。
其中，非电法中的声波测井以岩石声学物理特性为基础，通过分析地层纵、横波速及速度比对气层、水层的特征差异来识别流体类型。
早期的研究主要关注纵、横波速对不同流体响应特征差异，随着研究的深入，研究重点逐渐转向通过岩石物理实验，深入揭示纵、横波速影响因素及其物理机理。
波速试验的基本原理
波速试验的基本原理波速试验是一种用来测量材料中的纵波速度和横波速度的非破坏性试验方法。
其基本原理是利用超声波在材料中的传播速度来确定材料的弹性性质。
波速试验是通过将超声波传播到被测材料中并测量其被测功率和时间来测量材料中的声速。
在这个过程中，发射器发出超声波信号，经过材料的传播，然后由接收器接收并记录超声波的波形和时间信息。
波速试验实际上是一种时域方法，它基于超声波在实验装置中的传播时间与被测材料中的声速之间的关系。
根据基本的物理公式v=d/t，其中v是声速，d是超声波在材料中传播的距离，t是超声波传播的时间。
具体而言，在纵波速度测量中，超声波是沿材料的纵向传播的。
通过测量超声波在材料中传播的距离和时间，可以计算出纵波速度v_l。
通常，采用纵波谐振频率模式，即使在多个纵波模式下，可以提供更准确和一致的纵波速度。
在横波速度测量中，超声波是沿材料的横向传播的。
和纵波速度测量类似，通过测量超声波在材料中传播的距离和时间，可以计算出横波速度v_t。
横波速度的确定通常需要更高的频率，因为在材料中横波的传播速度较高，频率较低的超声波会衰减较快。
在进行波速试验时，需要注意以下几点：1.超声波的发射器和接收器需要保持正确的耦合，以确保超声波信号能够有效地传播和接收。
使用耦合剂，例如涂有薄膜的胶水，可以帮助传递超声波信号并减小信号的衰减。
2.测量超声波在材料中传播所需的时间应该尽量准确。
可以使用高精度的计时器或其他精确测量时间的设备来进行测量。
3.要选择适当的频率和模式来传播超声波。
纵波和横波的频率和模式的选择应根据材料的弹性性质来确定，以确保测量结果的准确性。
4.在进行波速试验之前，应先了解被测试材料的基本性质和结构，以便选择适当的测试方法和参数。
总的来说，波速试验是一种通过测量超声波在材料中传播的时间和距离来确定材料中纵波和横波速度的方法。
这种试验方法广泛应用于材料科学、工程和非破坏性测试领域，可以帮助人们了解材料的弹性、结构和性能。
用超声波测量固体弹性常数的测量
超声波测量固体弹性常数的测量一、实验目的1． 理解超声波声速与固体弹性常数的关系；2． 掌握超声波声速测量的方法；3． 了解声速测量在超声波应用中的重要性。
二、实验原理在各向同性的固体材料中，根据应力和应变满足的虎克定律, 可以求得超声波传播的特征方程：222221t c ∂Φ∂=Φ∇ （2.1）其中Φ为势函数，c 为超声波传播速度。
当介质中质点振动方向与超声波的传播方向一致时,称为纵波；当介质中质点的振动方向与超声波的传播方向相垂直时，称为横波。
在气体介质中，声波只是纵波。
在固体介质内部, 超声波可以按纵波或横波两种波型传播。
无论是材料中的纵波还是横波, 其速度可表示为：t d c = (2.2)其中, d 为 声波传播距离, t 为声波传播时间。
对于同一种材料, 其纵波波速和横波波速的大小一般不一样，但是它们都由弹性介质的密度、杨氏模量和泊松比等弹性参数决定, 即影响这些物理常数的因素都对声速有影响。
相反, 利用测量超声波速度的方法可以测量材料有关的弹性常数。
固体在外力作用下，其长度沿力的方向产生变形。
变形时的应力与应变之比就定义为杨氏模量，一般用E 表示。
（在本书杨氏模量测量的实验中有介绍）固体在应力作用下。
沿纵向有一正应变（伸长），沿横向就将有一个负应变（缩短），横向应变与纵向应变之比被定义为泊松比，记做σ，它也是表示材料弹性性质的一个物理量。
在各向同性固体介质中，各种波型的超声波声速为：纵波声速： )21)(1()1(σσρσ-+-=E C L (2.3) 横波声速： )1(2σρ+=E C S (2.4) 其中E 为杨氏模量，σ为泊松系数，ρ为材料密度。
相应地，通过测量介质的纵波声速和横波声速，利用以上公式可以计算介质的弹性常数。
计算公式如下：杨氏模量： 1)43(222--=T T c E S ρ (2.5)泊松系数： )1(2222--=T T σ (2.6) 其中：SL c c T =，L c 为介质中纵波声速，S c 为介质中横波声速，ρ为介质的密度。
纵_横波在岩石中的传播速度比及弹性模量与岩石所含流体的关系
根据石西地区 50 块岩样在不同温压下取平均 值按孔隙度小于 10%及孔隙度大于 10%分别所作 直方图(图 3)。从图中可以看出 , 孔隙度增加 , 模量 常数降低 (泊松比例外), 虽然饱和水样与饱和油样 模量有重叠部分 , 但二者仍可明显区分 。尤以体积 模量 、杨氏模量 、拉梅系数区别最明显 。玛北地区 60 块样品所做的相应关系图 , 也得出了同样的结论 。
different fluid saturation in Shixi area (据 50 块样品 , 实验温度为 90℃, 压力为 90 MPa)
图 4 是岩石在不同油饱和度时 , 弹性模量随压 力的变化曲线 。可以看出 , 体积模量 、杨氏模量 、剪 切模量随油饱和度的增高而增大 , 尤其体积模量表
摘 要 据对准噶尔盆地西部井下岩心进行的实验室模拟测试 , 饱和水的岩心样品 , 其纵横波速度比(vp/vs)、 泊松比(σ)、杨氏模量(E)、和拉梅常数(λ), 均大于饱和油的岩样 , 而其体积模量(K)和剪切模量(μ),则小于饱和油 的岩样 。岩石的弹性模量还与孔隙度有关 , 孔隙度增大则模量降低 ,孔隙度减小则模量提高 。当实验压力提高时 ,则 弹性模量增大 , 实验压力降低时 , 弹性模量减小 。岩石的上述特性是有规律的 , 这为利用地球物理勘探资料检测油 、 气 、水在岩石中的分布 ,提供了依据和可能 。
O c t .1998
1.3 1.2 1.1
量
模 切
波速测试
波速测试(wave velocity testing)观测、研究地震波在岩土中的传播速度的工程地震勘探方法。
人工激发的地震波(纵波、横波和面波)在岩土中的传播速度与岩土的形变有直接关系，传播速度的大小，特别是横波速度的大小反映了岩土的状态、结构和物理力学性质。
只要测得岩土的纵波速度v p、横波速度v s和密度ρ值，即可计算岩土的动弹性模量Ed、动剪切模量Gd、动压缩模量Kd和动泊松比舶μd不少学者还用v p,v s值与岩土的主要物理力学参数建立相关关系，因而，可以通过波速测试间接得到这些参数；或直接用岩土的波速值来评价岩土的物理力学性质和强度，评价地基加固效果。
20世纪80年代末，工程地球物理勘探界利用先进的地震波层析成像技术对岩体进行全面细致的质量评价，圈定地质异常体取得显著效果，为波速层析成像技术开拓了新的前景。
波速测试常用的方法有：地面直达(折射)波法、单孔法、跨孔法和瑞雷波法。
(1)地面直达(折射)波法。
在地面、探槽、坑道等岩土露头上，激发、观测直达(折射)波中的纵、横波在岩土中的传播速度。
观测方法有：剖面法和透视法。
利用传播时间和距离计算岩土体的纵、横波速度。
横波激发和接收是测试结果质量的关键，即：横波激发方向应与横波传播方向垂直，接收横波检波器的最大灵敏度轴与质点振动的方向一致。
直达波法使用的仪器设备有大锤或其他震源、检波器、浅层地震仪(见工程地球物理勘探仪器)。
(2)单孔法。
可以在钻孔附近地面上用叩板法激振，孔内不同深度处用三分量检波器接收纵波和横波；也可以在孔内不同深度处用爆炸或井下剪切波锤激振，在钻孔附近地面用三分量检波器接收纵波和横波。
用传播时间与路程之比计算各层纵波和横波速度。
单孔法使用的仪器设备有井下剪切波锤或其他激振设备、三分量检波器和浅层地震仪。
(3)跨孔法。
用井下剪切波锤或其他激振设备在一孔内激发，用井下三分量检波器在另一孔或多孔内接收纵波和横波。
用孔间距与到达时间之比计算地层的纵波和横波速度。
声波在固体中的传播形式与速度研究
声波在固体中的传播形式与速度研究声波作为一种传播形式广泛存在于我们的日常生活中，对于我们理解物质的性质和结构有着重要的意义。
声波在固体中的传播方式与速度是一个备受关注的研究领域。
本文将详细探讨声波在固体中的传播形式与速度的研究成果，探索其对科学与工程应用的潜在影响。
一、声波传播形式声波是一种由物质震动所产生的机械振动，它的传播方式因物质的性质和结构而有所不同。
在固体中，声波的传播主要有纵波和横波两种形式。
纵波是一种沿着传播方向的粒子前后振动的波动形式。
当声源激发固体中的分子或原子振动时，它们会传递给相邻的分子或原子，从而沿着固体传播。
与此相对的是横波，它的传播方式是粒子的振动方向与传播方向垂直。
在固体中，纵波传播的速度通常要快于横波。
二、声波传播速度声波在固体中的传播速度与固体的性质和结构密切相关。
固体的密度、弹性模量和压缩模量等因素会影响声波的传播速度。
首先，固体的密度对声波传播速度有着直接的影响。
密度越大，分子或原子之间的碰撞越频繁，声波传播的速度越慢。
相反，密度越小，分子或原子间的碰撞越少，声波传播的速度越快。
其次，固体的弹性模量也是决定声波传播速度的重要因素之一。
弹性模量是描述固体在应力作用下形变程度的物理量。
固体的弹性模量越大，分子或原子间的相互作用力越强，声波传播的速度越快。
举例来说，固体金属具有较高的弹性模量，因此声波在金属中传播速度较快。
最后，固体的压缩模量也会对声波传播速度产生影响。
压缩模量是衡量固体在各个方向上抵抗压缩的性质。
与密度和弹性模量相似，压缩模量越大，声波传播的速度越快。
三、应用潜力声波在固体中的传播形式与速度的研究成果对科学与工程应用具有重要意义。
首先，在材料科学中，了解声波传播的方式和速度可以帮助研究者更好地理解材料的内部结构和物性。
通过检测声波的传播速度变化，科学家可以得出关于固体状况的信息，例如固体中的空隙、裂缝或杂质等。
其次，在工程领域中，声波传播的形式和速度研究成果可以被应用于非破坏性检测和材料表征。
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A-3 固体中纵波和横波速度的测量
【实验目的】
1．了解固体材料中弹性波的性质；
2．了解固体材料的纵波和横波播速度的测量方法。
【实验内容】
1．用多次回波法测量纵波速度； 2．用脉冲重合法测量横波速度。
【实验原理与装置】
一．实验原理
1．脉冲回波法测量固体中纵波速度
d
待测固体样品
图1 纵波在固体中的多次反射
超声探头发射的纵波脉冲进入固体后，以纵波速度在固体中传播，由于声波在固体前后两个表面会发生反射，利用超声探头可以接收到多次反射的信号。
假定相邻两次反射信号的时间差为t ，样品的厚度为d ，则可得到固体中纵波声速C L 为：C L =2d / t 。
2．利用纵波探头测量固体中横波速度 由于横波探头的频率通常比较低，若采用横波脉冲回波法测量，测量的误差比较大。
在本实验中，将利用纵波沿界面传播时的会产生以临界角传播的横波的性质，采用纵波探头测量横波速度。
如图2所示，把纵波探头放在样品的一侧并靠近上表面（L >>d ），入射纵波P 1沿上表面传播时，由于界面的作用产生以临界角θC 传播的横波S 1(假定横波的速度为C S ，则sin θC = C S / C L )，当横波S 1到达下表面时会产生纵波P S1和反射波S 2，…… 这样，通过接收产生的一系列纵波(P 1, P S1, P S2, …)反射后到达探头的时间，就可以计算出横波的速度。
气体 P 1
1
纵波P 1
气体
2
图2 纵波和横波的转化及在固体中传播
两次纵波(P Sn 与P Sn+1)的时间差 τ = (d /cos θC )/C S - (d tan θC )/C L ，
则横波的速度C S =
2
)
/(1d C C L L
τ+。
(请自行推导C S 的计算公式)
由于需要同时接收上下两个表面产生的声波，实验所使用的纵波换能器的发射面的有效直径略大于样品的厚度d ，测量时把换能器面放在样品端面的中心处。
二．实验装置 1．脉冲发生器
用XC61A
型脉冲发生器产生的电脉冲激励超声换能器产生声波。
电脉冲的触发周期、宽度和幅度可以按需要进行调整，使之与超声换能器匹配以产生较强的脉冲声波。
2．示波器
本实验中采用泰克TDS210型数字示波器，可以直接读取信号的电压幅度、相对时间间隔等信息，可以保存多组波形用于比较。
3．超声换能器
实验中采用的超声换能器由压电陶瓷片制成，加有后背衬和前匹配层以产生短的超声脉冲，加上脉冲电压激励可以发射声脉冲。
同时又作为接收器使用，接收到的声波后由压电效应产生电信号，可以接到示波器上进行观测和记录。
压电片匹配层
图4 超声换能器结构示意图
测量时，换能器面和样品之间通常需要加少量水或其他耦合剂进行耦合，以使声波能更好地透射到样品中。
【实验要求与步骤】
1．设备调节
通过看说明书了解和熟悉TDS210型数字示波器，了解用示波器进行时间测量、调整时间测量精度和波形存储的操作方法。
通过调整激励电信号的脉冲宽度使接收信号最强。
2．用多次回波法测量纵波速度：
把探头放在样品最大平面的中心附近（用少量水作耦合），利用示波器测量回波时间。
要求用第3个(或以上)回波和第1个回波的时间差（要求时间差值大于10μs）来计算回波时间，可以提高时间的测量精度。
2*．用不同声程回波的时间差法测量纵波速度：
把探头放在样品的不同侧面，利用示波器分别测量各侧面的第一次回波时间。
然后根据声波的行程差∆L和回波时间差∆t，来计算纵波速度C L=∆L/∆t。
由于本方法可以排除换能器的匹配层厚度对测量的影响，用此结果与多次回波法的结果进行比较，就可以看出换能器的匹配层厚度对测量是否有影响。
3．用纵波的转换波测量横波速度：
把探头放在样品较窄侧面的中部，测量转换纵波脉冲P S1和P S2或P S3的时间差来计算横波速度。
4．要求：
(1)实验中时间的测量用数字示波器的直接读数，要求测量精度为0.01μs(示波器的时间档调到500ns)。
(2)时间和厚度的数据以多组（5组以上）测量数据进行平均，每次测量时适当改变测量点的位置。
(3)计算纵波和横波的速度及测量误差，应给出计算公式和相应的测量数据。
【思考题】
1．换能器的匹配层厚度对测量是否有影响？
2．为什么不能用第一次纵波回波P1和转换纵波脉冲P S1、P S2或P S3的时间差来计算横波速度。
3。