第七章_岩体声波测试概述

射换能器将脉冲发 射系统输出的电脉冲信号转换成声信号辐射给岩石试样， 接收换能器使岩石试样传播来的声信号转换成电信号，送 入放大器。换能器的种类很多，用于岩石试样的通常用压 电陶瓷晶片做成的压电换能器，专用横波换能器分为切变 振动型、扭转振动型、横波转换型等。 利用扭转振动型换能器测试简便可靠，并有以下优点： 测得的波速值就是岩块试样横波波速值，无频散现象，测 得的波速值与使用的声波频率无关，测量精度高。 接收换能器应具有灵敏度高，频带宽而平坦，指向性 好以及有较大的动态范围等特点。发射换能器应使用机械 品质系数Q值高，额定功率大，电声转换效率高，指向性 好以及非线性失真小的换能器。换能器应有各种不同频率 的规格，以满足不同要求的测试。
二、换能器的工作原理
岩体声波测试所用的换能器种类很多，主要采用压电式换能器。 压电式加速度计是利用正压电效应制成的机—电转换器。当它承 受机械振动时，其输出端能产生与所承受的加速度成比例的电压或电 荷量。与其他振动传感器相比，它具有许多优点，如灵敏度高，频率 范围宽，线性动态范围大，以及重量轻，体积小等。 压电式换能器的结构图及力学模型示于图7.1-1。
1 波形识别 岩块声波速度测试一般采用脉冲超声波法， 能否正确测读声波到达时间，将直接影响到测量 精度，测试工作中应予特别重视。纵波最先到达， 较易识别，但纵波往往能量较小，如信号放大倍 数选择不当，容易引起掉波现象，造成纵波波速 测读不准。而横波是后续波，受到纵波余振及其 他因素的干扰，往往难以准确识别初至波到达时 间，给时间测读带来困难和误差。采用切变振动 和扭转振动模式的专用横波换能器，是测读横波 的一种有效方法。
（a）压电式换能器结构图
（b）力学模型
图7.1-1 压电式换能器及其力学模型
三、波速同介质力学特性参数的关系 岩体不是理想的均质、各向同性介质。但从工 程角度考虑，只要当传播的声波波长与岩体空间尺寸 满足一定条件时，就可以按声波的传播理论得到声波 在岩体中传播速度同岩体力学参数的关系,如式(7.01)～式(7.0-3).
第七章 岩体声波测试
一、声波及传播
固体介质中扰动传播形成应力波、声波、超声波、地震波，爆炸冲 击波都是应力波。 应力波传播时，质点在自己的平衡位置附近作振动，传播的只是扰 动状态，而不是振动的质点。 为了便于讨论，假定扰动源点作简谐振动，它的位移可用正弦函数 表示，则 u=Asint 应力波传播到距源点X处时，该点被扰动后振动的历程为 u=Asin(t－x/v)=Asin(t－2x/) 即该点也作同源点有一相位差的简谐振动 式中A为振幅； 为振动的圆频率；v为波速； 为波长。 扰动引起固体介质质点振动方向与波的传播方向相同的应力波为纵波， 固体介质质点振动方向与波的传播方向垂直的应力波称为横波。纵波传 播的速度较快，易于识别，横波传播速度较慢，由于受到纵波余波的干 扰，识别比较困难。
第一节 岩块声波测试
岩块声波测试主要仪器和设备包括岩 石声波参数测试仪；纵波换能器、横波换 能器；游标卡尺；标准试棒；测试架。
测试记录包括工程名称、岩石名称、 取样部位、试件编号、试件描述、试件尺 寸、测试方法、换能器间的距离、传播时 间、仪器系统的零延时、测试人员、测试
其主要关键技术问题如下：
2 测试设备的选择和使用 在小尺寸的岩块试样上进行声波测试时，如要模拟无 限介质的条件，则必须配备能满足测量精度的超声仪与其 配套的换能器，因此，只要满足规程中要求的测试整机或 组合配套设备，均可用来进行岩块试样的测试。 测试仪器的使用应视具体情况而定，如同步触发脉 冲的重复频率应选择适当。一方面要保证通过试样的超声 波信号不受余振的影响，又要使荧光屏上有足够的亮度。 一般同步触发以50Hz为宜，适当调整激发脉冲电压和脉 冲宽度，可使发射换能器输出的功率最大。另外，还要合 理调节扫描延时和选择放大器增益，使荧光屏上的波形清 晰可见，便于准确判读。
声波在试样中传播时，其波动方程是很复杂 的，一般情况下已不符合平面场的理论。若想符合 平面场理论，必须提高声波的发射频率，使岩样边 界对波速的影响降到可以忽略不计的程度，理论上 要求D>> 。对于室内岩样，一般D为5cm，则 f=1MHz，一般情况下难以达到。
试验研究表明，只要D≥（2-3） 时，就可 以按平面理论计算岩样波速，所测波速可认为是岩 样的真正波速。否则岩样的边界降对声波的传播产 生制导，出现制导波。它比岩块的波速低。因此， 当 与D之比达不到要求时，应采用提高声波发射 频率或加大试样几何尺寸等措施。
3 纵波、横波测试 岩块试样的声波测试，当采用“直达波法”测试时， 发射换能器与接收换能器应安放在试样的两个端面的中心 轴上，端面间的轴线长度即为测距，换能器作用面与中心 线的偏差不应大于2°。与“平透法”相比，“直达波法” 所接收到的信号能量强，因而波幅大，初至波清晰易识别， 测试精度高。
在横波测试中，目前普遍采用切变振动模式横波换能 器。横波在纵波之后，振幅比纵波大，但初至点受到它前 面波的干扰，往往难以识别。在使用切变振动模式换能器 测横波时，若将发射换能器或接收换能器转动180°，横 波的初至点相位随之变化180°，这样前后两次对比，可 较准确地判读横波的初至时间。另外，必须注意接收与发 射换能器切变振动方向要一致，否则接收横波的灵敏度也 将大大降低。
vp
d 2G
p
(1 )(1 2 ) (1 )
（7.0-1）
Ed pv2 p
（7.0-2）
vs
G p
1 Ed p 2(1 )
（7.0-3）
四、声波测试技术在岩土工程中有广泛的应用
岩体声波测试是以声波在岩体中的传播特性 与岩体的物理力学参数相关性为基础，通过测定 声波在岩体中的传播特性参数，为评价工程岩体 力学性质提供依据。其在岩石工程中应用广泛， 主要有工程岩体质量分级、围岩松动圈的测定、 大坝基础灌浆效果检测、岩体动静弹模对比、建 基面基岩质量评价和验收、爆破开挖影响范围检 测、测定风化系数、完整性系数和各向异性系数、 断层和岩溶等地质缺陷探查等等。