地下工程监测方法与检测技术 第9章 声波检测技术

2．岩体工程灾害预报 在岩体工程施工中，经常听到岩石的声响。室内和现场研究表明，从岩石
破坏所产生的次声能发射是这些可听见声响的前兆。一般来说，发射速率的 增长超前于岩石主破裂，采用三角网法可以确定声发射源，它是根据声波传 播到几个接收站的时间差而确定的。地音检测系统就是根据上述原理研制的。
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进行工程解释
声波接收 系统接收 经介质传 播的声波
声波记录和 分析系统
波动类型
1. 纵波（Longitudional Wave）
质点振动方向与波的传播方向一致时称 为纵波。
2. 横波（Shear Wave，简称S波，又称作Transverse wave，简称T波，也称为切变波或
剪切波）
质点振动方向与波的传播方向垂直时称为横波。
例：某矿采用便携式地音仪进行长期试验，总结出岩体失稳的判断指标和合理的监听制
度，从连续监听5min得到的数据中，取其最大值作为岩音的频率(N). (1) N<10，稳定; (2) N=10~19，岩体处于破坏加速阶段； (3) N>20，岩体破裂加速，出现局部破坏。
监听制度
N<10，监听周期最大为1周； N=10~19，最大监听周期应小于2天; 监听周期不应超过1天。
02
声发射技术
一、基本原理
材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，或材料内部缺陷及潜在 缺陷在外部条件作用下改变状态时，以弹性波形式释放出能量的现象称为声 发射。
声发射信号的强度、频率等各项特性指标等随着声发射源的类型、状态及 材料性质的不同而不同，也随着外力的作用形式及强弱的变化而变化，因此， 声发射特性是材料性质和状态的一个表征。
声发射检测技术就是利用材料受力时的声发射特性，对其内部破坏状态及受 力历史进行判断的方法，它不仅能对材料内部缺陷进行检测，而且还能反映 材料内部缺陷形成、发展和失稳破坏的整个动态过程。
声发射技术在混凝土检测中主要用于裂缝的发生发展及位置的确定；在岩 体检测中，研究岩石的损伤机理和断裂特性，测定岩体地应力，检测矿井和 洞空的安全，以及预报岩爆的产生等。
三、声波测试设备
岩体声波探测的全过程是声波发射、传播及接收显示，其相应的仪 器有发射换能器、接收换能器和声波仪。 1．声波换能器
N>20，最大
03
声波测试技术
一、基本原理
波动与振动
在空间某处发生的扰动，以一定的速度由近及远地传播，这种传播着的扰动称为波动。
波动中介质各质点并不随波前进，只是在各自的平衡位置附近往复运动。这种运动称质点
的振动（机械振动）。
声波
声波是在介质中传播的机械波，
名称 次声波
频率范围（Hz） 0~2×101
依据波动频率的不同，声波可分为
可闻声波
2×101~2×104
次声波、可闻声波、超声波、特超 声波。
超声波 特超声波
2×104~1010 >1010
声波的传播规律
声波发射 系统向被 测介质发 射声波
声波在介质(被测对象) 中传播,介质的几何特 征、内部结构、力学 性能对声波进行调制
依据声学参数和波形 的变化，对介质特性
利用凯塞效应可以估算地应力的大小：在9个方向取9组圆柱体岩样(注 意原位方向)，进行压缩试验，测出声发射突然增大的载荷，按这一载菏 计算出所取方向试样的单轴地应力，根据测得的9组单轴的应力，算出主 应力大小和主应力方向。 注意: 在正式试验前应验证不同方向取样后声发射Kaiser效应是否存在— —取2~3个试样作加载和卸载试验。
质点振动方向垂直于传播方向。 固体介质
S波、次圆长轴垂直于 传播方向,短轴平行于传播方向。
固体介质
二、声波的激发方式
声波的激发方式可以采用以下几种方法实现： （1）采用雷管或炸药爆炸激发 （2）利用锤击或机械冲击激发 （3）采用各种类型电声换能器激发 （4）利用电火花气爆激发
第9章 声波检测技术
CONTENT
1 概述 2 声发射技术 3 声波测试技术
01
概述
声波监测技术可分为声发射技术和声波测试技术。
声发射技术主要是研究岩石的损伤机理和断裂特性，测定岩体地应力的方向和大小， 检测地下空间和洞室的安全，以及预报岩爆的产生和围岩的稳定性等。
声波测试技术是利用声波在岩体内传播性能进行的一种量测方法，亦称声测法， 或弹性波法。这种方法对于预报山体压力的显现，判断地下空间岩体的完整性和破坏 程度，进行安全检查是一种切实可行的有效方法。
声发射信号是分析声发射性质和状态的基本依据，通常用压电换能器在 试件表面接收并记录这些信号，输入仪器进行分析和处理。处理和分析声发 射信号的特性参数有计数率、能量和能量率，以及频谱、波形以及多信号的 时差等。
若记录每一个声发射事件，就叫AE事件计数。单位时间AE事件计数称为
AE事件计数率，事件计数累积称AE事件总数。通常设置门槛电压，只有当输
3. 表面波（Surface Wave ）
沿介质表面传播，波动振幅随深度增加而迅速衰减的波称为表面波(R波，瑞利波)。 表面波质点振动的轨迹是椭圆形,长轴垂直于传播方向,短轴平行于传播方向。
各种类型波的比较
波类型
质点振动特点
传播介质
别名
纵波 横波
质点振动方向平行于传播方向。
固、液、气体 介质
P波、 L波、初至 波疏密波
入信号超过该电压时，才能作为声发射事件被记录下来。显然，对声信号的
各种计数描述着重于信号出现的频率，而较少反映信号的幅度。
煤
混凝 土的 声发 射试 验结 果
二、声发射检测仪
(1) 具有高响应速度、高灵敏度、高增益、宽动态范围以及对强信号阻塞的恢复 能力； (2) 具有较宽的频响范围，有较大的频率检测窗口选择余地; (3) 具有抗干扰和排除噪声的多种功能； (4) 根据检测的目的不同，还要求检测仪器具有快速、完善的分析处理功能和不 同的显示功能。
单通道声发射仪：多种分析√ 声源定位× 多通道声发射仪：多种分析√ 声源定位√ (功能组合)
声发射换能器（探头）
声发射换能器一般由壳体、保护膜、 压电元件、阻尼块、连接导线和高频插 座组成。压电元件通常采用锆钛酸铅、 钛酸钡和铌酸锂等。
三、声发射技术在工程中的应用
1. 凯塞效应及应用
大理岩的kaiser效应