《新巖石聲波》PPT課件

1、巖石聲波 實驗,巖石聲波 實驗,聲波巖石參數(shù)測定儀,隨著超聲探測技術(shù)的發(fā)展，相應(yīng)的研制出了各種探測儀器，應(yīng)用于巖體（巖石）超聲探測的儀器和設(shè)備，它是以巖石力學特性為基礎(chǔ)，研究聲波或超聲波在巖體（巖石）的傳播規(guī)律，借以了解巖體（巖石）的動彈力學狀態(tài)及其結(jié)構(gòu)特征。目前國內(nèi)外的探測儀器種類甚多，性能也各不相同，但它們的基本原理都大同小異。大體上具有發(fā)射、接收和記錄（顯示）三個系統(tǒng)，以及“電聲”轉(zhuǎn)換及“聲電”轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。其工作的基本方法也不外乎如圖所示,發(fā)射 系統(tǒng),樣 品,接收 放大 系統(tǒng),記錄 顯示 系統(tǒng),分解 折析 系統(tǒng),1,2,1.發(fā)射換能器,2.接收換能器,儀器測量工作原理方框圖,換能器的工作原

2、理,一）構(gòu)造原理,儀器的發(fā)射、接收兩大部分，由多諧振蕩器進行同步控制工作。每個振動周期有一觸發(fā)信號輸出，它同時控制“發(fā)射延時”和“掃描延時”工作。“發(fā)射延時”將觸發(fā)信號延時一段時間后輸出給發(fā)射系統(tǒng)，讓發(fā)射機工作，同時讓計數(shù)器開始計數(shù)。“掃描延時”將鋸齒波掃描經(jīng)過適當?shù)难訒r，以便接收放大的波形能呈現(xiàn)在示波管屏幕上。這個尖脈沖信號同時加到計數(shù)器，做計數(shù)器的關(guān)門信號，以便讀到某一波形的到達時間t0 發(fā)射系統(tǒng)：其電路原理框圖如圖所示。其發(fā)射脈沖幅度分兩擋，連續(xù)可調(diào)，最低幅值80V，最高可達1000V，脈沖寬度為0.25微秒。當接收系統(tǒng)的同步信號到來后，“單穩(wěn)”輸出一寬度可調(diào)的矩形脈沖，其經(jīng)放大后，加在

3、換能器的晶體上，引起壓電晶體的機械振動,輸入級,電流 放大,單 穩(wěn),脈沖 放大,同步信號輸入,至發(fā) 射換 能器,電路原理方框圖,SYC3 儀器前面板部件,SYC3 儀器后面板部件,巖石樣品,將動時標調(diào)至被測點的右側(cè)，然后再慢慢向左移，將時標前沿對準被測位置，這樣時標不陡的后沿引起的波形畸變不至于干擾被測波形的識別。如圖,被測時間,利用時標測量走時,HF-D型智能超聲儀,構(gòu)造原理,HFD型智能聲波儀是由雙路超聲波儀器主機、計算機及打印機等組合而成的智能化儀器。其可顯示單通道和雙通道波形、衰減量、聲時、首波幅度、頻率等聲學參數(shù)。波形和數(shù)據(jù)均可存儲、打印。測井時可繪制深度聲速及深度幅度曲線。該儀器可

4、用于巖石、陶瓷、橡膠等固體介質(zhì)的超聲測量；檢測混凝土構(gòu)件、樁基的孔洞、裂縫等缺陷以進行其強度的綜合評定,主要技術(shù)性能,1工作頻率范圍：100HZ 1MHZ 2時間測讀范圍：0.1微秒 6500微秒 3時間讀出精度：0.1微秒（采樣頻率10MHz） 4讀出方法選擇：手動自動 5TO 消除范圍： 0 200微秒 6發(fā)射電壓選擇：200V、500V、1000V,7衰減調(diào)節(jié)范圍：0 80db 8衰減步級：1db 9. 采集方式：單次采樣或連續(xù)采樣，波形連續(xù) l0. 避免強電磁場干擾,HF-D儀器面板部件,HF-D型聲波儀的電氣原理圖,操作步驟,程序安裝后，桌面有HFD圖標，雙擊圖標就能進入超聲儀操作程

5、序。使用前，需把計算機內(nèi)的IP地址設(shè)置為192.168.0.123 ，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0 。 將主機后面板網(wǎng)線插口上插入網(wǎng)線水晶頭，網(wǎng)線另一端水晶頭與計算機網(wǎng)口相連，完成主機與計算機的連接,計算機網(wǎng)口,主機面板三只換能器插口從左到右分別為一通道接收換能器輸入插口；二通道接收換能器輸入插口；發(fā)射換能器輸出插口。按照測試的需要接好不同類型的換能器。即可開啟主機電源、計算機電源（需打印時接好打印機電源和計算機之間的打印連線），雙擊計算機HFD圖標，點擊數(shù)據(jù)采集方框，進入數(shù)據(jù)、波形顯示圖面。等待約20秒鐘，讓程序進行初始化,巖石樣品,根據(jù)測試使用的換能器，確定和消除T0（一發(fā)雙收換能

6、器除外）。將換能器涂上黃油或凡士林后對壓緊，按擊該通道衰減使db值從40改為75db，點擊采集方框數(shù)次，獲取一波形中光標的首波聲時值S ，記住該值即為該通道的系統(tǒng)T0值，二通道同理操作，按照測試的要求，點擊參數(shù)設(shè)定方框，設(shè)定菜單內(nèi)的參數(shù),消除干擾設(shè)定”： 在測試中有時在從0點到首波起點范圍內(nèi)有干擾，影響自動讀數(shù)，此時可以用該方法消除這些干擾。例如：首波讀時在0微秒到180微秒之外，可以輸入一個1750的數(shù)值在消除干擾設(shè)定的框內(nèi)，這樣在 0 175 微秒內(nèi)的干擾將不影響儀器的正確讀數(shù)（該值必須大于2微秒）。該設(shè)定在開機時設(shè)置為500，即 0 50 微秒內(nèi)的干擾將不影響儀器的正確讀數(shù)。當首波聲時小

7、于50微秒時，該值要調(diào)整至小于500,存盤長度”： 在貯存波形時，我們往往不需要首波后面衰減震蕩的疊加減波形，只需要首波后面的幾個或幾十個周期的波形即可，這樣可用此程序鎖定存盤的范圍，少占用計算機的內(nèi)存容量。設(shè)定的長度為時間 微秒,首波開門電平”： 在自動測試和記錄采集的數(shù)據(jù)和波形時，往往對首波的振幅有一定的范圍限制，可用此值確定首波自動關(guān)門電平的確認波，即當測試首波幅度要大于該值時儀器才認定為首波。開機設(shè)定為20,一通道T0 、二通道T0”： 開機時為0其單位為0.l微秒，把您測試好的T0值分別輸入,一通道試件長度、二通道試件長度”： （開機時為1）單位為毫米。（專用儀器單位為0.01毫米）

8、，把您測試的收、發(fā)換能器之間的中心距離用尺量好分別輸入（即測試試件的長度,發(fā)射電壓”： 當您測試距離加大或增益不夠使用時，調(diào)整到500V或l000V,探頭類型”： 開機時為低頻（100KHz以下）； 中頻（100KHz500KHz）；高頻500 KHz以上。 根據(jù)使用換能器的頻率確認,一發(fā)雙收狀態(tài)”： 該狀態(tài)為采用一根換能器上有一發(fā)射雙接收振子在同一孔中測試介質(zhì)層位參數(shù)時專用。在該狀態(tài)時第二通道X值為第二通道的測試點聲時值減去第一通道的測試點聲時值的差,平滑參數(shù)”： 由儀器設(shè)定,發(fā)射狀態(tài)”： 開機為單次發(fā)射。也可以改為連續(xù)發(fā)射。外觸發(fā)空,深度參數(shù)”： 該程序為跨孔測樁和一發(fā)雙收測孔時專用，其中

9、放線方向從上到下和從下到上，分別指換能器上下放置的方向。從地面向下放時為從上到下。從孔底向上提升測試時是從下到上（一個發(fā)射兩個接收一次性測三個剖面時使用）。“初始深度”的概念是指樁頭或從地表面向下不需要測試的范圍?！伴g距”是指換能器每次放置的距離，而兩個換能器間的間隔距離輸入在通道的試件長度框內(nèi)，兩者不同,顯示方法”： 連線顯示。顯示的波形是計算機連畫的。當需要精確到0.1微秒測量時，可以改變成點顯示。配合顯示壓縮為1。則光標每移動1個點。變化0.1微秒。 “反向顯示”： 當兩換能器測試到的首波波形是負相位時。開啟反相顯示（因儀器自動讀數(shù)首波波形為正相位,打印機參數(shù)”： 開機設(shè)定為佳能80彩噴

10、機?？梢宰孕姓{(diào)整。 前景色、背景色，開機時背景色為黃色，前景色為黑色,保存當前參數(shù)。參數(shù)設(shè)定不變后按下按鈕保存，再確定即可。按圖六菜單進行測試操作。設(shè)定完成后，點擊保存當前參數(shù)。點擊確定，輸入?yún)?shù)完成,按照測試的要求放置好換能器，調(diào)整衰減量按鈕，增大或減少衰減量。衰減量數(shù)字增大時接收的波形減小。反之波形增 大。點擊數(shù)據(jù)采集按鈕兩次，獲取最佳的數(shù)據(jù)和波形,調(diào)節(jié)顯示壓縮的數(shù)值可改變顯示波形的寬度，數(shù)值越小波形拉的越寬；反之波形壓縮。改變顯示壓縮的值后，再點擊采集按鈕，即改變波形的顯示,2,248,單位是0.1s,482,若需要存盤文件，點擊設(shè)定文件名，輸入文件編號，點擊保存，確定文件編號，再按需要

11、點擊保存數(shù)據(jù)或保存數(shù)據(jù)和波形按鈕，這樣數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)波形即被保存，一個測點就結(jié)束?？蛇M行下一個測點的測試，直到測試任務(wù)結(jié)束。點擊關(guān)閉，退出測試菜單,數(shù)據(jù)瀏覽與分析 點擊“數(shù)據(jù)瀏覽與分析,點擊打開文件。打開采集到的存盤文件，（一般在C:HFD目錄下），打開文件后就能看到左邊的列表顯示每個測點數(shù)據(jù)編號，移動并點擊某個測點，可以看到該測點詳細的數(shù)據(jù)和波形。用戶可以修改方框內(nèi)的數(shù)據(jù)，然后點保存。其中發(fā)射電壓、顯示比例、當前位置、波形存儲長度不能修改,C: HF-D sy-8,1 -5 2 -4.7 3 -4.4 4 -4.1 5 -3.8 6 -3.5 7 -3.2 8 -2.9 9 -2.6 10 -2

12、.3 11 -2.0 12 -1.7 13 -1.4 14 -1.1 15 -0.8 16 -0.5 17 -0.2 18 0.1 19 0.4 20 0.7 21 1 22 1.3 23 1.6 24 1.9 25 2.2 26 2.5 27 2.8 28 3.1 29 3.4,0,128,21 1,C: HF-D sy-8,1 -5 2 -4.7 3 -4.4 4 -4.1 5 -3.8 6 -3.5 7 -3.2 8 -2.9 9 -2.6 10 -2.3 11 -2.0 12 -1.7 13 -1.4 14 -1.1 15 -0.8 16 -0.5 17 -0.2 18 0.1 19

13、0.4 20 0.7 21 1 22 1.3 23 1.6 24 1.9 25 2.2 26 2.5 27 2.8 28 3.1 29 3.4,0,128,21 1,根據(jù)需要可以進行下列操作： 用戶需要打印光標指示的某測點數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)和波形。按下“打印數(shù)據(jù)或打印數(shù)據(jù)波形”按鈕，彈出打印機設(shè)置菜單，按照您配置的打印機機型和打印范圍及參數(shù)進行設(shè)置。設(shè)置完成后點擊確定。打印機打印出該點的全部數(shù)據(jù)和存盤的波形,多波形：多波形分析，指對一組數(shù)據(jù)中每十個測點的波形同時在一幅圖案中顯示。以便觀察它的首波和整個波形的規(guī)律。方法是在“數(shù)據(jù)瀏覽”中點擊打開文件，點擊所需要觀察的一組數(shù)據(jù)文件編號。點擊打開，再點擊“多

14、波形”按鈕。即可看到該組從0到第十個測點的波形,C: HF-D sy-8,1 -5 2 -4.7 3 -4.4 4 -4.1 5 -3.8 6 -3.5 7 -3.2 8 -2.9 9 -2.6 10 -2.3 11 -2.0 12 -1.7 13 -1.4 14 -1.1 15 -0.8 16 -0.5 17 -0.2 18 0.1 19 0.4 20 0.7 21 1 22 1.3 23 1.6 24 1.9 25 2.2 26 2.5 27 2.8 28 3.1 29 3.4,0,128,21 1,若需要繼續(xù)第十一、十二 .個測點的觀察，可以按右邊框的鈕上下移動測點數(shù)據(jù)文件,C: HF-

15、D sy-8,1 -5 2 -4.7 3 -4.4 4 -4.1 5 -3.8 6 -3.5 7 -3.2 8 -2.9 9 -2.6 10 -2.3 11 -2.0 12 -1.7 13 -1.4 14 -1.1 15 -0.8 16 -0.5 17 -0.2 18 0.1 19 0.4 20 0.7 21 1 22 1.3 23 1.6 24 1.9 25 2.2 26 2.5 27 2.8 28 3.1 29 3.4,0,128,21 1,數(shù)據(jù)導出：用戶可以將數(shù)據(jù)導出到execl。方法是在“數(shù)據(jù)瀏覽”中，點擊“打開文件”后再點擊需要導出的數(shù)據(jù)文件編號，點擊后再點擊“數(shù)據(jù)導出”按鈕。在“請

16、選擇需要導出的字段”中按需要在數(shù)據(jù)框中打。然后點擊“導出”按鈕，數(shù)據(jù)按順序列表導出,按“退出系統(tǒng)”按鈕退出儀器。實驗操作結(jié)束后，按注意事項關(guān)閉計算機和主機，并拔下電源插座，收好換能器及配件，以便下次使用,注意事項 1使用儀器時應(yīng)先了解該設(shè)備的性能和操作方法； 2嚴禁發(fā)射電壓直接加入輸入端，否則機器將損壞； 3防止電腦病毒，確保無病毒的軟件才可在本儀器上使用；一般不允許自帶軟件在本機上使用； 4退出超聲波儀器程序后，方可關(guān)機?；蛑匦聠訖C器。開機先開主機、打印機、計算機、關(guān)機則相反。不允許帶電拔插頭； 5請勿改動計算機內(nèi)的操作程序。請勿用調(diào)試工具對軟件進行分析或軟件改動，以免造成 嚴重后果； 6

17、開機進入數(shù)據(jù)采集程序后，應(yīng)等待20秒鐘后進行采集數(shù)據(jù)。否則屏幕顯示“與主機通訊失敗”，此時可消除提示，若網(wǎng)線未聯(lián)好，則提示無法消除，則需要檢查網(wǎng)線是否聯(lián)好； 7每次發(fā)射電壓由高調(diào)低時應(yīng)多采集幾次以保證數(shù)據(jù)的正確性； 8請勿擅自拆開主機,巖石波速的測量,一）實驗?zāi)康模?室內(nèi)巖石樣品的測量是野外現(xiàn)場測定地質(zhì)解釋的基礎(chǔ)。熟練使用聲波儀，掌握波速測量的方法，學會正確識別縱波及橫波,三）原理及裝置： 大多數(shù)巖石，都服從基于線性理論的虎克定律，即小的形變與所施加的載荷成正比。在巖石介質(zhì)中，超聲波的傳播遵循彈性波動方程。從而可得到兩部分，無旋波和等體積波即縱波（波）和橫波（波）。超聲波實質(zhì)上就是質(zhì)點振動在介

18、質(zhì)中傳播的過程。如何產(chǎn)生振動，我們采用壓電陶瓷，用聲波儀產(chǎn)生高頻電脈沖激發(fā)壓電陶瓷片，使它產(chǎn)生機械波即振動，這振動經(jīng)探頭與樣品間的耦合層后，在介質(zhì)中傳播，到達樣品的另一端時，被接收探頭接收，接收探頭反之將此振動又轉(zhuǎn)換為電脈沖信號送入聲波儀中，這脈沖發(fā)射與接收間的時差由一高精度的時間測量裝置測出，扣除波在探頭于樣品間的耦合層中的傳播時間，即得到波在介質(zhì)中的傳播時間，從而得到介質(zhì)的波速,測量彈性波速度的方法基本分為三類：共振法、脈沖法（pulse transmission）和干涉法（ultrasonic interferometry）。其應(yīng)用范圍和測量精度如下,表中：L -樣品長度，f -諧振頻率

19、，n -整數(shù)（n=1,2,3），t -時間，-聲波往返滯后時間,當超聲波的波長比研究的物體小許多時，物體可近似地看作無界的，可以證明，任意擾動產(chǎn)生的初動在介質(zhì)中以縱波速度VP或橫波速度VS傳播。因此，我們可以將兩個超聲波探頭放置在樣品的兩個端面上，當脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的高壓電脈沖信號加在發(fā)射探頭上時，探頭受到激發(fā)，產(chǎn)至一個瞬態(tài)的振動（P波或者S波取決于探頭的振動方式），該振動經(jīng)過探頭與樣品間的耦合后，在介質(zhì)中傳播，到達樣品另一端時，被接收探頭所收到。脈沖發(fā)生時間與接收時間之差T 被一高精度的時間測定儀測出，扣除波在探頭與樣品間耦合層中傳播的時間T0后，即得到波在介質(zhì)中傳播的時間Tt ： Tt =

20、T - T0 波速可以由樣品長度與Tt 之商給出： V = L / Tt,超聲脈沖法,巖 樣,發(fā)射探頭,接收探頭,國際巖石力學協(xié)會推薦的脈沖法測量波速的方框圖,脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的電壓脈沖同時用來觸發(fā)示波器掃描、巖石樣品上的發(fā)射探頭和觸發(fā)時標發(fā)生器工作。經(jīng)常采用雙線示波器，一條線記錄接收探頭接收到的信號，另一條記錄通過延時器后的發(fā)射信號。調(diào)節(jié)延時器的延時長度，使示波器上顯示的兩個記錄波形的初動對齊，這時，延時器的“延時”就等于波傳播的時間。圖中的電子計數(shù)器用作“時間間隔測定”用，發(fā)射脈沖使其開始計數(shù)，經(jīng)過前置放大器的接收信號使其停止計數(shù)，它的計數(shù)是與傳播時間成比例的。這樣測出的時間是上式中的T ，

21、關(guān)于波在探頭及耦合層中傳播的時間可以將兩個探頭直接接觸予以測定。 實驗中選取適當?shù)奶筋^和最佳的脈沖激發(fā)頻率是十分重要的。我們知道，表征探頭的兩個主要參數(shù)是它的諧振頻率和阻尼。如果一個電壓脈沖加在發(fā)射探頭上、脈沖前沿產(chǎn)生的振動與脈沖后沿產(chǎn)生的信號會互相干涉。當改變發(fā)射脈沖寬度時會得到很復雜的結(jié)果。如果脈沖寬度過窄，則前沿產(chǎn)生的振動還未達到最大振幅，就被后沿產(chǎn)生的振動抵消了。如果發(fā)射脈沖寬度很寬，前沿和后沿的波形會發(fā)生嚴重的干涉。經(jīng)驗表明，當脈沖寬度等于探頭諧振周期的0.6-0.8倍時，效果較好,脈沖法的主要問題在于如何精確地測量脈沖在樣品中傳播的走時。無論加在發(fā)射探頭上的電壓脈沖多么尖銳，探頭總

22、是逐漸開始振動的，如果探頭的阻尼大，則起振慢，振動衰減快。反之亦然。而接收到的脈沖也總是逐漸上升的，因此，很難精確地測量接收到達的準確時刻。超聲脈沖法測量精度約在1%-3%之間。 在接收到的波形中，初動后面跟著一個較長的波列。而脈沖法中，只利用了這個波列的初至時刻這樣一個信息，能否從這個波列中提取更多的信息，以改善測量精度呢？為此提出了許多其它方法。值得指出的是，盡管脈沖法精度（特別是測量的絕對精度）不算高，但由于其簡單方便，至今仍被廣泛地應(yīng)用著。 (2)脈沖回聲法 脈沖法中利用超聲脈沖的干涉是一種精度很高的方法，它特別適用于小樣品的波速測量以及研究彈性參數(shù)與溫度的依賴關(guān)系。遺憾的是，這種方法

23、使用的電子設(shè)備過于復雜。脈沖回聲法是比伯奇等使用的脈沖法改進了的一種方法，這種方法使用的設(shè)備方框圖如圖,10兆赫的晶體振蕩器產(chǎn)生的正弦信號，經(jīng)過一個三級分頻器（原始振蕩頻率被分頻為：1兆赫，50千赫，2千赫）后，將2千赫的信號送至示波器x軸，使其觸發(fā)掃描，重復周期為500微秒，這2千赫的信號同時經(jīng)過一個3-5微秒的延遲電路后，觸發(fā)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生一個幅度為125-150伏的電壓脈沖，該電壓脈沖由脈沖發(fā)生器的一個振蕩槽路輸出，使10兆赫的壓電晶體產(chǎn)生振動。發(fā)射波形和接收到的回聲信號都經(jīng)過前置放大器，再由接收器加以放大。前置放大器上裝有鍺二極管作成的嵌位電路，對于幾百伏的發(fā)射信號，該嵌位線路的增益約

24、為0.01，而對于接收到的反射回聲信號，增益卻為0.96，也就是說，該線路只為回聲信號提供通路，而使發(fā)射信號急劇衰減，以便兩種信號的幅度不致差別過大，這樣可以同時在示波器上顯示出來。 接收器實際上是一個中心頻率為10兆赫；帶寬為4兆赫的帶通放大器，它可以有效地放大接收信號，并壓制其他干擾信號。圖中儀器系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的振動波形如圖所示,在示波器上，可以看到如圖的波形。兩個相鄰回聲信號的時間間隔(上圖中以T表示)可以通過判讀示波器照片或用時間測定儀測出，測量精度可達10-3，樣品的厚度L可以用千分表測準至10-3毫米，于是波速V可以求出：V=2L/T 這種測量的精度約為0.5以上，為什么脈沖回聲法能比

25、脈沖法測量精度高呢？在脈沖法中，波動在樣品與探頭間的耦合層中傳播需要時間t0，實際波在樣品中的傳播時間需要從實測時間中扣除2t0 ，t0一般難于精確測量，而且耦合層在壓力，溫度變化情況下，其幾何參數(shù)和彈性參數(shù)往往變化。也就是說，即使在某一條件下已精確地測定t0以后，在另一些條件下，t0還會發(fā)生變化。因此，耦合層的影響是脈沖法精度不高的主要原因，而在脈沖回聲法中我們計算的是相鄰兩個回聲之間的時間間隔，耦合層對兩個回聲到時的影響是相同的，因此，測定兩回聲的間隔，完全扣除了耦合層的影響，這是脈沖回聲法精度高于脈沖法的主要原因,圖915 脈沖法和回聲法測量精度的比較 發(fā)射探頭， 2耦合層L 8巖石樣品

26、， 4耦合層， 6接收探頭， f波在巖石中單程傳播時間 干涉法 用超聲干涉法測量波速的優(yōu)點是：可以測量尺度甚小樣品中的波速(如1X1X0.5厘米3)，測量精度幾乎完全由樣品尺度測量精度所限定（該方法在測量彈性波傳播時間方面的精度遠此幾何尺寸測量精度為高），在幾種測量波速方法中，這種方法精度最高。 這種方法的興起大約在50年代初期，為了精確地測定巖石和礦物的彈性常數(shù)，特別是對于尺寸較小的樣品，波速測量幾乎是唯一的方法。這個方法最早是貝爾電話實驗室的麥克斯克明首先應(yīng)用的，后來，許多人都采用了這個方法測量波速，并且作了改進(Schreiber，1966，Anderson，1966)。干涉法細分為相位比較法和脈沖迭加法兩種，本節(jié)僅就后者作簡單介紹。這種方法的原理可以用圖916的方框圖來說明。 圖916 測量彈性波速的脈沖迭加法方框圖,本方法的關(guān)鍵電子設(shè)備是脈沖重復振蕩器(Pulse Repetition Oscillator PRF)。射頻(Radio Frequencyrf)振蕩器產(chǎn)生8130兆赫可調(diào)的