《新岩石声波》PPT课件

1、岩石声波 实验,岩石声波 实验,声波岩石参数测定仪,随着超声探测技术的发展，相应的研制出了各种探测仪器，应用于岩体（岩石）超声探测的仪器和设备，它是以岩石力学特性为基础，研究声波或超声波在岩体（岩石）的传播规律，借以了解岩体（岩石）的动弹力学状态及其结构特征。目前国内外的探测仪器种类甚多，性能也各不相同，但它们的基本原理都大同小异。大体上具有发射、接收和记录（显示）三个系统，以及“电声”转换及“声电”转换系统。其工作的基本方法也不外乎如图所示,发射 系统,样 品,接收 放大 系统,记录 显示 系统,分解 折析 系统,1,2,1.发射换能器,2.接收换能器,仪器测量工作原理方框图,换能器的工作原

2、理,一）构造原理,仪器的发射、接收两大部分，由多谐振荡器进行同步控制工作。每个振动周期有一触发信号输出，它同时控制“发射延时”和“扫描延时”工作。“发射延时”将触发信号延时一段时间后输出给发射系统，让发射机工作，同时让计数器开始计数。“扫描延时”将锯齿波扫描经过适当的延时，以便接收放大的波形能呈现在示波管屏幕上。这个尖脉冲信号同时加到计数器，做计数器的关门信号，以便读到某一波形的到达时间t0 发射系统：其电路原理框图如图所示。其发射脉冲幅度分两挡，连续可调，最低幅值80V，最高可达1000V，脉冲宽度为0.25微秒。当接收系统的同步信号到来后，“单稳”输出一宽度可调的矩形脉冲，其经放大后，加在

3、换能器的晶体上，引起压电晶体的机械振动,输入级,电流 放大,单 稳,脉冲 放大,同步信号输入,至发 射换 能器,电路原理方框图,SYC3 仪器前面板部件,SYC3 仪器后面板部件,岩石样品,将动时标调至被测点的右侧，然后再慢慢向左移，将时标前沿对准被测位置，这样时标不陡的后沿引起的波形畸变不至于干扰被测波形的识别。如图,被测时间,利用时标测量走时,HF-D型智能超声仪,构造原理,HFD型智能声波仪是由双路超声波仪器主机、计算机及打印机等组合而成的智能化仪器。其可显示单通道和双通道波形、衰减量、声时、首波幅度、频率等声学参数。波形和数据均可存储、打印。测井时可绘制深度声速及深度幅度曲线。该仪器可

4、用于岩石、陶瓷、橡胶等固体介质的超声测量；检测混凝土构件、桩基的孔洞、裂缝等缺陷以进行其强度的综合评定,主要技术性能,1工作频率范围：100HZ 1MHZ 2时间测读范围：0.1微秒 6500微秒 3时间读出精度：0.1微秒（采样频率10MHz） 4读出方法选择：手动自动 5TO 消除范围： 0 200微秒 6发射电压选择：200V、500V、1000V,7衰减调节范围：0 80db 8衰减步级：1db 9. 采集方式：单次采样或连续采样，波形连续 l0. 避免强电磁场干扰,HF-D仪器面板部件,HF-D型声波仪的电气原理图,操作步骤,程序安装后，桌面有HFD图标，双击图标就能进入超声仪操作程

5、序。使用前，需把计算机内的IP地址设置为192.168.0.123 ，子网掩码为255.255.255.0 。 将主机后面板网线插口上插入网线水晶头，网线另一端水晶头与计算机网口相连，完成主机与计算机的连接,计算机网口,主机面板三只换能器插口从左到右分别为一通道接收换能器输入插口；二通道接收换能器输入插口；发射换能器输出插口。按照测试的需要接好不同类型的换能器。即可开启主机电源、计算机电源（需打印时接好打印机电源和计算机之间的打印连线），双击计算机HFD图标，点击数据采集方框，进入数据、波形显示图面。等待约20秒钟，让程序进行初始化,岩石样品,根据测试使用的换能器，确定和消除T0（一发双收换能

6、器除外）。将换能器涂上黄油或凡士林后对压紧，按击该通道衰减使db值从40改为75db，点击采集方框数次，获取一波形中光标的首波声时值S ，记住该值即为该通道的系统T0值，二通道同理操作，按照测试的要求，点击参数设定方框，设定菜单内的参数,消除干扰设定”： 在测试中有时在从0点到首波起点范围内有干扰，影响自动读数，此时可以用该方法消除这些干扰。例如：首波读时在0微秒到180微秒之外，可以输入一个1750的数值在消除干扰设定的框内，这样在 0 175 微秒内的干扰将不影响仪器的正确读数（该值必须大于2微秒）。该设定在开机时设置为500，即 0 50 微秒内的干扰将不影响仪器的正确读数。当首波声时小

7、于50微秒时，该值要调整至小于500,存盘长度”： 在贮存波形时，我们往往不需要首波后面衰减震荡的叠加减波形，只需要首波后面的几个或几十个周期的波形即可，这样可用此程序锁定存盘的范围，少占用计算机的内存容量。设定的长度为时间 微秒,首波开门电平”： 在自动测试和记录采集的数据和波形时，往往对首波的振幅有一定的范围限制，可用此值确定首波自动关门电平的确认波，即当测试首波幅度要大于该值时仪器才认定为首波。开机设定为20,一通道T0 、二通道T0”： 开机时为0其单位为0.l微秒，把您测试好的T0值分别输入,一通道试件长度、二通道试件长度”： （开机时为1）单位为毫米。（专用仪器单位为0.01毫米）

8、，把您测试的收、发换能器之间的中心距离用尺量好分别输入（即测试试件的长度,发射电压”： 当您测试距离加大或增益不够使用时，调整到500V或l000V,探头类型”： 开机时为低频（100KHz以下）； 中频（100KHz500KHz）；高频500 KHz以上。 根据使用换能器的频率确认,一发双收状态”： 该状态为采用一根换能器上有一发射双接收振子在同一孔中测试介质层位参数时专用。在该状态时第二通道X值为第二通道的测试点声时值减去第一通道的测试点声时值的差,平滑参数”： 由仪器设定,发射状态”： 开机为单次发射。也可以改为连续发射。外触发空,深度参数”： 该程序为跨孔测桩和一发双收测孔时专用，其中

9、放线方向从上到下和从下到上，分别指换能器上下放置的方向。从地面向下放时为从上到下。从孔底向上提升测试时是从下到上（一个发射两个接收一次性测三个剖面时使用）。“初始深度”的概念是指桩头或从地表面向下不需要测试的范围。“间距”是指换能器每次放置的距离，而两个换能器间的间隔距离输入在通道的试件长度框内，两者不同,显示方法”： 连线显示。显示的波形是计算机连画的。当需要精确到0.1微秒测量时，可以改变成点显示。配合显示压缩为1。则光标每移动1个点。变化0.1微秒。 “反向显示”： 当两换能器测试到的首波波形是负相位时。开启反相显示（因仪器自动读数首波波形为正相位,打印机参数”： 开机设定为佳能80彩喷

10、机。可以自行调整。 前景色、背景色，开机时背景色为黄色，前景色为黑色,保存当前参数。参数设定不变后按下按钮保存，再确定即可。按图六菜单进行测试操作。设定完成后，点击保存当前参数。点击确定，输入参数完成,按照测试的要求放置好换能器，调整衰减量按钮，增大或减少衰减量。衰减量数字增大时接收的波形减小。反之波形增 大。点击数据采集按钮两次，获取最佳的数据和波形,调节显示压缩的数值可改变显示波形的宽度，数值越小波形拉的越宽；反之波形压缩。改变显示压缩的值后，再点击采集按钮，即改变波形的显示,2,248,单位是0.1s,482,若需要存盘文件，点击设定文件名，输入文件编号，点击保存，确定文件编号，再按需要

11、点击保存数据或保存数据和波形按钮，这样数据或数据波形即被保存，一个测点就结束。可进行下一个测点的测试，直到测试任务结束。点击关闭，退出测试菜单,数据浏览与分析 点击“数据浏览与分析,点击打开文件。打开采集到的存盘文件，（一般在C:HFD目录下），打开文件后就能看到左边的列表显示每个测点数据编号，移动并点击某个测点，可以看到该测点详细的数据和波形。用户可以修改方框内的数据，然后点保存。其中发射电压、显示比例、当前位置、波形存储长度不能修改,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,根据需要可以进行下列操作： 用户需要打印光标指示的某测点数据或数据和波形。按下“打印数据或打印数据波形”按钮，弹出打印机设置菜单，按照您配置的打印机机型和打印范围及参数进行设置。设置完成后点击确定。打印机打印出该点的全部数据和存盘的波形,多波形：多波形分析，指对一组数据中每十个测点的波形同时在一幅图案中显示。以便观察它的首波和整个波形的规律。方法是在“数据浏览”中点击打开文件，点击所需要观察的一组数据文件编号。点击打开，再点击“多

14、波形”按钮。即可看到该组从0到第十个测点的波形,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,若需要继续第十一、十二 .个测点的观察，可以按右边框的钮上下移动测点数据文件,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,数据导出：用户可以将数据导出到execl。方法是在“数据浏览”中，点击“打开文件”后再点击需要导出的数据文件编号，点击后再点击“数据导出”按钮。在“请

16、选择需要导出的字段”中按需要在数据框中打。然后点击“导出”按钮，数据按顺序列表导出,按“退出系统”按钮退出仪器。实验操作结束后，按注意事项关闭计算机和主机，并拔下电源插座，收好换能器及配件，以便下次使用,注意事项 1使用仪器时应先了解该设备的性能和操作方法； 2严禁发射电压直接加入输入端，否则机器将损坏； 3防止电脑病毒，确保无病毒的软件才可在本仪器上使用；一般不允许自带软件在本机上使用； 4退出超声波仪器程序后，方可关机。或重新启动机器。开机先开主机、打印机、计算机、关机则相反。不允许带电拔插头； 5请勿改动计算机内的操作程序。请勿用调试工具对软件进行分析或软件改动，以免造成 严重后果； 6

17、开机进入数据采集程序后，应等待20秒钟后进行采集数据。否则屏幕显示“与主机通讯失败”，此时可消除提示，若网线未联好，则提示无法消除，则需要检查网线是否联好； 7每次发射电压由高调低时应多采集几次以保证数据的正确性； 8请勿擅自拆开主机,岩石波速的测量,一）实验目的： 室内岩石样品的测量是野外现场测定地质解释的基础。熟练使用声波仪，掌握波速测量的方法，学会正确识别纵波及横波,三）原理及装置： 大多数岩石，都服从基于线性理论的虎克定律，即小的形变与所施加的载荷成正比。在岩石介质中，超声波的传播遵循弹性波动方程。从而可得到两部分，无旋波和等体积波即纵波（波）和横波（波）。超声波实质上就是质点振动在介

18、质中传播的过程。如何产生振动，我们采用压电陶瓷，用声波仪产生高频电脉冲激发压电陶瓷片，使它产生机械波即振动，这振动经探头与样品间的耦合层后，在介质中传播，到达样品的另一端时，被接收探头接收，接收探头反之将此振动又转换为电脉冲信号送入声波仪中，这脉冲发射与接收间的时差由一高精度的时间测量装置测出，扣除波在探头于样品间的耦合层中的传播时间，即得到波在介质中的传播时间，从而得到介质的波速,测量弹性波速度的方法基本分为三类：共振法、脉冲法（pulse transmission）和干涉法（ultrasonic interferometry）。其应用范围和测量精度如下,表中：L -样品长度，f -谐振频率

19、，n -整数（n=1,2,3），t -时间，-声波往返滞后时间,当超声波的波长比研究的物体小许多时，物体可近似地看作无界的，可以证明，任意扰动产生的初动在介质中以纵波速度VP或横波速度VS传播。因此，我们可以将两个超声波探头放置在样品的两个端面上，当脉冲发生器产生的高压电脉冲信号加在发射探头上时，探头受到激发，产至一个瞬态的振动（P波或者S波取决于探头的振动方式），该振动经过探头与样品间的耦合后，在介质中传播，到达样品另一端时，被接收探头所收到。脉冲发生时间与接收时间之差T 被一高精度的时间测定仪测出，扣除波在探头与样品间耦合层中传播的时间T0后，即得到波在介质中传播的时间Tt ： Tt =

20、T - T0 波速可以由样品长度与Tt 之商给出： V = L / Tt,超声脉冲法,岩 样,发射探头,接收探头,国际岩石力学协会推荐的脉冲法测量波速的方框图,脉冲发生器产生的电压脉冲同时用来触发示波器扫描、岩石样品上的发射探头和触发时标发生器工作。经常采用双线示波器，一条线记录接收探头接收到的信号，另一条记录通过延时器后的发射信号。调节延时器的延时长度，使示波器上显示的两个记录波形的初动对齐，这时，延时器的“延时”就等于波传播的时间。图中的电子计数器用作“时间间隔测定”用，发射脉冲使其开始计数，经过前置放大器的接收信号使其停止计数，它的计数是与传播时间成比例的。这样测出的时间是上式中的T ，

21、关于波在探头及耦合层中传播的时间可以将两个探头直接接触予以测定。 实验中选取适当的探头和最佳的脉冲激发频率是十分重要的。我们知道，表征探头的两个主要参数是它的谐振频率和阻尼。如果一个电压脉冲加在发射探头上、脉冲前沿产生的振动与脉冲后沿产生的信号会互相干涉。当改变发射脉冲宽度时会得到很复杂的结果。如果脉冲宽度过窄，则前沿产生的振动还未达到最大振幅，就被后沿产生的振动抵消了。如果发射脉冲宽度很宽，前沿和后沿的波形会发生严重的干涉。经验表明，当脉冲宽度等于探头谐振周期的0.6-0.8倍时，效果较好,脉冲法的主要问题在于如何精确地测量脉冲在样品中传播的走时。无论加在发射探头上的电压脉冲多么尖锐，探头总

22、是逐渐开始振动的，如果探头的阻尼大，则起振慢，振动衰减快。反之亦然。而接收到的脉冲也总是逐渐上升的，因此，很难精确地测量接收到达的准确时刻。超声脉冲法测量精度约在1%-3%之间。 在接收到的波形中，初动后面跟着一个较长的波列。而脉冲法中，只利用了这个波列的初至时刻这样一个信息，能否从这个波列中提取更多的信息，以改善测量精度呢？为此提出了许多其它方法。值得指出的是，尽管脉冲法精度（特别是测量的绝对精度）不算高，但由于其简单方便，至今仍被广泛地应用着。 (2)脉冲回声法 脉冲法中利用超声脉冲的干涉是一种精度很高的方法，它特别适用于小样品的波速测量以及研究弹性参数与温度的依赖关系。遗憾的是，这种方法

23、使用的电子设备过于复杂。脉冲回声法是比伯奇等使用的脉冲法改进了的一种方法，这种方法使用的设备方框图如图,10兆赫的晶体振荡器产生的正弦信号，经过一个三级分频器（原始振荡频率被分频为：1兆赫，50千赫，2千赫）后，将2千赫的信号送至示波器x轴，使其触发扫描，重复周期为500微秒，这2千赫的信号同时经过一个3-5微秒的延迟电路后，触发脉冲发生器产生一个幅度为125-150伏的电压脉冲，该电压脉冲由脉冲发生器的一个振荡槽路输出，使10兆赫的压电晶体产生振动。发射波形和接收到的回声信号都经过前置放大器，再由接收器加以放大。前置放大器上装有锗二极管作成的嵌位电路，对于几百伏的发射信号，该嵌位线路的增益约

24、为0.01，而对于接收到的反射回声信号，增益却为0.96，也就是说，该线路只为回声信号提供通路，而使发射信号急剧衰减，以便两种信号的幅度不致差别过大，这样可以同时在示波器上显示出来。 接收器实际上是一个中心频率为10兆赫；带宽为4兆赫的带通放大器，它可以有效地放大接收信号，并压制其他干扰信号。图中仪器系统各环节的振动波形如图所示,在示波器上，可以看到如图的波形。两个相邻回声信号的时间间隔(上图中以T表示)可以通过判读示波器照片或用时间测定仪测出，测量精度可达10-3，样品的厚度L可以用千分表测准至10-3毫米，于是波速V可以求出：V=2L/T 这种测量的精度约为0.5以上，为什么脉冲回声法能比

25、脉冲法测量精度高呢？在脉冲法中，波动在样品与探头间的耦合层中传播需要时间t0，实际波在样品中的传播时间需要从实测时间中扣除2t0 ，t0一般难于精确测量，而且耦合层在压力，温度变化情况下，其几何参数和弹性参数往往变化。也就是说，即使在某一条件下已精确地测定t0以后，在另一些条件下，t0还会发生变化。因此，耦合层的影响是脉冲法精度不高的主要原因，而在脉冲回声法中我们计算的是相邻两个回声之间的时间间隔，耦合层对两个回声到时的影响是相同的，因此，测定两回声的间隔，完全扣除了耦合层的影响，这是脉冲回声法精度高于脉冲法的主要原因,图915 脉冲法和回声法测量精度的比较 发射探头， 2耦合层L 8岩石样品

26、， 4耦合层， 6接收探头， f波在岩石中单程传播时间 干涉法 用超声干涉法测量波速的优点是：可以测量尺度甚小样品中的波速(如1X1X0.5厘米3)，测量精度几乎完全由样品尺度测量精度所限定（该方法在测量弹性波传播时间方面的精度远此几何尺寸测量精度为高），在几种测量波速方法中，这种方法精度最高。 这种方法的兴起大约在50年代初期，为了精确地测定岩石和矿物的弹性常数，特别是对于尺寸较小的样品，波速测量几乎是唯一的方法。这个方法最早是贝尔电话实验室的麦克斯克明首先应用的，后来，许多人都采用了这个方法测量波速，并且作了改进(Schreiber，1966，Anderson，1966)。干涉法细分为相位比较法和脉冲迭加法两种，本节仅就后者作简单介绍。这种方法的原理可以用图916的方框图来说明。 图916 测量弹性波速的脉冲迭加法方框图,本方法的关键电子设备是脉冲重复振荡器(Pulse Repetition Oscillator PRF)。射频(Radio Frequencyrf)振荡器产生8130兆赫可调的