超声波技术测量

超声波测量技术一.测量的意义

利用声波在岩体内传播的特性，（波速、振幅、频率、相位）研究岩体物理力学性质、构造特征及应力状态超声波

频率高于20000Hz目前岩体声波量测技术主要可以解决下列问题1.岩体的工程地质分类；2.确定围岩松动圈的范围，为合理设计锚杆长度、喷浆或衬砌厚度提供依据；3.测定岩体物理力学参数，包括动弹性模量、泊松比、单轴抗压强度及密度等；4.工程注浆效果检测；5.煤柱、岩柱稳定性评价；6.混凝土探伤及强度检测：7.冻结法凿井时，冻结壁厚度的检测；8.断层、裂隙及溶洞等地质异常的研究；9.地应力测试，冲击地压、煤与瓦斯的突发事件及地震灾害的预报等。声波量测法的实质

在被测岩体中，利用声波的传播速度或振幅的衰减规律取得的数据，再通过计算求出所需的力学参数。岩体测量假设

岩体视为弹性体，承载信息的是弹性声波。二、无限弹性介质中的波1.纵波与横波根据固体弹性理论，在不考虑体力的情况下各向同性理想弹性介质中的波动方程为

(2.1)式中——介质质点的位移向量；

——介质的弹性常数；——介质的密度；——体应变，可表示为位移向量的散度，——拉普拉斯算子(2.1)式两端分别取散度，利用算符及之间的对应关系可得（2.2）（2.3）或上式实际上描述的是一种胀缩状态扰动传播的波动方程式。（无旋波）假定在岩体中取一点作为波的震源，随时间的变化规律为

（2.4）式中—初始振幅；—角频率。振动是由震源向四周传播的，那么，距震源为r的点处的体应变为（2.5）式中—声波在岩体介质中的传播速度。式(2.5)分别对r和t求二阶导数，得：

将(2.6）和（2.7)式代入(2.3)式得

上式表示体应变以大小的速度在介质中传播，这就是弹性纵波(P波)。对式（2.1）两边分别取旋度，可得（2.6）（2.7）（2.8）（2.9）令，将上式整理得

表示弹性体在旋转外力作用下介质产生的角度转动，可以看出上式描述的是旋转状态扰动传播的波动方程式。（无散波）依照上述分析方法，得：

上式表示旋转量w是以的速度在介质中传播，横波(S波)。（2.10）（2.11）已知体积压缩模量，故

此式说明，纵波不仅与K有关，也与G有关，即纵波传播时，介质不只是承受一个简单的压缩，而承受的是压缩和剪切的组合作用。从弹性理论知道，拉梅常数、与弹性模量和泊松比有如下关系：

（2.12）（2.13）（2.14）于是有（2.15）上式表明，固体介质的vp和vs值的大小是由其弹性模量、泊松比及密度决定的。相反，如果测量得出vp、值vs，并且知道密度时，即可算出固体介质纵、横波速度的大小。根据公式（5.14）、（5.15），可得：

即岩体的只与泊松比有关，而与密度和弹性模量无关。多数岩石的泊松比为0.25，故

以上讨论得知，在无限的弹性介质中传播的波，只有纵波和横波两种波。（2.16）（2.17）纵波特性不论波长的大小和波形如何，在弹性岩体内都以疏密发散的形式传播，其速度为常数，速度的大小只与弹性常数和密度有关。横波特性

不论波长大小和形状如何，在弹性岩体中均以剪应变的横向位移形式向前和向后传播，其速度为常数，它也是只与弹性常数和密度有关的常数。

这个结论是材料力学性质的超声技术测量主要理论基础。二.声波量测应用的参量

声波穿过岩体时，有三个方面的参数将因岩体力学性质、结构状态的不同而发生变化，这些指标可作为声波探测岩体的参量。(1)声速声波在岩体中传播的速度，包括纵波速度和横波速度。(2)声幅声波的能量或强度大小，表现在观测仪表上为声波波形的振幅大小。(3)频谱任何一个非正弦的振动波，可以分解成不同振幅、不同频率、不同相位的多个正弦波，这些不同频率、不同振幅的正弦波构成频谱，振幅(能量)最大的频率称为主频。左图为不同岩体的声学特性坚硬、致密、完整的岩体，声波的传播速度较快，能量(振幅)衰减较小，频谱成分变化也较小，因而总的波形变化不大（a）。(a)完整岩体；(b)非完整岩体软弱、破碎岩体，声速较低，声幅衰减较大，频谱中高频成分被严重吸收，波形变化较大，表现为周期拉长(b)。现场测量中主要应用纵波速度和横波速度。研究与测试表明，这些参量与岩体稳定的岩性、风化程度、结构面、所受应力状态等。三、超声波量测仪器1.声波换能器压电晶体→电压作用→变形压电晶体→受力作用→电压压电晶体既能发出声波，还可以接收声波，把接收的声波，转换成相应的电压，经过声波仪接收机放大并显示出波形，可以测量声波在介质中的传播时间，用以计算波速。由压电晶体组成的声波测量元件叫电声换能器，包括作为振源的发射换能器和作为探测器的接收换能器。利用压电晶体的这种特性可以实现电－声之间的能量转换。将声波仪发射机产生的脉冲电压加到压电晶体上，晶体便产生变形而振动，成为振源。2.声波参数的测量

走时与旅程测量声波的走时，最为关键是波初至点的准确位置的确定。岩体声波探测对仪器的要求脉冲宽度；输出电压；频率；阻抗匹配；换能器的指向性；耦合方式。保证获得正确的、清晰的声波波形。1）纵、横波的识别对实测记录一般按以下波形特征区别纵波和横波：①纵波比横波波速大记录波形纵波在前，横波在后；②纵波的振幅小于横波的振幅；③纵波的周期小于横波的周期；④横波初至相位与纵波初至相位差180°。声波仪上接收的波形图实测来波形凤的初饰至时怪间.A－发艰射波茫起始轿点：tp－P波初劳至时冒刻；P－纵茧波起息跳点吹：ts－S波初算至时介刻：S－横则波起似跳点;l－发彼射点役与测悬点间板的距印离1)初至阵点的拦识别经过宗对接炎收波嘉形的盾图形惯处理阴之后鲜，就题要对苹各类开波的艘初至加时刻吵进行读识别别。纵波嗓初至社时刻钻的识壮别：①尽读量增降大放池大器常的增何益，杂以便纽奉于识中别波齿形的骨最初前起跳省点；②在加有高编频干葡扰时拣，可样用高略频包懒络线损的中脾线与睬基线掠的分落离点死作为恨初至岸时刻威；③当狮初至葛起跳督点不野明显腊或反樱相时遍，则休需根幅据波司速及宏波形平特点太进行缘瑞估计腐，同肿时转叫换传堡感器撒的耦邮合条西件和哑倾斜球方向策，力包争使屈各测党点初日动方迅向一江致。2)横波速初至肥时刻请的识钻别：横波宇比纵宗波慢禽，常巾混淆贸于续抱至波页区域己内，俱比较爱难于市识别稻。①尽饮量减若小增迹益，传压缩P波振筒幅使捞其尽畏量与毛基线滩重合准，突度出S波；②再迁加大丛增益角，根则据S波周脆期和旧相位述与P波不楼同的钻特点绩，仔表细判念定横给波的旦起跳岸点；③另崇外也量可以估由纵腾、横疗波速辽度之专比以圈及理行论时被间－唇距离手曲线耻法，泳查找昼初至笨时刻躁。3)波速苹的计乏算测得让纵、亲横波允的旅锯行时四间和贯后，燥根据写收、败发测留点间塔的距匠离，海即可们计算牺纵、煌横波静速和愿：（2.寺19）（2.乓18）2.现场退岩体仅声波急探测暂方法1）双裤孔孔框间穿仙透测溜量（1）同传步观泻测法闲。孔间扔距约5～l0假m，增压鹅式换辆能器育或圆闹管式示换能挠器，两孔昂换能铜器同虽步移您动用水裕做耦扩合剂亮。（2）CT胁(C加om渡pu续te于rTo脱mo素gr躺ap仅hy先)观测崭方法跪。发射满与接邀收也涨是两煌个平羞行孔庆，该站观测疼方法准在一那个深甜度发冤射，记另一念孔中贡不同捕深度棋多点阴呈扇乌形接值收，索然后顾。不样断移可动发夸射点废，接避收段绵按一趴定规渔律移瘦动。一个断孔发洁射完贼后，畜发射节与接细收互疯换，诵重复击进行趁。接收笼点的蛋多少成和观终测次挠数依帖探测络精度屡要求应而定哨。依据版声波前走时蝴对孔岔间声道速进努行层脑析成冬像反贞演，壳得到女孔间监声速夏分布服图。根据首声速朱分布汁图进少行岩萝体岩呢性变词化、悦裂隙将发育纽奉状况测、岩侨体破谊碎状棵况以径及注拐浆效司果等筋的评固价。CT观测宴方法相精度劳高，露效果遍好，枪但是极工作跨量大眨，成惑本很济高。2）单勉孔声匆波测月量水做裂耦合弱剂；圆管潮式一前发双俭收换这能器拆；确定健围岩刃松动覆圈；进行良岩体渔分级造；求取龄岩体尝力学羞参数脸。单孔津声波愈测试次对垂芹直于赚孔轴舒方向线的结预构弱炮面比赤较敏植感，辟采用毅一发刑双收调换能凝器的更目的斑是除惯去声治波在尼耦合牵水中扮的走容时，馒此时遥计算宁声速栏的公绕式为凭：（2.址20）3）环读形声麻波测础量沿圆向周上8个以扛上测逗点在岩辈体表蜡面上秤用夹弓心式宿换能今器；或在征钻孔版内用仗圆管范式换典能器层；测取浓对径柳各个窜方向境的声痕波速坡度。确定果岩体最大乒主应淘力方妹向因为鉴在一纽奉定范疏围内灿岩体理波速随已应力润的增漏大而沈升高捉。4）岩蒸柱对鄙穿测任量在岩府柱相乡丰对两欧壁面拳上，妄用锤毁击方渔式或姐夹心红式换秤能器姜激发碰声波崇，用缓夹心上式或阳弯曲丝式式换尚能器旦接收学，也性可在吉任意丙两点柱间对贩穿，舱如图柱。测筝量直易达波私的走煤时，蚕计算祥波速荐，此时法可史以快爬速、六经济及地测勇试岩春体内谊部的说结构其情况蕉，用矩于岩点柱稳壤定性失分区犬，但课要准喜确地伞测量拨发射祸与接拌收点骆的间糖距还开是比衔较困丙难的昏。5）岩傲面平忠面测阿量在岩类面上励，用芳夹心内式(喇叭锦式)换能蛛器或逗锤击被方式敞激发肾声波偏，接伤收点任用夹尿心式对或单捐片弯乘曲式秀换能绣器进阿行接阻收，挡测取朴声波湖从发火射换邮能器T到接椒收换你能器R的旅读行时喷或锤邮击声荡波经片过第疫一接净收换蒙能器驾到第增二接迎收换洋能器皇的时表差，湖计算雄直达但波的赖速度此方起法主掏要用织于快戚速确慢定岩嫌体浅水部结鬼构状愁况，缴对垂邻直岩泡面的答结构碑弱面希比较喷敏感赵。3.室内撑岩石掩试件昌测试1)承压银测量将承折压式爆换能盏器连予同试败件一钳起放锡到压畅力机塌上，总在进龟行轴环向加达载的国同时锦，测体取纵绿、横抬波速心度。承压狮测试肃方法裹的主涉要用骆途为黑：（1）研亮究声条速与葛应力兵的关聚系；（2）测熄声速付同时弟，进良行静谨弹性帖模量镰的测艰试(贴应浩变片)，研楚究声事速与游静弹迈性模奇量之惰间的蹲关系把；（3）测欢声速慈同时京，将顺岩块输压碎恭，测托抗压柏强度歪，研折究声婚速与扑抗压过强度框的关吊系。2）非护承压铜测试将岩面块加质工成遗圆柱土状或违方柱形状试拦件，馅用非壶承压设纵、先横波引试件匀换能锈器，秋分别厦测取情纵、捏横波损走时进，然抬后据桃试件处长度诱计算休声速协，纵芹波测挑试多拴用黄接油做是耦合坊剂；货横波双测试偿需用单粘结睁剂将俱换能旦器固鸦结在妖试件缺上，友并且绕在测搅试完阀毕后它又能醉设法塑取下丑。非承覆压试仅件测赔试主础要用梢于确浩定岩迫石的绕动弹桂性参迈数。四、妖声波盆探测双的应雾用1.岩体俩力学趟参数鹅测定岩体(石)动弹吼性参失数测借定在现京场，栽通常狐利用烛平面值测试亏或孔笋内测申试来音测定雹岩体织纵、催横波膏速度罩，并涛按照泽下列拼两式亭计算然岩体寺的动珍弹性秋模量里及动除泊松购比（2.忌22）（2.焰21）2）岩赌体静兰弹性江模量盏的测百算间接虾测试让方法奖：通过猛室内胞岩石英动、泪静弹但性模年量和太现场姜岩体浪动弹筒性模错量，茎换算渡出现杆场岩物体静拣弹性开模量巡寿的方氧法。大量息实测挡资料祥可知悼，岩巾体与页岩石死试件修的动烛弹性顽模量山