巖石聲波實驗巖石聲波實驗1精選ppt聲波巖石參數測定儀隨著超聲探測技術的發展，相應的研制出了各種探測儀器，應用于巖體（巖石）超聲探測的儀器和設備，它是以巖石力學特性為基礎，研究聲波或超聲波在巖體（巖石）的傳播規律，借以了解巖體（巖石）的動彈力學狀態及其結構特征。目前國內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。大體上具有發射、接收和記錄（顯示）三個系統，以及“電聲”轉換及“聲電”轉換系統。其工作的基本方法也不外乎如圖所示。發射系統樣品接收放大系統記錄顯示系統分解折析系統121.發射換能器2.接收換能器儀器測量工作原理方框圖2精選ppt換能器的工作原理3精選ppt（一）構造原理：

儀器的發射、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信號輸出，它同時控制“發射延時”和“掃描延時”工作。“發射延時”將觸發信號延時一段時間后輸出給發射系統，讓發射機工作，同時讓計數器開始計數。“掃描延時”將鋸齒波掃描經過適當的延時，以便接收放大的波形能呈現在示波管屏幕上。這個尖脈沖信號同時加到計數器，做計數器的關門信號，以便讀到某一波形的到達時間t0發射系統：其電路原理框圖如圖所示。其發射脈沖幅度分兩擋，連續可調，最低幅值80V，最高可達1000V，脈沖寬度為0.2～5微秒。當接收系統的同步信號到來后，“單穩”輸出一寬度可調的矩形脈沖，其經放大后，加在換能器的晶體上，引起壓電晶體的機械振動。輸入級電流放大單穩脈沖放大同步信號輸入至發射換能器電路原理方框圖4精選pptSYC—3儀器前面板部件SYC—3儀器后面板部件5精選ppt巖石樣品6精選ppt將動時標調至被測點的右側，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7精選pptHF-D型智能超聲儀構造原理：

HF—D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。波形和數據均可存儲、打印。測井時可繪制深度—聲速及深度—幅度曲線。該儀器可用于巖石、陶瓷、橡膠等固體介質的超聲測量；檢測混凝土構件、樁基的孔洞、裂縫等缺陷以進行其強度的綜合評定。主要技術性能：1．工作頻率范圍：100HZ～1MHZ2．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5．TO消除范圍：0～200微秒6．發射電壓選擇：200V、500V、1000V8精選ppt7．衰減調節范圍：0～80db8．衰減步級：1db9.采集方式：單次采樣或連續采樣，波形連續l0.避免強電磁場干擾。HF-D儀器面板部件HF-D型智能超聲儀發射接收1接收2POWERH-DISKTURBO網線插座電源插座9精選pptHF-D型聲波儀的電氣原理圖：計算機地址發射電壓發射發射探頭接收探頭放大器DB控制器A/D內存壓縮顯示網線地址數據10精選ppt操作步驟：程序安裝后，桌面有HF—D圖標，雙擊圖標就能進入超聲儀操作程序。使用前，需把計算機內的IP地址設置為192.168.0.123，子網掩碼為255.255.255.0。將主機后面板網線插口上插入網線水晶頭，網線另一端水晶頭與計算機網口相連，完成主機與計算機的連接。網線插座電源插座計算機網口11精選ppt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HF—D圖標，點擊數據采集方框，進入數據、波形顯示圖面。等待約20秒鐘，讓程序進行初始化。HF-D型智能超聲儀發射接收1接收2POWERH-DISKTURBO巖石樣品12精選ppt13精選ppt根據測試使用的換能器，確定和消除T0（一發雙收換能器除外）。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，點擊采集方框數次，獲取一波形中光標的首波聲時值μS，記住該值即為該通道的系統T0值，二通道同理操作，按照測試的要求，點擊參數設定方框，設定菜單內的參數。14精選ppt“消除干擾設定”：在測試中有時在從0點到首波起點范圍內有干擾，影響自動讀數，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的數值在消除干擾設定的框內，這樣在0～175微秒內的干擾將不影響儀器的正確讀數（該值必須大于2微秒）。該設定在開機時設置為500，即0～50微秒內的干擾將不影響儀器的正確讀數。當首波聲時小于50微秒時，該值要調整至小于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，少占用計算機的內存容量。設定的長度為時間→微秒。“首波開門電平”：在自動測試和記錄采集的數據和波形時，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），把您測試的收、發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）。15精選ppt“發射電壓”：當您測試距離加大或增益不夠使用時，調整到500V或l000V。“探頭類型”：開機時為低頻（100KHz以下）；中頻（100KHz～500KHz）；高頻500KHz以上。根據使用換能器的頻率確認。“一發雙收狀態”：該狀態為采用一根換能器上有一發射雙接收振子在同一孔中測試介質層位參數時專用。在該狀態時第二通道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”：由儀器設定。16精選ppt“發射狀態”：開機為單次發射。也可以改為連續發射。外觸發空。“深度參數”：該程序為跨孔測樁和一發雙收測孔時專用，其中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。“間距”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，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（因儀器自動讀數首波波形為正相位）。17精選ppt“打印機參數”：開機設定為佳能80彩噴機。可以自行調整。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。參數設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。設定完成后，點擊保存當前參數。點擊確定，輸入參數完成。18精選ppt按照測試的要求放置好換能器，調整衰減量▲▼按鈕，增大或減少衰減量。衰減量數字增大時接收的波形減小。反之波形增大。點擊數據采集按鈕兩次，獲取最佳的數據和波形。19精選ppt調節顯示壓縮的數值可改變顯示波形的寬度，數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。220精選ppt248（單位是0.1μs）482若需要存盤文件，點擊設定文件名，輸入文件編號，點擊保存，確定文件編號，再按需要點擊保存數據或保存數據和波形按鈕，這樣數據或數據波形即被保存，一個測點就結束。可進行下一個測點的測試，直到測試任務結束。點擊關閉，退出測試菜單。21精選ppt數據瀏覽與分析點擊“數據瀏覽與分析”22精選ppt點擊打開文件。打開采集到的存盤文件，（一般在C:HF—D目錄下），打開文件后就能看到左邊的列表顯示每個測點數據編號，移動并點擊某個測點，可以看到該測點詳細的數據和波形。用戶可以修改方框內的數據，然后點保存。其中發射電壓、顯示比例、當前位置、波形存儲長度不能修改。C:\HF-D\sy-81-52-4.73-4.44-4.15-3.86-3.57-3.28-2.99-2.610-2.311-2.012-1.713-1.414-1.115-0.816-0.517-0.2180.1190.4200.7211221.3231.6241.9252.2262.5272.8283.1293.4012821123精選pptC:\HF-D\sy-81-52-4.73-4.44-4.15-3.86-3.57-3.28-2.99-2.610-2.311-2.012-1.713-1.414-1.115-0.816-0.517-0.2180.1190.4200.7211221.3231.6241.9252.2262.5272.8283.1293.40128211根據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據或數據和波形。按下“打印數據或打印數據波形”按鈕，彈出打印機設置菜單，按照您配置的打印機機型和打印范圍及參數進行設置。設置完成后點擊確定。打印機打印出該點的全部數據和存盤的波形。多波形：多波形分析，指對一組數據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律。方法是在“數據瀏覽”中點擊打開文件，點擊所需要觀察的一組數據文件編號。點擊打開，再點擊“多波形”按鈕。即可看到該組從0到第十個測點的波形。24精選pptC:\HF-D\sy-81-52-4.73-4.44-4.15-3.86-3.57-3.28-2.99-2.610-2.311-2.012-1.713-1.414-1.115-0.816-0.517-0.2180.1190.4200.7211221.3231.6241.9252.2262.5272.8283.1293.40128211若需要繼續第十一、十二.．．．個測點的觀察，可以按右邊框的▲▼鈕上下移動測點數據文件。25精選pptC:\HF-D\sy-81-52-4.73-4.44-4.15-3.86-3.57-3.28-2.99-2.610-2.311-2.012-1.713-1.414-1.115-0.816-0.517-0.2180.1190.4200.7211221.3231.6241.9252.2262.5272.8283.1293.40128211數據導出：用戶可以將數據導出到execl。方法是在“數據瀏覽”中，點擊“打開文件”后再點擊需要導出的數據文件編號，點擊后再點擊“數據導出”按鈕。在“請選擇需要導出的字段”中按需要在數據框中打√。然后點擊“導出”按鈕，數據按順序列表導出。26精選ppt按“退出系統”按鈕退出儀器。實驗操作結束后，按注意事項關閉計算機和主機，并拔下電源插座，收好換能器及配件，以便下次使用。27精選ppt注意事項1．使用儀器時應先了解該設備的性能和操作方法；2．嚴禁發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，方可關機。或重新啟動機器。開機先開主機、打印機、計算機、關機則相反。不允許帶電拔插頭；5．請勿改動計算機內的操作程序。請勿用調試工具對軟件進行分析或軟件改動，以免造成嚴重后果；6．開機進入數據采集程序后，應等待20秒鐘后進行采集數據。否則屏幕顯示“與主機通訊失敗”，此時可消除提示，若網線未聯好，則提示無法消除，則需要檢查網線是否聯好；7．每次發射電壓由高調低時應多采集幾次以保證數據的正確性；8．請勿擅自拆開主機。28精選ppt巖石波速的測量（一）實驗目的：室內巖石樣品的測量是野外現場測定地質解釋的基礎。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（Ｐ波）和橫波（Ｓ波）。超聲波實質上就是質點振動在介質中傳播的過程。如何產生振動，我們采用壓電陶瓷，用聲波儀產生高頻電脈沖激發壓電陶瓷片，使它產生機械波即振動，這振動經探頭與樣品間的耦合層后，在介質中傳播，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換為電脈沖信號送入聲波儀中，這脈沖發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Ｔ０，即得到波在介質中的傳播時間Ｔ，從而得到介質的波速。29精選ppt測量彈性波速度的方法基本分為三類：共振法、脈沖法（pulsetransmission）和干涉法（ultrasonicinterferometry）。其應用范圍和測量精度如下：方法頻率范圍適用條件精度（%）高壓高溫共振法圓柱或棱柱的共振組合共振1-30kHz90-250kHz不適用適用適用適用51-2脈沖法脈沖法回聲法50kHz-10MHz10MHz適用適用適用不適用1-30.5干涉法相位比較法脈沖迭加法10-60MHz10-60MHz適用適用適用適用0.010.04表中：L-樣品長度，f-諧振頻率，n-整數（n=1,2,3…），t-時間，δ-聲波往返滯后時間30精選ppt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，任意擾動產生的初動在介質中以縱波速度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，當脈沖發生器產生的高壓電脈沖信號加在發射探頭上時，探頭受到激發，產至一個瞬態的振動（P波或者S波取決于探頭的振動方式），該振動經過探頭與樣品間的耦合后，在介質中傳播，到達樣品另一端時，被接收探頭所收到。脈沖發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，即得到波在介質中傳播的時間Tt：Tt=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：31精選ppt巖樣脈沖發生器時標發生器延時器電子計數器前置放大器示波器發射探頭接收探頭國際巖石力學協會推薦的脈沖法測量波速的方框圖32精選ppt脈沖發生器產生的電壓脈沖同時用來觸發示波器掃描、巖石樣品上的發射探頭和觸發時標發生器工作。經常采用雙線示波器，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射信號。調節延時器的延時長度，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。圖中的電子計數器用作“時間間隔測定”用，發射脈沖使其開始計數，經過前置放大器的接收信號使其停止計數，它的計數是與傳播時間成比例的。這樣測出的時間是上式中的T，關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。實驗中選取適當的探頭和最佳的脈沖激發頻率是十分重要的。我們知道，表征探頭的兩個主要參數是它的諧振頻率和阻尼。如果一個電壓脈沖加在發射探頭上、脈沖前沿產生的振動與脈沖后沿產生的信號會互相干涉。當改變發射脈沖寬度時會得到很復雜的結果。如果脈沖寬度過窄，則前沿產生的振動還未達到最大振幅，就被后沿產生的振動抵消了。如果發射脈沖寬度很寬，前沿和后沿的波形會發生嚴重的干涉。經驗表明，當脈沖寬度等于探頭諧振周期的0.6-0.8倍時，效果較好。

33精選ppt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。無論加在發射探頭上的電壓脈沖多么尖銳，探頭總是逐漸開始振動的，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與溫度的依賴關系。遺憾的是，這種方法使用的電子設備過于復雜。脈沖回聲法是比伯奇等使用的脈沖法改進了的一種方法，這種方法使用的設備方框圖如圖。34精選ppt10兆赫的晶體振蕩器產生的正弦信號，經過一個三級分頻器（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，使其觸發掃描，重復周期為500微秒，這2千赫的信號同時經過一個3-5微秒的延遲電路后，觸發脈沖發生器產生一個幅度為125-150伏的電壓脈沖，該電壓脈沖由脈沖發生器的一個振蕩槽路輸出，使10兆赫的壓電晶體產生振動。發射波形和接收到的回聲信號都經過前置放大器，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，對于幾百伏的發射信號，該嵌位線路的增益約為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。圖中儀器系統各環節的振動波形如圖所示。

35精選ppt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，其幾何參數和彈性參數往往變化。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。36精選ppt圖9．15脈沖法和回聲法測量精度的比較—發射探頭，2——耦合層L8——巖石樣品，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點是：①可以測量尺度甚小樣品中的波速(如1X1X0.5厘米3)，②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），⑧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，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，本節僅就后者作簡單介紹。這種方法的原理可以用圖9．16的方框圖來說明。圖9．16測量彈性波速的脈沖迭加法方框圖

37精選ppt本方法的關鍵電子設備是脈沖重復振蕩器(PulseRepetitionOscillatorP．R．F．)。射頻(RadioFrequency—rf)振蕩器產生8—130