新型超磁声波换能器.docVIP

新型超磁声波换能器长距离跨孔试验 长江委长江工程地球物理勘测研究院 张建清 李张明 陈新球 湖南奥成科技公司 王槐仁 武汉岩海公司 刘宏华 【摘要】 本文对几种岩体声波测试的震源作了比较，并且介绍了 新型超磁声波换能器的原理和长距离透射的应用效果。 【关键词】 声波测试 震源 磁致伸缩 几种震源的概况 压电换能器 用途较广，利用具有逆压电效应的晶片制作而成，这类换能器工作稳定，可以连续激发，产生稳定的波形。多用于中、短距离和芯样的声波测试。在勘探工作中，要制作大发射功率的低频发射换能器，受其尺寸的限制，其主频在数十千赫兹，其穿透距离不大，且大尺寸的晶片成型工艺难度较大。 电火花 电火花发射源的工作原理是：水中两个电极突然加上阶跃高压直流时，电极间瞬时温度急剧上升产生热能和电火花，使周围的水迅速发生物理化学反应，产生很大压力气体，并以冲击的形式向周围岩壁辐射，从而获得我们所需要的震源。这种方法需要产生很高的电压，绝缘要求高。 小爆炸 利用小爆炸源来激发声波，可用于较远距离的探测，装置简单，但激发的声波频率较低，不利于探测微小的裂隙，这种激发方式受到一些限制。 锤击 锤击激发，方法简单，用金属锤撞击被测介质的表面，使之产生超声波和声波，但波形好坏与敲击状态有关。这种激发方式主要用于野外岩体声波探测距离较大，压电换能器的声功率显得不够时使用。 上述几种激发方式除压电换能器外，均不能连续激发产生稳定的波形，波的重复性较差，时间分辨率均较低，严重制约了野外的工作效率和数据的可靠性。因此寻求能连续稳定激发的震源是解决较远距离的探测 磁致伸缩激发器 磁致伸缩换能器的工作原理是，当我们把铁磁性材料制成棒或管状，放在方向顺着棒长的磁场里，这时棒的长度就会发生改变，而且与磁场的方向无关，但随着棒的材料、加工方法、预先磁化的程度的不同，棒可以伸长，也可以缩短。这种现象称作磁致伸缩或称为焦耳效应。磁致伸缩现象所引起的形变是相当小的，其长度相对变化为10-6的数量级。当磁场强度增大时，棒的形变也增大，另外还与温度有关，温度越高，磁致伸缩效应减小。 磁致伸缩换能器可以将声波辐射到固体、液体和气体。对气体不易作有效耦合，采用较少，而对液体耦合效果好，并易于作成各种形状装入设备内部使用，在岩体声波探测中用的磁致伸缩换能器，其频率在5~100kHz，适用于功率较大的场合，具有体积小、功率大、频率响应好、性能稳定等特点，是理想的超大距离声波无损检测震源。 在低频时，磁致伸缩辐射器可以产生很大的功率，而且不会引起系统的破坏。目前使用的磁致伸缩辐射器可获得7~10W/cm2的功率。另一优点是工作中只需较低的电压，从而解决了绝缘的困难。 HX-GMM-S50A、HX-GMM-S60A和HX-GMM-S80B三种型号的超磁材料中型声波发射探头是岳阳奥成科技公司采用磁致伸缩系数为（1000~2500）×10-6稀土超磁致伸缩材料制成的，专为工程物探进行超大距离声波无损检测而设计的高新技术产品。 HX-GMM-S50A、HX-GMM-S60A两种超磁材料声波发射探头是专为钻孔间无损检测而设计的，HX-GMM-S80B超磁材料声波发射探头是专为地表或直立坡超大距离声波无损检测而设计的。为此，2001年12月21~23日我院在清江水布垭水利枢纽灌浆试验B区的实际工作中进行该两种型号声波发射探头现场试验。2001年12月25日我院结合长江三峡工程导流底孔混凝土无损检测实际工作进行试验。检验其稳定性、穿透距离、与RS-ST01C数字声波仪器的兼容性及其它相关性能。 2、基本工作原理及有关地质概况 2.1 工作原理 系统工作的框图如图1： 2.2 有关地质概况 清江水布垭水利枢纽灌浆试验B区的基岩为栖霞组灰岩，裂隙较为发育，偶有规模不等的溶洞发育，裂隙充填粘土，声波速度一般在3000~5000m/s左右。 长江三峡工程导流底孔混凝土较为均匀，其间含有骨料和钢筋，声波速度一般在4200~4500m/s左右。 3、试验结果及评价 附图2(a)、3(a)分别是HX-GMM-S50A超磁材料声波发射探头在清江水布垭水利枢纽灌浆试验B区孔距为7.0m和14.0m的试验实测记录，附图2(b)、3(b)分别是HX-GMM-S60A超磁材料声波发射探头的重复试验记录；附图4(a)、4(b)分别是HX-GMM-S80B超磁材料声波发射探头在长江三峡工程导流底孔混凝土无损检测中测试距离为30.0m（穿透墩体垂直距离为15m，实测30.0m为斜距）时的试验实测记录和重复试验记录。 湖北水布垭水电站7M井间声波图（灰岩地层） 图2(a) 图2(b) 湖北水布垭水电站14M井间声波图（灰岩地层） 图3(a) 图3(b) 三峡大坝30M混凝土对穿声波图 图4(a) 图4(b) 由上述各图可以