声波探测.PDF

第一章 声波探测 1.1 概 述 用声波仪测试声源激发的弹性波在岩体(岩石)中的传播情况，借以研究岩体(岩石)的物 理性质和构造特征的方法，称为声波探测。它和地震勘探一样，也是利用岩石弹性的物探 方法，而且都以弹性理论作为本方法的理论基础。二者之间的主要区别在于声波探测所利 用的是频率大大高于地震波的声波或超声波，其频率一般为一千赫兹至几兆赫兹。因此， 所使用的仪器及工作方法也就不同了。 与地震勘探相比，由于声波的频率高、波长短、受岩石的吸收和散射比较严重，因此 声波探测对岩体的了解较为细致而探测范围较小，但具有简便、快速、经济、便于重复测 试、对测试的岩体(岩石)无破坏作用等优点。所以声波探测已成为工程与环境检测中不可 缺少的手段之一。 声波探测可分为主动测试和被动测试两种工作方法。主动测试所利用的声波由声波仪 的发射系统或槌击、爆炸方式产生；被动测试的声波则是岩体遭受自然界的或其它的作用 力时，在变形或破坏过程中由它本身发出的。主动测试包括波速测定，振幅衰减测定和频 率测定，其中最常用的是波速测定。 目前在工程地质勘探中，已较为广泛地采用声波探测解决下列地质问题： 1．根据波速等声学参数的变化规律进行工程岩体的地质分类； 2．根据波速随岩体裂隙发育而降低及随应力状态的变化而改变等规律，圈定开挖造 成的围岩松驰带，为确定合理的衬砌厚度和锚杆长度提供依据； 3．测定岩体或岩石试件的力学参数如杨氏模量、剪切模量和泊松比等； 4．利用声速及声幅在岩体内的变化规律进行工程岩体边坡或地下硐室围岩稳定性的 评价； 5．探测断层、溶洞的位置及规模，张开裂隙的延伸方向及长度等； 6．定量研究岩体风化壳的分带； 7．开挖补破及补强灌浆的质量检查； 8．利用声速、声幅及超声电视测井的资料划分钻井剖面岩性，进行地层对比，查明 裂隙、溶洞及套管的裂隙等； 9．划分浅层地质剖面及确定地下水面深度； 10．天然地震及大面积地质灾害的预报。 研究和解决上述问题，为有关的工程项目及时而准确地提供设计和施工所需的资料， 对于缩短工期、降低造价、提高安全度等都有重要的意义。 ·298· 1.2 声波仪的基本原理 1.2.1 声波仪的主要部件及其功用 声波仪是声波探测使用的仪器。声波仪有多种型号，主动测试的仪器一般都由发射系 统和接收系统两大部分组成。如图3.1.1 所示，发射系统包括发射机和发射换能器，接收 系统包括接收机和接收换能器。 发射机是一种声源讯号的发射器，由它向压 电材料制成的换能器(图中的1)输送电脉冲，激励 换能器的晶片，使之振动而产生声波，向岩体发 射。于是声波在岩体中以弹性波形式传播，然后 由接收换能器(图中的2)加以接收，该换能器将声 能转换成电子讯号送到接收机，经放大后在接收 机的示波管屏幕上显示波形。通过调整游标电位 器，可在数码显示器上显示波至时间。若将接收 图3.1.1 声波仪的主要部件 机与微机连接，则可对声波讯号进行数字处理， 如频谱分析、滤波、初至切除、计算功率谱等。并可通过打印机输出原始记录和成果图件。 根据发射和接收换能器之间的距离 ，及声波在岩体中的旅行时间 ，即可由下式计算 l t 被测岩体的波速V l V