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超声波测量技术

一.测量的意义#2022

煤柱、岩柱稳定性评价；混凝土探伤及强度检测：冻结法凿井时，冻结壁厚度的检测；断层、裂隙及溶洞等地质异常的研究；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）

（2.6）（2.8）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（2.7）（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)。01（2.10）02（2.11）03

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。单击此处添加小标题（2.16）单击此处添加小标题（2.17）单击此处添加小标题

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。01声速声波在岩体中传播的速度，包括纵波速度和横波速度。02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。03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。04

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）。(