地下工程监测方法与检测技术-第9章-声波检测技术课件.pptx

1、 声 波 检 测 技 术第9 9章1概述2声发射技术3声波测试技术CONTENT概述0101声波监测技术可分为声发射技术和声波测试技术。声发射技术主要是研究岩石的损伤机理和断裂特性，测定岩体地应力的方向和大小，检测地下空间和洞室的安全，以及预报岩爆的产生和围岩的稳定性等。声波测试技术是利用声波在岩体内传播性能进行的一种量测方法，亦称声测法，或弹性波法。这种方法对于预报山体压力的显现，判断地下空间岩体的完整性和破坏程度，进行安全检查是一种切实可行的有效方法。声发射技术0202一、基本原理一、基本原理 材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，或材料内部缺陷及潜在缺陷在外部条件作用下改变状态时，以

2、弹性波形式释放出能量的现象称为声发射。声发射信号的强度、频率等各项特性指标等随着声发射源的类型、状态及材料性质的不同而不同，也随着外力的作用形式及强弱的变化而变化，因此，声发射特性是材料性质和状态的一个表征。声发射检测技术就是利用材料受力时的声发射特性，对其内部破坏状态及受力历史进行判断的方法，它不仅能对材料内部缺陷进行检测，而且还能反映材料内部缺陷形成、发展和失稳破坏的整个动态过程。声发射技术在混凝土检测中主要用于裂缝的发生发展及位置的确定；在岩体检测中，研究岩石的损伤机理和断裂特性，测定岩体地应力，检测矿井和洞空的安全，以及预报岩爆的产生等。声发射信号是分析声发射性质和状态的基本依据，通常

3、用压电换能器在试件表面接收并记录这些信号，输入仪器进行分析和处理。处理和分析声发射信号的特性参数有计数率、能量和能量率，以及频谱、波形以及多信号的时差等。若记录每一个声发射事件，就叫AE事件计数。单位时间AE事件计数称为AE事件计数率，事件计数累积称AE事件总数。通常设置门槛电压，只有当输入信号超过该电压时，才能作为声发射事件被记录下来。显然，对声信号的各种计数描述着重于信号出现的频率，而较少反映信号的幅度。煤 混凝土的声发射试验结果n (1)具有高响应速度、高灵敏度、高增益、宽动态范围以及对强信号阻塞的恢复能力；(2)具有较宽的频响范围，有较大的频率检测窗口选择余地;(3)具有抗干扰和排除噪

4、声的多种功能；(4)根据检测的目的不同，还要求检测仪器具有快速、完善的分析处理功能和不同的显示功能。单通道声发射仪：多种分析 声源定位 多通道声发射仪：多种分析 声源定位 (功能组合)二二、声发射、声发射检测仪检测仪声发射换能器（探头）声发射换能器一般由壳体、保护膜、压电元件、阻尼块、连接导线和高频插座组成。压电元件通常采用锆钛酸铅、钛酸钡和铌酸锂等。三、声发射技术在工程中的应用三、声发射技术在工程中的应用大理岩的kaiser效应1.凯塞效应及应用 利用凯塞效应可以估算地应力的大小：在9个方向取9组圆柱体岩样(注意原位方向)，进行压缩试验，测出声发射突然增大的载荷，按这一载菏计算出所取方向试样

5、的单轴地应力，根据测得的9组单轴的应力，算出主应力大小和主应力方向。注意:在正式试验前应验证不同方向取样后声发射Kaiser效应是否存在取23个试样作加载和卸载试验。2岩体工程灾害预报 在岩体工程施工中，经常听到岩石的声响。室内和现场研究表明，从岩石破坏所产生的次声能发射是这些可听见声响的前兆。一般来说，发射速率的增长超前于岩石主破裂，采用三角网法可以确定声发射源，它是根据声波传播到几个接收站的时间差而确定的。地音检测系统就是根据上述原理研制的。n 24,400250300,45 例：某矿采用便携式地音仪进行长期试验，总结出岩体失稳的判断指标和合理的监听制度，从连续监听5min得到的数据中，取

6、其最大值作为岩音的频率(N).(1)N20，岩体破裂加速，出现局部破坏。监听制度 N20，最大监听周期不应超过1天。声波测试技术0303一、基本原理一、基本原理波动与振动波动与振动 在空间某处发生的扰动，以一定的速度由近及远地传播，这种传播着的扰动称为波动。在空间某处发生的扰动，以一定的速度由近及远地传播，这种传播着的扰动称为波动。波动中介质各质点并不随波前进，只是在各自的平衡位置附近往复运动。这种运动称质波动中介质各质点并不随波前进，只是在各自的平衡位置附近往复运动。这种运动称质点的振动（机械振动）。点的振动（机械振动）。声 波 声波是在介质中传播的机械波，依据波动频率的不同，声波可分为次声

7、波、可闻声波、超声波、特超声波。名名 称称频率范围（频率范围（Hz）次声波次声波02101可闻声波可闻声波21012104超声波超声波21041010特超声波特超声波1010声波发射系统向被测介质发射声波声波在介质(被测对象)中传播,介质的几何特征、内部结构、力学性能对声波进行调制声波接收系统接收经介质传播的声波声波记录和分析系统依据声学参数和波形的变化，对介质特性进行工程解释 1.纵波（Longitudional Wave）质点振动方向与波的传播方向一致时称为纵波。2.横波（Shear Wave，简称S波，又称作Transverse wave，简称T波，也称为切变波或剪切波）质点振动方向与波

8、的传播方向垂直时称为横波。3.表面波（Surface Wave）沿介质表面传播，波动振幅随深度增加而迅速衰减的波称为表面波(R波，瑞利波)。表面波质点振动的轨迹是椭圆形,长轴垂直于传播方向,短轴平行于传播方向。各种类型波的比较 波类型波类型质点振动特点质点振动特点传播介质传播介质别别 名名纵纵 波波质点振动方向质点振动方向平行于平行于传播方向。传播方向。固、液、气固、液、气体介质体介质P波、波、L波、初至波、初至波疏密波波疏密波横横 波波质点振动方向质点振动方向垂直于垂直于传播方向。传播方向。固体介质固体介质S波、次波波、次波剪切波剪切波表面波表面波质点作质点作椭圆运动椭圆运动,椭圆长轴垂直椭

9、圆长轴垂直于传播方向于传播方向,短轴平行于传播方短轴平行于传播方向。向。固体介质固体介质二、声波的激发方式二、声波的激发方式声波的激发方式可以采用以下几种方法实现：（1）采用雷管或炸药爆炸激发（2）利用锤击或机械冲击激发（3）采用各种类型电声换能器激发（4）利用电火花气爆激发三、声波测试设备三、声波测试设备 岩体声波探测的全过程是声波发射、传播及接收显示，其相应的仪器有发射换能器、接收换能器和声波仪。1声波换能器 FS1FS2ttlv BC段混凝土的声速 换能器的性能指标 扩散角 品质因数 频带宽度sinKD2cmlbZQZ Z0mffQ 2.声波仪 声波仪的主要部件是发射机和接收机，发射机的

10、作用是向探头输出一定频率的声脉冲，接收机的功能是将接收探头收到的微小信号放大，并在示波器上显示或以数字的形式显示。1换能器的布置方法 (1)穿透法。发射探头和接收探头放置在介质相对两个面上，根据声波穿透介质后波速和能量的变化来判断介质的质量。四、声波测试的工作方式四、声波测试的工作方式 (2)反射法 它是换能器向介质发射声波，波动沿发射方向传播到介质的底面后，被反射回来再由换能器接收，根据反射波传播的时间和显示的波形来判断介质内部的缺陷和材料性质的方法。结构混凝土厚度检测，基桩完整性检测。(3)剖面法 又称沿面法，发射换能器发射纵波通过一定角度入射到介质中，被转换成面波，通过对其特性的测定来判

11、断介质的缺陷和材料的性能。若发射换能器和接收换能器同时放入一个钻孔时，即为单孔测井。(1)测试地点的选择。(2)对测孔的要求。(3)表面处理。(4)耦合剂。(5)探测频率的选择。测试岩石、混凝土类介质时，频率一般为20kHz，最高不超过100kHz。五、声波测试中应注意的几个问题五、声波测试中应注意的几个问题 弹性波在岩体中的传播速度与岩体的种类、弹性参数、结构面、物理力学参数、应力状态、风化程度和含水量等有关，具有如下规律：(1)弹性模量降低时，岩体声波速度也相应的下降。(2)岩石越致密，岩体声速越高。(3)结构面的存在，使得声速降低，并形成各向异性。(4)岩体风化程度大则声速低。(5)压应

12、力方向上声波速度高。(6)孔隙率n大，则波速低。(7)密度高、单轴抗压强度大的岩体波速高。六、声波在岩体中的传播规律六、声波在岩体中的传播规律 1.围岩松弛带测试 n 2利用弹性波测试评价岩体强度和完整性程度 测定岩块及一定区域内岩体的波速，计算岩体的完整性系数或称龟裂系数：Cm是岩体分类中常用指标之一，也用于评价岩体完整性:Cm0.75 完整 Cm=0.750.55 较完整 Cm=0.550.35 较破碎 Cm=0.350.15 破碎 Cm0.15 极破碎2 cmmVVC 3岩体力学参数测定 通过测定岩体纵横波速度，根据岩体纵横波速与弹性模量、泊松比的关系计算出弹性模量和泊松比。通过测出现场岩体和室内试块的弹性波波速及抗压和抗拉强度，可估算岩体的抗压和抗拉强度：5.15.1mttmmccmCC 22mttmmccmCC 4.测定张开裂隙的延伸深度 5声波测井 作用：查明地层层位，构造和破碎带情况，基岩风化程度和风化深度，各地层的物理力学参数等.探测方法：“单孔高差同步法”。注意：发射和接收接触器之间的净距离l应满足 岩岩水水pBApvlllvl THANKS