实验四岩石波速的测量文档格式.docx
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多数声学技术的想法都来源于地震波的检测和处理技术,但由于电子技术的和数字处理技术的发展,目前实验室声学测量技术在有些方面已超过了地震学,对地震学起到了推动和促进作用。
大多数岩石,都服从基于线性理论的虎克定律,即小的形变与所施加的载荷成正比。
在岩石介质中,超声波的传播遵循弹性波动方程。
从而可得到两部分,无旋波和等体积波即纵波(P波)和横波(S波)。
超声波实质上就是质点振动在介质中传播的过程。
如何产生振动,我们采用压电陶瓷,用声波仪产生高频电脉冲激发压电陶瓷片,使它产生机械波即振动,这振动经探头与样品间的耦合层后,在介质中传播,到达样品的另一端时,被接收探头接收,接收探头反之将此振动又转换为电
方法
频率范围
适用条件
精度(%)
高压
高温
共
振
法
圆柱或棱柱的共振
组合共振
1-30kHz
90-250kHz
不适用
适用
5
1-2
脉
冲
脉冲法
回声法
50kHz-10MHz
10MHz
1-3
0.5
干
涉
相位比较法
脉冲迭加法
10-60MHz
0.01
0.04
表中:
L-样品长度,f-谐振频率,n-整数(n=1,2,3…),t-时间,δ-声波往返滞后时间
脉冲信号送入声波仪中,这脉冲发射与接收间的时差由一高精度的时间测量装置测出,扣除波在探头于样品间的耦合层中的传播时间T0,即得到波在介质中的传播时间T,从而得到介质的波速。
(实用的超声波频率一般在104-108Hz量级,而近震的波的主频约在1-10Hz量级,地震勘探用地震波主频约在10-102Hz量级,超声波的波长远小于地震波波长,因而可用相当于真实地质构造尺度10-2-10-7倍的模型来模拟这些构造。
)
测量弹性波速度的方法基本分为三类:
共振法、脉冲法(pulsetransmission)和干涉法(ultrasonicinterferometry)。
其应用范围和测量精度如上表。
超声脉冲法:
当超声波的波长比研究的物体小许多时,物体可近似地看作无界的,可以证明,任意扰动产生的初动在介质中以纵波速度VP或横波速度VS传播。
因此,我们可以将两个超声波探头放置在样品的两个端面上,当脉冲发生器产生的高压电脉冲信号加在发射探头上时,探头受到激发,产生一个瞬态的振动(P波或者S波取决于探头的振动方式),该振动经过探头与样品间的耦合后,在介质中传播,到达样品另一端时,被接收探头所收到。
脉冲发生时间与接收时间之差T被一高精度的时间测定仪测出,扣除波在探头与样品间耦合层中传播的时间T0后,即得到波在介质中传播的时间Tt:
Tt=T-T0
波速可以由样品长度与Tt之商给出:
V=L/Tt
国际岩石力学协会推荐的脉冲法测量波速的方框图
脉冲发生器产生的电压脉冲同时用来触发示波器扫描、岩石样品上的发射探头和触发时标发生器工作。
经常采用双线示波器,一条线记录接收探头接收到的信号,另一条记录通过延时器后的发射信号。
调节延时器的延时长度,使示波器上显示的两个记录波形的初动对齐,这时,延时器的“延时”就等于波传播的时间。
图中的电子计数器用作“时间间隔测定”用,发射脉冲使其开始计数,经过前置放大器的接收信号使其停止计数,它的计数是与传播时间成比例的。
这样测出的时间是上式中的T,关于波在探头及耦合层中传播的时间可以将两个探头直接接触予以测定。
实验中选取适当的探头和最佳的脉冲激发频率是十分重要的。
我们知道,表征探头的两个主要参数是它的谐振频率和阻尼。
如果一个电压脉冲加在发射探头上、脉冲前沿产生的振动与脉冲后沿产生的信号会互相干涉。
当改变发射脉冲宽度时会得到很复杂的结果。
如果脉冲宽度过窄,则前沿产生的振动还未达到最大振幅,就被后沿产生的振动抵消了。
如果发射脉冲宽度很宽,前沿和后沿的波形会发生严重的干涉。
经验表明,当脉冲宽度等于探头谐振周期的0.6-0.8倍时,效果较好。
图中脉冲法接收到的波形(两条虚线分别代表脉冲前后沿产生的振动,而实线代表实际上接收到的波形)
脉冲法的主要问题在于如何精确地测量脉冲在样品中传播的走时。
无论加在发射探头上的电压脉冲多么尖锐,探头总是逐渐开始振动的,如果探头的阻尼大,则起振慢,振动衰减快。
反之亦然。
而接收到的脉冲也总是逐渐上升的,因此,很难精确地测量接收到达的准确时刻。
超声脉冲法测量精度约在1%-3%之间。
在接收到的波形中,初动后面跟着一个较长的波列。
而脉冲法中,只利用了这个波列的初至时刻这样一个信息,能否从这个波列中提取更多的信息,以改善测量精度呢?
为此提出了许多其它方法。
值得指出的是,尽管脉冲法精度(特别是测量的绝对精度)不算高,但由于其简单方便,至今仍被广泛地应用着。
脉冲回声法
脉冲法中利用超声脉冲的干涉是一种精度很高的方法,它特别适用于小样品的波速测量以及研究弹性参数与温度的依赖关系。
遗憾的是,这种方法使用的电子设备过于复杂。
脉冲回声法是使用脉冲法改进了的一种方法,这种方法使用的设备方框图如图。
10兆赫的晶体振荡器产生的正弦信号,经过一个三级分频器(原始振荡频率被分频为:
1兆赫,50千赫,2千赫)后,将2千赫的信号送至示波器X轴,使其触发扫描,重复周期为500微秒,这2千赫的信号同时经过一个3-5微秒的延迟电路后,触发脉冲发生器产生一个幅度为125-150伏的电压脉冲,该电压脉冲由脉冲发生器的一个振荡槽路输出,使10兆赫的压电晶体产生振动。
发射波形和接收到的回声信号都经过前置放大器,再由接收器加以放大。
前置放大器上装有锗二极管作成的嵌位电路,对于几百伏的发射信号,该嵌位线路的增益约为0.01,而对于接收到的反射回声信号,增益却为0.96,也就是说,该线路只为回声信号提供通路,而使发射信号急剧衰减,以便两种信号的幅度不致差别过大,这样可以同时在示波器上显示出来。
接收器实际上是一个中心频率为10兆赫;
带宽为4兆赫的带通放大器,它可以有效地放大接收信号,并压制其他干扰信号。
图中仪器系统各环节的振动波形如图所示。
在示波器上,可以看到如图的波形。
两个相邻回声信号的时间间隔(上图中以T表示)可以通过判读示波器照片或用时间测定仪测出,测量精度可达10-3,样品的厚度L可以用千分表测准至10-3毫米,于是波速V可以求出:
V=2L/T
这种测量的精度约为0.5%以上,为什么脉冲回声法能比脉冲法测量精度高呢?
在脉冲法中,波动在样品与探头间的耦合层中传播需要时间t0,实际波在样品中的传播时间需要从实测时间中扣除2t0,t0一般难于精确测量,而且耦合层在压力,温度变化情况下,其几何参数和弹性参数往往变化。
也就是说,即使在某一条件下已精确地测定t0以后,在另一些条件下,t0还会发生变化。
因此,耦合层的影响是脉冲法精度不高的主要原因,而在脉冲回声法中我们计算的是相邻两个回声之间的时间间隔,耦合层对两个回声到时的影响是相同的,因此,测定两回声的间隔,完全扣除了耦合层的影响,这是脉冲回声法精度高于脉冲法的主要原因。
脉冲法和回声法测量精度的比较
1—发射探头2—耦合层3—岩石样品4—接收探头T—波在岩石中单程传播时间
干涉法
用超声干涉法测量波速的优点是:
①可以测量尺度甚小样品中的波速(如1×
1×
0.5厘米3),②测量精度几乎完全由样品尺度测量精度所限定(该方法在测量弹性波传播时间方面的精度远此几何尺寸测量精度为高),③在几种测量波速方法中,这种方法精度最高。
这种方法的兴起大约在50年代初期,为了精确地测定岩石和矿物的弹性常数,特别是对于尺寸较小的样品,波速测量几乎是唯一的方法。
干涉法细分为相位比较法和脉冲迭加法两种,本节仅就后者作简单介绍。
这种方法的原理可以用以下方框图来说明。
测量弹性波速的脉冲迭加法方框图
本方法的关键电子设备是脉冲重复振荡器(PulseRepetitionOscillator-P.R.F.)。
射频(RadioFrequency-rf)振荡器产生8—130兆赫可调的正弦波,经P.R.F.振荡器调制后,输出脉冲正弦波,重复频率由P.R.F.振荡器振荡频率所确定,通常小于1兆赫。
P.R.F.振荡器的频率稳定度要求很高,至少为10-7,用一只频率计监视P.R.F.振荡频率的变化。
这种脉冲正弦波送至探头上,根据所选择的探头的振动类型,可以激发探头产生P波和S波,波在样品中传播,遇到边界时产生反射波——回声,这种回声,也被同一探头接收。
调整脉冲重复频率(P.R.F.),使脉冲的重复间隔严格地为声波在样品中一次往返所需时间的整数倍,当这个条件满足时,发射脉冲就迭加在接收到的回声信号上了。
如果这个整数为1,则样品中每个回声都与发射脉冲相重合。
如果这个整数为2,则每隔一个回声都与发射脉冲相重合(如图)。
实际使用中大多取这个整数值为1。
在这种条件下,示波器上只能看见发射脉冲,而反射回声波形完全与发射脉冲信号重迭了。
为了能在示波器上观测到回声信
号,从方框图可以看出,在施加发射脉冲之后,由示波器向脉冲振荡器送一闸门电压,使得只有某些脉冲信号才能够发射,而另一些,则由闸门电压控制,不发射信号,从而给回声信号以显示的机会。
于是从示波器上也可以看到回声的波形。
当发射信号与回声信号完全叠加时,其回声信号振幅最大,在示波器上将发射信号与回声信号进行比较,使发射脉冲中的射频信号相位与接收到的脉冲正弦信号的相位对齐,这时,测量的脉冲重复周期τ与弹性波在样品中往返时间δ的关系式为:
上式中τ是在发生干涉时脉冲重复周期,δ是样品中真正的时间走时,f是射频(rf)振荡器的频率,β是由于样品与探头耦合层所造成的相位漂移,求出δ后,波速立刻可以求出:
L是样品的长度。
现在来分析一下这种方法的测量精度,一般而言,<
10,10MHz,260这项大约是10-10或更小的数量级。
因此走时6的测量精度同的测量精度。
从前面讲的的精度由脉冲振荡器和适当的频率计决定,精度达10-7-10-6,因此,在波速测量中,这个方法具有相当高的精度。
本实验的装置如图一所示。
HF-D超声仪
发射探头
接收探头
图一波速测量实验装置框图
(四)实验步骤:
1.选择合适的样品,将所要测量的岩石加工成园柱体,两端面加工光滑,且平行度小于3丝。
2.用游标卡尺精确测量标本的长度L。
3.选用合适的超声探头,为了满足无限空间的条件,所选择的超声波波长应小于岩石样品线度的十分之一;
同时,若选择波长过小,以至可以与岩石中矿物颗粒的尺度相比较,则矿物颗粒的散射将突出,所以波长应同时比矿物颗粒的线度大五倍以上,即要考虑脉冲穿过岩石的距离应至少为平均粒径的十倍。
4.测量T0:
在探头上涂上一层耦合剂,然后将探头对合,按紧,这时在声波仪上即可看到发射波形,调整时标至波形的初动,这时的时间T0即为波在探头间的传播时间。
5.测量Tp:
将发射探头与接收探头分别置于样品的两端,如图二,在探头与样品之间涂上耦合剂,
FS
图二波速测量
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- 实验 岩石 波速 测量