超聲波怎麼測衰減系數

『壹』 　聲波法

固體中的機械波是聲波。由於其作用力的量級所引起的變形在線性范圍，符合虎克定律，也可稱其為彈性波。聲波檢測和淺層地震、面波勘探同屬彈性波「動測」技術。

聲波檢測（Sound Wave Detecting）所使用的波動頻率從幾百赫到50千赫（現場原位測試）及50到500千赫（岩石及砼樣品測試），覆蓋了聲頻到超聲頻，但在檢測聲學學科領域中稱其為「聲波檢測」。其測試原理與淺層地震相同，但使用頻率及測時精度均高於淺層地震勘探。

應提及的是，這里所闡述的聲波檢測包含被動聲波檢測，即不需要振源的地聲檢測技術。

12.3.1基本原理

聲波檢測技術中有三個聲學參量，即聲速（俗稱波速）、聲波波幅及頻率，可對介質的物性做出評價。當前應用最多的是聲速，其次為波幅，頻率參量也日漸加入應用。

聲波可以評價岩體（及混凝土）的性狀，更可提供物理力學參數，但固體的聲速和介質的幾何尺寸有關。無限體（大塊的岩體）、一維桿（防滑樁）、二維板（擋土牆）的聲速表達式中的動彈性力學參數不盡相同，邊界條件不一樣，有必要對它們分別討論。

12.3.1.1無限（無界）固體介質中的聲速

無限體指的是介質的尺寸遠比波長λ

波長A是一個基本的聲參量，其物理含意是聲波波動一個周期T所傳播的距離。所以A=T·C式中C為聲速。而周期 T與頻率f存在T=1/f，因此A=T·C=C/f。大，理論及實驗證明，當介質與聲波傳播方向相垂直的尺寸D＞(2～5）λ，此時的介質可認為是無限體。

聲速是介質質點彈性振動的傳遞（傳播）速度。由彈性理論可知，在無限固體介質中由應力引起彈性應變過程的波動方程為：

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式中：θ為體積膨脹率，

表示在聲波擾動下體積相對變化；u_x、u_y、u_z分別為x、y、z方向的位移；λ、μ為拉梅常數；▽²為拉普拉斯運算元，

；p為介質密度。將12.6式中的第一式對x求導，第二式對y求導，第三式對z求導，然後相加，可得：

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設

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式中：E為彈性模量；σ為泊松比，兩者都是介質的彈性常數，它們與拉梅常數λ、μ之間有一定互換關系。將（12.8）式代入（12.7）式，可有：

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顯然，（12.9）式中的C_l具有速度的量綱，代表介質內由質點振動傳遞過程引起的體積膨脹率的傳播速度，也就是縱波的傳播速度，人們常用v_P表示。即：

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縱波的質點振動傳播的物理過程可用圖12-6a表示。可見，質點的振動和傳播方向是一致的。

圖12-6縱波及橫波質點傳播過程

從三維角度看，質點的振動還可以與傳播方向相垂直，這種波動稱之為切變波或橫波，它不引起固體微元的體積變化，故從12.6式中令θ＝0可求得：

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式中：C_t代表橫波傳播速度，人們常用v_s表示。

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式中：G為剪切模量。橫波的質點振動傳播的物理過程可用圖12.6b表示。

（1）聲速與彈性力學參數：由（12.10）及（12.12）式可見，只要測取岩體的縱波及橫波聲速v_p及v_s，並已知岩體密度p的情況下，便可以獲取岩體的動彈性模量E、剪切模量 G及泊松比σ，對岩體的動力學特徵做出評價。故動彈性力學參數可由下列公式計算：

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（12.14）及（12.15）式中v_P及v_S以m/s計，p以kg/m³計，E、G的單位為Pa。

（2）用v_P/v_s評價岩體質量：泊松比σ反映的是岩體彈性性能，即在應力作用下產生縱向（應力方向）相對變形量與橫向（應力垂向方向）相對變形量之比的倒數，反映的是岩體的「軟」、「硬」程度。由於泊松比與縱、橫聲速之比有著密切的關系，所以常用縱、橫波速度之比來反映岩體的物理性狀。縱、橫波速度比v_P/v_s與泊松比σ的關系如表12-5。

顯然，v_P/v_s值越大，岩體越「軟」。通過大量的統計，v_P/v_s的量值與岩體的完整程度如表12-6。

表12-5縱橫波速度比 v_p/v_s與泊松比σ的關系

表12-6v_P/v_s的量值與岩體的完整程度

（3）聲速岩體完整性指數：評價岩體的質量也可以只用縱波聲速。例如「工程岩體分級標准」（GB50218-94）規定，可以用岩體的縱波波速v_Pm與岩石的縱波聲速v_Pr按（12.6）式測算出岩體完整性指數K_v。

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顯然岩體包含的裂隙、節理比小體積的岩石要少，故 K_v＜1。可見，它反映的是岩體的完整程度。由完整性指數，可對岩體的工程力學性質進行分類，如表12-7。

表12-7工程兵某部的岩體分類研究

（4）聲速與岩性：不同岩性由於其結構、礦物組合、成因、地質年代等因素的不同，聲速是不同的。又由於節理、裂隙等結構因素，它們的聲速並不固定，而分布在一定范圍。表12-8是常見到的幾種有代表性岩體的縱波聲速統計值。

表12-8常見岩體的縱波聲速統計值

（5）聲速與岩體風化：同一種岩性風化程度的不同其聲速有著明顯的區別（表12-9）。以長江三峽三斗坪壩岩體風化程度與縱波聲速為例，說明用縱波聲速劃分岩體風化的可行性。

表12-9風化岩石縱波聲速值（波速單位km/s)

（6）聲速與岩體的裂隙：眾所周知，岩體裂隙無論是原生的還是後期因地應力作用產生的次生裂隙，裂隙的出現便是岩體風化的開始。所以，有必要論述聲速與岩體裂隙及風化相關的機理。

聲學理論中的「惠更斯原理」對這一機理做出了合理的解釋。惠更斯原理指出：彈性介質中，在某一時刻 t，聲波波前上的所有點，均可視為該時刻開始振動的新的點振源，各點振源產生新的球面波，這些球面波在 t＋△t後波前的包絡的疊加組合，形成新的波前，如此循環不已。故當波動的前方有裂隙存在時，在裂隙尖端所產生的新的點振源將可繞過裂隙繼續傳播，形成波的「繞射」。繞射的過程聲線「拉」長，聲時（聲波傳播的耗時）加長，使視聲速降低，故聲速不僅可對岩體的風化程度加以劃分，對岩體中存在的裂隙有著極為敏感的反映，特別是張裂隙。

（7）聲速與岩體結構的關系：岩體的結構可分為四類：整體塊狀結構、層狀結構、碎裂結構、散體結構。聲波在整體塊狀結構中的傳播速度最快。後三類結構中，由於岩體的節理裂隙發育程度不相同，聲波在這種非均質介質中傳播，將會在不同的波阻抗界面產生波的反射、折射、波形轉換等，使聲線拉長，從而使聲速隨結構的復雜而降低。但在聲波的傳播中還有一個原理，即「費瑪原理」。費瑪原理指出：聲波從一個點向另一個點傳播，會沿著最短、最佳、最不費時的路徑傳播。這就決定了隨著岩體結構的不同，聲波的傳播走時是會有一定規律的，其關系如表12-10。

表12-10聲速與岩體結構

（8）聲速與地應力：裂隙對聲速的影響稱之為「裂隙效應」。岩體受到外界應力作用時，其變形首先是裂隙的壓密，由此可使聲速提高。但當應力超過強度極限，岩體又會出現新的裂隙而使聲速下降。圖12-7是四塊岩石試塊（砂岩）應力與聲速關系的實測曲線。

圖12-7岩石應力與超聲波波速的關系

P—壓力方向；F—發射換能器；S—接收換能器

根據上述原理，對岩體做應力釋放處理測取應力釋放前後的聲速，然後再對取得的岩心加壓測量其聲速，可推測出地應力的量值及方向。

12.3.1.2有限固體介質中的聲速

（1）一維桿的聲速：固體介質的尺寸和波長滿足下列關系稱為一維桿。即：

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式中：λ為波長，D是一維桿直徑，L是一維桿的長度。這時桿軸線方向的縱波聲速存在下列關系：

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顯然，

與無限體的縱波聲速相差

0.25,

，見（12.10式），當σ＝0.2～

（2）二維板的聲速：當固體二維板在x及y方向的尺寸遠大於：方向尺寸，且z方向的尺寸L_z＜λ時，二維板在x及y方向的縱波聲速如下：

而橫波聲速不依賴幾何尺寸。

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討論—維桿及二維板的縱波聲速，目的在於對滑坡體治理時可能採用抗滑樁及擋土牆等工程治理措施，其施工質量的檢測大多會採用聲波透射法及聲波反射法。對於正常聲速的取值及動彈性力學參數的測算，分別應使用（12.8式）及（12.9式）。抗滑樁使用混凝土的情況較多，一維桿使用反射波法對混凝土優劣的聲速劃分與用聲波透射法不同，見表12-11。其不同的原因是反射波使用的聲波頻率在1kHz左右（A=4m左右）屬一維桿的縱波聲速，而聲波透射法使用30kHz左右的頻率（λ＝0.13m左右）屬無限體的聲速。

表12-11測樁混凝土聲速分級

12.3.1.3聲波的反射、折射及波型轉換

聲波在固體介質中的反射、折射及波型轉換是岩體及砼聲學檢測的重要理論依據。

（1）垂直入射時的反射及透射：當固體介質不連續時，如存在波阻抗界面（波阻抗的定義是介質密度ρ與聲速c的乘積，即Z＝ρc），如圖12-8，如聲波傳播的聲線與x=n的界面相垂直，則為垂直入射。在該界面處，質點振動振速 v及振動產生的聲壓P具有聲壓連續及振速連續，如下：

圖12-8聲波（平面波）的入射、反射及透射示意圖

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式中：P、v為入射聲速的聲壓及振速；P₁、v₁為反射聲壓與振速；P₂、v₂為透過的聲壓及振速。將波阻抗Z＝ρc關系代入上式可求出：

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（12.22）式中的R_P為聲壓反射系數，（12.23）式中的_Rv為振速反射系數。它們從不同角度說明聲波反射的同一物理現象，聲壓反射系數說明了反射時質點振動的應力關系。同理可推導出聲壓透過系數。

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垂直反射比較簡單，不產生波型轉換。

（2）斜入射時的反射、折射及波型轉換：如果在波阻抗界面處入射聲波不是垂直入射，將產生反射、折射及波型轉換，其規律見圖12-9及圖12-10。

圖12-9聲波斜入射時的反射示意圖

註：

(a）縱波斜入射；（b）橫波斜入射

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反射、折射規律遵循Snell定律，如（12.25）式：

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式中：α_l、

β_l、β_t的含意見圖12-9及圖12-10。由（12.25）式可得到一個重要的入射角，稱為第一臨界角α_i：

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該式說明：當縱波入射角等於第一臨界角時，在比第一層介質聲速高的第二層介質中的折射角等於90°，即折射波在第二層介質表面滑行。

（3）斜入射時的反射及折射系數：圖12-9(a）縱波斜入射的反射系數 R_P（如式12.27），而圖12-10(a）中聲波的透過系數R_T（如式12.28）：

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（12.27）式及（12.28）式中的Z₁＝ρ₁c₁,Z₂＝ρ₂c₂，分別為上下層介質的波阻抗。

（4）聲波的繞射及散射：用惠更斯原理可解釋聲波的繞射，前文已述及，不再贅述。

聲波在介質中傳播，如介質中含有隨機分布的不同波阻抗的顆粒，而這些顆粒的幾何尺寸 r＜λ（λ為波長），這時聲波將被這些顆粒反射而散射開來，使聲波不能全部向前傳播形成聲能的損失，這種現象稱為散射。

12.3.1.4聲波的波幅及聲波的衰減

聲波的傳播是質點振動的傳遞過程，單位時間傳遞的距離就是「聲速」，而質點在振動傳遞過程中其振動的幅度便是聲波的「波幅」。聲波波幅會隨著質點振動相互碰撞，在將動能轉換成熱能的過程中，質點振動的能量耗損使其振動幅度漸減，稱之為聲波的衰減。聲波的衰減顯然隨介質材質、結構及聲波頻率的不同而各異，同一種介質，聲波頻率高衰減快。

在聲波檢測技術的應用中，目前還沒有用聲波的衰減評價被測介質特性，而是通過測量聲波波幅的變化檢測諸如岩體內裂隙的發育情況、風化特徵以及混凝土內部的各種缺陷等。

聲波的波幅A與傳播距離有下列關系：

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兩式中：A_m為發射點的聲波波幅；α為聲波衰減系數，l為傳播距離。（12.29）式適用平面波，（12.30）式適用球面波。

12.3.1.5聲波的頻率

由富氏變換可知，聲波檢測發射的脈沖波是由多個不同頻率的正弦波組成。在岩體中隨著傳播距離加大，或由於岩體裂隙的發育程度、風化程度的不同，接收到的脈沖波的高頻信號衰減快，使接收信號的主頻（能量最豐富的頻率）降低。故接收到的聲波信號的頻率特性，可反映出岩體的物理性狀。

12.3.1.6聲發射現象與凱薩效應

當岩體受到外力作用，例如地下殘余應力、人為或自然界對岩體產生擾動引發的應力集中等，超過岩體的強度時，岩體內部將被破壞。這種破壞往往要經歷一個過程，開始時局部產生微破裂，出現一些新的裂隙，當外應力增加，這種破裂的數量（次數）增加，新生的裂隙增加並延伸，外應力增加到一定程度後，最終造成整塊岩體破損坍塌。在上述岩體受力破壞的過程中，每產生一次破裂，能量被釋放並轉換成一次脈沖波動，形成一組聲脈沖，稱為「聲發射」。每出現一次聲發射，即為一次聲發射「事件」。

聲發射現象產生的脈沖聲波的頻譜甚為豐富，據國外文獻及國內有關單位研究，其頻率的上限到兆赫，下限到千赫。因此，可以在距離聲發射點幾十米以外接收到聲發射信號，一般接收儀器接收到的是主頻數千赫以下的聲發射脈沖波組。由所接收到聲發射事件的次數、單位時間內事件數，及聲發射信號的波幅強度等動力學特徵，可對岩體是否失穩進行預報。

岩體聲發射現象，還有一個特殊效應系由凱薩氏發現，定名為「凱薩效應」。從岩體上取下一塊完整的岩石試樣，放在材料試驗機上緩緩施加壓力，在所加壓力未超過它歷史上所受到應力之前，是不會發生聲發射的。由此，從加壓後開始出現聲發射現象之前的一級壓力，即為該岩體歷史上所受到的最大應力。

12.3.2觀測方法

聲波檢測（主動式）的全過程，可用圖12-11加以說明。當今聲波檢測儀均已數字化，現以數字化聲波檢測儀的發射、接收、數據採集及信號處理過程說明聲波檢測的觀測原理。

圖12-11聲波檢測（主動式）原理框圖

（1）聲波的發射：傳統的聲波儀用壓電型換能器的逆壓電效應將電脈沖信號轉換成機械振動，向岩體輻射聲波，其透射距離在10m以內（頻率20～50kHz）。為加大穿透距離，聲波儀也可以用電火花、錘擊等單次瞬態激勵振源向岩體發射聲波（頻率約3kHz以下）。

（2）聲波的接收：傳統的聲波儀多使用壓電型接收換能器的壓電效應，將經岩體傳播後的聲波信號轉換成電信號，這些信號攜帶了岩體的物理力學及地質信息。

（3）放大及數據採集：見圖12-11，由接收換能器送出的信號先經接收放大系統加以適當的放大，再經A/D轉換數據採集系統對放大後的信號由A/D轉換器將模擬信號轉換成二進制數字信號，並按采樣的時間順序存儲在隨機存儲寄存器（RAM），再將這些離散的二進制數字信號送入微電腦，最終接收換能器接收到的聲波信號波形顯示在電腦顯示屏上。目前最高檔的聲波檢測儀，在將波形顯示在屏幕上的同時，可將接收信號的首波波幅及首波的到達時間（即聲時）自動加以判讀，同時加以顯示。接收到的波形、波幅、聲時等可存入電腦的硬碟或軟盤，用作下一步的分析處理。上述聲波信息可在專用的數據與信息處理軟體的支持下，對被測介質作出評價。

（4）被動式聲波檢測：岩體中的聲發射信號、滑坡體蠕動產生的摩擦聲信號統稱為「地聲信號」。對這些信號的接收過程與圖12-11基本相同，只不過沒有聲波發射系統，但接收是多通道的（三個以上），故稱之為被動式聲波檢測。另一個重要的不同點是，它需要計時系統，記錄出現地聲的時刻，同時需對地聲脈沖信號的主頻、波幅量化處理後存儲記錄，統計出地聲事件出現的頻度。被動式聲波檢測儀必須長時間連續工作，提供不間斷的觀測記錄。地聲監測是地質災害的勘查手段之一，對於研究地質災害發展規律十分重要。

12.3.3檢測方法

由檢測對象及檢測目的的不同，聲波檢測有多種方法。

12.3.3.1透射法

發射的聲波經被測介質傳播透過後，由接收換能器接收的測試方法為透射法。

（1）表面測試：工程場地的岩體、混凝土，如需檢測內部結構特性、缺陷及力學性能，而目標體又有外露的測試面，可採用對測法，如圖12-12(a）；只有一個檢測面時，可採用平面測試法，如圖12-12(b）。

表面測試多用於地下洞室、隧道、邊坡、大型橋墩等如圖12-13。

圖12-12表面測試原理圖

I—聲波檢測儀；T—發射換能器；R—接收換能器；M—檢測介質

圖12-13聲波表面測試示意圖

1～3—隧道及洞室；4—橋墩類

＞發射點；接收點

（2）跨孔測試：在兩個相距一定距離的鑽孔中，分別放入發射振源和接收換能器，如圖12-14。具體方法有同步提升測試法，圖12-14(a）；斜測法，如圖12-14(b）；及扇面測試法，如圖12-14(c）。

跨孔測試用於孔間岩體破碎帶、岩溶、滑坡的滑帶（床）的測試；扇面測試用於聲波層析成像（CT）測試。此外，跨孔測試還用於防滑樁、擋土牆等地質災害防治工程的工程質量檢測。

如圖12-15，在鑽孔地面旁敲擊，孔中用三分量檢波器（或壓電換能器）接收。橫敲木板可測取地層橫波聲速，直接敲地面測取縱波聲速。地面—孔中測井可用於測取地層動力學參數，劃分地層，對滑坡體進行檢測，掌握滑床（帶）部位、物理性狀等。

圖12-14聲波跨孔測試示意圖

T—發射振源；R—接收換能器；H—鑽孔

12.3.3.2折射法——單孔一發雙收聲測井

如圖12-16，發射換能器 T近似點振源，故總有一條聲線滿足第一臨界角，這時進入岩體的聲波折射角為90°，射波沿孔壁滑行，以後又被相距L的R₁及相距為L＋△L的R₂接收，其聲時分別為t₁及 t₂。聲速v_P為：

圖12-15聲波地面—孔中測試示意圖

I—聲波儀；R—三分量檢波器；B—帖壁氣囊；M—岩體；H—鑽孔；W—激振木板；P—壓力；F—正向激振；F′—反向激振I—聲波儀；T—發射換能器；R₁、R₂—接收換能器；M—岩體；H—鑽孔

圖12-16單孔一發雙收聲波測井原理

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單孔－發雙收聲波測井用於岩體風化殼劃分及強度評價，深部地層的構造、軟弱結構面、破碎帶埋深及發育的勘查。

一發雙收聲波測井必須注意的問題是，接收換能器R₁在接收到沿孔壁滑行折射波的同時，還能接收到由井液中直接傳播的聲波，因此必須保證滑行波的走時t_.小於井液中傳播的聲時t_w，才能保證正確的測試。由於岩體的聲速大於井液的聲速，所以，只要加大發射換能器 T與接收換能器R1之間的距離 L(L稱源距）即可達此目的。通過計算可求得最小的源距 L_min有下列關系：

（12.32）式中D為鑽孔直徑；α為換能器外徑；C_w為井液聲速；C_m為岩體縱波聲速的最低值。

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（12.31）式說明，當一發雙收換能器的直徑及源距確定後，所能適用的鑽孔孔徑也就被限制在一定范圍之內。用其在鑽孔中進行測試之前，應按（12.31）式核算一下是否適應孔徑。

12.3.3.3反射法

圖12-17是樁（或混凝土擋土牆）反射波測試示意圖。用手錘或力棒敲擊樁頂產生入射波T，在樁底（或有缺陷 F）產生反射波R(R′）。接收感測器 T_，先後接收到直達波D、缺陷反射R′及樁底反射波R，即可由檢測儀器I將它們依次記錄。由記錄的波形可判斷樁是否完整，或有無缺陷，以及樁身混凝土聲速，並由聲速推斷混凝土質量（強度等級）、缺陷的位置。

圖12-17樁（牆）反射波測試

I—儀器；H—手錘；Tr—感測器；P—樁（牆）；F—缺陷；E—地層；T—入射波；R—樁底反射波；R′—缺陷反射波；D—直達波

上述樁的反射波法，實際是一維桿的「零」偏移距反射波法（也就是淺層地震所謂的最小偏移距反射法）。按此原理，還可以對地下連續牆、擋土牆進行牆體的完整性及深度檢測。依此類推，也可以對地下隧道開挖面前方的岩體破碎帶、溶洞等不良地質體進行「零」偏移距反射波法測試，目前已取得較好的實測結果。

12.3.3.4岩石樣品的聲波測試

（1）岩石樣品（試件）聲波測試的目的。岩石樣品多由鑽探取芯或工程現場取樣獲取。測試岩石樣品的目的是：獲取無結構面的完整岩石聲速，作為評價岩體完整性的基礎數據；研究聲速與應力間的關系；利用凱薩效應掌握歷史上曾受到過的地應力的最大值；提供岩石動彈性力學參數 E_d、G_d、σ等。

（2）岩樣的幾何尺寸與測試頻率的選擇。岩石樣品幾何尺寸較小，按有關規程規定，其尺寸應為5×5×5(cm）、5×5×10(cm）、φ7×5及φ7×10(cm）。為了獲取無限體的聲速，必須採用高頻換能器測取縱波、橫波聲速v_p、_v。頻率的選取原則是 D≥（2～5)A如2.1.1(B）節中的要求。因此，聲波換能器的頻率應在200～1000kHz，儀器的測量聲傳播時間的解析度，應達到0.1μs。

表12-12多種聲波檢測方法總匯

（3）岩石樣品的加工要求，見原地質礦產部《岩石物理力學性質試驗規程》（1986年12月頒布）。

12.3.3.5多種聲波檢測方法總匯

因檢測目的的不同，聲波檢測有著多種測試方法，各種方法又隨探測距離各異，出現多種發射振源及不同接收方式。各種聲波檢測方法的總匯如表12-12。

12.3.4信號處理

我國的聲波檢測儀已普遍實現數字化並領先於國際水平。數字化的實現，加速了信號處理技術的提高。目前已在多個方面應用了信號處理技術，並開發出了相應的處理軟體。

（1）為研究應用聲波信號的頻率特性，傅氏變換頻譜分析技術普遍用於聲波檢測，並備有相應軟體供用戶使用；

（2）高、低、通數字濾波軟體，用於濾除不同的干擾信號；

（3）積分處理對接收信號進行積分運算，將振動加速度信號轉換成振動速度型信號及消除接收信號（直達波及反射波）的余振；

（4）多點平滑濾波將數字序列中的第i點信號（i=0、1、2、3、……N）與相鄰的i+n個信號幅度相加除以i+n的值作為i點的波幅，目的是消除噪音使波形光滑；

（5）疊加處理將n次（n任選）發射、接收到數字信號序列逐點相加，使波幅增強，以提高信噪比，消除隨機噪音。

上述信號處理軟體，多已裝入儀器，可以方便地調用。

12.3.5數據處理

數據處理的目的是用測取的聲學參量，以及由它們衍生出的物理量評價岩體的結構、物理力學性能及混凝土結構強度、完整性等。

（1）聲速計算：

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其含義與（12.10）式及（12.12）式相同。

（2）岩體完整性指數（K_v）：

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式中：vP_m為岩體縱波聲速[km/s],vP_r為岩石試件縱波聲速[km/s]。根據《工程岩體分級標准》（GB50218-94）,K_v定性劃分岩體完整程度的對應關系如表12-13。

表12-13K_v定性劃分岩石完整程度的對應關系表

（3）准岩體抗壓強度（F_m）:

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式中：F_r為岩石試樣的單軸抗壓強度。

（4）岩體風化系數（I）：

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式中：

為完整岩體的縱波聲速；

為風化岩體的縱波聲速。

（5）動彈性力學參數：當測取了岩體及混凝土的縱波及橫波聲速，可求得下列動彈性力學參數

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（12.36）至（12.38）式中：v_P、v_s為縱、橫波聲速；ρ為密度。

12.3.6儀器設備

（1）水文地質工程地質專用聲波測井儀見表12-14。

表12-14水文地質工程地質專用聲波測井儀一覽表

（2）典型超聲波（聲波）檢測儀見表12-15。

（3）電火花振源：為加大聲波穿透距離，可使用大功率電火花振源。其原理是：在高壓儲能電容上充4～8kV電壓，然後通過電纜及放電電極在水中瞬間放電，使水高熱氣化，產生激勵脈沖聲波。其特點是：能量可控、一致性好、能量大。攜帶型電火花振源的能量可達300～700J（焦爾），湘潭市無線電廠生產，型號XW5512A。

表12-15典型超聲波（聲波）檢測儀

（4）發射與接收換能器：由於聲波測試方法的不同，需要有多種換能器，滿足不同的測試要求。現有定型生產的各類換能器，表12-16所示給出了它們的名稱及主要技術性能、外形尺寸、耦合方法及適應的測試方法。

表12-16定型生產的各類換能器

參考文獻

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『貳』 聲波檢測的技術

5.5.4.1 岩體力學參數的測定

岩體的彈性模量、泊松比、抗壓強度等力學參數，對於工程圍岩穩定性的評價以及進行工程設計和施工等都是極其重要的基本數據，都可通過聲波檢測來測定。

利用聲波儀測出發射與接收換能器之間距離為L時的直達波旅行時間t，可求出彈性波的速度v。在已知岩石密度ρ的條件下，根據其函數關系，可換算出岩體的各種力學參數。

試驗證明，在室內進行岩石標本測試時，要求發射到岩石內的聲波，其波長λ遠小於岩石試件的尺寸，而大於岩樣的組成粒徑。試件橫向(垂直於波傳播方向)的尺寸，不小於波長的10倍，試件中脈沖穿過岩石的旅行距離至少為平均粒徑的10倍。若以邊長d=5cm的正方體為例，當岩樣中的波速v=3000m/s時，所要求的最低工作頻率f=v/λ=V/0.1d=600Hz。進行岩樣聲波測試時，只有使用高頻的超聲波儀器，才能忽略岩樣邊界對聲波的影響。

對於同一岩體(岩石)，彈模數值與岩性有關，還與載入的方式有關。用靜力測試的方法稱為靜力法，測得的彈模稱為靜彈模量，以E_s表示。在快速瞬間載入情況下的測試方法，稱為動力法，測得的彈模稱為動彈模量，以E_d表示。E_s和E_d是在不同物理條件下測出的，一般E_d>E_s。有些單位給出了它們的經驗的關系曲線，即E_s=0.1E^1.45_d(長辦)或E_s=0.025E^1.7_d(中國科學院地質所)。

動力法和靜力法測試各有優缺點。靜力法測得的Es值與基礎荷載條件相近，只能選擇有代表性的少數典型地段進行測試。由於靜力法在一個測點上應力影響的范圍有限，少數地段的測試，只能反映岩體局部的變形特點，因而不能滿足工程設計的數量要求。動力法測試採用最新的電子技術，具有設備輕巧，測試簡便，經濟迅速，可大量施測等優點，而且近代許多工程建築還要考慮動力的特點，因此聲波(或地震勘探)測出的動彈模量具有實用價值。但是目前工程設計人員一般還是要求給出與基礎荷載條件相近的靜彈模量值，因此往往要把聲波或地震勘探測得的動彈模量換算成靜彈模量。

5.5.4.2岩體的特徵參數

聲波檢測能作為岩體分類主要手段是由於岩體的成因、類型、結構面特徵、風化程度等地質因素，與岩體的力學性質有關，岩體的力學性質與聲波在岩體中的傳播規律有著密切的聯系。

環境與工程地質中，我們用縱波速度v_P、彈性模量E、裂隙系數L_s、完整性系數K_w、風化系數β及衰減系數α等來描述岩體的特徵參數。

(1)縱波速度v_P

一般說來，岩體新鮮、完整、堅硬、緻密，波速就高;反之，岩體破碎、結構面多、風化嚴重，波速就低。由於波速是反映岩體強度的各種地質因素綜合影響的參數，因此它是岩體特徵最基本的參數。

(2)完整性系數K_w和裂隙系數L_s

完整性系數K_w是描述岩體完整情況的系數。裂隙系數L_s是表徵岩體裂隙發育程度的系數。通常用式(5.11)表示:

環境與工程地球物理

式中:v_P體為岩體的縱波速度;v_P石為同一岩體的岩石試件的縱波速度。

測出完整岩石的v_P石和待測岩體的v_P體值，可以計算出出完整性系數和裂隙系數，定量說明岩體結構面的發育情況。一般把岩體完整性情況分為三個等級:①K_w=0.75～0.9;②K_w=0.45～0.75;③K_w<0.45。把裂隙發育情況分為五個等級(表5.2):①L_s<0.25;②L_s=0.25～0.50;③L_s=0.50～0.65;④L_s=0.65～0.80;⑤L_s>0.80。根據上述縱波速度與岩體結構面和完整性的關系可知，K_w大或L_s小表明被測岩體結構面少、完整性好;反之，則結構面多、完整性差。

表5.2基於特性參數的岩體狀態分級

(3)風化系數β

風化系數β是一個表示岩體風化程度的系數。β值愈大，風化程度愈高;β值愈小風化程度愈低。根據岩體波速隨岩體風化而減小的特點，風化系數可用式(5.12)表示:

環境與工程地球物理

式中:v_P新為新鮮岩體的縱波速度;v_P風為同類風化岩體的縱波速度。

根據風化系數β，岩體可分為四級，見表5.3。

表5.3岩體分化程度分級

(4)衰減系數α

聲波在岩體中傳播的特徵，其波速、振幅隨岩體性質不同而發生變化。試驗證明，聲波在不連續面上的能量衰減比較明顯，因此衰減系數α可以反映岩體節理裂隙發育的程度。其表示式為

環境與工程地球物理

式中:A_i為固定某增益時，參與比較的各測試段的振幅實測值，以mm為單位;A_m為參與比較的各測試段中振幅的最大值，以mm為單位;Δx為發射換能器到接收換能器的距離，即測試段的長度，以cm為單位;α為參與比較的各測試段介質的振幅相對衰減系數，以cm^－1為單位。

由式(5.7)可見，當A_i=A_m時，相對衰減系數α為零，表明該段岩體在參與比較的各測試段中質量最好;A_i越小，α就越大，表明該段岩體質量越差。根據這一原理，衰減系數可用於岩體分類的指標，也可用於測定工程爆破引起的周圍岩體破裂影響范圍等方面。

根據工程地質調查和試驗，將上述參數進行綜合分析，可對岩體進行總體分類評價(表5.4)。

表5.4彈性波參數與岩體類型特徵

5.5.4.3 圍岩應力鬆弛帶的測定

在硐壁應力下降區，岩體裂隙破碎，以致波速減小，振幅衰減較快。反之，在應力增高區，應力集中，波速增大，振幅衰減較慢。因此利用聲波速度隨孔深的變化曲線，可以確定鬆弛帶的范圍。

現場工作是在垂直於硐壁布置若干組測孔，每組1或2個測孔，孔深為硐徑的1～2倍。在一個斷面上測孔應盡可能選擇在地質條件相同的方位，以減少資料解釋的困難。為保證換能器與岩體耦合良好，邊牆測孔可向下傾斜5°～10°。拱頂處因鑽孔向上，應採用止水設備。測試時可採用單孔法(一發兩收的初至折射波法)或雙孔法(直透法，逐點同步測試)。先在測孔中注滿水作為耦合劑，然後從孔底到孔口每隔一段距離(一般為20cm)測量一次聲速值。將測試結果繪成波速隨孔深變化的v_P－L曲線，便可進行解釋。

圖5.33是單孔測試方法和幾種常見的v_P－L曲線類型。其中v_P>v₀曲線(曲線1，2)，表明無鬆弛帶;硐壁附近v_P<v₀的曲線(曲線3，4)和v_P<v₀的多峰值曲線(曲線5)，則表明存在應力鬆弛帶。解釋時，由v_P－L曲線圖中點的坐標L₁值確定鬆弛帶的厚度。

圖5.33測試布置及常用的v_P－L曲線圖

『叄』 超聲波在空氣中的衰減系數為多少

你自己給出數據不會自己算嗎？40KHZ的超聲波要經過31米才減小e倍，也就是衰減
α = 1/31= a * (40khz)^2 ;
a = 2.01613E-05 ；
可是我懷疑你的數據。

『肆』 超聲波測距過程中如何減小衰減

玻璃，鋼板都可以，不過在空氣中意義不大,牆壁的反射衰減已經很小了.因為空氣比,大部分介質都是全反射面.只要不是海棉,棉布之類的,反射信號都差別不是特別大.

『伍』 超聲波衰減系數公式

1、超聲波能量計算公式：
（P*w*w*u*A*A)/2,P為介質密度,w聲音頻率,A為振幅,u為波速.
用聲波的平均能流密度,就是用單位時間流經某處單位面積介質的能量的平均值（一個周期內）的多少來表示這個地方聲音的能量（強度）.

2、推導的方法
計算出該處單位體積介質在某刻的彈性勢能和動能的和,求其一個周期內平均值後除以時間（一個周期）和截面積.

3、單位是W/m`2,即瓦特每平方米.
其與基準聲強比的對數就是常用的聲強單位貝爾（更常用的是十分之貝爾,分貝）.
或者希望知道的是發聲體的能量,這只需要計算發聲體震動的功率即可,要注意計算應在一個周期內取平均值,或者僅僅計算瞬時能量也可.

『陸』 超聲波在空氣中的衰減系數和散射系數是多少怎麼計算

為什麼不直接利用超聲波測距的方法來測量容器深度？
我不太清楚具體的衰減系數，不過以前做過一個簡單的超聲波測距儀，感覺上衰減的主要來源不是空氣，而是容器壁對超聲波的反射率。此外，如果超聲波的發送和接受方向沒有調節好的話（因為容器壁很可能會改變超聲波的傳播方向，不再沿原路返回），導致只接受到部分的返回信號，也會有明顯的衰減。
所以其實吧，我還是推薦用激光測距，這個精度，方向性都比超聲波好，還是可見光，傳播路徑也好控制

『柒』 我想知道超聲波的衰減系數，空氣中與水中哪個更高，請附上你的結論來源

這個是毫無疑問的結果，空氣中肯定衰減更高，同樣的聲波強度信號，在水下傳100m，在空氣中可能2m都不到。信息你可以去看看聲學基礎，超聲手冊。水聲學原理等等方面的書。

『捌』 老師您好，請問一下超聲波在各種液體介質中的聲衰減系數，如：水，液氮，液氦，蜂蜜，油脂，耦合劑等。

水中的衰減系數，在水聲學原理上就可以找到。至於其它液體的數據，肯定只能自己去測試，應該很難找到這些東西。
這么高頻的換能器，沒有做過，應該很難做到。

『玖』 超聲波感測器的檢測方式

根據被檢測對象的體積、材質、以及是否可移動等特徵，超聲波感測器採用的檢測方式有所不同，常見的檢測方式有如下四種： 穿透式：發送器和接收器分別位於兩側，當被檢測對象從它們之間通過時，根據超聲波的衰減（或遮擋）情況進行檢測。 限定距離式：發送器和接收器位於同一側，當限定距離內有被檢測對象通過時，根據反射的超聲波進行檢測。 限定范圍式：發送器和接收器位於限定范圍的中心，反射板位於限定范圍的邊緣，並以無被檢測對象遮擋時的反射波衰減值作為基準值。當限定范圍內有被檢測對象通過時，根據反射波的衰減情況（將衰減值與基準值比較）進行檢測。 回歸反射式：發送器和接收器位於同一側，以檢測對象（平面物體）作為反射面，根據反射波的衰減情況進行檢測。

『拾』 超聲波衰減系數跟哪些因素有關 最好可以給些數據

超聲衰減首先是幾何衰減，這個要看你的波是平面波，球面波還是柱面波。不同的波，隨距離變化衰減不同。其次就是弛豫衰減，散射衰減，吸收衰減等。這個要看具體的環境。