岩石的超声波波速为什么看纵波

1. 超声波的纵波和横波在不同介质中的传播速度

一般来说。纵波和横波的速度不相同，纵波的速度大于横波。不过横波不能在液体空气中传播，只能在固体介质中传播。

2. 声波是横波还是纵波，为什么

声波有横有纵，但大部分是纵波，要看传播的介质。

声音在空气传播是纵波，因为声音在传播过程中是空气（介质）发生膨胀和收缩 是沿着声波传播方向的。声音通过金属等介质传播，则是横波，是上下振动，速度较快。

发声体产生的振动在空气或其他物质中的传播叫做声波。声波借助各种介质向四面八方传播。声波所到之处的质点沿着传播方向在平衡位置附近振动，声波的传播实质上是在介质中能量的传递。

(2)岩石的超声波波速为什么看纵波扩展阅读：

横波在传播过程中，凡是波传到的地方，每个质点都在自己的平衡位置附近振动。由于波以有限的速度向前传播，所以后开始振动的质点比先开始振动的质点在步调上要落后一段时间，即存在一个位相差。

横波的传播，在外表上形成一种“波浪起伏”，即形成波峰和波谷，传播的只是振动状态，媒质的质点并不随波前进。实质上，横波的传播是由于媒质内部发生剪切变形（即是媒质各层之间发生平行于这些层的相对移动）并产生使体元恢复原状的剪切弹性力而实现的。

否则一个体元的振动，不会牵动附近体元也动起来，离开平衡位置的体元，也不会在弹性力的作用下回到平衡位置。

3. 有哪位达人知道各类岩石的声波速度范围啊帮帮忙!急用！

在井下的岩层中，有些岩石的纵波声速（如用来做建筑材料的大理石和白云石）甚至比钢轨还高（达7000米/秒以上）；有些岩石，如地面以下较浅处的黏土或泥岩，其纵波声速约1800米/秒，仅略高于水（1450米/秒）；砂岩（最可能储集石油天然气或水的岩石）的纵波声速可在3000米/秒至5000米/秒之间。这样在井下可以通过测量记录岩石的纵波声速来判断岩石的种类或性质，其方法是在井下放置一个发射声波信号的探头，并在固定的距离上再放置一个或几个接收声波信号的探头，测量记录在固定距离上各种岩石中纵波信号到达声波接收探头的时间（好像在比赛跑100米），根据在不同岩层中声波纵波信号到达接收探头时间的早晚，可计算出岩石的纵波速度。通常，在固定距离（例如1米）上，纵波信号最先到达接收探头的，是速度快的岩石，例如大理岩、白云岩、花岗岩等致密的（密度大）的岩石，最后到达的则是速度慢的、疏松的（密度小）的泥质岩石。这样，通过对井下岩石声速的测量记录就可以将不同种类的岩石区分开来：声速快的是致密坚硬的大理岩、白云岩、花岗岩等岩石；而声速慢的则是泥岩、页岩等疏松的岩石。

我国华北平原第三系泥岩的声波速度仅1820米/秒，砂岩声波速度约2650米/秒，任丘油田著名的震旦系石灰岩、白云岩的声波速度则达6500米/秒以上。而任丘油田的石油天然气，浅层是在第三系的砂岩中，深层则是在震旦系的石灰岩、白云岩中。这样只要根据声波速度找出砂岩、石灰岩和白云岩，再在这些岩层中找孔隙、裂缝明显的层段，就有希望找到石油天然气。

4. 　声波法

固体中的机械波是声波。由于其作用力的量级所引起的变形在线性范围，符合虎克定律，也可称其为弹性波。声波检测和浅层地震、面波勘探同属弹性波“动测”技术。

声波检测（Sound Wave Detecting）所使用的波动频率从几百赫到50千赫（现场原位测试）及50到500千赫（岩石及砼样品测试），覆盖了声频到超声频，但在检测声学学科领域中称其为“声波检测”。其测试原理与浅层地震相同，但使用频率及测时精度均高于浅层地震勘探。

应提及的是，这里所阐述的声波检测包含被动声波检测，即不需要振源的地声检测技术。

12.3.1基本原理

声波检测技术中有三个声学参量，即声速（俗称波速）、声波波幅及频率，可对介质的物性做出评价。当前应用最多的是声速，其次为波幅，频率参量也日渐加入应用。

声波可以评价岩体（及混凝土）的性状，更可提供物理力学参数，但固体的声速和介质的几何尺寸有关。无限体（大块的岩体）、一维杆（防滑桩）、二维板（挡土墙）的声速表达式中的动弹性力学参数不尽相同，边界条件不一样，有必要对它们分别讨论。

12.3.1.1无限（无界）固体介质中的声速

无限体指的是介质的尺寸远比波长λ

波长A是一个基本的声参量，其物理含意是声波波动一个周期T所传播的距离。所以A=T·C式中C为声速。而周期 T与频率f存在T=1/f，因此A=T·C=C/f。大，理论及实验证明，当介质与声波传播方向相垂直的尺寸D＞(2～5）λ，此时的介质可认为是无限体。

声速是介质质点弹性振动的传递（传播）速度。由弹性理论可知，在无限固体介质中由应力引起弹性应变过程的波动方程为：

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式中：θ为体积膨胀率，

表示在声波扰动下体积相对变化；u_x、u_y、u_z分别为x、y、z方向的位移；λ、μ为拉梅常数；▽²为拉普拉斯算子，

；p为介质密度。将12.6式中的第一式对x求导，第二式对y求导，第三式对z求导，然后相加，可得：

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设

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式中：E为弹性模量；σ为泊松比，两者都是介质的弹性常数，它们与拉梅常数λ、μ之间有一定互换关系。将（12.8）式代入（12.7）式，可有：

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显然，（12.9）式中的C_l具有速度的量纲，代表介质内由质点振动传递过程引起的体积膨胀率的传播速度，也就是纵波的传播速度，人们常用v_P表示。即：

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纵波的质点振动传播的物理过程可用图12-6a表示。可见，质点的振动和传播方向是一致的。

图12-6纵波及横波质点传播过程

从三维角度看，质点的振动还可以与传播方向相垂直，这种波动称之为切变波或横波，它不引起固体微元的体积变化，故从12.6式中令θ＝0可求得：

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式中：C_t代表横波传播速度，人们常用v_s表示。

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式中：G为剪切模量。横波的质点振动传播的物理过程可用图12.6b表示。

（1）声速与弹性力学参数：由（12.10）及（12.12）式可见，只要测取岩体的纵波及横波声速v_p及v_s，并已知岩体密度p的情况下，便可以获取岩体的动弹性模量E、剪切模量 G及泊松比σ，对岩体的动力学特征做出评价。故动弹性力学参数可由下列公式计算：

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（12.14）及（12.15）式中v_P及v_S以m/s计，p以kg/m³计，E、G的单位为Pa。

（2）用v_P/v_s评价岩体质量：泊松比σ反映的是岩体弹性性能，即在应力作用下产生纵向（应力方向）相对变形量与横向（应力垂向方向）相对变形量之比的倒数，反映的是岩体的“软”、“硬”程度。由于泊松比与纵、横声速之比有着密切的关系，所以常用纵、横波速度之比来反映岩体的物理性状。纵、横波速度比v_P/v_s与泊松比σ的关系如表12-5。

显然，v_P/v_s值越大，岩体越“软”。通过大量的统计，v_P/v_s的量值与岩体的完整程度如表12-6。

表12-5纵横波速度比 v_p/v_s与泊松比σ的关系

表12-6v_P/v_s的量值与岩体的完整程度

（3）声速岩体完整性指数：评价岩体的质量也可以只用纵波声速。例如“工程岩体分级标准”（GB50218-94）规定，可以用岩体的纵波波速v_Pm与岩石的纵波声速v_Pr按（12.6）式测算出岩体完整性指数K_v。

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显然岩体包含的裂隙、节理比小体积的岩石要少，故 K_v＜1。可见，它反映的是岩体的完整程度。由完整性指数，可对岩体的工程力学性质进行分类，如表12-7。

表12-7工程兵某部的岩体分类研究

（4）声速与岩性：不同岩性由于其结构、矿物组合、成因、地质年代等因素的不同，声速是不同的。又由于节理、裂隙等结构因素，它们的声速并不固定，而分布在一定范围。表12-8是常见到的几种有代表性岩体的纵波声速统计值。

表12-8常见岩体的纵波声速统计值

（5）声速与岩体风化：同一种岩性风化程度的不同其声速有着明显的区别（表12-9）。以长江三峡三斗坪坝岩体风化程度与纵波声速为例，说明用纵波声速划分岩体风化的可行性。

表12-9风化岩石纵波声速值（波速单位km/s)

（6）声速与岩体的裂隙：众所周知，岩体裂隙无论是原生的还是后期因地应力作用产生的次生裂隙，裂隙的出现便是岩体风化的开始。所以，有必要论述声速与岩体裂隙及风化相关的机理。

声学理论中的“惠更斯原理”对这一机理做出了合理的解释。惠更斯原理指出：弹性介质中，在某一时刻 t，声波波前上的所有点，均可视为该时刻开始振动的新的点振源，各点振源产生新的球面波，这些球面波在 t＋△t后波前的包络的叠加组合，形成新的波前，如此循环不已。故当波动的前方有裂隙存在时，在裂隙尖端所产生的新的点振源将可绕过裂隙继续传播，形成波的“绕射”。绕射的过程声线“拉”长，声时（声波传播的耗时）加长，使视声速降低，故声速不仅可对岩体的风化程度加以划分，对岩体中存在的裂隙有着极为敏感的反映，特别是张裂隙。

（7）声速与岩体结构的关系：岩体的结构可分为四类：整体块状结构、层状结构、碎裂结构、散体结构。声波在整体块状结构中的传播速度最快。后三类结构中，由于岩体的节理裂隙发育程度不相同，声波在这种非均质介质中传播，将会在不同的波阻抗界面产生波的反射、折射、波形转换等，使声线拉长，从而使声速随结构的复杂而降低。但在声波的传播中还有一个原理，即“费玛原理”。费玛原理指出：声波从一个点向另一个点传播，会沿着最短、最佳、最不费时的路径传播。这就决定了随着岩体结构的不同，声波的传播走时是会有一定规律的，其关系如表12-10。

表12-10声速与岩体结构

（8）声速与地应力：裂隙对声速的影响称之为“裂隙效应”。岩体受到外界应力作用时，其变形首先是裂隙的压密，由此可使声速提高。但当应力超过强度极限，岩体又会出现新的裂隙而使声速下降。图12-7是四块岩石试块（砂岩）应力与声速关系的实测曲线。

图12-7岩石应力与超声波波速的关系

P—压力方向；F—发射换能器；S—接收换能器

根据上述原理，对岩体做应力释放处理测取应力释放前后的声速，然后再对取得的岩心加压测量其声速，可推测出地应力的量值及方向。

12.3.1.2有限固体介质中的声速

（1）一维杆的声速：固体介质的尺寸和波长满足下列关系称为一维杆。即：

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式中：λ为波长，D是一维杆直径，L是一维杆的长度。这时杆轴线方向的纵波声速存在下列关系：

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显然，

与无限体的纵波声速相差

0.25,

，见（12.10式），当σ＝0.2～

（2）二维板的声速：当固体二维板在x及y方向的尺寸远大于：方向尺寸，且z方向的尺寸L_z＜λ时，二维板在x及y方向的纵波声速如下：

而横波声速不依赖几何尺寸。

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讨论—维杆及二维板的纵波声速，目的在于对滑坡体治理时可能采用抗滑桩及挡土墙等工程治理措施，其施工质量的检测大多会采用声波透射法及声波反射法。对于正常声速的取值及动弹性力学参数的测算，分别应使用（12.8式）及（12.9式）。抗滑桩使用混凝土的情况较多，一维杆使用反射波法对混凝土优劣的声速划分与用声波透射法不同，见表12-11。其不同的原因是反射波使用的声波频率在1kHz左右（A=4m左右）属一维杆的纵波声速，而声波透射法使用30kHz左右的频率（λ＝0.13m左右）属无限体的声速。

表12-11测桩混凝土声速分级

12.3.1.3声波的反射、折射及波型转换

声波在固体介质中的反射、折射及波型转换是岩体及砼声学检测的重要理论依据。

（1）垂直入射时的反射及透射：当固体介质不连续时，如存在波阻抗界面（波阻抗的定义是介质密度ρ与声速c的乘积，即Z＝ρc），如图12-8，如声波传播的声线与x=n的界面相垂直，则为垂直入射。在该界面处，质点振动振速 v及振动产生的声压P具有声压连续及振速连续，如下：

图12-8声波（平面波）的入射、反射及透射示意图

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式中：P、v为入射声速的声压及振速；P₁、v₁为反射声压与振速；P₂、v₂为透过的声压及振速。将波阻抗Z＝ρc关系代入上式可求出：

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（12.22）式中的R_P为声压反射系数，（12.23）式中的_Rv为振速反射系数。它们从不同角度说明声波反射的同一物理现象，声压反射系数说明了反射时质点振动的应力关系。同理可推导出声压透过系数。

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垂直反射比较简单，不产生波型转换。

（2）斜入射时的反射、折射及波型转换：如果在波阻抗界面处入射声波不是垂直入射，将产生反射、折射及波型转换，其规律见图12-9及图12-10。

图12-9声波斜入射时的反射示意图

注：

(a）纵波斜入射；（b）横波斜入射

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反射、折射规律遵循Snell定律，如（12.25）式：

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式中：α_l、

β_l、β_t的含意见图12-9及图12-10。由（12.25）式可得到一个重要的入射角，称为第一临界角α_i：

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该式说明：当纵波入射角等于第一临界角时，在比第一层介质声速高的第二层介质中的折射角等于90°，即折射波在第二层介质表面滑行。

（3）斜入射时的反射及折射系数：图12-9(a）纵波斜入射的反射系数 R_P（如式12.27），而图12-10(a）中声波的透过系数R_T（如式12.28）：

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（12.27）式及（12.28）式中的Z₁＝ρ₁c₁,Z₂＝ρ₂c₂，分别为上下层介质的波阻抗。

（4）声波的绕射及散射：用惠更斯原理可解释声波的绕射，前文已述及，不再赘述。

声波在介质中传播，如介质中含有随机分布的不同波阻抗的颗粒，而这些颗粒的几何尺寸 r＜λ（λ为波长），这时声波将被这些颗粒反射而散射开来，使声波不能全部向前传播形成声能的损失，这种现象称为散射。

12.3.1.4声波的波幅及声波的衰减

声波的传播是质点振动的传递过程，单位时间传递的距离就是“声速”，而质点在振动传递过程中其振动的幅度便是声波的“波幅”。声波波幅会随着质点振动相互碰撞，在将动能转换成热能的过程中，质点振动的能量耗损使其振动幅度渐减，称之为声波的衰减。声波的衰减显然随介质材质、结构及声波频率的不同而各异，同一种介质，声波频率高衰减快。

在声波检测技术的应用中，目前还没有用声波的衰减评价被测介质特性，而是通过测量声波波幅的变化检测诸如岩体内裂隙的发育情况、风化特征以及混凝土内部的各种缺陷等。

声波的波幅A与传播距离有下列关系：

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两式中：A_m为发射点的声波波幅；α为声波衰减系数，l为传播距离。（12.29）式适用平面波，（12.30）式适用球面波。

12.3.1.5声波的频率

由富氏变换可知，声波检测发射的脉冲波是由多个不同频率的正弦波组成。在岩体中随着传播距离加大，或由于岩体裂隙的发育程度、风化程度的不同，接收到的脉冲波的高频信号衰减快，使接收信号的主频（能量最丰富的频率）降低。故接收到的声波信号的频率特性，可反映出岩体的物理性状。

12.3.1.6声发射现象与凯萨效应

当岩体受到外力作用，例如地下残余应力、人为或自然界对岩体产生扰动引发的应力集中等，超过岩体的强度时，岩体内部将被破坏。这种破坏往往要经历一个过程，开始时局部产生微破裂，出现一些新的裂隙，当外应力增加，这种破裂的数量（次数）增加，新生的裂隙增加并延伸，外应力增加到一定程度后，最终造成整块岩体破损坍塌。在上述岩体受力破坏的过程中，每产生一次破裂，能量被释放并转换成一次脉冲波动，形成一组声脉冲，称为“声发射”。每出现一次声发射，即为一次声发射“事件”。

声发射现象产生的脉冲声波的频谱甚为丰富，据国外文献及国内有关单位研究，其频率的上限到兆赫，下限到千赫。因此，可以在距离声发射点几十米以外接收到声发射信号，一般接收仪器接收到的是主频数千赫以下的声发射脉冲波组。由所接收到声发射事件的次数、单位时间内事件数，及声发射信号的波幅强度等动力学特征，可对岩体是否失稳进行预报。

岩体声发射现象，还有一个特殊效应系由凯萨氏发现，定名为“凯萨效应”。从岩体上取下一块完整的岩石试样，放在材料试验机上缓缓施加压力，在所加压力未超过它历史上所受到应力之前，是不会发生声发射的。由此，从加压后开始出现声发射现象之前的一级压力，即为该岩体历史上所受到的最大应力。

12.3.2观测方法

声波检测（主动式）的全过程，可用图12-11加以说明。当今声波检测仪均已数字化，现以数字化声波检测仪的发射、接收、数据采集及信号处理过程说明声波检测的观测原理。

图12-11声波检测（主动式）原理框图

（1）声波的发射：传统的声波仪用压电型换能器的逆压电效应将电脉冲信号转换成机械振动，向岩体辐射声波，其透射距离在10m以内（频率20～50kHz）。为加大穿透距离，声波仪也可以用电火花、锤击等单次瞬态激励振源向岩体发射声波（频率约3kHz以下）。

（2）声波的接收：传统的声波仪多使用压电型接收换能器的压电效应，将经岩体传播后的声波信号转换成电信号，这些信号携带了岩体的物理力学及地质信息。

（3）放大及数据采集：见图12-11，由接收换能器送出的信号先经接收放大系统加以适当的放大，再经A/D转换数据采集系统对放大后的信号由A/D转换器将模拟信号转换成二进制数字信号，并按采样的时间顺序存储在随机存储寄存器（RAM），再将这些离散的二进制数字信号送入微电脑，最终接收换能器接收到的声波信号波形显示在电脑显示屏上。目前最高档的声波检测仪，在将波形显示在屏幕上的同时，可将接收信号的首波波幅及首波的到达时间（即声时）自动加以判读，同时加以显示。接收到的波形、波幅、声时等可存入电脑的硬盘或软盘，用作下一步的分析处理。上述声波信息可在专用的数据与信息处理软件的支持下，对被测介质作出评价。

（4）被动式声波检测：岩体中的声发射信号、滑坡体蠕动产生的摩擦声信号统称为“地声信号”。对这些信号的接收过程与图12-11基本相同，只不过没有声波发射系统，但接收是多通道的（三个以上），故称之为被动式声波检测。另一个重要的不同点是，它需要计时系统，记录出现地声的时刻，同时需对地声脉冲信号的主频、波幅量化处理后存储记录，统计出地声事件出现的频度。被动式声波检测仪必须长时间连续工作，提供不间断的观测记录。地声监测是地质灾害的勘查手段之一，对于研究地质灾害发展规律十分重要。

12.3.3检测方法

由检测对象及检测目的的不同，声波检测有多种方法。

12.3.3.1透射法

发射的声波经被测介质传播透过后，由接收换能器接收的测试方法为透射法。

（1）表面测试：工程场地的岩体、混凝土，如需检测内部结构特性、缺陷及力学性能，而目标体又有外露的测试面，可采用对测法，如图12-12(a）；只有一个检测面时，可采用平面测试法，如图12-12(b）。

表面测试多用于地下洞室、隧道、边坡、大型桥墩等如图12-13。

图12-12表面测试原理图

I—声波检测仪；T—发射换能器；R—接收换能器；M—检测介质

图12-13声波表面测试示意图

1～3—隧道及洞室；4—桥墩类

＞发射点；接收点

（2）跨孔测试：在两个相距一定距离的钻孔中，分别放入发射振源和接收换能器，如图12-14。具体方法有同步提升测试法，图12-14(a）；斜测法，如图12-14(b）；及扇面测试法，如图12-14(c）。

跨孔测试用于孔间岩体破碎带、岩溶、滑坡的滑带（床）的测试；扇面测试用于声波层析成像（CT）测试。此外，跨孔测试还用于防滑桩、挡土墙等地质灾害防治工程的工程质量检测。

如图12-15，在钻孔地面旁敲击，孔中用三分量检波器（或压电换能器）接收。横敲木板可测取地层横波声速，直接敲地面测取纵波声速。地面—孔中测井可用于测取地层动力学参数，划分地层，对滑坡体进行检测，掌握滑床（带）部位、物理性状等。

图12-14声波跨孔测试示意图

T—发射振源；R—接收换能器；H—钻孔

12.3.3.2折射法——单孔一发双收声测井

如图12-16，发射换能器 T近似点振源，故总有一条声线满足第一临界角，这时进入岩体的声波折射角为90°，射波沿孔壁滑行，以后又被相距L的R₁及相距为L＋△L的R₂接收，其声时分别为t₁及 t₂。声速v_P为：

图12-15声波地面—孔中测试示意图

I—声波仪；R—三分量检波器；B—帖壁气囊；M—岩体；H—钻孔；W—激振木板；P—压力；F—正向激振；F′—反向激振I—声波仪；T—发射换能器；R₁、R₂—接收换能器；M—岩体；H—钻孔

图12-16单孔一发双收声波测井原理

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单孔－发双收声波测井用于岩体风化壳划分及强度评价，深部地层的构造、软弱结构面、破碎带埋深及发育的勘查。

一发双收声波测井必须注意的问题是，接收换能器R₁在接收到沿孔壁滑行折射波的同时，还能接收到由井液中直接传播的声波，因此必须保证滑行波的走时t_.小于井液中传播的声时t_w，才能保证正确的测试。由于岩体的声速大于井液的声速，所以，只要加大发射换能器 T与接收换能器R1之间的距离 L(L称源距）即可达此目的。通过计算可求得最小的源距 L_min有下列关系：

（12.32）式中D为钻孔直径；α为换能器外径；C_w为井液声速；C_m为岩体纵波声速的最低值。

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（12.31）式说明，当一发双收换能器的直径及源距确定后，所能适用的钻孔孔径也就被限制在一定范围之内。用其在钻孔中进行测试之前，应按（12.31）式核算一下是否适应孔径。

12.3.3.3反射法

图12-17是桩（或混凝土挡土墙）反射波测试示意图。用手锤或力棒敲击桩顶产生入射波T，在桩底（或有缺陷 F）产生反射波R(R′）。接收传感器 T_，先后接收到直达波D、缺陷反射R′及桩底反射波R，即可由检测仪器I将它们依次记录。由记录的波形可判断桩是否完整，或有无缺陷，以及桩身混凝土声速，并由声速推断混凝土质量（强度等级）、缺陷的位置。

图12-17桩（墙）反射波测试

I—仪器；H—手锤；Tr—传感器；P—桩（墙）；F—缺陷；E—地层；T—入射波；R—桩底反射波；R′—缺陷反射波；D—直达波

上述桩的反射波法，实际是一维杆的“零”偏移距反射波法（也就是浅层地震所谓的最小偏移距反射法）。按此原理，还可以对地下连续墙、挡土墙进行墙体的完整性及深度检测。依此类推，也可以对地下隧道开挖面前方的岩体破碎带、溶洞等不良地质体进行“零”偏移距反射波法测试，目前已取得较好的实测结果。

12.3.3.4岩石样品的声波测试

（1）岩石样品（试件）声波测试的目的。岩石样品多由钻探取芯或工程现场取样获取。测试岩石样品的目的是：获取无结构面的完整岩石声速，作为评价岩体完整性的基础数据；研究声速与应力间的关系；利用凯萨效应掌握历史上曾受到过的地应力的最大值；提供岩石动弹性力学参数 E_d、G_d、σ等。

（2）岩样的几何尺寸与测试频率的选择。岩石样品几何尺寸较小，按有关规程规定，其尺寸应为5×5×5(cm）、5×5×10(cm）、φ7×5及φ7×10(cm）。为了获取无限体的声速，必须采用高频换能器测取纵波、横波声速v_p、_v。频率的选取原则是 D≥（2～5)A如2.1.1(B）节中的要求。因此，声波换能器的频率应在200～1000kHz，仪器的测量声传播时间的分辨率，应达到0.1μs。

表12-12多种声波检测方法总汇

（3）岩石样品的加工要求，见原地质矿产部《岩石物理力学性质试验规程》（1986年12月颁布）。

12.3.3.5多种声波检测方法总汇

因检测目的的不同，声波检测有着多种测试方法，各种方法又随探测距离各异，出现多种发射振源及不同接收方式。各种声波检测方法的总汇如表12-12。

12.3.4信号处理

我国的声波检测仪已普遍实现数字化并领先于国际水平。数字化的实现，加速了信号处理技术的提高。目前已在多个方面应用了信号处理技术，并开发出了相应的处理软件。

（1）为研究应用声波信号的频率特性，傅氏变换频谱分析技术普遍用于声波检测，并备有相应软件供用户使用；

（2）高、低、通数字滤波软件，用于滤除不同的干扰信号；

（3）积分处理对接收信号进行积分运算，将振动加速度信号转换成振动速度型信号及消除接收信号（直达波及反射波）的余振；

（4）多点平滑滤波将数字序列中的第i点信号（i=0、1、2、3、……N）与相邻的i+n个信号幅度相加除以i+n的值作为i点的波幅，目的是消除噪音使波形光滑；

（5）叠加处理将n次（n任选）发射、接收到数字信号序列逐点相加，使波幅增强，以提高信噪比，消除随机噪音。

上述信号处理软件，多已装入仪器，可以方便地调用。

12.3.5数据处理

数据处理的目的是用测取的声学参量，以及由它们衍生出的物理量评价岩体的结构、物理力学性能及混凝土结构强度、完整性等。

（1）声速计算：

地质灾害勘查地球物理技术手册

其含义与（12.10）式及（12.12）式相同。

（2）岩体完整性指数（K_v）：

地质灾害勘查地球物理技术手册

式中：vP_m为岩体纵波声速[km/s],vP_r为岩石试件纵波声速[km/s]。根据《工程岩体分级标准》（GB50218-94）,K_v定性划分岩体完整程度的对应关系如表12-13。

表12-13K_v定性划分岩石完整程度的对应关系表

（3）准岩体抗压强度（F_m）:

地质灾害勘查地球物理技术手册

式中：F_r为岩石试样的单轴抗压强度。

（4）岩体风化系数（I）：

地质灾害勘查地球物理技术手册

式中：

为完整岩体的纵波声速；

为风化岩体的纵波声速。

（5）动弹性力学参数：当测取了岩体及混凝土的纵波及横波声速，可求得下列动弹性力学参数

地质灾害勘查地球物理技术手册

地质灾害勘查地球物理技术手册

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（12.36）至（12.38）式中：v_P、v_s为纵、横波声速；ρ为密度。

12.3.6仪器设备

（1）水文地质工程地质专用声波测井仪见表12-14。

表12-14水文地质工程地质专用声波测井仪一览表

（2）典型超声波（声波）检测仪见表12-15。

（3）电火花振源：为加大声波穿透距离，可使用大功率电火花振源。其原理是：在高压储能电容上充4～8kV电压，然后通过电缆及放电电极在水中瞬间放电，使水高热气化，产生激励脉冲声波。其特点是：能量可控、一致性好、能量大。便携式电火花振源的能量可达300～700J（焦尔），湘潭市无线电厂生产，型号XW5512A。

表12-15典型超声波（声波）检测仪

（4）发射与接收换能器：由于声波测试方法的不同，需要有多种换能器，满足不同的测试要求。现有定型生产的各类换能器，表12-16所示给出了它们的名称及主要技术性能、外形尺寸、耦合方法及适应的测试方法。

表12-16定型生产的各类换能器

参考文献

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Wu Qingzeng.1992.Sonic Reflection for lnspecting The lntegrity of Foundation Pile,14th International Conger s on Acoustics

5. 岩石超声波测试和动态参数

9.2.1 影响超声波传播的主要因素

岩石的弹性波速度受到其矿物成分、结构、孔隙、含水、压力和温度等许多因素的影响。文献［4］对有关研究成果进行了详细介绍。

9.2.1.1 岩石构成对超声波传播的影响

火成岩中矿物紧密结合在一起，孔隙空间很小，弹性波速主要由矿物成分决定。纵波速度随石英含量增大而降低。而酸性火成岩的密度比基性岩小，因而火成岩的纵波速度与密度具有明显的正相关性，可以用线性关系进行回归。不过，不同研究者测试的岩石不同，给出的经验公式差别很大。如Birch给出的关系^［10］是

υ_P=2.76ρ-0.98

而Volarovich和Bajuk给出的关系^［11］是

υ_P=3.25ρ-3.46

式中，波速单位为km/s；密度单位为10³kg/m³。火成岩的横波速度与密度也大致呈线性关系。

沉积岩不仅含有更多的孔隙，而且组成成分远比火成岩丰富、复杂。因此，沉积岩中波速与密度的关系远不如火成岩那样清楚。图9-1给出几类主要火成岩、变质岩和沉积岩的弹性波的平均值及变化范围，从中可以清楚地看出，沉积岩波速低于火成岩，且同类岩石的波速变化范围也较大。

图9-1 几类主要火成岩、变质岩和沉积岩的弹性波的平均值及变化范围^［4］

9.2.1.2 孔隙对超声波传播的影响

沉积岩中有许多孔隙，孔隙内的空气对纵波的衰减极大，即使被水饱和，水中纵波速度也低于岩石骨架（matrix）中的速度；而横波只能在固体中传播。因而可以预期岩石中孔隙的增加将导致波速的降低。这对火成岩同样成立。文献［12］给出的水饱和砂岩试样的测试结果表明，纵波和横波的速度都大致以线性规律随孔隙率而降低。

9.2.1.3 温度和压力对超声波传播的影响

在压力作用下，岩石内部裂隙闭合，随着压力的增大孔隙也将逐步减小。因而在压力增加初期，声波速度增加很快，而高压力下速度则增加较慢。随着温度增加，岩石内的波速则有降低的趋势。对于随着深度增加，地壳岩石承受的压力和温度都将同步增加，因而波速随深度的变化比较复杂。浅部受压力影响较大，波速随深度增加；深部受温度影响较大，波速随深度增加而减小；其间也有波速保持不变的情况。在大陆地区的地壳底部，纵波速度都归化为8km/s左右。对于沉积岩中含泥质成分多、孔隙率大的岩石，波速受温度和压力的影响大；反之则较小。

9.2.2 岩样尺寸与超声波参数的选取

波速υ是岩石的特性参数，波长λ是波速υ与频率f的比值，λ=υ/f。因而在进行岩石试样的超声波测试时，为了能利用公式（9.1）和（9.2）计算弹性波的速度，必须选择合适的试样尺寸和换能器的频率。具体地说，就是波长必须大到可以忽略颗粒界面等的影响，能将岩石视为均匀弹性介质；同时波长必须小到可以将试样视为无限介质；而试样的直径与长度相比要大到可以忽视试样边界的影响。不过对试样尺度和波长的具体选取要求各个规程并不完全相同。

国际岩石力学学会标准化委员会（ISRM）规定：D≥10λ，λ＞d，L≥10d。美国实验和材料学会（ASTM）规定：D≥5λ，λ＞3d，5D≥L≥10d。D为试样最小横向尺寸；L为试样长度；d为岩石颗粒的平均尺度^［2］。

水利水电工程岩石试验规程要求，测试所用换能器的频率应根据试件直径与材料性质在50 kHz至1 MHz选用，并满足D≥2λ^［9］。其对试件尺度的要求是，圆柱体直径或方柱体边长宜为48～54mm，直径或边长应大于最大颗粒尺寸的10倍；试件高度与直径或边长之比宜为2.0～2.5。

9.2.3 岩石动静态参数的区别

杨氏模量、泊松比系数是岩石的重要参数，其确定方法在试验规程和教科书中均有详细说明，一般需要对圆柱试样进行单轴压缩试验。另一方面，由于超声波测试非常方便，且对岩石材料没有任何的损伤，通常在压缩试验之前都会对岩样进行超声波测试。基于弹性波理论，在测量岩石中纵波（P波）速度υ_P、和横波（S波）速度υ_S后，可以确定岩石的动态弹性模量和动态泊松比系数。

记 R=υ_P/υ_S，由公式（9.1）、（9.2），求得泊松比系数

ν_d=（R²-2）/2（R²-1） （9.4）

由波速比值R唯一确定，且随之增大而增大；继而求得弹性模量

岩石的力学性质

又由公式（9.1）得到

岩石的力学性质

通常将由超声波速度确定的参数称为动态参数，而压缩试验得到的称为静态参数。大量试验证明，岩石材料的动态参数与静态参数并不相同^［3，4］，因而寻求二者之间的换算关系成为研究的目标。不过岩石种类繁多，内部存在不同的空隙、裂纹等微观结构，动态和静态参数之间的统一关系可能是不存在的。而超声波通过试样时岩石的变形极小，与实际工程中岩体的变形也完全不同。

如果试样内存在具有一定粘聚力、贯通整个试样的大倾角弱面，则单轴压缩强度和杨氏模量都会很低，但超声波速度仍可以很高。超声波测量时探头与试样端面之间的耦合，即润滑脂（纵波）或锡箔（横波），就是一个显著的弱面，但它们并不影响超声波的传播。另一方面，类似的张开裂隙可以阻止超声波的传播，而轴向压缩时裂隙能闭合承载，对平均模量和强度的影响并不显著。

9.2.4 动态泊松比

从式（9.4）可以看到，纵横波速比值R较小时不仅ν_d较小，而且其变动对ν_d的影响也较大（图9-2）。R小于 2时，得到的动态泊松比成为负值。由于岩石不是完全线弹性材料，负值泊松比完全可能的。但这并不意味着岩石在纵向发生压缩时横向也同样发生压缩。

文献［13］通过大量试验数据的比较，得到动态与静态泊松比系数没有关系的结论。毫无疑问，由于岩石的非均质性，以及横波速度存在测量偏差，动态泊松比的适用程度需要研究。

文献［2］对纵横波速比值R 小于 2的片岩和粉砂岩等七段岩心进行了单轴压缩试验，在轴向压缩初期侧向变形减小，并依据泊松比与体积模量K、剪切模量G的关系

ν=（3K-2G）/（6K+2G）（9.7）

从而认为泊松比的取值范围是-1≤ν≤0.5，出现负值是可以理解的。

图9-2 纵波、横波速度之比与动态泊松比

不过岩石并非均匀、各向同性和线弹性，并不能完全用上述公式描述，且实际测得的侧向变形都很小。因而负值的泊松比是否表示了岩石的真实行为，值得怀疑。下面仅就作者所得到负值泊松比的几种情形作一说明。

9.2.4.1 动态泊松比系数为负值

动态泊松比系数完全由纵波与横波的速度之比确定，而影响超声波速度的因素众多。岩样初期的非线性变形表明其内部存在裂隙，而裂隙使纵波速度降低。而测试横波时需要施加相当的接触荷载，有时可以减少裂隙等的影响。这也是某些岩石试样的动态模量低于其静态模量的根本原因^［5］。

9.2.4.2 利用应变片测量变形

在岩样侧面粘贴应变片测量轴向和侧向变形是传统的方法。由于岩石结构的非均质性和屈服破坏的局部性，因此应变片测量的结果通常会随粘贴位置而不同。特别是，在试验机球形压头与岩样二者的轴线不一致，则加载初期岩样内变形将随位置显著变化。即岩样在受到压应力的同时，还承载一定的弯矩，某一局部产生轴向拉伸、侧向收缩变形是完全可能的，即结构力学上所称的大偏心受压。因而最好能在岩样外侧相隔120°粘贴三组应变片，而不是两组^［9］，以检查加载是否均匀。

9.2.4.3 利用位移计测量

作者使用的RMT-150 B试验机，利用两个位移计测量岩样侧向变形。岩样端面加工质量、传感器的安装等原因，轴向加载时岩样位置可能发生宏观移动。而位移计没有与岩样固定为一体，其读数并不完全是岩样的侧向变形。这在前面第1章1.7.1节已经进行了讨论。

显然动态泊松比系数不能作为一个力学参数来表示岩石材料的变形特性。

6. 我看到一本声学书计算横波和纵波的速度 横波和纵波不都是声波的速度吗 声波是什么波

在空气中传播的声波是纵波,横波和纵波的波速是不一样的.
那为什么纵波和横波的波速会不相同的呢?
首先我们应该知道：横波是质点的振动方向与波的传播方向垂直的波.纵波是质点的振动方向与传播方向平行的波.
我们如果对分子运动论很熟悉,就会知道,既然我们研究的介质分子是静止的、均匀分布的,那么,对于纵波来说,当振子向前运动时,它将占据前方原来均匀分布介质分子的空间,把原来的介质分子压缩在一个小空间中,形成一个密部.密部的分子之间的距离变小,呈现的分子力是斥力.斥力使分子向周围作离心运动.离心运动的结果,使原来是密部的小空间变成疏部,而周围的空间变成新的密部.
那么,宏观地看,相当于原来密部变成疏部,而且密部传播出去.
那么,新的疏部也传播出去.
于是,宏观地看,振子（波源）不断向外传播出密疏相间的振动,这就是纵波.
显然,分子力的斥力较为强大,而且作用范围较近,因此,振动传播出去的速度较快.所以,纵波的传播速度较快.
不仅如此,这一叙述对所有介质都适用.所以,纵波可以在固体、液体、气体的内部传播,也可以在固体的表面传播,却不可以在液体和气体的分界面上传播.
那为什么纵波不可以在液体和气体的分界面上传播?
在液体和气体的分界面上,液体的表面层分子比较稀薄,形成一个呈现表面张力的特殊层.这一层如果出现密部和疏部,意味着液体的表面粉碎.
表面张力不允许液体表面粉碎,所以液体表面不能传播纵波.
那么横波呢?对于波速V,介质分子是横向运动的,它们之间的分子力主要为分子引力,力较小,作用范围又较大,所以振动的传播比较慢.
气体分子之间没有横向力,液体内部的分子之间也没有横向力,所以,横波不能在气体中传播,也不能在液体中传播.横波可以在固体内部、固体表面、液体和气体的分界面上传播.

7. 高温高压下各种岩石的超声波速

徐济安

（中央研究院地球科学研究所，台北11529）

谢鸿森张月明

（中国科学院地球化学研究所，贵阳550002）

摘要本文回顾了最近在高温高压条件下超声波速测量方面的进展。通过使用脉冲透射技术，测定了各种岩石在高温（至1500℃）、高压（至5.5GPa）条件下的纵波波速（V_p）。根据实验结果，对于无裂隙的样品，观察到的纵波波速在初试压缩时将大幅度减小。这种效应随着压力的增加而逐渐减弱，最终在2.5GPa以上完全消失。而在常温常压条件下，无微裂隙玄武岩样品的V_p是6.856km/s，大大高于一般手册中承认的有裂隙玄武岩6.044km/s的V_p值。这样我们相信以前测试过的玄武岩大多数存在微裂隙。在高温高压模拟实验中，当温度达到某个特别值θ_x时，岩石将出现某种形式的软化现象，值得注意的是θ_x与玻璃样品的转化温度θ_g有关，因此岩石在高温阶段的表现近似于玻璃。另外，高于3.5GPa和500℃时，玄武岩转化为榴辉岩，这可代表了俯冲带和地球深部地幔的主要过程。

关键词超声波速高压高温玄武岩榴辉岩

1引言

各种地球物质在高温高压条件下的超声波速信息对理解地幔、地核的结构和状态以及低速带和地球内部其它不连续界面的性质都是很有意义的。这种信息是各种深部地质灾害机制研究的实验基础。最近，专门针对研究上地幔岩石圈与软流层所需要的压力（6.5GPa）和温度（1500℃以上）的实验系统已经建立起来^[1]。在实验测量中，我们发现：

（1）由于观察到的波速依赖于样品中存在的微裂隙，因而波速不是样品的本征参数。然而，对于所有的测试样品，压力超过2.5GPa时这些微裂隙将闭合并且对波速的影响也将同时消失，这样可以认为2.5GPa以上观察到的波速代表了高压下的实际波速；

（2）软化温度（以θ_x表示）存在于所有测试的玻璃和晶体物质中，它与玻璃物质的应变点Ts有关。晶体物质软化的物理机制仍然不很清楚。

（3）在所有测试的样品中软化温度θ_x与微裂隙无关，仅与温度源有关。

本文中对各种岩石在高温高压条件下（压力≈5.5GPa，温度≈1500℃）获得的最新结果进行了讨论。

2实验

实验工作是在中国科学院地球化学研究所的YJ-3000吨压力机的高温高压腔体中进行的。实验细节已有详细的描述^[1]。被测试的样品是叶蜡石、金伯利岩和玄武岩等各种岩石。岩石中各种物质有较均匀的分布，没有明显的微裂隙，这样在常温常压条件下观察到的纵波波速（V_p）₀基本上是相同的（玄武岩）或有轻微的不同（金伯利岩），后者是出现在不同方向切割的样品中（其（V_p）₀为6.055km/s±0.010km/s）。

图1实验装置图

实验装置如图1所示。样品为长度33mm、直径12mm的圆柱体，连同三层不锈钢加热片一起装入立方体叶蜡石块的样品腔中。超声振动由位于下顶砧背部的换能器（PZT1）产生，由安装于上顶砧背部的另一个换能器（PZT2）接收，声速就可由声波在样品中的走时决定。当顶砧挤压并且加热电流通过包在样品周围的不锈钢片时，在立方叶蜡石中就同时产生了高温高压的条件，尽管样品的温度分布并不均匀，但由于温度的分布有较好的对称性，可以进行超声波速的测量。沿样品的z方向，可以在样品的中央达到最高温度，用θ_max表示，它可以由加热的电功率计算出来。温度的误差大约在5～20℃范围。压力精度在0.2GPa之内，声速的误差小于6%，这主要是由于上下顶砧在不同温压条件下波速和长度的改变引起的。

2.1高压下纵波波速V_p

在超声测量中观察到一个异常现象，该现象发生在玻璃样品压缩的初始阶段＜0.5GPa）。施压后声速V_p突然大幅降低（比致密玻璃的始波速（V_p）₀降低很多），这个反常表现是由于初始压缩阶段非静水压条件引起的微裂隙产生的，事实上，我们也注意到样品中的声发射^[1]。同样的结果在金伯利岩中也发现了，如图2。显然，初始波速（V_p）₀可以由2.5GPa以下的数据外推到常压下而获得。

玄武岩的一个不同情况如图3所示。如上所述，没有微裂隙的玄武岩样品（V_p）0的期望值为6.856km/s（由＞2.5GPa的数据外推），但加压开始测到的（V_p）₀大约为6.055km/s。这样，我们认为原始样品中存在大量的微裂隙，正如所期望的，这些微裂隙在2.5GPa左右闭合。显然，样品不同程度的微裂隙可以引起10%的波速差异。

图3中的方点是用脉冲透射法在室温、压力低于0.2GPa的条件下取得的，加压与卸压过程中都保持了静水压力条件^[2]。在这种环境下，加压过程中不应有新的微裂隙产生。纵波波速与压力的相关性（dV_p/dp）甚至比静水压条件下测到的值还大。这个结果同样给出了这样的一个结论：原始的玄武岩中存在大量的微裂隙，并随着加压过程而减少。这种样品中波速在初始压缩过程中的变化是由双重效应引起的：①实际的压缩；②微裂隙的闭合。这样，由于后一种效应在压力大于2.5GPa时将消失，压力的相关性（dV_p/dp）将显得特别的大。

图2金伯利岩纵波波速V_p/（V_p）₀作为压力的函数

直线是当前研究中大于2.5GPa下实验数据的拟合线

图3室温条件下玄武岩不同压力下的纵波波速

大小实心方块数据点是静水压条件下获得的（加压及卸压），该条件下观察到的波速高于非静水压条件下的值

大多数报道的玄武岩的纵波波速低于6.0km/s^[3]，因而，我们认为绝大多数测试过的玄武岩包含有微裂隙，所测波速不能代表它们在地球深部的实际波速。

2.2高压下的V_p-θ_max的关系

（1）软化现象在岩石的波速与温度的关系中，通常的表现如图4所示，对于所有的玄武岩包括叶蜡石和金伯利岩^[1]低于3GPa的实验中，在软化温度θ_x时都有软化现象发生。软化温度θ_x是随压力条件改变。实验完成后，V_p值又返回到它的初始值（或略低）。这种软化现象可能存在于所有的地球物质中，这样，它为地幔的低速带提供了一个可能的解释。

（2）玄武岩中的相变另一种V_p与θ_max的关系如图5所示。在高于3.5GPa的不同压力条件下，波速在400～600℃以上有一个明显的增加，并且实验之后V_p不返回到它们的初始值，而是略高一些。由于2.5GPa以上所有的微裂隙均已闭合，因而这个增加不是由于微裂隙效应引起的。实验之后，玄武岩中的蛇纹石消失而产生石榴子石，因而我们认为这种表现是由于玄武岩向榴辉岩的转变产生的。

榴辉岩的结构较玄武岩更为致密，具有更高的波速值。在实验之后由于榴辉岩的形成，（V_p）₀返回到一个较初始值高的波速值。如果继续加热，则V_p与θ_max的关系与通常的情况相似，观察到的θ_x即是榴辉岩在各种压力条件下的软化温度。

图4低于3.0GPa的各压力条件下，纵波波速与温度的关系

对金伯利岩和叶蜡石，类似的实验曲线也可以得到^[1]

图5高于3.5GPa各压力下纵波波速与温度的关系

波速的增加对应于玄武岩向榴辉岩的转变。转变后，各压力条件下的样品都降温至250℃，再加到高温，这些过程中的波速由本图中空心方块所示，可以见到与图4中类似的V_p模式，它们是对应于榴辉岩的曲线

3结论

因为玄武岩向榴辉岩的转变是低速带和地幔的主要过程，这种转变也为深源地震提供了一个可能的成因机制。这个转变的详细研究对地球科学将是非常有意义的。如果知道样品中水的影响，那将是很有意义的。脱水作用是否在这个转变中起了作用，这些都将是我们未来工作的重点。

致谢衷心感谢中国科学院地球化学研究所的许祖鸣先生在编辑上的帮助以及实验过程中中国科学院地球化学研究所和台北中央研究院地球科学研究所的支持，并感谢国家自然科学基金委员会和台湾国科会的资助（资助号NSC-84-0202-001-015）。

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8. 岩石中的波及其速度测量

1.弹性波与波速

均匀岩石中可能产生两类弹性波，一类是纵波，也称P波，其质点运动方向与波传播方向平行。纵波在岩石中传播速度是

图3－14 高压声速测量样品室