实验四 岩石波速的测量

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1、实验地球物理实验岩石波速的测量（一）实验目的：室内岩石样品的测量是野外现场测定地质解释的基础。熟练使用声波仪，掌握波速测量的方法，学会正确识别纵波及横波。（二）设备：1．HF-D超声岩石参数测定仪2．超声探头一对（发射、接收各一）3．游标卡尺4．耦合剂（凡士林或黄油、真空脂）5．铝铂或聚碳酸脂（用于横波探头耦合）6．标本测试架。（三）原理及装置：迄今为止，地震波是研究地球内部的最有效的工具之一。在岩石力学实验中，声学方法的作用与地震波在研究地球内部结构时一样重要。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

2、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1-30kHz90-250kHz不适用适用适用适用51-2脉冲法

3、脉冲法回声法50kHz-10MHz10MHz适用适用适用不适用1-30.5干涉法相位比较法脉冲迭加法10-60MHz10-60MHz适用适用适用适用0.010.04.21.实验地球物理表中：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

4、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

5、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前置放大脉冲发生器时标发生延时电子计数示波器岩石样品器品探头探头国际岩石力学协会推荐的脉

6、冲法测量波速的方框图.21.实验地球物理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

7、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。收到的波形探头谐振周期发射脉冲图中脉