声速测量范文

时间:2023-02-23 16:58:25

声速测量

声速测量范文第1篇

【关键词】声速;空气;共振干涉法;相位比较法

0 引言

近几年来随着声学的发展,检测声学在现实生活中得到了越来越广泛的应用。比如:无损检测、流体测速、探伤、定位、测距等[1]。声速的测量在声学检测领域占有非常重要的地位。空气中的声速测量实验因其应用性强、便于操作、易于实现等优点被很多高校选作基础物理实验。媒质的特性及状态等因素决定了声波在其中传播的速度,通过媒质中声速的测定,如:测量氯丁橡胶乳液的比重、氯气、蔗糖的浓度以及输油管中不同油品的分界面等等可以了解媒质的特性或状态变化,因此声速测定在某些工业生产上具有非常重要的实用意义[2]。在教学中一般采用以下两种理论方法来测量声速:第一种是测量声波传播的距离s和时间t,然后根据公式v=s/t计算出声速。这种方法中学采用的比较多。另一种是测量声波的频率f和波长λ。然后根据任何相邻的振幅最大值的位置之间波动过程中波速v、波长λ和频率f之间存在着下列关系:v=λf,计算出声速[3]。目前高校中普遍采用的是这套理论。而在实际操作中,也有很多不同的方法来实现。例如双踪示波法[4],声音共鸣法[5],驻波法[6]等。本文中本文用共振干涉法和相位比较法首先测定了声速在空气中的传播速度,并与理论值进行比较,然后进行误差分析,以便检测测量方法的实用性。

1 理论方法

1.1 共振干涉法(驻波法)

声源S1发出的声波经空气传播到位置S2,S2在接收S1的声波信号的同时反射部分声波信号,如果接收面与发射面严格平行,则入射波就在接收面上垂直反射,反射波与发射波会产生相干涉就会形成驻波。声源S1发出声波的振动方程为:A1=Acos(wt-2πx/λ),声源S2反射的声波的振动方程为A2=Acos(wt-2πx/λ),两者相互叠加形成的驻波的振动方程为:A3=2Acos(2πx/λ)cos(wt),w为声波的角频率,t为声波传播经过的时间,λ为测量声波的波长,x为声波经过的距离。可以看出两列波叠加之后形成的驻波的强度随距离之间按cos(2πx/λ)规律变化。如果改变S2位置,即改变S1与S2之间的距离,则任何相邻的振幅最大值的位置之间或者相邻的振幅最小值的位置之间的距离均为λ/2。

1.2 相位比较法

声源S1发出声波后就会在其周围形成声场,设声源S1的振动方程为A1=Acos(wt),但是在声场中的任一点S2的自振动相位是随时间而变化的,例如S2接收到的振动为A1=Acos(w(t- x/v)),但此点和声源的振动相位差不随时间变化。S1 和S2振动的相位差为?驻φ=ωx/v。当x=nλ,合振动为一斜率为正的直线,当x=(2n+1)λ/2时,合振动为一斜率为负的直线,当x为其它值时,合成振动为形状不同的椭圆形,移动S2,当其合振动连续两次为正斜率直线时,S2移动的距离即为一个波长。

2 数据处理

2.1 声波频率的测定

任何相邻的振幅最大值的位置之间波动过程中波速、波长和频率之间存在着下列关系:v=λf,观察接收波的电压幅度变化,在某一频率点处电压幅度最大,此频率即是f。改变S2的位置(即改变S1、S2之间的距离)直至示波器显示的正弦波振幅达到最大值,再次记下此时频率f的数据于表1。

2.2 共振干涉法测量声波的波长

改变S1、S2之间的距离,当接收波形的振幅为最大值时,读出S2的位置x1,沿同一方向继续改变S1、S2之间的距离,当波形振幅再次为最大时,读出S2的位置x2, 为了提高测量的准确性,共测量五组数据,每组测量6次,把每次测量的数据列xi,记录到表格2中。

2.4 相位法测量声波的波长

对于相位法来说,首先观察李萨如图的变化规律。当观察到波形为正斜率直线时,记下S2的位置x1,改变S2 的位置,记下示波器出现正斜率直线时S2的位置x2。为减少误差,S2 的测量位置改变了6次。然后重新改变S2的起始位置,重复刚才的步骤,一共测量五组数据。把每一组测量得到测量列 xi记入表格3中。

2.6 结果分析

在测量时,误差虽然无法消除,但我们可以通过多种方法减少误差。第一种是多次重复测量取平均值。在一组条件完全相同的重复实验中,个别测量值肯能会出现异常,如测量值偏大或偏小,多次重复测量可以使测量值分布更平均,测量结果更接近真值。在这个试验中,每次实验都重复测量5组数据。例如驻波法测量声波的波长中,虽然单次测量存在一定的误差,声波的波长结果分别是346.69m/s,344.08m/s,337.75m/s,342.59m/s,在这些结果中有的大于理论值,有的小于理论值,但是取平均值后就比较接近于理论值,多次重复测量的方法可以减少误差的产生,提高测量的准确度。第二种是利用逐差法处理数据。所谓逐差法,是把测量数据中的因变量进行逐项相减或按顺序分为两组进行对应项相减,然后将所得差值作为因变量的多次测量值进行数据处理的方法。逐差法可以提高实验数据的利用率,减小随机误差的影响,是物理实验中处理数据常用的一种方法。

逐差法是针对自变量等量变化,因变量也做等量变化时,所测得有序数据等间隔相减后取其逐差平均值得到的结果。其优点是充分利用了测量数据,具有对数据取平均的效果,可及时发现差错或数据的分布规律,及时纠正或及时总结数据规律。这里在计算声波波长时我们用逐差法处理数据保持了多次测量的优点,充分的利用了所有的测量结果,尽可能的减小了误差,提高了测量的准确性。

3 结论

首先由声速测定专用信号源读出声波频率,用共振干涉法和相位比较法求出波长。最后由v=λf分别得到声波在空气中的传播速度,实验值与理论值比较接近,说明这两种方法测量声速的可行性。

【参考文献】

[1]张涛,黄立波,等.空气中声速测量的实验研究[J].西安科技大学学报,2004,24(4):518-521.

[2]姜永超.空气、液体介质中的声速测量[M].大学物理实验,北京:中国农业出版社,2015:154-151.

[3]朱鹤年.物理实验研究[M].北京:清华大学出版社,1994:219-233.

[4]魏国瑞,潘沛,等.超声波声速测量新方法[J].西安建筑科技大学学报,2009, 36(3):75-78.

[5]操良平.用“声音共鸣”法测空气中的声速[J].物理教学探讨,2007,25(287):59-60.

声速测量范文第2篇

【关键词】声速 超声光栅法 共振干涉法 李萨如图形法

声速的测量在工业、医学和科研领域备受关注。在工业应用中,已知声波在特定介质的传播速度和传播时间可以进行声波测距[1];在材料科学领域,可以通过材料中声速传播的速度来反映材料的等温热容和等压热容等信息[2]。

超声波因其波长短、直进性好,在多种介质中的衰减较其他频段声波小等优点,在科研与生产生活中得到了广泛的应用。超声声速的测量一般分为直接法与间接法,直接法[3]通过测量超声波传播的距离和传播时间直接求得超声声速,此种方法多用于固体介质中超声声速的测量。间接法是基于超声波的传播特点,通过测量超声波的波长和频率来间接求出超声声速,共振干涉法[4]、相位比较法[5]和超声光栅法[6]都是通过间接方式来测量介质中声速的实验方法。共振干涉法和超声光栅法均是利用超声波形成的驻波来测量波长;李萨如图形法通过两换能器之间的相位差随距离变化的特点对超声波波长进行测量。

上述三种测量声速的方法均有着广泛的应用,但是有关这三种声速测量方法精度的比较研究相对较少。本文使用超声光栅法、李萨如图形法和共振干涉法测量了25℃和35℃中水的声速,将多次测量得到的结果与标准值比较,对上述三种方法的实验精度进行了研究。并使用不同的方法测量了温度对水中声速的影响,拓宽了声速测量装置的应用范围。

1 实验原理

1.1 共振干涉法

两列振动方向相同,频率相等并且存在着固定的相位差的声波在空间可以相干叠加并形成驻波,声波叠加后在空间某些点处会出现干涉极大,而相邻的两干涉极大点坐标的差值与声波的波长存在着一定的关系,因此共振干涉法测声速的核心是通过测量两干涉极大点的坐标的差值来确定超声波的波长。共振干涉法测量声速的实验装置如图1、图2。

上式的前一项表明振幅是随着换能器S2的位置变化而变化的,当时对应的振幅达到极大值,相邻两个干涉极大对应换能器的距离的差值为,所以实验测量出两相邻极大地距离便可以得到超声波的波长。

1.2 李萨如图形法

相位比较法测量声速的实验装置可用图1表示,在测量过程中示波器的两端输入信号分别作为横轴和纵轴信号,在示波器上便显示出李萨如图形,由图形的形状可以判断输入信号的相位关系。

分析可知,两换能器之间接收到信号的相位差满足,当李萨如图形为一条直线时相位差为的整数倍,因此李萨如图形为直线时的相邻两点的距离差值为,由此可得到超声波的波长。

1.3 超声光栅法

超声光栅法的基本原理是当空间形成稳定的驻波时,液体的折射率发生了周期性变化,起到了与光学平面上的光栅相同的作用。超声光栅法测声速的实验装置如图3。

2 实验内容及数据处理

2.1 不同种方法测量声速的精度比较

实验分别使用共振干涉法、相位比较法和超声光栅法测量了温度为25℃及35℃水中的声速(温度变化控制在±0.2℃内),重复测量三次,结果如表1、表2。

查阅资料知温度为25℃、35℃时对应的水中声速分别为1496.60m/s和1519.7m/s,将三种方法测量得到的声速平均值分别与标称值进行比较,得出相对误差如表1、表2所示。

由表1和表2可知,三种实验方法测量声速的精度有着较为明显的差异,其中超声光栅法测量声速的精度最高,这说明使用光学手段测量声速比其他两种方法精确。李萨如图形法测量声速所得结果的相对误差小于3%,实验精度在实验误差范围内。共振干涉法测得的声速值在水温为25℃和35℃时的误差均较大,实验误差最大。

共振干涉法和李萨如图形法实验装置相同,但是实验精度相差较大,分析实验结果可能的原因如下:

(1)共振干涉法测量最大振幅处位置难以找准,存在较大的随机性误差;

(2)测量过程中水槽壁对声波存在着反射,反射的声波对水中不同位置处的振幅有着较大影响,使用共振干涉法测量存在着系统性误差。而李萨如图形法只与两换能器之间的相位差有关,受反射声波的影响较小,因此误差也较小。

2.2 李萨如图形法测量水温对声速的影响

使用李萨如图形法选取适当间隔测量了8℃~45℃温度范围内的水的声速,实验测量结果如表3所示。

由表2中数据做出声速随温度变化的曲线如图4。

由图4可得,温度为8℃至45℃的水中的声速随着水温的升高而增加,在此温度范围内水温与声速近似呈现线性关系。

2.3 超声光栅法测量水温对声速的影响

使用超声光栅法测量了25℃~55℃之间的声速,设置温度间隔为10℃并保证在温度在测量过程中变化范围在±0.2℃之内,测量结果如表4。

做出温度与声速的关系,得到二者关系如图5。

由图5可知使用超声光栅法测量在25℃~55℃温度范围内声速随着温度的升高而升高,测量得出水中声速随温度变化的关系与李萨如图形法测量的一致,两者测量结果均近似呈现线性,这说明这两种测量声速的实验方法的可靠性。

3 结语

比较共振干涉法、李萨如图形法和超声光栅法三种声速测量方法,超声光栅法测量声速的精确度最高,误差小于1%;李萨如图形法测量声速的精度也较高,实验误差相对较小;而共振干涉法测量水中声速的实验误差较大,这是由水槽壁对声波的反射和共振干涉法读数不准确造成的。

参考文献:

[1]高峰,郑源明.超声波传感器测量声速和距离实验的研究[J].传感器与微系统,2009(11):68-70.

[2]Tardajos G,Gonzalez Gaitano G,Montero De Espinosa F R.Accurate,sensitive,and fully automatic method to measure sound velocity and attenuation[J].Review of Scientific Instruments,1994,65(9):2933.

[3]许磊,王艳艳.应用时差法测量声速[J].大学物理实验,2006(02):48-50.

[4]刘兴俊,王昆林.超声波声速测定的三种实验方法比较研究[J].实验科学与技术,2011(02):184-187.

[5]邹红玉,江影.采用相位法与极大值法测量超声波声速的准确度的研究[J].大学物理,2007(05):32-34.

[6]杨燕婷,王敏,周莹,等.超声光栅测量溶液中超声声速与浓度关系研究[J].实验技术与管理,2011(07):32-35.

[7]郑庆华.声速测量实验的探讨[J].大学物理,2007(09):31-33.

声速测量范文第3篇

关键词:声速测量;驻波法;相位比较法;数据处理;Origin软件;拟合直线

中图分类号:TP311 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2016)15-0261-03

Abstract: Data processing methods of sound velocity measurement experiment frequently use the gradual deduction method and the least square method, but need more calculation, and the process is complicated. In order to facilitate the data processing, in this paper the velocity measurement data processing using of Origin software were studied. The results show that the fitting line of standing wave method and phase comparison method is equally, also show that the datd of measuring sound velocity of the two methods have good linear relationship. But the measurement error of the phase comparison method is less than the standing wave method, illustrate the phase comparison method on the sound velocity measurement is better than that of standing wave method, but may be caused by the data interval made great when use the phase comparison method to measure . which needs further proof.

Key words: sound velocity measurement; standing wave method; phase comparison method; data processing; origin software; fitting line

1 概述

声波是一种能在气体、液体和固体中传播的弹性机械波。频率低于20Hz的声波称为次声波,频率在20~20000Hz的声波称为可闻波,而超过20000Hz的声波称为超声波[1]。超声波具有波长短,易于定向发射等特点,使得在超声波段测量声速比较方便。实际应用中超声波传播速度对于超声波测距、定位、液体流速测定、溶液浓度测定、材料弹性模量测定等方面都有重要意义[2]。声速测量方法可分为两类:第一类方法是根据关系式V=l/t,测出传播距离l和所需时间t后,即可计算出声速;第二类方法是利用关系式V=λf,测出其波长λ和频率f也可计算出声速V[3-4]。本文用到的驻波法和相位比较法属第二类方法,即利用声速和波长、频率的关系测量声速。

2 实验原理

2.1 驻波法

实验装置如图1所示,从发射换能器S1发出一定频率的平面波,经过空气传播到接收换能器S2,一部分被接收并在接收换能器电极上有电压输出,一部分向发射换能器方向反射。如果换能器的接收平面和发射平面平行,则反射波和入射波将在两端面间来回反射叠加[5-6],由波的干涉理论可知,两列反向传播的同频率波干涉将形成驻波,驻波中振幅最大的点称为波腹,振幅最小的点称为波腹。由于声波传播过程中出现能量损耗,两列波形成的驻波并非理想驻波,但相邻波腹(或波节)之间的距离刚好等于半波长的整数倍,即示波器观察到的波形中相邻振幅极大值(或极小值)之间的距离为半个波长[7]。改变两只换能器间的距离l,同时用示波器监测接收换能器上的输出电压幅值变化,可观察到电压幅值随距离周期性的变化。若保证声波频率f不变,使用测试仪上的数显尺记录各相邻电压振幅极大值的位置,即可求出声波波长λ,则声速为

因此,只要测出声波频率f和波长λ,就可利用(1)式计算出声速[8]。

2.2 相位比较法

波是振动状态的传播,也可以说是相位的传播。声波在传播过程中各个点的相位是不同的,当发射端与接收端的距离发生变化,入射波和反射波的相位差也变化[9]。将发射换能器和接收换能器分别与示波器的Y1、Y2通道连接,那么在示波器的Y1、Y2方向就分别输入了两只换能器所在处的声波的简谐振动信号,这两个简谐振动的振幅、频率相同,干涉后形成的图形称为李萨如图形。相位差不同时,李萨如图形也不同,如图2所示。

实验时改变S1、S2之间的距离l,相当于改变了入射波和反射波之间的相位差,在示波器上可观察到相位的变化,即李萨如图形的变化。当S1和S2之间的距离变化刚好等于一个波长λ时,则发射与接收信号之间的相位差也正好变化一个周期(即φ=2π),相同的图形就会出现。实际上,从任何一个状态开始观察,只要李萨如图形复原,S2移动的距离就为一个波长,但为了取得较为准确的实验结果,实验时以李萨如图形变为直线时为记录点。只要准确观察记录相位差变化一个周期时S2移动的距离,即可得出其对应声波的波长λ,即可利用公式(1)计算出声速V[10-14]。

2.3 空气中声速的理论值

空气中的声速与环境温度和湿度有关,若只考虑温度的影响,声速的理论计算式为:

其中t为环境温度,采用摄氏温标,T0=273.15K,V0为0℃时的声速,对于空气介质V0=331.45m/s。根据(2)式可计算出t℃时空气中声速的理论值。

3 数据原始记录

根据前述实验原理,声速测量时首先要测量环境温度t,本次实验的环境温度t=13.2℃。其次是测试系统的最佳工作频率,如表1所示。用驻波法测声速时,调节S1、S2之间的距离,使干涉波形的振幅达到极大值,记录此时数显尺的读数l1,然后同方向移动S2,依次记录振幅极大值时数显尺的读数l2、l3、……、l12,如表2所示。用相位比较法测声速时,调节S1、S2之间的距离,使李萨如图形出现一、三象限斜直线,记录此时数显尺的读数l1,然后同方向移动S2,每出现5次一、三象限斜直线时记录一次数显尺读数,分别记为l2、l3、……、l6,如表3所示,这样两个相邻数据之间的差值为5个波长的长度。

4 数据处理及分析

4.1 空气中声速理论值

环境温度为13.2℃时,声速的理论值:

=339.364m/s

4.2 驻波法

设拟合直线方程为y=a+bx,令y=li,b=λ/2,x=i,打开Origin软件后,界面上会出现两列空白数据表格A(X)、B(Y),分别输入1~12和l1~l12的值,以i为横坐标,li为纵坐标,利用Origin进行线性拟合,拟合直线如图1所示,拟合报告如表4所示。

从图1中可以看出拟合直线和理论曲线符合得较好,即i和li具有严格的线性关系,这也可以从拟合报告中看出,因为关联系数r=0.99999,非常接近于1,所以理论曲线接近于直线。拟合报告中b=λ/2=4.76449,所以波长λ=9.52898≈9.529mm。因此声速V=λf=9.529×35.928=342.358m/s与理论值的误E=(V-Vs)/Vs=0.88%。

4.3 相位比较法

设拟合直线方程为y=a+bx,令y=li,b=5λ,x=i,打开Origin软件后,界面与驻波法一样,在数据表格A(X)、B(Y)中分别输入1~6和l1~l6,以i为横坐标,li作为纵坐标,利用Origin进行线性拟合,拟合直线如图2所示,拟合报告如表5所示。

从图2中可以看出相位比较法的拟合直线效果与驻波法一样,因为二者的关联系数r=0.99999,非常接近于1,所以相位比较法测声速时也可以得到较好的结果。拟合报告中b=5λ=47.39303,所以波长λ=9.478606≈9.479mm。因此声速V=λf=9.479×35.928=340.562m/s与理论值的误差E=(V-Vs)/Vs=0.35%。

5 结束语

本文利用Origin软件对声速测量的实验数据进行了处理,从结果上来看,驻波法和相位比较法测声速在直线拟合时效果都较好,因为二者的关联系数r一样,所以两种方法测得的实验数据都具有良好的线性关系。但两种方法测得声速实际值与理论值的误差不一样,相位比较法的误差小一些,说明相位比较法比驻波法在测声速上具有优势。但也可能是数据间隔较大引起的,驻波法的数据间隔是半波长,相位比较法的是5个波长,这点有待笔者进一步证明。

参考文献:

[1] 李相银.大学物理实验[M].北京:高等教育出版社,2009.

[2] 刘书华,宋建民.物理实验教程[M].北京:清华大学出版社,2014.

[3] 杨述武,赵立竹,沈国土.普通物理实验1-力学、热学部分[M].北京:高等教育出版社,2007.

[4] 吴定允,常加忠.大学物理实验[M].河南:河南科学技术出版社,2014.

[5] 郑庆华,童悦.声速测量实验的理论分析[J].宜春学院学报:自然科学,2006,28(4):44-46.

[6] 冯登勇,王昆林.声速测定实验不确定度、误差之比较研究[J].大学物理实验,2014,27(1):88-91.

[7] 张俊玲.驻波法测量声速实验的系统误差分析[J].大学物理实验,2012,25(5):81-83.

[8] 刘石劬.声速测量及不确定度分析[J].大学物理实验,2013,26(4):99-103.

[9] 王山林.关于声速测量实验的研究与设计[J].廊坊师范学院学报:自然科学版,2012,12(1):45-46.

[10] 王红晨,卞之.基于LabVIEW的声速测量[J].华中农业大学学报,2009,28(4):504-506.

[11] 张涛,黄立波,张永元,等.空气中声速测量的实验研究[J].西安科技大学学报,2004,24(4):518-521.

[12] 眭聿文.声速测量实验中声波的研究[J].西华大学学报:自然科学版,2011,30(1):52-55.

[13] 侯林涛,陈美銮,翟志雄.声速测量实验装置设计与实现[J].实验技术与管理,2009,26(5):62-65.

声速测量范文第4篇

关键字:声速测井、煤田、勘探

中图分类号: P641.4+61 文献标识码: A

一、前言

声速测井已成为重要的测井方法之一。其中声速测井仪可以利用声波产生的不同弹性方向的横波和纵波划分岩体风化带、解释软弱夹层;利用声波在不同介质中的传播速度不同,了解材质,知其密度,方便正确判断岩石层的情况。声速测井技术发展十分迅速。进行声速测井时,可以结合波具有的能量小、作用快的特性,将岩石当作弹性体,依据弹性波的特点来研究传播过程和规律。声速测井技术从最初的声速、声幅测井,到长源距声波测井,再到现在的多极子阵列声波测井、超声波井眼成像仪等等。该技术发展至今已不单纯是一项声学技术,而是融合了多项相关理论和相关学科(如计算机科学、信息处理技术、电成像技术等多种新兴学科)的现代测量技术,其作用日益显著,应用日益广泛。

二、声速测井技术基本原理

声速测井技术的原理——是利用声波在不同介质中传播速度的差异性,根据声波在地层中的传播时间来确定地质中岩石材质。如果在岩石中出现缝隙、溶洞以及岩石风化的现象都会对声波的速度产生影响。根据这些产生的影响不同来判断岩石中是否出现了缝隙、溶洞以及岩石是否已经风化。目前,声速测井一般测量的是纵波速度,由仪器发射晶体发射的声波耦合后在地层中传播,经地层传播的声波被仪器接收晶体接收。因为发射晶体和接收晶体的间距是一定的,所测得的声波传播时差与传播速度成反比。根据需要可以把传播时差换算为声波速度,结合其他物理参数,还可以计算出横波速度,从而进行岩性的划分、弹性参数的计算,为工程勘察所利用。

三、煤田测井资料在地质勘探中的用途

计算机技术在煤田测井中的应用,促进了测井仪器的组合化、刻度化以及轻便化。煤田测井资料对煤田区域的勘探、信息分析以及开采中,有着很大的使用价值。煤田测井资料可以帮助勘察人员鉴定煤田沉积环境。古代的地理沉积情况决定了煤炭的形成以及发育,利用煤田测井资料可以有效的了解含煤岩系中的岩性组合、各种岩相的类型和变化规律,还可以清楚的确定煤层发育的状况,确定什么位置煤比较多,什么位置比较少。

在确定煤层和岩层的厚度和深度上,有着很好的使用价值,这个时候可以根据数据资料绘制的密度测井曲线来划分煤层和岩层的状况。利用体积模型方式以及竖立统计表,对密度、中子和声波等测井曲线分析处理时,可以准确的得到煤质指标和岩石的组合成分,还可以帮助勘察人员有效地分析出煤质和岩性的特征。煤田测井资料还可以帮助我们确定煤田中煤的变质程度,地壳中火山岩侵入煤层时,往往会提高煤的变质程度。

在这种情况下,各种测井也会随之发生变化,伽玛—伽玛曲线的幅度值会随着煤的变质程度加深而减小,中子曲线也会跟着下降,电阻率曲线也会出现这种情况。煤田测井资料可以帮助勘察人员确定含煤地层的含水量特征。通过数字测井的电参数对煤矿中含煤地层的含水特征进行分析,可以有效的了解含水层的状况,有利于煤田的开采设计工作。煤层顶底板的特性往往直接影响到开采方案的制定以及矿井中支护方式的选择,根据测井资料获得煤田地质的地层的强度特征,在煤矿的建设和开采中有着巨大的意义。

煤田测井资料还可以帮助勘察人员对煤田地层的对比和勘探区做出一个整体性的评价。依据测井资料,利用计算机对地层对比以及煤田区域性的分析进行研究,绘制出煤层覆盖的等厚线图、煤层的等灰分线图和等厚线图以及顶底板的等高线图等图像,对煤田勘探区的总体评价和开采设计来说具有很好的使用价值。

四、声速测井技术的特点

煤田地质勘探工作是一项复杂的系统工程和技术,技术的选择、工作的效率、成果的可用性、准确性对后期的煤炭资源的开采率、开采的安全性、以及开采的效率等关系重大,因此,必须选择技术含量高的测量系统和技术,以保证较为精确的勘探测量出地下含煤的性质及特征。通过长期的技术积累和应用分析,目前,声速测井系统已成为煤炭地质勘探工作选择的主流。该系统主要具有以下技术特点:首先是工作效率高,声速测井技术需要技术人员少、工作效率可提高三倍,可实现从数据采集到处理,再到地质勘探结果的一体化输出。其次是作业质量高,能弄较为准确、合理和科学的给出煤层的深度、厚度以及地质构造等参数;三是作业受天气、气候、温度等影响小,可实现全天候作业;四是数字处理的自动化程度高;五是系统操作简单、易上手,方便快速学习和使用,能够按照系统的指示操作,顺利的获取完整的数据资料。同时,数字测井系统具备体积小、重量轻、易于携带等特点,大大拓展了数字测井系统在煤田地质勘探中的应用范围和广度。

声速测井技术在煤田地质勘探中的应用研究

1、利用声波划分岩性,进行地层对比

由于不同的岩石具有不同的声波传播速度,所以声波速度测井曲线可用于划分岩性剖面。当其他测井方法不能获得良好的标准层时,可以利用声波测井曲线成功地进行地层对比。

2、利用声速测井仪器确定断层位置及距离

在测井参数采集中,将声速测井仪采集的完整的系统层序地层测井曲线的整体特性作为对照标注曲线,将测量所得的某一测井的测井曲线与之进行比对分析,如果在测的测井曲线中某一段区域出现重复或是缺失的现场,则说明该位置的地层重复或缺失,则该位置就是断层的位置所在。还可以根据岩石的声速与密度之前的关系,岩石的密度越小其声速的就越小,时差就越大。对于成分相同的岩石,又可根据资料求取岩石断层的距离。

3、利用声速测井确定煤层的性质

一般情况下,利用声速测井技术获得数据而绘制的测井曲线可以准确的反映出煤层的状况。主要表现在下面几个方面:第一,自然的伽玛曲线,它主要可以反映出煤层的放射性很低,甚至比见到的低放射性地层还要低。第二,根据密度绘制的测井曲线,通常情况下,煤矿中煤层的体积密度在1.5g/3cm。第三,依据声波绘制的测井曲线,可以反映出煤层的间隔传播时间比围岩的间隔传播时间长,它的大小和煤田的煤质、煤质的变化情况有着密切的联系。第四,依据中子绘制的测井曲线,可以看出煤田中钻孔的隙度指数很高,通常,高含碳量的煤会导致这种状况。第五,绘制侧向电导率曲线,当煤田中煤炭的特性变化程度较高,他的电导率会接近于零。主要是因为在质量不好的煤炭中,电导率的变化和煤炭中灰分的含量有关系。所以,煤田地质勘探中利用数字测井技术,可以更好的确定煤层的性质。

4、利用声速测井技术进行自动分层研究

声速测井资料的自动分层、测厚和岩性识别是目前声速测井技术的最重要的研究方向和内容,其技术的发展直接关系到测井技术未来的应用深度和广度,其中,利用计算机综合分析系统对测井曲线进行自动分层技术最为核心和关键。测井曲线的计算机自动综合分析系统不仅能够提高测井曲线的解译速度,降低人员投入和劳动强度,而且可采用多种处理方式同时对测井曲线进行自动化的处理和分析,对提高提高解释精度,为煤田地质勘探和开发提供可靠准确的数字支撑起到重要作用。同时,利用计算机综合分析系统对测井曲线进行自动分层技术目前的研究还不够成熟和稳定,因此,可研究采用应用模糊数学理论及统计学参数,建立了测井物理参数对地层性质的隶属函数, 并给出了简便的地层界面划分方法,实现了数字测井的快速自动分层,目前,该方法已在测井曲线自动分层中得到广泛应用,该方法适应性好,符合日常分层习惯,同时,该方法综合利用多条曲线所具有的测井信息进行自动分层处理,不仅能为测井分层解释提供较可靠的分层界面和层特征值,而且具有快速、准确、简便的特点。

5、利用声速测井技术确定煤的变质程度

在进行煤田地质勘探时,采用相关软件对密度、声波以及中子等测井曲线以及收集的其他数据进行分析和处理,并对煤质指标和岩石成分做定量的分析。如果火山岩侵入煤田地质,煤田的变质程度会逐渐加重,绘制的测井曲线也会随之变化。煤田的变质程度越高,伽玛—伽玛曲线的变动幅度值也会逐渐的变小,煤田地质的电阻率曲线和中子曲线也会不断的降低。基于这种情况,利用数字测井技术勘探后,结合密度和电阻率或者中子绘制的测井曲线,可以比较有效的判断出煤层地质的变化情况。

声速测井技术在煤田勘察中存在的不足

1、声波在具有裂缝和溶洞的地层中传播时,会因产生多次反射而使能量明显衰减,此时滑行波的幅度亦会减小。要解决这一问题,可以提高探头的发射功率,用以增大滑行波的能量。

2、动力学参数虽能评价岩体完整性、软硬程度、风化程度、裂隙发育等,但目前尚缺乏全国性的统一标准和规范对岩石分类,大多是一些某单位或某部分的经验值或推荐公式,因此迫切需要统一的分类标准和规程早日出台。

七、结语

随着勘探领域的不断快速的扩展,声波理论也在不断完善。加之声速测井技术在煤田勘测中的广泛应用,使声速测井技术变得越来越成熟。声速测井技术不但能够对煤层进行定性和定厚的判断和分析。而且能够判断断层破碎带的位置,和地下岩石的得密度和材料。并且还能够划分底层和对比底层从而确定底层的空隙度,计算岩石的强度参数,提供更为精确的数据,提高了勘测过程的安全性,减少了勘测过程中的难度。声速测井技术在解决实际问题的能力在不断提高,随着社会的进步,新的声速测井方法、技术和仪器也在不断产生。相信随着声速测井技术在未来的不断发展和完善中会在勘察领域发挥更大的作用。

参考文献

[1] 冉广庆 齐艳俊:《数字测井在工程地质中的应用》,《陕西煤炭》,2008年02期

[2] 孔霞:《数字测井技术在油页岩勘探中的应用》,《吉林地质》,2008年02期

[3] 王春辉:《数字测井技术在煤田地质勘探中的应用研究》,《中国石油和化工标准与质量》, 2012年12期

[4] 朱命和 付中:《测井在永城煤田地质勘探中的应用效果》,《中国煤田地质》,2007 年 21期

[5] 陈雪莲 魏周拓 王延茂:《相控线阵声源在裸眼井和套管井外地层中产生的声束对 比》,《测井技术》,2012年04期

[6] 尚高峰 尉小龙 宋哲 刘治国:《声波测井法计算剥蚀厚度在十红滩地区的应用》,

声速测量范文第5篇

【关键词】声速测量;信号放大;A/D转换

1.引言

如今,自动化测试在各科研单位、各公司企业内越来越受到关注。由于无线电电子学、微电子学及计算机技术的迅速发展和密切结合,电子测量已经成为测量学的组成部分。

传统方法测量声速时,将接收器接收的电信号直接连接到示波器上,用示波器检测接收器上的输出电压幅度的变化,可观察到电压幅度随距离周期性的变化。测量过程中需要人眼来观察电压幅度的变化,并分辨出波峰的极大值的变化;两换能器之间的距离是通过手动摇杆来控制的,具有回程误差;两换能器之间的距离是通过游标卡尺来读得,精度不够高,这些都具有较大的误差,测量结果精度低,且采样效率低,这是传统声速测量的不足之处。而目前的测量趋势是自动化测量,而且自动化测量的特点是可以大大提高测量的速度和精度,在此想到将声速测量进行改进,实现其自动化测量,这就涉及到将声波转换成电信号并对其进行处理,然后输入至计算机,经过一定的算法对信号进行处理,计算出结果。

2.实验室声速测量原理

2.1 压电陶瓷换能器

压电陶瓷换能器将实验仪器输出的正弦振荡电信号转成超声振动。压电陶瓷片是换能器的工作物质,它是用多晶体结构的压电材料(如钛酸钡,锆钛酸铅等)在一定的温度下经极化处理制成的。在压电陶瓷片的前后表面粘贴上两块金属组成的夹心型振子,就构成了换能器。每一只换能器都有其固有的谐振频率,换能器只有在其谐振频率才能有效的发射(或接收)。测试时用一个换能器作为发射器,另一个作为接收器,两换能器的表面互相平行,且谐振频率匹配[1]。

2.2 共振干涉(驻波)法测声速

到达接收器的声波,一部分被接收并在接收器电极上有电压输出,一部分被向发射器方向反射。由波的干涉理论可知,两列反向传播的同频率波干涉将形成驻波,驻波中振幅最大的点称为波幅,振幅最小的点称为波节,任何两个相邻波幅(或两个相邻波节)直接的距离都等于半个波长。改变两只换能器间的距离,同时用示波器监测接收器上的输出电压幅度变化,可观察到电压幅度随距离周期性的变化。记录下相邻两次出现最大电压数值时游标尺的读数,两读数之差的绝对值应等于声波波长的二分之一。已知声波频率并测出波长,用v=λ×f即可计算声速(其中λ为声波波长,f为声波频率)[2]。

2.3 实验室声速测量小结

原方法采用共振干涉(驻波)法测声速,将接收器接收的电信号直接连接到示波器上,用示波器检测接收器上的输出电压幅度的变化,可观察到电压幅度随距离周期性的变化,需要人眼来观察电压幅度的变化,并分辨出波峰的极大值的变化;示波器显示的电压只是一个近似电压,并不是很准确的电压值;两换能器之间的距离是用手动摇杆来控制的,具有空回误差;两换能器之间的距离是通过游标卡尺来读得,精度一般只有0.02mm,且在使用的过程中由于磨损精度还会有所降低,这些都具有较大的误差,测量结果精度低,且采样效率低,这是传统声速测量的不足之处。改进后的实验仪器由步进电机代替手动摇杆控制两超声换能器间的距离,此实验仪器后续改进是对接收的信号进行数据采集,将数据交由计算机处理。

3.信号分析

3.1 原测试结果

超声频率f=34.998kHz,示波器单位为5mv,T=27℃。

由表1中的换能器间距可以求得出:,,[3],相对误差为3.31%。由于电压值的大小及变化是通过示波器来读得,而示波器显示的电压本来就已经经过内部处理,准确度和精确度就已不高,现在根据示波器的读数变化来作为判断波峰数值大小的变化,这具有很大的不精确性,所以实际误差可能会更大,因此要改进测量方法,实现精度高的自动化测量。

3.2 信号分析

由示波器电压输出可看出,随着两超声换能器之间距离的增大,所测出的波峰值衰减较大,由最大值11.5mv衰减到1.5mv。另:当前主要A/D转换模块的转换分辨率在8位到12位之间,选10位、接收电压为0-3.3V为例(即可分为1024个量化级)进行分析,所测数据值太小,最大值为11.5mv,利用公式:

(2.2.1)

可知,11.5mv在经过量化编码后只占4个量化级;相应的,最小值为1.5mv,利用公式:

(2.2.2)

可知,1.5mv在经过量化编码后占不到1个量化级,这样就没有充分利用A/D转换模块的高分辨率,不能很好的发挥A/D转换模块的功能,故要对信号进行放大,使最大的数据值经过量化编码后能达到大半个量化级的量程即700个量化级以上为佳),这样才能很好的发挥高分辨率A/D转换模块的功能。

超声换能器发射出超声波的频率为34.998kHz,由采样定理可知,如果要对一个信号进行采样,那么采样频率最小应为信号频率的两倍,即:被采样信号每个周期内至少要采出两个点,这样就要求选用的A/D转换模块的采样频率至少要为70kHz。为了验证采样频率大小对采样效果的影响,通过MATLAB模拟一个振幅为2.9V的正弦信号,现对该信号在一个周期内进行不同频率的采样,当采样频率越高时,在一个周期内所采出的点越多,也就意味着能够采出越多的数据,这样就能更完整的采集到原信号的信息。当采样频率为信号频率的10倍时,拟合出振幅为2.8874V,此时标准差为0.0126V;采样频率为信号频率的30倍时,拟合出振幅为2.9113V,此时标准差为0.0113V;采样频率为信号频率的50倍时,拟合出振幅为2.8963V,此时标准差为0.0037V。由此数据可得,随着采样频率的上升,误差在降低,效果变好。所以要选择采样频率较高的A/D转换模块。

4.信号放大

由于信号强度太弱,最大值仅有11.5mv,与一般A/D转换模块的工作电压3-5V相比太小,不能充分利用A/D转换的高分辨率,所以要对所接收的信号进行放大,这样就要选择合适的放大器,笔者翻阅资料,查找到了AD603,现它的主要原理分析如下

AD603是一种低噪声、90MHz带宽、增益及增益范围可调的集成运放。其内部结构框图为图1所示。信号从精密无源梯形网络的输入端(VINP)输入,输入信号的衰减量(0~-42.14dB)由高阻(50MΩ)低偏流差分输入(GPOS-GENG)的增益控制电路输出控制,控制梯形网络的“滑动触点”至相应的“节点”处。固定增益放大器的增益通过VOUT与FDBK的连接形式确定,当VOUT与FDBK短接时,增益为31.07dB;当VOUT与FDBK开路时增益为51.07dB;当VOUT与FDBK外接一个电阻REXT,增益可设置在31.07~51.07dB之间。若在FDBK与COMN接一个电阻,则可获得稍高的增益,最大增益约60dB。

图1 AD603内部结构框图

因此,AD603的宽频带、增益由VOUT与FDBK的连接方式确定[4]。当VOUT与FDBK外接一个电阻REXT,FDBK与COMM端之间接一个5.6pF的电容用于频率补偿时,AD603的增益由电阻REXT确定,如图2所示。

图2 增益系数设定方法

5.电路设计

5.1 硬件设计

图3 硬件设计框图

如图6所示,LM3S615系统板通过PWM信号控制步进电机的运行(此非本文主要工作),改变两超声换能器之间的距离,测量不同距离时接收端所接受的电压值,由于所测量的电压幅值太小,只能以mv计算,所以要对信号进行放大,放大后的信号经过LM3S615内部的模数转换模块处理,然后将数据传入计算机,通过一定的算法得出最终的声速。

5.2 信号放大部分

在进行信号放大时如选择31.07dB的增益系数,由公式:

(4.2.1)

可得,再利用式(2.2.1)可得:

,可得最大值11.5mv经过放大后再量化编码,占128个量化级;利用式(2.2.2)可得:

,占18个量化级。而A/D转换模块有1024个量化级,最大值只占128个量化级,只有量程的1/10左右,依旧不能充分利用A/D转换模块的高分辨率。如选择51.07dB的增益系数,由式(4.2.1)类似可得,再利用式(2.2.1)可得:

,可得最大值11.5mv经过放大后再量化编码,占1276个量化级,已超过量化级的最大量程1024,所以51.07dB的增益系数太大。选择48dB,由式(4.2.1)可得:,再利用式(2.2.1)可得:

,即最大值11.5mv经过放大后再量化编码,占897个量化级;利用式(2.2.2)可得:

,即最小值1.5mv经过放大后再量化编码,占117个量化级。

又有AD603的增益系数公式:

(4.2.2)

其中,VG为GPOS和GENG两管脚的电压值的差值,且以伏特(V)为计量单位,即,要使,则要使,即。

图4 AD603电路图

如图4所示,管脚1(即VC1)上所分电压为6.45V,管脚2(即VC2)上所分电压为5.50V,则,这样就使得此时的增益系数为48dB,使信号得到充分放大,但不能保证严格按照理想情况放大,可能会出现误差,由于时间紧张,本文并未对误差进行细微分析。

5.3 放大后信号分析

由接收器接受的信号经过AD603放大后再连接到示波器上,可得出此时示波器的读数(如表2所示)。

可得,由超声换能器接收端接收的信号经AD603放大器后,能进行近似的线性放大,最大值为2.9V,最小值为0.3V,在A/D转换模块的工作电压范围内,并且最大值2.9V接近A/D转换模块的最大工作电压3.3V,可以有效的利用A/D转换模块的高分辨率,能够达到900左右的量化级;最小值0.3V的量化级为120左右,可以合理利用转换模块的高分辨率,并使转换的高精度能够充分发挥作用。

5.4 A/D转换结果

超声换能器所发射的超声频率为34.998KHz,A/D转换模块的采样频率为500KHz,则在超声波每个周期内,A/D模块可采样14次左右,但不能保证正好有一次采样可以采到波峰(谷)处,则需将这14个点的数据进行拟合,拟合出一条完整的曲线,并得出波峰(谷)值。

超声换能器接收端接收的信号经AD603近似线性放大以后,再通过A/D转化后的一个周期内的输出值如表3所示。

通过数据拟合可得极小值点的电压为-2.910V,插值图形如图5所示。

图5 采样曲线

由图5可知,LM3S615内部的A/D转换模块可以在超声信号的一个周期内采出13个点,根据数据拟合得出图形,所以该模块500KHz的采样频率可以对超声信号进行采样,并且采样效果良好,所以采用该A/D转换模块是可以满足采样要求的。

这样,被AD603放大的信号经过LM3S615内部的A/D转换模块转换过后,采样数据可以被计算机读出,并进行数据拟合运算,拟合出超声波信号,再交由计算机处理,经过一定的算法,计算出结果。

6.小结

本文针对传统声速测量的不足,根据全自动声速测量原理,设计了一套新的测量仪器,涉及到信号采集分析,故本文进行了硬件电路设计。在对接收端接收的电信号进行分析后,发现电压幅值太小,不能充分利用A/D转换模块的高分辨率,故选择使用了AD603对超声换能器接收端接收的电信号进行类似的线性放大,使之能够满足LM3S615内部模数转换模块的参数要求,然后经过A/D转换,读出A/D转换值,为后续信号处理服务。

参考文献

[1]陈重华,肖鸣山,刘三书.压电陶瓷应用[M].西安:陕西人民出版社,1985.

[2]孙向辉,周国辉,刘金来等.关于空气中声速测量实验的研究[J].大学物理,2001.

[3]李相银等.大学物理实验[M].北京:高等教育出版社,2004.

声速测量范文第6篇

1声速测井的内涵

声波在不同的介质(不同的岩层)中的传播时差有明显差异,岩石中的裂缝、溶洞以及岩石风化等会对声波速度产生很大影响,可以通过声速测试了解岩层物性特征。声速测井所测的就是声波在地层中的传播时间。目前,声速测井一般测量的是纵波速度,由仪器发射晶体发射的声波耦合后在地层中传播,经地层传播的声波被仪器接收晶体接收。因为发射晶体和接收晶体的间距是一定的,所测得的声波传播时差与传播速度成反比。根据需要可以把传播时差换算为声波速度,结合其他物理参数,还可以计算出横波速度,从而进行岩性的划分、弹性参数的计算,为工程勘察所利用。

2理论基础

岩石的声速指的是声波在岩石中的传播速度。理论和实践证明,岩石的声波速度主要与密度有关,并且是随着岩石密度的增大而增大,其主要影响因素有以下几点:

(1)岩性。在不同岩性的岩石中,声波传播速度不同,这是因为不同岩性的岩石密度不同,一般纯净的石灰岩一砂岩一砂质泥岩一泥岩的密度依次减小,它们的声波速度也依次减小。

(2)岩石结构。岩石胶结性差、疏松,声波速度低;而岩石胶结性好、致密,则声波速度高。岩石中的裂缝、溶洞等均会对声波速度产生较大影响。

(3)岩石孔隙间的储集物。岩石中孔隙问的储集物不同,也会对岩石的声波速度产生影响。

(4)地层埋藏深度及地质时代。地层埋藏的深浅及地层时代的新老均对声波在地层中的传播产生影响。岩性和地质时代相同,地层埋深大、压力大,则声波速度高;反之,地层埋深浅、压力小,由声波速度低。同一岩性,老地层比新地层声波速度高。声波在不同介质中的传播速度见表1。

3应用范围

(1)划分钻孔岩性。不同的岩层具有不同的声波传播速度,因此声速测井可以判断地层岩性,结合电阻率、自然伽玛等参数,对钻孔岩性进行划分。

(2)确定岩层风化、氧化带。岩石因风化、氧化,胶结程度变差,疏松甚至破碎,强度减弱,密度减小,波速减小。测得的声波速度与新鲜完整岩石的声波速度进行比较,波速减小量反映了岩石的疏松、破碎程度,据此可确定岩层风化、氧化带。

(3)解释裂隙和软弱夹层。岩层因为有裂隙及软弱夹层的存在,声波传播速度在此处降低,声速测井曲线产生低的异常是解释裂隙及软弱夹层的主要依据。

(4)确定弹性参数。根据弹性力学的知识,可根据介质密度D,介质中声波传播的纵波速度v与横波速度v确定介质的弹性参数:式中:E为介质的弹性模量;k为体积模量;u为切变模量;8为泊松比。声速测井一般提供的是纵波时差,并可换算为纵波速度v,而横波速度v由经验公式计算:

4应用实例

4.1划分钻孔岩性

我市一综合楼AQJ1号勘察钻孔的综合测井成果如图1所示,钻探揭露的地层主要有黏土、砂质黏土、砂岩、泥岩。其中,砂岩、砂层的纵波速度较高,黏土的纵波速度较低,砂岩、砂层的视电阻率为高异常、自然伽玛为低异常,在综合分析解释的基础上,划分了钻孔岩性剖面,分层效果良好。

4.2确定岩层风化、氧化带

(1)I号抽水蓄能电站ZK01号勘察钻孔的综合测井成果如图2所示,所测深度内均为石英砂岩,垂深17.2m以下纵波速度平均为6200m/s,而在17.2m以上纵波速度平均仅为3300m/s。其原因即为浅部岩层风化、氧化,成为卸荷带,波速明显减小。

(2)Ⅱ号抽水蓄能电站SZK02号勘察钻孔的测井成果如图3所示,钻探揭露的基岩是花岗岩,纵波速度曲线在46.20m以浅为较低异常(最低170Ore/s,平均在3500rids左右),确定46.20m以浅为岩层风化、氧化带。

4.3解释裂隙和软弱夹层

裂隙和软弱夹层都是工程建筑,特别是水利工程建设中需要重点处理的地质问题。Ⅲ号抽水蓄能电站LN01号勘察钻孔的测井成果如图4所示。钻孔揭露的岩层也是花岗岩,在孔深21.5O~22.0O,33.8O~34.4O,40.1O~40.90m纵波速度曲线均表现为低尖峰异常,与视电阻率曲线低尖峰异常一一对应,分析解释为岩层裂隙,经与钻探取心资料对比,完全吻合。当裂隙在后期充填泥质后就成为软弱夹层,曲线反映与裂隙相似。

4.4确定弹性参数

将测井计算的岩土层力学性质与实验室获得的岩土层样的力学性质进行对比,发现两者具有一定的相关性和可比性,可作为评价岩土层强度的依据,为工程勘察参考所利用。汝阳县前坪水库ZK3号工程勘察钻TLN井成果见表2。由于声波测井是连续的(一般0.05m,精度高),计算的弹性参数也是连续的,根据需要,可以从测井数据库导出大于等于0.05m多种深度间隔的弹性参数数据表,非常方便。

5结语

声速测量范文第7篇

Abstract: Measure the speed of sound with four different sound velocimeter in the same experiment environmental conditions. Each instrument are used for resonance interferometry and phase measurement of acoustic wave propagation velocity in the air and make a comparative study. In the measurement of the resonance interferometry, select the digital oscilloscope to observe changes in the voltage values to determine the maximum position; in the experimental phase method, choose minimum voltage sensitivity of the oscilloscope to observe the changes of lissajous figures. The results show that the phase method is more accurate and superior than the resonance interferometry.

关键词: 声波;驻波法;相位法;数字示波器

Key words: sound waves;standing wave method;the phase method;digital oscilloscope

中图分类号:O657.5 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2012)24-0064-02

0 引言

声波是一种在弹性媒质中传播的机械波,频率低于20Hz的声波称为次声波;频率在20Hz~20KHz的声波可以被人听到,称为可闻声波;频率在20KHz以上的声波称为超声波。

声波在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态因素有关。因而通过媒质中声速的测定,可以了解媒质的特性或状态变化[1-4]。声速测定在工业生产上具有一定的实用意义。

由于超声波具有波长短、易于定向发射等优点,所以在超声波段进行声速测量是比较方便的。超声波的发射接收一般通过电磁振动与机械振动的相互转换来实现。最常见的是利用压电效应和磁致伸缩效应。本实验就是测量频率为36.90kHz的超声波在空气中的传播速度。

1 实验原理

测量声速的方法有两种:时差法和波动法[5-8]。

时差法在工程中得到了泛的应用。它是将经脉冲调制的电信号加到发射换能器上,声波在介质中传播,经过t时时间后,到达L距离处的接收换能器,所以可以用以下公式求出声波在介质中传播的速度。声波传播的距离与传播的时间存在下列关系:v=L/t。

在波动过程中波速V、波长?姿和频率f之间存在着下列关系:V=f?姿,实验中可通过测定声波的波长?姿和频率f来求得声速V,通常情况下声波的频率是已知的,这样只要测出声波在介质中传播的波长即可。常用的方法有共振干涉法与相位法。本次实验研究采用的就是利用共振干涉法和相位法展开的。

1.1 共振干涉法 装置如图1所示,压电陶瓷换能器S1作为声波发射器,它由信号源供给频率36.90千赫的交流电信号,由逆压电效应发出一平面超声波;而换能器S2则作为声波的接收器,正压电效应将接收到的声压转换成电信号,压电陶瓷换能器压电效应中压力和电信号之间是正比关系,所以示波器上显示的电信号越强说明作用在压电陶瓷换能器端面上的力越大,从而说明处在S2接受器端面位置的声压也越大。由于声波要在S1和S2两器件端面之间反射多次,因此在两各端面之间形成的声波场对应的质点位移变化和声压变化不再是简单的驻波,而是行驻波,但在端面距离较小时,接收端面近似处于声压波腹位置,且相邻的两个声压极大值之间距离?驻L=?姿/2[9-11],这样只要测量出一系列相邻的声压级极大位置就可以测出波长。

1.2 相位法 实验原理如图2所示,当发射端S1发出的平面超声波通过媒质到达接收端S2,在发射波与接收波之间产生相位差:

入射波的平面波方程:x=A1cos(?棕t+?渍1)

反射波的平面波方程:y=A2cos(?棕t+?渍2)

合振动方程为

■+■-■cos(?渍1-?渍2)=sin2(?渍2-?渍1)

此方程轨迹为椭圆,椭圆长短轴和方位由?驻?渍=(?渍2-?渍1)决定。

当?渍2-?渍1=0时,y=■x,轨迹为通过一和三象限的直线。

当?渍2-?渍1=?仔/2时,y=■+■=1,轨迹为以坐标轴为主轴的椭圆。

当时?渍2-?渍1=?仔时,y=-■x,轨迹为通过二和四象限的直线。

声速测量范文第8篇

关键词:声波测井技术;岩土工程勘察;应用

1前言

岩土工程勘察是查明拟建场地内及其附近有无影响场地稳定性的不良地质作用,划分场地土类型和建筑场地类别;查明场地范围内的地层结构及均匀性,提供各岩土层的物理力学指标等。当前,随着数字测井技术的不断发展提高,声速测井作为一种重要的测井方法,在油田勘探和开发、工程物探等许多领域有广泛的应用。采用声速测井技术,可用弹性波纵波速度划分岩体风化带、解释软弱夹层、评价岩体完整性、计算相关的动力学参数;可用弹性波横波速度判别沙土液化,参与计算岩土抗剪强度和相关动力学参数;其他动力学参数可用于评价地层的力学强度和结构特性。

2 声速测井的测试原理

由于不同岩层有不同的声波传播速度,采用声速测井技术(一般测量纵波速度),由仪器发射晶体发射的声波耦合后在地层中传播,经地层传播的声波被仪器接收晶体接收。因为发射晶体和接收晶体的间距是一定的,所测得的声波传播时差与传播速度成反比。根据需要可以把传播时差换算为声波速度,结合其他物理参数,还可以计算出横波速度,从而进行钻孔岩性划分、岩层风化和氧化带的确定、解释裂隙和软弱夹层、弹性参数的计算等。

2.1根据不同的声波传播速度,结合电阻率、自然伽玛等参数,对钻孔岩性进行划分。

2.2由于岩石因风化、氧化,胶结程度会变差,疏松甚至破碎,在测得声波速度后,将其与新鲜完整岩石的声波速度进行比较,波速减小量反映了岩石的疏松、破碎程度,由此可确定岩层风化、氧化带。

2.3如果岩层有裂隙及软弱夹层,当声波传至此时会速度会有所降低,在测试时如声波出现异常,可据此来解释裂隙及软弱夹层。

2.4确定弹性参数。根据弹性力学的知识,可根据介质密度ρ,介质中声波传播的纵波速度Vp与横波速度Vs确定介质的弹性参数:

E=ρVs2(3 Vp2-4 Vs2)/(Vp2-Vs2)

δ= Vp2-2 Vs2/2(Vp2-Vs2)

μ=ρVs2

k=ρ(Vp2-4/3 Vs2)

式中:E为介质的弹性模量;k为体积模量;u为切变模量;δ为泊松比。

声速测井一般提供的是纵波时差 tp,并可换算为纵波速度Vp,而横波速度Vs由经验公式计算:

Vs= Vp[1-1.1.5(1/ρ+1/ρ3)/e1/ρ]3/2

3 影响岩石声波速度的主要因素

岩石的声速指的是声波在岩石中的传播速度。理论和实践证明,岩石的声波速度主要与密度有关,并且是随着岩石密度的增大而增大,其主要影响因素有以下几点:

3.1 岩石的密度对声波速度的影响。在不同岩性的岩石中,由于岩性的岩石密度不同,声波传播速度也会不同。一般,石灰岩砂岩砂质泥岩泥岩的密度依次减小,它们的声波速度也依次减小。

3.2岩石结构。岩石胶结性差、疏松,声波速度低;而岩石胶结性好致密,则声波速度高。岩石中的裂缝、溶洞等均会对声波速度产生较大影响。

3.3岩石孔隙间的储集物。岩石中孔隙间的储集物不同,也会对岩石的声波速度产生影响。

3.4地层埋藏深度及地质时代。地层埋藏的深浅及地层时代的新老均对声波在地层中的传播产生影响。岩性和地质时代相同,地层埋深大、压力大,则声波速度高;反之,地层埋深浅、压力小,由声波速度低。同一岩性,老地层比新地层声波速度高。

3.5 岩石含水率对声波速度的影响。水对岩石的声波速度产生重要影响,随含水量增加,岩石的纵波速度和横波速度增大,但是由于岩性不同,其岩石矿物成分、胶结状况和结晶程度等因素差异很大,因此,随含水量增加,岩石的声波速度增高的速率则不完全相同,水对岩石声波速度的影响经回归分析得到如下关系:

V=V0+kw

式中:V――不同含水量状态下岩石纵波或横波速度,m/s;

V0――干燥状态下岩石纵波或横波速度,m/s;

k――水对岩石声波速度影响系数;

w――含水量。

4 工程应用实例

某工区地形比较平坦开阔,局部有缓丘及冲沟发育。覆盖层主要为黄褐色粘土、粉质粘土和乱石层,而基岩以泥岩为主,局部夹薄层透镜状砂岩,产状平缓,倾角3-5°。应勘察技术要求,用声波测井法判别划分钻孔岩性、确定岩层风化和氧化带以及确定各地层动力学参数。

4.1利用波速法计算岩土的动力参数

根据实测获得的声波传播速度(横波速度 Vs和纵波速度Vp)即可计算岩(土) 体的动弹性力学参数,为工程设计提供参考。计算公式如下:

Ed=(2 Vp2-Vs2)/2(Vp2-Vs2)

Gd= Vs2

式中:Ed为动弹性模量,MPa;Gd为动剪切模量,MPa;d为动泊松比;Vp为纵波速度,m/s;Vs为横波速度,m/s。

根据现场采集数据,处理后计算得各地层动力学参数如表1。

表1 工区各介质勘察钻孔声速测井成果

岩土名称 深度范围/m Vp/m s-1 Vs/ m s-1 动泊松比d 动剪切量Gd/ MPa 动弹性量Ed/ MPa

(粉质)黏土 3-5 460 180 0.41 63.5 179.0

粉土 6-8 630 260 0.40 132.5 370.3

卵石 10-15 920 395 0.39 349.5 969.5

卵石 16-21 1880 600 0.44 807.8 2332.0

中风化砂岩 23-25 2980 1040 0.43 2747.0 7861.0

弱化砂岩 27-28 3570 1450 0.40 5340.0 14970.0

中风化泥岩 29-30 3530 1510 0.38 5951.0 16520.0

从表1可以看出,砂岩、泥岩的纵波速度较高,黏土的纵波速度较低,在综合分析解释的基础上,其既可校正地解释岩性和岩层,又可检验其推测精度。

泊松比反映的是岩体弹性性能,即在应力作用下产生纵向相对与横向相对变形量之比的倒数,反映的是岩体“软”“硬”程度。泊松比越小,岩石越坚硬。纵波与横波比值能判定岩石的完整性。波速是岩土物理性质的重要参数,波速大小在一定程度能反映岩土密实度、孔隙度、风化程度和裂隙发育程度。岩石密度小、孔隙大、裂隙多使波在传播中发生绕射,声线“拉”长,旅行时间延长,速度降低。

5声速测井技术在岩土工程勘察中存在的不足

5.1声波在具有裂缝和溶洞的地层中传播时,会因产生多次反射而使能量明显衰减,此时滑行波的幅度亦会减小。要解决这一问题,可以提高探头的发射功率,用以增大滑行波的能量。

5.2 动力学参数虽能评价岩体完整性、软硬程度、风化程度、裂隙发育等,但目前尚缺乏全国性的统一标准和规范对岩石分类,大多是一些某单位或某部分的经验值或推荐公式,因此迫切需要统一的分类标准和规程早日出台。

6结束语

综上所述,声速测井技术作为一种直接的勘察方法,其除了能够计算各种弹性参数外,还能够进行岩性划分、圈定岩体风化带和氧化带、解释岩层的裂隙及软弱夹层等,在岩土工程勘察中发挥了重要作用。实践证明, 声速测井应用效果良好,产生了较好的经济和社会效益。

参考文献:

[1]赵振宇.论声波测井在地质勘察中的应用[J].城市建设理论研究,2011(25).

[2]刘海涛,任广智.浅层地震反射波法与声波测井在岩土工程中的应用[J].工程地球物理学报,2009(04).

声速测量范文第9篇

关键词:无验潮GPS-RTK 测深 运用

概述

传统水下地形测量大多使用差分GPS解决平面定位问题,采用验潮数据将测深仪采集的水深数据进行改正,归算到所需要的当地理论基面。再通过时间将平面位置和水底标高匹配,获得测区三维数据。近几年随着RTK的普及和水上导航测量软件的成熟,一种新型的水上测量方式得到推广,并渐渐成为日后发展的趋势,这就是无验潮水下地形测量方法。采用GPS-RTK技术,就可以不需要潮位数据,直接获得所需要的三维数据。

1无验潮水深测量原理

1.1无验潮水深测量系统组成

无验潮水深测量系统主要由GPS-RTK、测深系统、水上导航采集软件三部分组成。测深系统里面有测深仪、换能器。

1.2无验潮水深测量系统工作原理

如图所示,设在某一时刻测深仪采集的水深h2加上船的动吃水h1,就是这一时刻海面到海底的深度,也就是测深仪上显示的数据。L为GPS天线相位中心到测深仪换能器底部的长度。这一时刻GPS-RTK可获得该点的的三维坐标数据(X,Y,h3)。由图很容易计算出这一时刻的海底标高h=[h3-(h1+h2)-L]。此时提取的(X,Y,h)就是该点的三维数据,也就是最终需要的数据。式中L是固定不变的,h1+h2是测深仪实时采集的数据,X,Y,h3是GPS实时采集的数据。

2无验潮水深测量步骤

2.1测区内七参数求取

求取七参数方式主要有两种。一种是通过各地的测绘主管部门获得数据。因为他们了解各个区域的数据资料,可以通过他们是数据计算获得该地区的转换参数;另一种方式是自行求取。具体做法是在靠近测区的岸边选取不少于4个的控制点,一般5个。这些控制点应该尽量选取在平坦地区,而且均匀分布在测区内。联测这5个控制点的,分别得出它们的WGS-84坐标和对应的1954北京坐标和1985年水准高程。最后,取任意其中4个点数据,计算出七参数,另一点供检核使用。在计算七参数时也可以直接将1985年水准高程换算到当地的理论基面,再计算七参数,此时从移动站RTK获得的高程,直接就是以当地理论基面为基准的高程。

2.2外业数据采集

2.2.1基准站架设和移动站比对

将GPS基站架设到已知控制点上,架设按后电台。在手簿中输入该控制点WGS-84坐标数据,仪器高等数据。确认无误后开始发射。值得注意的是,架设基准站的控制点最好能位于测区中比较高的位置,这样有利于移动站信号接收。此时测船工作人员应该将仪器都连接好,在软件中设置好坐标系,投影参数,七参数等。等等移动站接收到基站的差分信号并固定解以后,将测船靠近岸边控制点进行比对。不是特殊规定的水下地形测量时。一般认为平面和高程精度都在±10cm之内,可认为此次比测结果满足要求。等当天的外业采集结束后也需要进行比对。

2.2.2声速测定和测深仪比对

声速测定和测深仪的水深比对都是在测船上进行的。在测区内选择一合适位置,将声速仪抛入水中,通过声速仪数据得出该位置至上而下平均声速。将这个声速值输入测深仪中,进行测深仪水深比对。一般根据要求,每次工前工后都需进行声速测定和测深仪水深比对。

2.2.3数据采集

一切比对完成后,打开采集软件,调入测线文件,进行外业水深数据采集。舵手根据测量软件中的导航数据窗口,掌控船的动态使测船在布设好的测线上进行平稳行驶。在水深采集的工程中,要密切注视测深仪数据和回波是否正常以及RTK定位数据是否为固定解。一旦发现问题,立刻停止采集。待恢复正常后方可继续采集。采集结束比对完成后,将所采集的数据打包、拷贝,移交内业处理。

2.3内业数据处理

水下地形测量内业处理软件业有很多,各软件处理原理可能也不一样。但是主要指导思想都是将测深仪采集的水深数据在电脑上进行回放,根据测深仪回波纸上回波进行核对,对采集的原始数据中假水深进行剔除,生成一个处理后的水深文件。然后再将GPS定位数据和处理后的水深数据通过时间匹配,得出三维坐标。最后通过成图软件进行编辑,绘制,最终出图。无验潮水下地形内业处理和常规水下地形测量内业步骤处理几乎一样,只是不需要进行潮位归算改正。

3无验潮水深校核检查

无验潮水深校核检查主要是通过验潮方式来进行的。在进行无验潮测量的同时,可人工验潮一段时间。后处理的时候提取人工验潮的这部分数据通过潮位处理得出水深图,和无验潮得出的结果相比较,很容易就能检验无验潮测量结果的可靠性。还可以通过软件将无验潮采集的数据中的潮位(上图中那一时刻的潮位td = h3-(L-h1))提取出来,看看潮位曲线是否平滑,来大体判断测量数据的质量。

4无验潮水深测量使用的几点体会:

1、无验潮减少外业采集的的工作量。特别对于较大面积测量时,解决了由于验潮带来的一系列问题。比如测区周边没有码头和比较的好的平台进行人工验潮等问题。同时还节省了验潮人员的费用,控制了成本。

2、避免浪涌等引起的误差。传统验潮法在测量中由于受到浪涌影响,测深仪换能器随着船的上下起伏而起伏,使测得的水深有瞬时误差。在处理时,通过数学模型只能是减弱其影响,而不能消除,因为波浪起伏规律并不是简单的一个数学模型,很复杂。无验潮法是通过GPS天线高程来直接推算水下高程的,GPS天线与换能器的相对位置不随船的上下波动而变化,始终固定,所以能直接就避免了涌浪引起的垂直误差。

3、精度高。传统验潮法测量精度主要取决于潮位数据的质量,而验潮受风浪、人为读数误差影响比较大,同时DGPS平面定位精度仅为亚米级,在某些精密工程中已经不适用;而RTK平面定位数据和高程数据精度都可以达到cm级。

由此可以看出采用无验潮水下地形测量使得水深测量这项工程变得轻松、简单、高效,但是目前使用还是有局限性,最远也就是距岸边基准站只有10公里,不过我相信,随着GPS技术的发展,特别是GPS后差分技术完善,以后远离岸边使用无验潮技术进行水下地形测量的日子也是指日可待的。

声速测量范文第10篇

关键词 Matlab 可视化 光学仿真 牛顿环

中图分类号:G642 文献标识码:A DOI:10.16400/ki.kjdks.2016.07.022

Abstract Using the GUI function of MATLAB in visual processing and scientific computing ability, we designed physics experiment of Newton's ring optical simulation simulation, from the point of view of simulation results and experimental simulation very vivid. At the same time, it can simulate measurement, to achieve the desired effect.

Key words Matlab; visualization; optical simulation; Newton's ring

Matlab是Matrix Laboratory(矩阵实验室)的简称,是美国Math Works公司出版的商业数学软件,不仅具有数据分析、科学计算和图像处理等功能,还具有交互式图形用户界面等功能,Matlab语法简单方便,数值计算高效,图形功能完备,所以matlab在物理现象演示、作图、数据处理优化和模拟仿真方面应用非常广泛。①

本文基于Matlab GUI②设计,通过牛顿环、声速测量、迈克尔逊干涉仪的模拟和具体实例分析,从而了解Matlab可视化在大学物理中的演示应用,及数据处理过程。③通过数字化模拟演示,生成动态图像,完成数据测量及数据处理分析,并扩展了实验的观察项目,达到明晰原理,提高观察效果,分析误差成因等更好的教学效果。鉴于物理设备和光学实验的操作规范性强等原因,实物操作实验存在原理清晰度不够、观察吃力、测量误差大等不足。而Matlab可视化演示能在实物实验的基础上提供更加理论的补充,能在设备不变操作时辅助课堂教学,能在对比实验中寻求误差原因等等,从而促进大学物理的教学。目前我们已近积累了相关演示项目近30余项,也为目前全国推进的慕课和微课作好了资源储备。下面是我们可视化的两个具体项目。

1 牛顿环Matlab可视化演示项目

1.1 牛顿环干涉原理

牛顿环是通过可见光的等厚干涉而得到的一系列同心圆环,通过测量干涉圆环的直径,我们可以间接测量半凸透镜的曲率半径。牛顿环实验光路图如图1所示。

我们在实际测量过程中,为了提高测量精度,都是测量圆环的直径。通过测量级和级暗环的直径,得到半凸透镜的曲率半径为⑤

1.2 牛顿环的Matlab模拟

牛顿环干涉的光强分布为⑥

可由(1)式可得到:

我们利用Matlab计算牛顿环的光强分布,应用GUI的图形化处理功能和交互式用户界面,得到如图2的牛顿环演示实验界面,界面的左边为实验原理装置部分,右边为干涉图像。测量控件的光强回调函数如下:

lamda=str2double(get(handles.lamda,'string'));

R=str2double(get(handles.R,'string'));

d=str2double(get(handles.d,'string'));

lamda=get(hObject,'Value');

set(handles.lamda,'String',num2str(lamda));

lamda=lamda*1e-7;

d=d*1e-7;

lamda1=lamda*1e9;

set(handles.text2,'string',lamda1);

[x,y]=meshgrid(linspace(-0.006,0.006,600));

r2=(x.^2+y.^2);

di=2.*(d-(R-sqrt(R^2-r2)))-lamda/2; %光程差

I=(cos(di.*pi/lamda)).^2; %光强分布

axes(handles.axes2);

imshow(I);

在交互式部分,我们可以通过滑条改变入射光的波长,半凸透镜的半径,以及半凸透镜与平板玻璃底部的距离,观察干涉条纹的变化,从而了解影响干涉条纹的要素。同时我们还设计了与实际测量相仿的测量方式,通过十字标线读取圆环的位置坐标,从而到达测量圆环直径的效果。

2 声速测量的Matlab模拟演示项目

我们还设计了如图3所示的声速测量模拟演示实验,通过输入超声波频率和调节滑条,达到转动轮转动,同时超声波接收器移动,示波器上的李萨茹图形发生变化,以及共振法的波形振幅改变,从而达到模拟实验测量的效果。

3 结论

我们通过上面的具体实例,讨论了Matlab在大学物理演示实验中的应用,同时,也可以利用Matlab强大的图形处理功能和计算功能,将更多的物理实验展示给学生,我们还做了单缝衍射,光栅衍射等模拟演示实验,通过上面的讨论,利用Matlab数值计算及可视化功能,实现了大学物理实验的模拟设计,不仅可以利用Matlab来演示物理实验,也可以作为物理实验教学过程的一个辅助手段。同时,在理论教学过程中作为物理演示展示给学生,帮助学生理解和学习物理原理。使得教学过程和内容更加生动。

注释

① 刘志成,张君霞,黄蕊.Matlab可视化在大学物理实验中的应用.大学物理实验,2015(1):69-72.

② 张志涌.精通MATLAB 6.5版.北京航空航天大学出版社,2003:482-495.

③ 黄蕊,张君霞,刘志成.用MATLAB比较双缝干涉和双缝衍射.大学物理实验,2015(1):90-22.

④ 马文蔚,解希顺,周雨青.物理学(第五版)下册.高等教育出版社,2006:111-113.

⑤ 聂玉梅,刘强等.大学物理实验.兵器工业出版社,2007:35-36.

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