不同入射频率下超声波横波在砂岩中的传播特性研究_汪永超.pdf

书书书Journal of Engineering Geology工程地质学报10049665/2023/31(2)-0469-10汪永超，管华栋，王观石，等 2023 不同入射频率下超声波横波在砂岩中的传播特性研究J 工程地质学报，31(2):469478 doi:1013544/jcnkijeg20220146Wang Yongchao，Guan Huadong，Wang Guanshi，et al 2023 Propagation characteristics of ultrasonic shear wave in sandstone under different incidentfrequenciesJ Journal of Engineering Geology，31(2):469478 doi:1013544/jcnkijeg20220146不同入射频率下超声波横波在砂岩中的传播特性研究*汪永超管华栋王观石罗嗣海程锦山(江西理工大学土木与测绘工程学院，赣州 341000，中国)(江西理工大学江西省环境岩土与工程灾害控制重点实验室，赣州 341000，中国)(南昌航空大学土木建筑学院，南昌 330000，中国)摘要岩石中超声波横波声学参数与力学参数密切相关，利用超声波横波传播特性可以反演岩石力学参数，但目前相关研究成果较少，因此需要深入开展岩石中超声波横波传播特性的研究。本文以灰砂岩、红砂岩和黄砂岩为研究对象，开展50 kHz、100 kHz 和 200 kHz 频率下超声波横波传播试验;提取波速、主频和最大幅值等声学参数进行砂岩中超声波横波的传播特性研究;通过归一化处理，分析了 3 种声学参数对弹性模量变化的敏感性。结果表明，在 3 种砂岩中，横波波速、主频都随入射频率和弹性模量增大呈非线性递增趋势，最大幅值随入射频率呈降低趋势，而弹性模量和入射频率对 3 种声学参数变化率的影响呈现出不同规律;整体分析发现最大幅值对砂岩弹性模量变化的敏感性最强，基于最大幅值建立了砂岩弹性模量的估算公式;基于波形、信噪比、相关性的综合考虑，建议今后采用 50 kHz 作为砂岩超声波横波测试的入射频率。研究成果可以为超声波测试技术的发展提供参考。关键词砂岩;超声波横波;入射频率;声学参数;弹性模量;敏感性中图分类号:P642.3文献标识码:Adoi:1013544/jcnkijeg20220146*收稿日期:20220329;修回日期:20220711基金项目:国家自然科学基金项目(资助号:41462009)，江西省高等学校井冈学者特聘教授岗位资助(资助号:205201200003)，江西省教育厅科学技术研究项目(资助号:GJJ190499)，江西理工大学人才培养项目(资助号:205200100112)，桥梁无损检测与工程计算四川省高校重点实验室 2021 年度开放基金项目(资助号:2021QYY01)This research is supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No 41462009)，the Post of Jinggang Scholar and Distin-guished Professor of Jiangxi Colleges and Universities(Grant No 205201200003)，the Science and Technology esearch Project of Jiangxi Provin-cial Department of Education(Grant No GJJ190499)，Talent Training Project of Jiangxi University of Science and Technology(Grant No205200100112)and Bridge Nondestructive Testing and Engineering Calculation Sichuan Provincial University Key Laboratory 2021 Open FundProjest(Grant No 2021QYY01)第一作者简介:汪永超(1994)，男，硕士生，主要从事岩石动力学方面的学习 E-mail:cc3alss126com通讯作者简介:管华栋(1988)，男，博士，讲师，主要从事岩石动力学方面的科研与教学工作 E-mail:yidixuezi126comPOPAGATION CHAACTEISTICS OF ULTASONIC SHEA WAVE INSANDSTONE UNDE DIFFEENT INCIDENT FEQUENCIESWANG YongchaoGUAN HuadongWANG GuanshiLUO SihaiCHENG Jinshan(School of Civil Surveying Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China)(Jiangxi Province Key Laboratory of Environmental Geotechnical Engineering and Hazards Control，Jiangxi University of Scienceand Technology，Ganzhou 341000，China)(Nanchang Aviation University，School of Civil Engineering and Architecture，Nanchang 330000，China)AbstractThe acoustic parameters of ultrasonic shear waves in rocks are closely related to mechanical parametersThe mechanical parameters of rocks can be inverted by using the propagation characteristics of ultrasonic shearwaves However，there are few relevant research results at present，so it is necessary to carry out in-depth researchon the propagation characteristics of ultrasonic shear waves in rocks Taking grey，red and yellow sandstone as theresearch objects，carry out ultrasonic shear wave propagation experiments at frequencies of 50，100 and 200 kHzWe extract acoustic parameters such as wave speed，dominant frequency and maximum amplitude to study the prop-agation characteristics of ultrasonic shear waves in sandstone The results show that in the three types of sandstones，the shear wave velocity and dominant frequency all show a nonlinear increasing trend with the increase of the inci-dent frequency and elastic modulus，and the maximum amplitude decreases with the incident frequency Throughhomogenization，the sensitivity of the three acoustic parameters to the change of elastic modulus is analyzed The re-sults show that in the three kinds of sandstone，the shear wave velocity，dominant frequency and maximum ampli-tude increase nonlinearly with the increase of incident frequency and elastic modulus，while the effects of elasticmodulus and incident frequency on the change rates of three acoustic parameters show different laws The overall a-nalysis shows that the maximum amplitude is the most sensitive to the change of the elastic modulus of sandstoneThree estimation formulas for the elastic modulus of sandstone are established based on the maximum amplitude50 kHz is the incident frequency for ultrasonic shear wave testing of this type of sandstone The research results canprovide reference for the development of ultrasonic testing technologyKey wordsSandstone;Ultrasonic shear wave;Incident frequency;Acoustic parameters;Modulus of elasticity;Susceptibility0引言岩石超声波测试技术通过超声波透、反射信号获取波速等声学信息(徐晓炼等，2015)，间接了解岩石或岩体的物理力学特性和结构特征，从而解决岩土工程中的一系列相关问题(刘利，2018)。相关学者(王宇等，2015;孟令超等，2020;沙鹏等，2021;吴永洁等，2021;许江波等，2021)在探索声学信息与力学参数之间的内在联系方面做了大量的研究;王世广等(2014)、唐杰等(2012)、朱洪林等(2021)分别研究了不同类型的岩石中超声波波速与结构构造和孔隙度的关系，发现岩石结构构造和孔隙度对超声波波速影响较大，饱和岩样中波速比随着孔隙度的增加有更分散的效果;宋战平等(2014)从饱水状态下岩石的声波波速角度出发分析了饱水天然裂隙片岩的波速特性和在压缩全过程中波速随应变的变化规律;谢佳(2020)、金解放等(2011)分别研究了灰岩和英安斑岩中声波波速与力学参数之间的关系，说明了纵波波速和单轴静抗压强度、静弹性模量之间具有良好的线性正相关性，英安斑岩的动弹性模量与纵横波波速有良好的线性相关性;黄星等(2015)通过超声波测试，对冻结粉质黏土的声波参数与其物理力学性质之间的关系进行了分析，说明了声波波速与强度有较好的相关性;此外，Zingano et al(2021)通过现场和实验室的纵波速度测量进行岩石的单轴抗压强度、密度和孔隙度的估算;刘莉莎等(2017)、