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第9章 岩体声波检测技术
9.1 概述
在岩体中传播的声波是机械波。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。岩体声波检测(Rock Mass Sound Wave Detecting)所使用的波动频率从几百赫到50千赫(现场岩体原位测试)及100到1000千赫(岩石样品测试)，复盖了声频到超声频频段，但在检测声学领域简称其为“声波检测”。 应提及的是：这里所阐述的声波检测还包含一些被动声波检测，即不需要振源的地声检测技术概述。 9.1.1 岩体声波检测技术的进展概述
我国岩体声波检测技术应用研究，是在上世纪六十年代中期开始的。它的起步借鉴了金属超声检测和水声探测技术，从仪器研发、换能器的仿制到研制，现场原位检测及室内试件测试方法研究，经历了四十个春秋，是在一代科技工作者多学科群体的努力下完成的；
到今天，检测仪器由第一代电子管式、第二代晶体管式、第三代小规模集成电路式，发展到今天的第四代，即由声波发射电路、大规模集成电路的数据采集系统、计算机嵌入式主板、操作系统软件、信号分析处理软件等组成，成为具有一定智能分析功能的声波检测分析仪，换能器多达十余个品种；
由纵波测试应用发展到横波测试；由声学参量声时的应用，发展到波幅、频率的应用。 目前，声波检测技术纳入了不同行业的多个规程、规范，说明该项技术的发展成熟程度。 9.1.2 岩体声波检测使用的频率
岩体声波检测随检测目的、检测距离的不同，应用不同频率的震源，可用表9-1加以概括：
表9-1 不同频率震源的检测目的、检测距离
检测目的 大距离检测岩体完整性 跨孔检测岩体溶洞、软弱结构面 岩体松动范围、风化壳划分评价 岩体灌浆补强效果检测 岩体动弹性力学参数、横波测试 岩石试件枞波与横波声速测试 矿物岩石物性测试研究 地质工程施工质量检测 换能器/锤击 20-50/0.5-5 0.5－10/1-50 所用震源 锤击震源 电火花震源 超声换能器 超声换能器 换能器/锤击 超声换能器 震源频率（kHZ） 探测距离（m） 0.5－5.0 0.5－8.0 20－50 20－50 20－50/0.5-5 1－50 1－50 备注 决定于由岩石试件尺寸 0.5－10 1－10 0.5－10/1-50 100－1000 0.01－0.15 9.2 声波在岩体中的传播规律 9.2.1岩体的声速
岩体声波检测技术得到广泛应用，有着完善的物理基础。首先，我们讨论岩体的声速与岩体物性间的关系。鉴于岩体的结构特征，和检测的对象既有大块的岩体，也有小尺寸的岩石试件，由固体中波动方程的解可知，岩体或岩石的几何尺寸与声波波长相对关系的不同，边界条件是不一样的，声速的表达式也不一样，有必要对它们分别讨论。 9.2.1.1 无限(无界)固体介质中的声速
无限体(介质)指的是介质的尺寸远比波长λ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，存在D＞(2~5)λ，此时的介质可认为是无限体。
无限体纵波的声波传播速度
ＶＰ?E???1??? （9-1）
?1????1?2??1
无限体横波的声波传播速度
ＶＳ?G??E??12(1??) （9-2）
式（9-1）（9-2）中 Ｅ――弹性模量（Ｐａ）
Ｇ――剪切模量（Ｐａ） ?――泊桑比（无量纲）
。 ?――质量密度（ｋｇ/ｍ3）
9.2.1.2 有限固体介质中的声速
1. 一维杆的声速
（1） 一维杆的边界条件
当固体介质的尺寸和波长满足下列关系称为一维杆。即：
? ?2DD?1
L5上式中 λ――波长
D――一维杆直径 L――一维杆的长度
（2） 一维杆轴线方向的纵波声速为
VB?E? （9-3）
显然，VB与无限体的纵波声速相差
?1???，见式（9-1）
，当?=0.2～0.25，
?1????1?2??VP?(1.05－1.1）VB
（3） 论述一维干的声速的目的是：在测取岩石试件的声速时，岩石试件可能是圆柱体，
也可能是长方体，故不可以把岩石试件的尺寸加工成一维干，因为这时测出的声速是（9-3）式的一维干的声速，不是无限体的声速，其值不能代表现场测到的岩石无限体的声速，也不能作为计算岩体完整性指数的ＶＰＲ值。
（4） 但如果把岩石试件有意加工成一维干，测其轴向声速，再按（9-3）式到是可以测算出岩石的弹性模量
2. 二维板的声速
当岩体的尺寸满足二维板的边界时，即在X及Y方向的尺寸远大于Z方向尺寸，且Z方向的尺寸Lz＜?时，二维板在X及Y方向的声速如下：
VP?E1 （9-4）
?21??2?? 2
板状建筑石材的声波检测，对垂直于厚度方向的纵波声速，应按式（9-4）来考虑，同样可以用声速来确定其完整性及动弹性力学性能。
9.2.2 岩体中声波的反射、折射及波型转换
声波在岩体中的反射、折射、及波型转换也是岩体声学检测的重要理论依据。
9.2.2.1 垂直入射的反射及透射
※
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9-1，当声波传播的声线与ｎ＝ｘ的界面相垂直，称为垂直入射。在该界面处，将产生垂直反射，反射系数如下：
RP?P1??2c2??1c1?Z2?Z1 (9-5a)
P?2c2??1c1Z2?Z1RV?V1?1c1??2c2Z1?Z2 (9-5b) ??V?1c1??2c2Z1?Z2式（9-5a）的Rp称声压反射系数，说明了反射时质点振动的应力关系；式（9-5b）的RV称振速反射系数。同理可推导出声压透过系数。
RT?P22Z2? （9-6） PZ2?Z1垂直反射比较简单，不产生波型转换。
9.2.2.2 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是斜入射的，会产生反射、折射及波型转换，其规律见图9-2及图9-3。
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※ 在论述声学原理时，常用C表示声速。工程应用习惯以VP表示纵波声速，VS表示横波声速。本章
在讨论波阻抗时，仍用C表示声速，适应一般称呼。另外，C也可是对纵波、横波声速的总称。
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反射、折射规律遵循Snell定律，如式(9-7)：
Sin??Sin??Sin?tSin?t?Sin??????Vp1Vp1Vp2Vs2Vs1 (9-7)
?、式(9-7)中??、VP1是图9-3中的C1,VP2是图9-3中的C2,VS1?t?、??、?t的含意见图9-3，??是图9-3中上层介质的横波声速，VS2是图9-3中下层介质的横波声速。
有一种特殊的入射如图9-3（ｂ），由式(9-7)可得到一个特殊的入射角，称第一临界角
?I：
?I?Sin?1VP1 (9-8)
VP2它说明的是：当第一层介质声速高于第二层介质的声速时，且纵波入射角等于第一临界角时，折射角等于90°，即折射波在第二层介质表面滑行。
斜入射的声波在岩体中会产生波形的转换，即产生折射横波，如图9-3（ａ）。
[1]
9.2.2.3 斜入射时的反射及折射系数
图9-2纵波斜入射的反射系数RP 如式(９-９)，图9-3(a)中纵波的透过系数RT如式(9-10)
RP?Z2cos?l?Z1cos?l (9-9)
Z2cos?l?Z1cos?l RT?2Z2cos?l (9-10)
Z2cos?l?Z1cos?l(9-9)式及(9-10)式中的Z1??1c1，Z2??2c2，分别为上下层介质的波阻抗。
9.2.3 岩体中声波的传播与岩体结构关系
岩体的结构是复杂的，根据岩体结构的分类，可有；块状结构、层状结构、碎裂状结构、散体结构。
9.2.3.1块状岩体中的声波
显然，块状结构岩体中声波传播，可近似视为均匀无限介质中的传播，比较简单，如花岗岩、巨厚层灰岩、砂岩、大理岩等。 9.2.3.2层状岩体中的声波
层状岩体可用图9-4到图9-6模型来模拟。从中可见声波在这类岩体中传播要复杂一些。上述图中岩石的各层波阻抗分别为Ｚ1、Ｚ2、Ｚ3 ，且Ｚ1、Ｚ2、Ｚ3 不相等。可以看到垂直波阻抗界面入射的纵波Ｐ，声波的传播较为简单，如图9-4；斜入射纵波Ｐ如图9-5，要复杂一点，在界面处有波形的转换，折射的ＰＰ波到Ｚ2与Ｚ3界面再次折射和波形转换，于是接收点会收到ＰＰＰ波和ＰＰＳ波（转换波ＰＳ在Ｚ2、Ｚ3界面的转换波暂不论述），
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