一種巖體聲波檢測換能器的制造方法
【專利摘要】一種巖體聲波檢測換能器，包括發(fā)射換能器⑴、接收換能器⑵、剛性連接管⑶、測桿⑷、液壓泵⑻和聲波采集設(shè)備⑼，所述發(fā)射換能器⑴通過剛性連接管⑶與接收換能器⑵相連，發(fā)射換能器⑴頂端連有測桿⑷。其優(yōu)點(diǎn)是：通過可伸縮液壓觸頭與檢測孔孔壁巖體的直接接觸，不需要引入耦合劑，實(shí)現(xiàn)聲波測試的干孔檢測；不受施工供水、鉆孔方位及角度的影響，能適應(yīng)現(xiàn)場各種檢測條件；通過帶壓力表的液壓設(shè)備，控制耦合壓力，可以保證耦合條件的一致。由于排除了耦合劑的影響、保證了耦合條件的一致，使用本發(fā)明提出的裝置，在聲波測試中，除了可以更加精確地判讀波形起跳點(diǎn)獲得聲波波速數(shù)據(jù)外，還可以獲得聲波波幅、頻譜等方面的數(shù)據(jù)。
【專利說明】一種巖體聲波檢測換能器【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水利水電和巖土工程【技術(shù)領(lǐng)域】，具體的說是一種用于確定巖體開挖爆破影響范圍的巖體聲波檢測換能器。
【背景技術(shù)】
[0002]巖體爆破開挖過程中，由于爆炸荷載的作用，在完成巖石爆破破碎的同時(shí)，不可避免地對(duì)保留巖體產(chǎn)生動(dòng)力損傷；同時(shí)隨著新的自由面的形成，保留巖體的物理力學(xué)性能發(fā)生擾動(dòng)和劣化，形成所謂的開挖擾動(dòng)區(qū)或開挖損傷區(qū)。開挖擾動(dòng)區(qū)或開挖損傷區(qū)將對(duì)保留巖體及工程建筑的安全造成不利影響。合理準(zhǔn)確地判斷巖體開挖爆破影響范圍，判定開挖擾動(dòng)區(qū)或開挖損傷區(qū)，能有效地確保施工安全，減少工程投資。聲波測試由于測試方便和成果易判讀等優(yōu)點(diǎn)在水利水電和巖土工程中得到了普遍的應(yīng)用，常用的方法是引入縱波波速變化率來判定巖體開挖爆破影響范圍。
[0003]聲波測試的傳統(tǒng)工藝中，需要引入水作為耦合劑來完成測試，即發(fā)射換能器發(fā)出聲波，波動(dòng)通過水的耦合傳入巖體，再通過水的耦合傳入接收換能器。但是，在對(duì)巖體開挖爆破影響范圍進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，要求測定其天然狀態(tài)下的性能，由于大部分聲波孔是在水面以上，孔中并不存在水，只是為了測試，在檢測孔中加入水，這樣就改變了巖體含水的自然狀態(tài)，所測結(jié)果與天然狀態(tài)有差異；同時(shí)，水的存在會(huì)降低巖體的結(jié)構(gòu)面效應(yīng)，對(duì)波動(dòng)的傳播產(chǎn)生影響；第三，由于波動(dòng)傳播對(duì)水耦合的依賴，當(dāng)巖體比較破碎、聲波孔滲水嚴(yán)重時(shí)，會(huì)對(duì)測試的效率和精度產(chǎn)生影響。另外，由于在實(shí)際實(shí)施過程中，為方便換能器的移動(dòng)，換能器的直徑總小于檢測孔的直徑，換能器在檢測孔中移動(dòng)時(shí)，其在測試孔中位置的偏移，會(huì)導(dǎo)致耦合條件的不一致，改變聲波傳播的路徑，影響測試結(jié)果。
[0004]目前，也有不需要向鉆孔中注水的干孔換能器，基本原理多是在換能器外包裹柔性不透水材料(如橡膠等)制成的囊袋，通過向囊袋中壓水使之膨脹，以實(shí)現(xiàn)換能器和孔壁巖體的耦合，但也存在囊袋易磨損、壓力不易控制而造成耦合條件不一致等缺點(diǎn)，對(duì)測試實(shí)施過程和測試結(jié)果均有一定影`響。另外，也未就普通水耦合換能器使用中，由于換能器在檢測孔中位置偏移而造成耦合條件的不一致的問題進(jìn)行改善。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是根據(jù)上述現(xiàn)有技術(shù)的狀況，針對(duì)巖體開挖爆破影響范圍的聲波檢測，提出了一種巖體聲波檢測換能器，以解決聲波檢測中由于使用水作為耦合劑所帶來的問題，同時(shí)彌補(bǔ)使用現(xiàn)有的干孔換能器檢測方法時(shí)產(chǎn)生的缺陷。本發(fā)明可同時(shí)適用于單孔聲波檢測和跨孔聲波檢測。
[0006]一種巖體聲波檢測換能器，包括發(fā)射換能器、接收換能器、剛性連接管、測桿、液壓泵和聲波采集設(shè)備，所述發(fā)射換能器通過剛性連接管與接收換能器相連，發(fā)射換能器頂端連有測桿，發(fā)射換能器通過管線分別與液壓泵和聲波采集設(shè)備相連；所述發(fā)射換能器、接收換能器為內(nèi)置壓電陶瓷、液壓觸頭和液壓剛性墊塊的干孔換能器；所述剛性連接管的管壁為鏤空構(gòu)造，當(dāng)聲波通過管壁時(shí)，聲程是管長的6-7倍。
[0007]所述干孔換能器還包括金屬外殼，所述金屬外殼頂端設(shè)有用于連接液壓泵的液壓管以及用于連接聲波采集設(shè)備的屏蔽電纜；所述液壓觸頭和液壓剛性墊塊由金屬外殼內(nèi)的兩組位置對(duì)稱、長度和勁度系數(shù)相同的彈簧相連接。
[0008]所述液壓觸頭、液壓剛性墊塊與聲波檢測孔孔壁接觸的外表面均為弧面，液壓觸頭、液壓剛性墊塊的曲率半徑與孔壁曲率半徑相匹配。
[0009]所述金屬外殼外設(shè)防砂橡膠囊，防砂橡膠囊一端固定在金屬外殼上，另一端固定在液壓剛性墊塊上，防砂橡膠囊的長度與液壓剛性墊塊的行走長度相匹配。
[0010]或者一種巖體聲波檢測換能器，包括發(fā)射換能器、接收換能器、測桿、液壓泵和聲波采集設(shè)備，所述發(fā)射換能器、位于另一聲波檢測孔內(nèi)的接收換能器頂端分別連有測桿，發(fā)射換能器、位于另一聲波檢測孔內(nèi)的接收換能器通過管線分別與液壓泵和聲波采集設(shè)備相連；所述發(fā)射換能器、接收換能器為內(nèi)置壓電陶瓷、液壓觸頭和液壓剛性墊塊的干孔換能器。
[0011]所述干孔換能器還包括金屬外殼，所述金屬外殼頂端設(shè)有用于連接液壓泵的液壓管以及用于連接聲波采集設(shè)備的屏蔽電纜；所述液壓觸頭和液壓剛性墊塊由金屬外殼內(nèi)的兩組位置對(duì)稱、長度和勁度系數(shù)相同的彈簧連接。
[0012]所述液壓觸頭、液壓剛性墊塊與聲波檢測孔孔壁接觸的外表面均為弧面，液壓觸頭、液壓剛性墊塊的曲率半徑與孔壁曲率半徑相匹配。
[0013]所述金屬外殼外設(shè)防砂橡膠囊，防砂橡膠囊一端固定在金屬外殼上，另一端固定在液壓剛性墊塊上，防砂橡膠囊的長度與液壓剛性墊塊的行走長度相匹配。
[0014]通過帶壓力表的液壓泵8的增壓，可以使干孔換能器1、2的液壓觸頭12與聲波檢測孔10孔壁緊密接觸；通過液壓泵8的降壓，彈簧14自動(dòng)收縮，可以使干孔換能器1、2的液壓觸頭12與聲波檢測孔10孔壁分離，進(jìn)而進(jìn)入下一個(gè)點(diǎn)的測試。同時(shí)，通過壓力表的控制，可以保證在不同時(shí)刻進(jìn)行測試時(shí)的耦合條件一致。
[0015]本發(fā)明巖體聲波檢測換能器的優(yōu)點(diǎn)是:通過可伸縮液壓觸頭與檢測孔孔壁巖體的直接接觸，不需要引入耦合劑，實(shí)現(xiàn)聲波測試的干孔檢測；不受施工供水、鉆孔方位及角度的影響，能適應(yīng)現(xiàn)場各種檢測條件；通過帶壓力表的液壓設(shè)備，控制耦合壓力，即增大壓力使換能器與檢測孔孔壁完好接觸，可以保證耦合條件的一致。由于排除了耦合劑的影響、保證了耦合條件的一致，使用本發(fā)明巖體聲波檢測換能器，在聲波測試中，除了可以更加精確地判讀波形起跳點(diǎn)獲得聲波波速數(shù)據(jù)外，還可以獲得聲波波幅、頻譜等方面的數(shù)據(jù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明進(jìn)行單孔聲波檢測的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2為本發(fā)明進(jìn)行跨孔聲波檢測的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3為干孔換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖4為圖3的A-A向剖視圖。
[0020]圖5為剛性連接管的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖6為圖5的B-B向剖視圖。
[0022]圖7為現(xiàn)有換能器與本發(fā)明的干孔換能器在檢測孔中的相對(duì)位置示意圖。[0023]圖中，I為發(fā)射換能器，2為接收換能器，3為剛性連接管，4為測桿，5為液壓剛性墊塊，6為液壓管，7為屏蔽電纜，8為液壓泵，9為聲波采集設(shè)備，10為聲波檢測孔，11為金屬外殼，12為液壓觸頭，13為壓電陶瓷，14為彈簧，15為現(xiàn)有換能器，16為水，17為防砂像膠囊，18為連接螺栓。
【具體實(shí)施方式】
[0024]實(shí)施例一
下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明:如圖1、圖3-6所示，一種巖體聲波檢測換能器，包括發(fā)射換能器1、接收換能器2、剛性連接管3、測桿4、液壓泵8和聲波采集設(shè)備9，所述發(fā)射換能器I通過剛性連接管3與接收換能器2相連，發(fā)射換能器I頂端連有測桿4，發(fā)射換能器I通過管線分別與液壓泵8和聲波采集設(shè)備9相連；所述發(fā)射換能器1、接收換能器2為內(nèi)置壓電陶瓷13、液壓觸頭12及液壓剛性墊塊5的干孔換能器。發(fā)射換能器I中的壓電陶瓷13發(fā)射聲波，接收換能器2中的壓電陶瓷13接收聲波。
[0025]所述干孔換能器，包括金屬外殼11、液壓觸頭12、壓電陶瓷13及液壓剛性墊塊5，所述金屬外殼11頂端設(shè)有用于連接液壓泵8的液壓管6以及用于連接聲波采集設(shè)備9的屏蔽電纜7 ;所述干孔換能器根據(jù)需要在兩端設(shè)有與剛性連接管3或測桿4相連的螺紋接口。所述液壓觸頭12和液壓剛性墊塊5由金屬外殼11內(nèi)的兩組位置對(duì)稱、長度和勁度系數(shù)相同的彈簧14連接。
[0026]所述液壓觸頭12和聲波檢測孔10孔壁接觸的外表面是弧面。所述液壓剛性墊塊5和聲波檢測孔10孔壁接觸的外表面是弧面。
[0027]所述金屬外殼11外設(shè)防砂橡膠囊17，防砂橡膠囊17 —端固定在金屬外殼11上，另一端固定在液壓剛性墊塊5上，防砂橡膠囊17的長度與液壓剛性墊塊5的行走長度相匹配。
[0028]所述剛性連接管3采用金屬制成，管徑為2_3cm，管壁厚3_4mm，其管壁為鏤空構(gòu)造，確保聲波通過管壁時(shí)，聲程是管長的6-7倍。剛性連接管3兩端設(shè)有連接螺栓與發(fā)射換能器I或接收換能器2相連。剛性連接管3的長度根據(jù)測試需要選用。
[0029]所述測桿4為剛性材料制成，桿端設(shè)有連接螺栓，可以連接和拆分。桿長有l(wèi)m、2m、5m等規(guī)格,桿身設(shè)有最小刻度為IOcm的刻度。
[0030]某水利水電工程高邊坡采用上述新型巖體聲波檢測換能器檢測巖體開挖爆破影響范圍。距離馬道平面高1.0m處鉆設(shè)一組共三個(gè)聲波檢測孔，分別編號(hào)為SB1、SB2、SB3。三個(gè)聲波檢測孔呈等邊三角形分布，各孔間距1.0m ;孔徑110mm，孔深10m。邊坡坡比為1:0.3，聲波檢測孔垂直于邊坡坡面。在SBl孔中進(jìn)行單孔聲波測試。
[0031]步驟1，根據(jù)檢測孔孔徑選擇合適型號(hào)的換能器及液壓剛性墊塊，具體要求是:換能器寬度為80_，換能器液壓觸頭與檢測孔孔壁的接觸面的曲率半徑為110_，包括I個(gè)發(fā)射換能器和2個(gè)接收換能器；液壓剛性墊塊與檢測孔孔孔壁的接觸面的曲率半徑為110mm。
[0032]步驟2，將換能器固定在剛性連接管上。將換能器連接在剛性連接管的兩端，從上至下依次是發(fā)射換能器、接收換能器、接收換能器。兩個(gè)接收換能器之間的剛性連接管的長度是15cm，發(fā)射換能器和接收換能器之間的剛性連接管的長度是25cm。
[0033]步驟3，連接測桿。將測桿連接在發(fā)射換能器頂端，并將剛性連接管和換能器送入檢測孔SBl底部。每節(jié)測桿的長度分別是5m、2m、2m、2m。
[0034]步驟4，連接液壓管和屏蔽電纜。將三個(gè)傳感器上伸出的液壓管和屏蔽電纜分別連接在液壓泵和聲波采集設(shè)備的相應(yīng)接口，設(shè)備開機(jī)。
[0035]步驟5，數(shù)據(jù)采集。首先，記錄傳感器深度；其次，液壓泵緩慢增壓，當(dāng)聲波采集設(shè)備顯示的波形穩(wěn)定時(shí)，停止增壓，采集波形數(shù)據(jù)，記錄壓力表壓力；再次，液壓泵降壓，將測桿向上提20cm。液壓泵緩慢增壓，到首次測試時(shí)的壓力值時(shí)，停止增壓，采集波形數(shù)據(jù)；液壓泵降壓，將測桿提至下一深度。重復(fù)以上步驟，直到檢測完成。
[0036]實(shí)施例二
下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明:如圖2-6所示，一種巖體聲波檢測換能器，包括發(fā)射換能器1、接收換能器2、測桿4、液壓泵8和聲波采集設(shè)備9 ;所述發(fā)射換能器1、位于另一聲波檢測孔10內(nèi)的接收換能器2頂端分別連有測桿4，發(fā)射換能器I通過管線分別與液壓泵8和聲波采集設(shè)備9相連，位于另一聲波檢測孔10內(nèi)的接收換能器2通過管線分別與液壓泵8和聲波采集設(shè)備9相連；所述發(fā)射換能器1、接收換能器2為內(nèi)置壓電陶瓷13、液壓觸頭12及液壓剛性墊塊5的干孔換能器。發(fā)射換能器I中的壓電陶瓷13發(fā)射聲波，接收換能器2中的壓電陶瓷13接收聲波。
[0037]所述干孔換能器，包括金屬外殼11、液壓觸頭12、壓電陶瓷13及液壓剛性墊塊5，所述金屬外殼11頂端設(shè)有用于連接液壓泵8的液壓管6以及用于連接聲波采集設(shè)備9的屏蔽電纜7 ;所述干孔換能器根據(jù)需要在兩端設(shè)有與剛性連接管3或測桿4相連的螺紋接口。所述液壓觸頭12和液壓剛性墊塊5由金屬外殼11內(nèi)的兩組位置對(duì)稱、長度和勁度系數(shù)相同的彈簧14連接。
[0038]所述液壓觸頭12和聲波檢測孔10孔壁接觸的外表面是弧面。所述液壓剛性墊塊5和聲波檢測孔10孔壁接觸的外表面是弧面。
[0039]所述金屬外殼11外設(shè)防砂橡膠囊17，防砂橡膠囊17 —端固定在金屬外殼11上，另一端固定在液壓剛性墊塊5上，防砂橡膠囊17的長度與液壓剛性墊塊5的行走長度相匹配。
[0040]所述測桿4為剛性材料制成，桿端設(shè)有連接螺栓，可以連接和拆分。桿長有l(wèi)m、2m、5m等規(guī)格,桿身設(shè)有最小刻度為IOcm的刻度。
[0041]某水利水電工程高邊坡采用上述新型巖體聲波檢測換能器檢測巖體開挖爆破影響范圍。距離馬道平面高1.0m處鉆設(shè)一組共三個(gè)聲波檢測孔，分別編號(hào)為SB1、SB2、SB3。三個(gè)聲波檢測孔呈等邊三角形分布，各孔間距1.0m ;孔徑110mm，孔深10m。邊坡坡比為1:0.3，聲波檢測孔垂直于邊坡坡面。在SB1、SB2孔中進(jìn)行跨孔聲波測試。
[0042]步驟1，根據(jù)檢測孔孔徑選擇合適型號(hào)的換能器及液壓剛性墊塊，具體要求是:換能器寬度為80_，換能器液壓觸頭與檢測孔孔壁的接觸面的曲率半徑為110_，包括I個(gè)發(fā)射換能器和I個(gè)接收換能器；液壓剛性墊塊與檢測孔孔孔壁的接觸面的曲率半徑為110mm。
[0043]步驟2，連接測桿。分別將連接桿連接在發(fā)射換能器及接收換能器頂端，并將剛性連接管和換能器送入檢測孔SB1、SB2底部。每節(jié)測桿的長度分別是5m、2m、2m、2m。
[0044]步驟3，連接液壓管和屏蔽電纜。將兩個(gè)傳感器上伸出的液壓管和屏蔽電纜分別連接在液壓泵和聲波采集設(shè)備的相應(yīng)接口，設(shè)備開機(jī)。
[0045]步驟4，數(shù)據(jù)采集。首先，記錄傳感器深度；其次，液壓泵緩慢增壓，當(dāng)聲波采集設(shè)備顯示的波形穩(wěn)定時(shí)，停止增壓，采集波形數(shù)據(jù)，記錄壓力表壓力；再次，液壓泵降壓，同時(shí)將兩根測桿均向上提20cm。液壓泵緩慢增壓，到首次測試時(shí)的壓力值時(shí)，停止增壓，采集波形數(shù)據(jù)；液壓泵降壓，將兩根測桿均提至下一深度。重復(fù)以上步驟，直到檢測完成。
【權(quán)利要求】
1.一種巖體聲波檢測換能器，其特征在于:包括發(fā)射換能器⑴、接收換能器⑵、剛性連接管⑶、測桿⑷、液壓泵⑶和聲波采集設(shè)備(9)，所述發(fā)射換能器⑴通過剛性連接管⑶與接收換能器⑵相連，發(fā)射換能器⑴頂端連有測桿⑷，發(fā)射換能器⑴通過管線分別與液壓泵⑶和聲波采集設(shè)備⑶相連；所述發(fā)射換能器⑴、接收換能器⑵為內(nèi)置壓電陶瓷(13)、液壓觸頭(12)和液壓剛性墊塊(5)的干孔換能器；所述剛性連接管⑶的管壁為鏤空構(gòu)造，當(dāng)聲波通過管壁時(shí)，聲程是管長的6-7倍。
2.如權(quán)利要求1所述的巖體聲波檢測換能器，其特征在于:所述干孔換能器還包括金屬外殼(11)，所述金屬外殼(11)頂端設(shè)有用于連接液壓泵⑶的液壓管(6)以及用于連接聲波采集設(shè)備⑶的屏蔽電纜(7)；所述液壓觸頭(12)和液壓剛性墊塊(5)由金屬外殼(11)內(nèi)的兩組位置對(duì)稱、長度和勁度系數(shù)相同的彈簧(M)相連接。
3.如權(quán)利要求1所述的巖體聲波檢測換能器，其特征在于:所述液壓觸頭(12)、液壓剛性墊塊(5)與聲波檢測孔(W)孔壁接觸的外表面均為弧面，液壓觸頭(12)、液壓剛性墊塊(5)的曲率半徑與孔壁曲率半徑相匹配。
4.如權(quán)利要求1所述的巖體聲波檢測換能器，其特征在于:所述金屬外殼(11)外設(shè)防砂橡膠囊(17)，防砂橡膠囊(17)—端固定在金屬外殼(11)上，另一端固定在液壓剛性墊塊(5)上，防砂橡膠囊(17)的長度與液壓剛性墊塊(5)的行走長度相匹配。
5.一種巖體聲波檢測換能器，其特征在于:包括發(fā)射換能器⑴、接收換能器⑵、測桿⑷、液壓泵⑶和聲波采集設(shè)備(9)，所述發(fā)射換能器⑴、位于另一聲波檢測孔(IQ)內(nèi)的接收換能器⑵頂端分別連有測桿⑷，發(fā)射換能器⑴、位于另一聲波檢測孔_內(nèi)的接收換能器⑵通過管線分別與液壓泵⑶和聲波采集設(shè)備⑶相連；所述發(fā)射換能器⑴、接收換能器⑵為內(nèi)置壓電陶瓷(13)、液壓觸頭(12)和液壓剛性墊塊(5)的干孔換能器。
6.如權(quán)利要求5所述的巖體聲波檢測換能器，其特征在于:所述干孔換能器還包括金屬外殼(11)，所述金屬外殼(11)頂端設(shè)有用于連接液壓泵⑶的液壓管(6)以及用于連接聲波采集設(shè)備⑶的屏蔽電纜(7)；所述液壓觸頭(12)和液壓剛性墊塊(5)由金屬外殼(11)內(nèi)的兩組位置對(duì)稱、長度和勁度系數(shù)相同的彈簧(M)連接。
7.如權(quán)利要求5所述的巖體聲波檢測換能器，其特征在于:所述液壓觸頭(12)、液壓剛性墊塊(5)與聲波檢測孔(W)孔壁接觸的外表面均為弧面，液壓觸頭(12)、液壓剛性墊塊(5)的曲率半徑與孔壁曲率半徑相匹配。
8.如權(quán)利要求5所述的巖體聲波檢測換能器,其特征在于:所述金屬外殼(11)外設(shè)防砂橡膠囊(17)，防砂橡膠囊(17)—端固定在金屬外殼(11)上，另一端固定在液壓剛性墊塊(5)上，防砂橡膠囊(17)的長度與液壓剛性墊塊(5)的行走長度相匹配。
【文檔編號(hào)】G01N29/22GK103698398SQ201410031090
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2014年1月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月22日
【發(fā)明者】盧文波, 張玉柱, 嚴(yán)鵬, 陳明, 周創(chuàng)兵 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)