巖石超聲諧波特征及其隨應(yīng)力的變化

郭志偉,葛洪魁,謝 凡,張金偉,劉政一

(1.中國地震局地球物理研究所地震觀測與地球物理成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081； 2.中國石油大學(xué)非常規(guī)天然氣研究院,北京 102249)

巖石超聲諧波特征及其隨應(yīng)力的變化

郭志偉1,葛洪魁2,謝 凡1,張金偉1,劉政一1

(1.中國地震局地球物理研究所地震觀測與地球物理成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081； 2.中國石油大學(xué)非常規(guī)天然氣研究院,北京 102249)

巖石具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性和強(qiáng)衰減特性,諧波測量的難度較大。建立超聲諧波測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),采用單頻脈沖串(tone burst)激發(fā)、門控放大、脈沖反轉(zhuǎn)和疊加等增強(qiáng)二次及高次諧波,研究巖石超聲諧波的發(fā)育與振幅特征,定義名義非線性系數(shù),分析單軸應(yīng)力下巖石超聲諧波及名義非線性系數(shù)隨應(yīng)力的變化。結(jié)果表明,超聲諧波包含了豐富的巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息,表征了巖石的非線性特性,利用先進(jìn)的儀器系統(tǒng),采用諧波強(qiáng)化技術(shù),可有效地獲得巖石的超聲諧波及其振幅,進(jìn)行巖石非線性特性、微結(jié)構(gòu)變化與損傷演化的監(jiān)測。

地球物理學(xué)；巖石物理；巖石特性；超聲諧波；應(yīng)力；非線性系數(shù)；脈沖反轉(zhuǎn)

材料損傷早期監(jiān)測在材料性能和安全評價方面具有重要的用途,其中一項(xiàng)重要的技術(shù)是基于超聲諧波的非線性超聲監(jiān)測,因其對介質(zhì)內(nèi)部微結(jié)構(gòu)高度敏感性而引起廣泛關(guān)注。Eular等[1]最早提出流體中的非線性波動理論,后來,Breazeale等[2-3]研究了晶體和金屬材料中的非線性現(xiàn)象。之后,非線性諧波[4-5]、共振頻率漂移[6-7]、非線性滯后現(xiàn)象[8]、次諧波[9]等復(fù)雜的非線性現(xiàn)象受到了廣泛關(guān)注。Sony Baby[10]、Kim[11]等通過實(shí)驗(yàn)證明了非線性諧波方法在檢測金屬材料早期損傷方面的有效性。曾星[12]對單向拉伸至不同塑性形變的標(biāo)準(zhǔn)45#鋼試樣進(jìn)行了超聲非線性測量。陳小佳[13]采用超聲高階諧波和超聲調(diào)制兩種方法,定量觀測到了堿骨料反應(yīng)下試件從初始微裂出現(xiàn)、發(fā)展和連通等不同階段的全過程損傷演化的過程。周正干等[14]認(rèn)為連續(xù)脈沖串激勵較大振幅的超聲波,使材料內(nèi)部不連續(xù)處受迫振動,隨聲波周期“閉合”或“張開”,使時域波形畸變,頻域表現(xiàn)為出現(xiàn)諧波,產(chǎn)生非線性響應(yīng)。巖石具有礦物顆粒邊界、孔隙裂隙發(fā)育等微結(jié)構(gòu)特征,具有豐富而復(fù)雜的非線性現(xiàn)象[15]。相應(yīng)地通過監(jiān)測巖石非線性現(xiàn)象可以反映巖石微結(jié)構(gòu)的變化,而達(dá)到檢測巖石損傷的目的[16-17],對地震孕育、地質(zhì)災(zāi)害、建筑物安全等問題具有重要意義。巖石具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性和強(qiáng)衰減特性,諧波測量的難度較大。筆者針對巖石超聲諧波測試的難點(diǎn),發(fā)展諧波增強(qiáng)技術(shù),研究巖石超聲諧波的發(fā)育與振幅特征及其隨應(yīng)力的變化。

1 非線性與超聲諧波

線性超聲檢測聲波振幅很小,應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系可用線性關(guān)系近似,對介質(zhì)內(nèi)部微小裂隙的發(fā)育和介質(zhì)局部性質(zhì)變化不敏感。隨著激發(fā)超聲波振幅的增加,在介質(zhì)中產(chǎn)生的應(yīng)變場擾動加劇,應(yīng)力-應(yīng)變不再滿足線性假設(shè),運(yùn)動方程中的二階項(xiàng)甚至更高階項(xiàng)不能再被忽略。細(xì)桿中應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系可表示為

式中,σ、ε和E分別表示正應(yīng)力、正應(yīng)變和一階彈性系數(shù)(楊氏模量)；β為二階非線性彈性系數(shù),通常簡稱為非線性系數(shù)。

現(xiàn)假設(shè)最簡單的細(xì)桿中的聲傳播情況,單一頻率的正弦縱波u=A0cos(ωt)從介質(zhì)一端入射,在另一端接收,并且忽略波傳播過程中的衰減,那么平面縱波在超聲傳播方向上的一維波動方程為

式中,ρ為傳播介質(zhì)密度；x為超聲波傳播距離；u為質(zhì)點(diǎn)振動位移。

結(jié)合式(1)、(2)并考慮粒子振動位移和應(yīng)變的關(guān)系,得到關(guān)于質(zhì)點(diǎn)振動位移的非線性波動方程

求解近似到二階,其中u0為線性方程解,u′為一次微擾解,代表非線性解。A1為接收端基頻(激發(fā)頻率)的振幅,A2為產(chǎn)生的二次諧波振幅,由非線性系數(shù)β決定,滿足

其中k=2π/λ為超聲波波數(shù),λ為超聲波波長。

相應(yīng)地,非線性系數(shù)β可通過測量接收端基頻和二次諧波的振幅并計(jì)算得到:

同理可得到三階非線性系數(shù)β2與三次諧波振幅的關(guān)系[4]:

當(dāng)在介質(zhì)中同時激發(fā)兩組頻率不同的正弦波時,還將產(chǎn)生這兩組波相互作用相互調(diào)制的頻率成分[5]。

2 巖石超聲諧波測試

通常二次和更高次諧波相對于基波振幅很小,往往淹沒在系統(tǒng)和環(huán)境噪聲中,加之巖石是一種典型的不均勻介質(zhì),超聲在巖石中傳播時會發(fā)生散射和強(qiáng)衰減,波場復(fù)雜,諧波測試難度很大。一方面要求儀器系統(tǒng)(包括激發(fā)和接收傳感器、信號激發(fā)和接收系統(tǒng)等)具有很高的性能、低儀器自噪聲、微弱信號檢測能力,另一方面需要發(fā)展一些諧波增強(qiáng)技術(shù)。

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。本實(shí)驗(yàn)使用Ritec RAM-5000(R5000)激發(fā)超聲波信號。激發(fā)探頭采用Olympus Panametric A101s 0.5 MHz超聲探頭,該探頭具有性能良好的阻尼設(shè)計(jì),可有效地抑制壓電陶瓷換能器的自由振動,使電信號轉(zhuǎn)換成超聲信號時不發(fā)生嚴(yán)重畸變。實(shí)驗(yàn)以監(jiān)測二次諧波特征為主要目的,使用中心頻率1 MHz、直徑為15 mm、厚度為3 mm的鈮酸鋰壓電陶瓷晶片為接收探頭。實(shí)驗(yàn)中激發(fā)探頭和接收探頭使用耦合劑粘附于測試樣品兩側(cè),再用水楊酸苯酯固定,并用松緊帶加固。接收探頭接收到的信號經(jīng)20 dB前置放大器放大后,由高精度的數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)字化記錄,并與R5000的同步輸出信號進(jìn)行時間同步,同步精度10-9s。數(shù)據(jù)采集器采樣率為20 MHz。實(shí)驗(yàn)樣品為粗?；◢忛W長巖,樣品為圓柱形,直徑50 mm,長110 mm。實(shí)驗(yàn)中改變激發(fā)電壓,從幾十伏到幾百伏線性增強(qiáng),研究諧波隨激發(fā)信號強(qiáng)度的變化,并分析非線性系數(shù)的變化。

圖1 巖石超聲諧波實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experimental system of ultrasonic harmonics in rock

介質(zhì)的超聲諧波是高階小量,諧波檢測屬于頻率域微弱信號檢測,對儀器性能要求很高,如激發(fā)信號的頻率、相位精確控制,大功率激發(fā)、高性能濾波、探頭信號高保真等。由R5000輸出的高壓電信號,經(jīng)50Ω的低阻抗匹配和低通濾波器,減少電子電路可能會造成的高頻噪聲。激發(fā)和接收探頭經(jīng)過阻尼設(shè)計(jì),可有效地抑制壓電陶瓷換能器的自由振動,實(shí)現(xiàn)高保真激發(fā)與接收。

2.2 單頻脈沖激發(fā)

實(shí)驗(yàn)中通過改變激發(fā)脈沖信號振幅(激發(fā)電壓),改變接收信號基波和諧波信號幅度,從而獲得超聲諧波隨激發(fā)信號強(qiáng)度的變化特征,研究巖石非線性特性變化。在超聲波信號激發(fā)方面,激發(fā)信號的高能量和單頻性,有助于高次諧波信號的觀測。測試時,由R5000激發(fā)頻率0.5 MHz的大功率正弦波列(單頻脈沖串,射頻激發(fā)RF,tone burst)見圖2。大能量激發(fā)信號有利于諧波檢測,激發(fā)信號能量隨激發(fā)電壓和波列長度的增大而增大,波列周期數(shù)根據(jù)樣品長度確定,周期數(shù)乘以波長小于樣品的長度,以防止入射波和樣品邊界反射波疊加而產(chǎn)生復(fù)雜的波場,影響諧波測試[11]。

圖2 R5000激發(fā)的大功率正弦波列Fig.2 Tone burst with high power excited by R5000

2.3 脈沖反轉(zhuǎn)技術(shù)

由式(4)可知,當(dāng)激發(fā)信號相位變化180°時,接收的基頻信號相位也變化180°,但是二次諧波的相位卻保持不變。因此,可通過兩次激發(fā)相位相差180°的信號(脈沖反轉(zhuǎn)),將得到的兩次接收信號進(jìn)行疊加來抑制基頻信號,提高二次諧波信號的信噪比,增強(qiáng)諧波的測量精度[11,18]。圖3所示為采用脈沖反轉(zhuǎn)檢測結(jié)果(激發(fā)頻率0.5 MHz)?？梢钥闯雒}沖反轉(zhuǎn)技術(shù)有效地抑制了基頻信號,突出了二次諧波。

圖3 脈沖反轉(zhuǎn)技術(shù)示意圖Fig.3 Sketch map of pulse inversion technique

2.4 信號疊加與處理方法

同相信號的疊加可以抑制隨機(jī)噪聲,提高信噪比。實(shí)驗(yàn)中采用脈沖反轉(zhuǎn)技術(shù),在某一激發(fā)電壓下,用信號發(fā)生器分別激發(fā)0°和180°的兩個相位的信號,每個信號激發(fā)256次,疊加得到兩條反相位激發(fā)的高信噪比信號。用矩形窗分別截取這兩條信號的直達(dá)波部分,矩形窗長度等于激發(fā)信號持續(xù)時間。然后用快速傅里葉變換技術(shù)得到截取信號的振幅譜,在激發(fā)頻率的周圍分別取最大振幅值再求平均得到基頻振幅。將接收得到的0°和180°兩個相位信號相加,用矩形窗截取直達(dá)波部分,并在截取信號振幅譜中求二次諧波頻率附近的最大值,除以2得到二次諧波的振幅。

2.5 相對振幅測量和名義非線性系數(shù)

接收探頭接收到的信號幅度受多種因素影響,嚴(yán)格來說,實(shí)驗(yàn)的每一個環(huán)節(jié)從信號發(fā)生器、門控放大器到激發(fā)-接收探頭,再到探頭與樣品的耦合方式,都可能影響接收信號的幅度。激發(fā)-接收探頭的頻率響應(yīng)特征是影響測量系統(tǒng)的重要因素。共振型探頭可強(qiáng)化特定頻率的信號。當(dāng)以檢測二次諧波為主,接收探頭的共振頻率是激發(fā)探頭共振頻率的二倍,接收信號中基頻、三次甚至更高次諧波同樣可以接收但振幅受到抑制?？紤]到對于特定頻率信號的探頭頻響校正為簡單的線性關(guān)系,接收探頭的共振性不會影響基頻和諧波振幅比的特征關(guān)系。因此使用共振型探頭測量的基頻和諧波振幅是“相對值”。這種相對振幅測量并不影響振幅比的特征關(guān)系。將由相對振幅測量得到的“非線性系數(shù)”稱為“名義非線性系數(shù)”?！懊x非線性系數(shù)”可用于材料性質(zhì)變化的動態(tài)監(jiān)測,求取“非線性系數(shù)”絕對值需進(jìn)行探頭的頻響等多方面校正。

另外,探頭與巖石之間的耦合也是影響非線性系數(shù)絕對值測量的重要因素。耦合情況主要影響探頭與巖石之間界面的反射和透射,增加了接收信號的絕對幅值的測量難度。圖4為5次探頭與巖石耦合測試結(jié)果?？梢钥吹今詈锨闆r對測量的基頻和諧波振幅有較明顯的影響。但這種影響同時作用于基頻和諧波成分,而使得基頻與諧波的振幅比不受影響。實(shí)驗(yàn)得到A2/A21的耦合誤差在1.5%以內(nèi)。

圖4 探頭與巖石樣品的耦合對非線性系數(shù)的影響Fig.4 Variation of nonlinear coefficient with coupling between sensors and rock

3 巖石超聲諧波特征

實(shí)驗(yàn)中通過改變激發(fā)電壓,研究不同激發(fā)強(qiáng)度下的諧波特征及諧波振幅變化,并分析名義非線性系數(shù)的變化。圖5為粗?；◢忛W長巖測量結(jié)果。從圖中可以看到超聲波高次諧波的發(fā)育特征。當(dāng)激發(fā)電壓較低時(如22和42 V),接收信號只含有激發(fā)頻率0.5 MHz成分,運(yùn)用脈沖反轉(zhuǎn)技術(shù)疊加后,基本為白噪聲信號,超聲諧波不發(fā)育。隨著激發(fā)電壓的增加,接收信號出現(xiàn)頻率為1 MHz的二次諧波信號。脈沖反轉(zhuǎn)激發(fā)相加的結(jié)果大大壓制了基頻成分,強(qiáng)化了二次諧波,提高了二次諧波測量的可靠性和精度。當(dāng)激發(fā)電壓繼續(xù)增加到280 V時,接收信號中出現(xiàn)明顯的三次諧波成分。雖然接收探頭的頻響特征在一定程度上壓制了三次諧波信號的振幅,但是無法阻止三次諧波振幅隨著激發(fā)電壓的增加而增加的趨勢,同時測量的二次諧波卻逐漸減小。由此推測三次諧波不僅包含基頻成分在非線性介質(zhì)中傳播產(chǎn)生的三次諧波,同時也包含由基頻信號和二次諧波信號相互作用、相互調(diào)制而出現(xiàn)的三次諧波信號。也就是說,隨著激發(fā)電壓的增加,一部分二次諧波能量由于非線性作用而分配到三次諧波中,導(dǎo)致二次諧波振幅的減小。從圖5中還可以看到,四次諧波成分伴隨三次諧波出現(xiàn)在脈沖反轉(zhuǎn)處理后的信號中,這種伴生關(guān)系也與諧波間的相互調(diào)制有關(guān)。因此,三次和四次諧波的產(chǎn)生不但與巖石非線性有關(guān),也與不同頻率的諧波調(diào)制有關(guān),當(dāng)然諧波調(diào)制也是材料的非線性特征之一。

圖5 接收信號直達(dá)波頻譜隨激發(fā)電壓的變化Fig.5 Variation of spectrum of received signals with different exciting voltages

圖6定量地分析了二次諧波、三次諧波的振幅相對于基頻振幅的變化(圖中,圓點(diǎn)或方框的大小表示激發(fā)電壓的相對高低)。當(dāng)激發(fā)電壓小于280 V時,二次諧波振幅與基頻振幅的平方表現(xiàn)為較好的線性關(guān)系,表明在此激發(fā)水平下主要發(fā)育二次諧波,巖石介質(zhì)的非線性主要來自于彈性模量的二階小量,三次諧波不發(fā)育。當(dāng)激發(fā)電壓達(dá)到280 V及以上時,二次諧波振幅偏離與基頻振幅的平方關(guān)系,并且出現(xiàn)隨激發(fā)電壓的增加而減小的趨勢,三次諧波開始發(fā)育顯著,其振幅隨著激發(fā)電壓的增加而快速增加,并與基頻振幅的立方保持穩(wěn)定的線性關(guān)系。最小二乘擬合280 V激發(fā)電壓以下的二次諧波與基頻振幅的關(guān)系為280 V以上激發(fā)電壓的三次諧波與基頻振幅的關(guān)系為

在經(jīng)典非線性理論下,三次諧波遠(yuǎn)比二次諧波弱。但是本實(shí)驗(yàn)中,由高能量(＞280 V)激發(fā)的三次諧波振幅遠(yuǎn)超過二次諧波,是巖石中存在的非經(jīng)典非線性現(xiàn)象之一。Johnson等[15]在研究灰?guī)r、砂巖等巖石樣品的非線性諧波時也發(fā)現(xiàn)了類似的非經(jīng)典非線性現(xiàn)象。在三次諧波與基頻振幅立方的線性關(guān)系中,較大的直線截距也表明三次諧波的產(chǎn)生機(jī)制已不同于經(jīng)典非線性理論。但是三次諧波振幅仍與基頻振幅的立方保持較好的直線關(guān)系,間接表明此時三次諧波在一種較穩(wěn)定的機(jī)制下形成。對超聲諧波發(fā)育特征的分析可知超聲波穿過粗?；◢忛W長巖時,其非線性行為隨著激發(fā)能量的增加,由經(jīng)典非線性向非經(jīng)典非線性轉(zhuǎn)變。

4 巖石超聲諧波特征隨應(yīng)力的變化

在單軸加載過程中對巖石的超聲諧波特征進(jìn)行了測試,一方面驗(yàn)證本文提出的測量方法的有效性,另一方面探索諧波在巖石性質(zhì)及其變化研究中的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)以測量巖石在某一應(yīng)力狀態(tài)下的名義非線性系數(shù)為基本手段,研究不同應(yīng)力狀態(tài)下名義非線性系數(shù)的變化特征。使用MTS 100 t試驗(yàn)機(jī)以75 kPa/s的速度對花崗閃長巖樣品加載至96 MPa,再以相同的速度卸載至0 MPa。在這一過程中每加載或卸載2.5 MPa沿徑向測量一次諧波及其幅度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 巖石尾波波速變化、諧波幅值及名義非線性系數(shù)隨載荷的變化Fig.7 Variation of coda-wave velocity,harmonics amplitude and nominal nonlinear coefficient with loading

圖7(a)為利用尾波干涉測量獲得的徑向波速相對變化,是一種巖石狀態(tài)的顯示[19-21]。表明直到60 MPa,巖石一直處于加載強(qiáng)化,之后進(jìn)入加載弱化。圖7(b)為超聲激發(fā)電壓為30 V時基頻與二次諧波振幅隨加/卸載的變化,相同激發(fā)電壓和實(shí)驗(yàn)條件下,卸載信號幅度比加載小很多,表明加載過程中樣品內(nèi)部誘發(fā)了微裂隙；加載過程中基頻和二次諧波幅度都經(jīng)歷了先增大后減小的過程,代表著加載過程中的原有裂隙的閉合和新裂隙(膨脹)的產(chǎn)生。而卸載過程中基頻和諧波幅度逐漸增大,與加載過程中發(fā)育的裂隙軸向優(yōu)勢方位分布有關(guān)(圖8)。軸向卸載使軸向裂隙開度減小,徑向超聲基波和諧波幅度增大。

圖7(c)為二次諧波振幅與基頻振幅平方的比值在加/卸載過程中的變化,在測量系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下反應(yīng)了非線性系數(shù)的變化。在加載過程中,非線性系數(shù)表現(xiàn)為先減小后增加的特征,與巖石加載時經(jīng)歷的裂隙閉合的壓實(shí)階段和裂隙擴(kuò)展的膨脹階段大致對應(yīng)。非線性系數(shù)的變化與巖石內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)。在卸載初期,非線性系數(shù)繼續(xù)保持一段時間的增加趨勢,有可能是因?yàn)樾遁d初期巖石仍處于高應(yīng)力狀態(tài),仍有相當(dāng)部分的裂隙繼續(xù)生長,而導(dǎo)致非線性增強(qiáng)。隨著應(yīng)力的持續(xù)降低,非線性呈現(xiàn)出較不穩(wěn)定的特征,同時二次諧波振幅與基頻振幅的平方關(guān)系的擬合誤差也增加。在一定程度上說明巖石非線性行為的不穩(wěn)定性。這種不穩(wěn)定的非線性行為可能與巖石內(nèi)不同方向的裂隙的張開閉合的不均勻性和臨界失穩(wěn)有關(guān)。

圖8 粗粒花崗閃長巖加載形成軸向優(yōu)勢分布裂隙Fig.8 Primary distribution of cracks orientation from fractured coarse-grained granodiorite

從圖7還可以看出,加載過程中非線性系數(shù)與波速變化有相似的變化趨勢,二者均在60 MPa附近達(dá)到極值,之后進(jìn)入加載弱化階段。實(shí)際上,單位應(yīng)力作用下引起的波速相對變化也是一種非線性系數(shù)的度量[20]。而基頻和諧波幅度隨應(yīng)力變化的峰值應(yīng)力(30 MPa)與非線性系數(shù)存在較大差別,說明幅度的變化與非線性系數(shù)的控制因素有所不同,這種不同可提供更細(xì)致深入的巖石微結(jié)構(gòu)信息。

5 結(jié) 論

(1)超聲諧波是巖石重要的非線性特征,包含了豐富的巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息,可利用巖石的超聲諧波,進(jìn)行巖石非線性特性、微結(jié)構(gòu)變化與損傷演化的監(jiān)測研究。

(2)采用單頻脈沖串(tone burst)高能激發(fā)、門控濾波、脈沖反轉(zhuǎn)和疊加等能增強(qiáng)二次及高次諧波,實(shí)現(xiàn)二次及更高次諧波的有效觀測。

(3)巖石超聲諧波與基波振幅(激發(fā)電壓)有關(guān),當(dāng)激發(fā)電壓較低時,超聲諧波不發(fā)育。隨著激發(fā)電壓的增加,接收信號出現(xiàn)二次諧波,二次諧波振幅與基頻振幅的平方成較好的線性關(guān)系。當(dāng)激發(fā)電壓繼續(xù)增加到更高值時,接收信號中出現(xiàn)三次和四次諧波,三次諧波與基頻振幅的立方成線性關(guān)系。三次和四次諧波的產(chǎn)生不但與巖石非線性有關(guān),也與不同頻率的諧波調(diào)制有關(guān)。

(4)單軸應(yīng)力下花崗閃長巖諧波幅值及名義非線性系數(shù)隨載荷而變,反映了巖石內(nèi)部微裂隙的演化,與巖石加載時經(jīng)歷的裂隙閉合、擴(kuò)展大致對應(yīng)。

[1] 王潤田,章瑞銓,周艷,等.非線性聲學(xué)的進(jìn)展與應(yīng)用[J].聲學(xué)技術(shù),2007,26(2):348-357.

WANG Run-tian,ZHANG Rui-quan,ZHOU Yan,et al. Progression and application of the nonlinear acoustics [J].Technical Acoustics,2007,26(2):348-357.

[2] BREAZEALE M A,FORD J.Ultrasonic studies of the nonlinear behavior of solids[J].J Appl Phys,1965,36 (11):3486-3490.

[3] ZAREMBO L K,KRASIL?NIKOV V A.Nonlinear phenomena in the propagation of elastic waves in solids[J]. Sov Phys Usp,1971,13(6):778-797.

[4] NA J,BREAZEALE M A.Ultrasonic nonlinear properties of lead zirconate titanate ceramics[J].J Acoust Soc Am,1994,95(6):3213-3221.

[5] VAN DEN ABEELE K E A,JOHNSON P A,SUTIN A. Nonlinear elastic wave spectroscopy(NEWS)techniques to discern material damage,part 1:nonlinear wave modulation spectroscopy(NWMS)[J].Res Nondestr Eval, 2000,12(1):17-30.

[6] VAN DEN ABEELE K E A,CARMELIET J,TEN CATE J A,et al.Nonlinear elastic wave spectroscopy(NEWS) techniques to discern material damage,part2:single mode nonlinear resonance acoustic spectroscopy[J].Res Nondestr Eval,2000,12(1):31-42.

[7] PAYAN C,GARNIER V,MOYSAN J.Potential of nonlinear ultrasonic indicators for nondestructive testing of concrete[J].Advances in Civil Engineering,2010,ID 238472.

[8] GUYER R A,MCCALL K R,BOITNOTT G N.Hysteresis,discrete memory,and nonlinear wave propagation in rock:a new paradigm[J].Phys Rev Lett,1995,74 (17):3491-3495.

[9] SOLODOV I Y,KROHN N,BUSSE G.CAN:an example of nonclassical acoustic nonlinearity in solids[J].Ultrasonics,2002,40:621-625.

[10] BABY S,KOWMUDI B N,OMPRAKASH C M,et al. Creep damage assessment in titanium alloy using a nonlinear ultrasonic technique[J].Scripta Materialia, 2008,59:818-821.

[11] KIM J Y,JACOBS L J,QU J,et al.Experimental characterization of fatigue damage in a nickel-base su-peralloy using nonlinear ultrasonic waves[J].J Acoust Soc Am,2006,120(3):1266-1273.

[12] 曾昱.超聲非線性的理論與實(shí)驗(yàn)研究[D].北京:北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,2008.

ZENG Yu.Theoretical and experimental studies of nonlinear ultrasonic[D].Beijing:School of Civil Engineering in Beijing Jiaotong University,2008.

[13] 陳小佳.基于非線性超聲特征的混凝土初始損傷識別和評價研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)交通學(xué)院, 2007.

CHEN Xiao-jia.Study on initial damage detection and evaluation of concrete base on nonlinear acoustic features [D].Wuhan:School of Transportation in Wuhan University of Technology,2007.

[14] 周正干,劉斯明.非線性無損檢測技術(shù)的研究、應(yīng)用和發(fā)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2011,47(8):2-11.

ZHOU Zheng-gan,LIU Si-ming.Nonlinear ultrasonic techniques used in nondestructive testing:a review[J]. Journal of Mechanical Engineering,2011,47(8):2-11.

[15] JOHNSON P A,ZINSZNER B,RASOLOFOSAON P N J.Resonance and elastic noninear phenomena in rock [J].J Geophy Res,1996,101(B5):11553-11564.

[16] PASQUALINI D,HEITMANN K,TEN CATE J A,et al.Nonequilibrium and nonlinear dynamics in Berea and Fontainebleau sandstones:low-strain regime[J].J Geophy Res,2007,112,B01204.

[17] ZINSZNER B,JOHNSON P A,RASOLOFOSAON P N J.Influence of change in physical state on elastic nonlinear response in rock:significance of effective pressure and water saturation[J].J Geophy Res,1997,102 (B4):8105-8120.

[18] VERBEEK X A A M,LEDOUX L A F,WILLIGERS J M,et al.Experimental investigation of the pulse inversion technique for imaging ultrasound contrast agents [J].J Acoust Soc Am,2000,107(4):2281-2290.

[19] 宋麗莉,葛洪魁,郭志偉,等.利用多次散射波監(jiān)測介質(zhì)性質(zhì)變化的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2012,31(4):713-722.

SONG Li-li,GE Hong-kui,GUO Zhi-wei,et al.Experimental study of variation of media properties monitoring using multiple scattering waves[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(4):713-722.

[20] 宋麗莉,葛洪魁,梁天成,等.小應(yīng)力擾動下巖石彈性波速變化的波形檢測[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,36(4):60-65.

SONG Li-li,GE Hong-kui,LIANG Tian-cheng,et al. Waveform detection of elastic wave velocity changes in rock under small stress perturbations[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2012,36(4):60-65.

[21] 梁天成,葛洪魁,郭志偉,等.利用聲發(fā)射和波速變化判定巖石損傷狀態(tài)[J].中國地震,2012,28(2): 154-166.

LIANG Tian-cheng,GE Hong-kui,GUO Zhi-wei,et al. Evaluation of rock damage state with acoustic emission and velocity variation[J].Earthquake Research in China,2012,28(2):154-166.

(編輯 修榮榮)

Ultrasonic harmonic characteristic in rock and its variation with stress

GUO Zhi-wei1,GE Hong-kui2,XIE Fan1,ZHANG Jin-wei1,LIU Zheng-yi1

(1.Key Laboratory of Seismic Observation and Geophysical Imaging,Institute of Geophysics,
China Earthquake Administration,Beijing 100081,China；
2.Unconventional Natural Gas Institute in China University of Petroleum,Beijing 102249,China)

The strong heterogeneity and strong attenuation in rocks make ultrasonic harmonic measurement more difficult.An experimental system for observing the ultrasonic harmonic was established.The measurement resolution of high harmonic waves was improved through the tone burst excitation,high power gated amplifier,pulse inversion technique and stacks of many repeated measurements.The growth and intensity of ultrasonic harmonic waves were discussed,the nominal nonlinear coefficient was defined,and the variations of harmonic characteristics and the nominal nonlinear coefficient with stress in rocks were investigated.The results show that ultrasonic harmonic includes the abundant information on rock internal structure,and represents the nonlinearity of the rocks.By the advanced instruments and harmonic reinforcement techniques,ultrasonic harmonic and its amplititude can be effectively measured,and the damage evolution and the variations of nonlinearity and microstructure in loaded rocks can be monitored.

geophysics；petrophysics；rock properties；ultrasonic harmonic；stress；nonlinear coefficient；pulse inversion technique

P 313.1

A

1673-5005(2013)03-0050-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2013.03.008

2013-02-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41174040)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(DQJB11B 11；DQJB11C04)；中國石油大學(xué)(北京)引進(jìn)人才科研啟動基金項(xiàng)目(YJRC-2012-03)

郭志偉(1986-),男,博士研究生,主要從事巖石物理實(shí)驗(yàn)研究。E-mail:gzwave2312@163.com。