不同材料波導(dǎo)桿在水中的聲波傳播特性

劉 兵,王 風(fēng),傅 輝,李木森

(1.山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,濟(jì)南250061; 2.山東省超硬材料工程技術(shù)研究中心,鄒城273500;3.鄒城市地震局,鄒城273500)

不同材料波導(dǎo)桿在水中的聲波傳播特性

劉 兵1,2,王 風(fēng)2,傅 輝3,李木森1,2

(1.山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,濟(jì)南250061; 2.山東省超硬材料工程技術(shù)研究中心,鄒城273500;3.鄒城市地震局,鄒城273500)

由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的聲波在水中通過(guò)不同材料波導(dǎo)桿時(shí),其傳播特性會(huì)發(fā)生改變,采用全波形聲發(fā)射儀對(duì)其進(jìn)行了波形數(shù)據(jù)檢測(cè)、參數(shù)和波形分析,系統(tǒng)研究了聲波通過(guò)水中不同材料波導(dǎo)桿的傳播特性。結(jié)果表明:聲波信號(hào)的幅度計(jì)數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)和能量計(jì)數(shù)的變化規(guī)律均穩(wěn)定,并易于找出相應(yīng)的變化規(guī)律;聲波通過(guò)水中不同材料波導(dǎo)桿的時(shí)域波形均呈現(xiàn)衰減特征,而振幅頻譜均呈現(xiàn)明顯的頻散現(xiàn)象;聲波通過(guò)水中金屬波導(dǎo)桿的傳播特性優(yōu)于水中塑料波導(dǎo)桿。所得結(jié)果為進(jìn)一步研究地震波經(jīng)深水井中不同材料波導(dǎo)桿的傳播特性和開(kāi)展地震監(jiān)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

聲波;波導(dǎo)桿;聲波傳播特性;時(shí)域波形;頻譜分析

地震因其頻發(fā)性和破壞性,已成為人類面臨的嚴(yán)重自然災(zāi)害之一。人類至今還沒(méi)有掌握地震的形成規(guī)律,地震預(yù)報(bào)仍然是未能攻克的重大科學(xué)難題。大量歷史記錄和震例資料表明,地下水的映震能力強(qiáng),對(duì)地震的反映比較靈敏,與地震的孕育和發(fā)生有著密切關(guān)系,因此對(duì)地下水進(jìn)行監(jiān)測(cè)是地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)和科學(xué)研究的重要手段之一[1－5]。利用聲發(fā)射技術(shù)和深井水進(jìn)行地震監(jiān)測(cè)時(shí),因聲發(fā)射傳感器不能直接放在水中,所以需要采用波導(dǎo)桿進(jìn)行輔助檢測(cè)[6－8]。在水中應(yīng)用波導(dǎo)桿進(jìn)行聲發(fā)射檢測(cè)是可行的[9],但由于地下水往往含有腐蝕介質(zhì),而且需要長(zhǎng)期實(shí)時(shí)采集地震波信息,因此應(yīng)選擇一種質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的波導(dǎo)桿來(lái)輔助采集地下水中的地震波信息。利用聲發(fā)射技術(shù)研究地下水中地震波特征是一種新的研究地震活動(dòng)信息的方法,其可以對(duì)地震的活動(dòng)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、科學(xué)表征、計(jì)算和分析,探索地震的孕育和演變規(guī)律,為地震的短臨預(yù)報(bào)提供科學(xué)依據(jù)和定量判據(jù),因而研究聲波在水中不同材料波導(dǎo)桿的傳播特性具有重要的實(shí)用價(jià)值。

筆者使用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生模擬聲波信號(hào),使其在水介質(zhì)中通過(guò)不同材料的波導(dǎo)桿,然后采用全波形聲發(fā)射檢測(cè)儀采集模擬聲波信號(hào),對(duì)采集的聲波信號(hào)波形進(jìn)行參數(shù)分析、時(shí)域分析和頻譜分析,并對(duì)比研究水中不同材料波導(dǎo)桿的聲波傳播特性,為進(jìn)一步研究聲波經(jīng)深水井中不同材料波導(dǎo)桿的傳播特性和進(jìn)行地震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

1 聲波通過(guò)水中不同材料波導(dǎo)桿的傳播特性的檢測(cè)方法

選用長(zhǎng)1 200 mm、寬250 mm、高250 mm的玻璃水槽。波導(dǎo)桿的材料分別為6061純鋁、304不銹鋼、45碳素鋼、有機(jī)玻璃和聚四氟乙烯,其尺寸均為直徑20 mm、長(zhǎng)200 mm。采用DG1022型信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生模擬聲波信號(hào),其頻率和幅度均可以調(diào)節(jié);采用DS2-8 A型全波形聲發(fā)射檢測(cè)儀進(jìn)行模擬聲發(fā)射信號(hào)的采集和分析,聲發(fā)射傳感器為北京聲華興業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的SR150 M型壓電陶瓷傳感器,前置放大器增益為40 dB;用凡士林作為耦合劑。

信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的模擬聲波信號(hào)經(jīng)水中通過(guò)45碳素鋼波導(dǎo)桿傳播后,由聲發(fā)射傳感器通過(guò)水中不同材料波導(dǎo)桿接收,再經(jīng)前置放大器放大,由聲發(fā)射檢測(cè)儀采集、存儲(chǔ)。不同材料波導(dǎo)桿傳播模擬聲波信號(hào)的試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 水中不同材料波導(dǎo)桿傳播模擬聲波信號(hào)的試驗(yàn)裝置示意

具體試驗(yàn)步驟如下:

(1)玻璃水槽注滿水后,DG1022型信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)激勵(lì)置于輸入端波導(dǎo)桿(45碳素鋼波導(dǎo)桿)頂部的傳感器中并產(chǎn)生聲波,聲波經(jīng)波導(dǎo)桿、水介質(zhì)和接收端波導(dǎo)桿傳播后由接收端傳感器接收,其輸出送入到DS2-8A型全波形聲發(fā)射檢測(cè)儀。輸入端波導(dǎo)桿與接收端波導(dǎo)桿之間相距1 000 mm。

(2)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出模擬聲波信號(hào)的參數(shù)為:頻率150 k Hz、幅度5 V。聲發(fā)射檢測(cè)儀接收的門檻電壓分別設(shè)置為:5,10,15,20 m V。

(3)按照(1)、(2)的試驗(yàn)步驟,接收端波導(dǎo)桿依次用6061純鋁、304不銹鋼、45碳素鋼、有機(jī)玻璃和聚四氟乙烯材料波導(dǎo)桿完成上述試驗(yàn),并記錄相應(yīng)的聲波檢測(cè)數(shù)據(jù)。

(4)對(duì)采集的聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)分析,然后使用MATLAB軟件對(duì)接收存儲(chǔ)的聲發(fā)射信號(hào)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得出時(shí)域波形圖和振幅頻譜圖,再對(duì)波形特征進(jìn)行比較和分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2 不同門檻電壓、不同材料波導(dǎo)桿的幅度計(jì)數(shù)直方圖

2.1 不同材料波導(dǎo)桿在水中接收模擬聲波信號(hào)的對(duì)比

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),聚四氟乙烯波導(dǎo)桿接收不到模擬聲波信號(hào),而6061純鋁、304不銹鋼、45碳素鋼和有機(jī)玻璃波導(dǎo)桿能接收到模擬聲波信號(hào)。通過(guò)對(duì)DS2-8 A型全波形聲發(fā)射檢測(cè)儀記錄的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)幅度計(jì)數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)和能量計(jì)數(shù)等參數(shù)的穩(wěn)定性很好,易于找出它們的規(guī)律。圖2～4分別為不同門檻電壓、不同材料波導(dǎo)桿的幅度計(jì)數(shù)直方圖、振鈴計(jì)數(shù)直方圖和能量計(jì)數(shù)直方圖。從圖中可以看出:在同一門檻電壓下幅度計(jì)數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)和能量計(jì)數(shù)等參數(shù)均有相同的變化規(guī)律,即:6061純鋁的模擬聲波信號(hào)接收效果最好,其次是304不銹鋼,再次是45碳素鋼,有機(jī)玻璃接收效果最差。這應(yīng)該是由不同材料波導(dǎo)桿的材料屬性決定的,與材料的聲速有關(guān);試驗(yàn)用的五種材料中鋁的聲速最高,其次是鋼(304不銹鋼和45碳素鋼非常接近),再次是有機(jī)玻璃,最后是聚四氟乙烯。在門檻電壓改變時(shí),從水中不同材料波導(dǎo)桿的幅度計(jì)數(shù)直方圖、振鈴計(jì)數(shù)直方圖和能量計(jì)數(shù)直方圖中也均可以明顯看出相同的變化規(guī)律。由此說(shuō)明,水中金屬波導(dǎo)桿的聲波傳播特性優(yōu)于塑料波導(dǎo)桿。

圖3 不同門檻電壓、不同材料波導(dǎo)桿的振鈴計(jì)數(shù)直方圖

圖4 不同門檻電壓、不同材料波導(dǎo)桿的能量計(jì)數(shù)直方圖

2.2 不同材料波導(dǎo)桿在水中接收模擬聲波信號(hào)的波形對(duì)比

圖5 不同材料波導(dǎo)桿在水中接收模擬聲波信號(hào)的時(shí)域波形圖(門檻電壓5 m V)

2.2.1 不同材料波導(dǎo)桿在水中接收模擬聲波信號(hào)的時(shí)域波形圖對(duì)比

圖5為不同材料波導(dǎo)桿在水中接收模擬聲波信號(hào)的時(shí)域波形圖。對(duì)比圖5(a),(b),(c),(d)的時(shí)域波形圖可以看出,在上升段速度都比較快,在下降段時(shí)都顯示出指數(shù)衰減振蕩的現(xiàn)象,它們的包絡(luò)線形態(tài)均呈現(xiàn)一個(gè)三角形,在時(shí)域上均呈現(xiàn)分離的波形,這屬于典型的突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)波形。模擬聲波信號(hào)經(jīng)水中不同材料波導(dǎo)桿傳播的幅度分析結(jié)果表明,6061純鋁的幅度明顯大于304不銹鋼、45碳素鋼和有機(jī)玻璃的幅度;而有機(jī)玻璃上升段的上升速度略低于6061純鋁、304不銹鋼和45碳素鋼板。

從圖5還可以看出,不同材料波導(dǎo)桿的時(shí)域波形圖在時(shí)間軸上的衰減特征基本相同,但在衰減速度上不同;6061純鋁衰減最慢,其次是304不銹鋼,再次是45碳素鋼,有機(jī)玻璃衰減最快。由于在水介質(zhì)中只傳播縱波不傳播橫波,波形特征表現(xiàn)為單一縱波,因此衰減特征基本相同。介質(zhì)對(duì)信號(hào)幅度衰減存在影響,但這種影響并不顯著[10]。聲波衰減的大小及其變化不僅取決于所使用的聲波頻率及傳播距離,也取決于材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及性能。不同材料波導(dǎo)桿在時(shí)間軸上表現(xiàn)出不同的衰減速度主要取決于不同材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。上述分析說(shuō)明,水中金屬材料波導(dǎo)桿的聲波傳播特性優(yōu)于塑料材料波導(dǎo)桿。

2.2.2 不同材料波導(dǎo)桿在水中接收模擬聲波信號(hào)的頻譜圖對(duì)比

圖6為不同材料波導(dǎo)桿在水中接收模擬聲波信號(hào)的頻譜圖。對(duì)比圖6(a),(b),(c),(d)的頻譜圖可以看出,頻譜分布曲線集中,質(zhì)心比較明顯,表明信號(hào)包含的頻率比較單純,屬于典型的突發(fā)型聲發(fā)射的頻幅。從圖6可以看出,四種材料波導(dǎo)桿的高頻部分均位于150 k Hz附近,其中6061純鋁、304不銹鋼和45碳素鋼波導(dǎo)桿的頻率在0～300 k Hz間,而有機(jī)玻璃波導(dǎo)桿的頻率在0～400 k Hz間。模擬聲波信號(hào)經(jīng)水中不同材料波導(dǎo)桿傳播后,均發(fā)生了明顯的頻散現(xiàn)象。但6061純鋁的頻散范圍最小,其次是304不銹鋼和45碳素鋼,而有機(jī)玻璃的頻散范圍最大。這說(shuō)明,在水中金屬材料波導(dǎo)桿的頻散現(xiàn)象明顯弱于塑料波導(dǎo)桿。由于在水介質(zhì)中只傳播縱波不傳播橫波,其波形特征表現(xiàn)為單一縱波;因此不同材料波導(dǎo)桿表現(xiàn)出的不同頻散范圍應(yīng)該是由不同材料波導(dǎo)桿的材料屬性決定的,且主要與材料中存在的大量晶界有關(guān)[11]。上述分析說(shuō)明,水中金屬材料波導(dǎo)桿的聲波傳播特性優(yōu)于塑料材料。

圖6 不同材料波導(dǎo)桿在水中接收模擬聲波信號(hào)的頻譜圖(門檻電壓5 m V)

3 結(jié)論

(1)在相同門檻電壓下,采用全波形聲發(fā)射儀檢測(cè)由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的模擬聲波信號(hào)經(jīng)水中不同材料波導(dǎo)桿的傳播特性時(shí),聲發(fā)射幅度計(jì)數(shù)、振鈴計(jì)數(shù)和能量計(jì)數(shù)等參數(shù)均明顯表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律,即:6061純鋁的接收效果最好,其次是304不銹鋼,再次是45碳素鋼,有機(jī)玻璃接收效果最差。

(2)模擬聲波信號(hào)經(jīng)水中不同材料波導(dǎo)桿傳播的時(shí)域波形圖均呈現(xiàn)出相同的衰減特征,但衰減速度有所不同;6061純鋁的衰減最慢,其次是304不銹鋼,再次是45碳素鋼,有機(jī)玻璃的衰減最快。

(3)模擬聲波信號(hào)經(jīng)水中不同材料波導(dǎo)桿傳播后,均發(fā)生明顯的頻散現(xiàn)象,其中金屬材料波導(dǎo)桿的頻散較弱,而塑料波導(dǎo)桿的頻散明顯。

(4)聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)的參數(shù)分析和波形分析結(jié)果表明,水中金屬材料波導(dǎo)桿的聲波傳播特性優(yōu)于塑料材料波導(dǎo)桿。

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Propragation Characteristics of Acoustic Waves Through Different Material Waveguide Rods in Water

LIU Bing1,2,WANG Feng2,FU Hui3,LI Mu-sen1,2
(1.School of Materials Science and Engineering,Shandong University,Jinan 250061,China; 2.Shandong Engineering Research Centre for Superhard Materials,Zoucheng 273500,China; 3.Zoucheng Seismological Bureau,Zoucheng 273500,China)

By using full waveform acoustic emission instrument,the waveform data of the acoustic waves produced by a signal generator and through different material waveguide rods in water have been detected and analyzed,and then the propagation characteristics of the acoustic waves have been systemetically studied.The research results show that the change regulation of the acoustic emission amplitude counting,ring down counting and energy counting are stable and it is easy to find the corresponding change rule.The acoustic waves through the different material waveguide rods in water always show the attenuation characteristics,but the time domain waveform and the amplitude spectrum show the obvious frequency dispersion phenomena.The propagation characteristic of the acoustic wave through the metal waveguide rod is much better than that of the plastic one.Therefore,the experimental results are very important for earthquake monitoring by means of the propagation characteristics of the acoustic waves through the appropriate material waveguide rod in a deep well.

Acoustic wave;Wave guide rod;Sound wave propagation characteristic;Time-domain waveform; Spectrum analysis

TG115.28

:A

:1000-6656(2017)01-0024-04

10.11973/wsjc201701006

2016-06-25

劉 兵(1979－),男,主要研究方向?yàn)閰^(qū)域地(礦)震監(jiān)測(cè)技術(shù)。

李木森(1952－),男,教授,博士生導(dǎo)師,E-mail:msli＠sdu.edu.cn。