未胶结砂的声波速度测量

  　1 引　言

    在利用声波进行海底勘探和地面勘探以及桩基评价中,不可避免的遇到未胶结细砂这种声学介质。因此研究这种介质的声传播特性是很有意义的。本文介绍了用声波透射法测量未胶结细砂的群速度和相速度的方法和测量结果。

    2　实验装置

    在本项研究中,采用了如图1所示的声波脉冲透射法实验测量系统。本系统由美国泛美公司(Panametrics)生产的5058型超声波分析仪、中心频率为100kHz的V1011宽频带声波探头,惠普公司生产的HP54504A数字存储示波器和586计算机和盛砂容器构成。超声波分析仪工作在对穿(Through)模式,用来发射、接收和放大声波信号,计算机和数字存储示波器用来对声波信号进行显示和数据集。整个测试系统由计算机控制运行。待实验的砂子为纯净的石英砂,其颗粒线度范围为2mm-3mm。盛放砂子的容器为带夹层的保温桶,其内径为241.3mm,深度约为500mm。

    3　实验结果及分析

    在实验中,使发收探头之间的距离的变化范围为45mm-345mm,每隔50mm进行一次测量.得到一道波形。图2(a)和图2(b)分别表示了发射和接收探头之间的距离为不同数值时在潮湿砂和在水饱和砂中测量得到的时域波形。由图2可见,在本实验所取的探头间距范围内,可以观测到信噪比良好的声波信号,但声波信号的衰减是非常大的。相比较而言,水饱和砂中声波的衰减比潮湿砂中声波的衰减大得多。可以观测到的另外一个现象是透射脉冲波的主频随着探头间距的增加而大幅度减小,这说明高频声波的声衰减比低频声波的大。

   (1)群速度

    对应于每一个发收探头间距D的波形,容易测得首波的到达时间t,制作D～t关系曲线并作线形回归,则回归直线的斜率就是纵波的传播速度。图3(a)和图3(b)分别表示了潮湿砂和水饱和砂的D～t关系曲线及回归结果。图中纵轴为发收探头距离D,横轴表示不同的发收探头距离时首波的到达时间t,回归直线的斜率值为声波传播群速度。

    对于潮湿砂,D～t关系的回归直线方程为:

D(mm)=21.97+0.1767×t(Ls)

    该方程的回归系数为0.9995。由此得潮湿砂的声速为176.7m/s。

　　对于水饱和砂,D～t关系的回归直线方程为

D(mm)=25.349+0.12043×t(Ls)

    该方程的回归系数为0.9993,由此得水饱和砂的声速为120.4m/s。

    (2)相速度

    由图2所示的波形数据,可以计算声波在未胶结砂中传播时的相速度。我们知道,时域信号傅立叶的相位谱是被限制在主值之内的,因而是失真的、不能用以计算相速度的。但是相位展开法可以解决这一困难[1]。我们取如图2(a)所示的、发收探头间距分别为145mm(近波)和245(mm)(远波)的两道波形,计算所得这两道波形的相位谱如图4(a)所示,由此相位谱计算出的相速度与频率之间的关系曲线如图4(b)所示。由图4(b)可见,潮湿砂中声波的相速度是随频率的增加而增加的。