固體中的機(jī)械波是聲波。由于其作用力的量級(jí)所引起的變形在線性范圍，符合虎克定律，也可稱其為彈性波。聲波檢測(cè)和淺層地震、面波勘探同屬?gòu)椥圆ā皠?dòng)測(cè)”技術(shù)。

聲波檢測(cè)（Sound Wave DetECting）所使用的波動(dòng)頻率從幾百赫到50千赫（現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試）及50到500千赫（巖石及砼樣品測(cè)試），覆蓋了聲頻到超聲頻，但在檢測(cè)聲學(xué)學(xué)科領(lǐng)域中稱其為“聲波檢測(cè)”。其測(cè)試原理與淺層地震相同，但使用頻率及測(cè)時(shí)精度均高于淺層地震勘探。

應(yīng)提及的是，這里所闡述的聲波檢測(cè)包含被動(dòng)聲波檢測(cè)，即不需要振源的地聲檢測(cè)技術(shù)。

12.3.1　基本原理

聲波檢測(cè)技術(shù)中有三個(gè)聲學(xué)參量，即聲速（俗稱波速）、聲波波幅及頻率，可對(duì)介質(zhì)的物性做出評(píng)價(jià)。當(dāng)前應(yīng)用最多的是聲速，其次為波幅，頻率參量也日漸加入應(yīng)用。

聲波可以評(píng)價(jià)巖體（及混凝土）的性狀，更可提供物理力學(xué)參數(shù)，但固體的聲速和介質(zhì)的幾何尺寸有關(guān)。無(wú)限體（大塊的巖體）、一維桿（防滑樁）、二維板（擋土墻）的聲速表達(dá)式中的動(dòng)彈性力學(xué)參數(shù)不盡相同，邊界條件不一樣，有必要對(duì)它們分別討論。

12.3.1.1　無(wú)限（無(wú)界）固體介質(zhì)中的聲速

無(wú)限體指的是介質(zhì)的尺寸遠(yuǎn)比波長(zhǎng)λ

波長(zhǎng)A是一個(gè)基本的聲參量，其物理含意是聲波波動(dòng)一個(gè)周期T所傳播的距離。所以A=T·C式中C為聲速。而周期 T與頻率f存在T=1/f，因此A=T·C=C/f。大，理論及實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)介質(zhì)與聲波傳播方向相垂直的尺寸D＞(2～5）λ，此時(shí)的介質(zhì)可認(rèn)為是無(wú)限體。

聲速是介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)彈性振動(dòng)的傳遞（傳播）速度。由彈性理論可知，在無(wú)限固體介質(zhì)中由應(yīng)力引起彈性應(yīng)變過(guò)程的波動(dòng)方程為：

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式中：θ為體積膨脹率，

表示在聲波擾動(dòng)下體積相對(duì)變化；ux、uy、uz分別為x、y、z方向的位移；λ、μ為拉梅常數(shù)；▽2為拉普拉斯算子，

；p為介質(zhì)密度。將12.6式中的第一式對(duì)x求導(dǎo)，第二式對(duì)y求導(dǎo)，第三式對(duì)z求導(dǎo)，然后相加，可得：

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設(shè)

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式中：E為彈性模量；σ為泊松比，兩者都是介質(zhì)的彈性常數(shù)，它們與拉梅常數(shù)λ、μ之間有一定互換關(guān)系。將（12.8）式代入（12.7）式，可有：

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顯然，（12.9）式中的Cl具有速度的量綱，代表介質(zhì)內(nèi)由質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)傳遞過(guò)程引起的體積膨脹率的傳播速度，也就是縱波的傳播速度，人們常用vP表示。即：

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縱波的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)傳播的物理過(guò)程可用圖12-6a表示。可見(jiàn)，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)和傳播方向是一致的。

圖12-6　縱波及橫波質(zhì)點(diǎn)傳播過(guò)程

從三維角度看，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)還可以與傳播方向相垂直，這種波動(dòng)稱之為切變波或橫波，它不引起固體微元的體積變化，故從12.6式中令θ＝0可求得：

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式中：Ct代表橫波傳播速度，人們常用vs表示。

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式中：G為剪切模量。橫波的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)傳播的物理過(guò)程可用圖12.6b表示。

（1）聲速與彈性力學(xué)參數(shù)：由（12.10）及（12.12）式可見(jiàn)，只要測(cè)取巖體的縱波及橫波聲速vp及vs，并已知巖體密度p的情況下，便可以獲取巖體的動(dòng)彈性模量E、剪切模量 G及泊松比σ，對(duì)巖體的動(dòng)力學(xué)特征做出評(píng)價(jià)。故動(dòng)彈性力學(xué)參數(shù)可由下列公式計(jì)算：

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（12.14）及（12.15）式中vP及vS以m/s計(jì)，p以kg/m3計(jì)，E、G的單位為Pa。

（2）用vP/vs評(píng)價(jià)巖體質(zhì)量：泊松比σ反映的是巖體彈性性能，即在應(yīng)力作用下產(chǎn)生縱向（應(yīng)力方向）相對(duì)變形量與橫向（應(yīng)力垂向方向）相對(duì)變形量之比的倒數(shù)，反映的是巖體的“軟”、“硬”程度。由于泊松比與縱、橫聲速之比有著密切的關(guān)系，所以常用縱、橫波速度之比來(lái)反映巖體的物理性狀。縱、橫波速度比vP/vs與泊松比σ的關(guān)系如表12-5。

顯然，vP/vs值越大，巖體越“軟”。通過(guò)大量的統(tǒng)計(jì)，vP/vs的量值與巖體的完整程度如表12-6。

表12-5　縱橫波速度比 vp/vs與泊松比σ的關(guān)系

表12-6　vP/vs的量值與巖體的完整程度

（3）聲速巖體振動(dòng)分析完整性指數(shù)：評(píng)價(jià)巖體的質(zhì)量也可以只用縱波聲速。例如“工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)”（GB50218-94）規(guī)定，可以用巖體的縱波波速vPm與巖石的縱波聲速vPr按（12.6）式測(cè)算出巖體完整性指數(shù)Kv。

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顯然巖體包含的裂隙、節(jié)理比小體積的巖石要少，故 Kv＜1。可見(jiàn)，它反映的是巖體的完整程度。由完整性指數(shù)，可對(duì)巖體的工程力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分類，如表12-7。

表12-7　工程兵某部的巖體分類研究

（4）聲速與巖性：不同巖性由于其結(jié)構(gòu)、礦物組合、成因、地質(zhì)年代等因素的不同，聲速是不同的。又由于節(jié)理、裂隙等結(jié)構(gòu)因素，它們的聲速并不固定，而分布在一定范圍。表12-8是常見(jiàn)到的幾種有代表性巖體的縱波聲速統(tǒng)計(jì)值。

表12-8　常見(jiàn)巖體的縱波聲速統(tǒng)計(jì)值

（5）聲速與巖體風(fēng)化：同一種巖性風(fēng)化程度的不同其聲速有著明顯的區(qū)別（表12-9）。以長(zhǎng)江三峽三斗坪壩巖體風(fēng)化程度與縱波聲速為例，說(shuō)明用縱波聲速劃分巖體風(fēng)化的可行性。

表12-9　風(fēng)化巖石縱波聲速值（波速單位km/s)

（6）聲速與巖體的裂隙：眾所周知，巖體裂隙無(wú)論是原生的還是后期因地應(yīng)力作用產(chǎn)生的次生裂隙，裂隙的出現(xiàn)便是巖體風(fēng)化的開(kāi)始。所以，有必要論述聲速與巖體裂隙及風(fēng)化相關(guān)的機(jī)理。

聲學(xué)理論中的“惠更斯原理”對(duì)這一機(jī)理做出了合理的解釋。惠更斯原理指出：彈性介質(zhì)中，在某一時(shí)刻 t，聲波波前上的所有點(diǎn)，均可視為該時(shí)刻開(kāi)始振動(dòng)的新的點(diǎn)振源，各點(diǎn)振源產(chǎn)生新的球面波，這些球面波在 t＋△t后波前的包絡(luò)的疊加組合，形成新的波前，如此循環(huán)不已。故當(dāng)波動(dòng)的前方有裂隙存在時(shí)，在裂隙尖端所產(chǎn)生的新的點(diǎn)振源將可繞過(guò)裂隙繼續(xù)傳播，形成波的“繞射”。繞射的過(guò)程聲線“拉”長(zhǎng)，聲時(shí)（聲波傳播的耗時(shí)）加長(zhǎng)，使視聲速降低，故聲速不僅可對(duì)巖體的風(fēng)化程度加以劃分，對(duì)巖體中存在的裂隙有著極為敏感的反映，特別是張裂隙。

（7）聲速與巖體結(jié)構(gòu)的關(guān)系：巖體的結(jié)構(gòu)可分為四類：整體塊狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)、散體結(jié)構(gòu)。聲波在整體塊狀結(jié)構(gòu)中的傳播速度最快。后三類結(jié)構(gòu)中，由于巖體的節(jié)理裂隙發(fā)育程度不相同，聲波在這種非均質(zhì)介質(zhì)中傳播，將會(huì)在不同的波阻抗界面產(chǎn)生波的反射、折射、波形轉(zhuǎn)換等，使聲線拉長(zhǎng)，從而使聲速隨結(jié)構(gòu)的復(fù)雜而降低。但在聲波的傳播中還有一個(gè)原理，即“費(fèi)瑪原理”。費(fèi)瑪原理指出：聲波從一個(gè)點(diǎn)向另一個(gè)點(diǎn)傳播，會(huì)沿著最短、最佳、最不費(fèi)時(shí)的路徑傳播。這就決定了隨著巖體結(jié)構(gòu)的不同，聲波的傳播走時(shí)是會(huì)有一定規(guī)律的，其關(guān)系如表12-10。

表12-10　聲速與巖體結(jié)構(gòu)

（8）聲速與地應(yīng)力：裂隙對(duì)聲速的影響稱之為“裂隙效應(yīng)”。巖體受到外界應(yīng)力作用時(shí)，其變形首先是裂隙的壓密，由此可使聲速提高。但當(dāng)應(yīng)力超過(guò)強(qiáng)度極限，巖體又會(huì)出現(xiàn)新的裂隙而使聲速下降。圖12-7是四塊巖石試塊（砂巖）應(yīng)力與聲速關(guān)系的實(shí)測(cè)曲線。

圖12-7　巖石應(yīng)力與超聲波波速的關(guān)系

P—壓力方向；F—發(fā)射換能器；S—接收換能器

根據(jù)上述原理，對(duì)巖體做應(yīng)力釋放處理測(cè)取應(yīng)力釋放前后的聲速，然后再對(duì)取得的巖心加壓測(cè)量其聲速，可推測(cè)出地應(yīng)力的量值及方向。

12.3.1.2　有限固體介質(zhì)中的聲速

（1）一維桿的聲速：固體介質(zhì)的尺寸和波長(zhǎng)滿足下列關(guān)系稱為一維桿。即：

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式中：λ為波長(zhǎng)，D是一維桿直徑，L是一維桿的長(zhǎng)度。這時(shí)桿軸線方向的縱波聲速存在下列關(guān)系：

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顯然，

與無(wú)限體的縱波聲速相差

0.25,

，見(jiàn)（12.10式），當(dāng)σ＝0.2～

（2）二維板的聲速：當(dāng)固體二維板在x及y方向的尺寸遠(yuǎn)大于：方向尺寸，且z方向的尺寸Lz＜λ時(shí)，二維板在x及y方向的縱波聲速如下：

而橫波聲速不依賴幾何尺寸。

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討論—維桿及二維板的縱波聲速，目的在于對(duì)滑坡體治理時(shí)可能采用抗滑樁及擋土墻等工程治理措施，其施工質(zhì)量的檢測(cè)大多會(huì)采用聲波透射法及聲波反射法。對(duì)于正常聲速的取值及動(dòng)彈性力學(xué)參數(shù)的測(cè)算，分別應(yīng)使用（12.8式）及（12.9式）。抗滑樁使用混凝土的情況較多，一維桿使用反射波法對(duì)混凝土優(yōu)劣的聲速劃分與用聲波透射法不同，見(jiàn)表12-11。其不同的原因是反射波使用的聲波頻率在1kHz左右（A=4m左右）屬一維桿的縱波聲速，而聲波透射法使用30kHz左右的頻率（λ＝0.13m左右）屬無(wú)限體的聲速。

表12-11　測(cè)樁混凝土聲速分級(jí)

12.3.1.3　聲波的反射、折射及波型轉(zhuǎn)換

聲波在固體介質(zhì)中的反射、折射及波型轉(zhuǎn)換是巖體及砼聲學(xué)檢測(cè)的重要理論依據(jù)。

（1）垂直入射時(shí)的反射及透射：當(dāng)固體介質(zhì)不連續(xù)時(shí)，如存在波阻抗界面（波阻抗的定義是介質(zhì)密度ρ與聲速c的乘積，即Z＝ρc），如圖12-8，如聲波傳播的聲線與x=n的界面相垂直，則為垂直入射。在該界面處，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)振速 v及振動(dòng)產(chǎn)生的聲壓P具有聲壓連續(xù)及振速連續(xù)，如下：

圖12-8　聲波（平面波）的入射、反射及透射示意圖

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式中：P、v為入射聲速的聲壓及振速；P1、v1為反射聲壓與振速；P2、v2為透過(guò)的聲壓及振速。將波阻抗Z＝ρc關(guān)系代入上式可求出：

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（12.22）式中的RP為聲壓反射系數(shù)，（12.23）式中的Rv為振速反射系數(shù)。它們從不同角度說(shuō)明聲波反射的同一物理現(xiàn)象，聲壓反射系數(shù)說(shuō)明了反射時(shí)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的應(yīng)力關(guān)系。同理可推導(dǎo)出聲壓透過(guò)系數(shù)。

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垂直反射比較簡(jiǎn)單，不產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換。

（2）斜入射時(shí)的反射、折射及波型轉(zhuǎn)換：如果在波阻抗界面處入射聲波不是垂直入射，將產(chǎn)生反射、折射及波型轉(zhuǎn)換，其規(guī)律見(jiàn)圖12-9及圖12-10。

圖12-9　聲波斜入射時(shí)的反射示意圖

注：

(a）縱波斜入射；（b）橫波斜入射

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反射、折射規(guī)律遵循Snell定律，如（12.25）式：

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式中：αl、

βl、βt的含意見(jiàn)圖12-9及圖12-10。由（12.25）式可得到一個(gè)重要的入射角，稱為第一臨界角αi：

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該式說(shuō)明：當(dāng)縱波入射角等于第一臨界角時(shí)，在比第一層介質(zhì)聲速高的第二層介質(zhì)中的折射角等于90°，即折射波在第二層介質(zhì)表面滑行。

（3）斜入射時(shí)的反射及折射系數(shù)：圖12-9(a）縱波斜入射的反射系數(shù) RP（如式12.27），而圖12-10(a）中聲波的透過(guò)系數(shù)RT（如式12.28）：

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（12.27）式及（12.28）式中的Z1＝ρ1c1,Z2＝ρ2c2，分別為上下層介質(zhì)的波阻抗。

（4）聲波的繞射及散射：用惠更斯原理可解釋聲波的繞射，前文已述及，不再贅述。

聲波在介質(zhì)中傳播，如介質(zhì)中含有隨機(jī)分布的不同波阻抗的顆粒，而這些顆粒的幾何尺寸 r＜λ（λ為波長(zhǎng)），這時(shí)聲波將被這些顆粒反射而散射開(kāi)來(lái)，使聲波不能全部向前傳播形成聲能的損失，這種現(xiàn)象稱為散射。

12.3.1.4　聲波的波幅及聲波的衰減

聲波的傳播是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的傳遞過(guò)程，單位時(shí)間傳遞的距離就是“聲速”，而質(zhì)點(diǎn)在振動(dòng)傳遞過(guò)程中其振動(dòng)的幅度便是聲波的“波幅”。聲波波幅會(huì)隨著質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)相互碰撞，在將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能的過(guò)程中，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的能量耗損使其振動(dòng)幅度漸減，稱之為聲波的衰減。聲波的衰減顯然隨介質(zhì)材質(zhì)、結(jié)構(gòu)及聲波頻率的不同而各異，同一種介質(zhì)，聲波頻率高衰減快。

在聲波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用中，目前還沒(méi)有用聲波的衰減評(píng)價(jià)被測(cè)介質(zhì)特性，而是通過(guò)測(cè)量聲波波幅的變化檢測(cè)諸如巖體內(nèi)裂隙的發(fā)育情況、風(fēng)化特征以及混凝土內(nèi)部的各種缺陷等。

聲波的波幅A與傳播距離有下列關(guān)系：

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兩式中：Am為發(fā)射點(diǎn)的聲波波幅；α為聲波衰減系數(shù)，l為傳播距離。（12.29）式適用平面波，（12.30）式適用球面波。

12.3.1.5　聲波的頻率

由富氏變換可知，聲波檢測(cè)發(fā)射的脈沖波是由多個(gè)不同頻率的正弦波組成。在巖體中隨著傳播距離加大，或由于巖體裂隙的發(fā)育程度、風(fēng)化程度的不同，接收到的脈沖波的高頻信號(hào)衰減快，使接收信號(hào)的主頻（能量最豐富的頻率）降低。故接收到的聲波信號(hào)的頻率特性，可反映出巖體的物理性狀。

12.3.1.6　聲發(fā)射現(xiàn)象與凱薩效應(yīng)

當(dāng)巖體受到外力作用，例如地下殘余應(yīng)力、人為或自然界對(duì)巖體產(chǎn)生擾動(dòng)引發(fā)的應(yīng)力集中等，超過(guò)巖體的強(qiáng)度時(shí)，巖體內(nèi)部將被破壞。這種破壞往往要經(jīng)歷一個(gè)過(guò)程，開(kāi)始時(shí)局部產(chǎn)生微破裂，出現(xiàn)一些新的裂隙，當(dāng)外應(yīng)力增加，這種破裂的數(shù)量（次數(shù)）增加，新生的裂隙增加并延伸，外應(yīng)力增加到一定程度后，最終造成整塊巖體破損坍塌。在上述巖體受力破壞的過(guò)程中，每產(chǎn)生一次破裂，能量被釋放并轉(zhuǎn)換成一次脈沖波動(dòng)，形成一組聲脈沖，稱為“聲發(fā)射”。每出現(xiàn)一次聲發(fā)射，即為一次聲發(fā)射“事件”。

聲發(fā)射現(xiàn)象產(chǎn)生的脈沖聲波的頻譜甚為豐富，據(jù)國(guó)外文獻(xiàn)及國(guó)內(nèi)有關(guān)單位研究，其頻率的上限到兆赫，下限到千赫。因此，可以在距離聲發(fā)射點(diǎn)幾十米以外接收到聲發(fā)射信號(hào)，一般接收儀器接收到的是主頻數(shù)千赫以下的聲發(fā)射脈沖波組。由所接收到聲發(fā)射事件的次數(shù)、單位時(shí)間內(nèi)事件數(shù)，及聲發(fā)射信號(hào)的波幅強(qiáng)度等動(dòng)力學(xué)特征，可對(duì)巖體是否失穩(wěn)進(jìn)行預(yù)報(bào)。

巖體聲發(fā)射現(xiàn)象，還有一個(gè)特殊效應(yīng)系由凱薩氏發(fā)現(xiàn)，定名為“凱薩效應(yīng)”。從巖體上取下一塊完整的巖石試樣，放在材料試驗(yàn)機(jī)上緩緩施加壓力，在所加壓力未超過(guò)它歷史上所受到應(yīng)力之前，是不會(huì)發(fā)生聲發(fā)射的。由此，從加壓后開(kāi)始出現(xiàn)聲發(fā)射現(xiàn)象之前的一級(jí)壓力，即為該巖體歷史上所受到的最大應(yīng)力。

12.3.2　觀測(cè)方法

聲波檢測(cè)（主動(dòng)式）的全過(guò)程，可用圖12-11加以說(shuō)明。當(dāng)今聲波檢測(cè)儀均已數(shù)字化，現(xiàn)以數(shù)字化聲波檢測(cè)儀的發(fā)射、接收、數(shù)據(jù)采集及信號(hào)處理過(guò)程說(shuō)明聲波檢測(cè)的觀測(cè)原理。

圖12-11　聲波檢測(cè)（主動(dòng)式）原理框圖

（1）聲波的發(fā)射：傳統(tǒng)的聲波儀用壓電型換能器的逆壓電效應(yīng)將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)，向巖體輻射聲波，其透射距離在10m以內(nèi)（頻率20～50kHz）。為加大穿透距離，聲波儀也可以用電火花、錘擊等單次瞬態(tài)激勵(lì)振源向巖體發(fā)射聲波（頻率約3kHz以下）。

（2）聲波的接收：傳統(tǒng)的聲波儀多使用壓電型接收換能器的壓電效應(yīng)，將經(jīng)巖體傳播后的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，這些信號(hào)攜帶了巖體的物理力學(xué)及地質(zhì)信息。

（3）放大及數(shù)據(jù)采集：見(jiàn)圖12-11，由接收換能器送出的信號(hào)先經(jīng)接收放大系統(tǒng)加以適當(dāng)?shù)姆糯螅俳?jīng)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)放大后的信號(hào)由A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，并按采樣的時(shí)間順序存儲(chǔ)在隨機(jī)存儲(chǔ)寄存器（RAM），再將這些離散的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)送入微電腦，最終接收換能器接收到的聲波信號(hào)波形顯示在電腦顯示屏上。目前最高檔的聲波檢測(cè)儀，在將波形顯示在屏幕上的同時(shí)，可將接收信號(hào)的首波波幅及首波的到達(dá)時(shí)間（即聲時(shí)）自動(dòng)加以判讀，同時(shí)加以顯示。接收到的波形、波幅、聲時(shí)等可存入電腦的硬盤或軟盤，用作下一步的分析處理。上述聲波信息可在專用的數(shù)據(jù)與信息處理軟件的支持下，對(duì)被測(cè)介質(zhì)作出評(píng)價(jià)。

（4）被動(dòng)式聲波檢測(cè)：巖體中的聲發(fā)射信號(hào)、滑坡體蠕動(dòng)產(chǎn)生的摩擦聲信號(hào)統(tǒng)稱為“地聲信號(hào)”。對(duì)這些信號(hào)的接收過(guò)程與圖12-11基本相同，只不過(guò)沒(méi)有聲波發(fā)射系統(tǒng)，但接收是多通道的（三個(gè)以上），故稱之為被動(dòng)式聲波檢測(cè)。另一個(gè)重要的不同點(diǎn)是，它需要計(jì)時(shí)系統(tǒng)，記錄出現(xiàn)地聲的時(shí)刻，同時(shí)需對(duì)地聲脈沖信號(hào)的主頻、波幅量化處理后存儲(chǔ)記錄，統(tǒng)計(jì)出地聲事件出現(xiàn)的頻度。被動(dòng)式聲波檢測(cè)儀必須長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，提供不間斷的觀測(cè)記錄。地聲監(jiān)測(cè)是地質(zhì)災(zāi)害的勘查手段之一，對(duì)于研究地質(zhì)災(zāi)害發(fā)展規(guī)律十分重要。

12.3.3　檢測(cè)方法

由檢測(cè)對(duì)象及檢測(cè)目的的不同，聲波檢測(cè)有多種方法。

12.3.3.1　透射法

發(fā)射的聲波經(jīng)被測(cè)介質(zhì)傳播透過(guò)后，由接收換能器接收的測(cè)試方法為透射法。

（1）表面測(cè)試：工程場(chǎng)地的巖體、混凝土，如需檢測(cè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性、缺陷及力學(xué)性能，而目標(biāo)體又有外露的測(cè)試面，可采用對(duì)測(cè)法，如圖12-12(a）；只有一個(gè)檢測(cè)面時(shí)，可采用平面測(cè)試法，如圖12-12(b）。

表面測(cè)試多用于地下洞室、隧道、邊坡、大型橋墩等如圖12-13。

圖12-12　表面測(cè)試原理圖

I—聲波檢測(cè)儀；T—發(fā)射換能器；R—接收換能器；M—檢測(cè)介質(zhì)

圖12-13　聲波表面測(cè)試示意圖

1～3—隧道及洞室；4—橋墩類

＞發(fā)射點(diǎn)；接收點(diǎn)

（2）跨孔測(cè)試：在兩個(gè)相距一定距離的鉆孔中，分別放入發(fā)射振源和接收換能器，如圖12-14。具體方法有同步提升測(cè)試法，圖12-14(a）；斜測(cè)法，如圖12-14(b）；及扇面測(cè)試法，如圖12-14(c）。

跨孔測(cè)試用于孔間巖體破碎帶、巖溶、滑坡的滑帶（床）的測(cè)試；扇面測(cè)試用于聲波層析成像（CT）測(cè)試。此外，跨孔測(cè)試還用于防滑樁、擋土墻等地質(zhì)災(zāi)害防治工程的工程質(zhì)量檢測(cè)。

如圖12-15，在鉆孔地面旁敲擊，孔中用三分量檢波器（或壓電換能器）接收。橫敲木板可測(cè)取地層橫波聲速，直接敲地面測(cè)取縱波聲速。地面—孔中測(cè)井可用于測(cè)取地層動(dòng)力學(xué)參數(shù)，劃分地層，對(duì)滑坡體進(jìn)行檢測(cè)，掌握滑床（帶）部位、物理性狀等。

圖12-14　聲波跨孔測(cè)試示意圖

T—發(fā)射振源；R—接收換能器；H—鉆孔

12.3.3.2　折射法——單孔一發(fā)雙收聲測(cè)井

如圖12-16，發(fā)射換能器 T近似點(diǎn)振源，故總有一條聲線滿足第一臨界角，這時(shí)進(jìn)入巖體的聲波折射角為90°，射波沿孔壁滑行，以后又被相距L的R1及相距為L(zhǎng)＋△L的R2接收，其聲時(shí)分別為t1及 t2。聲速vP為：

圖12-15　聲波地面—孔中測(cè)試示意圖

I—聲波儀；R—三分量檢波器；B—帖壁氣囊；M—巖體；H—鉆孔；W—激振木板；P—壓力；F—正向激振；F′—反向激振I—聲波儀；T—發(fā)射換能器；R1、R2—接收換能器；M—巖體；H—鉆孔

圖12-16　單孔一發(fā)雙收聲波測(cè)井原理

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單孔－發(fā)雙收聲波測(cè)井用于巖體風(fēng)化殼劃分及強(qiáng)度評(píng)價(jià)，深部地層的構(gòu)造、軟弱結(jié)構(gòu)面、破碎帶埋深及發(fā)育的勘查。

一發(fā)雙收聲波測(cè)井必須注意的問(wèn)題是，接收換能器R1在接收到沿孔壁滑行折射波的同時(shí)，還能接收到由井液中直接傳播的聲波，因此必須保證滑行波的走時(shí)t.小于井液中傳播的聲時(shí)tw，才能保證正確的測(cè)試。由于巖體的聲速大于井液的聲速，所以，只要加大發(fā)射換能器 T與接收換能器R1之間的距離 L(L稱源距）即可達(dá)此目的。通過(guò)計(jì)算可求得最小的源距 Lmin有下列關(guān)系：

（12.32）式中D為鉆孔直徑；α為換能器外徑；Cw為井液聲速；Cm為巖體縱波聲速的最低值。

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（12.31）式說(shuō)明，當(dāng)一發(fā)雙收換能器的直徑及源距確定后，所能適用的鉆孔孔徑也就被限制在一定范圍之內(nèi)。用其在鉆孔中進(jìn)行測(cè)試之前，應(yīng)按（12.31）式核算一下是否適應(yīng)孔徑。

12.3.3.3　反射法

圖12-17是樁（或混凝土擋土墻）反射波測(cè)試示意圖。用手錘或力棒敲擊樁頂產(chǎn)生入射波T，在樁底（或有缺陷 F）產(chǎn)生反射波R(R′）。接收傳感器 T，先后接收到直達(dá)波D、缺陷反射R′及樁底反射波R，即可由檢測(cè)儀器I將它們依次記錄。由記錄的波形可判斷樁是否完整，或有無(wú)缺陷，以及樁身混凝土聲速，并由聲速推斷混凝土質(zhì)量（強(qiáng)度等級(jí)）、缺陷的位置。

圖12-17　樁（墻）反射波測(cè)試

I—儀器；H—手錘；Tr—傳感器；P—樁（墻）；F—缺陷；E—地層；T—入射波；R—樁底反射波；R′—缺陷反射波；D—直達(dá)波

上述樁的反射波法，實(shí)際是一維桿的“零”偏移距反射波法（也就是淺層地震所謂的最小偏移距反射法）。按此原理，還可以對(duì)地下連續(xù)墻、擋土墻進(jìn)行墻體的完整性及深度檢測(cè)。依此類推，也可以對(duì)地下隧道開(kāi)挖面前方的巖體破碎帶、溶洞等不良地質(zhì)體進(jìn)行“零”偏移距反射波法測(cè)試，目前已取得較好的實(shí)測(cè)結(jié)果。

12.3.3.4　巖石樣品的聲波測(cè)試

（1）巖石樣品（試件）聲波測(cè)試的目的。巖石樣品多由鉆探取芯或工程現(xiàn)場(chǎng)取樣獲取。測(cè)試巖石樣品的目的是：獲取無(wú)結(jié)構(gòu)面的完整巖石聲速，作為評(píng)價(jià)巖體完整性的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；研究聲速與應(yīng)力間的關(guān)系；利用凱薩效應(yīng)掌握歷史上曾受到過(guò)的地應(yīng)力的最大值；提供巖石動(dòng)彈性力學(xué)參數(shù) Ed、Gd、σ等。

（2）巖樣的幾何尺寸與測(cè)試頻率的選擇。巖石樣品幾何尺寸較小，按有關(guān)規(guī)程規(guī)定，其尺寸應(yīng)為5×5×5(cm）、5×5×10(cm）、φ7×5及φ7×10(cm）。為了獲取無(wú)限體的聲速，必須采用高頻換能器測(cè)取縱波、橫波聲速vp、v。頻率的選取原則是 D≥（2～5)A如2.1.1(B）節(jié)中的要求。因此，聲波換能器的頻率應(yīng)在200～1000kHz，儀器的測(cè)量聲傳播時(shí)間的分辨率，應(yīng)達(dá)到0.1μs。

表12-12　多種聲波檢測(cè)方法總匯

（3）巖石樣品的加工要求，見(jiàn)原地質(zhì)礦產(chǎn)部《巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程》（1986年12月頒布）。

12.3.3.5　多種聲波檢測(cè)方法總匯

因檢測(cè)目的的不同，聲波檢測(cè)有著多種測(cè)試方法，各種方法又隨探測(cè)距離各異，出現(xiàn)多種發(fā)射振源及不同接收方式。各種聲波檢測(cè)方法的總匯如表12-12。

12.3.4　信號(hào)處理

我國(guó)的聲波檢測(cè)儀已普遍實(shí)現(xiàn)數(shù)字化并領(lǐng)先于國(guó)際水平。數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)，加速了信號(hào)處理技術(shù)的提高。目前已在多個(gè)方面應(yīng)用了信號(hào)處理技術(shù)，并開(kāi)發(fā)出了相應(yīng)的處理軟件。

（1）為研究應(yīng)用聲波信號(hào)的頻率特性，傅氏變換頻譜分析技術(shù)普遍用于聲波檢測(cè)，并備有相應(yīng)軟件供用戶使用；

（2）高、低、通數(shù)字濾波軟件，用于濾除不同的干擾信號(hào)；

（3）積分處理對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行積分運(yùn)算，將振動(dòng)加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換成振動(dòng)速度型信號(hào)及消除接收信號(hào)（直達(dá)波及反射波）的余振；

（4）多點(diǎn)平滑濾波將數(shù)字序列中的第i點(diǎn)信號(hào)（i=0、1、2、3、……N）與相鄰的i+n個(gè)信號(hào)幅度相加除以i+n的值作為i點(diǎn)的波幅，目的是消除噪音使波形光滑；

（5）疊加處理將n次（n任選）發(fā)射、接收到數(shù)字信號(hào)序列逐點(diǎn)相加，使波幅增強(qiáng)，以提高信噪比，消除隨機(jī)噪音。

上述信號(hào)處理軟件，多已裝入儀器，可以方便地調(diào)用。

12.3.5　數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理的目的是用測(cè)取的聲學(xué)參量，以及由它們衍生出的物理量評(píng)價(jià)巖體的結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)性能及混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、完整性等。

（1）聲速計(jì)算：

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其含義與（12.10）式及（12.12）式相同。

（2）巖體完整性指數(shù)（Kv）：

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式中：vPm為巖體縱波聲速[km/s],vPr為巖石試件縱波聲速[km/s]。根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50218-94）,Kv定性劃分巖體完整程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表12-13。

表12-13　Kv定性劃分巖石完整程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系表

（3）準(zhǔn)巖體抗壓強(qiáng)度（Fm）:

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式中：Fr為巖石試樣的單軸抗壓強(qiáng)度。

（4）巖體風(fēng)化系數(shù)（I）：

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式中：

為完整巖體的縱波聲速；

為風(fēng)化巖體的縱波聲速。

（5）動(dòng)彈性力學(xué)參數(shù)：當(dāng)測(cè)取了巖體及混凝土的縱波及橫波聲速，可求得下列動(dòng)彈性力學(xué)參數(shù)

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（12.36）至（12.38）式中：vP、vs為縱、橫波聲速；ρ為密度。

12.3.6　儀器設(shè)備

（1）水文地質(zhì)工程地質(zhì)專用聲波測(cè)井儀見(jiàn)表12-14。

表12-14　水文地質(zhì)工程地質(zhì)專用聲波測(cè)井儀一覽表

（2）典型超聲波（聲波）檢測(cè)儀見(jiàn)表12-15。

（3）電火花振源：為加大聲波穿透距離，可使用大功率電火花振源。其原理是：在高壓儲(chǔ)能電容上充4～8kV電壓，然后通過(guò)電纜及放電電極在水中瞬間放電，使水高熱氣化，產(chǎn)生激勵(lì)脈沖聲波。其特點(diǎn)是：能量可控、一致性好、能量大。便攜式電火花振源的能量可達(dá)300～700J（焦?fàn)枺嫣妒袩o(wú)線電廠生產(chǎn)，型號(hào)XW5512A。

表12-15　典型超聲波（聲波）檢測(cè)儀

（4）發(fā)射與接收換能器：由于聲波測(cè)試方法的不同，需要有多種換能器，滿足不同的測(cè)試要求。現(xiàn)有定型生產(chǎn)的各類換能器，表12-16所示給出了它們的名稱及主要技術(shù)性能、外形尺寸、耦合方法及適應(yīng)的測(cè)試方法。

表12-16　定型生產(chǎn)的各類換能器

參考文獻(xiàn)

北京大學(xué)數(shù)學(xué)力學(xué)系.1973.地震勘探數(shù)字技術(shù)，北京：科學(xué)出版社

董萬(wàn)里.1978.巖石動(dòng)彈性性質(zhì)的超聲測(cè)試，巖體工程地質(zhì)力學(xué)問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院研究所編，北京：科學(xué)出版社工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（GB50218-94).1995.國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局、建設(shè)部聯(lián)合發(fā)布

谷德振.1979.巖體工程地質(zhì)力學(xué)基礎(chǔ)，北京：科學(xué)出版社

理學(xué)報(bào)，第31卷，第6期

林宗元.1994.巖土工程試驗(yàn)手冊(cè)，遼寧科學(xué)技術(shù)出版社

劉云禎等.1996.瞬態(tài)面波法的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)應(yīng)用及實(shí)例，物探與化探

唐大榮.1988.Mini-Sosie淺層高分辨率反射波技術(shù)在西安市地裂縫研究中應(yīng)用，地球物理學(xué)報(bào)，第31卷，第6期

唐大榮.1990.用淺層地震反射法探測(cè)河北省山前平原活動(dòng)斷層依據(jù)及效果，物探與化探，第14卷，第2期

唐大榮.1994.地面巖溶塌陷的高分辨地震勘查，物探與化探，第18卷，第1期

王興泰.1996.工程與環(huán)境物探新方法新技術(shù)，北京：地質(zhì)出版社

王振東.1988.淺層地震勘探應(yīng)用技術(shù)，北京：地質(zhì)出版社

吳慶曾.1996.小應(yīng)變動(dòng)力驗(yàn)樁縱橫談，工程物探

吳慶曾.1998.聲波檢測(cè)的發(fā)射與接收，中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，第9卷增刊（ISSN1003-8035）

吳慶曾.2000.論基樁完整性檢測(cè)技術(shù)，物探與化探

巖石物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)規(guī)程.1986.地質(zhì)礦產(chǎn)部

楊成林等.1993.瑞雷波勘探.北京：地質(zhì)出版社

Wu Qingzeng.1992.Sonic Reflection for lnspecting The lntegrity of Foundation Pile,14th International Conger s on Acoustics