Page 132 - 《应用声学》2022年第3期

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law of the longitudinal wave velocity is different with different kinds of sandstones. The amplitude of waveform
energy and dominant frequency decreases exponentially with incident frequency. The longitudinal wave velocity
of grey sandstone and red sandstone decreases with the increase of porosity, and the difference of wave velocity of
brown sandstone under the same porosity is obvious. The regression equations based on the incident frequency
and amplitude attenuation coefficient of three kinds of sandstones are established. Based on the incident
frequency of 200 kHz, the regression equation of sandstone porosity and waveform energy is established. It is
suggested that 200 kHz should be used as the incident frequency, which can give consideration to the detection
sensitivity and detection distance. The research results are helpful to analyze and understand the acoustic
characteristics of sandstone, and provide reference for rock quality prediction and geophysical testing.
Keywords: Sandstone; P-wave; Incident frequency; Porosity; Acoustic parameter
探究超声波入射频率对于测试结果的影响。为此，
0 引言 本实验以 3 种砂岩为研究对象，使用不同频率的超

声波换能器对干燥条件下的岩样进行超声波实验，
岩石介质超声波测试是研究岩石力学特性、内
探究超声波入射频率对测试结果的影响以及纵波
部结构的完整性及均质性有效的测试方法，已得到
波速、幅值衰减系数、主频幅值、波形能量对于砂岩
国内外岩土工程界的广泛重视。它通过测定超声波
孔隙率的相关性，通过该研究有助于分析、理解砂
穿透岩体后的各项声学参数，间接地了解岩石或岩
岩声学特性，为建立声学参数与砂岩抗压强度之间
体的物理力学特性、结构构造特征及应力状态。在
的内在联系提供更多数据支撑，为实际物探测试中
这方面，赵明阶等 [1] 系统地研究了岩石的纵波波速
超声波入射频率的选择提供参考。
与其他岩石相关声学的力学参数的问题，建立了基
于超声波波速测试的岩石质量等级分类方法。文 1 试验方法
献 [2–4]将岩石的力学实验与超声波实验相结合，研
究了岩石应力应变与超声波波速、幅度和频谱特征 1.1 岩样制备
等变化关系。陈旭等 [5] 利用傅里叶变换及小波变 本次试验是对 3 种不同的砂岩 (灰砂岩、红砂
换研究声波在岩石中传播的波形、波幅衰减及波谱 岩、褐砂岩)进行各频率超声波信号特征的研究。为
特征。未睍等 [6] 对干燥和饱水致密砂岩的纵波、横 了避免砂岩样本的离散性，选取均质性好的坚硬大
波速度与孔隙度之间的关系进行了研究。文献[7–9] 块的原石，将原石夹持在钻机加工平台上，用金刚钻
对于煤岩的超声波纵波波速与密度、层理、孔隙度、 头钻取直径50 mm、长度为100 mm的岩样，然后将
含水率、矿物颗粒成分及大小进行了系统性研究。 岩样两端打磨水平，研磨精度要求岩样两端平行度
印兴耀等 [10] 以岩石孔隙参数为基础，建立了岩石 不大于1 mm。为了尽量减少岩样岩质不均匀、岩样

物理模型的纵波、横波速度反演方法。文献 [11–12] 中矿物成分、各向异性对纵波的影响，实验岩样采
根据岩石的物理力学参数与超声波纵波波速建立 用大块均质较好的原石，并且统一按照轴向垂直层
了相关的预测模型。刘希灵等 [13] 利用声发射系统 理加工而成，试验所用岩样实物图如图1 所示。3 种
岩样每组各5 个，分别对每组岩样进行编号，各岩样
对不同类型岩石中传播的衰减特性及主要影响因
素进行试验研究。Tan 等 [14] 利用超声波实验表明， 密度与孔隙率参数详见表1。
岩石的脆性因岩石中的流体类型和孔隙度而异。
多数学者在岩石超声波研究方面通过超声波
波速来量化岩石相关物理特性的联系。而超声波波
速所提供的声学信息有一定的局限性，超声波穿透
岩石后声波信号发生改变所携带大量声学信息，除
了波速，其他声学信息一定程度上也反映了岩石的
物理特性，且其他声学参数的相关性有待进一步探 图 1 试验所用岩样实物图
究，如各声学参数与孔隙率的相关性分析，并且还应 Fig. 1 Rock samples used in the experiment