Page 133 - 《应用声学》2022年第3期

第 41 卷 第 3 期 廖文博等： 超声纵波在孔隙砂岩中的传播特性实验 455

表 1 岩样参数 快速傅里叶变换 (Fast Fourier transform, FFT) 获
Table 1 Parameters of the rock samples 得频率与幅值的曲线，主频取频域曲线的最大幅值
所对应的频率，见图4。
岩样编号 岩性 密度/(g·cm −3 ) 孔隙率/%
1-1 灰砂岩 2432 3.18
1-2 灰砂岩 2421 3.23
1-3 灰砂岩 2349 3.21
1-4 灰砂岩 2424 3.25
1-5 灰砂岩 2425 3.38 ฾តࡸನ ᝠካ఻ˁ
ԍҧᝠ Ѭౢᣄ͈
2-1 红砂岩 2259 5.60
2-2 红砂岩 2256 5.20
2-3 红砂岩 2277 4.86
2-4 红砂岩 2258 5.18 ૱ᑟ٨ஆ
2-5 红砂岩 2307 4.50 ԧ࠱ଊ݀
3-1 褐砂岩 2197 5.05
3-2 褐砂岩 2192 5.08 ڍࠀԼ
3-3 褐砂岩 2204 5.05
3-4 褐砂岩 2196 5.19 图 2 HS-YS301C 型岩石声波参数测试仪及实验室
3-5 褐砂岩 2196 5.07 声波测试
Fig. 2 HS-YS301C rock acoustic parameter tester
1.2 试验系统及方案
and laboratory sonic testing
本研究采用的是超声脉冲穿透法对岩样进行
纵波测试，试验仪器为湘潭市天鸿电子研究所研
4 ηՂᄊతܸࣨϙ
制的 HS-YS301C 型岩石声波参数测试仪。选用 5
种换能器，频率分别为 50 kHz、100 kHz、200 kHz、 2
500 kHz 及 1 MHz，采样间隔为 0.1 µs。换能器与
岩样之间采用适量的凡士林耦合，每次测试之前用 ࣨϙ/V 0
有机玻璃标准时间测试，以确保系统稳定可正常工 -2
作。另外，为确保换能器与岩样之间耦合的效果，避
ᡑ᡺གគѿ
免测试时轴向按压力的变化影响声波信号，采用压 -4
力计控制按压力度，确保在恒压情况下进行声波测 0 100 200
᧔ನ௑ᫎ/µs
试，减少声波信号的波动与误差。将岩样进行干燥
处理后(将岩样置于烘箱内110 C烘干24 h后自然 图 3 实测砂岩超声波纵波信号
◦
冷却)，进行室内砂岩声波测试 (图2 所示) 并记录换 Fig. 3 Measured ultrasonic longitudinal wave sig-
nal of sandstone
能器对接信号及延时、砂岩纵波波形信号、纵波波
速等。纵波波速通过测量声波穿过岩样的距离L 与
0.225
声波走时t计算得到，则纵波波速的计算公式为 ˟ᮠˁ˟ᮠࣨϙག
0.180
v p = L/t = L/(t 1 − t 0 ), (1)
式 (1) 中：v p 为纵波波速；L 为试样长度；t 为声波走 ᮠဋࣨϙ/V 0.135
时；t 1 为接收换能器接收到声波的时间；t 0 为换能器 0.090
对接起跳延时。
0.045
对于采集的实测砂岩纵波信号，如图 3所示，出
0
现了多个波峰的情况是超声波在岩石中折射、反射、
0 1000 2000 3000 4000 5000
透射共同作用导致的结果。本文选取最大的幅值进 ᮠဋ/kHz
行分析，不需要额外的滤波处理即可清晰地读取信 图 4 FFT 处理后的砂岩纵波幅频曲线
号的起跳点、幅值的峰值等参数，其中幅值的峰值 Fig. 4 Frequency curve of sandstone longitudinal
取信号中的最大幅值。测试信号的频域分析，采用 wave amplitude after FFT processing