Page 134 - 《应用声学》2022年第3期

456 2022 年 5 月

2800
2 试验结果分析
2600 ᜢᆋࡸጫฉฉᤴ
2.1 超声波波速频散规律
图 5 为 3 种砂岩在各入射频率下的平均纵波波 2400
速。随入射频率的增加，3种砂岩的纵波波速均呈对 㓥⌒⌒䙏/(mSs -1 ) 2200 50 kHz
数关系增长。红砂岩与灰砂岩在50 ∼ 200 kHz频率 100 kHz
2000
段波速增长速率较大，红砂岩波速增长率为 1.15%， 200 kHz
500 kHz
灰砂岩为2.98%；在200 ∼ 1000 kHz 入射频率下，波 1800 1 MHz
速增幅很小。褐砂岩在入射频率 50 ∼ 500 kHz 纵 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
波波速增长明显，该段波速增长速率为 3.68%；在 ߘᬩဋ/%
500 ∼ 1000 kHz 波速增幅很小。 图 6 各入射频率下孔隙率与波速的关系

Fig. 6 Relationship between porosity and wave
2650
velocity at different transducer frequencies
2600 2.2 超声波幅值衰减规律
㓥⌒⌒䙏/(mSs -1 ) 2500 ⚠⸲ዙ㓥⌒⌒䙏 其声波能量逐渐减弱的现象叫做超声波的幅值衰
2550
㓒⸲ዙ㓥⌒⌒䙏
超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，
㽀⸲ዙ㓥⌒⌒䙏
2450
2400 减。幅值衰减系数可以很好地描述超声波随介质长
度的衰减特征。使用信号对比的方法测定岩样中声
2350
波的幅值衰减系数，即测量和记录超声波入射岩样
2300
0 200 400 600 800 1000
的首波峰值幅值和超声波透过岩样时的首波峰值
ޕሴ仁⦷/kHz
幅值。计算幅值衰减系数的方法为
图 5 3 种砂岩在各入射频率下的平均纵波波速
ln A 0 − ln A
Fig. 5 Average P-wave velocity of three kinds of α = , (2)
L
sandstones at different incident frequencies
式(2)中：α 为岩样的声波幅值衰减系数; A 0 为超声
图6 为各入射频率下砂岩孔隙率与纵波波速的
波入射岩样的首波峰值幅值；A 为声波穿透岩样后
关系。红框标示出了褐砂岩纵波波速，与灰砂岩、红
首波峰值幅值；L为被测岩样的长度。
砂岩测试结果相比波速明显更大，而灰砂岩、红砂
各入射频率下幅值衰减与孔隙率的关系测量
岩随岩样孔隙率增大波速为下降趋势，且孔隙率越
结果见图7。
大，波速降幅越大。褐砂岩出现波速显著更大的情
从图 7 中可以看出，随着测试更大孔隙率的岩
况，与王世广等 [15] 的实验结果相似，孔隙率大的情
样，纵波穿透岩样的幅值衰减呈上升的趋势。砂岩
况下也可能出现波速较大的现象；而灰砂岩、红砂
岩波速随孔隙率增大而减小的现象与徐晓炼等 [8] 的孔隙率越高，细小孔洞与微裂纹越多，超声波因为
的实验结果相符，是由于孔隙率越大，纵波在传递 孔洞与微裂纹引起的反射与折射导致声波信号的
过程中所遇到界面发生折射、反射的概率越大，传 干扰和衰减。不同入射频率下，超声波信号所受到
递轨迹更为复杂，使得发生更多的能量衰减，造成 的干扰和衰减程度均有不同的表现。其中，200 kHz
波速减小。可见孔隙率是影响纵波波速的重要因 频率的测试结果规律性较好，数据聚集，受干扰程度
素之一，但岩石的组成成分、微观结构不同也对波 小，幅值衰减系数从2.69 dB/m增长至21.42 dB/m，
速有很大影响，在同一岩性的岩石密度相差不大 其敏感性大于其他入射频率的测试结果；而其他入
的情况下，波速与砂岩孔隙率的内在联系不具备 射频率下，幅值衰减系数与砂岩孔隙率的相关性表
普适性。 现为离散。