CN113390965A - 一种用于岩样损伤测定的三维声波测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于岩样损伤测定的三维声波测试装置及测试方法。本发明用于岩样损伤测定的三维声波测试装置包括测试箱，设置在测试箱上的声波发射器和声波接收器，与声波发生器和声波接收器连接的声波仪，以及与声波仪连接的数据处理终端。本发明的装置主要为室内试验装置，亦可在室外对岩样进行声波测试后存储数据，再结合ANSYS建模软件构建内部结构模型，用于声波与岩样结构损伤之间的科研研究。
Description
技术领域
本发明属于声波测试技术领域，尤其涉及一种用于岩样损伤测定的三维声波测试装置及测试方法。
背景技术
近年来声波测试技术在损伤测定中得到了大量的应用，运用声波测试技术可以很好的辨析岩样的损伤程度，进而对岩样的一系列物理力学性质进行分析。超声波在固体介质中传播时具有极强的方向性，在固体介质的异种介质中传播时会发生衰减、散射、波形转换等特性，利用这些特性，根据波速、波幅、波形等声学参数变化特征，可以很好的判断固体介质内部的缺陷特征。
现有针对岩样内部损伤的测试技术主要为：对岩样进行单一轴线上的声波测试，可以通过声波的传播特征完成一维的损伤定量分析，该方法存在的缺陷是：仅是对岩样局部横或纵方向上的损伤进行定量分析，不能对缺陷特征进行定性分析。亦或是在单一轴线上的声波测试技术上，将岩样划分为多个切面，逐步进行声波测试，进而对岩样损伤进行定量分析，试验过程复杂、耗时长。因此，无论是单一轴线或切面上的声波测试，都是比较片面的对岩样损伤进行测定，不仅不能对岩样进行整体的定量分析，还不能对岩样内部缺陷特征进行定性分析，且无法呈现岩样内部缺陷的完整结构特征。
发明内容
本发明的目的是为了呈现岩样内部损伤结构的三维可视特征，从而对岩样损伤进行定量和定性分析，据此提供了一种用于岩样损伤测定的三维声波测试装置及测试方法。本发明的装置主要为室内试验装置，亦可在室外对岩样进行声波测试后存储数据，再结合ANSYS建模软件构建内部结构模型，用于声波与岩样结构损伤之间的科研研究。
本发明的技术方案之一为，一种用于岩样损伤测定的三维声波测试装置，包括测试箱，设置在测试箱上的声波发射器和声波接收器，与声波发生器和声波接收器连接的声波仪，以及与声波仪连接的数据处理终端；
所述测试箱为空心圆柱体，上盖与箱体间设有密封；上盖密封设置声波发射器，底板密封设置声波接收器，测试箱侧壁沿纵轴线方向分为两部分，一半密封镶嵌有声波发射器、另一半密封镶嵌有声波接收器，并且上盖与底板的声波发射器与声波接收器对称设置，侧壁上的声波发射器与声波接收器对称设置；
所述测试箱上盖的边缘设置可密封的排气孔，测试箱底板边缘设置耦合介质输入输出孔；
所述数据处理终端可显示波形图及构建岩样内部损伤结构模型。
本发明的技术方案之二为，一种用于岩样损伤测定的三维声波测试装置，包括测试箱，底座，设置在测试箱上的声波发射器和声波接收器，与声波发生器和声波接收器连接的声波仪，以及与声波仪连接的数据处理终端；
所述测试箱为球体，上一半球体为上盖，下一半球体为箱体，箱体位于底座上，上盖与箱体间设有密封；声波发射器密封设置于上盖，声波接收器密封设置于箱体，并且声波发射器与声波接收器对称设置；
所述测试箱的顶端设置可密封的排气孔，测试箱的底端设置耦合介质输入输出孔；
所述数据处理终端可显示波形图及构建岩样内部损伤结构模型。
进一步的，上述用于岩样损伤测定的三维声波测试装置，所述声波发射器和声波接收器为均匀布置。
进一步的，上述用于岩样损伤测定的三维声波测试装置，声波发射器和声波接收器的安装密度为：个/0.4～0.6cm2。
本发明的技术方案之三为，一种用于岩样损伤测定的三维声波测试方法，采用了上述的用于岩样损伤测定的三维声波测试装置，包括如下步骤：
步骤1，制作尺寸小于三维声波测试装置的测试箱内部尺寸的柱状或球形岩样；
步骤2，往测试箱内注入1/6～1/5测试箱体积的耦合介质；
步骤3，将岩样放入声波测试箱内，将上盖与箱体封闭，向箱体内注满耦合介质；
步骤4，进行声波测试试验，通过数据处理终端控制声波发射与接收，获取声波作用于岩样的声波数据，数据处理终端通过采集的声波数据计算出岩样内部缺陷的三维信息(X、Y、Z)及缺陷的深度、大小和类型等特征，将缺陷的特征和三维信息数据导入ANSYS进行三维损伤建模，构建基于岩样内部损伤结构的三维可视模型。
进一步的，上述用于岩样损伤测定的三维声波测试方法，所述耦合介质为水、机油、润滑油、甘油、水玻璃。
进一步的，上述用于岩样损伤测定的三维声波测试方法，针对三维可视模型中的缺陷特征进行定性分析。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明可用于室内关于声波测试领域的科学技术研究，直观的反映出岩样内部的三维损伤结构，可针对所建三维可视模型中的缺陷特征进行定性分析；
2)根据声波的传播过程及规律，可反演岩样或其他用于声波测试的样本内部裂纹及孔洞等特征的变化情况，进而勾勒岩样内部损伤结构的分布特征。
附图说明
图1本发明装置结构示意图。
其中，1、测试箱；2、上盖；3、底板；4、耦合介质输入输出孔；5、排气孔；6、岩样；7、声波发射器；8、声波接收器；9、发射连接线；10、接收连接线；11、数据传输线；12、声波仪；13、数据处理终端。
具体实施方式
实施例1
一种用于岩样损伤测定的三维声波测试装置，包括测试箱1，设置在测试箱上的声波发射器7和声波接收器8，与声波发射器通过发射连接线9、与声波接收器通过接收连接线10连接的声波仪12，以及与声波仪12通过数据传输线11连接的数据处理终端13；
所述测试箱为空心圆柱体，上盖2与箱体间设有密封；上盖2密封设置数个声波发射器7，底板3密封设置数个声波接收器8，测试箱侧壁沿纵轴线方向分为两部分，一半密封镶嵌有数个声波发射器7、另一半密封镶嵌有数个声波接收器8，并且上盖与底板的声波发射器与声波接收器对称且均匀设置，侧壁上的声波发射器与声波接收器对称且均匀设置；声波发射器7和声波接收器8的安装密度为：个/0.5cm2；所述测试箱1上盖的边缘设置排气孔5，测试箱底板边缘设置耦合介质输入输出孔4；
所述数据处理终端13可显示波形图及构建岩样内部损伤结构模型。
一种用于岩样损伤测定的三维声波测试方法，采用了本实施例的用于岩样损伤测定的三维声波测试装置，包括如下步骤：
步骤1，制作尺寸小于三维声波测试装置的测试箱内部尺寸的柱状岩样6；
步骤2，往测试箱1内注入1/5测试箱体积的耦合介质；
步骤3，将岩样6放入声波测试箱1内，将上盖2与箱体封闭，由耦合介质输入输出孔4向箱体1内注入耦合介质水，直到耦合介质漫过上盖2的排气孔并停止注入；
步骤4，进行声波测试试验，通过数据处理终端13控制声波发射与接收，获取声波作用于岩样的声波数据，数据处理终端13通过采集的声波信息计算出岩样6内部缺陷的三维信息(X、Y、Z)及缺陷的深度、大小和类型等特征，将缺陷的特征(深度、大小和类型)和三维信息数据导入ANSYS进行三维损伤建模，构建基于岩样内部损伤结构的三维可视模型。
步骤5，针对上述的三维可视模型中的缺陷特征进行定性分析。
实施例2
一种用于岩样损伤测定的三维声波测试装置，包括测试箱，底座，设置在测试箱上的声波发射器和声波接收器，与声波发生器和声波接收器连接的声波仪，以及与声波仪连接的数据处理终端；
所述测试箱为球体，上一半球体为上盖，下一半球体为箱体，箱体位于底座上，上盖与箱体间设有密封；声波发射器密封设置于上盖，声波接收器密封设置于箱体，并且声波发射器与声波接收器对称且均匀设置；所述测试箱的顶端设置可密封的排气孔，测试箱的底端设置耦合介质输入输出孔；
所述数据处理终端可显示波形图及构建岩样内部损伤结构。
方法同实施例1，区别在于试样为球形陶瓷。
实施例3
同实施例1，区别在于试样为预制含裂隙和孔洞的岩样；
分别进行冲击破坏前后的声波测试试验，建立内部损伤结构的三维可视模型并分析试样内部的裂纹扩展规律。
实施例4
同实施例1，区别在于试样为正方体或长方体的岩样，测试箱1为正六面体装置，声波发射器布置在上盖和2个侧板上，声波接收器对称布置在底板和另外2个侧板上，将岩样垂直放入测试箱1内进行三维声波测试。
Claims (7)
1.一种用于岩样损伤测定的三维声波测试装置，其特征在于，包括测试箱，设置在测试箱上的声波发射器和声波接收器，与声波发生器和声波接收器连接的声波仪，以及与声波仪连接的数据处理终端；
所述测试箱为空心圆柱体，上盖与箱体间设有密封；上盖密封设置声波发射器，底板密封设置声波接收器，测试箱侧壁沿纵轴线方向分为两部分，一半密封镶嵌有声波发射器、另一半密封镶嵌有声波接收器，并且上盖与底板的声波发射器与声波接收器对称设置，侧壁上的声波发射器与声波接收器对称设置；
所述测试箱上盖的边缘设置可密封的排气孔，测试箱底板边缘设置耦合介质输入输出孔；
所述数据处理终端可显示波形图及构建岩样内部损伤结构模型。
2.一种用于岩样损伤测定的三维声波测试装置，其特征在于，包括测试箱，底座，设置在测试箱上的声波发射器和声波接收器，与声波发生器和声波接收器连接的声波仪，以及与声波仪连接的数据处理终端；
所述测试箱为球体，上一半球体为上盖，下一半球体为箱体，箱体位于底座上，上盖与箱体间设有密封；声波发射器密封设置于上盖，声波接收器密封设置于箱体，并且声波发射器与声波接收器对称设置；
所述测试箱的顶端设置可密封的排气孔，测试箱的底端设置耦合介质输入输出孔；
所述数据处理终端可显示波形图及构建岩样内部损伤结构模型。
3.根据权利要求1或2所述的用于岩样损伤测定的三维声波测试装置，其特征在于，所述声波发射器和声波接收器为均匀布置。
4.根据权利要求1或2所述的用于岩样损伤测定的三维声波测试装置，其特征在于，声波发射器和声波接收器的安装密度为：个/0.4～0.6cm2。
5.一种用于岩样损伤测定的三维声波测试方法，采用了权利要求1或2所述的用于岩样损伤测定的三维声波测试装置，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，制作尺寸小于三维声波测试装置的测试箱内部尺寸的柱状或球形岩样；
步骤2，往测试箱内注入1/6～1/5测试箱体积的耦合介质；
步骤3，将岩样放入声波测试箱内，将上盖与箱体封闭，向箱体内注满耦合介质；
步骤4，进行声波测试试验，通过数据处理终端控制声波发射与接收，获取声波数据，数据处理终端通过采集的声波数据计算出岩样内部缺陷的三维信息及缺陷的深度、大小和类型特征，将缺陷的特征和三维信息数据进行三维损伤建模，构建基于岩样内部损伤结构的三维可视模型。
6.根据权利要求5所述的用于岩样损伤测定的三维声波测试方法，其特征在于，所述耦合介质为水、机油、润滑油、甘油、水玻璃。
7.根据权利要求5所述的用于岩样损伤测定的三维声波测试方法，其特征在于，针对三维可视模型中的缺陷特征进行定性分析。
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