CN209841781U - 一种无损声波全弹性参数探测装置 - Google Patents
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Abstract
一种无损声波全弹性参数探测装置，第一架体、第二架体和第三架体上分别设有刻度指示标签；第一架体上设有架体滑槽，第二架体通过架体滑槽滑动于第一架体的一侧，第三架体通过架体滑槽滑动于第一架体的另外一侧；第一架体上设有若干第一探头组件，第一架体上还设有第一探头滑槽，第一探头组件通过第一探头滑槽滑动于第一架体；第二架体上设有若干第二探头组件，第二架体上还设有第二探头滑槽，第二探头组件通过第二探头滑槽滑动于第二架体；第三架体上设有若干第三探头组件，第三架体上还设有第三探头滑槽，第三探头组件通过第三探头滑槽滑动于第三架体。实现岩土快速探测，准确定位声波探测模块的位置，准确探测岩石样本全部弹性参数。
Description
技术领域
本实用新型实施例涉及岩土检测技术领域，具体涉及一种无损声波全弹性参数探测装置。
背景技术
岩石是矿物颗粒的集合体，矿物晶体颗粒的异质与排列方式导致岩石在不同方向上具有不同模量，而非理想弹性体。这种矿物颗粒的复杂性常造成理论模型难以应用到实际中。此外，岩石弹性各向异性对岩石压裂过程和地球物理勘探都有着非常重要的影响。
目前对于岩石弹性参数的测量主要有压裂实验方法和声波探测法两种。压裂实验方法需要对岩石各个方向进行三轴压缩实验，通过三轴压缩实验获取应力应变变化，从而得到岩石各个方向的弹性参数。而声波法是通过声波波速和密度对岩石模量进行反演获取各个方向的弹性参数。声波探测法比压裂实验法具有操作简单，价格便宜和无损的特点，因此广泛的用于岩石测量中。但是，目前声波探测法对于全部弹性参数测量具有一定的局限性。现在的声波测量很难测得完整的21个参数(本领域技术人员熟知的是弹性材料刚度矩阵必要的对称性已推导出独立参数的最大值为21)，通常需要对岩石模型进行初步假设，来获取全部参数和变量。其次，对于相位速度的测量仍没有办法进行解决。因此，亟需一种岩土实验中快速获取岩石完整弹性参数的技术方案。
实用新型内容
为此，本实用新型实施例提供一种无损声波全弹性参数探测装置，能够实现岩土快速探测，准确定位声波探测模块的位置，快速获取偏移距离，准确探测岩石样本全部的21个弹性参数。
为了实现上述目的，本实用新型实施例提供如下技术方案：一种无损声波全弹性参数探测装置，包括第一架体、第二架体和第三架体，所述第一架体、第二架体和第三架体上分别设有刻度指示标签；所述第一架体上设有架体滑槽，所述第二架体通过所述架体滑槽滑动于所述第一架体的一侧，所述第三架体通过所述架体滑槽滑动于所述第一架体的另外一侧，第二架体和第三架体互相平行并与第一架体形成半包围状；
所述第一架体上设有若干第一探头组件，第一架体上还设有第一探头滑槽，第一探头组件通过所述第一探头滑槽滑动于第一架体；所述第二架体上设有若干第二探头组件，第二架体上还设有第二探头滑槽，第二探头组件通过所述第二探头滑槽滑动于第二架体；所述第三架体上设有若干第三探头组件，第三架体上还设有第三探头滑槽，第三探头组件通过所述第三探头滑槽滑动于第三架体。
作为无损声波全弹性参数探测装置的优选方案，所述第二架体和第三架体分别通过螺栓固定于所述第一架体上；所述第一探头组件通过螺栓固定于所述第一架体上，所述第二探头组件通过螺栓固定于所述第二架体上，所述第三探头组件通过螺栓固定于所述第三架体上。
作为无损声波全弹性参数探测装置的优选方案，所述第一探头组件至少设有七个探头模块，所述第二探头组件和第三探头组件分别设有两个探头模块。
作为无损声波全弹性参数探测装置的优选方案，每个所述探头模块包括探头支架、纵波声波换能器和横波声波换能器，纵波声波换能器和横波声波换能器并列设置在探头支架上，纵波声波换能器和横波声波换能器分别经引线连接有示波器。
作为无损声波全弹性参数探测装置的优选方案，所述探头模块通过探头支架沿探头滑槽滑动，探头支架通过螺栓与架体固定连接。
本实用新型实施例涉及的无损声波全弹性参数探测方法包括以下步骤：
将待探测的岩石样本置于第一架体、第二架体和第三架体之间形成的半包围状空间中；
对所述岩石样本至少两个相互垂直面上的竖直方向波速进行探测，对所述岩石样本至少两个相互平行面上的水平方向波速进行探测；利用第一架体上的第一探头组件和第二架体上的第二探头组件组合，或第一架体上的第一探头组件和第三架体上的第三探头组件探测经过所述岩石样本竖直的声波波速，利用第二架体上的第二探头组件和第三架体上的第三探头组件声波探测经过所述岩石样本水平的声波波速；
根据所述竖直的声波波速和水平的声波波速获取声波探测经过岩石样本后相位速度和波速的角度，基于克里斯托弗尔方程获取所述岩石样本的弹性参量。
作为无损声波全弹性参数探测方法的优选方案，将所述岩石样本的应力应变关系根据胡克定律采用刚性矩阵表示为：
其中，Ci,j是弹性常数，σx，σy，σz为三个方向的正向应力，τxy，τyz，τxz为剪应力，εx，εy，εz，γxy，γyz，γxz为剪应变。
作为无损声波全弹性参数探测方法的优选方案，根据一维波动方程的通解公式基于最小二乘法获取岩石样本的弹性参量；
所述一维波动方程的通解公式为：
其中，Ui表示质点的位移量，Ai表示振动强度，λ表示波长，nr表示声波的振动方向矢量，xr表示位置矢量，v表示波速，t表示时间。
本实用新型实施例具有如下优点：本实用新型技术方案与现有的技术相比，具有快速探测的作用，能够准确定位声波探测模块的位置，能够快速准确计算出偏移距离；能够在无前提假设的情况下，准确计算21个弹性参数；能够准确的获取相位速度，解决了相位速度的获取难题；操作简单，可重复实验。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
图1为本实用新型实施例中提供的一种无损声波全弹性参数探测装置结构示意图；
图2为本实用新型实施例中提供的一种无损声波全弹性参数探测方法流程图。
图中：1、第一架体；2、第二架体；3、第三架体；4、刻度指示标签；5、架体滑槽；6、第一探头组件；7、第一探头滑槽；8、第二探头组件；9、第二探头滑槽；10、第三探头组件；11、第三探头滑槽；12、探头支架；13、纵波声波换能器；14、横波声波换能器；15、引线；16、示波器。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
参见图1，提供一种无损声波全弹性参数探测装置，包括第一架体1、第二架体2和第三架体3，所述第一架体1、第二架体2和第三架体3上分别设有刻度指示标签4，刻度指示标签4便于读取岩石样本探测点的位置；所述第一架体1上设有架体滑槽5，所述第二架体2通过所述架体滑槽5滑动于所述第一架体1的一侧，所述第三架体3通过所述架体滑槽5滑动于所述第一架体1的另外一侧，第二架体2和第三架体3互相平行并与第一架体1形成半包围状。所述第一架体1上设有若干第一探头组件6，第一架体1上还设有第一探头滑槽7，第一探头组件6通过所述第一探头滑槽7滑动于第一架体1；所述第二架体2上设有若干第二探头组件8，第二架体2上还设有第二探头滑槽9，第二探头组件8通过所述第二探头滑槽9滑动于第二架体2；所述第三架体3上设有若干第三探头组件10，第三架体3上还设有第三探头滑槽11，第三探头组件10通过所述第三探头滑槽11滑动于第三架体3。
无损声波全弹性参数探测装置的一个实施例中，所述第二架体2和第三架体3分别通过螺栓固定于所述第一架体1上；所述第一探头组件6通过螺栓固定于所述第一架体1上，所述第二探头组件8通过螺栓固定于所述第二架体2上，所述第三探头组件10通过螺栓固定于所述第三架体3上。所述第一探头组件6设有八个探头模块，保证能够获取全部21个弹性参数变量，所述第二探头组件8和第三探头组件10分别设有两个探头模块。每个所述探头模块包括探头支架12、纵波声波换能器13和横波声波换能器14，纵波声波换能器13和横波声波换能器14并列设置在探头支架12上，纵波声波换能器13和横波声波换能器14分别经引线15连接有示波器16。声波换能器通过引线15引出发射和接收电信号，通过示波器16获取相关声波波速，所述探头模块通过探头支架12沿探头滑槽滑动，探头支架12通过螺栓与架体固定连接。当需要测量水平方向的波速时，相互平行的第二探头组件8和第三探头组件10进行配合使用，当需要测量竖直方向的波速时，第一探头组件6和第二探头组件8配合使用，或第一探头组件6和第三探头组件10配合使用。
参见图1和图2，本实用新型实施例还提供一种无损声波全弹性参数探测方法，所述探测方法采用上述的探测装置，所述探测方法包括以下步骤：
S1：将待探测的岩石样本置于第一架体1、第二架体2和第三架体3之间形成的半包围状空间中；
S2：对所述岩石样本至少两个相互垂直面上的竖直方向波速进行探测，对所述岩石样本至少两个相互平行面上的水平方向波速进行探测；利用第一架体1上的第一探头组件6和第二架体2上的第二探头组件8组合，或第一架体1上的第一探头组件6和第三架体3上的第三探头组件10探测经过所述岩石样本竖直的声波波速，利用第二架体2上的第二探头组件8和第三架体3上的第三探头组件10声波探测经过所述岩石样本水平的声波波速；
S3：根据所述竖直的声波波速和水平的声波波速获取声波探测经过岩石样本后相位速度和波速的角度，基于克里斯托弗尔方程获取所述岩石样本的弹性参量。
具体的，第一架体1上设有架体滑槽5，第二架体2通过架体滑槽5滑动于第一架体1的一侧，第三架体3通过架体滑槽5滑动于第一架体1的另外一侧，第二架体2和第三架体3互相平行并与第一架体1形成半包围状。第一架体1上设有若干第一探头组件6，第一架体1上还设有第一探头滑槽7，第一探头组件6通过第一探头滑槽7滑动于第一架体1；第二架体2上设有若干第二探头组件8，第二架体2上还设有第二探头滑槽9，第二探头组件8通过第二探头滑槽9滑动于第二架体2；第三架体3上设有若干第三探头组件10，第三架体3上还设有第三探头滑槽11，第三探头组件10通过第三探头滑槽11滑动于第三架体3。首先利用第一架体1上的第一探头组件6和第二架体2上的第二探头组件8组合，或第一架体1上的第一探头组件6和第三架体3上的第三探头组件10探测经过所述岩石样本竖直的声波波速，利用第二架体2上的第二探头组件8和第三架体3上的第三探头组件10声波探测经过所述岩石样本水平的声波波速，声波传播的角度计算公式为：
其中q为竖直方向上的慢度，p(＝sin(θ)/v)为水平方向的慢度，z1为岩石样本探测点与第一架体1的距离，Z2为岩石样本探测点与第二架体2或第三架体3的距离，速度v计算公式为：
v(p)＝[p2+q2]-1/2
波速的角度计算公式为：
根据广义胡克定律，固体弹性材料的应力应变关系刚性矩阵可以表示为：
Ci,j是弹性常数，也就是广义胡克矩阵的参数，σx，σy，σz为三个方向的正向应力，τxy，τ yz ，τxz为剪应力。εx，εy，εz，γxy，γyz，γxz为三个方向的剪应变。根据弹性波理论，一维波动方程的通解公式为：
其中，Ui为质点的位移量，Ai为振动强度，λ是波长，nr是声波的振动方向矢量，xr是位置矢量位置矢量，v是波速，t是时间。联立固体弹性材料的应力应变关系刚性矩阵和一维波动方程的通解公式可得到：
ΓilAl＝ρv2Ai
其中：Γil＝cijklnjnk，利用最小二乘法根据波速求得各个方向的弹性常数张量Ci,j，从而获得全部的参量，具有快速探测的作用，能够准确定位声波探测模块的位置，能够快速准确计算出偏移距离；能够在无前提假设的情况下，准确计算21个弹性参数；能够准确的获取相位速度，解决了相位速度的获取难题；操作简单，可重复实验。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。
Claims (5)
1.一种无损声波全弹性参数探测装置，其特征在于，包括第一架体(1)、第二架体(2)和第三架体(3)，所述第一架体(1)、第二架体(2)和第三架体(3)上分别设有刻度指示标签(4)；所述第一架体(1)上设有架体滑槽(5)，所述第二架体(2)通过所述架体滑槽(5)滑动于所述第一架体(1)的一侧，所述第三架体(3)通过所述架体滑槽(5)滑动于所述第一架体(1)的另外一侧，第二架体(2)和第三架体(3)互相平行并与第一架体(1)形成半包围状；
所述第一架体(1)上设有若干第一探头组件(6)，第一架体(1)上还设有第一探头滑槽(7)，第一探头组件(6)通过所述第一探头滑槽(7)滑动于第一架体(1)；所述第二架体(2)上设有若干第二探头组件(8)，第二架体(2)上还设有第二探头滑槽(9)，第二探头组件(8)通过所述第二探头滑槽(9)滑动于第二架体(2)；所述第三架体(3)上设有若干第三探头组件(10)，第三架体(3)上还设有第三探头滑槽(11)，第三探头组件(10)通过所述第三探头滑槽(11)滑动于第三架体(3)。
2.根据权利要求1所述的一种无损声波全弹性参数探测装置，其特征在于，所述第二架体(2)和第三架体(3)分别通过螺栓固定于所述第一架体(1)上；所述第一探头组件(6)通过螺栓固定于所述第一架体(1)上，所述第二探头组件(8)通过螺栓固定于所述第二架体(2)上，所述第三探头组件(10)通过螺栓固定于所述第三架体(3)上。
3.根据权利要求1所述的一种无损声波全弹性参数探测装置，其特征在于，所述第一探头组件(6)至少设有七个探头模块，所述第二探头组件(8)和第三探头组件(10)分别设有两个探头模块。
4.根据权利要求3所述的一种无损声波全弹性参数探测装置，其特征在于，每个所述探头模块包括探头支架(12)、纵波声波换能器(13)和横波声波换能器(14)，纵波声波换能器(13)和横波声波换能器(14)并列设置在探头支架(12)上，纵波声波换能器(13)和横波声波换能器(14)分别经引线(15)连接有示波器(16)。
5.根据权利要求4所述的一种无损声波全弹性参数探测装置，其特征在于，所述探头模块通过探头支架(12)沿探头滑槽滑动，探头支架(12)通过螺栓与架体固定连接。
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|---|---|---|---|
| CN201920611479.0U CN209841781U (zh) | 2019-04-29 | 2019-04-29 | 一种无损声波全弹性参数探测装置 |
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| CN201920611479.0U CN209841781U (zh) | 2019-04-29 | 2019-04-29 | 一种无损声波全弹性参数探测装置 |
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| CN201920611479.0U Active CN209841781U (zh) | 2019-04-29 | 2019-04-29 | 一种无损声波全弹性参数探测装置 |
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| CN (1) | CN209841781U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110187008A (zh) * | 2019-04-29 | 2019-08-30 | 中国科学院地理科学与资源研究所 | 一种无损声波全弹性参数探测装置及方法 |
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2019
- 2019-04-29 CN CN201920611479.0U patent/CN209841781U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110187008A (zh) * | 2019-04-29 | 2019-08-30 | 中国科学院地理科学与资源研究所 | 一种无损声波全弹性参数探测装置及方法 |
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