岩体声波测试成果可以直接计算的参数

Ⅰ 声波检测的技术

5.5.4.1 岩体力学参数的测定

岩体的弹性模量、泊松比、抗压强度等力学参数，对于工程围岩稳定性的评价以及进行工程设计和施工等都是极其重要的基本数据，都可通过声波检测来测定。

利用声波仪测出发射与接收换能器之间距离为L时的直达波旅行时间t，可求出弹性波的速度v。在已知岩石密度ρ的条件下，根据其函数关系，可换算出岩体的各种力学参数。

试验证明，在室内进行岩石标本测试时，要求发射到岩石内的声波，其波长λ远小于岩石试件的尺寸，而大于岩样的组成粒径。试件横向(垂直于波传播方向)的尺寸，不小于波长的10倍，试件中脉冲穿过岩石的旅行距离至少为平均粒径的10倍。若以边长d=5cm的正方体为例，当岩样中的波速v=3000m/s时，所要求的最低工作频率f=v/λ=V/0.1d=600Hz。进行岩样声波测试时，只有使用高频的超声波仪器，才能忽略岩样边界对声波的影响。

对于同一岩体(岩石)，弹模数值与岩性有关，还与加载的方式有关。用静力测试的方法称为静力法，测得的弹模称为静弹模量，以E_s表示。在快速瞬间加载情况下的测试方法，称为动力法，测得的弹模称为动弹模量，以E_d表示。E_s和E_d是在不同物理条件下测出的，一般E_d>E_s。有些单位给出了它们的经验的关系曲线，即E_s=0.1E^1.45_d(长办)或E_s=0.025E^1.7_d(中国科学院地质所)。

动力法和静力法测试各有优缺点。静力法测得的Es值与基础荷载条件相近，只能选择有代表性的少数典型地段进行测试。由于静力法在一个测点上应力影响的范围有限，少数地段的测试，只能反映岩体局部的变形特点，因而不能满足工程设计的数量要求。动力法测试采用最新的电子技术，具有设备轻巧，测试简便，经济迅速，可大量施测等优点，而且近代许多工程建筑还要考虑动力的特点，因此声波(或地震勘探)测出的动弹模量具有实用价值。但是目前工程设计人员一般还是要求给出与基础荷载条件相近的静弹模量值，因此往往要把声波或地震勘探测得的动弹模量换算成静弹模量。

5.5.4.2岩体的特征参数

声波检测能作为岩体分类主要手段是由于岩体的成因、类型、结构面特征、风化程度等地质因素，与岩体的力学性质有关，岩体的力学性质与声波在岩体中的传播规律有着密切的联系。

环境与工程地质中，我们用纵波速度v_P、弹性模量E、裂隙系数L_s、完整性系数K_w、风化系数β及衰减系数α等来描述岩体的特征参数。

(1)纵波速度v_P

一般说来，岩体新鲜、完整、坚硬、致密，波速就高;反之，岩体破碎、结构面多、风化严重，波速就低。由于波速是反映岩体强度的各种地质因素综合影响的参数，因此它是岩体特征最基本的参数。

(2)完整性系数K_w和裂隙系数L_s

完整性系数K_w是描述岩体完整情况的系数。裂隙系数L_s是表征岩体裂隙发育程度的系数。通常用式(5.11)表示:

环境与工程地球物理

式中:v_P体为岩体的纵波速度;v_P石为同一岩体的岩石试件的纵波速度。

测出完整岩石的v_P石和待测岩体的v_P体值，可以计算出出完整性系数和裂隙系数，定量说明岩体结构面的发育情况。一般把岩体完整性情况分为三个等级:①K_w=0.75～0.9;②K_w=0.45～0.75;③K_w<0.45。把裂隙发育情况分为五个等级(表5.2):①L_s<0.25;②L_s=0.25～0.50;③L_s=0.50～0.65;④L_s=0.65～0.80;⑤L_s>0.80。根据上述纵波速度与岩体结构面和完整性的关系可知，K_w大或L_s小表明被测岩体结构面少、完整性好;反之，则结构面多、完整性差。

表5.2基于特性参数的岩体状态分级

(3)风化系数β

风化系数β是一个表示岩体风化程度的系数。β值愈大，风化程度愈高;β值愈小风化程度愈低。根据岩体波速随岩体风化而减小的特点，风化系数可用式(5.12)表示:

环境与工程地球物理

式中:v_P新为新鲜岩体的纵波速度;v_P风为同类风化岩体的纵波速度。

根据风化系数β，岩体可分为四级，见表5.3。

表5.3岩体分化程度分级

(4)衰减系数α

声波在岩体中传播的特征，其波速、振幅随岩体性质不同而发生变化。试验证明，声波在不连续面上的能量衰减比较明显，因此衰减系数α可以反映岩体节理裂隙发育的程度。其表示式为

环境与工程地球物理

式中:A_i为固定某增益时，参与比较的各测试段的振幅实测值，以mm为单位;A_m为参与比较的各测试段中振幅的最大值，以mm为单位;Δx为发射换能器到接收换能器的距离，即测试段的长度，以cm为单位;α为参与比较的各测试段介质的振幅相对衰减系数，以cm^－1为单位。

由式(5.7)可见，当A_i=A_m时，相对衰减系数α为零，表明该段岩体在参与比较的各测试段中质量最好;A_i越小，α就越大，表明该段岩体质量越差。根据这一原理，衰减系数可用于岩体分类的指标，也可用于测定工程爆破引起的周围岩体破裂影响范围等方面。

根据工程地质调查和试验，将上述参数进行综合分析，可对岩体进行总体分类评价(表5.4)。

表5.4弹性波参数与岩体类型特征

5.5.4.3 围岩应力松弛带的测定

在硐壁应力下降区，岩体裂隙破碎，以致波速减小，振幅衰减较快。反之，在应力增高区，应力集中，波速增大，振幅衰减较慢。因此利用声波速度随孔深的变化曲线，可以确定松弛带的范围。

现场工作是在垂直于硐壁布置若干组测孔，每组1或2个测孔，孔深为硐径的1～2倍。在一个断面上测孔应尽可能选择在地质条件相同的方位，以减少资料解释的困难。为保证换能器与岩体耦合良好，边墙测孔可向下倾斜5°～10°。拱顶处因钻孔向上，应采用止水设备。测试时可采用单孔法(一发两收的初至折射波法)或双孔法(直透法，逐点同步测试)。先在测孔中注满水作为耦合剂，然后从孔底到孔口每隔一段距离(一般为20cm)测量一次声速值。将测试结果绘成波速随孔深变化的v_P－L曲线，便可进行解释。

图5.33是单孔测试方法和几种常见的v_P－L曲线类型。其中v_P>v₀曲线(曲线1，2)，表明无松弛带;硐壁附近v_P<v₀的曲线(曲线3，4)和v_P<v₀的多峰值曲线(曲线5)，则表明存在应力松弛带。解释时，由v_P－L曲线图中点的坐标L₁值确定松弛带的厚度。

图5.33测试布置及常用的v_P－L曲线图

Ⅱ 如何利用声波测井曲线计算岩石体积密度是否有相关的经验公式

声波测井一般用来计算孔隙度 ，它和地层密度的关系还需要研究，密度对声速有一定的影响，但是声速还受其他很多因素影响。不然的话密度测井干什么，可以从物理、力学方面研究两者关系，找出曲线相关性。不过没听说有人做这个，可能是做起来不怎么样，还不如直接用密度测井资料。

Ⅲ 岩石声波速度的测量方法

孔隙度是指岩石中孔隙体积
（或岩石中未被固体物质充填的空间体积）与岩石总体积
的比值。
孔隙度的测定是在实验室中进行的，用的是小块的岩芯或岩屑（钻探后取岩样）。此外，还有几种估计孔隙度的定性方法：电测、放射性测井、微电极测井等。

Ⅳ 地基变形计算参数有哪些通过什么试验得到

参数？原位测试在工程勘察中很重要。主要有土体原位测试和掩体原位测试。其中：土体原位测试有：载荷试验，静力触探，旁压试验，圆锥动力触探实验和标准贯入实验，十字板剪切实验，抽注水实验。 这些实验一般都可以得到一下参数：地基土承载力特征值fk。地基土的变形模量E。基础的沉降量，划分土层剖面，确定沙土孔隙比、相对密度，粉土、粘性土的稠度，估算图的强度、变形，反算地基土不排水抗剪强度。岩体原位测试有：波速实验、岩体变形实验，现场直剪实验，岩体应力测试。得到的参数跟上面的基本一样。上学期学过的，希望对你有用。

Ⅳ 库水升降条件下水-岩作用特征

库岸岩体在库水升降长期作用下发生渐进破坏, 势必影响研究区滑坡群的演化趋势。根据上述试验方案, 模拟库水升降及长期循环作用下岩石力学的损伤, 分析在库水压力条件下水-岩作用特征, 为研究三峡库区蓄水后滑坡在水-岩长期作用下演化规律提供依据。

一、 试样选择、 分组和强度预测研究

1. 试样分组及强度预测方法

因为本次水-岩循环作用试验周期长(六个期次), 考虑三种水位升降及浸泡条件,需要大量岩样试样(80多块)。 由于岩样矿物成分以及沉积弱面、 裂隙等也会有所差异,通过一批单轴试验发现即使同一岩块上采集的岩样其强度也有较大区别。试样数据的离散性可能会掩饰水-岩试验过程的某些规律, 为了解决离散度问题, 采取波速、 回弹测试进行分组, 根据岩石相关特征对岩石强度进行预测。

声波在岩体中的传播速度能较好地反映岩体矿物组成及强度、颗粒结构联结力以及空隙性特性, 测试便利且不会对岩样产生损伤。 利用纵波速度研究岩石的强度、变形特征等在岩土工程界得到广泛应用。 通过大量的理论分析及试验, 建立声波速度与岩石单轴抗压强度回归方程。 回弹法在检验混凝土质量、 确定岩石强度及岩石磨蚀性方面得到广泛应用。 国外学者通过大量试验, 建立岩石表面回弹值与岩石无围压强度直接的经验公式。 我国一些学者也做过这方面的研究, 并用回归分析的方法拟合出了一些岩石强度与回弹值之间的关系曲线(丁黄平, 2008)。

声波法预测岩石强度公式:

三峡库区构造与地质灾害关系研究

回弹预测岩石强度公式:

图5-46 渗透试验过程中出现的裂纹

总之, 在库水作用下, 水-岩作用特点发生了根本性的变化, 这些变化主要体现为:

(1)在库水压力作用下, 岩石中的部分孔隙吼道被打开, 但是这种开放不是永久式的; 在库水位降低之后吼道关闭, 形成高孔隙水压, 使岩石在一段时间内具有抗压强度升高的趋势, 这种过程具有由表及里的渐进发展规律, 表现为与岩石类型和胶结程度密切相关。 岩石粒度越粗, 胶结为泥质或钙质胶结, 抗压强度升高的过程会更短暂。

(2)在库水压力状态下岩石崩解过程会加快, 不同岩石加快的程度不同。

(3)不同库水压力状态下岩石破坏形式存在一定差别, 特别是沿软弱面发生的破坏,与库水压力状态下存在很大的相关性。

Ⅵ 我想知道激光粒度仪可不可以直接计算出粒度参数，还是得自己另外计算。不胜感激。

激光粒度仪就是利用激光散射原理，来测试粉体粒度分布状况的一种测试设备。测试数据包括，D1O,D50，D90，D97，等类似的粒度参数，还可以给出具有参考意义的比表面积数据等。

Ⅶ 我要做岩石声波测试，数据参数是什么

PT（Rock parameter test）型岩石波速测试仪|岩石声波参数测试仪

关键词：岩石波速、岩石力学、弹性波速、时域、频域

Ⅷ 三峡库区地质体工程加固的动弹力参数测试法试验研究

杨勤海

（中国地质调查局水文地质工程地质技术方法研究所，河北保定，071051）

【摘要】对三峡库区的松散地质体灌浆加固试验进行声波测试，即可获得松散岩体的主要地球物理动力学参数，为库区移民安置区的地基处理与合理开发提供科学依据，又可定量、全面评价三峡库区的松散岩体的稳定性。本文结合以往的声波测试成果，运用声波测试技术和方法，论述声波测试方法在研究库区测试松散工程体灌浆加固的效果。

【关键词】三峡库区松散地质体声波测试

1前言

在长江三峡库区移民安置中，奉节、巫山等不少城镇新址都遇到对复杂成因的第四系松散堆积层组成的滑坡、崩塌、岩溶等地质灾害体土地资源的开发利用问题。这些地带基本上是县城新址就地后靠的主要部位，由于其成因复杂，工程地质条件特殊，在县城迁建规划中未能充分加以利用，严重地妨碍了城市的建设和发展。第四系松散堆积体的地质成因虽然复杂、特殊，但是作为建筑地基，其工程地质条件并不很差，只要能进行充分论证，辅以必要的地质体改造工程，就可以为迁建城市所用，可增加迁建城镇的土地资源，产生巨大的经济效益和社会效益。近年来，对于这类复杂成因的第四系堆积体的研究成为工程地质界关注的焦点。本文介绍了声波测试技术及其在三峡库区工程地质体灌浆加固试验研究情况，结合以往在库区开展的一些有关岩土弹性参数与力学性质的关系方面的试验和研究工作，通过声波测试结果给出了工程地质体的力学指标，在一定程度上能够反映试验场地的动力学性质，可以定量、全面评价加固效果。

2试验场地地质条件与地球物理特性

2.1试验场地地质条件

试验场地选择在移民迁建急需且地质条件典型的地方，即奉节宝塔坪规划小区的赵家梁子一带和巫山二道沟四大家一带。因位置不同，试验场地的地质条件差别较大，反映了松散堆积体结构的不同性。各试验场地的岩性特征简述如下：

奉节第一组上部3m左右为第四系坡积含碎块石亚粘土，密实。下部为深灰色薄—中厚层泥灰岩，裂隙发育，岩层破碎，岩芯呈短柱状、饼状及碎块状。

奉节第二组上部为粉土含碎块石角砾，稍密，透水性弱，下部为碎块石，粘土充填，后经开挖验证：2m以上为坡积亚粘土含块石，密实；2m以下为黄褐色—灰色泥灰岩。岩层裂隙发育，强风化，在6m以上段裂隙被泥质充填紧密，6m以下段充填物较少。

巫山第一组上部13m以上段为绿灰色泥灰岩，中强风化，垂向裂隙发育，多被泥质充填，岩芯呈碎块状，钻进过程中3～12m段易垮塌，一般不漏水。13m以下为钙质粉砂质泥岩，暗紫红色，裂隙发育，岩芯仍较破碎。

按设计要求，每组试验均由7个钻孔组成，中间1孔，周边6孔，呈梅花状分布，其中3个为灌浆试验孔，4个为测试观测孔，奉节试验点孔深为20m，巫山试验点为18m。各孔浆液配比、灌浆量均不同。

2.2试验场地地球物理特性

根据以往在巴东黄土坡滑坡、万州关塘口滑坡等地及实测资料，试验场地完整岩体的声波速度一般在3000m/s以上。由于库区大部分地质条件较差，基岩上部的地层破碎、裂隙发育、完整性差。声波速度变化区间较大，多在700～2600m/s之间。声波在岩体中传播时，其参数的变化直接反映岩体的地质构造和物理力学性质。

声波测试岩体（石）的弹性力学参数是在快速瞬间加载情况下完成的，称为动力法。所测得的参数称为动弹性参数，如动弹性模量E_d、动泊松比μ_d、动剪切模量G_d等。只要测得岩体的纵波速度、横波速度，密度，则可根据下列工程式计算出岩体（石）的动弹性参数。

动弹性模量计算公式：

地质灾害调查与监测技术方法论文集

动剪切模量计算公式：

地质灾害调查与监测技术方法论文集

动泊松比计算公式：

地质灾害调查与监测技术方法论文集

式中：V_p——纵波速度（km/s）;

V_s——横波速度（km/s）；

ρ——岩石密度（g/cm）;

E_d——动弹性模量；

G_d——动剪切模量；

μ_d——动泊松比。

因此诸如纵波速度、横波速度、振幅、频率等参数，可作为评价工程岩体的定量依据，并可校验工程地质体灌浆加固的效果。声波测试主要是为了评价灌浆质量，而灌浆质量主要依据声波速度进行评价，根据声波测试获得的波速资料，结合地质资料，可准确定量评价灌浆效果，从而为试验场地的稳定性评价提供科学依据。

3测试方法及技术

要了解第四系松散堆积体灌浆加固效果且要求所采用的方法快速、经济，声波测试技术是满足上述条件的首选方法。经过反复比较研究，松散堆积体灌浆加固试验检测方法主要选择岩心测试、单孔声波测试及跨孔声波测试方法。

传播于固体中的声波是机械波。由于其作用力的量级所引起的变形在线性范围，符合虎克定律，也可称其为弹性波。声波测试与浅层地震、面波勘探同属弹性波测试技术范畴。声波测试所使用的波动频率从几十 Hz到50kHz（现场原位测试）和50kHz到500kHz（岩石及混凝土样品测试），覆盖了声频到超声频，在检测声学学科领域中仍称其为“声波测试”。由于采用的信号频率要高于地震波和面波的频率，因此有较高的分辨率，适用于对岩体等地质目标进行较细致的研究。测试动力学参数具有设备轻巧、测试简便、经济迅速等优点，而且许多大型工程都要考虑岩土的动力学特征，因此测量岩体的动弹性参数具有实际意义。

3.1岩心试件测试

先将所选柱状岩心切齐、磨平做好测试准备，后用纵波换能器、凡士林和岩心耦合进行纵波波速测试；用横波换能器、锡铂纸与岩芯耦合进行横波波速测试。

采用的仪器为CYC-4型超声岩石测试仪，BPFT型和WT型纵波探头频率分别为100kHz 25kHz;HT型横波探头频率为460kHz。表1列出了灌浆前钻孔取芯的岩样试件声波速度及相关动力学参数实测资料。

表1岩心测试成果表

3.2单孔声波测试

单孔声波测试是采用长源距一发双收探管，发射—接收间距50cm，接收—接收间距30cm。在钻孔（赋存井液的裸孔）内沿井壁发射、接收声波信息，测井时将探管下至井底，按测井点距（本次测试选用0.5m点距）向上测试，由笔记本计算机完成采集与存储，室内通过回放和资料处理拾取纵波，在采集波形中根据波形干涉点、幅度、频谱分析确定纵波初至走时，计算纵波波速。

测试使用的仪器为SSJ-4D全波列声波测井仪，井下探头：源距0.5m，间距0.3m，直径78mm；电缆长度300m。表2列出了此次试验场地灌浆加固试验中的不同期单孔波速实测资料。

表2奉节、巫山单孔波速表

3.3跨孔声波测试

跨孔声波测试法采用的是同步提升法：在其中一个钻孔（裸孔）内激发，另一个钻孔（裸孔）内接收，由孔底起始同步上升至上部，按测试要求点距向上测试，在一钻孔内由电火花（或剪切锤）发射信号、另一钻孔内由换能器接收声波信息，由仪器完成采集与存储，室内通过回放和资料处理拾取波形，在采集波形中根据波形干涉点、幅度、频谱分析确定纵波或横波初至走时，计算波速。

仪器采用SWS-1型多功能仪（北京水电物探研究所研制），测试激发源一般采用电火花（湘潭市无线电厂生产）或剪切锤两种激振方法。贴壁式三份量检波器接收。表3列出了此次试验场地灌浆加固试验中的不同期跨孔波速实测资料。

表3奉节、巫山跨孔波速表

4 试验场地力学参数及方法分析

4.1 力学参数明显提高

通过采用声波测井方法对灌浆效果的检测，工程地质体改性加固灌浆后力学参数明显提高。

（1）声波参数

①灌浆前：

a.含粘土松散岩土体（巫山），纵波速度1320m/s～1480m/s。

b.裂隙基岩破碎岩体（奉节），纵波速度810m/s～1100m/s。

②灌浆后：

a.含粘土松散岩土体（巫山），单孔波速平均提高11%，跨孔波速平均提高25%。

b.裂隙基岩碎裂岩体（奉节），单孔波速平均提高14.6%，跨孔波速平均提高65%。

（2）场地力学参数

①灌浆前：

a.含粘土松散岩土体（巫山），地基承载力[R]=557(kPa），凝聚力[c]=151(kPa），压缩量[Es]=8.9(MPa），摩擦角[φ]=36（°）。

b.裂隙基岩松动岩体（奉节），地基承载力[R]=388-438(kPa），凝聚力[c]=92～110(kPa），压缩量[Es]=6.9～7.3(MPa），摩擦角[φ]=25.6～29（°）。

②灌浆后：

a.含粘土松散岩土体（巫山），地基承载力[R]=636(kPa），凝聚力[c]=181(kPa），压缩量[Es]=10.3(MPa），摩擦角[φ]=41（°）。

b.裂隙基岩松动岩体（奉节），地基承载力[R]=504～568(kPa），凝聚力[c]=134～157(kPa），压缩量[Es]=8.1～8.9(MPa），摩擦角[φ]=31～37.1（°）。

4.2 测试方法的分析

由上述中可以看出岩心试件、单孔及跨孔的纵波速度存在明显的变化，这是因为岩心试件、单孔声波、跨孔声波3种方法的测试结果之间具有可对比性，每种方法所呈现的波速变化与岩石、岩质之间的关系是互相对应的，趋势是一致的。只是由于测试方法的不同，其结果亦表现出不同的特点。

岩心试件的测试一般是在规定尺寸上进行的。相对而言可以视为岩体一个点上的测试，测试频率范围为超高频率；单孔声波测试的间距是30cm，其所测的只是井壁圆柱体一个波长附近有限范围内的岩体声学特性，相对而言可以视为一段一维杆状岩体的测试，频率范围为高频；跨孔法在小孔距的范围内进行，与上述两种方法比较，测量范围要大的多，在较大的范围中，弹性波传播不但受岩质的制约，而且更重要的是受岩体结构面的控制。也可以视为二维平板状岩体上的测试，频率范围相对为低频。由于上述的差别，表现在波速参数上的关系是岩心试件测得的声速大于单孔声速，而单孔声速又大于跨孔声速（V_岩芯＞V_单孔＞V_跨孔）。以上是符合客观规律的。岩心测试反映的是岩体点上的声学特性，单孔反映局部岩体的纵向声学特性，而跨孔却代表岩体的横向变化。

5结论与讨论

采用声波测试技术对三峡库区松散堆积体灌浆加固试验进行测试，取得了良好的效果，奉节、巫山两地的灌浆加固试验结果表明上述方法是可行的、有效的；声波测试不仅具有快速、简便、准确的特点之外，还是一种无损的测试方法，能够从整体上、全方位地评价灌浆质量。

应当指出，由于动力法是在瞬间加载情况下进行测试的，且对岩体施加的应力较小，因此，动、静弹性参数间存在一定的差异。为了满足当前工程技术界仍需将动弹性参数换算成荷载条件相近的静弹性参数的要求，有必要进一步研究二者之间的关系。但这个问题比较复杂，一般其对应关系因不同岩性和不同地区而异。实际工作中，往往要进行一定数量的动静弹性参数的对比测试，才能找出其中的对应规律。

参考文献

[1]郭建强等.地质灾害勘查地球物理技术手册.北京：地质出版社，2003

[2]林宗元.岩土工程试验手册.沈阳：辽宁科学技术出版社，1994

[3]陈仲候等.工程与环境物探教程.北京：地质出版社，1999

Ⅸ 　声波法

固体中的机械波是声波。由于其作用力的量级所引起的变形在线性范围，符合虎克定律，也可称其为弹性波。声波检测和浅层地震、面波勘探同属弹性波“动测”技术。

声波检测（Sound Wave Detecting）所使用的波动频率从几百赫到50千赫（现场原位测试）及50到500千赫（岩石及砼样品测试），覆盖了声频到超声频，但在检测声学学科领域中称其为“声波检测”。其测试原理与浅层地震相同，但使用频率及测时精度均高于浅层地震勘探。

应提及的是，这里所阐述的声波检测包含被动声波检测，即不需要振源的地声检测技术。

12.3.1基本原理

声波检测技术中有三个声学参量，即声速（俗称波速）、声波波幅及频率，可对介质的物性做出评价。当前应用最多的是声速，其次为波幅，频率参量也日渐加入应用。

声波可以评价岩体（及混凝土）的性状，更可提供物理力学参数，但固体的声速和介质的几何尺寸有关。无限体（大块的岩体）、一维杆（防滑桩）、二维板（挡土墙）的声速表达式中的动弹性力学参数不尽相同，边界条件不一样，有必要对它们分别讨论。

12.3.1.1无限（无界）固体介质中的声速

无限体指的是介质的尺寸远比波长λ

波长A是一个基本的声参量，其物理含意是声波波动一个周期T所传播的距离。所以A=T·C式中C为声速。而周期 T与频率f存在T=1/f，因此A=T·C=C/f。大，理论及实验证明，当介质与声波传播方向相垂直的尺寸D＞(2～5）λ，此时的介质可认为是无限体。

声速是介质质点弹性振动的传递（传播）速度。由弹性理论可知，在无限固体介质中由应力引起弹性应变过程的波动方程为：

地质灾害勘查地球物理技术手册

式中：θ为体积膨胀率，

表示在声波扰动下体积相对变化；u_x、u_y、u_z分别为x、y、z方向的位移；λ、μ为拉梅常数；▽²为拉普拉斯算子，

；p为介质密度。将12.6式中的第一式对x求导，第二式对y求导，第三式对z求导，然后相加，可得：

地质灾害勘查地球物理技术手册

设

地质灾害勘查地球物理技术手册

式中：E为弹性模量；σ为泊松比，两者都是介质的弹性常数，它们与拉梅常数λ、μ之间有一定互换关系。将（12.8）式代入（12.7）式，可有：

地质灾害勘查地球物理技术手册

显然，（12.9）式中的C_l具有速度的量纲，代表介质内由质点振动传递过程引起的体积膨胀率的传播速度，也就是纵波的传播速度，人们常用v_P表示。即：

地质灾害勘查地球物理技术手册

纵波的质点振动传播的物理过程可用图12-6a表示。可见，质点的振动和传播方向是一致的。

图12-6纵波及横波质点传播过程

从三维角度看，质点的振动还可以与传播方向相垂直，这种波动称之为切变波或横波，它不引起固体微元的体积变化，故从12.6式中令θ＝0可求得：

地质灾害勘查地球物理技术手册

式中：C_t代表横波传播速度，人们常用v_s表示。

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式中：G为剪切模量。横波的质点振动传播的物理过程可用图12.6b表示。

（1）声速与弹性力学参数：由（12.10）及（12.12）式可见，只要测取岩体的纵波及横波声速v_p及v_s，并已知岩体密度p的情况下，便可以获取岩体的动弹性模量E、剪切模量 G及泊松比σ，对岩体的动力学特征做出评价。故动弹性力学参数可由下列公式计算：

地质灾害勘查地球物理技术手册

地质灾害勘查地球物理技术手册

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（12.14）及（12.15）式中v_P及v_S以m/s计，p以kg/m³计，E、G的单位为Pa。

（2）用v_P/v_s评价岩体质量：泊松比σ反映的是岩体弹性性能，即在应力作用下产生纵向（应力方向）相对变形量与横向（应力垂向方向）相对变形量之比的倒数，反映的是岩体的“软”、“硬”程度。由于泊松比与纵、横声速之比有着密切的关系，所以常用纵、横波速度之比来反映岩体的物理性状。纵、横波速度比v_P/v_s与泊松比σ的关系如表12-5。

显然，v_P/v_s值越大，岩体越“软”。通过大量的统计，v_P/v_s的量值与岩体的完整程度如表12-6。

表12-5纵横波速度比 v_p/v_s与泊松比σ的关系

表12-6v_P/v_s的量值与岩体的完整程度

（3）声速岩体完整性指数：评价岩体的质量也可以只用纵波声速。例如“工程岩体分级标准”（GB50218-94）规定，可以用岩体的纵波波速v_Pm与岩石的纵波声速v_Pr按（12.6）式测算出岩体完整性指数K_v。

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显然岩体包含的裂隙、节理比小体积的岩石要少，故 K_v＜1。可见，它反映的是岩体的完整程度。由完整性指数，可对岩体的工程力学性质进行分类，如表12-7。

表12-7工程兵某部的岩体分类研究

（4）声速与岩性：不同岩性由于其结构、矿物组合、成因、地质年代等因素的不同，声速是不同的。又由于节理、裂隙等结构因素，它们的声速并不固定，而分布在一定范围。表12-8是常见到的几种有代表性岩体的纵波声速统计值。

表12-8常见岩体的纵波声速统计值

（5）声速与岩体风化：同一种岩性风化程度的不同其声速有着明显的区别（表12-9）。以长江三峡三斗坪坝岩体风化程度与纵波声速为例，说明用纵波声速划分岩体风化的可行性。

表12-9风化岩石纵波声速值（波速单位km/s)

（6）声速与岩体的裂隙：众所周知，岩体裂隙无论是原生的还是后期因地应力作用产生的次生裂隙，裂隙的出现便是岩体风化的开始。所以，有必要论述声速与岩体裂隙及风化相关的机理。

声学理论中的“惠更斯原理”对这一机理做出了合理的解释。惠更斯原理指出：弹性介质中，在某一时刻 t，声波波前上的所有点，均可视为该时刻开始振动的新的点振源，各点振源产生新的球面波，这些球面波在 t＋△t后波前的包络的叠加组合，形成新的波前，如此循环不已。故当波动的前方有裂隙存在时，在裂隙尖端所产生的新的点振源将可绕过裂隙继续传播，形成波的“绕射”。绕射的过程声线“拉”长，声时（声波传播的耗时）加长，使视声速降低，故声速不仅可对岩体的风化程度加以划分，对岩体中存在的裂隙有着极为敏感的反映，特别是张裂隙。

（7）声速与岩体结构的关系：岩体的结构可分为四类：整体块状结构、层状结构、碎裂结构、散体结构。声波在整体块状结构中的传播速度最快。后三类结构中，由于岩体的节理裂隙发育程度不相同，声波在这种非均质介质中传播，将会在不同的波阻抗界面产生波的反射、折射、波形转换等，使声线拉长，从而使声速随结构的复杂而降低。但在声波的传播中还有一个原理，即“费玛原理”。费玛原理指出：声波从一个点向另一个点传播，会沿着最短、最佳、最不费时的路径传播。这就决定了随着岩体结构的不同，声波的传播走时是会有一定规律的，其关系如表12-10。

表12-10声速与岩体结构

（8）声速与地应力：裂隙对声速的影响称之为“裂隙效应”。岩体受到外界应力作用时，其变形首先是裂隙的压密，由此可使声速提高。但当应力超过强度极限，岩体又会出现新的裂隙而使声速下降。图12-7是四块岩石试块（砂岩）应力与声速关系的实测曲线。

图12-7岩石应力与超声波波速的关系

P—压力方向；F—发射换能器；S—接收换能器

根据上述原理，对岩体做应力释放处理测取应力释放前后的声速，然后再对取得的岩心加压测量其声速，可推测出地应力的量值及方向。

12.3.1.2有限固体介质中的声速

（1）一维杆的声速：固体介质的尺寸和波长满足下列关系称为一维杆。即：

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式中：λ为波长，D是一维杆直径，L是一维杆的长度。这时杆轴线方向的纵波声速存在下列关系：

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显然，

与无限体的纵波声速相差

0.25,

，见（12.10式），当σ＝0.2～

（2）二维板的声速：当固体二维板在x及y方向的尺寸远大于：方向尺寸，且z方向的尺寸L_z＜λ时，二维板在x及y方向的纵波声速如下：

而横波声速不依赖几何尺寸。

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讨论—维杆及二维板的纵波声速，目的在于对滑坡体治理时可能采用抗滑桩及挡土墙等工程治理措施，其施工质量的检测大多会采用声波透射法及声波反射法。对于正常声速的取值及动弹性力学参数的测算，分别应使用（12.8式）及（12.9式）。抗滑桩使用混凝土的情况较多，一维杆使用反射波法对混凝土优劣的声速划分与用声波透射法不同，见表12-11。其不同的原因是反射波使用的声波频率在1kHz左右（A=4m左右）属一维杆的纵波声速，而声波透射法使用30kHz左右的频率（λ＝0.13m左右）属无限体的声速。

表12-11测桩混凝土声速分级

12.3.1.3声波的反射、折射及波型转换

声波在固体介质中的反射、折射及波型转换是岩体及砼声学检测的重要理论依据。

（1）垂直入射时的反射及透射：当固体介质不连续时，如存在波阻抗界面（波阻抗的定义是介质密度ρ与声速c的乘积，即Z＝ρc），如图12-8，如声波传播的声线与x=n的界面相垂直，则为垂直入射。在该界面处，质点振动振速 v及振动产生的声压P具有声压连续及振速连续，如下：

图12-8声波（平面波）的入射、反射及透射示意图

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式中：P、v为入射声速的声压及振速；P₁、v₁为反射声压与振速；P₂、v₂为透过的声压及振速。将波阻抗Z＝ρc关系代入上式可求出：

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（12.22）式中的R_P为声压反射系数，（12.23）式中的_Rv为振速反射系数。它们从不同角度说明声波反射的同一物理现象，声压反射系数说明了反射时质点振动的应力关系。同理可推导出声压透过系数。

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垂直反射比较简单，不产生波型转换。

（2）斜入射时的反射、折射及波型转换：如果在波阻抗界面处入射声波不是垂直入射，将产生反射、折射及波型转换，其规律见图12-9及图12-10。

图12-9声波斜入射时的反射示意图

注：

(a）纵波斜入射；（b）横波斜入射

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反射、折射规律遵循Snell定律，如（12.25）式：

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式中：α_l、

β_l、β_t的含意见图12-9及图12-10。由（12.25）式可得到一个重要的入射角，称为第一临界角α_i：

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该式说明：当纵波入射角等于第一临界角时，在比第一层介质声速高的第二层介质中的折射角等于90°，即折射波在第二层介质表面滑行。

（3）斜入射时的反射及折射系数：图12-9(a）纵波斜入射的反射系数 R_P（如式12.27），而图12-10(a）中声波的透过系数R_T（如式12.28）：

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（12.27）式及（12.28）式中的Z₁＝ρ₁c₁,Z₂＝ρ₂c₂，分别为上下层介质的波阻抗。

（4）声波的绕射及散射：用惠更斯原理可解释声波的绕射，前文已述及，不再赘述。

声波在介质中传播，如介质中含有随机分布的不同波阻抗的颗粒，而这些颗粒的几何尺寸 r＜λ（λ为波长），这时声波将被这些颗粒反射而散射开来，使声波不能全部向前传播形成声能的损失，这种现象称为散射。

12.3.1.4声波的波幅及声波的衰减

声波的传播是质点振动的传递过程，单位时间传递的距离就是“声速”，而质点在振动传递过程中其振动的幅度便是声波的“波幅”。声波波幅会随着质点振动相互碰撞，在将动能转换成热能的过程中，质点振动的能量耗损使其振动幅度渐减，称之为声波的衰减。声波的衰减显然随介质材质、结构及声波频率的不同而各异，同一种介质，声波频率高衰减快。

在声波检测技术的应用中，目前还没有用声波的衰减评价被测介质特性，而是通过测量声波波幅的变化检测诸如岩体内裂隙的发育情况、风化特征以及混凝土内部的各种缺陷等。

声波的波幅A与传播距离有下列关系：

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两式中：A_m为发射点的声波波幅；α为声波衰减系数，l为传播距离。（12.29）式适用平面波，（12.30）式适用球面波。

12.3.1.5声波的频率

由富氏变换可知，声波检测发射的脉冲波是由多个不同频率的正弦波组成。在岩体中随着传播距离加大，或由于岩体裂隙的发育程度、风化程度的不同，接收到的脉冲波的高频信号衰减快，使接收信号的主频（能量最丰富的频率）降低。故接收到的声波信号的频率特性，可反映出岩体的物理性状。

12.3.1.6声发射现象与凯萨效应

当岩体受到外力作用，例如地下残余应力、人为或自然界对岩体产生扰动引发的应力集中等，超过岩体的强度时，岩体内部将被破坏。这种破坏往往要经历一个过程，开始时局部产生微破裂，出现一些新的裂隙，当外应力增加，这种破裂的数量（次数）增加，新生的裂隙增加并延伸，外应力增加到一定程度后，最终造成整块岩体破损坍塌。在上述岩体受力破坏的过程中，每产生一次破裂，能量被释放并转换成一次脉冲波动，形成一组声脉冲，称为“声发射”。每出现一次声发射，即为一次声发射“事件”。

声发射现象产生的脉冲声波的频谱甚为丰富，据国外文献及国内有关单位研究，其频率的上限到兆赫，下限到千赫。因此，可以在距离声发射点几十米以外接收到声发射信号，一般接收仪器接收到的是主频数千赫以下的声发射脉冲波组。由所接收到声发射事件的次数、单位时间内事件数，及声发射信号的波幅强度等动力学特征，可对岩体是否失稳进行预报。

岩体声发射现象，还有一个特殊效应系由凯萨氏发现，定名为“凯萨效应”。从岩体上取下一块完整的岩石试样，放在材料试验机上缓缓施加压力，在所加压力未超过它历史上所受到应力之前，是不会发生声发射的。由此，从加压后开始出现声发射现象之前的一级压力，即为该岩体历史上所受到的最大应力。

12.3.2观测方法

声波检测（主动式）的全过程，可用图12-11加以说明。当今声波检测仪均已数字化，现以数字化声波检测仪的发射、接收、数据采集及信号处理过程说明声波检测的观测原理。

图12-11声波检测（主动式）原理框图

（1）声波的发射：传统的声波仪用压电型换能器的逆压电效应将电脉冲信号转换成机械振动，向岩体辐射声波，其透射距离在10m以内（频率20～50kHz）。为加大穿透距离，声波仪也可以用电火花、锤击等单次瞬态激励振源向岩体发射声波（频率约3kHz以下）。

（2）声波的接收：传统的声波仪多使用压电型接收换能器的压电效应，将经岩体传播后的声波信号转换成电信号，这些信号携带了岩体的物理力学及地质信息。

（3）放大及数据采集：见图12-11，由接收换能器送出的信号先经接收放大系统加以适当的放大，再经A/D转换数据采集系统对放大后的信号由A/D转换器将模拟信号转换成二进制数字信号，并按采样的时间顺序存储在随机存储寄存器（RAM），再将这些离散的二进制数字信号送入微电脑，最终接收换能器接收到的声波信号波形显示在电脑显示屏上。目前最高档的声波检测仪，在将波形显示在屏幕上的同时，可将接收信号的首波波幅及首波的到达时间（即声时）自动加以判读，同时加以显示。接收到的波形、波幅、声时等可存入电脑的硬盘或软盘，用作下一步的分析处理。上述声波信息可在专用的数据与信息处理软件的支持下，对被测介质作出评价。

（4）被动式声波检测：岩体中的声发射信号、滑坡体蠕动产生的摩擦声信号统称为“地声信号”。对这些信号的接收过程与图12-11基本相同，只不过没有声波发射系统，但接收是多通道的（三个以上），故称之为被动式声波检测。另一个重要的不同点是，它需要计时系统，记录出现地声的时刻，同时需对地声脉冲信号的主频、波幅量化处理后存储记录，统计出地声事件出现的频度。被动式声波检测仪必须长时间连续工作，提供不间断的观测记录。地声监测是地质灾害的勘查手段之一，对于研究地质灾害发展规律十分重要。

12.3.3检测方法

由检测对象及检测目的的不同，声波检测有多种方法。

12.3.3.1透射法

发射的声波经被测介质传播透过后，由接收换能器接收的测试方法为透射法。

（1）表面测试：工程场地的岩体、混凝土，如需检测内部结构特性、缺陷及力学性能，而目标体又有外露的测试面，可采用对测法，如图12-12(a）；只有一个检测面时，可采用平面测试法，如图12-12(b）。

表面测试多用于地下洞室、隧道、边坡、大型桥墩等如图12-13。

图12-12表面测试原理图

I—声波检测仪；T—发射换能器；R—接收换能器；M—检测介质

图12-13声波表面测试示意图

1～3—隧道及洞室；4—桥墩类

＞发射点；接收点

（2）跨孔测试：在两个相距一定距离的钻孔中，分别放入发射振源和接收换能器，如图12-14。具体方法有同步提升测试法，图12-14(a）；斜测法，如图12-14(b）；及扇面测试法，如图12-14(c）。

跨孔测试用于孔间岩体破碎带、岩溶、滑坡的滑带（床）的测试；扇面测试用于声波层析成像（CT）测试。此外，跨孔测试还用于防滑桩、挡土墙等地质灾害防治工程的工程质量检测。

如图12-15，在钻孔地面旁敲击，孔中用三分量检波器（或压电换能器）接收。横敲木板可测取地层横波声速，直接敲地面测取纵波声速。地面—孔中测井可用于测取地层动力学参数，划分地层，对滑坡体进行检测，掌握滑床（带）部位、物理性状等。

图12-14声波跨孔测试示意图

T—发射振源；R—接收换能器；H—钻孔

12.3.3.2折射法——单孔一发双收声测井

如图12-16，发射换能器 T近似点振源，故总有一条声线满足第一临界角，这时进入岩体的声波折射角为90°，射波沿孔壁滑行，以后又被相距L的R₁及相距为L＋△L的R₂接收，其声时分别为t₁及 t₂。声速v_P为：

图12-15声波地面—孔中测试示意图

I—声波仪；R—三分量检波器；B—帖壁气囊；M—岩体；H—钻孔；W—激振木板；P—压力；F—正向激振；F′—反向激振I—声波仪；T—发射换能器；R₁、R₂—接收换能器；M—岩体；H—钻孔

图12-16单孔一发双收声波测井原理

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单孔－发双收声波测井用于岩体风化壳划分及强度评价，深部地层的构造、软弱结构面、破碎带埋深及发育的勘查。

一发双收声波测井必须注意的问题是，接收换能器R₁在接收到沿孔壁滑行折射波的同时，还能接收到由井液中直接传播的声波，因此必须保证滑行波的走时t_.小于井液中传播的声时t_w，才能保证正确的测试。由于岩体的声速大于井液的声速，所以，只要加大发射换能器 T与接收换能器R1之间的距离 L(L称源距）即可达此目的。通过计算可求得最小的源距 L_min有下列关系：

（12.32）式中D为钻孔直径；α为换能器外径；C_w为井液声速；C_m为岩体纵波声速的最低值。

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（12.31）式说明，当一发双收换能器的直径及源距确定后，所能适用的钻孔孔径也就被限制在一定范围之内。用其在钻孔中进行测试之前，应按（12.31）式核算一下是否适应孔径。

12.3.3.3反射法

图12-17是桩（或混凝土挡土墙）反射波测试示意图。用手锤或力棒敲击桩顶产生入射波T，在桩底（或有缺陷 F）产生反射波R(R′）。接收传感器 T_，先后接收到直达波D、缺陷反射R′及桩底反射波R，即可由检测仪器I将它们依次记录。由记录的波形可判断桩是否完整，或有无缺陷，以及桩身混凝土声速，并由声速推断混凝土质量（强度等级）、缺陷的位置。

图12-17桩（墙）反射波测试

I—仪器；H—手锤；Tr—传感器；P—桩（墙）；F—缺陷；E—地层；T—入射波；R—桩底反射波；R′—缺陷反射波；D—直达波

上述桩的反射波法，实际是一维杆的“零”偏移距反射波法（也就是浅层地震所谓的最小偏移距反射法）。按此原理，还可以对地下连续墙、挡土墙进行墙体的完整性及深度检测。依此类推，也可以对地下隧道开挖面前方的岩体破碎带、溶洞等不良地质体进行“零”偏移距反射波法测试，目前已取得较好的实测结果。

12.3.3.4岩石样品的声波测试

（1）岩石样品（试件）声波测试的目的。岩石样品多由钻探取芯或工程现场取样获取。测试岩石样品的目的是：获取无结构面的完整岩石声速，作为评价岩体完整性的基础数据；研究声速与应力间的关系；利用凯萨效应掌握历史上曾受到过的地应力的最大值；提供岩石动弹性力学参数 E_d、G_d、σ等。

（2）岩样的几何尺寸与测试频率的选择。岩石样品几何尺寸较小，按有关规程规定，其尺寸应为5×5×5(cm）、5×5×10(cm）、φ7×5及φ7×10(cm）。为了获取无限体的声速，必须采用高频换能器测取纵波、横波声速v_p、_v。频率的选取原则是 D≥（2～5)A如2.1.1(B）节中的要求。因此，声波换能器的频率应在200～1000kHz，仪器的测量声传播时间的分辨率，应达到0.1μs。

表12-12多种声波检测方法总汇

（3）岩石样品的加工要求，见原地质矿产部《岩石物理力学性质试验规程》（1986年12月颁布）。

12.3.3.5多种声波检测方法总汇

因检测目的的不同，声波检测有着多种测试方法，各种方法又随探测距离各异，出现多种发射振源及不同接收方式。各种声波检测方法的总汇如表12-12。

12.3.4信号处理

我国的声波检测仪已普遍实现数字化并领先于国际水平。数字化的实现，加速了信号处理技术的提高。目前已在多个方面应用了信号处理技术，并开发出了相应的处理软件。

（1）为研究应用声波信号的频率特性，傅氏变换频谱分析技术普遍用于声波检测，并备有相应软件供用户使用；

（2）高、低、通数字滤波软件，用于滤除不同的干扰信号；

（3）积分处理对接收信号进行积分运算，将振动加速度信号转换成振动速度型信号及消除接收信号（直达波及反射波）的余振；

（4）多点平滑滤波将数字序列中的第i点信号（i=0、1、2、3、……N）与相邻的i+n个信号幅度相加除以i+n的值作为i点的波幅，目的是消除噪音使波形光滑；

（5）叠加处理将n次（n任选）发射、接收到数字信号序列逐点相加，使波幅增强，以提高信噪比，消除随机噪音。

上述信号处理软件，多已装入仪器，可以方便地调用。

12.3.5数据处理

数据处理的目的是用测取的声学参量，以及由它们衍生出的物理量评价岩体的结构、物理力学性能及混凝土结构强度、完整性等。

（1）声速计算：

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其含义与（12.10）式及（12.12）式相同。

（2）岩体完整性指数（K_v）：

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式中：vP_m为岩体纵波声速[km/s],vP_r为岩石试件纵波声速[km/s]。根据《工程岩体分级标准》（GB50218-94）,K_v定性划分岩体完整程度的对应关系如表12-13。

表12-13K_v定性划分岩石完整程度的对应关系表

（3）准岩体抗压强度（F_m）:

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式中：F_r为岩石试样的单轴抗压强度。

（4）岩体风化系数（I）：

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式中：

为完整岩体的纵波声速；

为风化岩体的纵波声速。

（5）动弹性力学参数：当测取了岩体及混凝土的纵波及横波声速，可求得下列动弹性力学参数

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（12.36）至（12.38）式中：v_P、v_s为纵、横波声速；ρ为密度。

12.3.6仪器设备

（1）水文地质工程地质专用声波测井仪见表12-14。

表12-14水文地质工程地质专用声波测井仪一览表

（2）典型超声波（声波）检测仪见表12-15。

（3）电火花振源：为加大声波穿透距离，可使用大功率电火花振源。其原理是：在高压储能电容上充4～8kV电压，然后通过电缆及放电电极在水中瞬间放电，使水高热气化，产生激励脉冲声波。其特点是：能量可控、一致性好、能量大。便携式电火花振源的能量可达300～700J（焦尔），湘潭市无线电厂生产，型号XW5512A。

表12-15典型超声波（声波）检测仪

（4）发射与接收换能器：由于声波测试方法的不同，需要有多种换能器，满足不同的测试要求。现有定型生产的各类换能器，表12-16所示给出了它们的名称及主要技术性能、外形尺寸、耦合方法及适应的测试方法。

表12-16定型生产的各类换能器

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Ⅹ 声波测试数据处理主要内容是。

声波测试数据处理的主要任务是对声波进行特征频谱分析，主要用于声纹识别，例如：声音转文字