專利名稱:用于巖體、土體、混凝土體的低頻聲波儀的制作方法
本發(fā)明涉及到在現(xiàn)場對巖體、土體、混凝土體的聲波速度及衰減的測量，屬于地學及混凝土工程中的聲波檢測領域。
測量巖體、土體、混凝土的聲速及衰減，從而評價它們的特性，是目前工程中常用的檢測方法之一，低頻聲波儀是現(xiàn)場測量聲速及衰減的重要儀器。現(xiàn)有的低頻聲波儀通常是用尖脈沖或方波脈沖作為發(fā)射聲波的激勵信號(參看SYC-2型巖石聲波參數(shù)測定儀說明書和日本OYO巖樣聲速測試儀說明書)，接收部分的接收信號通道都是用寬帶接收通道。由于尖脈沖或窄方波的頻譜成份較為豐富，而且主頻在零頻率附近，而與其相連接的發(fā)射換能器又是以其諧振頻率為中心的窄帶器件，從而使聲波發(fā)射時的有效電聲轉換效率降低，造成現(xiàn)有測試儀器在巖體中的探測距離一般都小于10米。由于土體中聲波傳播較巖體中更為困難，所以現(xiàn)有的巖體聲波測試儀尚無法用于土體中的聲波檢測。另外為了能減小接收聲信號的失真，目前是采用寬帶接收系統(tǒng)，而寬帶接收一方面制作寬帶放大器是有一定困難，另一方面寬帶接收在現(xiàn)場測試條件下將無法消除環(huán)境的干擾噪聲。這樣降低了信噪比，不利于改善和提高接收系統(tǒng)的靈敏度。(利用尖脈沖或方波脈沖所激勵的發(fā)射聲波的基頻主要取決于所連接的發(fā)射換能器的基頻、聲波儀本身無法控制這一基頻)。
本發(fā)明的第一個目的是制造一種不僅用于巖體、混凝土體，同時又能用于土體的現(xiàn)場低頻聲波檢測儀，在儀器體積和重量能適于現(xiàn)場野外測試的條件下，提高儀器的電聲轉換效率，增大聲波穿透的距離。第二個目的是改善接收系統(tǒng)的頻率特性，有效地抑制現(xiàn)場的各種干擾信號，從而提高接收系統(tǒng)的靈敏度和抗干擾能力。第三個目的是由儀器本身測出發(fā)射聲波的頻率，有助于在一定范圍內(nèi)測量被測媒質(zhì)聲衰的頻率特性。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術解決方案如下以大功率的正弦脈沖調(diào)制信號，經(jīng)阻抗匹配部分，有效地激勵發(fā)射換能器。正弦脈沖調(diào)制信號可以是等幅正弦振蕩信號，經(jīng)方波脈沖調(diào)制后的信號，其寬度可大于10個正弦振蕩周期。等幅正弦振蕩信號的頻率可以是連續(xù)可調(diào)的，經(jīng)功率放大后的輸出信號的幅度亦可以是連續(xù)可調(diào)的。根據(jù)調(diào)制脈沖信號中正弦振蕩的頻率變化，接收系統(tǒng)的窄帶濾波器的濾波特性將隨之變化，其濾波頻帶的中心頻率與正弦振蕩的頻率相同，其通頻帶寬度將與發(fā)射信號的主要頻率成份的寬度保持一致，從而使接收系統(tǒng)具有跟蹤發(fā)射信號載波頻率的窄帶濾波特性。利用時間測量部分的數(shù)碼顯示系統(tǒng)，可顯示調(diào)制脈沖信號的載波頻率。
本發(fā)明所取得的效果與現(xiàn)有技術相比具有以下實質(zhì)性特點由于采用正弦載波頻率連續(xù)可調(diào)，可使激勵信號的主頻與發(fā)射換能器的主頻相一致，從而獲得最佳的電聲轉換效率，與現(xiàn)有技術相比較，在同樣的電功率輸出的條件下，可獲得更佳的電聲轉換，從而在巖體和混凝土體中有更大的測量距離，這樣在現(xiàn)場測試中可以減少測試鉆孔，提高工作效率，并可以用于土體中的聲波檢測。由于本發(fā)明采用跟蹤濾波接收，使接收系統(tǒng)“對準”發(fā)射信號進行接收，同時由于濾波系統(tǒng)具有窄帶特性，所以能夠有效地抑制發(fā)射信號主頻率以外的各種干擾，這就有助于提高接收系統(tǒng)的靈敏度有利于微弱信號的接收。本發(fā)明使用了數(shù)碼顯示載波頻率，發(fā)射信號的頻率可以準確地顯示出來，在測試中，可通過一定范圍的主頻率的變化探測不同頻率的變化探測不同頻率下媒質(zhì)的聲衰減，這樣就更有利于從頻譜上分析研究媒質(zhì)的性能。
圖1是發(fā)射部分的原理方框示意圖，其中〔1〕是主振蕩器，〔2〕是分頻器，〔3〕是調(diào)制器，〔4〕是前置放大器，〔5〕是功率放大器，〔6〕是阻抗匹配網(wǎng)絡，〔7〕是發(fā)射換能器，〔8〕是電位器。
圖2是接收、計時和顯示部分原理方框示意圖。其中〔9〕是接收換能器，〔10〕是衰減器，〔11〕是濾波器，〔12〕是放大器，〔13〕是主放大器，〔14〕是整形器，〔15〕是數(shù)碼顯示器，〔16〕是計數(shù)器，〔17〕是晶體振蕩器，〔18〕是計時分頻器，〔19〕游標發(fā)生器，〔20〕掃描延遲電路，〔21〕是定時方波發(fā)生器，〔22〕是二蹤示波器，〔K1〕是波段開關1，〔K2〕是波段開關2，〔K3〕是波段開關3。
實施例下面結合附圖詳細說明根據(jù)本發(fā)明提出的裝置與工作情況。利用RC振蕩電路構成主振蕩器〔1〕，輸出頻率可以連續(xù)變化的等幅正弦信號，此信號分別輸?shù)椒诸l器〔2〕，調(diào)制器〔3〕和經(jīng)A點輸?shù)浇邮障到y(tǒng)和計時系統(tǒng)。等幅正弦信號經(jīng)分頻器后形成寬度大于10個正弦振動周期的方波信號，方波信號的占空比大于1∶10，用此方波信號去調(diào)制輸至調(diào)制器的等幅正弦信號，從而形成脈沖調(diào)制的正弦振蕩信號，此信號經(jīng)電位器〔8〕輸至前置放大器〔4〕，進行電壓放大，再輸至功率放大器〔5〕進行功率放大，可以使其有效功率大于500瓦。為了能使功率放大器有最佳的負載阻抗匹配，在功率放大器與發(fā)射換能器〔7〕之間有一阻抗匹配網(wǎng)絡〔6〕，分頻器在形成調(diào)制方波的同時在B輸出同步脈沖信號作為發(fā)射聲脈沖時刻的標記，并提供計時電路的開門信號。加到發(fā)射換能器〔7〕的輸出信號的正弦載波頻率是隨主振蕩器的振蕩頻率變化的，其幅度可連續(xù)變化。
附圖2中所示的接收系統(tǒng)包括接收換能器〔9〕，衰減器〔10〕，濾波器〔11〕和放大器〔12〕。所使用的接收換能器的頻率響應特性與發(fā)射換能器一致。接收到的聲振動經(jīng)接收換能器轉換為電信號輸至衰減器，該衰減器利用串并聯(lián)精密電阻器組成，濾波器是一窄帶濾波系統(tǒng)，其中心頻率由主振蕩器的振蕩頻率所控制，并使兩頻率始終保持一致，濾波器的通帶寬度與發(fā)射信號C的主頻帶寬度一致，在外界干擾信號不太大的情況下，也可以簡化為通帶寬度固定的濾波器，只需要使其帶寬能夠包括在一定范圍內(nèi)可連續(xù)變化的發(fā)射信號C的主要頻率成份。
計時和頻率測量系統(tǒng)包括計數(shù)器〔16〕，計數(shù)器的開門信號由波段開關1的輸入脈沖，關門信號是波段開關3輸入的脈沖，在游標計時和首波計時兩種工作方式時，開門信號均由同步脈沖信號B經(jīng)計時分頻器〔18〕后所提供，關門信號分別由游標發(fā)生器〔19〕和接收信號經(jīng)主放大器〔13〕和整形器〔14〕后的脈沖提供。這兩種工作方式時的時鐘信號是由1MHZ的晶體振蕩器〔1〕所產(chǎn)生。在顯示載波頻率的工作方式時，計數(shù)器〔16〕的開門和關門信號是由定時方波發(fā)生器〔21〕所提供，其輸出方波脈沖的寬度是固定的，比如為1ms，此時的時鐘信號是由主振蕩器所產(chǎn)生的等幅正弦信號經(jīng)波段開關1輸入的，在固定時間里所記下的正弦周期數(shù)轉換為相應的頻率數(shù)顯示在數(shù)碼顯示器〔15〕上，從而讀出載波頻率。
顯示系統(tǒng)主要是二蹤示波器〔22〕，其中一個垂直顯示通道Y1將輸入經(jīng)放大器放大后的接收信號，另一個垂直顯示通道Y2將顯示計時游標，示波器的X軸掃描方式應置于“外觸發(fā)”工作方式，同步脈沖信號B經(jīng)掃描延遲電路〔20〕后形成一個外觸發(fā)信號，輸至示波器的X軸。
權利要求
1、一個由發(fā)射部分、接收部分、時間測量部分和波形顯示部分組成的低頻聲波儀，其特征是發(fā)射部分輸出大功率調(diào)制型脈沖信號，接收部分采用跟蹤濾波接收，用數(shù)碼顯示調(diào)制脈沖信號的載波頻率。
2、根據(jù)權利要求
1所述的低頻聲波儀，其特征是發(fā)射部分輸出脈沖信號的載波頻率是可以連續(xù)改變的，其幅度也是可以調(diào)節(jié)的。
3、根據(jù)權利要求
1或2所述的低頻聲波儀，其特征在于發(fā)射部分的輸出與發(fā)射換能器〔7〕實現(xiàn)了阻抗匹配。
4、根據(jù)權利要求
1或2所述的低頻聲波儀，其特征是發(fā)射部分輸出信號的有效功率大于500瓦。
5、根據(jù)權利要求
3所述的低頻聲波儀，其特征是發(fā)射部分輸出信號的有效功率大于500瓦。
6、根據(jù)權利要求
1所述的低頻聲波儀，其特征是跟蹤濾波接收將隨發(fā)射脈沖信號的載波頻率的變化而同步變化其窄帶濾波特性。
專利摘要
本發(fā)明涉及到在現(xiàn)場對巖體、土體、混凝土體的聲波速度及衰減的測量，屬于地學及混凝土工程中的聲波檢測領域。本發(fā)明的主要目的是為了提高發(fā)射聲波的效益，增大聲波穿透的距離，另一個目的是為了提高現(xiàn)場檢測的抗干擾能力，并有助于利用本儀器測量媒質(zhì)聲衰減的頻率特性。本發(fā)明的主要特征在于采用調(diào)制脈沖聲源，并采用跟蹤窄帶濾波技術，提高接收系統(tǒng)的抗干擾能力，本發(fā)明可用于工程現(xiàn)場測試巖體、土體、混凝土體的聲波速度和衰減。
文檔編號E21B49/00GK85102580SQ85102580
公開日1986年9月17日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者朱正亞 申請人:南京大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan