不同材料波导杆在水中的声波传播特性

刘 兵,王 风,傅 辉,李木森

(1.山东大学材料科学与工程学院,济南250061; 2.山东省超硬材料工程技术研究中心,邹城273500;3.邹城市地震局,邹城273500)

不同材料波导杆在水中的声波传播特性

刘 兵1,2,王 风2,傅 辉3,李木森1,2

(1.山东大学材料科学与工程学院,济南250061; 2.山东省超硬材料工程技术研究中心,邹城273500;3.邹城市地震局,邹城273500)

由信号发生器产生的声波在水中通过不同材料波导杆时,其传播特性会发生改变,采用全波形声发射仪对其进行了波形数据检测、参数和波形分析,系统研究了声波通过水中不同材料波导杆的传播特性。结果表明:声波信号的幅度计数、振铃计数和能量计数的变化规律均稳定,并易于找出相应的变化规律;声波通过水中不同材料波导杆的时域波形均呈现衰减特征,而振幅频谱均呈现明显的频散现象;声波通过水中金属波导杆的传播特性优于水中塑料波导杆。所得结果为进一步研究地震波经深水井中不同材料波导杆的传播特性和开展地震监测奠定了基础。

声波;波导杆;声波传播特性;时域波形;频谱分析

地震因其频发性和破坏性,已成为人类面临的严重自然灾害之一。人类至今还没有掌握地震的形成规律,地震预报仍然是未能攻克的重大科学难题。大量历史记录和震例资料表明,地下水的映震能力强,对地震的反映比较灵敏,与地震的孕育和发生有着密切关系,因此对地下水进行监测是地震监测预报和科学研究的重要手段之一[1－5]。利用声发射技术和深井水进行地震监测时,因声发射传感器不能直接放在水中,所以需要采用波导杆进行辅助检测[6－8]。在水中应用波导杆进行声发射检测是可行的[9],但由于地下水往往含有腐蚀介质,而且需要长期实时采集地震波信息,因此应选择一种质优价廉的波导杆来辅助采集地下水中的地震波信息。利用声发射技术研究地下水中地震波特征是一种新的研究地震活动信息的方法,其可以对地震的活动信息进行实时采集、科学表征、计算和分析,探索地震的孕育和演变规律,为地震的短临预报提供科学依据和定量判据,因而研究声波在水中不同材料波导杆的传播特性具有重要的实用价值。

笔者使用信号发生器产生模拟声波信号,使其在水介质中通过不同材料的波导杆,然后采用全波形声发射检测仪采集模拟声波信号,对采集的声波信号波形进行参数分析、时域分析和频谱分析,并对比研究水中不同材料波导杆的声波传播特性,为进一步研究声波经深水井中不同材料波导杆的传播特性和进行地震实时监测奠定了基础。

1 声波通过水中不同材料波导杆的传播特性的检测方法

选用长1 200 mm、宽250 mm、高250 mm的玻璃水槽。波导杆的材料分别为6061纯铝、304不锈钢、45碳素钢、有机玻璃和聚四氟乙烯,其尺寸均为直径20 mm、长200 mm。采用DG1022型信号发生器产生模拟声波信号,其频率和幅度均可以调节;采用DS2-8 A型全波形声发射检测仪进行模拟声发射信号的采集和分析,声发射传感器为北京声华兴业科技有限公司生产的SR150 M型压电陶瓷传感器,前置放大器增益为40 dB;用凡士林作为耦合剂。

信号发生器产生的模拟声波信号经水中通过45碳素钢波导杆传播后,由声发射传感器通过水中不同材料波导杆接收,再经前置放大器放大,由声发射检测仪采集、存储。不同材料波导杆传播模拟声波信号的试验装置如图1所示。

图1 水中不同材料波导杆传播模拟声波信号的试验装置示意

具体试验步骤如下:

(1)玻璃水槽注满水后,DG1022型信号发生器的输出信号激励置于输入端波导杆(45碳素钢波导杆)顶部的传感器中并产生声波,声波经波导杆、水介质和接收端波导杆传播后由接收端传感器接收,其输出送入到DS2-8A型全波形声发射检测仪。输入端波导杆与接收端波导杆之间相距1 000 mm。

(2)信号发生器发出模拟声波信号的参数为:频率150 k Hz、幅度5 V。声发射检测仪接收的门槛电压分别设置为:5,10,15,20 m V。

(3)按照(1)、(2)的试验步骤,接收端波导杆依次用6061纯铝、304不锈钢、45碳素钢、有机玻璃和聚四氟乙烯材料波导杆完成上述试验,并记录相应的声波检测数据。

(4)对采集的声波数据进行参数分析,然后使用MATLAB软件对接收存储的声发射信号波形数据进行分析,得出时域波形图和振幅频谱图,再对波形特征进行比较和分析。

2 试验结果与分析

图2 不同门槛电压、不同材料波导杆的幅度计数直方图

2.1 不同材料波导杆在水中接收模拟声波信号的对比

试验中发现,聚四氟乙烯波导杆接收不到模拟声波信号,而6061纯铝、304不锈钢、45碳素钢和有机玻璃波导杆能接收到模拟声波信号。通过对DS2-8 A型全波形声发射检测仪记录的试验数据分析,发现幅度计数、振铃计数和能量计数等参数的稳定性很好,易于找出它们的规律。图2～4分别为不同门槛电压、不同材料波导杆的幅度计数直方图、振铃计数直方图和能量计数直方图。从图中可以看出:在同一门槛电压下幅度计数、振铃计数和能量计数等参数均有相同的变化规律,即:6061纯铝的模拟声波信号接收效果最好,其次是304不锈钢,再次是45碳素钢,有机玻璃接收效果最差。这应该是由不同材料波导杆的材料属性决定的,与材料的声速有关;试验用的五种材料中铝的声速最高,其次是钢(304不锈钢和45碳素钢非常接近),再次是有机玻璃,最后是聚四氟乙烯。在门槛电压改变时,从水中不同材料波导杆的幅度计数直方图、振铃计数直方图和能量计数直方图中也均可以明显看出相同的变化规律。由此说明,水中金属波导杆的声波传播特性优于塑料波导杆。

图3 不同门槛电压、不同材料波导杆的振铃计数直方图

图4 不同门槛电压、不同材料波导杆的能量计数直方图

2.2 不同材料波导杆在水中接收模拟声波信号的波形对比

图5 不同材料波导杆在水中接收模拟声波信号的时域波形图(门槛电压5 m V)

2.2.1 不同材料波导杆在水中接收模拟声波信号的时域波形图对比

图5为不同材料波导杆在水中接收模拟声波信号的时域波形图。对比图5(a),(b),(c),(d)的时域波形图可以看出,在上升段速度都比较快,在下降段时都显示出指数衰减振荡的现象,它们的包络线形态均呈现一个三角形,在时域上均呈现分离的波形,这属于典型的突发型声发射信号波形。模拟声波信号经水中不同材料波导杆传播的幅度分析结果表明,6061纯铝的幅度明显大于304不锈钢、45碳素钢和有机玻璃的幅度;而有机玻璃上升段的上升速度略低于6061纯铝、304不锈钢和45碳素钢板。

从图5还可以看出,不同材料波导杆的时域波形图在时间轴上的衰减特征基本相同,但在衰减速度上不同;6061纯铝衰减最慢,其次是304不锈钢,再次是45碳素钢,有机玻璃衰减最快。由于在水介质中只传播纵波不传播横波,波形特征表现为单一纵波,因此衰减特征基本相同。介质对信号幅度衰减存在影响,但这种影响并不显著[10]。声波衰减的大小及其变化不仅取决于所使用的声波频率及传播距离,也取决于材料的内部结构及性能。不同材料波导杆在时间轴上表现出不同的衰减速度主要取决于不同材料的内部结构。上述分析说明,水中金属材料波导杆的声波传播特性优于塑料材料波导杆。

2.2.2 不同材料波导杆在水中接收模拟声波信号的频谱图对比

图6为不同材料波导杆在水中接收模拟声波信号的频谱图。对比图6(a),(b),(c),(d)的频谱图可以看出,频谱分布曲线集中,质心比较明显,表明信号包含的频率比较单纯,属于典型的突发型声发射的频幅。从图6可以看出,四种材料波导杆的高频部分均位于150 k Hz附近,其中6061纯铝、304不锈钢和45碳素钢波导杆的频率在0～300 k Hz间,而有机玻璃波导杆的频率在0～400 k Hz间。模拟声波信号经水中不同材料波导杆传播后,均发生了明显的频散现象。但6061纯铝的频散范围最小,其次是304不锈钢和45碳素钢,而有机玻璃的频散范围最大。这说明,在水中金属材料波导杆的频散现象明显弱于塑料波导杆。由于在水介质中只传播纵波不传播横波,其波形特征表现为单一纵波;因此不同材料波导杆表现出的不同频散范围应该是由不同材料波导杆的材料属性决定的,且主要与材料中存在的大量晶界有关[11]。上述分析说明,水中金属材料波导杆的声波传播特性优于塑料材料。

图6 不同材料波导杆在水中接收模拟声波信号的频谱图(门槛电压5 m V)

3 结论

(1)在相同门槛电压下,采用全波形声发射仪检测由信号发生器产生的模拟声波信号经水中不同材料波导杆的传播特性时,声发射幅度计数、振铃计数和能量计数等参数均明显表现出相同的变化规律,即:6061纯铝的接收效果最好,其次是304不锈钢,再次是45碳素钢,有机玻璃接收效果最差。

(2)模拟声波信号经水中不同材料波导杆传播的时域波形图均呈现出相同的衰减特征,但衰减速度有所不同;6061纯铝的衰减最慢,其次是304不锈钢,再次是45碳素钢,有机玻璃的衰减最快。

(3)模拟声波信号经水中不同材料波导杆传播后,均发生明显的频散现象,其中金属材料波导杆的频散较弱,而塑料波导杆的频散明显。

(4)声发射检测信号的参数分析和波形分析结果表明,水中金属材料波导杆的声波传播特性优于塑料材料波导杆。

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Propragation Characteristics of Acoustic Waves Through Different Material Waveguide Rods in Water

LIU Bing1,2,WANG Feng2,FU Hui3,LI Mu-sen1,2
(1.School of Materials Science and Engineering,Shandong University,Jinan 250061,China; 2.Shandong Engineering Research Centre for Superhard Materials,Zoucheng 273500,China; 3.Zoucheng Seismological Bureau,Zoucheng 273500,China)

By using full waveform acoustic emission instrument,the waveform data of the acoustic waves produced by a signal generator and through different material waveguide rods in water have been detected and analyzed,and then the propagation characteristics of the acoustic waves have been systemetically studied.The research results show that the change regulation of the acoustic emission amplitude counting,ring down counting and energy counting are stable and it is easy to find the corresponding change rule.The acoustic waves through the different material waveguide rods in water always show the attenuation characteristics,but the time domain waveform and the amplitude spectrum show the obvious frequency dispersion phenomena.The propagation characteristic of the acoustic wave through the metal waveguide rod is much better than that of the plastic one.Therefore,the experimental results are very important for earthquake monitoring by means of the propagation characteristics of the acoustic waves through the appropriate material waveguide rod in a deep well.

Acoustic wave;Wave guide rod;Sound wave propagation characteristic;Time-domain waveform; Spectrum analysis

TG115.28

:A

:1000-6656(2017)01-0024-04

10.11973/wsjc201701006

2016-06-25

刘 兵(1979－),男,主要研究方向为区域地(矿)震监测技术。

李木森(1952－),男,教授,博士生导师,E-mail:msli＠sdu.edu.cn。