声波传播衰减特性及其对岩石声发射的影响

作     者：敬晨辉 

作者单位：华北水利水电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：戴福初;邓绪彪

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080104[工学-工程力学] 0815[工学-水利工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：声波衰减 品质因子Q 共振频率 声发射频谱 b值 

摘      要：声发射是产生于固体内部损伤的弹性波,当它在岩石等固体介质中传播时,会携带许多与介质性质相关的信息,根据这些信息可以推测固体的应力状态和结构特征,从而解决相应的工程地质问题。但是,波的传播衰减会严重影响声发射波形的幅值、频率等特征,因此有必要厘清声波传播衰减规律,明确传播衰减对声发射的具体影响。基于固体内耗和声波传播理论,本文首先推导了声波物理衰减和几何衰减的理论公式,使用钢、铝、铜、砂岩开展了声波衰减试验,对声波衰减理论公式进行验证分析。其次,通过不同频率、不同振幅复合声波的衰减实验,研究了复合脉冲波的传播衰减特性。最后,依据上述研究成果,结合岩石的单轴压缩声发射监测试验结果,深入讨论了声波传播衰减对岩石声发射频谱和声发射b值的影响,取得以下成果:(1)声波在固体介质中的传播衰减包括几何扩散衰减和物理吸收衰减,其中几何衰减起主导作用。总体上,声波幅值总衰减随传播距离的增大而增大;在激发频率为共振频率(介质固有频率)时衰减最小,远离共振频率时衰减迅速增加。试验结果表明,声波的几何衰减趋势与总衰减一致,可以用几何衰减系数k来表征,k值在共振频率时最大,表明几何衰减最小;声波的物理衰减可以用品质因子的倒数Q和物理衰减系数来表征,随材料弹性模量增加,物理衰减系数和Q值均越小。声波的物理衰减与其频率和传播距离成正比,高频下(300k Hz)长度为2000mm的波导杆中声波幅值物理衰减占比已经超过10%,不能忽略。(2)多种频率成分的复合声波传播衰减试验发现,声发射频谱图中的主频带均在介质的固有频率附近,主频带以外的频率成为主频需要更大的能量。其中,声发射中的低频成分很少能成为主频,贯频成分需要至少大于3倍共振频率的能量,而高频成分则需要大于5倍共振频率的能量,即贯频、高频等声发射事件的出现,意味着材料内部损伤释放了更高的能量。(3)在进行岩石声发射频谱的分析中,不能忽略岩石固有频率的影响。当声发射脉冲中的频率成分为岩石的固有频率时,幅值及能量衰减较小,而其他频率成分衰减迅速,从而凸显出主频带,这表明岩石声发射主频带的出现是声波衰减的结果。实验发现,白砂岩声发射频谱显示出41k Hz和95.7k Hz两个主频,即为白砂岩的固有频率,其他频率在频谱中成为主频往往预示着岩石内部高能裂隙的产生。此外,研究发现振幅经过衰减修正后计算出的b值趋势与传统b值趋势基本一致,表明岩石声发射b值的计算中可以忽略振幅衰减造成的误差,但在进行地震及微震的b值计算时,由于几何衰减和物理衰减尺度增大,其振幅衰减必然增大,由此导致的b值误差不能忽略。