声速测量范文第1篇

关键词：光声信号，组织声速，测量

 

1 引言

声速的测量方法很多，在工程技术中用的比较多的是传播时间法、脉冲回鸣法和脉冲迭加法，这三种方法都是测量声速的有效方法[1]。科技论文。本文采用的是利用短脉冲激光激发宽频带的光声信号，采用一针状PVDF膜的宽带水听器接收光声信号，在水听器前面放上各种规则的组织，通过测量组织厚度和延时，可以很方便的测出各种组织的声速；通过采集测量信号的峰峰值，还可以得出光声信号对各种组织的反射与衰减情况。

2 理论分析

当用脉冲光源照射某种吸收体时，其局部的温度将发生瞬时的改变，导致体积膨胀而产生超声波，这种超声波称为光声信号 [2]。在空间某一位置接收到的光声压p(r,t)和光吸收系数的分布A(r)的关系可以表达为[3]

（1）

其中为等压膨胀系数，c0为光声信号在吸收体中的声速，cp为比热，I0为光强，r表示光声压的场点位置，表示光声源的位置，表示场点到源点的距离。

当纯水为某一温度时，超声在纯水中的声速为（比如水温为22℃，超声在纯水中的声速为1492.0m/s），在水听器的前面放上任一规则的组织，让激发的光声信号穿过，设组织的厚度为x，信号在组织中的声速为，通过测量光声信号在水中与组织中的传播时间差，可得出信号在组织中的传播速度，即可表示为：

即 （2）

3 实验结果与讨论

图1为吸收体和超声换能器都置于纯水中的实验装置图。科技论文。将脉冲激光(波长为1064nm,脉宽为8ns，脉冲重复频率为20Hz)均匀照射在样品上，产生光致超声。在水槽中通过移动、测量水听器(PrecisionAcoustics LTD，灵敏度为950nv/pa，接收面积直径为1mm)的位置，由示波器(TDS3032, Tektronix，最高采样率2.5G ，带宽 300MHz)、GPIB采集卡和计算机采集光声信号，记下光声信号的传播时间(实验中脉冲激光和示波器由同一触发源同时触发, 探测器接收到的光声信号相对触发信号的延迟时间就是光声信号从光声激发位置到探测器的传播时间)，可以计算出光声信号在水中的传播速度，由实验测量得，当水温为22℃时，声速为1492m/s，再将水温降低或升高，可以得到水的声速随温度的变化关系[4,5]。科技论文。实验中示波器的采样率为250MHz。

图1 声速测量实验装置图

在水听器的前面放上一些规则的组织，让激发的光声信号穿过，通过测量光声信号在水中与组织中的传播时间差，如图2所示，可得出信号在组织中的传播速度，比如超声在鱼肉中的声速为1541.7m/s，具体各种组织声速如表1所示。

由图2可以看出，超声在纯水（13℃）中传播的延时最长，即传播的速度最慢，在瘦肉中传播的延时最短，即传播的速度最快；而且信号在纯水中的峰峰值最大，为310mv，在瘦肉中的峰峰值最小，为84mv，说明信号在组织之间声速不匹配时，有很强的反射，当然另一方面信号在组织中传播时也有衰减[6,7]。

图2 光声信号在各种组织中的延时

 

生物样品 厚度(cm) 信号峰峰值(mv) 信号延时之差(µs) 声速（m/s） 纯水(13℃)  

声速测量范文第2篇

【关键词】手机；应用软件；声速测量；奶茶管

【Abstract】This paper introduces a method to measure the sound speed by using the standing wave in the common milk tea tube that Opened at both ends. Just two smart phones and a tube are used in the experiment. For these instruments are readily available， we needn’t to go to the school laboratory. This inspires the students’ learning interest and enhances their practical ability.

【Key words】Phone ；App； Sound velocity measurement； Milk tea tube

在大学物理实验中测量声速的方法有多种，它们的共同点是均需要专门的实验仪器来进行实验。如果能通过一些随手可得的工具来测量声速，无疑对激发学生学习兴趣，增强学生动手能力都有很大益处。而智能手机的普及和手机应用软件开发的进步使这样的想法变为现实[1]，本文给出了一种利用普通的两端开口奶茶管的声驻波现象来测量声速的方法，只需两部智能手机和一根两端开口奶茶管即可进行实验。

1 实验原理

在力学教材教材中[2]指出声波在一端封闭管中产生驻波的条件为：

其中l为管的长度，？姿是声波的波长。

当管子两端均开口时（即开管），管中形成驻波的条件为：

其中l'为开管的长度，？姿为对应的声波波长，n=1，2，3……如图1所示，

图1 两端开口管内空气柱的基频和谐频的本征振动

这是因为：当管的两端敞开时，因空气柱与外界大气相连，其压强恒等于大气压，不会发生压缩和膨胀形变，根据驻波知识可知，只有波腹处的体积元，才不会发生形变，因此空气柱的开端必然形成位移波腹。

若知道？驻f，则可求出v的大小。

2 实验材料与步骤

实验材料：智能手机两部，耳机一个，音频发生器软件，噪声检测仪软件，奶茶管。

实验方法：

（1）将音频发生器软件安装到一部智能手机上，将噪声检测仪安装到另一部手机上；

（2）将奶茶管平放在桌上，打开音频发生器软件，并用耳机将手机发出的声音送到管子一端处；

（3）打开另一手机中的噪声检测仪软件将该手机放置于开管的另一个端口处；

（4）连续改变音频发生器的频率时，噪声检测仪所捕捉的分贝值随之改变，出现多个峰值，并且发现频率越高峰值越大.这说明在传输这些声振动时，管内一定出现驻波，出现每一个峰值时记录下与之对应的频率；

（5）分析数据计算出声速值。

3 实验数据与误差分析

其中v0为0℃时空气中的声速，其值为v0=331.45m/s，本实验进行时，温度计显示实验室温度为17.5℃，计算出的声速理论值为v=341.903m/s。

实验中，我们采用不同商家的奶茶管来测量声速。当采用长17cm、直径为8mm的奶茶管时，测出的速度为v=334.6m/s，相对误差=2.11%；当采用长17cm、直径为12mm的奶茶管时，测出的速度为v=329.6m/s，相对误差=3.598%。

从以上的数据我们可以初步看出：对于长17cm、直径为8mm和12mm的两种奶茶管而言，从数据直接得到的声速相对误差比较大。如果从这两种规格的管子中选一个的话，理应选取长17cm、直径为8mm的奶茶管，但从实验数据的准确性的角度来看，这个数据又是不太可取的。为此，我们又换了另外一种规格的奶茶管来做相同的实验，这种管子的长度为22cm、直径为8mm。其所得实验数据如表1所示：

表1 长22cm、直径为8mm的奶茶管所得实验数据（室温17.5℃）

分析表1的所得声速数据，我们发现这种规格管子的测量结果相对误差为0.791%，这样的结果要明显好于前两次的结果。对于采用这么普通的智能手机应用软件和市面上常见的奶茶管而言，能得到这样的实验数据是相当不错的。比较三次实验的数据，我们发现管长与管径比值最大的实验结果在三组中是最准确的，但这种定量关系还有待进一步研究。

4 结论

综上所述，对于常见的奶茶管，选取一定的长度、一定的直径，是可以较为准确地测量出空气中的声速的，这表明我们的实验方案是可行的。实验中所用奶茶管管长与管径比值最大的实验结果是最准确的，但这种定量关系还有待进一步研究。所以我们的实验方法也只是估测空气中的声速。即便如此，本实验方法与传统的大学物理实验中测量声速方法相比，大大降低了门槛，实验操作相对较容易，所用的实验器材也是随手可得，学生只要两台安装了免费软件的普通智能手机和一根奶茶管即可进行声速的测量。这对激发学生学习兴趣，增强学生动手能力都有很大益处。

【参考文献】

声速测量范文第3篇

关键词： 嵌入式处理器; 测速测距; 超声波; 温度补偿

中图分类号： TN919?34; TP933 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）24?0087?03

Design of ultrasonic velocity and range measurement system based on STM32

CAI Guang?zhao， HONG Yuan?quan， ZHOU Yong?ming

（Department of Electronic Engineering， Shaoguan University， Shaoguan 512005， China）

Abstract： The system takes the STM32 processor as its control core， and mainly includes ultrasonic transmitting circuit， ultrasonic receiving circuit， temperature compensation module and liquid crystal display circuit. The distance and speed are calculated by measuring the time difference between ultrasonic emission and return. DS18B20 is used to detect the ambient temperature， and correct the ultrasonic propagation velocity error. The testing results show the system can measure the distance within 5 m and speed in 100 cm/s.

Keyword： embedded processor; velocity and range measurement; ultrasonic wave; temperature compensation

随着科学技术的快速发展，测速测距仪在教学、科研和生活中的应用越来越广泛。目前，市面上大多测速测距仪器是基于激光或雷达的，虽然精度高，但价格较昂贵，操作复杂，难以普及应用。而且，在很多场合，测速和测距的精度要求也不高。因此，操作简单、价格低廉、携带方便的自动测速测距仪器有广泛的应用空间。本文介绍了一种基于STM32处理器的超声波测速测距系统的设计，具有操作简单、携带方便、测量快速、性价比高等优点。

1 超声波测速测距原理

谐振频率高于20 kHz的声波称为超声波。超声波为直线传播方式， 频率越高， 反射能力越强， 而绕射能力越弱。利用超声波的这种特性， 常常用做距离或者速度的测量。

超声波发生器发出40 kHz的超声波，以声速[c]在空气中传播。超声波到达被测物体时，反射返回到超声接收器。假设超声波的往返时间为[t]。则被测物体的距离[S]如式（1）所示：

[S=ct/2] （1）

超声波是声波的一种，其速度不是一个固定值，跟温度大小成正比关系。在干燥空气中，声速的经验计算公式如式（2）所示：

[c=331.3+0.606T] （2）

式中：[T]为摄氏气温。常温15 ℃下，声速为340.4 m/s。

测量被测物移动速度时，在等间隔时间ΔT内，先后测量出待测物的距离S1，S2，利用式（3）可算得移动速度[V]：

[V=（S2-S1）ΔT] （3）

可见，超声波测速测距系统中，关键是超声波信号的发射接收以及超声波发射到遇障碍物返回的时间的准确测量[1?3]。

2 系统电路设计

超声波测速测距系统电路主要包含STM32系统接口电路、超声波发射电路、超声波接收电路、温度检测电路等组成[4]。

系统结构图如图1所示。

2.1 STM32处理器及系统接口电路

STM32F103处理器是32位的ARM微控制器，采用Cortex?M3 内核，工作频率为72 MHz。内部集成多达128 KB的闪存，64 KB的SRAM。外设接口丰富，包括2 个12 b 的D/A转换器、3个12位的A/D转换器、3个通用16 b定时器和一个PWM 定时器。该内核是专门设计于满足集高性能、低功耗、实时应用、具有竞争性价格于一体的嵌入式领域的要求[5]。STM32处理器的主要接口电路如图2所示。

2.2 超声波发射电路

超声波发射电路如图3所示。主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，微处理器I/O口PA8输出的40 kHz的方波信号TRIG，一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。这种推挽连接形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻R3，R4一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间[6?7]。

2.3 超声波接收电路

超声波接收电路如图4所示，主要超声波专用接收芯片CX20106及其器件组成。超声波接收探头接收到的超声波信号，送往CX2016的1脚，在芯片内部进行放大、滤波、积分比较和整形后，7脚输出脉冲信号ECHO送往微处理器的PA8引脚进行处理。ECHO信号为高电平时，表示没有接收到超声波信号。一旦接收到超声波，ECHO产生下降沿。如果持续接收到超声波信号，则ECHO信号为周期性脉冲波[8?10]。

3 系统软件设计

系统软件设计的主要任务是控制定时器驱动超声波发送器，并计算超声波发射到返回的时间差，实现测速测距功能。

测速测距的波形图如图5所示，发送波TRIG由定时器TIM2产生，每隔T1时间，产生长度为T1的40 kHz方波，驱动超声波发送器。T1的大小与系统的最大测量距离有关。如果测量距离为5 m，声速按照常温计算，T1至少为29.4 ms，系统设置T1为50 ms。为了计算超声波发送到接收的时间差，从TRIG产生脉冲波开始，启动定时器TIM3，对系统内部72 MHz高速时钟进行计数。一旦回波ECHO产生下降沿跳变，则停止计数。根据计数值，算出T的大小，即为超声波发送到接收的时间差。

软件设计上，采用前后台系统完成程序设计。前台程序负责产生发送波TRIG和时间差T的计算。后台程序负责系统的初始化控制，回波检测，时间差、速度和距离的计算显示。后台控制的程序流程图如图6所示。

4 结 语

基于STM32处理器为控制核心的超声波测速测距系统，反应速度较快，既可以测量速度，也可以测量距离，能满足一般的日常需求。并且加入了温度补偿模块和报警模块，大大地增加的测量的准确性和产品的人性化设计。系统能够精准地测量出5 m内的距离，100 cm/s内的速度，可以广泛地应用于工地测量，管道长度测量，井深等不需要很高精度测量的场合。

参考文献

[1] 胡晓，巴力登.基于AT89C52的超声波测距系统设计[J].工业控制计算机，2014（2）：125?126.

[2] 兰羽.基于AT89C51的超声波测速系统设计[J].电子工程，2013（4）：137?139.

[3] 兰羽.具有温度补偿功能的超声波测距系统设计[J].电子测量技术，2013（2）：85?87.

[4] 楼然苗，李光飞.单片机课程设计指导[M].2版.北京：北京航空航天大学出版社，2012.

[5] 陈志旺.STM32嵌入式微控制器快速上手[M].北京：电子工业出版社，2012.

[6] 刘升平，王剑，葛红.超声波测距系统的开发与研究[J].计算机工程与应用，2009（2）：78?81.

[7] 刘凤然.基于单片机的超声波测距系统[J].传感器世界，2000（5）：19?21.

[8] 方正超，姚善学.基于CX20106A的超声波测距设计[J].电子设计工程，2012（8）：151?153.

声速测量范文第4篇

关键字：声速测井、煤田、勘探

中图分类号： P641.4+61 文献标识码： A

一、前言

声速测井已成为重要的测井方法之一。其中声速测井仪可以利用声波产生的不同弹性方向的横波和纵波划分岩体风化带、解释软弱夹层；利用声波在不同介质中的传播速度不同，了解材质，知其密度，方便正确判断岩石层的情况。声速测井技术发展十分迅速。进行声速测井时，可以结合波具有的能量小、作用快的特性，将岩石当作弹性体，依据弹性波的特点来研究传播过程和规律。声速测井技术从最初的声速、声幅测井，到长源距声波测井，再到现在的多极子阵列声波测井、超声波井眼成像仪等等。该技术发展至今已不单纯是一项声学技术，而是融合了多项相关理论和相关学科（如计算机科学、信息处理技术、电成像技术等多种新兴学科）的现代测量技术，其作用日益显著，应用日益广泛。

二、声速测井技术基本原理

声速测井技术的原理——是利用声波在不同介质中传播速度的差异性，根据声波在地层中的传播时间来确定地质中岩石材质。如果在岩石中出现缝隙、溶洞以及岩石风化的现象都会对声波的速度产生影响。根据这些产生的影响不同来判断岩石中是否出现了缝隙、溶洞以及岩石是否已经风化。目前,声速测井一般测量的是纵波速度,由仪器发射晶体发射的声波耦合后在地层中传播,经地层传播的声波被仪器接收晶体接收。因为发射晶体和接收晶体的间距是一定的,所测得的声波传播时差与传播速度成反比。根据需要可以把传播时差换算为声波速度,结合其他物理参数,还可以计算出横波速度,从而进行岩性的划分、弹性参数的计算,为工程勘察所利用。

三、煤田测井资料在地质勘探中的用途

计算机技术在煤田测井中的应用，促进了测井仪器的组合化、刻度化以及轻便化。煤田测井资料对煤田区域的勘探、信息分析以及开采中，有着很大的使用价值。煤田测井资料可以帮助勘察人员鉴定煤田沉积环境。古代的地理沉积情况决定了煤炭的形成以及发育，利用煤田测井资料可以有效的了解含煤岩系中的岩性组合、各种岩相的类型和变化规律，还可以清楚的确定煤层发育的状况，确定什么位置煤比较多，什么位置比较少。

在确定煤层和岩层的厚度和深度上，有着很好的使用价值，这个时候可以根据数据资料绘制的密度测井曲线来划分煤层和岩层的状况。利用体积模型方式以及竖立统计表，对密度、中子和声波等测井曲线分析处理时，可以准确的得到煤质指标和岩石的组合成分，还可以帮助勘察人员有效地分析出煤质和岩性的特征。煤田测井资料还可以帮助我们确定煤田中煤的变质程度，地壳中火山岩侵入煤层时，往往会提高煤的变质程度。

在这种情况下，各种测井也会随之发生变化，伽玛—伽玛曲线的幅度值会随着煤的变质程度加深而减小，中子曲线也会跟着下降，电阻率曲线也会出现这种情况。煤田测井资料可以帮助勘察人员确定含煤地层的含水量特征。通过数字测井的电参数对煤矿中含煤地层的含水特征进行分析，可以有效的了解含水层的状况，有利于煤田的开采设计工作。煤层顶底板的特性往往直接影响到开采方案的制定以及矿井中支护方式的选择，根据测井资料获得煤田地质的地层的强度特征，在煤矿的建设和开采中有着巨大的意义。

煤田测井资料还可以帮助勘察人员对煤田地层的对比和勘探区做出一个整体性的评价。依据测井资料，利用计算机对地层对比以及煤田区域性的分析进行研究，绘制出煤层覆盖的等厚线图、煤层的等灰分线图和等厚线图以及顶底板的等高线图等图像，对煤田勘探区的总体评价和开采设计来说具有很好的使用价值。

四、声速测井技术的特点

煤田地质勘探工作是一项复杂的系统工程和技术，技术的选择、工作的效率、成果的可用性、准确性对后期的煤炭资源的开采率、开采的安全性、以及开采的效率等关系重大，因此，必须选择技术含量高的测量系统和技术，以保证较为精确的勘探测量出地下含煤的性质及特征。通过长期的技术积累和应用分析，目前，声速测井系统已成为煤炭地质勘探工作选择的主流。该系统主要具有以下技术特点：首先是工作效率高，声速测井技术需要技术人员少、工作效率可提高三倍，可实现从数据采集到处理，再到地质勘探结果的一体化输出。其次是作业质量高，能弄较为准确、合理和科学的给出煤层的深度、厚度以及地质构造等参数；三是作业受天气、气候、温度等影响小，可实现全天候作业；四是数字处理的自动化程度高；五是系统操作简单、易上手，方便快速学习和使用，能够按照系统的指示操作，顺利的获取完整的数据资料。同时，数字测井系统具备体积小、重量轻、易于携带等特点，大大拓展了数字测井系统在煤田地质勘探中的应用范围和广度。

声速测井技术在煤田地质勘探中的应用研究

1、利用声波划分岩性，进行地层对比

由于不同的岩石具有不同的声波传播速度，所以声波速度测井曲线可用于划分岩性剖面。当其他测井方法不能获得良好的标准层时，可以利用声波测井曲线成功地进行地层对比。

2、利用声速测井仪器确定断层位置及距离

在测井参数采集中，将声速测井仪采集的完整的系统层序地层测井曲线的整体特性作为对照标注曲线，将测量所得的某一测井的测井曲线与之进行比对分析，如果在测的测井曲线中某一段区域出现重复或是缺失的现场，则说明该位置的地层重复或缺失，则该位置就是断层的位置所在。还可以根据岩石的声速与密度之前的关系，岩石的密度越小其声速的就越小，时差就越大。对于成分相同的岩石，又可根据资料求取岩石断层的距离。

3、利用声速测井确定煤层的性质

一般情况下，利用声速测井技术获得数据而绘制的测井曲线可以准确的反映出煤层的状况。主要表现在下面几个方面：第一，自然的伽玛曲线，它主要可以反映出煤层的放射性很低，甚至比见到的低放射性地层还要低。第二，根据密度绘制的测井曲线，通常情况下，煤矿中煤层的体积密度在1.5g/3cm。第三，依据声波绘制的测井曲线，可以反映出煤层的间隔传播时间比围岩的间隔传播时间长，它的大小和煤田的煤质、煤质的变化情况有着密切的联系。第四，依据中子绘制的测井曲线，可以看出煤田中钻孔的隙度指数很高，通常，高含碳量的煤会导致这种状况。第五，绘制侧向电导率曲线，当煤田中煤炭的特性变化程度较高，他的电导率会接近于零。主要是因为在质量不好的煤炭中，电导率的变化和煤炭中灰分的含量有关系。所以，煤田地质勘探中利用数字测井技术，可以更好的确定煤层的性质。

4、利用声速测井技术进行自动分层研究

声速测井资料的自动分层、测厚和岩性识别是目前声速测井技术的最重要的研究方向和内容，其技术的发展直接关系到测井技术未来的应用深度和广度，其中，利用计算机综合分析系统对测井曲线进行自动分层技术最为核心和关键。测井曲线的计算机自动综合分析系统不仅能够提高测井曲线的解译速度，降低人员投入和劳动强度，而且可采用多种处理方式同时对测井曲线进行自动化的处理和分析，对提高提高解释精度，为煤田地质勘探和开发提供可靠准确的数字支撑起到重要作用。同时，利用计算机综合分析系统对测井曲线进行自动分层技术目前的研究还不够成熟和稳定，因此，可研究采用应用模糊数学理论及统计学参数，建立了测井物理参数对地层性质的隶属函数， 并给出了简便的地层界面划分方法，实现了数字测井的快速自动分层，目前，该方法已在测井曲线自动分层中得到广泛应用，该方法适应性好，符合日常分层习惯，同时，该方法综合利用多条曲线所具有的测井信息进行自动分层处理，不仅能为测井分层解释提供较可靠的分层界面和层特征值，而且具有快速、准确、简便的特点。

5、利用声速测井技术确定煤的变质程度

在进行煤田地质勘探时，采用相关软件对密度、声波以及中子等测井曲线以及收集的其他数据进行分析和处理，并对煤质指标和岩石成分做定量的分析。如果火山岩侵入煤田地质，煤田的变质程度会逐渐加重，绘制的测井曲线也会随之变化。煤田的变质程度越高，伽玛—伽玛曲线的变动幅度值也会逐渐的变小，煤田地质的电阻率曲线和中子曲线也会不断的降低。基于这种情况，利用数字测井技术勘探后，结合密度和电阻率或者中子绘制的测井曲线，可以比较有效的判断出煤层地质的变化情况。

声速测井技术在煤田勘察中存在的不足

1、声波在具有裂缝和溶洞的地层中传播时，会因产生多次反射而使能量明显衰减，此时滑行波的幅度亦会减小。要解决这一问题，可以提高探头的发射功率，用以增大滑行波的能量。

2、动力学参数虽能评价岩体完整性、软硬程度、风化程度、裂隙发育等，但目前尚缺乏全国性的统一标准和规范对岩石分类，大多是一些某单位或某部分的经验值或推荐公式，因此迫切需要统一的分类标准和规程早日出台。

七、结语

随着勘探领域的不断快速的扩展，声波理论也在不断完善。加之声速测井技术在煤田勘测中的广泛应用，使声速测井技术变得越来越成熟。声速测井技术不但能够对煤层进行定性和定厚的判断和分析。而且能够判断断层破碎带的位置，和地下岩石的得密度和材料。并且还能够划分底层和对比底层从而确定底层的空隙度，计算岩石的强度参数，提供更为精确的数据，提高了勘测过程的安全性，减少了勘测过程中的难度。声速测井技术在解决实际问题的能力在不断提高，随着社会的进步，新的声速测井方法、技术和仪器也在不断产生。相信随着声速测井技术在未来的不断发展和完善中会在勘察领域发挥更大的作用。

参考文献

[1] 冉广庆 齐艳俊：《数字测井在工程地质中的应用》，《陕西煤炭》，2008年02期

[2] 孔霞：《数字测井技术在油页岩勘探中的应用》，《吉林地质》，2008年02期

[3] 王春辉：《数字测井技术在煤田地质勘探中的应用研究》，《中国石油和化工标准与质量》， 2012年12期

[4] 朱命和 付中：《测井在永城煤田地质勘探中的应用效果》，《中国煤田地质》，2007 年 21期

[5] 陈雪莲 魏周拓 王延茂：《相控线阵声源在裸眼井和套管井外地层中产生的声束对 比》，《测井技术》，2012年04期

声速测量范文第5篇

关键词：声波测井技术；岩土工程勘察；应用

Abstract: this paper first discusses the velocity measurement principles of well logging, and then discusses the influence of the main factors rock acoustic velocity, and the third by engineering example, the acoustic logging technology got the evaluation of the parameters of the dynamic characteristics of rock, both correction to explain the lithology and rocks, but also reflect the relative strength of geotechnical layer, for building design provides some reference basis; Finally, the paper also expounds the current acoustic logging technology in geotechnical engineering investigation in existence deficiency, for reference.

Keywords: acoustic logging technology; Geotechnical engineering; application

中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：

1前言

岩土工程勘察是查明拟建场地内及其附近有无影响场地稳定性的不良地质作用，划分场地土类型和建筑场地类别；查明场地范围内的地层结构及均匀性，提供各岩土层的物理力学指标等。当前，随着数字测井技术的不断发展提高，声速测井作为一种重要的测井方法，在油田勘探和开发、工程物探等许多领域有广泛的应用。采用声速测井技术，可用弹性波纵波速度划分岩体风化带、解释软弱夹层、评价岩体完整性、计算相关的动力学参数；可用弹性波横波速度判别沙土液化，参与计算岩土抗剪强度和相关动力学参数；其他动力学参数可用于评价地层的力学强度和结构特性。

2 声速测井的测试原理

由于不同岩层有不同的声波传播速度，采用声速测井技术（一般测量纵波速度），由仪器发射晶体发射的声波耦合后在地层中传播，经地层传播的声波被仪器接收晶体接收。因为发射晶体和接收晶体的间距是一定的，所测得的声波传播时差与传播速度成反比。根据需要可以把传播时差换算为声波速度，结合其他物理参数，还可以计算出横波速度，从而进行钻孔岩性划分、岩层风化和氧化带的确定、解释裂隙和软弱夹层、弹性参数的计算等。

2.1根据不同的声波传播速度，结合电阻率、自然伽玛等参数，对钻孔岩性进行划分。

2.2由于岩石因风化、氧化，胶结程度会变差，疏松甚至破碎，在测得声波速度后，将其与新鲜完整岩石的声波速度进行比较，波速减小量反映了岩石的疏松、破碎程度，由此可确定岩层风化、氧化带。

2.3如果岩层有裂隙及软弱夹层，当声波传至此时会速度会有所降低，在测试时如声波出现异常，可据此来解释裂隙及软弱夹层。

2.4确定弹性参数。根据弹性力学的知识，可根据介质密度ρ，介质中声波传播的纵波速度Vp与横波速度Vs确定介质的弹性参数：

E=ρVs2（3 Vp2－4 Vs2）/（Vp2－Vs2）

δ= Vp2－2 Vs2/2（Vp2－Vs2）

μ=ρVs2

k=ρ（Vp2－4/3 Vs2）

式中：E为介质的弹性模量；k为体积模量；u为切变模量；δ为泊松比。

声速测井一般提供的是纵波时差 tp，并可换算为纵波速度Vp，而横波速度Vs由经验公式计算：

Vs= Vp[1－1.1.5（1/ρ+1/ρ3）/e1/ρ]3/2

3 影响岩石声波速度的主要因素

岩石的声速指的是声波在岩石中的传播速度。理论和实践证明，岩石的声波速度主要与密度有关，并且是随着岩石密度的增大而增大，其主要影响因素有以下几点：

3.1 岩石的密度对声波速度的影响。在不同岩性的岩石中，由于岩性的岩石密度不同，声波传播速度也会不同。一般，石灰岩砂岩砂质泥岩泥岩的密度依次减小，它们的声波速度也依次减小。

3.2岩石结构。岩石胶结性差、疏松，声波速度低；而岩石胶结性好致密，则声波速度高。岩石中的裂缝、溶洞等均会对声波速度产生较大影响。

3.3岩石孔隙间的储集物。岩石中孔隙间的储集物不同，也会对岩石的声波速度产生影响。

3.4地层埋藏深度及地质时代。地层埋藏的深浅及地层时代的新老均对声波在地层中的传播产生影响。岩性和地质时代相同，地层埋深大、压力大，则声波速度高；反之，地层埋深浅、压力小，由声波速度低。同一岩性，老地层比新地层声波速度高。

3.5 岩石含水率对声波速度的影响。水对岩石的声波速度产生重要影响，随含水量增加，岩石的纵波速度和横波速度增大，但是由于岩性不同，其岩石矿物成分、胶结状况和结晶程度等因素差异很大，因此，随含水量增加，岩石的声波速度增高的速率则不完全相同，水对岩石声波速度的影响经回归分析得到如下关系：

V=V0+kw

式中：V――不同含水量状态下岩石纵波或横波速度，m/s；

V0――干燥状态下岩石纵波或横波速度，m/s；

k――水对岩石声波速度影响系数；

w――含水量。

4 工程应用实例

某工区地形比较平坦开阔，局部有缓丘及冲沟发育。覆盖层主要为黄褐色粘土、粉质粘土和乱石层，而基岩以泥岩为主，局部夹薄层透镜状砂岩，产状平缓，倾角3-5°。应勘察技术要求，用声波测井法判别划分钻孔岩性、确定岩层风化和氧化带以及确定各地层动力学参数。

4.1利用波速法计算岩土的动力参数

根据实测获得的声波传播速度（横波速度 Vs和纵波速度Vp）即可计算岩（土） 体的动弹性力学参数，为工程设计提供参考。计算公式如下：

Ed=（2 Vp2－Vs2）/2（Vp2－Vs2）

Gd= Vs2

式中：Ed为动弹性模量，MPa；Gd为动剪切模量，MPa；d为动泊松比；Vp为纵波速度，m/s；Vs为横波速度，m/s。

根据现场采集数据，处理后计算得各地层动力学参数如表1。

表1 工区各介质勘察钻孔声速测井成果

从表1可以看出，砂岩、泥岩的纵波速度较高，黏土的纵波速度较低，在综合分析解释的基础上，其既可校正地解释岩性和岩层，又可检验其推测精度。

泊松比反映的是岩体弹性性能，即在应力作用下产生纵向相对与横向相对变形量之比的倒数，反映的是岩体“软”“硬”程度。泊松比越小，岩石越坚硬。纵波与横波比值能判定岩石的完整性。波速是岩土物理性质的重要参数，波速大小在一定程度能反映岩土密实度、孔隙度、风化程度和裂隙发育程度。岩石密度小、孔隙大、裂隙多使波在传播中发生绕射，声线“拉”长，旅行时间延长，速度降低。

5声速测井技术在岩土工程勘察中存在的不足

5.1声波在具有裂缝和溶洞的地层中传播时，会因产生多次反射而使能量明显衰减，此时滑行波的幅度亦会减小。要解决这一问题，可以提高探头的发射功率，用以增大滑行波的能量。

5.2 动力学参数虽能评价岩体完整性、软硬程度、风化程度、裂隙发育等，但目前尚缺乏全国性的统一标准和规范对岩石分类，大多是一些某单位或某部分的经验值或推荐公式，因此迫切需要统一的分类标准和规程早日出台。

6结束语

综上所述，声速测井技术作为一种直接的勘察方法，其除了能够计算各种弹性参数外，还能够进行岩性划分、圈定岩体风化带和氧化带、解释岩层的裂隙及软弱夹层等，在岩土工程勘察中发挥了重要作用。实践证明， 声速测井应用效果良好，产生了较好的经济和社会效益。

参考文献：

[1]赵振宇.论声波测井在地质勘察中的应用[J].城市建设理论研究，2011（25）.

[2]刘海涛，任广智.浅层地震反射波法与声波测井在岩土工程中的应用[J].工程地球物理学报，2009（04）.