Прозвучивания

Цель работы. Определение волнового сопротивления и динамического модуля упругости с помощью импульсного прозвучивания, изучение методов определения динамиче­ских показателей.

Основные теоретические положения. Характер распро­странение упругих колебаний в породах определяется их акустическими параметрами, к которым относятся: ско­рость распространения упругих волн, коэффициенты по­глощения, преломления и отражения, удельное волновое сопротивление.

Удельное волновое сопротивление (удельный акусти­ческий импеданс) – это отношение давления звуковой вол­ны р к мгновенной скорости v’ колеблющихся частиц или произведение плотности породы r на скорость распространения в ней упругой волны:

Удельное волновое сопротивление характеризует спо­собность горных пород отражать и преломлять упругие волны.

Метод импульсного прозвучивания позволяет опреде­лить важнейшие динамические показатели горных пород:

модуль упругости, коэффициент Пуассона, модуль сдвига, модуль объемной упругости и акустическую жесткость.

Динамический модуль упругости Е_дин определяется по скорости распространения упругих волн

Е_дин = V_p² • r,

где V_p — скорость упругой волны в стержне, м/с;

r — плот­ность образца горной.породы, Н • с²/ м⁴.

Следовательно, определив скорость распространения продольных и поперечных волн в образцах породы, можно определить динамические показатели свойств горных пород.

Скорость распространения продольных звуковых волн определяют с помощью установки УКБ-1м. Дефектоскоп УКБ-1м работает с искательными головка­ми, номинальные рабочие частоты которых составляют 25, 60 и 150 кГц.

В данной работе используется метод прямого прозвучивания, при котором излучатель и приемник располага­ются на противоположных концах образца породы. При этом скорость прохождения продольной волны определяется по формуле:

V_p = L/t,

где L – длина образца, м;

t — время прохождения ульт­развуковой волны, с.

В образец с помощью излучателя посылаются ультра­звуковые импульсы, которые принимаются, усиливаются и подаются на электронно-лучевую трубку.

Приборы и принадлежности. Дефектоскоп УКБ, образ­цы горных пород.

Порядок проведения опыта.

1. Подготовить прибор к работе. Для этого его необходимо включить в электри­ческую сеть и после прогрева прибора (3—5 мин) убедить­ся, что он создает излучение с низкой частотой.

2. Установить четкость линии развертки и разместить ее на середине экрана электронно-лучевой трубки.

3. Совместить по одной оси излучающую и искательную головки и установить амплитуду первой полуволны в пре­делах экрана трубки.

4. Включить прибор. Искательную и излучающую го­ловки прижать к противоположным поверхностям образца так, чтобы оси их максимальной чувствительности совпа­дали.

5. Линейкой или штангенциркулем с погрешностью не более 1 мм измерить расстояние L между прижатыми к об­разцу головками.

6. Включив прибор, с помощью ручек управления до­биться на экране устойчивой картины колебаний — ос­циллограммы, амплитуда колебание первых фаз ко­торых должна превышать уровень шумов не менее чем в 2 раза.

7. По шкале масштабных меток отсчитать время t_p от момента излучения импульса до момента его первого вступления, характеризуемого началом первой фазы коле­баний на экране трубки (рис. 1).

Рис. 1 Волновая картина на экране осциллографа:

а — продольных волн; б — поперечных волн

8. Результаты измерений и вычислений занести в таб­лицу 4.

Таблица 4

Обработка результатов опыта.

1. Вычислить время про­хождения волны:

t = t_p – t_з, с,

где t_з — время задержки импульса в аппаратуре и голов­ках прибора, с.

2. Вычислить скорость распространения продольных волн:

V_p = L/t, м/с.

3. Вычислить динамический модуль упругости:

Е_дин = V_p²·r, Па.

4. Вычислить волновое сопротивление породы:

Z = V_p·r, кг/м²·с.