寬頻帶、大功率、短余振聲波震源是高分辨率探測(cè)大尺度復(fù)雜結(jié)構(gòu)體的關(guān)鍵技術(shù),為了解決探測(cè)距離與其分辨率的矛盾問(wèn)題,采用超磁致伸縮材料制作的聲波發(fā)射器作為震源,研制了一種新的聲波探測(cè)儀器。該震源中心頻率為5 kHz,激勵(lì)電壓300～600 V,具有輻射聲功率大、余振短（3.5個(gè)周期）、頻帶寬（1～3 kHz）的特性;其最大的優(yōu)點(diǎn)是每次激發(fā)的聲波信號(hào)一致性好,可以采用單點(diǎn)多次激發(fā),通過(guò)多次疊加的數(shù)據(jù)處理技術(shù)提高信噪比,較好地解決了聲波探測(cè)距離與分辨率的矛盾,并成功地應(yīng)用于煤礦采場(chǎng)頂煤厚度探測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)結(jié)果表明:大功率聲波探測(cè)系統(tǒng)能夠有效提取4～7 m煤巖交界面的反射波信號(hào),借助于小波多分辨分析信號(hào)處理方法,有效地提高了采場(chǎng)頂煤厚度探測(cè)的精度及其可靠性,為頂煤厚度精確探測(cè)提供了一條有效途徑。 

【文章來(lái)源】：煤田地質(zhì)與勘探. 2020,48(05)北大核心CSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：7 頁(yè)

【部分圖文】：

超磁致伸縮聲波換能器結(jié)構(gòu)

的脈沖電壓，超磁棒材在交變磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生機(jī)械伸縮動(dòng)作，以聲波的形式輻射能量。超磁致伸縮聲波震源顯著特點(diǎn)是適合在特定高頻范圍內(nèi)產(chǎn)生高強(qiáng)度超聲，穿透距離大；因其共振頻率偏低，所以與共振頻率高的同類材料制作的震源相比檢測(cè)精度略顯偏低[8-9]，但仍然比電火花震源或者擊打震源有明顯優(yōu)勢(shì)。1.2震源的時(shí)頻特性為了了解超磁致伸縮聲波震源的時(shí)頻特性[12]，在現(xiàn)場(chǎng)做了2個(gè)試驗(yàn)，試驗(yàn)1是震源與接收換能器相隔15cm，穿透空氣介質(zhì)；試驗(yàn)2是穿透煤塊，煤塊長(zhǎng)度0.66m，發(fā)射和接收換能器端面涂黃油耦合。圖2為試驗(yàn)1聲波振動(dòng)波形及其頻譜，圖3為試驗(yàn)2聲波振動(dòng)波形及其頻譜；試驗(yàn)采集到的振動(dòng)波形圖，縱坐標(biāo)均做了歸一化處理。由圖2和圖3的振動(dòng)波形和頻譜可以看出，該震源具有以下特性：①余振短2個(gè)試驗(yàn)的聲波振動(dòng)波形相似，振動(dòng)3.5個(gè)周期即衰減到零，而壓電陶瓷震源余振一般不少于10個(gè)周期[15]；②頻率高穿透空氣介質(zhì)，能量在1800Hz取得極大值；穿透煤體介質(zhì)，能量在2200Hz取得極大值。2個(gè)試驗(yàn)的頻譜特性表明，震源的激發(fā)頻率與激發(fā)介質(zhì)的振動(dòng)速度相關(guān)，煤的聲波速度(實(shí)測(cè)為2200m/s)遠(yuǎn)大于空氣的聲波速度，在煤體表面(黃油耦合)激發(fā)的聲波振動(dòng)頻率明顯大于自由激發(fā)的聲波振動(dòng)頻率。圖2試驗(yàn)1聲波振動(dòng)波形及其頻譜Fig.2Acousticvibrationwaveformandfrequencyspectrumoftest1圖3試驗(yàn)2聲波振動(dòng)波形及其頻譜Fig.3Acousticvibrationwaveformandfrequencyspectrumoftest2理論研究表明，識(shí)別4~7m煤層厚度反射波所需要的子波主頻為1000~700Hz[14]，可見大功率超磁致伸縮聲波震源的時(shí)頻特性適合于煤層厚度探測(cè)。2聲波穿透的模型試驗(yàn)近年來(lái)建筑行業(yè)出現(xiàn)了大量的超高超大混凝土

下產(chǎn)生機(jī)械伸縮動(dòng)作，以聲波的形式輻射能量。超磁致伸縮聲波震源顯著特點(diǎn)是適合在特定高頻范圍內(nèi)產(chǎn)生高強(qiáng)度超聲，穿透距離大；因其共振頻率偏低，所以與共振頻率高的同類材料制作的震源相比檢測(cè)精度略顯偏低[8-9]，但仍然比電火花震源或者擊打震源有明顯優(yōu)勢(shì)。1.2震源的時(shí)頻特性為了了解超磁致伸縮聲波震源的時(shí)頻特性[12]，在現(xiàn)場(chǎng)做了2個(gè)試驗(yàn)，試驗(yàn)1是震源與接收換能器相隔15cm，穿透空氣介質(zhì)；試驗(yàn)2是穿透煤塊，煤塊長(zhǎng)度0.66m，發(fā)射和接收換能器端面涂黃油耦合。圖2為試驗(yàn)1聲波振動(dòng)波形及其頻譜，圖3為試驗(yàn)2聲波振動(dòng)波形及其頻譜；試驗(yàn)采集到的振動(dòng)波形圖，縱坐標(biāo)均做了歸一化處理。由圖2和圖3的振動(dòng)波形和頻譜可以看出，該震源具有以下特性：①余振短2個(gè)試驗(yàn)的聲波振動(dòng)波形相似，振動(dòng)3.5個(gè)周期即衰減到零，而壓電陶瓷震源余振一般不少于10個(gè)周期[15]；②頻率高穿透空氣介質(zhì)，能量在1800Hz取得極大值；穿透煤體介質(zhì)，能量在2200Hz取得極大值。2個(gè)試驗(yàn)的頻譜特性表明，震源的激發(fā)頻率與激發(fā)介質(zhì)的振動(dòng)速度相關(guān)，煤的聲波速度(實(shí)測(cè)為2200m/s)遠(yuǎn)大于空氣的聲波速度，在煤體表面(黃油耦合)激發(fā)的聲波振動(dòng)頻率明顯大于自由激發(fā)的聲波振動(dòng)頻率。圖2試驗(yàn)1聲波振動(dòng)波形及其頻譜Fig.2Acousticvibrationwaveformandfrequencyspectrumoftest1圖3試驗(yàn)2聲波振動(dòng)波形及其頻譜Fig.3Acousticvibrationwaveformandfrequencyspectrumoftest2理論研究表明，識(shí)別4~7m煤層厚度反射波所需要的子波主頻為1000~700Hz[14]，可見大功率超磁致伸縮聲波震源的時(shí)頻特性適合于煤層厚度探測(cè)。2聲波穿透的模型試驗(yàn)近年來(lái)建筑行業(yè)出現(xiàn)了大量的超高超大混凝土

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]高溫壓電振動(dòng)傳感器及陶瓷材料研究應(yīng)用進(jìn)展[J]. 王天資,周志勇,李偉,董顯林,張磊.  傳感器與微系統(tǒng). 2020(06)
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[4]基于小波變換分析箱梁振動(dòng)噪聲的時(shí)頻特性[J]. 張迅,趙宇,阮靈輝,劉蕊,李小珍.  西南交通大學(xué)學(xué)報(bào). 2020(01)
[5]聲波CT在箱梁底板質(zhì)量評(píng)價(jià)應(yīng)用研究[J]. 吳豐收,盧松.  地下空間與工程學(xué)報(bào). 2017(S1)
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[9]采場(chǎng)底板破壞深度計(jì)算公式的改進(jìn)[J]. 施龍青,徐東晶,邱梅,景行,孫紅華.  煤炭學(xué)報(bào). 2013(S2)
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博士論文
[1]超磁致伸縮功率超聲換能器理論分析與實(shí)驗(yàn)研究[D]. 曾庚鑫.華南理工大學(xué) 2013
[2]復(fù)雜結(jié)構(gòu)聲波電磁波層析成像方法和應(yīng)用研究[D]. 于師建.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2008

碩士論文
[1]煤厚探測(cè)數(shù)值模擬與信號(hào)小波分析研究[D]. 趙協(xié)廣.山東科技大學(xué) 2004



本文編號(hào)：3237433