超磁致伸缩声波震源的时频特征与实测研究

发布时间：2021-06-19 08:00

　　宽频带、大功率、短余振声波震源是高分辨率探测大尺度复杂结构体的关键技术,为了解决探测距离与其分辨率的矛盾问题,采用超磁致伸缩材料制作的声波发射器作为震源,研制了一种新的声波探测仪器。该震源中心频率为5 kHz,激励电压300～600 V,具有辐射声功率大、余振短（3.5个周期）、频带宽（1～3 kHz）的特性;其最大的优点是每次激发的声波信号一致性好,可以采用单点多次激发,通过多次叠加的数据处理技术提高信噪比,较好地解决了声波探测距离与分辨率的矛盾,并成功地应用于煤矿采场顶煤厚度探测。现场探测结果表明:大功率声波探测系统能够有效提取4～7 m煤岩交界面的反射波信号,借助于小波多分辨分析信号处理方法,有效地提高了采场顶煤厚度探测的精度及其可靠性,为顶煤厚度精确探测提供了一条有效途径。 

【文章来源】：煤田地质与勘探. 2020,48(05)北大核心CSCD

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

超磁致伸缩声波换能器结构

的脉冲电压，超磁棒材在交变磁场作用下产生机械伸缩动作，以声波的形式辐射能量。超磁致伸缩声波震源显著特点是适合在特定高频范围内产生高强度超声，穿透距离大；因其共振频率偏低，所以与共振频率高的同类材料制作的震源相比检测精度略显偏低[8-9]，但仍然比电火花震源或者击打震源有明显优势。1.2震源的时频特性为了了解超磁致伸缩声波震源的时频特性[12]，在现场做了2个试验，试验1是震源与接收换能器相隔15cm，穿透空气介质；试验2是穿透煤块，煤块长度0.66m，发射和接收换能器端面涂黄油耦合。图2为试验1声波振动波形及其频谱，图3为试验2声波振动波形及其频谱；试验采集到的振动波形图，纵坐标均做了归一化处理。由图2和图3的振动波形和频谱可以看出，该震源具有以下特性：①余振短2个试验的声波振动波形相似，振动3.5个周期即衰减到零，而压电陶瓷震源余振一般不少于10个周期[15]；②频率高穿透空气介质，能量在1800Hz取得极大值；穿透煤体介质，能量在2200Hz取得极大值。2个试验的频谱特性表明，震源的激发频率与激发介质的振动速度相关，煤的声波速度(实测为2200m/s)远大于空气的声波速度，在煤体表面(黄油耦合)激发的声波振动频率明显大于自由激发的声波振动频率。图2试验1声波振动波形及其频谱Fig.2Acousticvibrationwaveformandfrequencyspectrumoftest1图3试验2声波振动波形及其频谱Fig.3Acousticvibrationwaveformandfrequencyspectrumoftest2理论研究表明，识别4~7m煤层厚度反射波所需要的子波主频为1000~700Hz[14]，可见大功率超磁致伸缩声波震源的时频特性适合于煤层厚度探测。2声波穿透的模型试验近年来建筑行业出现了大量的超高超大混凝土

下产生机械伸缩动作，以声波的形式辐射能量。超磁致伸缩声波震源显著特点是适合在特定高频范围内产生高强度超声，穿透距离大；因其共振频率偏低，所以与共振频率高的同类材料制作的震源相比检测精度略显偏低[8-9]，但仍然比电火花震源或者击打震源有明显优势。1.2震源的时频特性为了了解超磁致伸缩声波震源的时频特性[12]，在现场做了2个试验，试验1是震源与接收换能器相隔15cm，穿透空气介质；试验2是穿透煤块，煤块长度0.66m，发射和接收换能器端面涂黄油耦合。图2为试验1声波振动波形及其频谱，图3为试验2声波振动波形及其频谱；试验采集到的振动波形图，纵坐标均做了归一化处理。由图2和图3的振动波形和频谱可以看出，该震源具有以下特性：①余振短2个试验的声波振动波形相似，振动3.5个周期即衰减到零，而压电陶瓷震源余振一般不少于10个周期[15]；②频率高穿透空气介质，能量在1800Hz取得极大值；穿透煤体介质，能量在2200Hz取得极大值。2个试验的频谱特性表明，震源的激发频率与激发介质的振动速度相关，煤的声波速度(实测为2200m/s)远大于空气的声波速度，在煤体表面(黄油耦合)激发的声波振动频率明显大于自由激发的声波振动频率。图2试验1声波振动波形及其频谱Fig.2Acousticvibrationwaveformandfrequencyspectrumoftest1图3试验2声波振动波形及其频谱Fig.3Acousticvibrationwaveformandfrequencyspectrumoftest2理论研究表明，识别4~7m煤层厚度反射波所需要的子波主频为1000~700Hz[14]，可见大功率超磁致伸缩声波震源的时频特性适合于煤层厚度探测。2声波穿透的模型试验近年来建筑行业出现了大量的超高超大混凝土

【参考文献】：
期刊论文
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[3]煤矿井下随采地震探测技术发展综述[J]. 程建远,覃思,陆斌,王保利,王季,王云宏.  煤田地质与勘探. 2019(03)
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[5]声波CT在箱梁底板质量评价应用研究[J]. 吴丰收,卢松.  地下空间与工程学报. 2017(S1)
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[7]多场耦合下超磁致伸缩材料特性与应用综述[J]. 陈旭玲,朱如鹏,陈阳.  机械传动. 2016(10)
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博士论文
[1]超磁致伸缩功率超声换能器理论分析与实验研究[D]. 曾庚鑫.华南理工大学 2013
[2]复杂结构声波电磁波层析成像方法和应用研究[D]. 于师建.哈尔滨工业大学 2008

硕士论文
[1]煤厚探测数值模拟与信号小波分析研究[D]. 赵协广.山东科技大学 2004



本文编号：3237433