本發(fā)明屬于鉆孔聲波發(fā)射領(lǐng)域，具體涉及一種隧道鉆孔聲波發(fā)射聲系結(jié)構(gòu)及其工作方法。

背景技術(shù)：

1、本部分的陳述僅僅是提供了與本發(fā)明相關(guān)的背景技術(shù)信息，不必然構(gòu)成在先技術(shù)。

2、隨著建設(shè)重心逐步向地形地質(zhì)復(fù)雜或水域阻隔的地區(qū)轉(zhuǎn)移，艱險(xiǎn)山區(qū)隧道和跨江越海隧道大量涌現(xiàn)，所面臨的地質(zhì)災(zāi)害也趨向高度復(fù)雜化和致災(zāi)多元化，嚴(yán)重威脅著隧道施工安全。尤其是在山區(qū)建設(shè)隧道時(shí)，由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，隧道施工面臨著巨大的挑戰(zhàn)。在這種情況下，如何提高隧道施工的安全性和效率成為了亟待解決的問題。然而，當(dāng)前主流隧道超前預(yù)報(bào)探測(cè)方法大都在米級(jí)，無法滿足對(duì)掌子面前方亞米級(jí)(<1m)乃至分米級(jí)致災(zāi)構(gòu)造的識(shí)別需求。

3、基于交叉偶極子聲源的孔中聲波探測(cè)技術(shù)用孔中聲源向孔外地層輻射聲場(chǎng)，并探測(cè)從孔旁地質(zhì)構(gòu)造反射回來的聲場(chǎng)能量。通過分析處理接收換能器接收到的全波信號(hào)，可以對(duì)孔周的地層構(gòu)造進(jìn)行聲場(chǎng)成像，并獲得孔旁地質(zhì)構(gòu)造信息，獲得孔旁地層結(jié)構(gòu)圖像，以此滿足高分辨率精細(xì)化超前探測(cè)需求。但在隧道及地下工程應(yīng)用中，重達(dá)數(shù)百公斤、長(zhǎng)達(dá)十?dāng)?shù)米的聲波設(shè)備無法進(jìn)入狹小的掌子面空間作業(yè)，且大直徑的鉆孔探測(cè)儀器難以在70mm以下的工程鉆孔中應(yīng)用，大大增加了施工難度，應(yīng)用極為受限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種隧道鉆孔聲波發(fā)射聲系結(jié)構(gòu)及其工作方法。

2、根據(jù)一些實(shí)施例，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、一種隧道鉆孔聲波發(fā)射聲系結(jié)構(gòu)，包括發(fā)射偶極、發(fā)射單極、集成電路結(jié)構(gòu)、行走編碼器、陀螺儀以及發(fā)射骨架總成，其中：

4、所述發(fā)射骨架總成具有一容納腔體，所述容納腔體內(nèi)設(shè)置有發(fā)射偶極、行走編碼器、陀螺儀和發(fā)射單極；

5、所述發(fā)射偶極用于發(fā)射兩個(gè)指向性聲波，兩個(gè)聲波通道相互垂直；

6、所述發(fā)射單極均勻地向鉆孔四周全方位發(fā)射聲波；

7、所述集成電路結(jié)構(gòu)用于控制發(fā)射偶極和發(fā)射單極發(fā)射不同類型的聲波；

8、所述行走編碼器用于記錄結(jié)構(gòu)本體在鉆孔內(nèi)移動(dòng)的速度，以計(jì)算得到各時(shí)刻結(jié)構(gòu)本體在鉆孔內(nèi)的位置；

9、所述陀螺儀用于記錄結(jié)構(gòu)本體的指向方位，以獲取地質(zhì)體的方位角。

10、作為可選擇的實(shí)施方式，所述發(fā)射偶極包括兩組發(fā)射換能器，每組包括多個(gè)，圓周均勻布置在所述容納腔體內(nèi)，每組發(fā)射換能器分為x方向偶極子和y方向偶極子，用于激發(fā)兩種相互垂直的指向性聲波。

11、作為可選擇的實(shí)施方式，所述發(fā)射偶極的工作頻率在1khz～6khz范圍內(nèi)，全波列80～1000μs/ft。

12、作為可選擇的實(shí)施方式，所述發(fā)射單極包括若干單極聲波換能器，圓周均勻布置在所述容納腔體內(nèi)，用于均勻地向鉆孔四周全方位發(fā)射聲波。

13、作為可選擇的實(shí)施方式，所述發(fā)射單極的工作頻率在15khz～30khz范圍內(nèi)，全波列40～300μs/ft。

14、作為可選擇的實(shí)施方式，所述發(fā)射偶極或/和所述發(fā)射單極的觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)采取隔水材料保護(hù)。保證其中的電路不與水接觸，防止短路損壞。

15、作為可選擇的實(shí)施方式，所述集成電路結(jié)構(gòu)包括控制電路、激勵(lì)電路以及浸水防觸電保護(hù)器，其中：

16、所述激勵(lì)電路設(shè)置有多套，分別激勵(lì)所述發(fā)射單極和所述發(fā)射偶極；

17、所述控制電路用于控制發(fā)射偶極和發(fā)射單極激勵(lì)不同類型的聲源；

18、所述浸水防觸電保護(hù)器用于在集成電路結(jié)構(gòu)、所述發(fā)射偶極或/和所述發(fā)射單極和水接觸后，進(jìn)行防止觸電保護(hù)。

19、作為可選擇的實(shí)施方式，所述激勵(lì)電路采用雙極性脈沖激勵(lì)，頻率在1khz～30khz范圍內(nèi)，電壓在800v～3000v范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

20、作為可選擇的實(shí)施方式，所述容納腔體的表面設(shè)置有外殼，所述外殼為鋼制材質(zhì)。

21、作為進(jìn)一步的實(shí)施方式，所述外殼在所述發(fā)射偶極或/和所述發(fā)射單極的安裝位置設(shè)置有槽口。

22、基于上述隧道鉆孔聲波發(fā)射聲系結(jié)構(gòu)的工作方法，包括以下步驟：

23、進(jìn)行探測(cè)時(shí)，順次進(jìn)行發(fā)射偶極的x方向偶極子激發(fā)x方向聲源、y方向偶極子激發(fā)y方向聲源和發(fā)射單極的單極子激發(fā)全向聲源的測(cè)量，且在測(cè)量時(shí)獲取陀螺儀的角度指向、行走編碼器的位置信息和全向接收聲系接收的反射信號(hào)；

24、根據(jù)行走編碼器，確定各測(cè)量時(shí)刻的探測(cè)位置，根據(jù)陀螺儀的角度指向，確定異常體方位與結(jié)構(gòu)x指向的夾角，結(jié)合全向接收聲系接收的反射信號(hào)，確定異常體方位。

25、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

26、本發(fā)明利用結(jié)構(gòu)本體內(nèi)部設(shè)置空腔，外殼開槽的方式，不僅有效減輕整體裝置的重量，在工作中，鉆孔中的水灌入結(jié)構(gòu)本體內(nèi)部，還保證發(fā)射偶極的偶極聲波換能器與發(fā)射單極的單極聲波換能器與水充分耦合，提高聲波在鉆孔內(nèi)部的傳播效率和清晰度，提升探測(cè)范圍。

27、本發(fā)明根據(jù)運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算得到結(jié)構(gòu)本體所處鉆孔位置，并順序控制x偶極子、y偶極子和單極子激發(fā)，配合行走編碼器、陀螺儀和全向接收聲系，即可對(duì)鉆孔附近地質(zhì)體進(jìn)行定向探測(cè)和定位，具有較好的定向能力。

28、為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉較佳實(shí)施例，并配合所附附圖，作詳細(xì)說明如下。

技術(shù)特征：

1.一種隧道鉆孔聲波發(fā)射聲系結(jié)構(gòu)，其特征是，包括發(fā)射偶極、發(fā)射單極、集成電路結(jié)構(gòu)、行走編碼器、陀螺儀以及發(fā)射骨架總成，其中：

2.如權(quán)利要求1所述的一種隧道鉆孔聲波發(fā)射聲系結(jié)構(gòu)，其特征是，所述發(fā)射偶極包括兩組發(fā)射換能器，每組包括多個(gè)，圓周均勻布置在所述容納腔體內(nèi)，每組發(fā)射換能器分為x方向偶極子和y方向偶極子，用于激發(fā)兩種相互垂直的指向性聲波。

3.如權(quán)利要求1或2所述的一種隧道鉆孔聲波發(fā)射聲系結(jié)構(gòu)，其特征是，所述發(fā)射偶極的工作頻率在1khz～6khz范圍內(nèi)，全波列80～1000μs/ft。

4.如權(quán)利要求1所述的一種隧道鉆孔聲波發(fā)射聲系結(jié)構(gòu)，其特征是，所述發(fā)射單極包括若干單極聲波換能器，圓周均勻布置在所述容納腔體內(nèi)，用于均勻地向鉆孔四周全方位發(fā)射聲波。

5.如權(quán)利要求1或4所述的一種隧道鉆孔聲波發(fā)射聲系結(jié)構(gòu)，其特征是，所述發(fā)射單極的工作頻率在15khz～30khz范圍內(nèi)，全波列40～300μs/ft。

6.如權(quán)利要求1或2或4所述的一種隧道鉆孔聲波發(fā)射聲系結(jié)構(gòu)，其特征是，所述發(fā)射偶極或/和所述發(fā)射單極的觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)采取隔水材料保護(hù)。

7.如權(quán)利要求1所述的一種隧道鉆孔聲波發(fā)射聲系結(jié)構(gòu)，其特征是，所述集成電路結(jié)構(gòu)包括控制電路、激勵(lì)電路以及浸水防觸電保護(hù)器，其中：

8.如權(quán)利要求7所述的一種隧道鉆孔聲波發(fā)射聲系結(jié)構(gòu)，其特征是，所述激勵(lì)電路采用雙極性脈沖激勵(lì)，頻率在1khz～30khz范圍內(nèi)，電壓在800v～3000v范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

9.如權(quán)利要求1所述的一種隧道鉆孔聲波發(fā)射聲系結(jié)構(gòu)，其特征是，所述容納腔體的表面設(shè)置有外殼，所述外殼為鋼制材質(zhì)；

10.基于權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的隧道鉆孔聲波發(fā)射聲系結(jié)構(gòu)的工作方法，其特征是，包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種隧道鉆孔聲波發(fā)射聲系結(jié)構(gòu)及其工作方法，包括發(fā)射偶極、發(fā)射單極、集成電路結(jié)構(gòu)、行走編碼器、陀螺儀以及發(fā)射骨架總成，發(fā)射骨架總成具有一容納腔體，所述容納腔體內(nèi)設(shè)置有發(fā)射偶極、行走編碼器、陀螺儀和發(fā)射單極；發(fā)射偶極用于發(fā)射兩個(gè)指向性聲波，兩個(gè)聲波通道相互垂直；發(fā)射單極均勻地向鉆孔四周全方位發(fā)射聲波；集成電路結(jié)構(gòu)用于控制發(fā)射偶極和發(fā)射單極發(fā)射不同類型的聲波；行走編碼器用于記錄結(jié)構(gòu)本體在鉆孔內(nèi)移動(dòng)的速度，以計(jì)算得到各時(shí)刻結(jié)構(gòu)本體在鉆孔內(nèi)的位置；陀螺儀用于記錄結(jié)構(gòu)本體的指向方位，以獲取地質(zhì)體的方位角。本發(fā)明結(jié)構(gòu)巧妙，能夠提升探測(cè)范圍。

技術(shù)研發(fā)人員：劉斌,曹弘毅,劉征宇,董昭,徐曉林,張鳳凱,劉嘉雯
受保護(hù)的技術(shù)使用者：山東大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9