專利名稱：巖石力學試驗縱橫波測量換能器的制作方法
技術(shù)領域：
屬巖石力學測量儀器技術(shù)領域背景技術(shù)現(xiàn)有巖石超聲參數(shù)測量都是在一塊巖樣上分別進行縱波與橫波參數(shù)測試；這兩種測量因換能器與巖石之間的耦合條件及耦合介質(zhì)不同，所以測量工作繁瑣，費時。特別是在進行巖石的力學試驗(如抗壓、抗剪強度試驗，圍壓狀態(tài)下的壓力三軸試驗)，此類試驗的巖樣是破壞性試驗，不可能在一塊巖樣上進行力學試驗的同時，如上述再分別進行兩種超聲參數(shù)的測試；只能分別在兩塊巖樣上進行相同的力學試驗的同時，分別進行縱波與橫波的超聲參數(shù)測試。這不僅費時費力，而且成本也高，更主要因地質(zhì)體的復雜結(jié)構(gòu)及組成介質(zhì)的不均勻性，即使是同一種巖性不同部位的兩塊巖石也是有差異的，有的還較大，這樣分別測試結(jié)果近似當作同一巖石的超聲特性，誤差就大。
另外，現(xiàn)有的橫波換能器核心是壓電陶瓷片，它必須是橫向極化后才能在電信號或機械信號作用下產(chǎn)生以橫向伸縮變形為主的振動；一個薄片的兩側(cè)窄長面進行橫向極化，因比厚度方向極化距離大幾倍至幾十倍，所需極化電壓很高，給極化工作造成困難，常因極化不夠使壓電陶瓷片質(zhì)量不好。為了克服極化問題，有的是將小的壓電陶瓷片分別極化后再組成環(huán)形片狀，這樣使成本較高，而且占用面積較大，不適合巖石力學試驗用。還有一種測橫波的超聲換能器是把縱波換能器貼在有機玻璃斜面上，利用縱波發(fā)射中心主聲場的外側(cè)聲場進行橫波測試；這種方式不僅體積大，更主要的是能量太小，以及不同被測介質(zhì)要配不同角度的有機玻璃塊；另外縱波的干擾避免不了?？傊?，上述幾種超聲換能器不能安裝到壓力室內(nèi)，并進行符合規(guī)范要求的巖石力學試驗的超聲測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是利用兩片現(xiàn)有的厚度振動為主的縱波壓電陶瓷片，組成一個可供巖石力學試驗用的縱橫波超聲換能器。橫波的實現(xiàn)，是利用壓電陶瓷產(chǎn)生的縱波，經(jīng)有機玻璃三角塊轉(zhuǎn)換得到垂直入射到換能器鋼底座與被測物體內(nèi)的橫波?？v波是在橫波裝置邊上平貼在鋼底座上的另一縱波壓電陶瓷片實現(xiàn)的。垂直入射波是不產(chǎn)生反射與折射的；這樣它既實現(xiàn)了巖石力學試驗的超聲參數(shù)測試，還可以方便地用于巖石或其他材料的一般縱橫波超聲測試。
基本原理與技術(shù)根據(jù)固體中彈性波波動理論，并選定的固體介質(zhì)是均質(zhì)彈性體--有機玻璃與鋼；這樣不僅理論推導更簡化，而且設計的換能器更實用。如同光學中一樣，我們利用導向關系式sinα1/Vp1＝sinα2/Vp1＝sinβ2/VS1＝sinα3/Vp2＝sinβ3/VS2，其中α1、α2與α3分別是縱波入射角、反射角與折射角，β2與β3分別是反射橫波角與折射橫波角；Vp1與Vp2分別是有機玻璃與鋼的縱波波速；Vs1與Vs2分別是有機玻璃與鋼的橫波波速。在此物理基礎上(參照附圖)1.因鋼底板4波速大于有機玻璃三角塊3波速，有機玻璃3波速大于空氣波速，即Vp2＞Vp1＞V空氣；2.所以當壓電陶瓷片2產(chǎn)生的入射縱波入射角α1大于臨界角，在有機玻璃3與空氣界面上產(chǎn)生全反射，實現(xiàn)反射橫波S2以垂直方向入射到有機玻璃3與粘貼其上的鋼底板4界面的目的；3.當反射的縱波P2也以等于或大于臨界角的α3入射至有機玻璃3與鋼底板4的界面，使折射縱波沿界面滑行，即α4＝90度，在鋼底板中留下折射橫波S3。
鋼的外殼既保證其足夠的承壓穩(wěn)定性，又近似使其底板厚為超聲1/4波長的整數(shù)倍，并大于數(shù)倍波長，以保超聲波以最大能量穿透。有機玻璃三角塊的尺寸應考慮在波傳播方向上距離(到反射、折射及透射面)與鋼底板要求近似一樣。鋼外殼的結(jié)構(gòu)設計因上蓋5與底板4相互間不能轉(zhuǎn)動，則采用了鎖環(huán)6將二者緊密連接起來。為滿足巖石三軸試驗的超聲測試，換能器采取了如下密封措施，首先在鎖環(huán)6與上蓋5的螺扣及上蓋5與底板4接觸部位安裝時涂上密封膠；其次在上蓋5與底板4之間空間灌上變壓器油9，既密封又絕緣；最后電纜引出口裝有密封堵頭8，擰緊時壓縮了里面的橡膠環(huán)，使電纜與上蓋的電纜孔壁達到密封。


1.發(fā)射或接收縱波的壓電陶瓷片；2.用于發(fā)射或接收橫波的壓電陶瓷片；3.縱橫波轉(zhuǎn)換有機玻璃三角塊；4.換能器底板；5.換能器上蓋；6.底板與上蓋連接鎖環(huán)；7.引出電纜；8.電纜引出口密封堵頭；9.空間充填變壓器油。
具體實施例方式
1.考慮到有機玻璃縱橫波轉(zhuǎn)換三角塊3加工實施的方便，首先設定三角塊是個直角三角塊，并縱波P1的入射角α1為60度進行設計。根據(jù)上述原理及導向式計算出反射橫波S2以β2＝26.979角度為走向；我們的目的是橫波S2以垂直方式穿透三角塊到達鋼底板內(nèi)，因此劃一條與S2傳播方向垂直的線即為三角塊的底邊；與底邊垂直線是貼壓電陶瓷片的直角邊。根據(jù)相似直角三角形定理可知三角塊的小銳角等于β2，β2取為整數(shù)27度，另一銳角等于P1的入射角α1為63度。
2.參照附圖，縱波壓電陶瓷片1平貼在鋼底板4上，有機玻璃轉(zhuǎn)換塊邊的空擋中心。
3.本實施例選用的壓電陶瓷片1與2為直徑10毫米或8毫米，頻率為500千赫茲。
4.換能器鋼底板4及上蓋5參考尺寸如附圖所示，裝配時把上蓋5蓋在底板4上擰緊鎖環(huán)6，需要密封可以在上蓋5與鎖環(huán)6的螺扣上涂上密封膠，電纜線7引出口可以擰緊堵頭8將里面的橡膠環(huán)壓緊達到密封。
5.壓電陶瓷片1、2與鋼底板5有機玻璃三角塊3及有機玻璃三角塊3與鋼底板4是用一般的樹脂膠粘貼的。
6.如果將本發(fā)明用在巖石三軸試驗中，需擰開堵頭8從電纜口處用醫(yī)用注射器(帶針頭)給換能器里注滿變壓器油，然后再擰緊密封堵頭8。
權(quán)利要求
1.一種可供巖石力學試驗用，也可用于一般固體材料的縱橫波超聲換能器其技術(shù)特征根據(jù)空氣、有機玻璃與鋼三種材料及相互間的超聲彈性波波動理論，利用入射波等于或大于臨界角的全反射與折射現(xiàn)象，設計了易加工的有機玻璃直角三角塊3，將一般縱波壓電陶瓷片2貼在有機玻璃直角三角塊3的短直角邊上，實現(xiàn)了超聲橫波S2的垂直入射至換能器鋼底板4和被測巖樣中的目的；與有機玻璃三角塊3側(cè)邊平貼在鋼底板上的縱波壓電陶瓷片1一起組成巖石力學試驗用超聲縱橫波測試換能器。有機玻璃三角塊3和鋼底板4的尺寸設計盡可能考慮到波的穿透距離使其近似為1/4波長的整數(shù)倍，并大于數(shù)倍波長；換能器外殼整體結(jié)構(gòu)在被測巖樣受力過程直至破壞時，既具有承壓穩(wěn)定性，又保持其密封性，底板4與上蓋5是由鎖環(huán)6與上蓋5的螺扣將二者緊密連接；換能器外形尺寸既滿足巖石力學試驗巖樣尺寸的規(guī)范要求，并適合于巖樣的三軸試驗壓力室體積，不能太大；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述，使縱波轉(zhuǎn)換為橫波的有機玻璃直角三角塊3，其中貼有壓電陶瓷片2的直角邊與斜邊夾角設計為63度，此直角三角形另一銳角則為37度，；貼有壓電陶瓷片的有機玻璃直角三角塊3與另一壓電陶瓷片1一起粘貼在鋼底板4上，達到縱波與橫波測量目的；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述，為符合巖石力學試驗巖樣尺寸規(guī)范及承壓穩(wěn)定性，換能器主要部件尺寸為a.底板，下面直徑Φ52毫米、上面直徑Φ41毫米、厚度24.2毫米，b上蓋，蓋頂部厚16.5毫米、中心凹坑直徑Φ20毫米、深10.5毫米、外壁厚10毫米，c有機玻璃三角塊，貼壓電陶瓷片的直角邊長16毫米；
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述，在上蓋5與底板4相對位置不動情況下，通過旋緊鎖環(huán)6和上蓋下端的螺扣將二者緊密連接起來；
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述，換能器裝配時在上蓋5與底板4間涂有密封膠，在內(nèi)部空隙中注滿變壓器油9，電纜引出口可旋緊堵頭8壓緊里面的橡膠環(huán)，達到密封效果。
全文摘要
巖石力學試驗超聲縱橫波測量換能器，所屬技術(shù)領域巖石力學測量儀器。本發(fā)明提供一種可在一般巖石力學試驗或三軸力學試驗中進行縱橫波超聲參數(shù)測試的換能器。選取普通的有機玻璃與鋼材料、利用普通縱波壓電陶瓷片、根據(jù)固體中彈性波理論、利用全反射及折射現(xiàn)象、經(jīng)有機玻璃三角塊轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了橫波的垂直入射測試，它也可運用在一般固體材料的橫波測試?？v波測試就是將壓電陶瓷片與產(chǎn)生橫波的三角塊一起平貼在鋼底板上實現(xiàn)的。鋼外殼，既要具有穩(wěn)定的承壓能力，在超聲穿透部件又要保證以最大能量透射；通過鎖環(huán)使上下兩部分不移位地連接為一體；采取相關措施達到了密封效果。
文檔編號G01N29/00GK1563973SQ200410033788
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月16日
發(fā)明者董萬里, 李曉, 廖秋林 申請人:中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所