技术领域
[0001] 本
发明属于工程测试技术领域，尤其涉及一种岩土芯样波速测试系统及方法。
背景技术
[0002] 弹性波(剪切波、压缩波)在岩、土体中的传播速度是岩、土体重要的物理参数，同时能反映其工程
力学性质。
[0003] 试验室可以通过
声波透射法，利用布置在
岩石芯样两端的压电陶瓷声波换能器
和声波仪方便、准确地测量压缩波速度。利用同样的方法测量剪切波速度时，所使用的声波换能器对压电陶瓷元器件有特殊要求，加工起来有较高难度，测试效果难以保证；同时由于剪切波并非最先到达的首波，测试时难以消除压缩波的影响，根据测试
波形判断剪切波初至时间有一定误差，根据初至时间计算的剪切波速度亦存在一定误差。并且声波透射法多用于岩石试样的波速测试，在土质芯样中应用存在一定问题。
发明内容
[0004] 有鉴于此，本发明
实施例提供了一种岩土芯样波速测试系统及方法，以解决
现有技术中通过声波透射法得到的波速测试结果不准确的问题。
[0005] 本发明实施例的第一方面提供了一种岩土芯样波速测试系统，包括：
信号发生模
块、波速测试仪、稳态激振器、
连接杆、连接器、第一
传感器、第二传感器及用于悬空固定岩土芯样的吊装机构；
[0006] 所述信号发生模块与所述稳态激振器电连接，所述稳态激振器与所述连接杆的第一端机械连接，所述连接杆的第二端与所述连接器机械连接，所述连接器与所述岩土芯样机械连接，所述波速测试仪分别与所述第一传感器和所述第二传感器电连接；在使用时，所述第一传感器和所述第二传感器分别设置于所述岩土芯样的表面的不同
位置。
[0007] 本发明实施例的第二方面提供了一种岩土芯样波速测试方法，包括：
[0008] 通过所述信号发生模块产生
正弦波信号，并将所述正弦波信号发送至所述稳态激振器；
[0009] 通过所述稳态激振器根据所述正弦波信号产生周期性激振力，并将所述周期性激振力依次通过所述连接杆、所述连接器作用于所述岩土芯样的端面；
[0010] 通过所述第一传感器和所述第二传感器分别采集所述岩土芯样的对应位置的振动波形；
[0011] 通过所述波速测试仪获取所述第一传感器采集的振动波形和所述第二传感器采集的振动波形，并根据所述第一传感器采集的振动波形和所述第二传感器采集的振动波形计算波在所述岩土芯样中的传播速度。
[0012] 本发明实施例提供的岩土芯样波速测试系统包括：信号发生模块、稳态激振器、连接杆、连接器、第一传感器、第二传感器及用于悬空固定岩土芯样的吊装机构；所述信号发生模块与所述稳态激振器电连接，所述稳态激振器与所述连接杆的第一端机械连接，所述连接杆的第二端与所述连接器机械连接，所述连接器与所述岩土芯样机械连接；所述第一传感器和所述第二传感器分别设置于所述岩土芯样的表面的不同位置，所述波速测试仪分别与所述第一传感器和所述第二传感器电连接。本实施例的稳态激振器通过连接杆及连接器将所述激振力作用到岩土芯样上，能够通过调整激振器的放置方式从而调整激振器的的激振方向，并通过对应调整连接杆的方向，改变作用到岩土芯样上的激振力的方向，避免剪切波测试时压缩波的影响，从而提高波速测试结果的准确性。
附图说明
[0013] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0014] 图1是本发明实施例提供的剪切波测试时的岩土芯样波速测试系统的结构示意图；
[0015] 图2是本发明实施例提供的压缩波测试时的岩土芯样波速测试系统的结构示意图；
[0016] 图3是本发明实施例提供的岩土芯样波速测试方法的一示例性流程示意图；
[0017] 图4是本发明实施例提供的岩土芯样波速测试方法的一示例性流程示意图；
[0018] 图5是本发明实施例提供的图3中S304的一示例性流程示意图；
[0019] 图6是本发明实施例提供的图5中S503的一示例性流程示意图。
具体实施方式
[0020] 以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、
电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
[0021] 本发明的
说明书和
权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何
变形，意图在于
覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。
[0022] 为了说明本发明的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
[0023] 实施例1：
[0024] 图1示出了一种岩土芯样波速测试系统的结构示意图，如图1所示岩土芯样波速测试系统包括：信号发生模块10、波速测试仪50、稳态激振器20、连接杆30、连接器40、第一传感器81、第二传感器82及用于悬空固定岩土芯样60的吊装机构；
[0025] 所述信号发生模块10与所述稳态激振器20电连接，所述稳态激振器20与所述连接杆30的第一端机械连接，所述连接杆30的第二端与所述连接器40机械连接，所述连接器40与所述岩土芯样60机械连接，所述波速测试仪50分别与所述第一传感器81和所述第二传感器82电连接；在使用时，所述第一传感器81和所述第二传感器82分别设置于所述岩土芯样60的表面的不同位置。
[0026] 在本实施例中，岩土芯样波速测试系统所有的装置放置于试验台上，信号发生模块10包括信号发生器和功率
放大器，通过信号发生器产生正弦波信号，并将正弦波信号发送至
功率放大器，功率放大器对信号发生器产生的正弦波信号放大，并驱动激振器产生相应的激振力，激振器能够改变激振方向从而产生垂直于芯样轴线的激振力和平行于芯样轴线的激振力，并通过连接机构将激振力作用到岩土芯样60的一个端面，在岩土芯样60的外圆周面上可以设置第一传感器81和第二传感器82，通过传感器采集岩土芯样60对应位置的振动波形，从而根据振动波形
相位的变化进行波速计算。
[0027] 在本实施例中，优选地，稳态激振器20选择高频稳态激振器。
[0028] 在本实施例中，信号发生模块10通过多芯屏蔽
电缆与激振器连接，同样的，波速测试仪50通过多芯屏蔽电缆与第一传感器81和第二传感器82连接。
[0029] 本实施例激振器通过连接杆及连接器将所述激振力作用到岩土芯样上，能够通过调整激振器的放置方式从而调整激振器的的激振方向，并通过对应调整连接杆的方向，改变作用到岩土芯样上的激振力的方向，避免剪切波测试时压缩波的影响，从而提高波速测试结果的准确性。
[0030] 在一个实施例中，所述岩土芯样60为圆柱形，所述连接器40与所述岩土芯样60的端面连接，且所述连接器40的中心位于所述岩土芯样60的
中轴线的延长线上。
[0031] 如图2所示，首先将岩土芯样60制作成规则的圆柱体，使其两个端面平行、与岩土芯样的中轴线垂直并且光滑平整，岩土芯样60的长度一般不小于30cm；将连接器40通过
粘合剂与岩土芯样60的一个端面连接，使连接器40中心在岩土芯样60的中轴线的延长线上。将岩土芯样60连带连接器40悬挂起来，使岩土芯样60的中轴线保持
水平。
[0032] 在一个实施例中，在所述稳态激振器的激振方向与所述岩土芯样的中轴线方向一致时，所述连接杆30的第二端与所述连接器40的端面中心孔连接，且所述连接杆30的中轴线与所述连接器40的中轴线位于一条直线上。
[0033] 在一个实施例中，在所述稳态激振器的激振方向与所述岩土芯样的中轴线方向垂直时，所述连接杆30的第二端与所述连接器40的外圆周面连接，且所述连接杆30的中轴线垂直于所述连接器40的中轴线，并与所述连接器40的中轴延长线相交。
[0034] 如图1及图2所示，在本实施例中，剪切波速度测试时，稳态激振器竖直放置，稳态激振器的激振方向为竖直方向，连接杆30与连接器40的边缘通过
螺栓固定连接。具体地，连接杆呈竖直状态，连接杆30的第二端与所述连接器40的外圆周面的底部中心连接，连接杆30的轴线延长线通过连接器40的中心；压缩波速度测试时，稳态激振器水平放置，稳态激振器的激振方向为水平方向，连接杆呈水平状态，连接杆30与连接器40的端面中心孔通过螺栓固定连接，连接杆30的中轴线、连接器40的中轴线及岩土芯样60的中轴线在一条直线上。
[0035] 在一个实施例中，所述第一传感器81的灵敏方向和所述第二传感器82的灵敏方向均与所述激振器的激振方向相同，且所述第一传感器与所述第二传感器的连线与所述岩土芯样的中轴线平行。
[0036] 在本实施例中，传感器选用体积小、
质量轻、灵敏度高、测量频带宽的压电式
加速度传感器。岩石芯样测试时要求振动
频率较高，需要传感器具有较宽的频带，相对而言，压电式加速度传感器更容易满足测试要求。第一传感器81和第二传感器82分别用粘合剂牢固粘贴在岩土芯样60的一侧，两个传感器连线与芯样轴线平行，传感器的灵敏方向与激振器的激振方向保持平行，即当剪切波速度测试时，灵敏方向垂直于岩土芯样60的中轴线，灵敏方向与岩土芯样60的中轴线垂直相交；压缩波速度测试时，灵敏方向平行于岩土芯样60的中轴线。
[0037] 在一个实施例中，所述吊装机构包括垂直设置于试验台上的竖杆71、与竖杆71垂直连接的
横杆72，及一端与所述横杆72固定连接，另一端连接所述岩土芯样60且使所述岩土芯样60的中
心轴呈水平方向的连接绳73。
[0038] 在本实施例中，横杆72与竖杆71的顶端垂直连接，连接绳73包括两条，通过调节两条连接绳73的长短可以使圆柱体岩土芯样60的中轴线保持水平。具体地，连接绳73可以为橡皮绳。用橡皮绳做为岩土芯样60与试验台的连接材料，可以隔离沿试验台本身传递的高频振动，减少测试时的
干扰信号。
[0039] 在一个实施例中，所述第一传感器81与所述第二传感器82之间的距离大于150mm。
[0040] 在一个实施例中，所述激振器包括高频稳态激振器。
[0041] 如图3所示，图3示出了本发明的一个实施例提供的岩土芯样波速测试方法的实现流程，其过程详述如下：
[0042] S301：通过所述信号发生模块10产生正弦波信号，并将所述正弦波信号发送至所述稳态激振器20；
[0043] S302：通过所述稳态激振器20根据所述正弦波信号产生周期性激振力，并将所述周期性激振力依次通过所述连接杆30、所述连接器40作用于所述岩土芯样60的端面；
[0044] S303：通过所述第一传感器81和所述第二传感器82分别采集所述岩土芯样60的对应位置的振动波形；
[0045] S304：通过所述波速测试仪50获取所述第一传感器81采集的振动波形和所述第二传感器82采集的振动波形，并根据所述第一传感器81采集的振动波形和所述第二传感器82采集的振动波形计算波在所述岩土芯样60中的传播速度。
[0046] 在本实施例中，测试时，先打开信号发生器，选择合适频率的正弦波信号，打开功率放大器，预热后向稳态激振器20提供驱动信号，稳态激振器20的振动头产生周期性往复运动，运动频率为信号发生器设定的信号频率。稳态激振器20通过连接杆30和连接器40，向岩土芯样60的一端施加周期性激振力，使岩土芯样60与连接器40相连的端面产生周期性振动，振动方向与激振器的激振方向一致。
[0047] 如图1所示，剪切波速度测试时，振动方向垂直于岩土芯样60中轴线；如图2所示，压缩波速度测试时，振动方向平行于岩土芯样60中轴线。岩土芯样60端面的振动沿芯样轴线方向传播形成了
波动，振动方向与传播方向垂直时，产生剪切波；振动方向与传播方向一致时，产生压缩波。该剪切波和压缩波均可以由传感器接收到，利用两个传感器的间距和传感器接收到两道振动波形的相位时间差，可以计算波在岩土芯样60中的传播速度。
[0048] 如图4所示，在本发明的一个实施例中，在S301之前，图4示出了本实施例的一个示例性实现流程，其包括：
[0049] S401：获取所述第一传感器81和所述第二传感器82之间的距离；
[0050] S402：根据所述岩土芯样60的岩土特性、所述第一传感器81和所述第二传感器82之间的距离，估计所述正弦波信号的最优激振频率。
[0051] 在本实施例中，测试前，根据岩土芯样60的岩性预估其剪切波速度、压缩波速度的范围值，结合第一传感器81和第二传感器82的间距，选择合适的激振频率。例如进行岩石芯样的剪切波速度测试，预估其剪切波速度在1800m/s左右，第一传感器81和第二传感器82的间距为18cm，则剪切波在两个传感器间的传播时间为100μs，如果想让两个传感器位置的振动波形
相位差不小于π/6(相位差太小，测试
精度会降低)，测试选用的激振周期应不大于1200μs，激振频率不小于0.83kHz。
[0052] 在本实施例中，在获取到最优激振频率后，从最优激振频率开始进行扫频，观察振动波形，从而进一步得到测试效果最好的频率，并在该频率下记录岩土芯样60两个测试断面的振动波形。
[0053] 如图5所示，在本发明的一个实施例中，图5示出了图3中的S304的具体实现流程，其包括：
[0054] S501：根据所述第一传感器81采集的振动波形及所述第二传感器82采集的振动波形，计算波在所述第一传感器81和所述第二传感器82之间传播的时间差；
[0055] S502：获取所述第一传感器81和所述第二传感器82之间的距离作为传感器间距；
[0056] S503：根据所述传感器间距及所述第一传感器81和所述第二传感器82之间的时间差，计算波在所述岩土芯样60中的传播速度。
[0057] 在本实施例中，第一传感器和第二传感器之间的距离为水平方向上两个传感器的距离。可以将第一传感器81和第二传感器82均设置于岩土芯样60的外圆周面同一水平线的不同位置上，然后测量第一传感器81和第二传感器82之间的距离作为传感器间距。并根据传感器间距及波形时间差，确定波在岩土芯样60中的传播速度。
[0058] 如图6所示，在本发明的一个实施例中，图6示出了图5中S501的具体实现流程包括：
[0059] S601：根据波形移动法或信号相关分析法，确定所述第一传感器81采集的振动波形及所述第二传感器82采集的振动波形的相位差；
[0060] S602：根据所述第一传感器81采集的振动波形及所述第二传感器82采集的振动波形的相位差，计算波在所述第一传感器81和所述第二传感器82之间传播的时间差。
[0061] 在本实施例中，S601的具体实现流程可以包括：
[0062] 首先，在激振器正常工作状态下，同时采集两个传感器位置的振动波形，将所述第一传感器81采集的振动波形作为第一振动波形，将所述第二传感器82采集的振动波形作为第二振动波形。然后根据波形移动法或信号相关分析法，以第一振动波形的第一个波峰为基准，移动第二振动波形，使第一振动波形和第二振动波形重合，得到第一振动波形和第二振动波形的相位差。第一振动波形和第二振动波形的频率相同，因此可以根据两个波形的相位差，计算波在第一传感器81和第二传感器82之间的时间差。
[0063] 在本发明的一个实施例中，S503的具体实现流程还包括：
[0064] 计算 得到波在所述岩土芯样60中的传播速度；其中，v表示波在所述岩土芯样60中的传播速度，L表示所述传感器间距，Δt表示所述第一传感器81和所述第二传感器82之间的时间差。当激振方向垂直于岩土芯样的中轴线时，得到的波速为剪切波速度vs；当激振方向与岩土芯样的中轴线一致时，得到的波速为压缩波速度vp。
[0065] 通过上述方法能够计算岩土芯样60的剪切波速度和压缩波速度。
[0066] 从上述实施例可知，采用高频稳态激振器,在岩土芯样60一端分别激发与芯样中轴线垂直和平行的高频振动，振动沿岩土芯样60中轴线方向传播形成剪切波和压缩波，当激振方向垂直于芯样中轴线方向时，振动方向与波的传播方向垂直，剪切波
能量占绝对优势，最大限度地抑制了压缩波的干扰，利用灵敏方向与激振方向一致的第一传感器81和第二传感器82分别接收该振动信号，保证了剪切波测量信号的可信度和测试结果的可靠性；当激振方向平行于芯样中轴线方向时，振动方向与波的传播方向一致，压缩波能量占绝对优势，利用灵敏方向与激振方向一致的第一传感器81和第二传感器82分别接收该振动信号，保证了压缩波测量信号的可信度和测试结果的可靠性。其次，用两个橡皮绳做为岩土芯样60与试验台的连接材料，可以隔离沿试验台本身传递的高频振动，减少测试时的干扰信号。通过信号发生器改变激振频率，进行扫频测试，搜寻测试效果较好的
频率范围，能保证在效果较好的频段测试，岩土芯样60振动具有较大的振幅，接收到的信号具有较高的
信噪比。对于频率相同的两个正弦波，利用信号相关分析的数学工具，可以精确测定两个波形的相位差，进而得到波在两个传感器之间传播的时间差，方便地计算岩土芯样60剪切波速度和压缩波速度。
[0067] 本发明实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。
[0068] 本发明实施例系统中的模块或单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。
[0069] 以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
