Способ определения частотных характеристик затухания упругих волн в горных породах Советский патент 1988 года по МПК E21C39/00 

со

00

NU

4;;

;о

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано при исследовании свойств образцов горных пород.

Цель изобретения - повышение точности определения арактеристик затухания при сжатии.

На фиг. 1 представлена многозвенная измерительная система для исследования характеристик затухания упругих волн при сжатии; на фиг. 2 - зависимость амплитуды сигналов от давления; на фиг. 3 и 4 - зависимости соответственно спектральной характеристики входного сигнала и коэффициента затухания упругих волн в функции давления и частоты в горной породе.

На фиг. 1 обозначены ультразвуковые преобразователи 1 и 2, наковальни 3, поршни 4 из твердого сплава; оболочка 5 из пластического вешества, ячейка 6 с образцом.

Способ осуплествляют следующим образом.

В ячейку 6 помешают образец исследуемой горной породы, осуществляют соединение звеньев измерительной системы и нагружают ее до давления Р, затем производят прозвучивание,регистрируя фрагмент выходного импульсного сигнала длительностью т.

Для амплитудно-частотного анализа выбирается фрагмент первого вступления импульсов, соответствующий прямой проходящей волне и не осложненный вступлениями переотраженных интерферирующих волн. В общем виде временной интервал т для частотного анализа оценивают из неравен91ства --, где первая часть определяет

С-г

время запаздывания волны, переотраженной в наиболее тонком звене измерительной системы. Применительно к используемой установке, самыми тонкими звеньями, 1л; 2 мм, являются торцовые части пластической оболочки 5. Для свинца время запаздывания переотраженной волны составляет около 2 МКС. Таким образом, при основной частоте датчиков 1 МГц длительность анализируемого фрагмента т 2 мкс, при частоте 2 МГц т 4 МКС, т.е. составляет соответственно до двух и до четырех видимых периодов колебаний. Для сведения к минимуму погрешностей определения спектров за счет анализа неполного импульса рабочую частоту датчиков следует выбирать таким образом, чтобы анализируемый фрагмент включал в себя более трех периодов. Производят разгрузку системы и расстыковку звеньев измерительной системы. В яч(ейку 6 помещают эталонный образец, имеющий одинаковые размеры с исследуемым, с известной частотной характеристикой затухания волн, осуществляют соединение звеньев акустического тракта и повторяют цикл нагружения системы, регистрируя фрагмент выходного сигнала при давле

НИИ р. Путем спектрального анализа на ЭВМ зарегистрированных импульсов определяют амплитудные спектры So (со, Р) и S(co, Р) для системы с эталонным и исследуемым образцами соответственно:

So(ur, Р) 5(ш)Ь(и/, Р) аесКИи;);(1)

S(co, P)S(a))L(co, Р)9еК{а), Р), (2) где5(о)) -спектральная характеристика

входного сигнала;

L(a), Р) -частотная характеристика потерь во всех элементах системы, включая акустический.тракт, за исключением образцов и контактов образцов с пластической оболочкой, и электрический тракт;

Ко(ы) - известная частотная характеристика затухания волн в эталоне;

К((й, Р) -искомая частотная характеристика затухания волн в горной породе.

Осуществляя компенсацию характеристик S((o,) и L(co, Р), из соотношения (1) к (2) можно выделить искомую характеристику К (со, Р) и с учетом выражений

Ko((o), . К(а), Р)е- -

определить коэффициент затухания в зависимости от частоты по формуле:

, 1 ,. So(co, Р)

а(со,Р) 1„-|| -1„ - +

+ 1о(Р) ао(ш)

(3)

0

где а (со, Р) - коэффициент затухания упругих волн в функции давления 5и частоты в горной породе;

1о(Р),1(Р) - длины эталонного и исследуемого образцов в функции давления; So(co, Р),

S(co, Р) - амплитудно-частотные спектры фрагментов импульсов, зарегистрированных при про- звучивании эталонного и исследуемого образцов соответственно;

с LO(CO) - коэффициент затухания .волн в функции частоты в эталонном образце;

«о, at - характеристики нескомпенсированных акустических потерь в тракте, содержащем 0эталонный и исследуемый образцы соответственно. Для эталонных образцов могут быть выбраны вещества, частотные характеристики затухания упругих волн в которых не имеют существенных особенностей в рабочем диапа- 5 зоне частот и практически не зависят от давления при гидро- и квазигидростатическом сжатии до 2 ГПа. Таким требованиям удовлетворяют, например, латунь, медь, алю

миний. Характеристики ао(й)) для них известны из литературных источников или могут быть определены экспериментально на массивных образцах при атмосферном давлении по известным методикам.

Создание надежного акустического контакта между звеньями акустического тракта осуществляется с помощью давления Р, причем критерием правильности выбора минимального давления Р Рмин, при котором можно проводить измерения, является постоянство максимальной амплитуды спектров при дальнейшем увеличении нагрузки, т.е. при (фиг. 2). При высоких гидро-и квазигидростатических давлениях изменение динамических характеристик волн в том числе и спектров, за счет процессов структурных изменений в горной породе обычно имеет место при давлениях Рз Р.мин, поэтому наличие участка А const (А - амплитуда основной гармоники спектра) указывает на наличие устойчивого контакта. В условиях одноосного сжатия процесс трещинообразования в горных породах начинается при гораздо более низких давлениях, чем в гидростатике, поэтому при определении РМИН следует руководствоваться

у.

неравенством Е, Рмин, которое выражает .1;

условие полного «залечивания пустот, образованных щероховатостями граничащих друг с другом контактных поверхностей вследствие деформации (сжатия) звеньев акустического тракта- под давлением.

Максимальное значение давления Р определяется пределом прочности горной породы. Таким образом, величину давления Р выбирают из соотнощения

,

где х,- - средняя высота шероховатостей

контактных поверхностей i-ro звена, i 1, 2, ..., п;

п. -общее число звеньев;

1,- - длина i-ro звена;

Е/ - модуль Юнга материала i-ro звена;

РМ - предел- прочности горной породы.

Благодаря отсутствию контактных склеек, коэффициенты нескомпенсированных потерь Э и зе определяются только акустическими сопротивлениями граничащих сред и средним размером шероховатостей, на которых при (Я. - длина волны) может происходить частотно-зависимое рассеяние. Во избежание последнего эффекта торцовые контактные поверхности звеньев должны быть тщательно отполированы, чтобы выполнялось условие . Технологически достаточно легко обеспечить х/ж 2 мкм, что поз

воляет считать границы идеальными при частотах ультразвука 0,1-5,0 МГц.

Таким образом, контактные потери ае о и эе могут быть рассчитаны по формулам

для коэффициента прохождения волн через границу двух сред при нормальном падении

4ZoZ „ 4ZZ5 -(Zo+Zs) (Z+Z-5)

2jZo соро;

0

л 5

0

5

о

5 0

Z ср,

где Со, fo}

с, Р - скорости распространения упругих волн и плотности в эталонном и исследуемом образцах, определяемые экспериментально в условиях высоких давлений; Zs - акустическое сопротивление пластической оболочки из свинца или индия.

Формула изобретения

1. Способ определения частотных характеристик затухания упругих волн в горных породах, включающий попеременное про- звучивание ультразвуковыми импульсами, исследуемого образца горной породы и эталонного образца с известной частотной характеристикой затухания, определение амплитудно-частотного спектра входного сигнала и спектров выходных сигналов для исследуемого и эталонного образцов, по которым судят о частотных характеристиках затухания исследуемого образца,-при этом измерения проводят с помощью многозвенной измерительной системы, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения характеристик затухания при сжатии, предварительно нагружают измерительную систему вместе с одним из образцов давлением Р, регистрируют фрагмент первого вступления выходного сигнала длительностью 21т/ст, где 1т - толщина самого тонкого звена измерительной системы; ст - скорость распространения упругих волн в нем, и определяют частотную характеристику затухания упругих волн в горной породе по формуле

J/ riSo(tO,P)t ffI

сС(ш,Р) + + lo(P)ao(cu),

где a (со, Р) - коэффициент затухания упругих волн в горной породе в функции давления Р и частоты со;

1(Р),1о(Р) - длина исследуемого и эталонного образцов в функции давления;

5

So{o), Р), S(co, Р)

- амплитудно-частотные спектры фрагментов импульсов, регистрируемых дл эталонного и исследуемого образцов;

ае.0, ге - характеристики нескомпенсированных акустических потерь с эталонным и исследуемым образцами;

«о, (ш) - коэффициент затухания упругих волн в эталонном образце в функции частоты 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что величину давления Р выбирают из соотношения

flfnax,

, ч

е E; -

Xi -

модуль Юнга материала i-ro звена системы;

средняя высота шероховатостей контактных поверхностей i-ro звена; длина i-ro звена;

1,2,...,п, где п - число звеньев; предел прочности горной породы.

Вид сжатия:

кВагигидрост.

одноосное

Изобретение относится к горному делу и м.б. использовано для исследования свойств образцов горных пород (ГП). Цель изобретения - повышение точности определения характеристик затухания при сжатии. Предварительно нагружают измерительную систему вместе с одним из образцов ГП давлением Р, которое выбирают из соотношения Е,-(х,-:1,-), где Б,- - модуль Юнга материала i-ro звена системы; Xi - средняя высота шероховатостей контактных поверхностей i-ro звена; 1, - длина i-ro звена; , 2, ..., п; п - число звеньев; Рм - предел прочности ГП. Попеременно прозвучивают ультразвуковыми импульсами исследуемый образец ГП и эталонный образец с известной частотной характеристикой затухания. Определяют амплитудно-частотный спектр входного сигнала и спектры выходных сигналов для исследуемого и эталонного образцов, по которым судят о частотных затуханиях упругих волн. Измерения проводят с помощью многозвенной измерительной системы. Для эталонных образцов ГП могут быть выбраны вещества, частотные характеристики затухания упругих волн в которых не имеют существенных особенностей в рабочем диапазоне частот и не зависят от давления при гидросжатии. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. I (Л

Фиг.1

Фиг. 2

S(cJlycji.ed.

7 J 4 5 01 2 J 4 J y,/- Фиг.

/ Р(ГПа)

j - aJ

/О.Ь

I/,J