時間：2023-05-30 10:37:17
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇聲速測量，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
摘 要：就聲速的測量實驗三種測量方法，通過實驗數據進行分析說明，便于提高實驗者的實驗技能。
關鍵詞：聲速；實驗；測量方法；實驗數據；技能
聲速的測量實驗，基本有三種測量方法：駐波法(共振干涉法)；相位比較法(李薩如圖法)； 時差法。通過對三種測量方法分析，我認為三種測量方法各有優缺點。前兩種方法存在一定的視覺測量誤差，測量結果不確定性的增大，容易引起測量精確度的降低，但操作性強，便于實驗者技能的培養；后一種方法精確度大大提高，在實際工程中，時差法測量聲速得到廣泛的應用，但因為由儀器本身來計測有關數據，對實驗者的實驗技能和技巧沒有太大幫助。建議實驗者帶著比對、加深印象目的使用這三種方法進行測量聲速。建議優先用相位法、駐波法測量并分析誤差的原因，有利于理論和技能的綜合提高。如增加實驗組數，也有效增加了測量的精確度。下面就三種方法簡單介紹并實驗說明。
實驗介紹：
1、駐波法(共振干涉法) 由測試架上發射換能器發射出的聲波經介質傳播到接收換能器時，在接收換能器表面(是一個平面)產生反射。此時反射波與入射波在換能器表面疊加，疊加后的波形具有駐波特性。從聲波理論可知，當二個聲波幅度相同，方向相反進行傳播時，在它們的相交處進行聲波干涉現象，出現駐波。而聲強在波幅處最小，在波節處最大。所以調節接收換能器的位置，通過示波器看到的波形幅度也隨位置的變化而出現起伏，因為是靠目測幅度的變化來知道它的波長，所以難以得到很精確的結果。特別是在液體中傳播，由于聲波在液體中衰減較小，發射出的聲波在很多因素影響下產生多次反射疊加，在接收換能器表面已經是多個回波的疊加(混響)，疊加后的波形的駐波特征較為復雜，并不是根據單純的兩束波疊加來觀察它的幅度變化，來求出波長。因此用通常的兩束波疊加的公式來求速度，其精確性大為下降，導致測量結果不確定性的增大。通過在測試槽中的左、中、右三處進行測量，可以明確看出用通常的計算公式，在不同的地方計算得到的聲速是不一樣的。
2、相位比較法(李薩如圖法) 聲速在傳播途中的各個點的相位是不同的，當發射點與接收點的距離變化，二者的相位差也變化。通過示波器用李薩如圖法進行波長的測量。與駐波法相同的是都是目測波形的變化來求它的波長，同樣測量結果存在著一定的不確定性。同樣因為聲波在液體中傳播存在著多個回波的干涉影響，從而導致測量結果的不確定性的增大。
3、時差法 在實際工程中，時差法測量聲速得到廣泛的應用。時差法測試聲速的基本原理是基于速度 =距離S／時間T，通過在已知的距離內計測聲波傳播的時間；從而計算出聲波的傳播速度，在一定的距離之間由控制電路定時發出一個聲脈沖波，經過一段距離的傳播后到達接收換能器。接收到的信號經放大，濾波后由高精度計時電路求出聲波從發出到接收這個在介質傳播中經過的時間，從而計算出在某一介質中的傳播速度。只因為不用目測的方法，而由儀器本身來計測，所以其測量精度相對于前面兩種方法要高。同樣在液體中傳播時，由于只檢測首先到達的聲波的時間，而與其它回波無關，這樣回波的影響比較小，因此測量的結果較為準確，所以工程中往往采用時差法來測量。
關鍵詞：聲波測井技術;巖土工程勘察;應用
1前言
巖土工程勘察是查明擬建場地內及其附近有無影響場地穩定性的不良地質作用，劃分場地土類型和建筑場地類別;查明場地范圍內的地層結構及均勻性，提供各巖土層的物理力學指標等。當前，隨著數字測井技術的不斷發展提高，聲速測井作為一種重要的測井方法，在油田勘探和開發、工程物探等許多領域有廣泛的應用。采用聲速測井技術，可用彈性波縱波速度劃分巖體風化帶、解釋軟弱夾層、評價巖體完整性、計算相關的動力學參數;可用彈性波橫波速度判別沙土液化，參與計算巖土抗剪強度和相關動力學參數;其他動力學參數可用于評價地層的力學強度和結構特性。
2 聲速測井的測試原理
由于不同巖層有不同的聲波傳播速度，采用聲速測井技術（一般測量縱波速度），由儀器發射晶體發射的聲波耦合后在地層中傳播，經地層傳播的聲波被儀器接收晶體接收。因為發射晶體和接收晶體的間距是一定的，所測得的聲波傳播時差與傳播速度成反比。根據需要可以把傳播時差換算為聲波速度，結合其他物理參數，還可以計算出橫波速度，從而進行鉆孔巖性劃分、巖層風化和氧化帶的確定、解釋裂隙和軟弱夾層、彈性參數的計算等。
2.1根據不同的聲波傳播速度，結合電阻率、自然伽瑪等參數，對鉆孔巖性進行劃分。
2.2由于巖石因風化、氧化，膠結程度會變差，疏松甚至破碎，在測得聲波速度后，將其與新鮮完整巖石的聲波速度進行比較，波速減小量反映了巖石的疏松、破碎程度，由此可確定巖層風化、氧化帶。
2.3如果巖層有裂隙及軟弱夾層，當聲波傳至此時會速度會有所降低，在測試時如聲波出現異常，可據此來解釋裂隙及軟弱夾層。
2.4確定彈性參數。根據彈性力學的知識，可根據介質密度ρ，介質中聲波傳播的縱波速度Vp與橫波速度Vs確定介質的彈性參數：
E=ρVs2（3 Vp2-4 Vs2）/（Vp2-Vs2）
δ= Vp2-2 Vs2/2（Vp2-Vs2）
μ=ρVs2
k=ρ（Vp2-4/3 Vs2）
式中：E為介質的彈性模量;k為體積模量;u為切變模量;δ為泊松比。
聲速測井一般提供的是縱波時差 tp，并可換算為縱波速度Vp，而橫波速度Vs由經驗公式計算：
Vs= Vp[1-1.1.5（1/ρ+1/ρ3）/e1/ρ]3/2
3 影響巖石聲波速度的主要因素
巖石的聲速指的是聲波在巖石中的傳播速度。理論和實踐證明，巖石的聲波速度主要與密度有關，并且是隨著巖石密度的增大而增大，其主要影響因素有以下幾點：
3.1 巖石的密度對聲波速度的影響。在不同巖性的巖石中，由于巖性的巖石密度不同，聲波傳播速度也會不同。一般，石灰巖砂巖砂質泥巖泥巖的密度依次減小，它們的聲波速度也依次減小。
3.2巖石結構。巖石膠結性差、疏松，聲波速度低;而巖石膠結性好致密，則聲波速度高。巖石中的裂縫、溶洞等均會對聲波速度產生較大影響。
3.3巖石孔隙間的儲集物。巖石中孔隙間的儲集物不同，也會對巖石的聲波速度產生影響。
3.4地層埋藏深度及地質時代。地層埋藏的深淺及地層時代的新老均對聲波在地層中的傳播產生影響。巖性和地質時代相同，地層埋深大、壓力大，則聲波速度高;反之，地層埋深淺、壓力小，由聲波速度低。同一巖性，老地層比新地層聲波速度高。
3.5 巖石含水率對聲波速度的影響。水對巖石的聲波速度產生重要影響，隨含水量增加，巖石的縱波速度和橫波速度增大，但是由于巖性不同，其巖石礦物成分、膠結狀況和結晶程度等因素差異很大，因此，隨含水量增加，巖石的聲波速度增高的速率則不完全相同，水對巖石聲波速度的影響經回歸分析得到如下關系：
V=V0+kw
式中：V――不同含水量狀態下巖石縱波或橫波速度，m/s;
V0――干燥狀態下巖石縱波或橫波速度，m/s;
k――水對巖石聲波速度影響系數;
w――含水量。
4 工程應用實例
某工區地形比較平坦開闊，局部有緩丘及沖溝發育。覆蓋層主要為黃褐色粘土、粉質粘土和亂石層，而基巖以泥巖為主，局部夾薄層透鏡狀砂巖，產狀平緩，傾角3-5°。應勘察技術要求，用聲波測井法判別劃分鉆孔巖性、確定巖層風化和氧化帶以及確定各地層動力學參數。
4.1利用波速法計算巖土的動力參數
根據實測獲得的聲波傳播速度（橫波速度 Vs和縱波速度Vp）即可計算巖（土） 體的動彈性力學參數，為工程設計提供參考。計算公式如下：
Ed=（2 Vp2-Vs2）/2（Vp2-Vs2）
Gd= Vs2
式中：Ed為動彈性模量，MPa;Gd為動剪切模量，MPa;d為動泊松比;Vp為縱波速度，m/s;Vs為橫波速度，m/s。
根據現場采集數據，處理后計算得各地層動力學參數如表1。
表1 工區各介質勘察鉆孔聲速測井成果
巖土名稱 深度范圍/m Vp/m s-1 Vs/ m s-1 動泊松比d 動剪切量Gd/ MPa 動彈性量Ed/ MPa
（粉質）黏土 3-5 460 180 0.41 63.5 179.0
粉土 6-8 630 260 0.40 132.5 370.3
卵石 10-15 920 395 0.39 349.5 969.5
卵石 16-21 1880 600 0.44 807.8 2332.0
中風化砂巖 23-25 2980 1040 0.43 2747.0 7861.0
弱化砂巖 27-28 3570 1450 0.40 5340.0 14970.0
中風化泥巖 29-30 3530 1510 0.38 5951.0 16520.0
從表1可以看出，砂巖、泥巖的縱波速度較高，黏土的縱波速度較低，在綜合分析解釋的基礎上，其既可校正地解釋巖性和巖層，又可檢驗其推測精度。
泊松比反映的是巖體彈性性能，即在應力作用下產生縱向相對與橫向相對變形量之比的倒數，反映的是巖體“軟”“硬”程度。泊松比越小，巖石越堅硬。縱波與橫波比值能判定巖石的完整性。波速是巖土物理性質的重要參數，波速大小在一定程度能反映巖土密實度、孔隙度、風化程度和裂隙發育程度。巖石密度小、孔隙大、裂隙多使波在傳播中發生繞射，聲線“拉”長，旅行時間延長，速度降低。
5聲速測井技術在巖土工程勘察中存在的不足
5.1聲波在具有裂縫和溶洞的地層中傳播時，會因產生多次反射而使能量明顯衰減，此時滑行波的幅度亦會減小。要解決這一問題，可以提高探頭的發射功率，用以增大滑行波的能量。
5.2 動力學參數雖能評價巖體完整性、軟硬程度、風化程度、裂隙發育等，但目前尚缺乏全國性的統一標準和規范對巖石分類，大多是一些某單位或某部分的經驗值或推薦公式，因此迫切需要統一的分類標準和規程早日出臺。
6結束語
綜上所述，聲速測井技術作為一種直接的勘察方法，其除了能夠計算各種彈性參數外，還能夠進行巖性劃分、圈定巖體風化帶和氧化帶、解釋巖層的裂隙及軟弱夾層等，在巖土工程勘察中發揮了重要作用。實踐證明， 聲速測井應用效果良好，產生了較好的經濟和社會效益。
參考文獻：
[1]趙振宇.論聲波測井在地質勘察中的應用[J].城市建設理論研究，2011（25）.
2實驗原理
2.1 時差法測量聲速
時差法測量聲速是利用已知聲波傳播的距離,測量發射脈沖和接收脈沖之間的時間差。
計算出聲速在液體中的傳播速度,即超聲波 [10] (1)
時差法
其中L的是位移之差,T是傳播所用的時間。
在儲液槽中注入液體,直至將換能器完全浸沒,但不能超過液面線。注意:注入液體時,不能將液體淋在數字顯示表頭上。將專用信號源上的“聲速傳播介質”置于“液體”位置,換能器的連接端應在接線盒上的“液體”專用插座上。
測量液體聲速時,由于在液體中聲波的衰減較小,因而存在較大的回波疊加,并且在相同頻率的情況下,其波長要大得多,用駐波法和相位法測量時可能會有較大的誤差,所以建議采用時差法測量。
2.2 陶瓷換能器工作原理
頻率在20Hz~20kHz的機械波振動在彈性介質中的傳播就形成超聲波超過
20KH超聲波,超聲波的傳播速度就是聲波的傳播速度,而超聲波長短,易于定
向發射等優點[11],聲速實驗聲速所采用的聲波頻率一般都在20~60kHz之間。此
頻率范圍內,采用壓電陶瓷換能器作為聲波的發射器,接收效果最佳。壓電陶
瓷換能器根據它的工作方式,分為縱向(振動)換能器。聲速教學實驗中大多數
采用縱向換能器。圖3為縱向換能器的結構,用示波器觀察波谷和波峰,或觀察兩個波間的相位差,原理是正確的,但讀數位置不易確定。較精確測量聲速是用聲波時差法。時差法在工程中得到了廣泛的應用,它是將經脈沖調制的電信號加到發射換能器上,聲波在介質中傳播,經過時間后,到達距離處的接收陶瓷換能器圖2
水中聲速與溫度關系的實驗研究
3 實驗方法
3.1 時差法測量聲速操作方法
(1)實驗時只要按圖3連接中換能器的S2該接在信號源的S2上,再把信號源上的Y1,Y2順次與示波器上的Y1,Y2接通即可。
(2)將測試方法設置到脈沖波方式,將換能器的S1,S2調節到一定距離,在調解接收增益,使得顯示的時間差值讀數穩定,此時儀器內置的計數器工作在最佳狀態,記錄此時的距離值和時間值。移動S2,如果計時器讀數有跳變,則微調接收增益(距離大時,順時針調節;距離小時,逆時針調節),使得計數器連續穩定的變化。
(3)將！測試方法設置到脈沖波方式。
(4)在儀器使用前,開啟電源預熱15min。接通市電后,自動工作在連續波方式,選擇蒸餾水為介質。“傳播介質”按鈕選擇液體。
(5)將S1和S2之間的距離調到一定距離(≥50mm),再調節接收增益,使示波器上顯示的接收波信號幅度在400mV左右(峰—峰值),以使計時器工作在最佳狀態。然后記錄此時的距離值和顯示的時間值Li、(時間由聲速測試儀信號源時間顯示窗口直接讀出)。保持距離不變隨著溫度的逐漸降低,記錄下當時的時間值。
(6)當使用液體為介質測試聲速時,先在測試槽中注入液體,直到把換能器完全浸沒,但不能超過液面線。然后將信號源面板上的介質選擇鍵切換至“液體”,并將連線接至插入接線盒的“液體”接線孔中,即可進行測試,步驟與上相同。
3.2時差法線路連接圖
聲速
4 記錄數據和數據處理
4.1 記錄數據
測量次數i 溫度T (℃ ) 距離L ( ㎜ ) 時間t (us)
1 20 216.51 164
2 27 216.51 163
3 36 216.51 162
4 48 216.51 161
5 59 216.51 160
6 70 216.51 159
7 73 216.51 158
表1蒸餾水中溫度與速度關系實驗研究數據
測量次數i 溫度T (℃ ) 距離L ( ㎜ ) 時間t (us)
1 20 216.51 144
2 30 216.51 143
3 40 216.51 142
4 54 216.51 141
5 58 216.51 140
6 62 216.51 139
7 66 216.51 138
8 70 216.51 137
9 73 216.52 136
表2自來水中溫度與速度關系實驗研究數據記錄
4.2數據處理
由時差法速度由計算公式水中聲速與溫度關系的實驗研究[10]可得。 例如V=L/t=216.51/164=1320m/s其余計算結果見下表:
測量次數i 溫度T (℃ ) 距離L(㎜) 時間t (us) 速度v(m/s)
1 20 216.51 164 1320
2 27 216.51 163 1328
3 36 216.51 162 1336
4 48 216.51 161 1344
5 59 216.51 160 1353
6 70 216.51 159 1362
7 73 216.51 158 1370
表3蒸餾水中溫度與速度實驗研究數據處理
測量次數i 溫度T (℃) 距離L( ㎜ ) 時間t (us) 速度v(m/s)
1 20 216.51 144 1490
2 30 216.51 143 1510
3 40 216.51 142 1517
4 54 216.51 141 1530
5 58 216.51 140 1542
6 62 216.51 139 1557
7 66 216.51 138 1568
8 70 216.51
137 1580
9 73 216.51 136 1592
表4自來水中溫度與速度實驗研究數據數據處理
4.3繪制曲線圖
溫度
5實驗結論與討論
本文利用時差法測量超聲波在液體中聲速的傳播特性。實驗測量原理簡單,方法可行,測量結果精確度高。本文以蒸餾水和自來水為例。檢測了水在20~73℃溫度范圍超聲波在水中聲速與溫度關系的傳播特性。給出了不同溫度下速度與溫度的關系曲線圖。實驗結果表明隨著溫度的升高聲速變大。雖然在同一溫度范圍內測量聲速,但自來水和蒸餾水中的變化趨勢明顯不同,蒸餾水中聲速變化均勻,而自來水中聲速隨溫度變化較復雜,在20~55℃聲速變化較緩慢。55~73℃聲速變化較快。這與它們的成分不同有關,自來水中成分復雜。這其中主要因素主要是因為散射、衰減、吸收、外界因素等。為完善檢測方法和檢測系統提供了參考。從資料中可知,當外界壓強為一個大氣壓時,超聲波在水中的聲速先是由溫度的升高而變大,直至溫度達到73℃時為止,然后隨溫度的繼續升高而減少[12]。由于實驗條件所制,本實驗無法測量73℃以后聲速隨溫度的變化關系。
The Reading Data in Sequence Method of Special Physics Experimental Equipment
JIANG Li-xia
（Basic Department，Beijing Union University，Beijing 100101，China）
【Abstract】The reading devices of some special physics experimental equipment are designed based on the measuring principles of vernier calipers or micrometers.However，experimenters would feel confused about data reading when they operate these special equipment which have different appearance and structures from vernier calipers and micrometers.The reading data in sequence method proposed in this paper would help experimenters read date quickly and accurately.It has strong availability and effectiveness.
【Key words】Special physics experimental equipment；Reading devices；Reading data in sequence method
在物理實驗中有一些特殊的儀器，它們的讀數裝置是根據游標卡尺或螺旋測微器的結構和測量原理而制成的，但其外觀和結構又與游標卡尺或螺旋測微器有很大的?^別，使得實驗者在讀數據時感到困難，而造成這種困難的原因在于實驗者所掌握的游標卡尺和螺旋測微器的傳統讀數方法所致。
游標卡尺和螺旋測微器的結構和測量原理在中學物理實驗課和大學物理實驗課中都是必修內容，因此實驗者對游標卡尺和螺旋測微器的結構和測量原理非常熟悉，特別是對兩種尺的傳統讀數方法印象深刻。游標卡尺由主尺和游標尺組成，游標尺是副尺。游標卡尺的讀數方法是：主尺是以游標尺的零刻度線為標線讀數，游標尺上哪個刻度線與主尺的刻度線對齊，就讀該刻度線對應格數，但要注意該讀數不需要估讀，因為判斷游標尺上哪個刻度線與主尺的刻度線對齊時是目測，已經含有存疑。將游標尺讀出的格數乘以精確度，再與主尺讀數加起來，就得到一個完整的讀數。螺旋測微器的主尺是固定套管，副尺是活動套管，以活動套管的前沿為讀數標線，讀出主尺讀數，再以固定套管上的橫線為讀數標線，讀出活動套管上的刻度數，再乘以分度值，即為副尺讀數，同時注意兩點：1）副尺需要估讀；2）主尺露出半刻度時，要將半刻度值加到副尺讀數上。將主尺和副尺的數加起來，就得到一個完整的讀數。對于學習者來說，將主尺讀數和副尺讀數按照具體尺子的精確度或分度值計算得出一個完整的讀數是可以的，但是對于一個使用者來說，這種傳統的計算讀數法無疑是不實用的，試想這個使用者要測量幾十組或上百組數據，如果用這種計算讀數方法，既慢又容易出錯，自然會感到讀數困難，那么有沒有簡單易行的讀數方法呢？實際上游標卡尺的游標尺上的刻度標數已經是按實際的精確度設置，螺旋測微器的活動套管上的刻度標數也已經是按實際的分度值設置，兩種尺的主尺讀數和副尺讀數實際上只存在數量級關系，一個完整讀數的組成實際上是“主尺讀數+小數點+副尺讀數”這樣一個排列規律，本文將按照這個規律讀數的方法稱為“排列讀數法”。例如：游標卡尺的主尺讀數為21，游標尺上44刻度線與主尺的刻度線對齊，但注意該讀數不需要估讀，因為該刻度線與主尺的刻度線對齊是目測，已經含有存疑，按“主尺讀數+小數點+副尺讀數”規律排列，就得到完整讀數為22.44mm。再例如：螺旋測微器的主尺讀數為5，并且露出半刻度，副尺讀數為150，該讀數尾數為估讀值，主尺露出半刻度，則在副尺讀數的首位加5，然后按“主尺讀數+小數點+副尺讀數”規律排列，就得到完整讀數為5.650mm。
用“排列讀數法”讀取游標卡尺和螺旋測微器上的示數簡單易行，使用者可以用這種方法快速、準確地讀取數據。物理實驗中有一些特殊儀器的讀數裝置是根據游標卡尺或螺旋測微器的結構和測量原理而制成的，在使用這些儀器的時候，“排列讀數法”的實用性就更加明顯。
在物理實驗中，讀數裝置是根據螺旋測微器的結構和測量原理而制成，但其外觀結構又與螺旋測微器有較大區別的常用儀器是邁克爾遜干涉儀和讀數顯微鏡。邁克爾遜干涉儀是美國科學家邁克爾遜于1881年設計的一種典型的干涉儀，它是利用分振幅法產生相干光束以實現干涉的一種精密光學儀器，可精密地測量長度及其微小變化，其測量結果的精確度可與光的波長相比擬。邁克爾遜干涉儀設計精巧、結構簡單、光路直觀、測量精度高，在現代科技中應用廣泛，例如用它可以測定薄膜厚度、氣體折射率，檢驗棱鏡和透鏡質量，研究溫度、壓力對光傳播的影響等，它的基本結構是近代許多干涉儀的基礎[1]。邁克爾遜干涉儀的讀數裝置包括主尺和副尺兩部分，它的主尺是裝在導軌側面的標尺，有獨立的讀數標線，副尺分兩部分，一部分是粗調鼓輪刻度盤，有獨立的讀數標線，另一部分是微調鼓輪刻度盤，有獨立的讀數標線。軌道滑塊上的反光鏡在某一位置時的位置讀數由這三部分尺的讀數組成，根據“排列讀數法”，該位置讀數的排列方式是“主尺讀數+小數點+粗調鼓輪刻度盤讀數+微調鼓輪刻度盤讀數”，由于微調鼓輪刻度盤讀數排在最后一部分，因此只有微調鼓輪刻度盤讀數時需要估讀，主尺和粗調鼓輪刻度盤讀數時不需要估讀。例如：當軌道滑塊上的反光鏡移動到某一位置時，主尺讀數為44，粗調鼓輪刻度盤讀數為68，微調鼓輪刻度盤讀數為092，則該位置讀數為44.68092mm 。讀數顯微鏡是由顯微鏡和測微螺旋裝置兩部分組成。顯微鏡的作用是將被測物體放大并瞄準，測微螺旋的作用是測讀任意兩點的距離。讀數顯微鏡的特點是既能達到較高的測量精度（由螺旋測微的精度決定），又有較寬的測量范圍（由顯微鏡筒的移動范圍決定），并能實現無接觸測量[2]。讀數顯微鏡的讀數裝置裝在垂直于鏡筒的平臺上，主尺為平臺上的標尺，有獨立的讀數標線，副尺是測微鼓輪刻度盤，也有獨立的讀數標線。當測微鼓輪轉動到某一位置時，該位置讀數的排列方式是“主尺讀數+小數點+測微鼓輪讀數”，注意測微鼓輪讀數時需要估讀。例如：當測微鼓輪轉動到某一位置時，主尺讀數為26，測微鼓輪讀數為906，則該位置讀數為26.906mm。
在物理實驗中，讀數裝置是根據游標卡尺的結構和測量原理而制成，但其外觀結構又與游標卡尺有較大區別的常用儀器是分光計和聲速測定實驗儀。分光計又稱光學測角儀，是一種能精確測量光線偏轉角度的儀器，被廣泛應用于光學實驗當中。該裝置比較精密，結構復雜，其基本光學結構是許多光學儀器例如棱鏡光譜儀、光柵光譜儀、單色儀等的基礎，它的調整思想、方法和技巧在光學實驗中具有一定的代表性，因而學會分光計的調整和使用有助于掌握更復雜的光學儀器[3]。分光計的讀數裝置包括主尺和副尺兩部分，它的主尺是分為360o的刻度圓盤，最小刻度為0.5o，即30′，小于半度則需用副尺游標讀數。為了消除刻度圓盤的偏心差，游標盤上在同一直徑的兩端設有兩個游標。每個游標上有30個刻度線，總長與刻度圓盤上29個刻度線等長，因此最小刻度為1′。在實際測量前，先將游標盤旋轉到兩個游標的連線與平行光管垂直的方位，用游標盤固定螺釘將游標盤固定，再將望遠鏡旋轉到與平行光管共線，然后將望遠鏡與刻度圓盤用專用固定螺釘固定在一起。在實際測量時，當與刻度圓盤固定在一起的望遠鏡轉到某一位置時，其位置讀數有兩組，分別在兩個游標處讀（下轉第143頁）（上接第134頁）出。根據排列讀數法，每一組位置讀數的排列方式是“刻度圓盤讀數+度+游標讀數+分”，讀數時還需要注意兩點：1）如果游標零刻度線已越過刻度圓盤上的半刻度線，讀數0.5o需化為30′加在游標讀數上；2）游標讀數不需要估讀，因為判斷游標上某刻度線與刻度圓盤刻度線對齊時是目測，已經含有存疑。例如：當與刻度圓盤固定在一起的望遠鏡轉到某一位置時，游標Ⅰ處刻度圓盤讀數為212，且游標零刻度線已越過刻度圓盤上的半刻度線，游標讀數為09，則游標Ⅰ處位置讀數為212o39′，游標Ⅱ處刻度圓盤讀數為32，且游標零刻度線已越過刻度圓盤上的半刻度線，游標讀數為13，則游標Ⅱ處位置讀數為32o43′。注意：由于游標Ⅰ和游標Ⅱ分別位于游標盤上同一直徑的兩端，因此游標Ⅰ處和游標Ⅱ處的位置讀數應相差180o左右。當與刻度圓盤固定在一起的望遠鏡轉到另一位置時，按同樣方法讀出游標Ⅰ處和游標Ⅱ處的位置讀數，然后求出望遠鏡兩個位置相對應的游標Ⅰ處位置讀數差值φⅠ以及游標Ⅱ處位置讀數差值φⅡ，再求φⅠ以及φⅡ的平均值，即為望遠鏡轉過的角度。聲速測定實驗儀主要由超聲實驗裝置、聲速測定儀信號源及雙蹤示波器組成，可用于共振干涉法、相位比較法和時差法測量聲速[4]。聲速測定實驗儀的讀數裝置在測試架上，整個橫梁為主尺，游標與超聲接收換能器（動子）連接在一起，當超聲接收換能器（動子）通過螺桿聯動手輪在測試架上移動時，通過游標可讀出任意位置的位置讀數，若記下初始位置的讀數值，再記下實驗操作需要移動到的位置的讀數值，兩值之差即為超聲接收換能器（動子）從初始位置到該位置移動的距離，該讀數裝置的讀數方法與游標卡尺的讀數方法完全相同，按“主尺讀數+小數點+副尺讀數”規律排列即可。例如：主尺讀數為71，游標尺上90刻度線與主尺的刻度線對齊，但注意該讀數不需要估讀，因為該刻度線與主尺的刻度線對齊是目測，已經含有存疑，按“主尺讀數+小數點+副尺讀數”規律排列，就得到該位置讀數為71.90。若已測得初始位置讀數為62.60，則超聲接收換能器（動子）從初始位置到該位置移動的距離為9.3mm。
不僅僅是物理實驗中有一些特殊的儀器，它們的讀數裝置是根據游標卡尺或螺旋測微器的結構和測量原理而制成，在科學類和工程類科研精密儀器中，也有許多儀器的讀數裝置是根據游標卡尺或螺旋測微器的結構和測量原理而制成，而且但其外觀和結構也與游標卡尺或螺旋測微計有很大的區別，并且需要讀出大量的數據，如果在讀數據時采用排列讀數法，便可以使實驗者快速、準確地讀出數據，排列讀數法的實用性、高效性就更能得到體現。
關鍵詞：超聲波；聲速；波幅；質量檢測
中圖分類號：P631.5文獻標識碼：A
1、引言
工程樁應用于我國的城市建筑非常多，大直徑的、深長或者單樁單柱的基樁日趨增多。在施工過程中，不可能百分之百的基樁都能達到合格的要求，難免會有部分的基樁存在不同程度的缺陷。尤其在灌注樁的施工過程中，有時會出現夾泥、離析、縮徑、甚至斷樁等情況。因此，在實際工程檢測中，利用測得的超聲波信號準確判斷樁身質量，排除工程隱患，對基樁的質量評價是至關重要的。
2、基本原理及方法
混凝土是由多重材料組成的多相非勻質體。對于正常的混凝土，聲波在其中傳播的速度是有一定范圍的，當傳播路徑遇到混凝土有缺陷時，如斷裂、裂縫、夾泥和密實度差等，聲波要繞過缺陷或在傳播速度較慢的介質中通過，聲波將發生衰減、造成傳播時間延長，使聲時增大，計算聲速降低，波幅減小，波形畸變。因此，可利用超聲波在混凝土中傳播的這些聲學參數的變化。來分析判斷樁身混凝土質量。聲波透射法檢測樁身混凝土質量，是在樁身中預埋2~4根聲測管。將超聲波發射、接收探頭分別置于2根導管中，進行聲波發射和接收，使超聲波在樁身混凝土中傳播，用超聲儀測出超聲波的傳播時間t、波幅A、頻率f及深度等物理量，就可判斷樁身結構完整性。
聲波投射法范圍適用于檢測樁徑大于0.6m混凝土灌注樁的完整性。因為樁徑較小時，聲波換能器與檢測管的聲耦合會引起較大的相對測試誤差。其樁長不受限制。
3、儀器設備
3.1試驗裝置聲波透射法試驗裝置包括超聲檢測儀、超聲波發射及接收換能器（亦稱探頭）、預埋測管等，也有加上孔口深度滑輪和數據處理計算機。檢測系統見圖1.
3.2超聲檢測儀的技術性能應符合下列規定：
3.2.1具有實時顯示和記錄接收信號的時程曲線，以及頻率測量或頻譜分析功能；
3.2.2聲時測量分辨率優于或等于0.5μs，聲波幅值測量相對誤差小于5%，系統頻帶寬度為1~200kHZ，系統最大動態范圍不小雨100dB；
3.2.3聲波發射脈沖宜為階躍或矩形脈沖，電壓幅值為200~1000V。
3.3聲波發射與接收換能器應符合下列要求
3.3.1圓柱狀徑向振動，沿徑向無指向性；
3.3.2外徑小于聲測管內經，有效工作面軸長度不不大于150mm
3.3.3諧振頻率宜為30~50kHz；
3.3.4水密性滿足1MPa水壓不滲水。
3.4聲測管埋設要點：
3.4.1聲測管宜采用鋼管、塑料管或鋼質波紋管，其內經宜為50~60mm。
3.4.2聲測管應采取方法固定聲測管，使之成樁后互相平行。
3.4.3聲測管應下端封閉、上端加蓋、管內無異物；聲測管連接應光滑過度，管口應高出樁頂100mm以上，且各聲測管管口高度一致。
3.4.4聲測管埋設數量應符合下列要求：
a、D≤800mm，2根管。
b、800＜D≤2000mm，不少于三根管。
c、D＞2000mm，不少于4根管。
式中D---受驗樁設計樁徑。
3.4.5聲測管應沿樁截面外側呈對稱形狀布置，按圖2所示的箭頭方向順時針旋轉依次編號。
圖2：聲測管布置圖
4、現場檢測技術
4.1確定儀器的延遲時間、修正值，以及測量各聲測管外壁間凈距離。將發射與接收聲波換能器通過深度標志分別置于兩根聲測管中的測點處。
4.2發射與接收聲波換能器應以相同標高或保持固定高差同步升降，測點間距不宜大于250mm。
4.3實時顯示和記錄接收信號的時程曲線，讀取聲時、首波峰值和周期值，宜同時顯示頻譜曲線及主頻值。
4.4將多根聲測管以兩根為一個檢測剖面進行全組合，分別對所有檢測剖面完成檢測。
4.5在樁身質量可疑的測點周圍，應采用加密測點，或采用斜側、扇形掃測進行復測，進一步確定樁身缺陷的位置和范圍。
4.6在同一根樁的各檢測剖面的檢測過程中，聲波發射電壓和儀器設置參數應保持不變。
5、檢測數據的分析與判定
5.1各測點的聲時tc、聲速v、波幅A及主頻f應根據現場檢測數據，按下列各式計算，并繪制聲速-深度（v-z）曲線和波幅-深度（Ap-z）曲線，需要時可繪制輔助的主頻-深度（f-z）曲線：
tci=ti-t0-t＇；vi=l＇/tci ；Api=20lg(ai/ao)；Fi=1000/Ti(1)
式中tci—第i測點聲時（μs）；ti—第i測點聲時測量值（μs）；t0—儀器系統延遲時間（μs）；t＇—聲測管及耦合水層聲時修正值（μs）；l＇—每檢測剖面相應兩聲測管的外壁間凈距離（mm）；vi—第i測點聲速（km/s）；Api—第i測點波幅值（dB）；ai—第i測點信號首波峰值（V）；a0—零分貝信號幅值（V）；fi—第i測點信號主頻值（kHz），也可由信號頻譜的主頻求的；Ti—第i測點信號周期（μs）。
5.2聲速臨界值應按下列步驟計算：
5.2.1將同一檢測剖面各測點的聲速值vi由大到小一次排序，即
v1≥v2≥……vi≥……vn-k≥……vn-1≥vn（k=9，1，2，……）（2）
式中vi—按序排列后的第i個聲速測量值：N—檢測剖面測點數；K—從零開始逐一去掉（2）式vi序列尾部最小數值的數據個數。
5.2.2對從零開始逐一去掉vi序列中最小數值后余下的數據進行統計計算。當去掉最小數值的數據個數為k時，對包括vn-k在內的余下數據v1~vn-k按下列公式進行統計計算
v0=vm-λ·sx ；；（3）
式中 v0—異常判斷值；Vm—（n-k）個數據的平均值；Sx—（n-k）個數據的標準差；λ—n-k相對應的系數。
表1 統計數據個數（n-k）與對應的系數
5.2.3將vn-k與異常值v0進行比較，當vn-k≤v0時，vn-k及其以后的數據均為異常，去掉vn-k及其以后的異常數據；在用數據v1~vn-k-1并重復式（6）~（8）的計算步驟，直到vi序列中余下的全部數據滿足：Vi＞v0 （4）
此時，v0為聲速的異常判斷臨界值vc。
5.2.4聲速異常時的臨界值判據為：Vi≤vc（5）
5.3當檢測剖面n個測點的聲速值普遍偏低且離散性很小時，宜采用聲速低限值判據：
Vi＜vL （6）
式中vi—第i測點聲速（km/s）；vL—聲速低限值（km/s），由預留同條件混凝土試件的抗壓強度與聲速對比試驗結果，結合本地區實際經驗確定。當（6）成立時，可直接判定為聲速低于低限值異常。
5.4波幅異常時的臨界值判據應按照下列公式計算：
；Api＜Am-6（7）
式中Am—波幅平均值；n—檢測剖面測點數。當（7）式成立時，波幅可判定為異常。
5.5當采用斜率法的PSD值作為輔助異常點判據時，PSD值應按照下列公式計算：
PSD=K·Δt； K = Tci-tci-1 Δt=Tci-tci-1（8）
———
Zi-zi-1
式中tci—第i測點聲時（μs）；Tci-1—第i-1測點聲時（μs）；Zi—第i測點深度（m）；
Zi-1—第i-1測點深度（m）。
6、工程實例
廣西某汽車廠基地樁基礎采用預埋聲波管進行聲波透射法檢測，鉆芯法驗證。
汽車廠基礎采用人工挖孔灌注樁，儀器使用武漢中科智創巖土技術有限公司生產的RSM-SY5型的聲波透射儀。受檢樁編號338，樁徑Φ1000mm，樁長3.05m，樁身混凝土強度為C30，該樁為端承樁，基巖為中～微風化白云巖。
聲波透射法工作按照《建筑基樁檢測技術規范》JGJ106-2003中第10章聲波透射法執行，樁內埋設3根鋼質的聲波管，測量3個剖面來分析判斷樁身結構完整性。
圖3：剖面聲速—深度曲線、波幅—深度曲線以及 PSD—深度曲線。
圖4：鉆芯法驗證ZH338號樁
根據聲波透射法檢測結果分析，樁頂下1.50~3.05m段三個剖面均無法接收到超聲信號。并采用鉆芯法驗證，1.50m以下至樁底無法撈取芯樣，與聲波透射法結果一致。判斷該樁1.50～3.05m嚴重離析，為不合格樁。
另受檢樁編號347，樁徑Φ800mm，樁長3.60m，樁身混凝土強度為C30，該樁為端承樁，基巖為中～微風化白云巖。共埋設2根聲測管，測量1個剖面來分析判斷樁身結構完整性。
圖5：剖面聲速—深度曲線、波幅—深度曲線以及 PSD—深度曲線。
圖6：鉆芯法驗證ZH347號樁。
根據聲波透射法檢測結果分析，樁頂下2.05~3.60m段無法接收到超聲信號。并采用鉆芯法驗證，2.05m一下至樁底芯樣為粉末碎渣，嚴重離析，與聲波透射法結果一致。判斷該樁2.05~3.60m嚴重離析，為不合格樁。
7、結論
7.1預埋聲測管超聲檢測說明，超聲波法成為混凝土無損檢測的重要手段。
7.2超聲檢測法檢測全面、細致、聲波檢測的范圍可覆蓋全樁長的各個橫截面。且現場操作簡便、迅速，不受樁長、長徑比的限制。
7.3檢測結果直觀地反應了樁身各個方向及其存在的缺陷的確切位置、大小及嚴重程度等方面的質量信息。
7.4超聲檢測中發現的異常不能盲目判定，應結合工程地質資料，施工資料綜合判定，必要時采用另一種檢測手段驗證結果。
Zhong Huisheng；Zhang Jintuan
①Xi'an University of Architecture and Technology School of Management，Xi'an 710055，China；
②Zhonghe Quality of Testing in Wuhan Co.，Ltd.，Wuhan 430082，China；③Hezhou University, Hezhou 542800，China）
摘要：聲速、聲時、聲幅、主頻這四個聲測參數是判斷樁基完整性的主要依據。而在實際樁檢中，各參數都不能達到足夠的精度評判出樁身質量的好壞，必須經過綜合比較加以確定，僅評某一參數的異常來作出判定容易得出相左的結論。并且PSD、聲速參數可以歸為同一參數。
Abstract： Four sounding parameters of acoustic speed, acoustic time, acoustic amplitude and basic frequency are the foundation of judging integrity of foundation pile. In the actual test of pile, each parameter is not precise enough to judge the pile quality. We must judge through comprehensive comparison. Certain abnormal parameter can not be used to make judgement; otherwise, contrary conclusions are easily obtained. And parameter of PSD and acoustic speed can be classified as same parameter.
關鍵詞：基樁檢測 聲測判據 精度
Key words： test of foundation pile；sounding criterion；precision
中圖分類號：TU7文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2011）19-0095-02
0引言
應用超聲波投射混凝土檢測樁體完整性，是一個成熟而又年輕的方法。說其成熟是因為，在國內經歷了近五十年的研究，已經獲得了大量的研究成果，其判斷依據已經逐步成熟起來，各種聲測參數能夠比較準確的獲得并用以判別分析。說其年輕是因為，各參數的分析深度有待加強，無法使用一個參數來做出質量評定，而最重要的是無法將樁體的強度即使用性能，通過各參數反映出來。
1各參數研究脈絡
目前，各參數的研究都已經開展，并且提出了許多的判據，而各判據的使用卻存在一定的局限。
南京水利科學院羅騏先早年曾提出一種判斷缺陷的方法，即“概率法”，此方法經多年實踐已經作為判斷缺陷的基本方法列入各類超聲波規程中 [1-2]。該方法粗略認為，正常混凝土的聲學參數是符合正態分布的缺陷是由過失誤差引起，它的聲學分布不符合正態分布。湖南大學吳慧敏等[3]在對鄭州大橋灌注樁的超聲波透射法檢測結果的判定過程中，提出了一種判斷樁內缺陷的方法，以“聲參數一深度”曲線相鄰兩點之間的斜率與聲參數差值之積為判斷依據，簡稱“判據”。該方法認為缺陷處波速明顯變小，即聲時明顯變大，與相鄰正常測點對比，形成一突變。巫英凱、黃永萊、王根清等[4]在中國水利學會第二屆混凝土無損檢測學術會議上提出了“基樁混凝土無損檢測一超聲波脈沖NFP法”。廣州建科院陳如桂[5]提出了“逆概率解釋法”，它在概率法和PSD判別法的基礎上以隨機函數為前提，在有干擾的基礎上分離有用的強弱異常，進一步克服傳統方法中錯判和漏判缺陷的缺點。福建省建筑科學研究院葉健[6]提出了“聲波透射法樁基檢測技術中聲測管距真實管距求解及CBV判據”。河南交通基本建設質量檢測監督站閻光輝[4]提出了“PSD、V、A綜合判斷法”，其分別將PSD、V、A判據，根據工程經驗進行細化，再加以綜合考慮。南京水利科學研究院宋人心等[7]提出了“灌注樁聲波透射法缺陷分析方法一陰影重疊法”，將加密對測和斜測的檢測結果標示于檢測剖面圖上，可以更直觀的分析判斷缺陷的范圍。
超聲波透射法檢測混凝土灌注樁樁身缺陷、評價其完整性的依據是通過測定聲波經過混凝土傳播后各種聲學參數的量值得出的，聲波在有缺陷介質中傳播路徑如圖1。目前混凝土質量檢測中所用的聲學參數主要有波速、波幅、頻率及波形。混凝土的波速與其彈性性質及混凝土內部結構有關波幅是表征聲波穿過混凝土后能量衰減程度的指標之一，它的強弱與混凝土的彈塑性有關，它對缺陷區反應比聲時更為敏感接收波主頻率實質是介質衰減作用的一個表征量，當遇缺陷時衰減嚴重接收波形可以根據波形畸變程度作為判斷缺陷的參考依據。這幾種聲學參數都是判斷混凝土質量的重要參量。
2各類判據的評判
聲速、聲時、聲幅、主頻這四個聲測參數是判斷樁基完整性的主要依據。其中，聲幅、主頻、聲時是儀器中實測的絕對數值，能直接表達樁身材料的一定性能。而聲速卻是一個相對變動參數，其準確數值的獲得必須要另一非判據參數-測距的確定來間接計算得出。
2.1 測距在聲測過程中測距參數是在隱蔽工程中難以實測的數據，其參數的獲得只有通過測量管口的管間距來間接反映樁身管間距，而規范中對聲測管間距測試精度要求為1%，這在實際施工中是難以達到的。聲測管一般為金屬材料制作而成，其變形一般較小，而在實際施工中，特別是深樁施工中，累積長度的扭曲往往較大，再由于綁扎不牢等因素的存在，易使聲測管出現扭曲，這樣就無法保證聲程的一致性。而在實際檢測工作中，常見到樁頭或樁底出現聲時值的快速滑移現象。而導致聲時滑移的因素主要有兩個，一是介質性質發生變異，二是聲程發生變化導致聲時變化。這些影響因素的存在，是檢測工程師們所熟知的，并且通過規范易知聲測是粗側混凝土的完整性，而對混凝土的其它性質無法統一給出。這樣就限定了聲測的應用范圍，使其工程應用領域偏狹。
2.2 聲時值在超聲檢測中聲時參數是一個相當重要的參數。其數值的獲取由設備自身自動獲得，為聲測唯一準確值。聲時值作為一個聲測判據，能夠反映混凝土的質量差異。當聲時出現突變時，一般認為混凝土質量存在差異。而聲時差異出現的另一因素是，聲測管的扭曲變形，往往這種差異僅僅表現在聲時值的變化中，同樣會對聲速值產生一定的影響，而從其他判據中可以看到比較正常的波形，特別是對于波幅參數中。
2.3 PSD判據與聲速而從另一個方面來看，聲測的聲時實測值為PSD判據的推定依據，同樣聲速為聲時推演值，因此二參數的判斷依據與判斷結果必定是一致的，聲速的減少聲時必增加，表現在判據曲線上，聲速的下凹，而在PSD對應位置為曲線的上凸。因此，二判據具有高度的一致性，即二判據可以舍一，僅取聲速判據足以。
2.4 波幅和主頻參數而對于其它兩參數，波幅與主頻的穩定性更差。主頻離散性太強，幾乎布滿了整個頻域限定的范圍，因此主頻只是用于對聲波收發波束的篩選功能，無法作為一具體的樁身質量判據。波幅判據為一穩定性較高的判據，但是其判斷精度也無法保證，因其反映的是接收到的首波的波幅值，而一般首波波幅較后續疊加波小很多，也就是說只要接受探頭能夠接收到頻域范圍內的聲波則聲幅值比較穩定，除非缺陷較大，波能損失殆盡，通過波幅可以反映出部分缺陷。
2.5 各參數的改進分析綜上可以看出在有價值的判斷中聲速值是一最敏感的參數。而聲速值的由來卻無法得到準確的保證。在實測資料中經常獲得≥5km/s的聲速值，已接近鋼材的聲速值，而實驗室中標準試件的聲速值為3.8-4.6km/s，因此這一較大數據的采集得不到有效的理論解釋，而地下樁體中常含有比標準試件更多的裂隙和水，而裂隙和水的存在只會減少聲速，而不會增加聲速值，這就給我們提出了一個新的研究課題，對聲速測量的準確化。
在上文中提到了，聲速、測距、聲時是三個相關參量，只有知道兩個才能確定第三個，因此可以通過一定的技術手段是測距能夠準確化來換算聲速值。
對于波幅的研究多是通過首波波幅值來反映樁身質量，對于后續波形形態的研究較少。因為后續波形為聲波在混凝土內部經復雜的反射、折射、繞射等過程得到的，分析起來具有較大難度，并且其分析價值的多少還有待進一步細化研究。
3結語
通過對各參數的對比分析，可以看出，雖然超聲檢測已經歷了幾十年的發展到目前已經成為在工程中成熟應用的基樁檢測技術，但是卻存在著一個難以逾越的難題。這就是對樁身質量的定量化評定，以上各種手段都難以做到定量化，并且各有利弊，需要綜合考慮來評定樁身質量。
而工程實際應用的樁體，是樁身的綜合評定，即樁身在存在缺陷的情況下能不能達到設計要求的強度。大量學者都研究了聲速與強度的關系，但是由于影響因素過多，無法形成統一的函數關系。這也成為一個亟待解決的問題。
參考文獻：
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關鍵詞：樁基礎；檢測技術；超聲波；公路橋梁工程
1.前 言
隨著我國交通事業的發展，樁基已成為一種重要的基礎形式應用到交通基礎建設中，它決定著整個工程的基本質量。目前混凝土鉆(沖)孔灌注樁是橋梁施工結構的主要形式，這主要是由于樁能將上部結構的荷載傳遞到深層穩定的土層中去，從而大大減少基礎沉降和建筑物的不均勻沉降，具有抗震性能好，承載力高，施工噪音小等特點，是一種極為有效，安全可靠的基礎形式。
由于樁基是典型的地下隱蔽結構物，由基樁缺陷引起的工程問題時有發生，很容易出現縮徑、斷裂、夾泥、沉渣、擴徑等質量問題。對施工后的基樁進行質量檢測，對于及時發現問題、采取必要的工程措施有相當的重要意義。
2.超聲法概述
超聲法檢測樁的混凝土質量是上世紀九十年展起來的一種新的檢測方法。具有以下優點:
1)檢測細致，結果準確可靠。2)不受樁長、樁徑限制。3)無盲區。聲測管埋到的部位都可檢測，包括樁頂低強區和樁底沉渣厚度。4)樁頂露出地面即可檢測，方便施工。
因此，雖然需預埋聲測管，材料費用較高，但仍然得到廣泛采用。
3.檢測參數
3.1聲速。聲速即超聲波在混凝土中傳播的速度，它是混凝土超聲波檢測中一個主要的參數，與混凝土的彈性性質及混凝土的內部結構組成有關。彈性模量越高、內部越密，其聲速就越高。
3.2波幅。接收波波幅通常指首波，反映了接收到聲波的強弱，它與混凝土的粘塑性能有關。在發出的超聲波情況下，波幅的大小反映了超聲波在混凝土中衰減的情況，即在一定程度上反映了混凝土的強度。對于內部有缺陷或裂縫的混凝土，由于缺陷、裂縫使超聲波反射或繞射，波幅也將明顯變化。
3.3頻率。超聲檢測中，電脈沖激發出的聲脈沖信號是復頻超聲脈沖波，在混凝土內傳播過程中，其中的高頻成分首先衰減，而下降的多少除與傳播距離有關外，主要取決于混凝土本身的質量和內部是否存在缺陷。
3.4波形。波形指接收換能器屏幕上顯示的接收波波形。當超聲波在傳播過程中碰到混凝土內部缺陷、裂縫或異物時，會產生繞射、反射和傳播路徑的變化，反射波、繞射波等波相繼到達接收換能器，它們的頻率和相位各不相同，疊加后使波形畸變。因此，對接收波波形的研究分析有助于對混凝土內部質量及缺陷的判斷。
4.現場檢測工作
4.1準備工作。1)調查、收集資料。包括: 樁的類型、尺寸、標高，成孔方法及工藝、地質資料，設計參數，混凝土參數、施工方法和工藝及施工中出現的問題等。2)制定檢測方案。根據樁基預埋的聲測管數量確定檢測剖面個數，并統一進行編號。樁的混凝土強度齡期一般應大于14d，以保證各特性參數基本平緩。3)前期準備。包括設備、儀器檢定等準備工作。
4.2現場檢測。1)在樁頂測量相應聲測管外壁間凈距離。2) 用一段直徑與換能器略同的圓鋼作疏通吊錘，檢查聲測管的通暢情況。3)向管內灌滿清水。4)將發射與接收換能器通過深度標志分別放入聲測管中的測點處。5)發射與接收換能器以相同高度或保持固定高差同步升降，測點間距不宜大于250 mm。6)實時顯示和記錄接收信號的時程曲線，讀取聲時、首波峰值和周期值， 宜同時顯示頻譜曲線及主頻值。7)樁身質量可疑測點周圍，應采用加密檢測，包括采用平測、斜測、扇形掃測等方法進行復測。
5.測試數據的計算整理
5.1聲速
式中 ――每檢測剖面相應兩聲測管的外壁間凈距離, mm；
t′――超聲儀聲時讀數；
――聲時初讀數，是由標定計算出的值。
5.2波幅。波幅是相對測試。由于樁身混凝土內部結構的變異性很大而難以找出較強的波幅統計規律性，因此在實際中多是根據實測經驗將波幅值的一半定為臨界值。
5.3繪制深度～聲速、波幅圖。根據各測點的數據按樁繪制出樁上各測試面沿樁身的深度～聲速、波幅圖。
6.樁身混凝土質量的判斷和評定方法
對樁身混凝土質量的判斷和評定包括以下三個方面: 樁身混凝土是否存在缺陷及范圍；樁身混凝土強度；樁身混凝土均勻性。其中對缺陷的判斷和評定是最主要的。對缺陷的判斷主要根據聲速和波幅二個參數，必要時輔以PSD值變化大小。
6.1用聲速參數判斷。(1) 當實測混凝土聲速值低于聲速臨界值時應將其作為可疑缺陷區。
Vi
式中Vi ――第i個測點聲速值, km/s；
VD ――聲速臨界值，km/s。
(2) 聲速臨界值采用正常混凝土聲速平均值與2倍聲速標準差之差。
VD = v - 2σV
式中VD ――聲速臨界值，km/s；
v――正常混凝土聲速平均值，km/s，一般在3 500～4 500；
σV ――正常混凝土聲速標準差。
6.2用波幅參數判斷
波幅測值在缺陷探測中是一種重要的參數，大量的工程實踐都證實，樁內存在的缺陷其波幅測值都有明顯的反映，且比聲速更為敏感。當實測混凝土波幅值低于波幅臨界值時，應將其作為可疑缺陷區。
AD =Am - 6
式中AD ――波幅臨界值，dB；
Am ――波幅平均值，dB，一般在65～110(與剖面距離有關系) 。
上述各項參數計算及繪圖均由專用軟件完成，測試一結束即可知道那些是異常點，而在深度～聲速圖上也可一目了然地看出低于臨界值的測點。
6.3綜合判斷
(1) 以聲速值進行概率法統計判斷，獲得低于臨界值(單點判斷和相鄰點判斷)異常點的位置和深度，結合PSD值的大小；(2) 分析波幅的變化，把聲速低于臨界值且波幅又明顯偏低的測點和部位定為異常部位；(3) 根據細測和斜測資料，確定缺陷的范圍；(4) 根據缺陷在樁上的位置、施工情況等綜合判定缺陷的種類和性質。
判斷時要注意各個測試剖面的聲速和波幅及PSD值，特別是在判斷整個斷面的層狀缺陷(斷樁)時更要慎重。對于層狀缺陷，必須是三(3根聲測管)或六(4根聲測管)個測試剖面都是層狀缺陷才行。有時附著在聲測管上的泥團會使二個測試剖面或三個剖面測值低，但并不是整個斷面的缺陷，通過斜測與扇形掃測試可進一步得以判斷。
7.缺陷性質與聲學參數的關系
1)沉渣: 沉渣是松散介質，其本身聲速很低(2 500 m/s以下)，對聲波的衰減也較明顯，如遇到樁底沉渣，檢測時聲速和波幅均劇烈下降。2)泥團: 聲速與波幅均下降，但下降多少則視缺陷情況而定。如果是局部的泥團，并未包裹聲測管，則下降的程度并不大；如果泥團包裹聲測管，聲速與波幅值明顯下降，特別是波幅的下降較為明顯。一根聲測管被泥團包裹(如三根聲管影響兩個測試剖面、六根聲管就影響三個測試剖面)，通過斜測與扇形掃測可以分辨缺陷程度和位置。3)混凝土離析: 粗骨料多的地方，由于粗骨料本身聲速高，往往造成該部位聲速測值并不低，而只有波幅偏低；但由于粗骨料的聲學界面多，對聲波的反射、散射加劇，接收信號削弱，于是波幅下降。有時砂漿多的地方而粗骨料少，所測得聲速值偏低，但波幅測值不下降，有時還會高于附近測值，所以對樁的判定時要以聲速和波幅兩個參數進行綜合的分析判斷，必要時結合PSD值進行分析。
8.樁身完整性評價
根據測試和判斷的結果，對所測樁的完整性、缺陷和處理意見進行綜合性評價。結合《公路工程基樁動測技術規程》，本項目基樁超聲波檢測評價表如表1所示。
對所測基樁的完整性、缺陷和處理進行評價，主要是對樁如何處理，需要考慮到許多方面，例如，樁的類型: 是摩擦樁還是端承樁；受荷情況: 是單樁還是群樁；缺陷出現的部位: 樁頂、樁中部還是樁底等。所以，對基樁完整性判定和處理意見方面要慎重。
表1 樁身完整性類別判定表
類型 缺陷 曲線特征 完整性評定結果
Ⅰ 無缺陷 各聲測剖面的聲學參數均無異常，無聲速、波幅低于臨界值，波形正常 完整，合格
Ⅱ 局部小缺陷 某一聲測剖面個別點的聲學參數出異常，無聲速低于臨界值，波形基本正常 基本完整
Ⅲ 局部嚴重缺陷 某一聲測剖面連續多個測點或某一深度樁截面處的聲速、波幅值低于臨界值，PSD值變大，波形畸變 不合格
Ⅳ 斷樁等嚴重缺陷 某一聲測剖面連續多個測點或某一深度樁截處的聲速、波幅值低于臨界值，PSD值突變，波形畸變 不合格，報廢
9.工程檢測實例
例一: 某嵌巖樁身長19.00 m，經超聲波檢測、復測確定該樁存在局部缺陷，從樁頂以下AB 剖面4.25 m處，BC剖面3.50 m處，AC剖面2.75 m ～3.50 m均出現聲速和波幅低于臨界值，根據樁身完整性評價表故判該樁為II類樁。
例二: 某嵌巖樁樁身長17.50 m，經超聲波檢測、該樁存在嚴重缺陷，從樁頂以下AB 剖面16.00 m～17.50 m 處，BC剖面16.00 m ～17.50 m處，AC剖面15.75 m～17.50 m其聲速值和波幅值低于臨界值，PSD值變大，波形畸變。根據樁身完整性評價表故判該樁為III類樁，見圖1。
該樁經取芯驗證，從樁頂到16.00 m處樁身混凝土膠結一般，16.00 m到樁底混凝土離析，為不合格樁。
例三: 某嵌巖樁樁身長21.00 m，經超聲波檢測、該樁樁身較完整，從樁頂以下AB剖面0.00 ～21.00 m處，BC剖面0.00 ～21.00 m 處，AC剖面0.00～21.00 m其聲速值和波幅值均正常，根據樁身完整性評價表故判該樁為I類樁，見圖2。
該樁經取芯驗證從樁頂到樁底膠結完整，為合格樁。
10.結束語
基樁超聲波檢測技術性很強的工作，不但要求有理論基礎，還要依靠實際經驗對超聲波檢測技術的在工程上的應用進行分析、總結。
參考文獻
（天然氣川氣東送管道分公司，武漢430000）
（SichuantoEastGasPipelineBranchofSINOPEC，Wuhan430000，China）
摘要：氣體超聲波流量計換能器是超聲波的發射和接收裝置，是測量聲速和天然氣流速的關鍵部件，也是流量計唯一與天然氣直接接觸的測量部件。在使用過程中，換能器的工作性能就會持續下降，將直接影響測量精度，造成計量誤差。現場加強換能器的診斷檢查和維護，對及時發現問題、延長換能器使用壽命、保證性能良好具有非常重要的意義。
Abstract:Gasultrasonicflowmetertransduceristhetransmittingandreceivingdeviceofultrasonic,thekeycomponentofmeasuringsoundvelocityandgasvelocity,andalsotheonlymeasurementcomponentofflowmeterthatdirectlycontactswithnaturalgas.Inusingprocess,theperformanceoftransducerwillcontinuetofall,whichwilldirectlyaffecttheaccuracyofmeasurement,andcausethemeasurementerror.Ithasveryimportantsignificancetostrengthentheinspectionandmaintenanceoftransducerforfindingproblemsintime,prolongingtheservicelifeofthetransducer,ensuringgoodperformance.
關鍵詞 ：超聲流量計；換能器；天然氣計量
Keywords:ultrasonicflowmeter；transducer；naturalgasmeasurement
中圖分類號：TE977文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2015）21-0115-03
0引言
換能器是超聲波流量計重要部件，其性能好壞直接影響流量計計量精度的高低，而造成換能器性能降低的因素比較繁雜和難以分析，但通過對換能器工作條件的分析和工作原理的理解，我們可以更為及時地發現換能器性能下降的情況，對是否更換換能器作出及時的判斷，從而有效降低換能器性能下降對天然氣計量的影響。
1氣體超聲波流量計原理
1.1超聲換能器工作原理
超聲換能器主要工作部件是壓電晶體，其在外界施加的電場作用下，將在一定方向上產生機械變形；當外加電場撤去后，該變形則隨之消失。壓電晶體一定頻率的機械變形（振動）則產生聲波，當頻率超過20kHz則產生超聲波。壓電晶體工作原理如圖1。流量計一對換能器相互接收和發送超聲波，外部電場的加載或撤除由脈沖發生器控制，超聲波由一端換能器發出至另一端換能器接收的時間由流量計CPU板時鐘進行采集。換能器信號檢測回路如圖2。
1.2氣體超聲波流量計計量原理
本文所述氣體超聲波流量計為時間直通式超聲流量計，其工作原理是利用超聲脈沖在氣流傳播的速度與氣流的速度有對應的關系，即順流時超聲波脈沖傳播速度比逆流時傳播速度要快，這兩種超聲波脈沖傳播的時間差越大，則流量也越大。在實際工作過程中，處在上下游的換能器將同時發射超聲波脈沖，氣流的作用將使兩束脈沖以不同的傳播時間到達接收換能器，通過采集的時間以及相關距離參數計算出氣體流速和聲速。基本計算公式如下：
對于高級超聲波流量計，CFact=1。
2換能器性能下降的主要影響因素
換能器是氣體超聲波流量計唯一與天然氣直接接觸的測量部件，其一直處于氣流沖刷和不良氣質侵蝕的狀態，長期下來換能器的工作性能就會有所下降，直接影響測量精度，造成計量誤差。
造成換能器性能下降的主要影響因素有以下幾點：
2.1高速、高溫氣體沖刷
根據《GB-T18604-2014用氣體超聲流量計測量天然氣流量》要求氣體超聲波流量計流速測量范圍為0.3～30m/s。在實際使用過程中，由于供氣規模的增大，氣體流速過大造成換能器震動以致出現松動的現象。另外在啟用計量支路操作不當的情況下，高速氣流短時間內充滿管道，氣體溫度驟升，溫度超過換能器的使用范圍，這樣也會對換能器造成損壞。
2.2不良氣質的侵蝕
天然氣輸送管道環境較為復雜，通常可能存在腐蝕性氣體如H2S、游離水、油脂、鐵銹和泥土等污染物，這些污染物都會附著或干擾換能器工作，在冬季管道中無氣體流動的時候，管道中游離水就會結冰凍結探頭，造成探頭工作異常。管道中的固體雜質如油脂等極易附著在換能器上，造成換能器工作性能下降或停止工作。圖4、圖5反映了探頭被油脂附著的情況。
3換能器常見問題對計量的影響分析
由公式（1）可以看出，氣體超聲波流量計測量氣體流速的關鍵參數是L、x、tup、tdown，本文將根據流量計現場使用存在的問題做對應分析。
3.1L、x測量不準確，或換能器臟污等造成聲程變化對計量的影響
x值由流量計出廠時測定，其加工精度一般達到
1/10000inch，并將每對換能器的x值腐刻于銘牌上，該值不會在使用過程中發生改變。
L值由流量計表體每對換能器底座之間的距離，以及探頭的加工參數共同決定，其每個部件的加工精度一般達到1/10000inch。在實際流量計使用過程中，由于天然氣含有固體粉塵或液體雜質，并可能附著在換能器表頭，造成L值發生改變；或是在進行換能器更換時，將換能器相關出廠數據輸入錯誤，也將造成L值發生異常改變。
由公式（1）可知v∝L2、c∝L，即L值增大（減小）將造成測量的氣體流速、聲速相應的增大（減小），同理也就會造成天然氣計量的增大（減小）。
3.2換能器性能下降，時間測量不準確對計量的影響
由圖2得知，上下游換能器的發射和接收時間由流量計CPU板時鐘采集得到，其主要包括超聲波發射至接收的時間t，以及換能器本身材質所產生的延遲時間tdly和換能器使用在上下游的延遲時間差tdltdly。后兩者由換能器出廠時完成測量，并植入流量計組態中參與計算。
在管道中氣體不流動的情況下，tup=tdown，而當換能器性能下降或時鐘采集時間不準確，則會出現tup≠tdown。如果?駐t=tup-tdown超過了正常誤差范圍，由公式（1）可以看出，該通道將測得不真實氣體流速，表現出流量計有瞬時流量的產生。
若?駐t＜0，則出現正向流方向的不真實氣體流速；若?駐t＞0，則出現逆向流方向的不真實氣體流速。正常供氣條件下使用該問題流量計，就會在測量上下游時間差時先抵消不真實?駐t的影響，這樣將會造成計量的起點發生改變。即，?駐t＜0時流量計將多計量，?駐t＞0時流量計將少計量。
從現場使用的一臺DN200在氣體不流動狀態下存在tup≠tdown問題的流量計現場測量數據來看，上下游換能器測量時間差為0.235μs，其計算出的氣體流速約為0.18m/s，以此流速得出的工況流量約為20m3/h。即，氣體不流動狀態下，此問題流量計就已經開始錯誤計量。對該流量計的一對問題換能器進行更換后，消除了以上錯誤計量問題，最終通過了實流標定。（表1）
3.3環境噪聲對氣體超聲波計量的影響
氣體超聲波流量計發射的超聲頻率約為120kHz，而調壓設備也會產生一定的高頻噪聲，一定程度上將影響流量計對超聲信號的接發。所以站場設計應充分考慮調壓高頻噪聲對超聲換能器的干擾影響，一般采用設置T型匯管或計量調壓分區等措施。高頻噪聲造成流量計信號模糊，并產生流量信噪比，使流量計的電子單元難以區別或無法區分這兩種信號，導致超聲換能器不能準確收發超聲波信號，因此極大地影響氣體超聲波流量計的性能、準確度和穩定性，甚至使流量計無法工作。試驗研究表明，高頻噪聲可使氣體超聲波流量計的誤差高達2%，同時從現場實際情況來看，噪聲對流量計計量呈負誤差影響。
4結論及建議
超聲換能器是氣體超聲波流量計的關鍵測量部件，其性能下降至完全損壞是一個長期積累的結果。在做好站場設計和降噪措施后，日常運行中應做好診斷檢查和維護，對及時發現問題，延長換能器使用壽命，保證使用性能具有非常重要的意義。
使用診斷軟件定期對流量計進行檢查，了解超聲換能器的運行狀態，及時發現處理問題。尤其做好氣體不流動下氣體超聲波流量計狀態的檢查，發現換能器存在上下游時間差時，應及時地對換能器進行更換。《GB-T18604-2014用氣體超聲流量計測量天然氣流量》相比2001版，提高了氣體超聲波流量計零流量讀數要求，將以往的零流量下每一聲道的流速讀數要求＜12mm/s提升為＜6mm/s，這一要求也是對換能器性能的一個監控。另外根據診斷結果，對聲速（SOS）異常、增益值（Gain）增大、信噪比（SNR）減小的換能器進行清洗維護，在日常的運行過程中，還應避免計量支路的不正確投用造成換能器損壞的情況。
參考文獻：
[1]孫金明，等.噪聲對超聲波流量計的影響及案例分析[M].出版地：油氣儲運，2011年9月.
【關鍵詞】：橋梁樁基檢測
0 前 言
為了更好的研究橋梁樁基施工與檢測技術, 文章將此分為兩部分來進行具體的實例研究。在第一個問題中將研究青藏鐵路不凍泉特大橋樁基施工, 并對此進行總結和經驗分析; 在第二部分中將以重陽水庫大橋樁基檢測技術為例來進行分析, 它將以超聲波透射法作為重點的檢測技術來進行介紹。
1xx大橋樁基施工研究
1、1xx特大橋建設背景
作為重點建設工程的xx大橋, 地理位置位于xx山南側, 海拔高度為 4 600 m, 中心里程為DK1006+ 822 , 共 90跨 32 m, 大橋總長為 2 955 m, 設計為1 25 m 鉆孔樁基礎, 樁長為 18m ~ 30 m, 樁總長為 6 588m。它的地表構成主要為沖擊中砂、角礫、碎石, 細沙等。
12xx大橋樁基施工總述
在工程中面臨的首要問題是凍土問題, 隨著全球氣候變暖, 凍土層逐漸變薄, 為了解決好凍土層變薄這一現象,選用了旋挖鉆機與沖擊鉆機配合的方式進行工作, 并用了兩個半月完成了任務。旋挖鉆機的使用最大特點是一定要對埋入的鋼護筒的周圍進行填埋, 在外部涂上瀝青。在使用沖擊鉆前, 要先在凍土層上放上枕木架, 然后將鉆機放在上面, 可以平衡鉆孔在凍土上的影響。打鉆時,可能產生振幅波動對周圍凍土產生坍塌, 這時要灌入混凝土固定凍土層。在鉆孔時, 要時常松動繩索, 不僅可以預防沖擊鉆打空錘, 也可以使鉆頭更快地接觸更深處地質層。檢測土壤信息, 記錄好鉆孔時的繩索的收降情況, 時常聽聞鉆孔的聲音大小, 判斷鉆孔的沖擊狀況來決定繩索的收降長度。
為了保護凍土結構和原生態, 要按要求用凈化機對泥漿進行過濾處理, 將其分離出來的廢棄物進行適當處理。在打孔的工作完成后, 要對孔深、孔的大小、孔的質量進行詳細的檢測, 不合格的要進行改造。清潔樁孔的方法是在孔干透后, 用泵吸干孔中的漿和碎石砂, 直到干凈為止。
施工中灌注混凝土時, 要先設好孔內的導管, 做到管內密不透風和滲水, 灌注時還要用泵抽干泥漿, 防止泥漿流出, 對于抽出的泥漿也要送到渣場進行再利用。每天的灌注時間不宜過長, 基本都保持在合理的時間內即可。
在開工前, 要先將已有的混凝土用運輸車提前運到現場, 由于混凝土使用前要對使用數量進行估測, 而往往估測的混凝土數量與實際使用量會有一定的誤差, 為了防止這樣的問題出現, 要提前做好準備, 對于不夠的要及時補貨。在對灌注的地點選擇上有時也會有偏差, 所以需要長時間的檢測, 一般溫度在 2℃ ~ 5℃ 以內最為適合。
因為xx橋施工任務緊、工期短、要求工程在2002年底前完成任務, 而鉆孔的時間只有三分之一, 所以技術人員不僅要將工作器具、地質情況、天氣情況和工作進度考慮到, 也要對可能出現的重大問題做出預測和應急方案。工程計劃用兩個半月的時間完成鉆孔樁, 三個月的時間完成鉆孔。
xx大橋樁基施工的過程合理有序, 建造過程良好, 完成了預定的目標, 用了很短的時間就完成了所有的樁基工程。樁基的檢測結果全部為優秀。xx大橋的樁基施工特點是在凍土層上完成了施工, 并且沒有破壞任何凍土結構, 在施工中沒有出現過塌方和土層下陷的情況, 同時又積累了混凝土新的施工經驗,并引入了現代高科技技術, 是優秀的橋梁樁基施工典型案例, 它的經驗和技術是值得借鑒和推廣的。
2 xx水庫大橋樁基檢測技術研究
2 1xx水庫大橋建設背景
xx水庫大橋位于河南省南陽市重陽水庫上, 橋寬 33m, 全長 664596 m。橋底的地質是由淤泥、卵石、細砂巖, 細沙淤泥等組成, 因為大橋樁基屬隱蔽工程, 其技術含量高, 工程復雜, 為了保證大橋樁基的安全和質量, 技術人員將會進行嚴密的觀測。
22大橋樁基的檢測技術研究總述
在橋梁樁基檢測中, 超聲波透射法是最被普遍使用的,它不僅有超聲波的穿透技術, 而且是目前最先進的檢測技術。它采集的樁基信息不僅豐富, 而且對大橋的檢測密度也高于應力反射波法。而應力反射波法檢測深度只到灌注樁的上端。
超聲波透射技術是利用聲波的傳播技術來進行檢測的,當把發射探頭裝置放入聲管中, 信號接收器就會將聲波轉換成資料進行收集和分析, 再通過電腦技術的幫助對其帶回的資料加以研究和總結, 這樣就對大橋內部的結構缺陷、建筑變形等有了很好的參考資料。
施工人員要將數根聲測管埋入大橋樁基的外側, 根據資料參考, 大橋外側的瑕疵率較高, 將聲測管的資料收回時就可以得到較全面的大橋瑕疵的分析資料。聲測管的外部采用無縫鋼管的材質, 它不僅質量過硬,對于高溫、腐蝕都有其極好的預防性。在對聲測管進行水泥澆灌時, 它不僅可以承受沖擊力度, 也與水泥的粘合性效果極好。聲測管可以承受環境因素與人為因素而產生的收縮變化, 它與水泥之間也不會產生裂紋和斷開, 從而對檢測不會產生影響。
在第一次的測量應采用粗測, 每收集到一定的信息后,換能器將下降一定距離, 如出現了異常情況需要采用細測方法。在檢測的過程中, 先要將檢測儀的零件進行組裝和系統設置, 對聲波和波幅的數據進行記錄, 再通過電腦軟件進行研究和分析, 計算出最后的聲速、波幅曲線及 PSD資料。
最后的判定結果以聲速范圍值、波幅范圍值以及 PSD的綜合結果為依據。在重陽水庫橋樁基的檢測中, 采用超聲波透射法檢測時, 已查出有質量問題的就有十幾根之多,這些都是可以進行修補的, 修補之后選用鉆芯的方法進行再次的測試, 并對其進行壓漿施工。
用超聲波檢測樁基的鋼筋水泥的壓強, 是會產生一定誤差的。因為聲速測量出混凝土的強度是有很大困難的。在!建筑基樁檢測技術規范∀和!超聲法檢測混凝土缺陷技術規程∀中都有對超聲波檢測樁基的記錄, 雖然只是作為一個參考資料, 但也是一次很好的經驗積累。
大橋樁基檢測的研究是隨著時代進步發展的產物, 現代化的檢測方法可以更好的對有缺陷的橋梁樁基進行加固和維修。超聲波透射法不僅檢測花費小、實用性高, 測算結果準確, 同時也是業內人士推薦的方法。在大量的橋梁樁基試驗中, 總結了很多寶貴的經驗, 在這里不僅要感謝那些戰斗在第一線的施工人員們, 也要把他們的寶貴經驗更好的傳承下去。
關鍵詞：長江下游水道 原型觀測 施工組織設計 技術實施
長江干線自西向東橫貫中國中部，流域內地貌類型眾多，流經峽谷河段、巖溶發育河段、沖積河流河段、平原多州灘分汊河段及感潮河段。長江水運建設是長江經濟帶長足發展的根基。航道測量是航道建設、維護的眼睛，為航道整治建筑物設計、航道整治工程可行性評估、效果評估等提供原始資料和數據基礎。黑沙洲水道是長江下游重點礙航淺水道之一，平面形態為首尾窄、中間向左展寬的典型鵝頭型分汊河道，由兩個江心洲分成南、中、北三個汊道。南水道為現行主航道，但局部沿岸區域水深較淺，局部沿岸區域竄溝逐漸發展為深槽，使淺區流量減少，流速下降。中水道逐漸淤積衰亡，枯水期呈現干涸狀態。由于其地理位置及水道情況的復雜性，對黑沙洲水道進行航道整治，改善當前水道不利水文條件下的航道條件，擴大航道尺度和通過能力，對長江下游航道建設和維護有非常大的意義。黑沙洲水道航道整治一期工程已于2011年9月竣工，為進一步改善船舶通航條件，擬開展航道整治二期工程。為滿足二期工程河演分析、方案布置和航道整治建筑物設計的需要，需對黑沙洲水道開展原型觀測。
工程概況
原型觀測包括地形測量和水文測驗。觀測時間為期一年，包括洪、中、枯共四個測次，分別在**年2月、**年8月、**年11月、次年2月完成。
地形測量范圍上起荻港水道皇宮廟、下迄白茆水道保定圩。河道地形測量水上部分觀測到兩岸的防洪大堤堤頂或與堤頂相近的高程。圖上準確標注各種水利、碼頭設施的位置、尺度、高程等，并將陡岸坡、洲體上植被覆蓋標識清楚，標明岸坡崩塌位置和范圍、測流斷面和水尺的準確位置、已實施整治工程位置、地名。
水文測驗包括水位及比降、斷面垂線流速分布（包括流量）、表面流速流向的觀測以及河床質、懸移質取樣。設流量觀測大斷面7處、臨時水尺14把，固定水尺1把（設于黑沙洲水道出口三山河附近）。觀測水尺水位、測流斷面流速、流量、流向分布，測量時間應與地形測量同步。固定水尺觀測從**年2月至次年2月進行每日連續觀測，每日觀測時間段為上午8：00、下午14：00、晚上18：00。表面流速流向觀測南水道主槽布置7條流向線，北水道布置3條流向線，要求在地形測圖上標繪流向線、表面流速值及觀測時的風況條件；河床質及懸移質取樣位置分布均勻，所取樣本能較全面反應河段河床質及懸移質情況。
觀測技術方案及實施
綜合測區概況、觀測內容及技術要求，將該原型觀測分為控制測量、地形測量、水深測量、水文測驗及內業成圖五個部分完成。
1、控制組
控制測量平面采用1954北京坐標系，高斯正形投影三度分帶，測區所處位置為39度帶，中央子午線經度為117°；高程采用1985國家高程基準（絕對圖）和當地航行基準（相對圖）。采用國家C級網和E級網構建能覆蓋整個測區范圍的控制網，并解算橢球轉換模型的布爾莎七參數。選取的控制點均勻地分布在河道兩側。
2、地形組
地形測量從測區上端至下端實施。無樹林遮擋或樹林較稀疏的地帶，收星良好的情況下，采用中海達RTK測量；樹林較密，天空不夠開闊的區域，采用天寶R8測量或配合全站儀極坐標法聯合測量。地形測量點距根據實際地形按圖上0.8-1.5cm實施，對于地形復雜的區域進行了加密測量，詳細測繪地形地貌及與重要地物的相鄰關系。
3、水深組
為達到觀測精度，水深測量時段內測區風力小于3級，浪高小于0.3m。采用快艇從下至上測量主槽水深，對于州灘等水深較淺快艇無法到達的區域采用吃水較淺的船舶同步測量，船舶無法到達的極淺水域采用人工涉水測量，測量范圍覆蓋整個測區。測船安裝儀器后、作業前量取水溫，查詢《水運工程測量規范》聲速表中對應聲速值，設定測深儀的聲速值、吃水值、靈敏度、量程倍乘、零米線、吃水線、發射功率等相關參數。船上測量人員同步記錄浮標名稱、位置、類型。
4、水文組
水位及比降觀測。固定水尺位置嚴格按照技術要求中水尺位置坐標控制，設專人每日進行觀讀。水尺均設置在前方無沙灘阻隔、江水可自由流通、能充分反映當地水位變化情況、能牢固設立、受風浪、激流沖擊和船只碰撞等影響較少的地方。使用全站儀三角高程測量方式在工作前后各測定一次水尺零點，并在觀測前在三等水準點上進行高程的檢查校準，確保了水尺零點測量精度滿足四等水準測量要求。水尺觀測每次讀取水尺波峰波谷的讀數，求取平均值，每處水尺均歸算為基尺零點上水位。
表面流速流向觀測。為保證觀測精度，觀測時風力不大于3級。采用自主研發的防水抗風型浮標結合GPS自動接收機施測，施放起始位置嚴格按照技術要求中所做規定執行，浮標均勻分布于水道中。
大斷面流速流量流向觀測。根據實測的斷面資料進行測驗垂線布設，布設方法按《河流流量測驗規范》中的要求執行。測量船按斷面設計采用橫斷面法施測，斷面測點間距為圖上0.4cm以內，在深泓和陡岸河床則適當加密了測點。測船始終保持慢速且盡量保持勻速運動。水文測驗的流速流向采用聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）施測，利用聲學多普勒效應原理來進行流速測量，兩岸測至ADCP盲區水深處，每次施測均從左岸右岸、右岸左岸施測一個來回以上，取所測斷面流量的平均值作為實測流量值。
河床質和懸移質取樣。采用1000cc橫式采樣器在各垂線處進行懸沙取樣，水樣采集時鉛魚到底后等待10秒鐘后再采集底層水樣，以防止鉛魚對水體的擾動。采集水樣后，立即將水樣裝入容器內并蓋緊（裝水樣的容器事先已清洗干凈，不殘留泥沙和雜物，每個容器均已編號），同時將樣品瓶號、取樣點號、層號、日期和時間記入含沙量取樣記錄表。對于部分水文斷面上有垂線水深較淺的情況，換用吃水更淺的小船補測或人工涉水測量，確保垂線水樣采樣完整率。在懸移質取樣的同時在每條測流垂線位置進行床沙取樣，取樣采用錐式取樣器。為滿足泥沙顆粒分析要求，床沙取樣重量視粒徑而定，一般細沙或沙質粘土取樣不少于50g，粗沙取樣100～300g，直徑大于2mm者取樣不少于1000g。如遇一次取樣數量不足，則分次采取，連續三次取不到沙樣時，則不再取樣，并在資料中加以說明。
5、內業成圖
內業組接收外業原始數據后對數據進行檢查，檢查嚴格按照《水運工程測量質量檢驗標準》執行。檢查合格后提取水深數據進行等高線的編輯，繪制地物地貌及水位標記。采用清華山維繪圖軟件進行圖形處理與繪制，清繪后，按AutoCAD格式成圖提交。根據測量比例尺的要求，對圖面多余數據進行適當的刪除，確保了數據分布合理、圖面美觀。
質量檢查
檢查內容包括測量任務書、施工組織設計、地形測量、水深測量、水文測驗、內業制圖。按照《水運工程測量質量檢驗標準》，逐項對照《水運工程測量規范》上規定的內容進行詳查，判斷出缺陷的類型，分別按分部工程的缺陷個數及缺陷調整系數計算分部工程的質量得分值（其中調整系數是根據合同產值來確定的），進而求得各單位工程的質量得分值。
經檢查，本項目測繪工作組織嚴謹、設計合理、監督檢查嚴格、最終檢查規范。外業作業組能嚴格執行《規范》和施工組織設計，操作規范，質量控制嚴密。內外業資料及成圖地形測量圖幅清晰，注記規范，等高線走向合理，地形圖上各要素測繪詳細，地物間關系表示合理，水文資料規范清晰，滿足各項規范要求。
結論與展望
【關鍵詞】 石油測井 技術 現狀 發展趨勢
測井技術，是油氣勘探工程技術中一項重要技術。測井技術最早源于1927年的法國斯倫貝謝公司，由其開發并應用此技術，期間歷經了五次更新與換代。1939年，我國將其正式應用到石油工業當中來，至今已有70多年的發展歷史。歷經數十年的發展，測井技術從最初的模擬測井，逐漸發展成為今天的
全自動模擬測井儀、數字測井儀、數控測井儀、成像測井儀等等。現代測井是在石油工業中技術含量最高的技術之一，其已被廣泛應用于油田的整個勘探與開發過程之中，顧名思義，石油測井工藝是提高采油效率不可或缺的重要方法。此外，測井技術不僅能應用于油田的開發利用，同樣被應用于煤炭、金屬等礦產資源的勘探之中。
1 石油測井的現狀分析
1.1 石油測井具體方法
石油測井技術，是一種井下油氣勘探方法。它是采用專門的儀器設備，沿井眼探測地層電磁、聲波、核、熱、力等物理特性隨深度變化的過程，用于發現油氣藏，評估油氣儲量及其產量。石油測井的基本工作原理是通過井下儀器采集的測井數據，經過電纜傳輸到地面儀器，同時，記錄在膠片或磁帶上，輸人計算機處理解釋，人們稱石油測井是油氣勘探的“眼睛”。
1.2 國內外石油測井技術現狀
在科技飛速發展的今天，僅僅使用傳統且原始的測井技術和測量方法，早已無法滿足當代石油勘測的需求。就當下我國石油勘測領域而言，需要的是高分辨率、深層探測與高測量精準度的石油測井儀器。國外石油工業企業已經將石油測井儀器進行了五次換代，我國也將做到第四代與第五代儀器的更新。
1.3 聲波石油測井技術
通過對環井眼地層的聲學性質測量，判斷井眼工程現狀和推斷地層特征的測井方法被稱為聲波石油測井技術。具體表現形式只要有聲幅測井技術、聲速測井技術和聲波全波測井技術等。聲波測量的優勢在于能夠通過聲波能量揭示井眼與儲備層特性，同時，還可以用來測量次生孔隙度、巖性空隙密度壓力、滲透率以及流體類型裂縫方位等。其中，聲成像系統是通過超聲比脈沖掃描井壁并且接受回撥信號，通過計算圖像處理技術將信號數字化并轉換成圖像的測井技術。
1.4 電法石油測井技術
通過使用井下測井儀器，向地層單位發射一定頻率的電流，對地層單位進行測量得到地層電阻率的石油測井方法被稱作電法測井。電法測井技術還包括通過發射電流獲得地層自然電位的石油測井手段。
2 測井技術發展前景的研究
測井技術經過長期的發展與人們對石油、天然氣等資源的日益需求的種種，都促進了測井技術的飛速發展，一些相關領域的技術革新，同樣給測井技術提供了良好的發展前景。如成像測井技術，陳列感應成像、偶極聲波、模塊式地層測試器等技術，因具有精度高、信息量大等特性，被廣泛應用在對油氣儲層識別和評價中。因此，這些新技術有著良好的實用價值與不可限量的發展前景。
2.1 相關技術與設備的發展趨勢
面對當前對石油勘探工作的新需求，這些技術與設備正集中朝向高效、可靠、高精度的方向發展，測量參數也由二維發展到三維立體成像，加大了對井眼的覆蓋率，從而提高了測量地層非均質的精度。套管測井儀器技術，在老油田的利用開發領域中得到了很大的發展，井下永久傳感器技術也發展得更為完善。隨鉆測井技術在數據傳輸方面呈多樣化發展，數據傳輸率也不斷提高。
2.2 石油測井采集的發展方向
石油測井采集正在向集成化與單點測量發展，這樣的發展趨勢是為了更好的適應復雜儲油層等非均勻地質需要。分散項目的測量時一種高精準度的組合式測量，主要適應質量和效率的需求。隨著套管井和隨鉆電阻率測井技術的不斷完善，已經能夠逐步適應復雜井況探井的要求以及老油井測井技術評價等。
2.3 提高石油測井儀器的技術
為了滿足不同的地質和測井環境的需求，測井儀器與技術都要更高、更可靠、更加高精度、高效率和網絡化的方向發展，以便適應新的地質結構和地質工程環境。為了滿足對地層非均質測量的要求，測量方法應向多源、多波、多譜和多接收器的方向發展，測量參數也將由二維成像朝著三維成像的方向發展，從而使井眼的覆蓋率得以提高。隨鉆測井迅速發展，數據傳輸率有了很大的提高，傳輸方式越來越多樣，而且儀器的可靠性也得到了很大提高。井下永久傳感器測井的應用將會越來越廣泛。安全環保要求使非化學源的核測量探頭得到進一步商業化應用。開發能夠測量井周一定范圍內的介電常數和電導率的多頻電磁波測井儀將成為一種很好的選擇。
3 結語
綜上所述，在未來的發展過程中，要加強石油測井技術的基礎理論培訓與自主研發工作，加大對石油測井技術領域的深入研究，進一步加強技術創新與領域發展，通過合作研發與技術引進等多方面資源因素，來提高自主創新能力，從而實現石油測井技術的跨越式發展。我相信，通過石油測井界的共同努力，中國石油測井學科將不斷前進，同時也會為我國的油氣藏開發工作作出更大的貢獻，縮短與國外的差距，為我國經濟建設貢獻自己的一份力量。
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關鍵詞：多波束 測深 長江 采砂 監測
中圖分類號：TV861 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（b）-0000-00
1 多波束水下測深系統
1.1 多波束測深系統的組成
多波束測深技術是現代水下探測領域的新興技術，它集成了現代空間測控技術、聲吶技術、計算機技術、信息處理技術等一系列高新技術，實現了對水下探測目標的高精度和高密度測量。該文用到的SeaBat 7125 是目前世界上較為先進、精度最高的多波束測深系統之一，它主要由 OCTANS 光纖羅經和運動傳感器、聲速剖面儀、側掃圖像處理系統、多波束數據采集系統（PDS2000數據采集軟件）、多波束數據后處理系統（ CARIS HIPS 后處理軟件） 、QTC Multiview底質分類系統等共同組成。整個系統的組成見圖 1。
圖1多波束測深系統組成
1.2 系統特點
（1） SeaBat 7125 以帶狀方式進行測量，波束連續發射和接收，測量覆蓋程度高，對水下地形可100% 覆蓋。與單波束比較，波束角窄，能夠完全反映細微地形的變化。單波束是點、線的反映，而多波束則是面上的整體反映。多波束測深系統的測量成果更真實可靠，由于是全覆蓋，其大量的水深點云數據使等值線生成真實可靠；而單波束是將斷面數據進行摘錄成圖以插補方式生成等值線，在數據采集不夠時，等值線會存在一定偏差。（2） 發射換能器向水底投射出 140°寬的覆蓋扇區，接收器同時形成 512個動態聚焦波束，測深分辨率為 6 mm，工作深度可達0～50m。波束后向散射強度圖像和檢測到的距河床底距離實時顯示在聲吶監視器上，且便于快速質量檢查。（3） 眾所周知，測量船只的運動姿態對水下測量的數據影響很大，多波束測深系統在測量前和測量時，光纖羅經和運動傳感器實時采集船行姿態數據，PD2000 采集軟件同步記錄船姿態信息，并對船行姿態進行實時校正，進而保證后處理中的水深測量數據能夠真實有效地反映水底情況，而單波束在這方面是無法實現的。（4） CARIS HIPS 后處理軟件功能強大，可以根據需要抽取不同比例尺的數據成圖，生成的圖件類型有測深數據圖、水深等值線圖、三維數字地形模型（ DTM） 圖、彩色水深圖、彩色地形陰影圖以及質量控制報告等。
2 多波束測深系統應用于采砂管理量化監測
多波束測深系統具有測量快捷、高分辨率、高精度、全覆蓋等特點，可以現場監視水下地形地貌的細微變化，非常適合水下工程及河道的監測任務。在此背景下，采用多波速測深系統對區域河道進行數字化、信息化監控管理就顯得尤為重要。
在數據處理方面，傳統的處理方法是通過構建Delauny三角網或 Grid 規則格網來形成水下的DTM，再通過分塊處理、四叉樹索引來達到水下地形多尺度 LOD 顯示的效果。但是針對區域河段采砂行為的量化監測而言，其核心思想并不是可視化，而是周期性地監測河段砂量開采的變化情況，同時考慮到水下地形數據具有多樣性、海量性、復雜性等特點以及提高計算效率減少計算機功耗等目的，該文采用對離散點云數據進行插值擬合而非構建 DTM的方法來處理不同時間采集的多波束水下地形數據，能夠保證有足夠的水深值來進行數據插值，保證結果的正確性且不失真。在此基礎上，對擬合曲面進行求差計算，從而得出階段時間內河道砂石資源的變化量。輔助管理者對合理開發利用砂石資源進行決策。數據分析處理流程見圖2。
圖2采砂量化監測流程
采集得到的這些多波束點云數據屬于大規模離散數據的一種，在這些海量的點云數據當中，偶有臨近點間的高程突變（ 局部不連續） ，但根據水下地形的特點分析，這些水下高程點的突變一般不是由水下地形的陡然起伏所造成，更為可能的是測量時產生噪聲點或無效數據點，需要通過濾波處理去掉無效點。
采用加權移動平均算法（ Weighted Moving Average） 對濾波后的數據進行網格化處理。加權移動平均算法用于將離散型分布的數據點轉化成規則網格分布的數值，同時對原始數據進行插值加密或抽取處理，目的是用地形表面上一系列離散的數據點表示地形表面的連續函數。
該方法十分靈活并且精度較高，計算簡單，不需要很大的計算機內存。算法選取離散分布的數據點時，一般考慮 2 個因素：（1）范圍，即采用多大面積范圍內的數據點來計算點的數值；（2）點數，即選取多少點參加計算補的點。這 2 個因素的實際應用要根據具體情況而定。范圍的大小是以某個值點為圓心，以 R 為半徑來確定的。其半徑決定與原始數據點的疏密程度和原始數據點可能影響的范圍。由于原始數據點分布不均勻，為了保證求解二次曲面方程，要有足夠數量的點，但又不能太多，因此圓半徑不是固定的。對于動態變化的圓半徑的決定，可以采用逐步變動的做法，見圖 3。
圖3動態圓法網格化示意圖
將研究河段內水下地形表面上一系列離散的數據點轉化成規則網格分布的連續函數，采用規則圓方法，拾取規格化節點臨域范圍內掃測值進行擬合計算。對于每一個新點選取其鄰近的 n 個數據點。把新點作為平面坐標的原點，然后用一個多項式曲面擬合。多項式中的各參數由 n 個數據點求得。
3 采砂管理量化監測的應用工程實例
按照此技術路線于 2014 年 5 月 25 日和 2015年 3月 27 日 2 次分別對長江流域某采砂河段的河床進行了分階段的測量，前次測量時水面高程為164. 247 m；后次測量時水面高程為161. 978m，其水下地形示意圖見圖4。兩次測量的目的，就是為了得到階段時間內區域河道內砂石資源量的動態變形情況。
按照上述方法分別擬合插值兩次測量得到的多波束數據，并采取俯視的角度進行比較。截取圖5中紅色區域的斷面進行分析，如圖6所示。可得出以下結論：由于采砂活動的進行，截止 2015 年 3 月，主河道重點采砂監控區域相比于 2014 年 5 月最深處被開挖 2.32m，被開挖斷面區域大約寬為38.7m，1 000m長的河道內被開采的砂石量約為 7 萬 m3。
圖4兩次水下地形對比圖
圖5特征斷面示意圖
圖6 采砂量變化對比圖
5 結語
該文以長江流域某采砂河段為監控對象，提出了基于水下多波束測深技術的河道采砂量化監測管理手段，并運用相關算法計算出采砂量，具有直觀性、高效性和可靠性，大大減少了人工作業量，改變了傳統監測的落后手段，為河道采砂資源優化利用和有序監管提供了有效的技術支撐。多波束測深系統除了能量化監測河道砂石資源的變化外，還可廣泛應用于堤防、水庫、湖泊及海洋等水域的水下地形測量，進行水下工程及其水工建筑物的安全檢測（ 如拋石護岸等）；河道疏浚及港口、碼頭、橋梁的工程測量； 水下管線、電纜等的監測；沉船、水下物體的打撈搜尋等。這套系統的測量效益、實用性和廣闊的應用前景將進一步顯現。
參考文獻
[1] 李成剛，王偉偉，閻軍，等.傳統多波束系統與具有相干特點的多波束系統的研究[J].海洋測繪，2007，27（2）：77-80.
