波速测试问题

实验四十 超 声 波 波 速 测 量

声波是一种在弹性媒质中传播的纵波。对超声波（频率超过2×104

Hz的声波）传播速度的测量在超声

波测距、测量气体温度瞬间变化等方面具有重大意义。超声波在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态因

素有关。因而通过媒质中声速的测定，可以了解媒质的特性或状态变化。例如，测量氯气（气体）、蔗糖

（溶液）的浓度、氯丁橡胶乳液的密度以及输油管中不同油品的分界面等等，这些问题都可以通过测定这

些物质中的声速来解决。可见，声速测定在工业生产上具有一定的实用意义。同时，通过液体中声速的测

量，了解水下声纳技术应用的基本概念。

一 实 验 目 的

（1）用共振干涉法和相位比较法测量声速。

（2）了解压电陶瓷换能器的功能。

（3）进一步熟悉示波器的使用。

（4）通过用时差法对多种介质的测量，了解声纳技术的原理及其重要的实用意义。

二 实 验 原 理

由波动理论得知，声波的传播速度v

与声波频率和波长fλ

之间的关系为λ

fv=

。所以只要测出声

波的频率和波长，就可以求出声速。其中声波频率可由产生声波的电信号发生器的振荡频率读出，波长则

可用共振法

．．．和相位比较法

．．．．．进行测量。时差法可通过测量某一定间隔距离声音传播的时间来测量声波的传播

速度。

1．压电陶瓷换能器

本实验采用压电陶瓷换能器来实现声压

．．和电压

．．之间的转换。它主要由压电陶瓷环片、轻金属铅（做成

喇叭形状，增加辐射面积）和重金属（如铁）组成。压电陶瓷片由多晶体结构的压电材料锆钛酸铅制成。

在压电陶瓷片的两个底面加上正弦交变电压，它就会按正弦规律发生纵向伸缩，从而发出超声波。同样压

电陶瓷可以在声压的作用下把声波信号转化为电信号。压电陶瓷换能器在声—电转化过程中信号频率保持

不变。

如图1所示，S

1作为声波发射器，它把电信号转化为声波信号向空间发射。S

2是信号接收器，它把接

收到的声波信号转化为电信号供观察。其中S

1是固定的，而S

2可以左右移动。

1）土层剪切波速Vs的测定

本次剪切波速测试主要技术依据为：中华人民共和国国家标准《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)，天津市工程建筑标准《岩土工程技术规范》DB29-20-2000。

波速测井法采用孔中激振孔中接收法，由电源供给脉冲电流，在钻孔中使用电磁震源激发，当震源向井壁作用一冲击力后，沿井壁地层有P、S波向下传播，在井孔震源下方悬挂有两个检波器，P、S波传播到检测器位置时，通过井液耦合，检测器把P、S波的初至时间和振动波形转换成电信号，由两道P、S波的初至时间差可计算两道间地层的波速值，然后传输到仪器进行滤波放大，由多路电子转换开关将已放大的模拟信号进行采样保持，经A/D转换器转换为相应的数字信号，通过微机对数字信号进行分析处理，显示测试结果。

仪器设备采用XG-I型悬挂式波速测井仪，该测井仪主要由主机、井中悬挂式振源、探及连接电缆、信号电缆、触发电缆、探头供电箱等组成。

2）剪切波速测试结果

根据剪切波记录及两通道剪切波相关曲线，确认各测点剪切波速，并进行波速分层，计算出各层的剪切波速及等效剪切波速，确定场地土类型及场地类别。

依据天津市工程建筑标准《岩土工程技术规范》(DB29-20-2000)，地下20m范围内，按下列公式计算土层等效剪切波速。

nisiiscvdttdV10//

式中：

scV场地土层的等效剪切波速；

0d场地评定的计算深度(m)，取覆盖层厚度(vd0)或20m两者较小值；

t剪切波由地表到达计算深度处的时间(s)；

id计算深度范围内第i土层的厚度(m)；

n计算深度范围内土层的分层数；

siV计算。

一、选择题

1．如图甲所示为一列简谐横波在t=20s时的波形图，图乙是这列波中P点的振动图线，那么该波的传播速度和传播方向是（ ）

A．v=50cm/s，向左传播 B．v=100cm/s，向左传播

C．v=50cm/s，向右传播 D．v=100cm/s，向右传播

2．一列简谐波沿x铀正方向传播，t=0时刻的波形如图所示，介质中质点A的平衡位置在距坐标原点8cm处，质点B的平衡位置在距坐标原点18cm处。t=0.04s质点A第一次回到平衡位置，则（ ）

A．该简谐波的频率为25Hz

B．从图示时刻起，质点A比质点B先回到平衡位置

C．该波传播过程中遇到宽度为5m的障碍物能发生明显的衍射现象

D．介质中平衡位置在10cmx处质点的振动方程为10sin(20t)cmy

3．一列简谐横波在10.02st时刻的波形图如图甲所示，平衡位置在lmx处的质点P的振动图像如图乙所示。已知质点M的平衡位置在1.75mx处。下列说法正确的是（ ）

A．波的传播方向沿x轴负方向 B．2003st.时，质点M的运动方向沿y轴正方向

C．M点在1t时刻位移为2m10 D．质点M从1t时刻起每过0.005s通过的路程均为0.2m

4．如图所示为一列沿x轴正方向传播的简谐横波在0t时刻的波形，P、Q两个质点的平衡位置分别位于3.5mx和6.5mx处。0.5st时，质点P恰好第二次位于波峰位置。下列说法正确的是（ ）

A．这列波的周期为0.5s

B．这列波的传播速度为6m/s

C．0.6st时，质点Q将位于波峰位置

D．质点Q在0~0.9s内的路程为18cm

5．如图，手持较长软绳端点O以周期T在竖直方向上做简谐运动，带动绳上的其他质点振动形成简谐波，该波沿水平方向传播。绳上有另一质点P（图中未画出）。t=0时，O位于最高点，P位于最低点，下列判断正确的是（ ）

A．4Tt时，P位于平衡位置上方 B．P的起振方向与O的起振方向相反

土层剪切波速测试中的不确定性对场地地震动参数的影响分析——以Ⅲ类场地为例

沈得秀;王庆民;许洪泰;杨传成

【摘 要】本文选取山东地区2个Ⅲ类场地的工程地质勘探及土层剪切波速等资料,将土层厚度按5个深度段,每个分段给出了4个土层剪切波速的改变量,通过改变不同深度段土层剪切波速,建立了19种土层地震反应分析模型,分析了不同深度段,不同概率水平下土层剪切波速的变化对场地地震动参数的影响.研究表明,不同深度段土层剪切波速的变化对场地地震动参数的影响有差异.具体表现为,土层剪切波速的改变在1-10m、11-40m和地震输入界面处三个深度段对地震动加速度峰值影响较大;其中,41-70m和71-100m两个深度段剪切波速的改变对地震动加速度峰值影响小;在土层深度1-10m时,剪切波速降低,峰值变大,剪切波速的改变与峰值的改变呈负相关;在其它深度段,剪切波速降低,峰值变小,剪切波速的改变与峰值的改变呈正相关.剪切波速的改变在1-10m和11-40m两个深度段对地震加速度反应谱影响较大;在41-70m、71-100m和地震输入界面三个深度段对地震加速度反应谱影响很小.

【期刊名称】《震灾防御技术》

【年(卷),期】2014(009)002

【总页数】8页(P244-251)

【关键词】场地地震动参数;剪切波速;不确定性;Ⅲ类场地

【作 者】沈得秀;王庆民;许洪泰;杨传成 【作者单位】山东省地震局,济南250014;山东省地震工程研究院,济南250021;山东省地震局,济南250014;山东省地震工程研究院,济南250021;山东省地震工程研究院,济南250021

【正文语种】中 文

场地地震动参数的确定，其结果作为建设工程抗震设防的依据，是工程场地地震安全性评价的目标之一（中华人民共和国国家标准，2005）。局部场地条件作为影响地震动的三类因素之一（胡聿贤，1988），其对场地地震动参数的影响是不容忽视的。如何估计场地条件对地震动特性的影响，并在工程结构抗震设防中考虑这一因素，一直是工程地震学的重要研究课题。对此，不同学者从不同角度进行了多方面研究，普遍认为场地条件对地震动的影响很大，在地震动幅值（如峰值加速度）和频谱特性（如反应谱特征周期）的变化上均有体现（李小军等，2001a；200lb；薄景山等，2003a；2003b；2003c；吕悦军等，2008；李建亮等，2011）。