专利名称：岩石力学试验纵横波测量换能器的制作方法
技术领域：
属岩石力学测量仪器技术领域背景技术现有岩石超声参数测量都是在一块岩样上分别进行纵波与横波参数测试；这两种测量因换能器与岩石之间的耦合条件及耦合介质不同，所以测量工作繁琐，费时。特别是在进行岩石的力学试验(如抗压、抗剪强度试验，围压状态下的压力三轴试验)，此类试验的岩样是破坏性试验，不可能在一块岩样上进行力学试验的同时，如上述再分别进行两种超声参数的测试；只能分别在两块岩样上进行相同的力学试验的同时，分别进行纵波与横波的超声参数测试。这不仅费时费力，而且成本也高，更主要因地质体的复杂结构及组成介质的不均匀性，即使是同一种岩性不同部位的两块岩石也是有差异的，有的还较大，这样分别测试结果近似当作同一岩石的超声特性，误差就大。
另外，现有的横波换能器核心是压电陶瓷片，它必须是横向极化后才能在电信号或机械信号作用下产生以横向伸缩变形为主的振动；一个薄片的两侧窄长面进行横向极化，因比厚度方向极化距离大几倍至几十倍，所需极化电压很高，给极化工作造成困难，常因极化不够使压电陶瓷片质量不好。为了克服极化问题，有的是将小的压电陶瓷片分别极化后再组成环形片状，这样使成本较高，而且占用面积较大，不适合岩石力学试验用。还有一种测横波的超声换能器是把纵波换能器贴在有机玻璃斜面上，利用纵波发射中心主声场的外侧声场进行横波测试；这种方式不仅体积大，更主要的是能量太小，以及不同被测介质要配不同角度的有机玻璃块；另外纵波的干扰避免不了。总之，上述几种超声换能器不能安装到压力室内，并进行符合规范要求的岩石力学试验的超声测量。

发明内容
本发明是利用两片现有的厚度振动为主的纵波压电陶瓷片，组成一个可供岩石力学试验用的纵横波超声换能器。横波的实现，是利用压电陶瓷产生的纵波，经有机玻璃三角块转换得到垂直入射到换能器钢底座与被测物体内的横波。纵波是在横波装置边上平贴在钢底座上的另一纵波压电陶瓷片实现的。垂直入射波是不产生反射与折射的；这样它既实现了岩石力学试验的超声参数测试，还可以方便地用于岩石或其他材料的一般纵横波超声测试。
基本原理与技术根据固体中弹性波波动理论，并选定的固体介质是均质弹性体--有机玻璃与钢；这样不仅理论推导更简化，而且设计的换能器更实用。如同光学中一样，我们利用导向关系式sinα1/Vp1＝sinα2/Vp1＝sinβ2/VS1＝sinα3/Vp2＝sinβ3/VS2，其中α1、α2与α3分别是纵波入射角、反射角与折射角，β2与β3分别是反射横波角与折射横波角；Vp1与Vp2分别是有机玻璃与钢的纵波波速；Vs1与Vs2分别是有机玻璃与钢的横波波速。在此物理基础上(参照附图)1.因钢底板4波速大于有机玻璃三角块3波速，有机玻璃3波速大于空气波速，即Vp2＞Vp1＞V空气；2.所以当压电陶瓷片2产生的入射纵波入射角α1大于临界角，在有机玻璃3与空气界面上产生全反射，实现反射横波S2以垂直方向入射到有机玻璃3与粘贴其上的钢底板4界面的目的；3.当反射的纵波P2也以等于或大于临界角的α3入射至有机玻璃3与钢底板4的界面，使折射纵波沿界面滑行，即α4＝90度，在钢底板中留下折射横波S3。
钢的外壳既保证其足够的承压稳定性，又近似使其底板厚为超声1/4波长的整数倍，并大于数倍波长，以保超声波以最大能量穿透。有机玻璃三角块的尺寸应考虑在波传播方向上距离(到反射、折射及透射面)与钢底板要求近似一样。钢外壳的结构设计因上盖5与底板4相互间不能转动，则采用了锁环6将二者紧密连接起来。为满足岩石三轴试验的超声测试，换能器采取了如下密封措施，首先在锁环6与上盖5的螺扣及上盖5与底板4接触部位安装时涂上密封胶；其次在上盖5与底板4之间空间灌上变压器油9，既密封又绝缘；最后电缆引出口装有密封堵头8，拧紧时压缩了里面的橡胶环，使电缆与上盖的电缆孔壁达到密封。


1.发射或接收纵波的压电陶瓷片；2.用于发射或接收横波的压电陶瓷片；3.纵横波转换有机玻璃三角块；4.换能器底板；5.换能器上盖；6.底板与上盖连接锁环；7.引出电缆；8.电缆引出口密封堵头；9.空间充填变压器油。
具体实施例方式
1.考虑到有机玻璃纵横波转换三角块3加工实施的方便，首先设定三角块是个直角三角块，并纵波P1的入射角α1为60度进行设计。根据上述原理及导向式计算出反射横波S2以β2＝26.979角度为走向；我们的目的是横波S2以垂直方式穿透三角块到达钢底板内，因此划一条与S2传播方向垂直的线即为三角块的底边；与底边垂直线是贴压电陶瓷片的直角边。根据相似直角三角形定理可知三角块的小锐角等于β2，β2取为整数27度，另一锐角等于P1的入射角α1为63度。
2.参照附图，纵波压电陶瓷片1平贴在钢底板4上，有机玻璃转换块边的空挡中心。
3.本实施例选用的压电陶瓷片1与2为直径10毫米或8毫米，频率为500千赫兹。
4.换能器钢底板4及上盖5参考尺寸如附图所示，装配时把上盖5盖在底板4上拧紧锁环6，需要密封可以在上盖5与锁环6的螺扣上涂上密封胶，电缆线7引出口可以拧紧堵头8将里面的橡胶环压紧达到密封。
5.压电陶瓷片1、2与钢底板5有机玻璃三角块3及有机玻璃三角块3与钢底板4是用一般的树脂胶粘贴的。
6.如果将本发明用在岩石三轴试验中，需拧开堵头8从电缆口处用医用注射器(带针头)给换能器里注满变压器油，然后再拧紧密封堵头8。
权利要求
1.一种可供岩石力学试验用，也可用于一般固体材料的纵横波超声换能器其技术特征根据空气、有机玻璃与钢三种材料及相互间的超声弹性波波动理论，利用入射波等于或大于临界角的全反射与折射现象，设计了易加工的有机玻璃直角三角块3，将一般纵波压电陶瓷片2贴在有机玻璃直角三角块3的短直角边上，实现了超声横波S2的垂直入射至换能器钢底板4和被测岩样中的目的；与有机玻璃三角块3侧边平贴在钢底板上的纵波压电陶瓷片1一起组成岩石力学试验用超声纵横波测试换能器。有机玻璃三角块3和钢底板4的尺寸设计尽可能考虑到波的穿透距离使其近似为1/4波长的整数倍，并大于数倍波长；换能器外壳整体结构在被测岩样受力过程直至破坏时，既具有承压稳定性，又保持其密封性，底板4与上盖5是由锁环6与上盖5的螺扣将二者紧密连接；换能器外形尺寸既满足岩石力学试验岩样尺寸的规范要求，并适合于岩样的三轴试验压力室体积，不能太大；
2.根据权利要求1所述，使纵波转换为横波的有机玻璃直角三角块3，其中贴有压电陶瓷片2的直角边与斜边夹角设计为63度，此直角三角形另一锐角则为37度，；贴有压电陶瓷片的有机玻璃直角三角块3与另一压电陶瓷片1一起粘贴在钢底板4上，达到纵波与横波测量目的；
3.根据权利要求1所述，为符合岩石力学试验岩样尺寸规范及承压稳定性，换能器主要部件尺寸为a.底板，下面直径Φ52毫米、上面直径Φ41毫米、厚度24.2毫米，b上盖，盖顶部厚16.5毫米、中心凹坑直径Φ20毫米、深10.5毫米、外壁厚10毫米，c有机玻璃三角块，贴压电陶瓷片的直角边长16毫米；
4.根据权利要求1所述，在上盖5与底板4相对位置不动情况下，通过旋紧锁环6和上盖下端的螺扣将二者紧密连接起来；
5.根据权利要求1所述，换能器装配时在上盖5与底板4间涂有密封胶，在内部空隙中注满变压器油9，电缆引出口可旋紧堵头8压紧里面的橡胶环，达到密封效果。
全文摘要
岩石力学试验超声纵横波测量换能器，所属技术领域岩石力学测量仪器。本发明提供一种可在一般岩石力学试验或三轴力学试验中进行纵横波超声参数测试的换能器。选取普通的有机玻璃与钢材料、利用普通纵波压电陶瓷片、根据固体中弹性波理论、利用全反射及折射现象、经有机玻璃三角块转换，实现了横波的垂直入射测试，它也可运用在一般固体材料的横波测试。纵波测试就是将压电陶瓷片与产生横波的三角块一起平贴在钢底板上实现的。钢外壳，既要具有稳定的承压能力，在超声穿透部件又要保证以最大能量透射；通过锁环使上下两部分不移位地连接为一体；采取相关措施达到了密封效果。
文档编号G01N29/00GK1563973SQ200410033788
公开日2005年1月12日 申请日期2004年4月16日 优先权日2004年4月16日
发明者董万里, 李晓, 廖秋林 申请人:中国科学院地质与地球物理研究所