[发明专利]真三轴试验超声波和声发射测试系统及测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及岩石破坏试验技术领域，具体涉及一种真三轴试验超声波和声发射测试系统及测试方法。

技术背景

声发射是材料中由局部应力集中源的能量迅速释放而产生的瞬时弹性波，声发射是一种常见的物理现象，各种材料声发射信号的频率范围很宽，从几Hz的次声频、20Hz～20K Hz的声频到数MHz的超声频；声发射信号幅度的变化范围也很大，从10m的微观位错运动到1m量级的地震波。如果声发射释放的应变能足够大，就可产生人耳听得见的声音。大多数材料变形和断裂时有声发射发生，但许多材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要借助灵敏的电子仪器才能检测出来。二十世纪七十年代初，声发射技术的研究已经从实验室逐渐走向现场。二十世纪八十年代初，美国PAC公司将现代微处理计算机技术引入声发射检测系统，设计出了体积和重量较小的第二代源定位声发射检测仪器，并开发了一系列多功能高级检测和数据分析软件。进入九十年代，美国PAC公司、美国DW公司、德国Vallen Systeme公司和中国的鹏翔科技有限公司先后分别开发生产了计算机化程度更高、体积和重量更小的第三代数字化多通道声发射检测分析系统，这些系统除能进行声发射参数实时测量和声发射源定位外，还可直接进行声发射波形的观察、显示、记录和频谱分析。目前人们已将声发射技术广泛应用于石油化工工业、电力工业、材料试验、民用工程、航天航空工业、金属加工、交通运输业以及其他一些行业。

超声波是频率高于20KHz的声波，由于超声波频率很高，波长很短，因而在传播过程中没有衍射现象干扰，所以在测试时波传播的直进性较好，方向性较强，增大了试验的可行性和准确性。第二，由于不同媒介对超声波的吸收能力不同，气体对超声波的吸收能力很强，超声波在气体中几乎不能传播，固体的吸收能力则很弱。根据这一原理利用超声波在有微裂纹的岩样中传播时间和速度的差别，研究各种岩样在压缩过程中裂纹的扩展和体积变化情况。超声波最初用于医学方面的诊断，后来经过发展成为地下工程探测、地质灾害预测、工程无损检测等的一种重要手段。非金属超声波探伤仪广泛用于混凝土和岩土材料强度、厚度、均匀性、损伤等方面的检测，但超声波测试的控制系统多为手动控制，也即达到某一状态后手动开启发射和接收，这对于试验过程中加卸载速率比较高的试验是难以满足要求的，并且多为一发一收或一发双收。计算机技术的成熟和自动化的发展使得多通道超声波探伤仪的发展已经趋于成熟，并在多个领域已经应用，这就为本发明提供了有力的技术支撑。

国内外已将超声波或声发射测试技术应用到岩石材料相关的试验中，并做了大量的分析工作。但是到目前为止，多数为单独使用，即便联合使用也仅是单独分开采用两个系统进行测试，即一个岩块进行超声波测试，另一个岩块进行声发射测试，并未做到真正的耦合测试，且仅仅用于常规的单轴试验中，而在三轴以及真三轴试验中至今尚未见到相关报道。另外，声发射检测主要用于岩石材料，在试验过程中缺陷随载荷、时间等外变量而变化的时实或连续信息，同时，它目前只能给出声发射源的部位、活性和强度，不能给出声发射源内缺陷的性质和大小，仍需依赖于其它无损检测方法进行复验。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术问题，提供一种真三轴试验超声波和声发射测试系统及测试方法，该系统和方法能对同一个岩块进行超声波和声发射测试，可以为认识岩石的变形、破损规律与力学机制提供更为全面的数据信息，避免了不同岩块自身的差异对测试结果所带来的不利影响。

为实现此目的，本发明所设计的真三轴试验超声波和声发射测试系统，包括真三轴试验装置、电脑和声发射仪，其特征在于：它还包括超声波和声发射耦合测试换能器、多通道超声波探伤仪和信号分流器，其中，所述真三轴试验装置具有六面加压单元，每一面加压单元与岩块的对应面之间设置超声波和声发射耦合测试换能器，至少一个超声波和声发射耦合测试换能器的通信端连接多通道超声波探伤仪的信号输出端，其余的超声波和声发射耦合测试换能器的通信端通过信号分流器分别连接多通道超声波探伤仪的信号输入端和声发射仪的信号接收端，所述声发射仪和多通道超声波探伤仪均连接电脑。

所述每一面加压单元与岩块的对应面之间均设有加载钢板，所述加载钢板上开设有换能器安装孔，所述超声波和声发射耦合测试换能器设置在换能器安装孔内，所述超声波和声发射耦合测试换能器通过弹簧与换能器安装孔的底部连接，所述超声波和声发射耦合测试换能器与加载钢板垂直布置。

所述超声波和声发射耦合测试换能器与岩块之间采用黄油或凡士林耦合。