混凝土声速

2024-10-27

混凝土声速（精选7篇）

混凝土声速篇1

随着我国经济的迅速发展,汽车行业突飞猛进,现在各地都在新建高速公路和高架桥,其形式也越来越复杂多样,从而对建造过程的强度质量有了更为严格的要求[1,2,3]。橡胶混凝土作为一种新型混凝土材料,具有自重轻、韧性高,能量吸收多、抗裂性和耐久性好、抗震能力强等优点[4,5,6],近几年备受国内外学者们的青睐,因此在许多工程上使用了橡胶混凝土,例如:美国亚利桑那北部建造的世界第一条橡胶混凝土路面道路以及我国上海外环道路、内环线高架桥等工程使用了橡胶混凝土[7,8,9]。由于在新建高速公路时会受到各种外在和施工人员的影响,可能会对混凝土的强度质量造成一定的影响,因此有必要对施工过程及完毕后对混凝土进行非破损强度检测,从而对施工现场的混凝土质量有更为准确的掌握。目前混凝土强度非破损检测的方法也越来越多,主要有超声脉冲法、回弹法、超声回弹综合法、钻芯法、拔出法等[10,11],其中超声脉冲法是最为常用的方法之一。超声脉冲法具有以下优点:混凝土材料的检测过程无破损;可直接在建筑物上检测并推断强度;检测可反复复核,重复性较好;频率高,指向性好;传播能量大,对各种材料的穿透力较强;适应性强、检测灵敏度高、对人体无害、设备轻巧、成本低廉等优点[11]。

基于超声脉冲法的特点,本文采用超声法对橡胶混凝土进行非破损强度检测和抗压强度测试,从而对橡胶混凝土的超声声速与抗压强度之间的关系进行分析,建立回归方程,得出二者之间的关系,为以后实际工程的超声检测提供技术支撑。

1 试验

1.1 原材料

水泥:双龙牌P·C42.5水泥;水:城市自来水;细骨料:河砂,细度模数2.70,连续级配,最大粒径为5 mm,表观密度2506 kg/m3;粗骨料:石灰岩碎石,二级配,即5~20 mm、20~40 mm石子,二者质量比为3∶1,表观密度2732 kg/m3;废旧橡胶颗粒:60目(0.25 mm)橡胶粉、1~3 mm橡胶颗粒、3~6 mm橡胶颗粒,密度1119 kg/m3,由河南武陟某橡胶厂生产;耦合剂:白凡士林。

1.2 混凝土配合比

试验以未掺加橡胶的C20混凝土为基准混凝土,其配合比(kg/m3)为:m(水泥)∶m(水)∶m(砂)∶m(小石)∶m(大石)=325∶205∶702∶832.5∶277.5。分别将3~6 mm、1~3 mm、60目3种不同粒径的橡胶颗粒(粉)以5%、7%、10%、15%、20%等5种不同掺量等体积取代砂,制备成橡胶混凝土,其相应的砂用量分别为702、688、665、628、591 kg/m3;橡胶用量为14.9、20.9、29.8、44.7、59.6 kg/m3,其余材料用量与基准混凝土相同。

1.3 试样制备与养护

按照DL/T 5150—200《水工混凝土试验规程》制备橡胶混凝土试件,分别为150 mm×150 mm×150 mm的标准立方体试件和100 mm×100 mm×100 mm立方体试件。制作完成的试件1 d后拆模,随即放入标准养护室[温度(20±2)℃、相对湿度≥95%]养护,养护至7 d、28 d龄期后将试件取出,100 mm×100 mm×100 mm立方体试件用于测试抗压强度,150 mm×150mm×150 mm标准立方体试件用于测试超声声速。

1.4 超声声速测试方法

采用北京智博联公司生产的ZBL-U520A非金属超声检测仪,在标准立方体试件浇筑面侧面对角方向上布置3对超声测点,按照式(1)~式(3)计算超声声速。

式中:v——超声声速,km/s;

l——超声测距,mm;

t——3个试件声时平均值,μs;

ti——1个试件3对超声测点声时平均值,μs;

t1、t2、t3——分别为3对超声测点的声时值,μs。

2 试验结果与分析

待养护至7 d、28 d时,根据试验方案,对不同掺量、粒径的橡胶混凝土进行超声声速检测和抗压强度试验。结果如表1所示。

注:未掺加橡胶颗粒的混凝土为 JZC;掺加 60 目橡胶粉的混凝 RXC,掺加 1~3 mm 橡胶粒的混凝土试件为 RZC;掺加 3~6 mm 橡胶粒的混凝土试件为 RDC;数字表示橡胶颗粒等体积取代砂。

文献[12]对不同粒径的橡胶混凝土波速与抗压强度关系拟合出了相应的回归方程,再根据有关文献资料,可知混凝土的超声声速与其抗压强度的关系可以表示为:fc=avm,根据表1的数据分析,运用DPS软件计算,可得到7 d、28 d龄期橡胶混凝土超声声速与抗压强度之间的回归方程分别为:

式中:fCRC——橡胶混凝土的抗压强度,MPa;

v——橡胶混凝土的超声声速,km/s。

由上述拟合方程可知,7 d龄期拟合回归方程的相关系数R为0.9205;28 d龄期拟合方程的相关系数R为0.9573。7 d、28 d龄期橡胶混凝土超声声速与抗压强度数据拟合曲线分别见图1、图2。

从图1、图2可知,7 d、28 d龄期采用幂指数方程拟合出的结果均较好,说明橡胶混凝土的超声声速与抗压强度之间的关系均可用幂函数方程拟合。7 d、28 d龄期的橡胶混凝土试验抗压强度与拟合方程计算出的抗压强度对比及绝对值误差分别见表2、表3。

由表2、表3可见,7 d龄期时,计算抗压强度与试验抗压强度的绝对值误差最大为12.78%,绝对值误差最小为0.35%;28 d龄期时,计算抗压强度与试验抗压强度的绝对值误差最大为10.60%,最小为0.15%,由上述数据可知,运用DPS软件拟合出的幂函数回归方程在橡胶混凝土超声声速与抗压强度关系中较为适合。

7 d、28 d龄期橡胶掺量与抗压强度关系分别见图3、图4,与超声声速的关系分别见图5、图6。

由图3、图4可知,橡胶混凝土的抗压强度均比基准混凝土的低,并且抗压强度随橡胶粒(粉)掺量的增加而降低。整体而言,7 d龄期时,橡胶掺量在0~5%时,抗压强度依次为RDC>RXC>RZC;橡胶掺量在5%~20%时,抗压强度依次为RDC>RZC>RXC。28 d龄期时,抗压强度大小的排序与7 d龄期相同。由图5、图6可知,橡胶混凝土超声声速均比基准混凝土

混凝土声速篇2

授权公告日:2016.07.13

专利权人:南京航空航天大学

地址:210016江苏省南京市御道街29号

发明人:谭慧俊;张启帆;黄河峡;陈昊;孙姝;宁乐

Int.Cl.:G06F19/00(2011.01)I

水下声速剖面仪标定方法研究篇3

(a) 采用直接法测量声速, 即是以通过测量声波在某一固定距离D之间传播的所需的时间T来计算声速。

A、垂直透射法。B、垂直反射法。

(b) 环鸣法

为了得到较高的声速测量精度, 通常测量声波在已知距离内往返多次的时间, 即用接收到的反射回波信号去触发发射电路, 再发射下一个脉冲, 这样不断地循环下去, 这种方法被称为环鸣法 (或脉冲循环法) 。HY1200型声速仪是通过测量声波往返2048次所需要的时间来计算声速的。

2 声速仪标定的必要性

声速剖面仪的壳体加工完成并组装好后, 换能器到反射平面的距离就确定了。

通过声速计算公式C=D/T, 对D微分可得:

由1式和2式可知, 为保证声速仪声速的测量精度, 距离的相对精确度不应低于声速的相对精度。

根据设计指标, 声速测量的相对误差为2×10-4, 即200ppm, 如果换能器到反射平面的距离为7cm, 那么距离的测量精度要优于0.014mm, 这样的精度用普通测量方法是不能保证的, 况且经过封装的换能器发射振子的相对位置是很难确定的, 所以, 传播距离参量只能通过标定来获得。

3 电路延时对声速计算的影响

声波每在换能器与反射面之间往返一次, 都要经过一次电声和声电转换, 这两次能量的转换以及收发机电路和时序控制电路等环节都会给传播时间的测定带来误差。

4 声速标定的原理

如果单片机计时器的计数值为N, 计数频率为f。设换能器与反射平面之间的距离为l, 则声波往返2048次的距离为D=2048×2l

由于纯水中的声速与温度的关系可以根据经验公式计算或查表得到, 如果能精确地测得纯水的温度, 就等于得到了当时的声速, 根据多个温度点的声速仪计数值N, 就可以用拟和的方法得到L和K的值。

5 温度标定的原理

声速的标定需要精确地测量水的温度, 所以温度标定是与声速标定同时进行的。HY1200声速仪内的温度传感器是金属氧化物半导体材料制成的负温度系数 (NTC) 热敏电阻器, 测量电路为温度传感器提供80μA的恒定电流, A/D转换电路测量传感器两端的电压值Vt, 在不同的已知温度点得到相应的A/D输出值Vt, 就得到了Vt与温度t的关系, 因为传感器电阻值与温度的关系是非线性的, 所以需要一个多项式描述温度与电压的关系, 其系数TA0~TA5根据标定数据进行多项式拟和得到。

6 深度 (压力) 标定的原理

深度是通过测量水中的压力间接得到的, 根据物理学理论, 深度等于压力与水的比重之比:

HY1200声速仪用半导体压阻式压力传感器进行压力测量。测量电路为传感器提供800μA的恒定电流, 当压力作用于传感器时, 输出端的差模电压就会发生变化:

通过标定用的压力计为声速仪提供不同的标准压力, 记录下相应的A/D电路输出电压, 就得到了压力与Vp的关系。

根据传感器生产厂家提供的资料, 传感器输出电压的非线性指标为0.1%FS, 但为了提高测量精度, 在标定时, 还是对数据进行了二次多项式拟和:

式 (7) 中, P为待测的压力, PA0~PA2为标定得到的多项式系数。

声速和温度标定系统一次最多可以标定三个声速仪, 计算机至少应安装四个串行口, 其中一个串行口接数字多用表, 并控制水槽加热, 三个串行口经声速仪接口与电源盒接三个声速仪。由于第一个串行口要连接数字多用表和水槽两台设备, 所以必须使用特制连接电缆。

7 结论

本文对声速剖面仪标定方法进行了理论研究, 在实际标定工作中还需考虑一些具体的注意事项。声速仪在标定结束后, 还必须对标定的参数是否满足指标的要求进行检查。检查的方法与过程与标定过程基本相同, 只是在声速、温度检查过程中是每2℃检查一个点。在检查过程中需记录当前铂电阻测量的温度、根据铂电阻测量的温度查表得出的标准声速、实测的温度和声速、及它们与标准值间的误差, 所有的误差必须满足指标的要求。

摘要：声速是重要的海洋声学参数之一, 精确测量声速是声纳准确测距的基础。单波束测深仪的深度改正、多波束测深仪波束角改正及声线弯曲改正都离不开声速剖面的测量。国产HY1200型声速剖面仪是一种测量海 (江、湖) 水中声速、温度垂直剖面的测量仪器, 本文以之作为实验仪器, 对水下声速剖面仪标定方法进行研究。

混凝土声速篇4

关键词：高超声速巡航导弹,信道传输损耗模型,Longley-Rice模型

高超声速巡航导弹 (简称“高巡弹”) 是指飞行速度不小于5马赫的新一代巡航导弹, 它采用高能、高密的吸热型碳氢燃料和超燃冲压发动机, 飞行时从大气中吸取氧气, 大部分时间巡航于临近空间 (距地面20—100 km) , 巡航距离远 (1 000—2 000km) 。高巡弹的显著特点:飞行速度快、飞行距离远、突防能力高、侵彻能力强[1,2]。由于这些特点, 对通信系统的可靠性、实时性、抗干扰能力都有很高的要求。所以对高巡弹的通信系统设计前根据特定环境建立信道模型进行仿真分析是很有必要的。

在无线通信系统中, 电波通常在非规则、非单一的环境中传播。在估计信道损耗时, 需要考虑传播路径上的地形地貌, 也要考虑到建筑物、树木、电线杆等阻挡物。传播环境不同传播模型也有差异, 适合于几千米到几百千米的大尺度衰落传播模型有Longley-Rice模型、Durkin模型、Okumura模型Hata模型以及Carey模型等[3]。其中Longley-Rice模型也被称为不规则地面模型[4,5], 可模拟各种复杂环境, 包括不同气候类型、不同地形、不同频率轨迹等各种情况, 该模型适用于频段20MHz—40GHz、路径长度 (1—2 000) km。这些都符合高巡弹的巡航条件, 另外由于高巡弹飞行高度一般都在20km以上, 而Longley-Rice模型不能预测天线高度大于10km的情况, 所以需要考虑自由空间的损耗[6], 本文提出的信道模型结合了自由空间损耗模型和Longley-Rice模型采用分段预测相加的方式对无线信道衰落进行预测, 并推导了模型的预测实现算法。

1信道模型分析

1.1自由空间损耗模型

无线电波在自由空间中的传播损耗定义是发射功率与接收功率之比, 其对数表达为

式 (1) 中f为工作频率 (MHz) , d为作用距离 (km)

1.2 Longley-Rice模型

该模型传输损耗中值Aref用下式计算:

式 (2) 中, [dmin, dLs]为视距传播范围, [dLs, , dx]为衍射传播范围, dx为散射传播距离下限极值, d为通信距离。

Longley-Rice模型是建立在实测数据和理论推导相结合基础上, 文献[7]给出了相关的经验值或近似拟合数据。式 (2) 为分段函数, 下面分三种情况给出Longley-Rice的具体算法。

1.2.1视距损耗的计算

根据文献[7]定义, dL为发射和接收天线到有效反射面的距离和, he1、he2分别为发射和接收天线的有效高度为波数假设

d0、d1、d2分别为视距传播距离的假设量, A0、A1、A2为视距传播对应的衰减量。

由上面的公式推导计算可得:

如果K′1≥0, K1=K′1, K2=K′2,

如果K′1<0, K′1=0, K2=K″2,

并设K1=md, K2=0。定义权系数

10km, Δh为地形不规则参数, 通常平地或水面取0m, 平原30m, 丘陵90m, 山区200m, 崎岖山区500m。这样可得:

1.2.2衍射传播损耗计算

假设Xae= (kγ2e) -13, γe为地面有效曲率, d3、d4分别为衍射传播距离的假设量, A3、A4为衍射传播对应的衰减量。由公式

近似推导可得:

式 (7) 中, Adiff (d) = (1-w) Ak+wAr+Af0, 权系数

式 (8) 中Δh (d) = (1-0.8e-d50) Δh, (d单位km) , hg1、hg2分别为发射和接收天线的高度。

Ak是双边刃形衰落项, Ar是圆形地球衰落项。

式 (9) 中Fn (x) 为Fresnel积分。

对于圆形地球衰落, 可以利用Vogler等式的“三半径”法求解, Vogler等式常用来解决光滑球形问题[4]。

杂波干扰项:

式 (10) 中α=4.77×10-4m-2,

1.2.3散射传播损耗计算

d5、d6分别为散射传播距离的假设量, A5、A6为散射传播对应的衰减量。

近似推导可得:

式 (11) 中Hs=47.7m。

式 (13) 中, θ=θe1+θe2+γed, θe1、θe2分别为发射和接收天线到有效反射面的高度角, 函数F (θd, Ns) 为文献[7]所定义的衰落函数, H0为频率增益因子。

以上推导了两种模型的预测算法, 根据现在各国对高巡弹的研究报道可以知道, 高巡弹的飞行高度一般都在20km以上, 超出了Longley-Rice模型的预测高度10km, 本文提出分段预测的方法对高巡弹无线传输损耗进行分析, 传输损耗可用下面公式计算

式 (14) 中h高巡弹的天线高度, d为高巡弹与地面站之间的天线距离, dy为天线高度在10km时距离地面站的距离。

2仿真分析

信道模型仿真中高巡弹的飞行轨迹均基于式 (15) 的假设。

式 (15) 中H是飞行高度, 单位为m, d为高巡弹与地面站的距离, 单位为km。其他参数设置如下:高巡弹稳定后的飞行高度为22km;基站天线高度为12m;通信距离为2km—1 000km;载波频率为6 000MHz;根据Longley-Rice模型定义设置参数为:收发天线位置标准为原来高度+5m;变化模式选择广播模式;地形为平地或水面;一般地面的相对介电常数为15, 导电率为0.005s/m;气候类型为亚热带海洋性气候, 其地面折射率为370N单位;天线极化方式为水平极化;时间参量分位数为90%, 位置参量分位数为90%, 情景参量分为数90%。

3试验

3.1试验一:三种模型比较分析

高巡弹飞行轨迹大致包括上升阶段、飞行阶段和下降阶段, 这里主要考虑地面发射平台, 通过三种模型的预测分析了高巡弹从起飞阶段爬升到不同的高度到下降阶段对衰落的影响。

由图1可以看出, 自由空间模型预测值只考虑了高度和距离的影响, 总体比较平稳, 没有考虑到地形地貌大气地球曲率等对无线信号的影响, 并没有反映出实际情况。

Longley-Rice模型对上升阶段的影响没有太大的差别, 直到600 km以后衰落突然增大, 这是由于地球曲率的影响下, 视距分量突然消失的缘故, 传输方式由视距传播转为超视距衍射传播, 然后随着距离进一步增大 (大大超出地平线) , 传播方式以前向散射传播机制为主, 故衰落会越来越大, 但是Longley-Rice模型有高度的限制, 超出的高度预测会存在较大的误差。

由图1可以看出改进的混合模型让超出10 km高度的预测值用自由空间模型计算会显得更加合理。

3.2试验二:地面站天线高度对衰落影响

图2分别考察了地面站天线高度为50 m, 300 m, 600 m, 1 000 m四种情况下的衰落特性。

从图2中可知在有视距的情况下, 地面站天线的高度变化对衰落的影响相差不大, 当视距消失以后, 地面站天线高度越低对衰落的影响起伏越大。

3.3试验三:载波频率对衰落影响

本仿真中选用了一组不同的频率对衰落的影响, 如图3所示, 频率为5 GHz, 12 GHz, 18 GHz, 27 GHz, 40 GHz。

由图3可知, 衰落随频率的增大而增大, 在视距范围内, 衰落曲线比较平滑, 当视距消失后, 频率对衰落的影响进一步增大。

3.4试验四:气候类型对衰落影响

考察七种典型气候类型对衰落的影响, 即近赤道气候类型、亚热带大陆性气候、亚热带海洋性气候、沙漠气候、温带大陆性气候、温带海洋性气候 (陆上) 、温带海洋性气候 (海上) 。

由图4可知在有视距的情况下, 各种气候类型衰减相差不大, 视距消失后气候类型对衰落的影响变得明显, 沙漠气候衰减最大, 以下依次是温带大陆性气候, 近赤道气候, 温带海洋性气候 (陆上) , 亚热带大陆性气候, 亚热带海洋性气候, 衰减最小的为温带海洋性气候 (海上) 。

3.5试验五:时间、位置和情景参量对衰落影响

图5给出时间、位置和情景三个控制仿真置信度的参变量下的仿真结果。图5中qt代表时间参量, 定义为单位时间内, 由空气折射率、空气震动等造成的衰减中值的变化程度, 计算得到场强值是一个统计中值, qt=90%表示实际接收场强在90%时间内大于或等于计算得到的平均场强;ql代表位置参量, 表示地面或者环境造成的不同径之间的差异的统计特性;qs为情景参量, 包括了一些在相同的系统参数和环境参数情况下, 由其它因素造成的差异。

由图5可以看出, 参变量取得越大模型预测损耗值就越大, 这表示实际接收信号场强强于预测值的可能越大。

4结束语

论文针对高超声速巡航导弹的通信信道特点进行了研究, 提出了适合该系统的Longley-Rice模型与自由空间模型相结合的信道衰落模型, 并推导了具体的算法。通过对具体参数的仿真分析, 验证了该模型的有效性。

参考文献

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[6]Bello P A.Aeronautical channel characterization.IEEE transaction on Vehicular technology, 1973;21 (5) :548—563

声速测井在工程勘察中的应用篇5

1 基本原理

声波在不同的介质 (不同的岩层) 中的传播时差有明显差异, 岩石中的裂缝、溶洞以及岩石风化等会对声波速度产生很大影响, 可以通过声速测试了解岩层物性特征。声速测井所测的就是声波在地层中的传播时间。目前, 声速测井一般测量的是纵波速度, 由仪器发射晶体发射的声波耦合后在地层中传播, 经地层传播的声波被仪器接收晶体接收。因为发射晶体和接收晶体的间距是一定的, 所测得的声波传播时差与传播速度成反比。根据需要可以把传播时差换算为声波速度, 结合其他物理参数, 还可以计算出横波速度, 从而进行岩性的划分、弹性参数的计算, 为工程勘察所利用。

2 理论基础

岩石的声速指的是声波在岩石中的传播速度。理论和实践证明, 岩石的声波速度主要与密度有关, 并且是随着岩石密度的增大而增大, 其主要影响因素有以下几点。

(1) 岩性。

在不同岩性的岩石中, 声波传播速度不同, 这是因为不同岩性的岩石密度不同, 一般纯净的石灰岩→砂岩→砂质泥岩→泥岩的密度依次减小, 它们的声波速度也依次减小。

(2) 岩石结构。

岩石胶结性差、疏松, 声波速度低;而岩石胶结性好、致密, 则声波速度高。岩石中的裂缝、溶洞等均会对声波速度产生较大影响。

(3) 岩石孔隙间的储集物。

岩石中孔隙间的储集物不同, 也会对岩石的声波速度产生影响。

(4) 地层埋藏深度及地质时代。

地层埋藏的深浅及地层时代的新老均对声波在地层中的传播产生影响。岩性和地质时代相同, 地层埋深大、压力大, 则声波速度高;反之, 地层埋深浅、压力小, 由声波速度低。同一岩性, 老地层比新地层声波速度高。声波在不同介质中的传播速度见表1。

3 应用范围

(1) 划分钻孔岩性。

不同的岩层具有不同的声波传播速度, 因此声速测井可以判断地层岩性, 结合电阻率、自然伽玛等参数, 对钻孔岩性进行划分。

(2) 确定岩层风化、氧化带。

岩石因风化、氧化, 胶结程度变差, 疏松甚至破碎, 强度减弱, 密度减小, 波速减小。测得的声波速度与新鲜完整岩石的声波速度进行比较, 波速减小量反映了岩石的疏松、破碎程度, 据此可确定岩层风化、氧化带。

(3) 解释裂隙和软弱夹层。

岩层因为有裂隙及软弱夹层的存在, 声波传播速度在此处降低, 声速测井曲线产生低的异常是解释裂隙及软弱夹层的主要依据。

(4) 确定弹性参数。

根据弹性力学的知识, 可根据介质密度ρ, 介质中声波传播的纵波速度VP与横波速度VS确定介质的弹性参数:

式中, E为介质的弹性模量;k为体积模量;μ为切变模量;δ为泊松比。

声速测井一般提供的是纵波时差Δtp, 并可换算为纵波速度VP, 而横波速度VS由经验公式计算:

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4 应用实例

4.1 划分钻孔岩性

洛阳市国家安全局综合楼AQJ1号勘察钻孔的综合测井成果如图1所示, 钻探揭露的地层主要有黏土、砂质黏土、砂岩、泥岩。其中, 砂岩、砂层的纵波速度较高, 黏土的纵波速度较低, 砂岩、砂层的视电阻率为高异常、自然伽玛为低异常, 在综合分析解释的基础上, 划分了钻孔岩性剖面, 分层效果良好。

4.2 确定岩层风化、氧化带

(1) 宝泉抽水蓄能电站ZK01号勘察钻孔的综合测井成果如图2所示, 所测深度内均为石英砂岩, 垂深17.2 m以下纵波速度平均为6 200 m/s, 而在17.2 m以上纵波速度平均仅为3 300 m/s。其原因即为浅部岩层风化、氧化, 成为卸荷带, 波速明显减小。

(2) 南召抽水蓄能电站SZK02号勘察钻孔的测井成果如图3所示, 钻探揭露的基岩是花岗岩, 纵波速度曲线在46.20 m以浅为较低异常 (最低1 700 m/s, 平均在3 500 m/s左右) , 确定46.20 m以浅为岩层风化、氧化带。

4.3 解释裂隙和软弱夹层

裂隙和软弱夹层都是工程建筑, 特别是水利工程建设中需要重点处理的地质问题。洛宁抽水蓄能电站LN01号勘察钻孔的测井成果如图4所示。钻孔揭露的岩层也是花岗岩, 在孔深21.50～22.00, 33.80～34.40, 40.10～40.90 m纵波速度曲线均表现为低尖峰异常, 与视电阻率曲线低尖峰异常一一对应, 分析解释为岩层裂隙, 经与钻探取心资料对比, 完全吻合。当裂隙在后期充填泥质后就成为软弱夹层, 曲线反映与裂隙相似。

4.4 确定弹性参数

将测井计算的岩 (土) 层力学性质与实验室获得的岩 (土) 层样的力学性质进行对比, 发现两者具有一定的相关性和可比性, 可作为评价岩 (土) 层强度的依据, 为工程勘察参考所利用。汝阳县前坪水库ZK3号工程勘察钻孔测井成果见表2。

由于声波测井是连续的 (一般0.05 m, 精度高) , 计算的弹性参数也是连续的, 根据需要, 可以从测井数据库导出大于等于0.05 m多种深度间隔的弹性参数数据表, 非常方便。

5 结语

2000年至今, 先后对宝泉抽水蓄能电站、洛宁抽水蓄能电站、前坪水库坝址、青海黄藏寺水利枢纽等水利工程勘察项目进行了综合测井, 对洛阳市多个高层建筑的工程勘察钻孔进行了声速测井。依据声速测井资料, 结合视电阻率和密度参数, 较好地划分了风化、氧化带, 确定了新鲜基岩面位置和裂隙及软弱夹层, 划分了钻孔岩 (土) 层和建筑场地土的类型。实践证明, 声速测井应用效果良好, 产生了较好的经济和社会效益。

参考文献

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[2]中国矿业学院, 等.煤田地球物理测井[M].北京:煤炭工业出版社, 1979.

[3]黄作华.煤田测井方法与数字处理[M].北京:煤炭工业出版社, 1982.

混凝土声速篇6

声波是一种在弹性媒质中传播的机械波,它是纵波,其振动方向与传播方向一致。振动状态的传播是通过媒质各点间的弹性力来实现的,因此波速取决于媒质的状态和性质(密度和弹性模量)。液体和固体的弹性模量与密度的比值一般比气体大,因而其中的声速也比较大。声波在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态等因素有关,因而通过媒质中声速的测试,可以了解媒质的特性及状态变化。例如,测量氯气、蔗糖等气体或溶液的浓度、氯丁橡胶乳液的比重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试这些物质中的声速来解决。可见声速测试在工业生产上具有一定的实用意义。

由于在声波传播过程中波速v、波长λ与频率f之间存在着v=fλ的关系,若能同时测出媒质中声波传播的频率f及波长λ,即可求得此种媒质中声波的传播速度v。由于超声波具有波长短,易于定向发射等优点,故在超声波段进行声速测试比较方便。同时,由于频率在超声波范围内,一般的音频对它没有干扰。频率f提高,波长λ就短,故在不长的距离内可测到许多个λ,取其平均值,λ的测定就较准确。

声速的测定是物理实验中一个常见的实验项目。测量声速的方法很多,大学物理实验中一般采用驻波法或相位比较法。现在的实验装置一般采用压电陶瓷超声换能器来实现声压和电压的转换,具有平面性、单色性好以及方向性强等特点。通常选用频率特性大致形同的两只压电陶瓷超声换能器,一只作发射用,另一只作接收用。压电换能器有一谐振频率,当外加信号的频率等于系统的谐振频率时,压电换能器产生机械谐振,这时灵敏度最高。如果把超声波发射换能器S1与超声波接收换能器S2“面对面”放置,两者之间距离是L,信号源提供正弦交流电信号,激励超声波发射换能器振动,发出一平面超声波。超声波接收换能器把声波信号转换成电压信号,同时还反射一部分超声波。发射的声波、反射的声波振幅虽有差异,但二者周期相同且在同一条直线上沿相反方向传播,于是二者在两换能器之间的区域干涉而形成驻波。为了测试声波的波长,可以缓慢地改变S1,S2之间距离,则S2接收到的声波信号转换成的电压信号幅度每一次周期性的变化,都相当于S1,S2之间距离改变了半个波长。当两者的距离L是半波长的整数倍时,每个换能器都位于波腹,此时有,其中n是整数。通过测量S1,S2之间的距离,使用逐差法处理测量数据,可求出声波的波长,进而求出声速。

近年来,人们对声速测量的实验进行了深入研究,提出了许多改进方法,比如有对实验中的声波及声压幅度进行研究的[1,2],有对实验内容进行研究分析的[3,4],有对实验中采用不同介质的情况进行研究的[5,6,7],有对实验装置进行改进设计的[8,9],有对实验数据进行不确定度分析计算的[10],也有利用计算机及相关软件进行虚拟仿真实验的[11]。但是目前的实验装置仍普遍存在以下不足:

(1)通过摇动手柄转动精密丝杆导轨移动装置,从而改变超声波发射换能器S1和超声波接收换能器S2之间的距离,容易产生空程误差,从而影响实验结果的准确性。

(2)采用摇动手柄带动丝杆导轨移动的装置,操作过程比较繁琐,而且实验教学过程中发现手柄容易滑丝。

(3)采用示波器来观察信号,连线复杂,操作麻烦,容易出错。

(4)一般只能测室温下液体声速。

为了克服现有技术的上述不足,本文提出一种测量不同温度下液体声速的实验装置。该装置既可以测量高于室温又可以测量低于室温某一温度下液体声速。通过直线电机代替丝杆导轨移动装置来改变超声波发射换能器S1和超声波接收换能器S2之间的距离,可以避免产生空程误差,不需要反复摇动手柄,因此不会出现滑丝问题,操作过程简单。不采用示波器,而是直接测量并显示超声波接收换能器接收到的声波信号转换成的电压信号,直观方便。

1 装置结构图

实验装置结构示意图如图1所示,图中,采用一个一端封闭的玻璃水槽2,玻璃水槽壁采用双层结构,中间抽成真空,以起到良好的保温效果。将待测液体注入玻璃水槽2内,高度合适,在水槽内液体中靠上部分设置一半导体制冷装置3,用来冷却待测液体,靠下部分设置一加热装置5,用来加热待测液体,中间部分设置一温度传感器4,用来测量待测液体的温度,半导体制冷装置3、加热装置5及温度传感器4分别通过接口与温度控制器17相连接。通过温度设定按键23,数字选择按键18,上调按键19,下调按键20,可以设定待测液体的温度,并可在温度显示屏16上显示出来。指示灯21用来指示待测液体温度是否达到设定温度,未达设定温度,显示为红灯,达到设定温度,显示为绿灯。水槽内一侧固定一超声波发射换能器6,通过接口与测量控制器25相连,由信号源提供正弦波信号,频率可以通过粗调旋钮33及细调旋钮34进行调节,并可在显示屏26上显示出来,信号的幅度可以通过幅度调节旋钮35进行调节;另一侧设置一超声波接收换能器7,一方面通过连接杆8与直线电机9相连,可以在电机的带动下沿导轨10左右移动,另一方面通过接口27与测量控制器25相连,通过显示屏36可以将超声波接收换能器7接收信号电压的幅度显示出来。直线电机9安装在导轨10上,导轨安装在支架1上,直线电机9通过接口与直线电机驱动器28相连,直线电机驱动器通过接口与测量控制器25相连,通过测量控制器25上的向左运动控制按键37及向右运动控制按键39可以设定电机向左或向右运动,通过测量控制器25上的速度调节旋钮38可以调节电机的运动速度。位移传感器12通过连接杆11与直线电机9相连,用来确定直线电机9及超声波接收换能器7的位置,位移传感器12通过接口与测量控制器25相连,通过显示屏41可以将其位置坐标显示出来。

2 具体实验操作过程及测试结果

2.1具体实验操作过程

(1)通过温度控制器17上的温度设定按键23,数字选择按键18,上调按键19,下调按键20,设定待测液体的温度。直到指示灯8由红灯变为绿灯,即待测液体温度达到设定值。

(2)寻找系统的谐振频率。通过测量控制器25上的信号源幅度调节旋钮35将正弦波信号幅度调节合适,通过测量控制器25上的信号源频率粗调旋钮33及信号源频率细调旋钮34进行调节,使测量控制器上的超声波接收换能器接收信号电压幅度显示屏36显示的电压幅度最大,则此时信号源输出的正弦波信号的频率值即为本系统的谐振频率f0。

(3)通过测量控制器25上的直线电机速度调节旋钮38将直线电机9速度调节合适,通过测量控制器25上的直线电机向左运动控制按键37及直线电机向右运动控制按键39设定电机向左或向右运动,按下测量启动按键40,则电机带动超声波接收换能器7向左或向右运动,同时通过测量控制器25记录移动过程中超声波接收换能器7接收信号电压的幅度,至最大值时停下来,即驻波的波腹位置,并通过测量控制器25上的位移传感器测量显示屏41将其位置坐标显示出来。接下来依次按下测量启动按键,记录下相应超声波接收换能器7位于驻波波腹位置的位置坐标,比如一共测12个值,分别x1,x2,…,x12。

(4)最后用逐差法处理数据,代入公式,求出λ,由谐振频率f0和测出的λ,可以计算声速v=f0λ,即为该温度下液体声速的测量值。

2.2测试结果

为了验证本文改进后的实验装置的可行性,对其进行了实际测试。待测液体取蒸馏水,温度设定为20℃。利用本文提出的实验装置,确定系统的谐振频率f0为37 565 Hz,实验数据如表1所示。

最后用逐差法处理数据求出λ=39.51 mm,由谐振频率f0和测出的λ,求出声速v=f0λ=1 484.2m/s,与该温度下蒸馏水中声速的公认值1 482.9m/s比较接近。

3 结语

本文提出一种测量不同温度下液体声速的实验装置。它采用一个玻璃水槽,水槽内设置半导体制冷装置、加热装置及温度传感器,超声波接收换能器可由直线电机带动沿导轨左右移动,位移传感器与电机相连。该装置可以测量不同温度下的液体声速,通过直线电机来改变超声波发射换能器和超声波接收换能器之间的距离,不会出现滑丝问题,而且可以避免产生空程误差,直接测量并显示超声波接收换能器接收到的声波信号转换成的电压信号,可使操作过程简单方便。

参考文献

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[3]王山林.关于声速测量实验的研究与设计[J].廊坊师范学院学报(自然科学版),2012,12(1):45-46.

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[9]朱方玺,曹伟然.声速测量实验仪的改进[J].物理实验,2011,31(10):40-43.

[10]徐仰彬.基于最小方差的声速测量实验数据不确定度分析尺度[J].大学物理实验,2013,26(3):6-97.

混凝土声速篇7

再入飞行器表面热流的确定对于其再入飞行的安全、准确至关重要。地面实验研究成本高, 周期长, 且很难模拟实际的飞行环境;因此, 数值模拟成为高超声速飞行器气动热研究中必不可少的手段。

高超声速流动中含有激波等强间断, 因此需要数值格式具有一定的黏性以便在激波附近不产生波动。在过去几十年里, 国内外研究人员发展了大量的激波高分辨率格式。目前最常用的格式有基于近似黎曼求解器的Roe格式[1]和通过反扩散方法构造的二阶Harten-Yee迎风TVD格式[2]。这两种格式由于其差分运算直接作用在数值通量上, 均属于通量差分分裂格式 (FDS类格式) [3]。

尽管FDS格式在激波捕捉上取得了成功, 但热流的大小主要由物理黏性摩擦决定, FDS格式的数值黏性会影响热流计算的精度。另一方面, 为了避免违反熵条件, FDS格式需引进熵修正函数[4], 这同样影响了热流计算精度。

为了解决上述两个热流模拟计算中的难点问题, 本文借鉴文献[5]的思想, 引入一可调参数, 使得传统的数值格式数值黏性由固定大小变为连续可调, 并将该参数引入到熵修正函数中, 使熵修正函数的黏性同样受可调参数影响。通过反扩散方法, 将提出的可调数值黏性格式一致提升至二阶精度。由于再入飞行器头部构型一般为钝头体, 所以本文采用了三维球头及钝锥两个算例, 程序使用Fortran语言编制, 数值计算结果表明, 修正后的可调数值黏性格式可有效提高热流计算精度。

1 数值模拟方法

1.1 可调数值黏性格式的构造

考虑标量双曲型守恒律方程

其守恒型通量差分格式为

式 (2) 中, 数值通量的统一形式为

式 (3) 中, Q为数值黏性系数, 是λ和aj+1/2的函数。

文献[5]引入了一个可调参数β, 使得数值黏性系数连续可调, 此时Q成为β, λ和aj+1/2的函数:

当β=0时, 式 (2) 为Lax-Friedrichs格式;β=1时, 式 (2) 为Roe格式;β=2时, 式 (2) 为Lax-Wendroff格式, 此时格式具有二阶精度。随着β的增加, 格式数值黏性降低。对于超音速流, 为了保证激波等强间断分辨率, 一般需β≤1, 而理论分析表明, 当β≤1时格式是有TVD性质的。

1.2 熵修正函数的改进

目前熵修正函数大多基于Roe格式, 当β≥1时可调数值黏性格式耗散比Roe格式小, 此时熵修正函数带来的耗散影响比较大, 甚至有可能完全掩盖格式本身的特性, 因此需要对传统的基于Roe格式的熵修正函数进行修改, 以Harten-Yee熵修正函数为例, 本文提出的适用于可调数值黏性格式改进的熵修正函数形式为:

当0≤β≤1时

当1≤β≤2时

此时ε的取法与Roe格式的相同。

1.3 二阶精度格式的构造

从1.1节我们知可调数值黏性格式随着β取值的不同其格式精度也发生改变。为使该格式精度对于所有β可能的取值均能达到二阶精度, 本文借鉴Harten-Yee二阶迎风TVD格式的构造思想, 采用反扩散的方法将格式提升至二阶精度。二阶精度格式数值通量的统一形式为

对于定常计算,

1.4 控制方程及差分格式

本文的控制方程是计算坐标系下的完全气体层流NS方程组, 采用LU-SGS时间积分, 黏性项采用二阶中心差分, 具体形式参照文献[4]。对流项采用本文提出的二阶精度可调数值黏性格式 (下文简称格式一) 及Harten-Yee二阶迎风TVD格式 (下文简称格式二) 进行离散, 为了提高激波分辨率, 从壁面算起, 所有使用格式一的算例中, 法向网格点指标大于20时β均取为1, 且初场均由格式二计算结果提供。

2 数值算例及结果分析

2.1 来流条件及边界条件

本文计算模型包括半径为27.94mm的球头以及钝头半径为27.94mm、半锥角为15°的钝锥, 数值来流条件参照Cleary的实验[6]:

边界条件包括:壁面采用等温壁无滑移边界条件, 压力由法向压力零梯度条件确定;外边界给定超音速来流条件;出口边界采取零阶外插;对称边界由流场对称性质处理;奇性轴边界条件用物理量平均的方法给定。

2.2 球头驻点热流计算

球头网格采用代数方法生成, 由于本文不考虑侧滑角影响, 所以仅生成了半个球头网格。计算网格数为25×80×25 (流向×法向×周向) , 通过改变法向网格分布, 得到了法向网格雷诺数为40, 20, 10, 5四套疏密程度不同的网格。法向网格雷诺数的定义为

表1给出了可调参数β取不同值时, 不同法向网格雷诺数下球头的驻点热流值, 此处, 热流采用无量纲形式

由表1我们可知随着可调参数β的增加, 热流对网格的依赖性逐渐降低, 文献[6]给出的驻点热流值约为0.009, β=2.0时在网格雷诺数5—40之间热流计算误差均在20%之内, 而β=1.0时 (此时格式变为Harten-Yee二阶迎风TVD格式) 计算误差将近100%, 热流变化将近5倍, 这说明本文构造的二阶精度可调数值黏性格式可以有效的提高FDS类格式的黏性分辨率, 改善热流计算精度。

2.3 钝锥表面热流计算

计算网格采用某软件验证单位给出的标准网格, 网格数为76×81×37 (流向×法向×周向) , 该网格的最小法向网格雷诺数为20.0, 本算例中热流值使用文献[6]给定的驻点热流值进行无量纲化。图1给出了钝锥外形及计算网格。本文对0°及20°攻角两种情况进行了数值模拟, 为了降低黏性耗散, 可调参数取2。

2.3.1 零攻角钝锥绕流

图2给出了流向热流分布 (流向长度均以钝头半径进行了无量纲化) , 图3给出了流场压力等值线分布。

从图2及图3可以看出:二阶精度可调数值黏性格式可有效的分辨出流场中的激波结构, 计算出热流与实验符合较好。

2.3.1 20°攻角钝锥绕流

图4出了热流沿迎风面、侧面、背风面三个子午面的分布;图5出了x=2.23、10.13、13.64三个剖面上热流分布;图6给出了流场的压力等值线。

由上述三图可知数值模拟结果与实验值基本相符, 流场激波结构清晰, 可知本文构造的二阶精度可调数值黏性格式适用于高超声速热流的计算。

4 结论

本文采用二阶精度可调数值黏性格式对三维球头、钝锥流动进行了数值模拟得到了如下结论:

1) 可调数值黏性格式可适用于高超声速流场的计算, 可调参数的引入降低了数值黏性及热流计算结果对网格的依赖性;

2) 使用二阶精度可调数值黏性格式以及修正后的熵修正函数计算得到的热流值, 与实验值相符的较好。

3) 该格式耗散比传统的Roe格式小, 有望进一步应用在大涡模拟及其它对格式耗散要求较高的领域。

参考文献