声学参数（共3篇）
声学参数 篇1
岩石力学参数是钻井液密度设计,井眼轨迹优化、压裂施工设计等所需的基础参数,准确计算岩石力学参数是快速、经济、高效开发油气田的基础。获取岩石力学参数的方法一般有两种,第一种就是常规的静力学实验,即通过三轴实验获得应力应变曲线来计算,具有精确可靠的优点,但数据点离散、工作量大、成本较高。另外一种方法是超声波无损强度检测技术,该方法通过大量实验建立出力学参数与声学参数模型,通过声波数据反演获取力学参数,该方法具无损、经济快速、重复性高的优点。
声波速度是一项较好的反映地层岩石综合物理性质的声学指标,国内外的一些研究已经表明,声波在岩石中的传播速度与岩石的力学参数有较好的相关性,但国内外学者建立的表达式类型各不相同。金解放等[1]通过大量实验获得英安斑岩的密度和动弹性模量与纵横波速度有良好的线性相关性,其单轴抗压强度与声波速度有二次相关性关系;王子江等[2]建立了波速与强度的宏观定量关系,得出岩石纵波速度与岩石单轴抗压强度的立方根成正比;燕静等[3,4]建立了用声波速度预测抗压强度、硬度的数学模型,得出砂岩剖面和泥岩剖面的抗压强度与传播速度呈线性正相关关系;Lacy基于动态弹性模量得出单轴抗压强度和杨氏模量的经验关系[5—10],该公式不仅可用于碳酸盐岩还能用于砂岩和泥页岩;刘向君,王利娟,张建仁等[11—13]基于密度和声波纵波时差的横波预测经验公式具有较好的适应性,由预测横波时差计算得到的岩石动态弹性模量在低围压(3 MPa)条件下与静态弹性模量值吻合。
波速只反映了岩石的弹性特征,而衰减系数不仅与弹性性质有关,还和岩石的黏滞、反射、散射、以及微观过程中引起的弛豫效应有关,相对于波速而言,它携带了更多的表征岩石介质性质的信息。孟庆山等验证了声谱衰减特征与岩石强度具有很好的相关性,并指出通过分析声波信号透过岩体后的衰减变化能一定程度反映岩体的风化程度、破碎状态、强度及各向异性特征[14—19]。调研表明:在衰减方面大多学者只表征了衰减特性随抗压强度的变化趋势,很少量化衰减与力学参数之间的关系。
围绕声学参数和岩石力学相关性方面前人已做了大量研究,但很少针对页岩,且大部分都只对声波的波速或者衰减单一特性,很少综合考虑两个变量。笔者认为波速和衰减反映了岩石的不同性质,声波的传播速度是沿着波阻抗最大的路线传播的,所以波速基本上是基质性质的体现,而衰减系数主要受岩石中异体对生波的散射、折射作用和介质的黏滞吸收作用影响,因此衰减系数更倾向于考虑岩石的非均质性,即岩石中异体(包括孔隙,及填充其他介质的孔隙)的影响。所以作者认为综合考虑波速和衰减能更精确的预测岩石的力学参数,为此本文选取了四川盆地的40块页岩进行了声波测试和岩石力学测试,从实验数据入手建立波速和衰减系数的综合模型,并与单一因素模型对比分析,证明了综合因素模型的可靠性。
1 实验方法及原理
1.1 试样的制取
岩样的制取根据《工程岩体试验方法标准(GB/T 50266—99)》的相关要求,共制取30块25 mm×50 mm岩样,试件两端面的不平行度,最大不超过0.05 mm,试件端面垂直于试件轴,最大偏差不超过0.25°。
1.2 超声波测量
利用油气藏地质及开发工程国家重点实验室自行研制的承压型超声波测量仪进行测量,该装置由脉冲发生器、纵横波探头、数字示波器、微机及相应处理软件组成,采样频率为500 MHz,波形峰值误差为0.003 9。测量装置的原理图如下图1所示
为保证计算的波速的精确度,对每块岩样进行多次测量取其算术平均值。波速的计算采用V=L/T,其中L为岩样的长度(m),T为透过试样所需时间(s)。
本文中衰减系数的计算应用信号对比法,衰减系数定义为:单位长度上,入射波首波和透射波首波振幅对数值的差值,分别测量并记录透过岩样(透射波)和探头对接时(入射波)首波的幅度,按公式(1)计算被测岩样的声波衰减系数:
式(1)中:A0为探头对接首波最大振幅(V);A为透过岩样后的首波最大振幅(V);L为岩样的长度(m)。
1.3 岩石力学参数测量
本文中的岩石力学数据来自GCTS公司的RTR—1000三轴力学测试系统,该仪器能模拟的最大围压为140 MPa、孔压为140 MPa,最大轴向载荷为1 000k KN。
测试条件为无孔压、常温、围压20 MPa;加载方式为位移加载,加载速度为0.1 mm/min。弹性模量、泊松比数据由应力应变曲线上的弹性变形阶段获得。
2 实验结果及分析
岩样测试完毕后,剔除数据异常点后,部分岩样的测试结果如表1。
2.1 弹性模量模型的优选
本文所选取的岩心纵横波速、衰减系数与弹性模量的关系曲线如图2、图3所示。从图2、图3弹性模量随纵波波速的增加而增大,呈正相关线性关系,且相关性较好,相关性系数为0.82;纵波衰减系数与弹性模量呈负相关指数关系,相关性系数为0.89,从相关性系数可知由纵波衰减系数与弹性模量建立的模型其拟合效果比波速模型的拟合效果好。
随着横波波速的增大,弹性模量也呈增大趋势,但是数据比较离散,不能建立可靠的以横波波速为因变量的弹性模量预测模型;横波衰减系数与弹性模量呈现负相关指数关系。但与纵波相比,横波波速不能用来反演弹性模量,横波的衰减系数与弹性模量的相关性系数比横波波速有很大提高。
综合考虑波速和衰减系数运用Matlab软件进行多元回归分析,拟合的以波速和衰减系数为因变量的弹性模量表达式如式(2)、式(3)。式(2)是以纵波速度和纵波衰减系数为变量的弹性模量模型,表达式的相关系数为0.947,式(3)是以横波速度和横波衰减系数为变量的弹性模量模型,其相关系数为0.732。由相关系数知综合考虑波速和衰减系数比单一变量更能精确反映弹性模量的变化,且纵波反演效果比横波要更好,其反演误差在5%左右,因此,由纵波波速和纵波衰减系数建立的综合模型是最优的弹性模量预测模型。
式中:E为弹性模量,Vp、Vs分别为纵波和横波速度;αp、αs分别为纵波衰减系数和横波衰减系数。
2.2 泊松比模型的优选
由实验数据绘制的纵横波速度衰减系数与泊松比的关系曲线见图4、图5。由图4知,泊松比随着纵、横波速的增大而减小,横波波速与泊松比的相关性较差,不能用来反演泊松比,纵波波速与泊松比呈正相关线性关系,且相关性良好。从图5可知,纵、横波的衰减系数与弹性模量呈正相关线性关系,相关性系数分别为0.64、0.76,其拟合效果均比波速的拟合效果好,这与前人得到的衰减比波速更好的反映岩石物理性质的结果一致,但是衰减系数模型也不能满足工程需要。
综合考虑波速和衰减系数建立的泊松比的表达式如式(4)和式(5)。纵波波速和纵波衰减系数与泊松比的表系式的相关性系数为0.876,横波波速与横波衰减系数为因变量的泊松比的表系式的相关性系数为0.764,从相关性系数可以看出综合考虑横波波速和衰减系数建立的模型与考虑衰减系数的拟合效果差别不大,但是由纵波波速和纵波衰减系数建立的泊松比的模型,其拟合精度明显变高,是预测泊松比的最优模型。
2.3 抗压强度模型的优选
由表绘制出纵横波的波速、衰减系数与抗压强度的关系如图6、图7。从图中可以看出抗压强度随波速的增大而增大,随衰减系数的增大而减小。波速与抗压强度的相关性较差,衰减系数与抗压强度呈负相关多项式关系,其相关性较好。
综合考虑波速和衰减系数两个变量得到的抗压强度的表达式如式(6)、式(7),以波速、衰减系数为因变量建立抗压强度模型,其纵、横波模型的抗压强度与波速和衰减系数的相关性系数分别为0.86和0.89,比单一因素模型拟合精度高。在综合模型中出现了,横波模型的拟合效果,比纵波的拟合精度高的现象,与弹性模量、泊松比中纵波比横波的模拟效果好的现象相违备,目前的研究中很少涉及横波,本文的横波数据较少,因此该横波模型只是作为参考,在以后的研究会加强横波的研究,在本文中认为抗压强度的最优模型是纵波波速、衰减的综合模型。
3 结论
通过对实验数据的统计规律,得出如下结论。
(1)与横波波速相比纵波波速与力学参数的相关性更好,但只有纵波波速的弹性模量模型能满足工程需要。
(2)声波的衰减系数比波速能更好的反映岩石的力学特性。
(3)综合考虑波速和衰减系数建立的多项式力学参数模型,其模拟结果比单一因素模型更接近实验值。纵波模型反演的弹性模量、泊松比结果比横波模型的误差小,而抗压强度的纵波的综合模型的相关性系数低于横波综合模型。
综上可知运用纵波波速和衰减系数的综合模型求取弹性模量、泊松比、抗压强度,而横波波速和衰减系数模型可以作为求取抗压强度的参考和验证。
摘要：用实验方法探讨了页岩的波速和衰减系数与抗压强度、弹性模量,泊松比的相关性。结果表明:1纵波波速建立的力学参数模型比横波波速模型的相关性要好;2除纵波波速与弹性模量模型的相关性较好外,纵波波速反演抗压强度、泊松比的误差较大;3纵波衰减系数与弹性模量、泊松比、抗压强度分别呈正相关指数、负相关线性和负相关多项式关系,且纵波衰减模型比波速模型的拟合效果好;4综合考虑波速和衰减系数建立的抗压强度模型、弹性模量模型、泊松比模型比单一因素模型反演精度更高,纵波波速和衰减系数。综合模型的相关性系数均大于0.85,完全能满足工程需要。其中横波的波速、衰减系数的抗压强度模型与纵波的波速、衰减系数模型预测结果相近,可用以验证纵波抗压强度预测效果。
关键词：波速,衰减系数,弹性模量,泊松比,抗压强度,相关性
歌唱艺术嗓音中声学参数的应用 篇2
1客观评价的声学参数
检测、分析、研究嗓音声学参数的特点、规律是客观评价嗓音的前提。
1.1共振峰
共振峰是研究嗓音共鸣及音质的学说。音质、音量和音色是嗓音的三个重要的组成部分, 但从科学的角度说, 通常情况下所谓的“美妙的歌声”其实主要就是指嗓音的共鸣品质, 嗓音的低共振峰或频率的分布提供深度或共鸣, 高共振峰提供光彩[1,2]。所有这些特质一起形成嗓音音质。从声学的角度说, 音质是反映在声谱仪中的元音声谱特性;从美学的角度说, 主要是指一个音的美学效果或是否优美。音质的优劣决定嗓音的音色和音量特性。因此, 研究歌唱, 应首先注重对音质的研究, 没有良好的歌唱音质, 音量和音色就无从谈起。而将音质等同于音色的认识亦是错误的。
一般来讲, 其中较低的两个峰即第一共振峰和第二共振峰基本上规定了声音的元音音色, 而较高的第三共振峰、第四共振峰和第五共振峰影响着声音的个人特征和音乐音色。声道的固有频率的数值是由声道的形态所决定的, 改变声道的形态就会产生不同的声音, 因此每种声道形态都有一套共振峰作为其特征。
国内外各学者对歌唱艺术嗓音共振峰长期致力的研究成果表明第一、第三共振峰是衡量歌唱者声乐技术水平的重要客观参考数据。因此实验选取第一、三共振峰做为客观评价参数。
1.2基频
基频是发浊音时声带振动的基本频率;除与声带本身的基本特征 (长度、质量、张力等) 有关外, 还受环甲肌、甲杓肌及声门下压的调节;是歌唱艺术嗓音重要的参数之一。自相关与小波相结合的方法提取基频。
1.3音域
音域是指人类发声在音调上由低到高的发声能力范围。歌唱音域反映了演员歌唱能力的一个方面, 是艺术嗓音研究的重要指标[3]。
1.4基频微扰
基频微扰是指相邻周期间声波基频的变化率, 用于度量指定的一个周期与相邻前几个周期或后几个周期的差异量, 反映声带振动周期性间频率的差异[1,4]。
1.5共振峰微扰
第一、三共振峰微扰分别是衡量相邻周期间第一、三共振峰的变化率。
1.6平均能量
平均能量表示相同环境下歌声信号的相对大小。
2声学参数提取方法
利用语音分析技术通过计算机编程提取歌声第一共振峰、第三共振峰、基频、音域、基频微扰、第一共振峰微扰、第三共振峰微扰、平均能量八个声学参数。
2.1共振峰提取方法
AR模型峰值检测法提取第一、第三共振峰。提取流程如图1。
2.2基频提取方法
利用自相关与小波相结合的方法提取基频。基频提取的步骤为:
(1) 歌声信号读入及预处理;
(2) Db4小波分别对每帧信号进行4层分解;
(3) 分解后小波信号的重构;
(4) 自相关计算;
(5) 峰值检测。峰值位置对应的频率即为基频。
2.3音域提取方法
估算音域的最简方法是选取歌声、曲谱中出现的音高极大值和极小值, 但歌声、曲谱中音高数据很多, 只取其中两个, 不可避免偶然性, 有必要使用统计方法。因此文中估算音域的方法是取歌声、曲谱中所有音高D值平均值及标准差。
1) 音高D值的计算
D=12*log2 (F÷F0) . (1)
2) 歌声、曲谱中所有音高平均值undefined
undefined. (2)
3) 标准差σ
undefined. (3)
其中E[]表示取平均, N为音高数据元素数量。
4) 域宽S
S=4σ. (4)
2.4基频微扰提取方法
基频微扰的数学定义[69]:
undefined. (5)
其中F0i表示第i个周期的基频。
2.5共振峰微扰提取方法
共振峰微扰的数学定义:
第一共振峰微扰=undefined
第三共振峰微扰=undefined
其中F1i、F3i分别表示第i个周期的第一共振峰、第三共振峰。
2.6平均能量提取方法
短时平均能量数学定义[23]:
undefined. (8)
3实验方法
选择邵阳学院音乐学院年龄18～23的音乐专业本科大学生46人, 从事声乐专业学习2年以上, 无喉病及上呼吸道感染。嗓音样本的录制现场设在隔音室, 录音环境噪声小于45 dB。录音通过Pentium4计算机声卡连接的麦克风, 计算机采样频率为48 kHz, 16 bit量化, 将录音信号存放为wav语音文件。录音时, 受试者距麦克风约10 cm, 录制专业训练民族唱法歌声信号。同时由音乐学院资深专业教师凭借丰富的声乐知识和经验, 对歌声质量按10分制打分, 做出主观评价。
4 BP神经网络评价方法
人工神经网络是模仿人类大脑功能的信息处理系统。BP神经网络包括输入层、隐含层和输出层[5]。利用BP神经网络对歌声进行客观评价包括训练学习过程和歌声评价过程 (图2) 。选取歌声第一共振峰、第三共振峰、基频、音域、基频微扰、第一共振峰微扰、第三共振峰微扰、平均能量作为评价参数, 归一化消除数量级大小不同的影响后作为输入参数, 将资深专业教师主观评价歌声质量所打的分数作为输出参数, 建立歌声质量分数与评价参数的非线性关系。反复训练后发现隐含层神经元数目为30的神经网络对歌声样本的逼近误差最小, 故选取隐含层神经元数目为30, 隐含层和输出层的传递函数分别选用tansig、logsig, 权值和阈值的初始值取[0, 1]之间的随机数, 设置训练最大误差0.001, 通过神经网络的训练学习得到最优连接权值和阈值。最后将待评价歌声的参数作为输入参数, 由训练后的神经网络预测得到评价歌声的分数。
5实验结果及结论
实验使用所提取的第一共振峰、第三共振峰、基频、音域、基频微扰、第一共振峰微扰、第三共振峰微扰、平均能量八个声学参数作为客观评价参数, 使用BP神经网络方法对歌声进行评价。随机选取30个歌声样本作为训练集, 剩下的16个歌声样本作为待评价样本。客观评价分数见表1。客观评价分数与资深专业教师主观评价分数之间的误差在3.8%之内, 基本能正确评价歌声质量。该结论表明声学参数选择的有效性与正确性。由于歌声样本中分数较高和分数较低的数目占少数, 随机选取的训练集也是这种情况, 因此客观评价时高分和低分的误差相对大一些。
参考文献
[1]杨式麟.嗓音的声学检测[J].听力学及言语疾病杂志, 2001, 9 (4) :255-258.
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[5]阎平凡, 张长水.人工神经网络与模拟进化计算[M].北京:清华大学出版社, 2001:17-34.
声学参数 篇3
当前灌注桩的检测方法主要有:钻芯法、低应变动力测桩法、高应变动力测桩法、声波透射法。其中声波透射法相对于其他方法有如下优点:检测全面细致、速度快、发射和接收声波的探头在声测管内沿全桩长范围内扫描, 检测范围可以覆盖全桩长。通过最近开发的声波层析成像技术可以实现立体化的判别, 该技术可以得出整个断面声波波速的分布图像, 可以清晰直观的反映灌注桩的质量和内部缺陷, 作为一种新兴的检测技术, 可以预见在将来必将得到快速发展。
就地灌注桩是用施工机械或人力直接在地基土上用钻孔、冲孔、或挖孔的方式成孔, 就地浇筑混凝土而成的桩。按照成孔方式不同可以分为钻孔灌注桩、冲孔灌注桩、沉管灌注桩、人工挖孔桩。如果对施工工艺不加严格控制, 对本身就比较复杂的地下隐蔽工程来说, 成桩过程中总会出现一些桩身质量缺陷, 而这些质量缺陷可以用声波透射法进行检测做出基本判断。
声波透射法的基本原理是[2]:在基桩成孔后, 灌注混凝土之前, 在制作的钢筋笼上绑扎或焊接声测管, 并保证声测管的平行, 使声波发射和接收换能器可以沿声测管顺利地的上下通行, 在桩身混凝土灌注若干天后开始检测, 用声波检测仪逐点检测声波穿透桩身各截面的声学参数, 然后对这些数据进行处理分析和判别, 确定桩身混凝土缺陷的范围、位置和程度, 从而推断桩身混凝土的连续性、完整性和均匀性状况, 评定桩身混凝土完整性等级。
灌注桩桩身缺陷会引起声学参数的异常变化, 但是不同类型的缺陷声学变化特征也不同, 虽然目前还难以根据声学参数的变化对桩身缺陷做出明确无误的判断, 但是通过实践与现场验证还是总结出了如下一些基本规律[1]。
桩底沉渣:沉渣是松散介质, 它本身的声速很低, 对声波的衰减也相当剧烈, 声波一旦遇到沉渣, 声速和振幅均剧烈下降, 通常在桩底出现这种情况多是由沉渣引起的。
桩身夹泥:由于在浇筑过程中导管提升不当, 拔管速度过快, 特别是在饱和淤泥或流塑状态淤泥质软土中成桩时, 控制好拔管速度非常重要。若在桩身就是断桩或缩颈, 若在桩顶就是桩顶标高不够。它的特点也是声速和振幅明显下降, 只不过出现在桩身时往往是突变, 出现在桩顶时缓变。
桩身离析:水下浇筑混凝土时, 如果混凝土搅拌不均匀、水灰比过大或导管漏水均会产生离析现象。若是挖孔桩出现各断面均测值异常的层状缺陷则是因为施工中的事故引起的疏松层或桩孔下部排水不净或混凝土浇筑后出水, 混凝土被稀释所致。
孔壁坍塌或泥团:在地下水渗流严重的地区, 孔壁很容易坍塌, 土体容易丧失稳定性而塌落。该情况声速与振幅均下降, 但下降多少视缺陷情况而定。如果是局部的泥团, 并未包裹声测管, 则下降的程度并不是很大;如果泥团包裹声测管, 则下降的程度较大, 特别是振幅的下降更为剧烈。
混凝土离析:混凝土浇筑时, 施工方法不当会造成混凝土离析, 造成在桩身某处粗骨料大量堆积, 而邻近部位出现浆多骨料少的情况。粗骨料多的地方, 由于粗骨料多, 而粗骨料本身波速就比较高, 往往造成这些部位声速值并不低, 有时反而有所提高。但是由于粗骨料多, 声学界面多, 对声波的反射、散射加剧, 接收信号削弱, 于是波幅下降。至于粗骨料少而砂浆多的地方则正好相反:由于该处砂浆多, 粗骨料少, 测得的波速下降, 但振幅值不但不下降, 有时还会高于附近值。这虽然是由于粗骨料少, 则声波被反射、散射少的缘故。应采用波数和振幅两个参数进行综合的分析判断。
混凝土气泡密集:在灌注桩上部桩身有时会因为混凝土浇筑提管过快有大量空气封在混凝土内。虽不一定造成孔洞, 但可能形成大量气泡分布在混凝土内, 使混凝土质量有所下降。这种混凝土内的分散气泡不会使波速明显降低, 但却使声波能量明显衰减, 接受波能量明显下降, 这是这类缺陷的特征。
本文对声波透射法的基本原理以及混凝土灌注桩的常见缺陷性质与声学参数关系进行了探讨, 归纳总结了灌注桩施工不良产生的一些质量缺陷, 及基本正确的声波透射法的检测规律, 在实践中可以根据该检测规律对灌注桩检测工作做出基本正确的指导
摘要：施工现场对地层及其它施工环境要求比较高, 以及为了降低噪声, 防止扰民, 常选用灌注桩作为基础, 该桩型既可以作为一种地基处理方法也可以作为桩基的一种形式。但是灌注桩成桩的工艺相对复杂, 质量的稳定性相对较差, 在成桩完成后需要对其进行检测。
关键词：灌注桩,声波透射法,声学参数
参考文献
[1]罗骐先主编.桩基工程检测手册.北京:人民交通出版社, 2003