时间：2023-05-30 10:37:17
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇声速测量，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
摘 要：就声速的测量实验三种测量方法，通过实验数据进行分析说明，便于提高实验者的实验技能。
关键词：声速；实验；测量方法；实验数据；技能
声速的测量实验，基本有三种测量方法：驻波法(共振干涉法)；相位比较法(李萨如图法)； 时差法。通过对三种测量方法分析，我认为三种测量方法各有优缺点。前两种方法存在一定的视觉测量误差，测量结果不确定性的增大，容易引起测量精确度的降低，但操作性强，便于实验者技能的培养；后一种方法精确度大大提高，在实际工程中，时差法测量声速得到广泛的应用，但因为由仪器本身来计测有关数据，对实验者的实验技能和技巧没有太大帮助。建议实验者带着比对、加深印象目的使用这三种方法进行测量声速。建议优先用相位法、驻波法测量并分析误差的原因，有利于理论和技能的综合提高。如增加实验组数，也有效增加了测量的精确度。下面就三种方法简单介绍并实验说明。
实验介绍：
1、驻波法(共振干涉法) 由测试架上发射换能器发射出的声波经介质传播到接收换能器时，在接收换能器表面(是一个平面)产生反射。此时反射波与入射波在换能器表面叠加，叠加后的波形具有驻波特性。从声波理论可知，当二个声波幅度相同，方向相反进行传播时，在它们的相交处进行声波干涉现象，出现驻波。而声强在波幅处最小，在波节处最大。所以调节接收换能器的位置，通过示波器看到的波形幅度也随位置的变化而出现起伏，因为是靠目测幅度的变化来知道它的波长，所以难以得到很精确的结果。特别是在液体中传播，由于声波在液体中衰减较小，发射出的声波在很多因素影响下产生多次反射叠加，在接收换能器表面已经是多个回波的叠加(混响)，叠加后的波形的驻波特征较为复杂，并不是根据单纯的两束波叠加来观察它的幅度变化，来求出波长。因此用通常的两束波叠加的公式来求速度，其精确性大为下降，导致测量结果不确定性的增大。通过在测试槽中的左、中、右三处进行测量，可以明确看出用通常的计算公式，在不同的地方计算得到的声速是不一样的。
2、相位比较法(李萨如图法) 声速在传播途中的各个点的相位是不同的，当发射点与接收点的距离变化，二者的相位差也变化。通过示波器用李萨如图法进行波长的测量。与驻波法相同的是都是目测波形的变化来求它的波长，同样测量结果存在着一定的不确定性。同样因为声波在液体中传播存在着多个回波的干涉影响，从而导致测量结果的不确定性的增大。
3、时差法 在实际工程中，时差法测量声速得到广泛的应用。时差法测试声速的基本原理是基于速度 =距离S／时间T，通过在已知的距离内计测声波传播的时间；从而计算出声波的传播速度，在一定的距离之间由控制电路定时发出一个声脉冲波，经过一段距离的传播后到达接收换能器。接收到的信号经放大，滤波后由高精度计时电路求出声波从发出到接收这个在介质传播中经过的时间，从而计算出在某一介质中的传播速度。只因为不用目测的方法，而由仪器本身来计测，所以其测量精度相对于前面两种方法要高。同样在液体中传播时，由于只检测首先到达的声波的时间，而与其它回波无关，这样回波的影响比较小，因此测量的结果较为准确，所以工程中往往采用时差法来测量。
关键词：声波测井技术;岩土工程勘察;应用
1前言
岩土工程勘察是查明拟建场地内及其附近有无影响场地稳定性的不良地质作用，划分场地土类型和建筑场地类别;查明场地范围内的地层结构及均匀性，提供各岩土层的物理力学指标等。当前，随着数字测井技术的不断发展提高，声速测井作为一种重要的测井方法，在油田勘探和开发、工程物探等许多领域有广泛的应用。采用声速测井技术，可用弹性波纵波速度划分岩体风化带、解释软弱夹层、评价岩体完整性、计算相关的动力学参数;可用弹性波横波速度判别沙土液化，参与计算岩土抗剪强度和相关动力学参数;其他动力学参数可用于评价地层的力学强度和结构特性。
2 声速测井的测试原理
由于不同岩层有不同的声波传播速度，采用声速测井技术（一般测量纵波速度），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，从而进行钻孔岩性划分、岩层风化和氧化带的确定、解释裂隙和软弱夹层、弹性参数的计算等。
2.1根据不同的声波传播速度，结合电阻率、自然伽玛等参数，对钻孔岩性进行划分。
2.2由于岩石因风化、氧化，胶结程度会变差，疏松甚至破碎，在测得声波速度后，将其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，由此可确定岩层风化、氧化带。
2.3如果岩层有裂隙及软弱夹层，当声波传至此时会速度会有所降低，在测试时如声波出现异常，可据此来解释裂隙及软弱夹层。
2.4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：
E=ρVs2（3 Vp2-4 Vs2）/（Vp2-Vs2）
δ= Vp2-2 Vs2/2（Vp2-Vs2）
μ=ρVs2
k=ρ（Vp2-4/3 Vs2）
式中：E为介质的弹性模量;k为体积模量;u为切变模量;δ为泊松比。
声速测井一般提供的是纵波时差 tp，并可换算为纵波速度Vp，而横波速度Vs由经验公式计算：
Vs= Vp[1-1.1.5（1/ρ+1/ρ3）/e1/ρ]3/2
3 影响岩石声波速度的主要因素
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：
3.1 岩石的密度对声波速度的影响。在不同岩性的岩石中，由于岩性的岩石密度不同，声波传播速度也会不同。一般，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。
3.2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。
3.3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。
3.4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。
3.5 岩石含水率对声波速度的影响。水对岩石的声波速度产生重要影响，随含水量增加，岩石的纵波速度和横波速度增大，但是由于岩性不同，其岩石矿物成分、胶结状况和结晶程度等因素差异很大，因此，随含水量增加，岩石的声波速度增高的速率则不完全相同，水对岩石声波速度的影响经回归分析得到如下关系：
V=V0+kw
式中：V――不同含水量状态下岩石纵波或横波速度，m/s;
V0――干燥状态下岩石纵波或横波速度，m/s;
k――水对岩石声波速度影响系数;
w――含水量。
4 工程应用实例
某工区地形比较平坦开阔，局部有缓丘及冲沟发育。覆盖层主要为黄褐色粘土、粉质粘土和乱石层，而基岩以泥岩为主，局部夹薄层透镜状砂岩，产状平缓，倾角3-5°。应勘察技术要求，用声波测井法判别划分钻孔岩性、确定岩层风化和氧化带以及确定各地层动力学参数。
4.1利用波速法计算岩土的动力参数
根据实测获得的声波传播速度（横波速度 Vs和纵波速度Vp）即可计算岩（土） 体的动弹性力学参数，为工程设计提供参考。计算公式如下：
Ed=（2 Vp2-Vs2）/2（Vp2-Vs2）
Gd= Vs2
式中：Ed为动弹性模量，MPa;Gd为动剪切模量，MPa;d为动泊松比;Vp为纵波速度，m/s;Vs为横波速度，m/s。
根据现场采集数据，处理后计算得各地层动力学参数如表1。
表1 工区各介质勘察钻孔声速测井成果
岩土名称 深度范围/m Vp/m s-1 Vs/ m s-1 动泊松比d 动剪切量Gd/ MPa 动弹性量Ed/ MPa
（粉质）黏土 3-5 460 180 0.41 63.5 179.0
粉土 6-8 630 260 0.40 132.5 370.3
卵石 10-15 920 395 0.39 349.5 969.5
卵石 16-21 1880 600 0.44 807.8 2332.0
中风化砂岩 23-25 2980 1040 0.43 2747.0 7861.0
弱化砂岩 27-28 3570 1450 0.40 5340.0 14970.0
中风化泥岩 29-30 3530 1510 0.38 5951.0 16520.0
从表1可以看出，砂岩、泥岩的纵波速度较高，黏土的纵波速度较低，在综合分析解释的基础上，其既可校正地解释岩性和岩层，又可检验其推测精度。
泊松比反映的是岩体弹性性能，即在应力作用下产生纵向相对与横向相对变形量之比的倒数，反映的是岩体“软”“硬”程度。泊松比越小，岩石越坚硬。纵波与横波比值能判定岩石的完整性。波速是岩土物理性质的重要参数，波速大小在一定程度能反映岩土密实度、孔隙度、风化程度和裂隙发育程度。岩石密度小、孔隙大、裂隙多使波在传播中发生绕射，声线“拉”长，旅行时间延长，速度降低。
5声速测井技术在岩土工程勘察中存在的不足
5.1声波在具有裂缝和溶洞的地层中传播时，会因产生多次反射而使能量明显衰减，此时滑行波的幅度亦会减小。要解决这一问题，可以提高探头的发射功率，用以增大滑行波的能量。
5.2 动力学参数虽能评价岩体完整性、软硬程度、风化程度、裂隙发育等，但目前尚缺乏全国性的统一标准和规范对岩石分类，大多是一些某单位或某部分的经验值或推荐公式，因此迫切需要统一的分类标准和规程早日出台。
6结束语
综上所述，声速测井技术作为一种直接的勘察方法，其除了能够计算各种弹性参数外，还能够进行岩性划分、圈定岩体风化带和氧化带、解释岩层的裂隙及软弱夹层等，在岩土工程勘察中发挥了重要作用。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：
[1]赵振宇.论声波测井在地质勘察中的应用[J].城市建设理论研究，2011（25）.
2实验原理
2.1 时差法测量声速
时差法测量声速是利用已知声波传播的距离,测量发射脉冲和接收脉冲之间的时间差。
计算出声速在液体中的传播速度,即超声波 [10] (1)
时差法
其中L的是位移之差,T是传播所用的时间。
在储液槽中注入液体,直至将换能器完全浸没,但不能超过液面线。注意:注入液体时,不能将液体淋在数字显示表头上。将专用信号源上的“声速传播介质”置于“液体”位置,换能器的连接端应在接线盒上的“液体”专用插座上。
测量液体声速时,由于在液体中声波的衰减较小,因而存在较大的回波叠加,并且在相同频率的情况下,其波长要大得多,用驻波法和相位法测量时可能会有较大的误差,所以建议采用时差法测量。
2.2 陶瓷换能器工作原理
频率在20Hz~20kHz的机械波振动在弹性介质中的传播就形成超声波超过
20KH超声波,超声波的传播速度就是声波的传播速度,而超声波长短,易于定
向发射等优点[11],声速实验声速所采用的声波频率一般都在20~60kHz之间。此
频率范围内,采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器,接收效果最佳。压电陶
瓷换能器根据它的工作方式,分为纵向(振动)换能器。声速教学实验中大多数
采用纵向换能器。图3为纵向换能器的结构,用示波器观察波谷和波峰,或观察两个波间的相位差,原理是正确的,但读数位置不易确定。较精确测量声速是用声波时差法。时差法在工程中得到了广泛的应用,它是将经脉冲调制的电信号加到发射换能器上,声波在介质中传播,经过时间后,到达距离处的接收陶瓷换能器图2
水中声速与温度关系的实验研究
3 实验方法
3.1 时差法测量声速操作方法
(1)实验时只要按图3连接中换能器的S2该接在信号源的S2上,再把信号源上的Y1,Y2顺次与示波器上的Y1,Y2接通即可。
(2)将测试方法设置到脉冲波方式,将换能器的S1,S2调节到一定距离,在调解接收增益,使得显示的时间差值读数稳定,此时仪器内置的计数器工作在最佳状态,记录此时的距离值和时间值。移动S2,如果计时器读数有跳变,则微调接收增益(距离大时,顺时针调节;距离小时,逆时针调节),使得计数器连续稳定的变化。
(3)将！测试方法设置到脉冲波方式。
(4)在仪器使用前,开启电源预热15min。接通市电后,自动工作在连续波方式,选择蒸馏水为介质。“传播介质”按钮选择液体。
(5)将S1和S2之间的距离调到一定距离(≥50mm),再调节接收增益,使示波器上显示的接收波信号幅度在400mV左右(峰—峰值),以使计时器工作在最佳状态。然后记录此时的距离值和显示的时间值Li、(时间由声速测试仪信号源时间显示窗口直接读出)。保持距离不变随着温度的逐渐降低,记录下当时的时间值。
(6)当使用液体为介质测试声速时,先在测试槽中注入液体,直到把换能器完全浸没,但不能超过液面线。然后将信号源面板上的介质选择键切换至“液体”,并将连线接至插入接线盒的“液体”接线孔中,即可进行测试,步骤与上相同。
3.2时差法线路连接图
声速
4 记录数据和数据处理
4.1 记录数据
测量次数i 温度T (℃ ) 距离L ( ㎜ ) 时间t (us)
1 20 216.51 164
2 27 216.51 163
3 36 216.51 162
4 48 216.51 161
5 59 216.51 160
6 70 216.51 159
7 73 216.51 158
表1蒸馏水中温度与速度关系实验研究数据
测量次数i 温度T (℃ ) 距离L ( ㎜ ) 时间t (us)
1 20 216.51 144
2 30 216.51 143
3 40 216.51 142
4 54 216.51 141
5 58 216.51 140
6 62 216.51 139
7 66 216.51 138
8 70 216.51 137
9 73 216.52 136
表2自来水中温度与速度关系实验研究数据记录
4.2数据处理
由时差法速度由计算公式水中声速与温度关系的实验研究[10]可得。 例如V=L/t=216.51/164=1320m/s其余计算结果见下表:
测量次数i 温度T (℃ ) 距离L(㎜) 时间t (us) 速度v(m/s)
1 20 216.51 164 1320
2 27 216.51 163 1328
3 36 216.51 162 1336
4 48 216.51 161 1344
5 59 216.51 160 1353
6 70 216.51 159 1362
7 73 216.51 158 1370
表3蒸馏水中温度与速度实验研究数据处理
测量次数i 温度T (℃) 距离L( ㎜ ) 时间t (us) 速度v(m/s)
1 20 216.51 144 1490
2 30 216.51 143 1510
3 40 216.51 142 1517
4 54 216.51 141 1530
5 58 216.51 140 1542
6 62 216.51 139 1557
7 66 216.51 138 1568
8 70 216.51
137 1580
9 73 216.51 136 1592
表4自来水中温度与速度实验研究数据数据处理
4.3绘制曲线图
温度
5实验结论与讨论
本文利用时差法测量超声波在液体中声速的传播特性。实验测量原理简单,方法可行,测量结果精确度高。本文以蒸馏水和自来水为例。检测了水在20~73℃温度范围超声波在水中声速与温度关系的传播特性。给出了不同温度下速度与温度的关系曲线图。实验结果表明随着温度的升高声速变大。虽然在同一温度范围内测量声速,但自来水和蒸馏水中的变化趋势明显不同,蒸馏水中声速变化均匀,而自来水中声速随温度变化较复杂,在20~55℃声速变化较缓慢。55~73℃声速变化较快。这与它们的成分不同有关,自来水中成分复杂。这其中主要因素主要是因为散射、衰减、吸收、外界因素等。为完善检测方法和检测系统提供了参考。从资料中可知,当外界压强为一个大气压时,超声波在水中的声速先是由温度的升高而变大,直至温度达到73℃时为止,然后随温度的继续升高而减少[12]。由于实验条件所制,本实验无法测量73℃以后声速随温度的变化关系。
The Reading Data in Sequence Method of Special Physics Experimental Equipment
JIANG Li-xia
（Basic Department，Beijing Union University，Beijing 100101，China）
【Abstract】The reading devices of some special physics experimental equipment are designed based on the measuring principles of vernier calipers or micrometers.However，experimenters would feel confused about data reading when they operate these special equipment which have different appearance and structures from vernier calipers and micrometers.The reading data in sequence method proposed in this paper would help experimenters read date quickly and accurately.It has strong availability and effectiveness.
【Key words】Special physics experimental equipment；Reading devices；Reading data in sequence method
在物理实验中有一些特殊的仪器，它们的读数装置是根据游标卡尺或螺旋测微器的结构和测量原理而制成的，但其外观和结构又与游标卡尺或螺旋测微器有很大的?^别，使得实验者在读数据时感到困难，而造成这种困难的原因在于实验者所掌握的游标卡尺和螺旋测微器的传统读数方法所致。
游标卡尺和螺旋测微器的结构和测量原理在中学物理实验课和大学物理实验课中都是必修内容，因此实验者对游标卡尺和螺旋测微器的结构和测量原理非常熟悉，特别是对两种尺的传统读数方法印象深刻。游标卡尺由主尺和游标尺组成，游标尺是副尺。游标卡尺的读数方法是：主尺是以游标尺的零刻度线为标线读数，游标尺上哪个刻度线与主尺的刻度线对齐，就读该刻度线对应格数，但要注意该读数不需要估读，因为判断游标尺上哪个刻度线与主尺的刻度线对齐时是目测，已经含有存疑。将游标尺读出的格数乘以精确度，再与主尺读数加起来，就得到一个完整的读数。螺旋测微器的主尺是固定套管，副尺是活动套管，以活动套管的前沿为读数标线，读出主尺读数，再以固定套管上的横线为读数标线，读出活动套管上的刻度数，再乘以分度值，即为副尺读数，同时注意两点：1）副尺需要估读；2）主尺露出半刻度时，要将半刻度值加到副尺读数上。将主尺和副尺的数加起来，就得到一个完整的读数。对于学习者来说，将主尺读数和副尺读数按照具体尺子的精确度或分度值计算得出一个完整的读数是可以的，但是对于一个使用者来说，这种传统的计算读数法无疑是不实用的，试想这个使用者要测量几十组或上百组数据，如果用这种计算读数方法，既慢又容易出错，自然会感到读数困难，那么有没有简单易行的读数方法呢？实际上游标卡尺的游标尺上的刻度标数已经是按实际的精确度设置，螺旋测微器的活动套管上的刻度标数也已经是按实际的分度值设置，两种尺的主尺读数和副尺读数实际上只存在数量级关系，一个完整读数的组成实际上是“主尺读数+小数点+副尺读数”这样一个排列规律，本文将按照这个规律读数的方法称为“排列读数法”。例如：游标卡尺的主尺读数为21，游标尺上44刻度线与主尺的刻度线对齐，但注意该读数不需要估读，因为该刻度线与主尺的刻度线对齐是目测，已经含有存疑，按“主尺读数+小数点+副尺读数”规律排列，就得到完整读数为22.44mm。再例如：螺旋测微器的主尺读数为5，并且露出半刻度，副尺读数为150，该读数尾数为估读值，主尺露出半刻度，则在副尺读数的首位加5，然后按“主尺读数+小数点+副尺读数”规律排列，就得到完整读数为5.650mm。
用“排列读数法”读取游标卡尺和螺旋测微器上的示数简单易行，使用者可以用这种方法快速、准确地读取数据。物理实验中有一些特殊仪器的读数装置是根据游标卡尺或螺旋测微器的结构和测量原理而制成的，在使用这些仪器的时候，“排列读数法”的实用性就更加明显。
在物理实验中，读数装置是根据螺旋测微器的结构和测量原理而制成，但其外观结构又与螺旋测微器有较大区别的常用仪器是迈克尔逊干涉仪和读数显微镜。迈克尔逊干涉仪是美国科学家迈克尔逊于1881年设计的一种典型的干涉仪，它是利用分振幅法产生相干光束以实现干涉的一种精密光学仪器，可精密地测量长度及其微小变化，其测量结果的精确度可与光的波长相比拟。迈克尔逊干涉仪设计精巧、结构简单、光路直观、测量精度高，在现代科技中应用广泛，例如用它可以测定薄膜厚度、气体折射率，检验棱镜和透镜质量，研究温度、压力对光传播的影响等，它的基本结构是近代许多干涉仪的基础[1]。迈克尔逊干涉仪的读数装置包括主尺和副尺两部分，它的主尺是装在导轨侧面的标尺，有独立的读数标线，副尺分两部分，一部分是粗调鼓轮刻度盘，有独立的读数标线，另一部分是微调鼓轮刻度盘，有独立的读数标线。轨道滑块上的反光镜在某一位置时的位置读数由这三部分尺的读数组成，根据“排列读数法”，该位置读数的排列方式是“主尺读数+小数点+粗调鼓轮刻度盘读数+微调鼓轮刻度盘读数”，由于微调鼓轮刻度盘读数排在最后一部分，因此只有微调鼓轮刻度盘读数时需要估读，主尺和粗调鼓轮刻度盘读数时不需要估读。例如：当轨道滑块上的反光镜移动到某一位置时，主尺读数为44，粗调鼓轮刻度盘读数为68，微调鼓轮刻度盘读数为092，则该位置读数为44.68092mm 。读数显微镜是由显微镜和测微螺旋装置两部分组成。显微镜的作用是将被测物体放大并瞄准，测微螺旋的作用是测读任意两点的距离。读数显微镜的特点是既能达到较高的测量精度（由螺旋测微的精度决定），又有较宽的测量范围（由显微镜筒的移动范围决定），并能实现无接触测量[2]。读数显微镜的读数装置装在垂直于镜筒的平台上，主尺为平台上的标尺，有独立的读数标线，副尺是测微鼓轮刻度盘，也有独立的读数标线。当测微鼓轮转动到某一位置时，该位置读数的排列方式是“主尺读数+小数点+测微鼓轮读数”，注意测微鼓轮读数时需要估读。例如：当测微鼓轮转动到某一位置时，主尺读数为26，测微鼓轮读数为906，则该位置读数为26.906mm。
在物理实验中，读数装置是根据游标卡尺的结构和测量原理而制成，但其外观结构又与游标卡尺有较大区别的常用仪器是分光计和声速测定实验仪。分光计又称光学测角仪，是一种能精确测量光线偏转角度的仪器，被广泛应用于光学实验当中。该装置比较精密，结构复杂，其基本光学结构是许多光学仪器例如棱镜光谱仪、光栅光谱仪、单色仪等的基础，它的调整思想、方法和技巧在光学实验中具有一定的代表性，因而学会分光计的调整和使用有助于掌握更复杂的光学仪器[3]。分光计的读数装置包括主尺和副尺两部分，它的主尺是分为360o的刻度圆盘，最小刻度为0.5o，即30′，小于半度则需用副尺游标读数。为了消除刻度圆盘的偏心差，游标盘上在同一直径的两端设有两个游标。每个游标上有30个刻度线，总长与刻度圆盘上29个刻度线等长，因此最小刻度为1′。在实际测量前，先将游标盘旋转到两个游标的连线与平行光管垂直的方位，用游标盘固定螺钉将游标盘固定，再将望远镜旋转到与平行光管共线，然后将望远镜与刻度圆盘用专用固定螺钉固定在一起。在实际测量时，当与刻度圆盘固定在一起的望远镜转到某一位置时，其位置读数有两组，分别在两个游标处读（下转第143页）（上接第134页）出。根据排列读数法，每一组位置读数的排列方式是“刻度圆盘读数+度+游标读数+分”，读数时还需要注意两点：1）如果游标零刻度线已越过刻度圆盘上的半刻度线，读数0.5o需化为30′加在游标读数上；2）游标读数不需要估读，因为判断游标上某刻度线与刻度圆盘刻度线对齐时是目测，已经含有存疑。例如：当与刻度圆盘固定在一起的望远镜转到某一位置时，游标Ⅰ处刻度圆盘读数为212，且游标零刻度线已越过刻度圆盘上的半刻度线，游标读数为09，则游标Ⅰ处位置读数为212o39′，游标Ⅱ处刻度圆盘读数为32，且游标零刻度线已越过刻度圆盘上的半刻度线，游标读数为13，则游标Ⅱ处位置读数为32o43′。注意：由于游标Ⅰ和游标Ⅱ分别位于游标盘上同一直径的两端，因此游标Ⅰ处和游标Ⅱ处的位置读数应相差180o左右。当与刻度圆盘固定在一起的望远镜转到另一位置时，按同样方法读出游标Ⅰ处和游标Ⅱ处的位置读数，然后求出望远镜两个位置相对应的游标Ⅰ处位置读数差值φⅠ以及游标Ⅱ处位置读数差值φⅡ，再求φⅠ以及φⅡ的平均值，即为望远镜转过的角度。声速测定实验仪主要由超声实验装置、声速测定仪信号源及双踪示波器组成，可用于共振干涉法、相位比较法和时差法测量声速[4]。声速测定实验仪的读数装置在测试架上，整个横梁为主尺，游标与超声接收换能器（动子）连接在一起，当超声接收换能器（动子）通过螺杆联动手轮在测试架上移动时，通过游标可读出任意位置的位置读数，若记下初始位置的读数值，再记下实验操作需要移动到的位置的读数值，两值之差即为超声接收换能器（动子）从初始位置到该位置移动的距离，该读数装置的读数方法与游标卡尺的读数方法完全相同，按“主尺读数+小数点+副尺读数”规律排列即可。例如：主尺读数为71，游标尺上90刻度线与主尺的刻度线对齐，但注意该读数不需要估读，因为该刻度线与主尺的刻度线对齐是目测，已经含有存疑，按“主尺读数+小数点+副尺读数”规律排列，就得到该位置读数为71.90。若已测得初始位置读数为62.60，则超声接收换能器（动子）从初始位置到该位置移动的距离为9.3mm。
不仅仅是物理实验中有一些特殊的仪器，它们的读数装置是根据游标卡尺或螺旋测微器的结构和测量原理而制成，在科学类和工程类科研精密仪器中，也有许多仪器的读数装置是根据游标卡尺或螺旋测微器的结构和测量原理而制成，而且但其外观和结构也与游标卡尺或螺旋测微计有很大的区别，并且需要读出大量的数据，如果在读数据时采用排列读数法，便可以使实验者快速、准确地读出数据，排列读数法的实用性、高效性就更能得到体现。
关键词：超声波；声速；波幅；质量检测
中图分类号：P631.5文献标识码：A
1、引言
工程桩应用于我国的城市建筑非常多，大直径的、深长或者单桩单柱的基桩日趋增多。在施工过程中，不可能百分之百的基桩都能达到合格的要求，难免会有部分的基桩存在不同程度的缺陷。尤其在灌注桩的施工过程中，有时会出现夹泥、离析、缩径、甚至断桩等情况。因此，在实际工程检测中，利用测得的超声波信号准确判断桩身质量，排除工程隐患，对基桩的质量评价是至关重要的。
2、基本原理及方法
混凝土是由多重材料组成的多相非匀质体。对于正常的混凝土，声波在其中传播的速度是有一定范围的，当传播路径遇到混凝土有缺陷时，如断裂、裂缝、夹泥和密实度差等，声波要绕过缺陷或在传播速度较慢的介质中通过，声波将发生衰减、造成传播时间延长，使声时增大，计算声速降低，波幅减小，波形畸变。因此，可利用超声波在混凝土中传播的这些声学参数的变化。来分析判断桩身混凝土质量。声波透射法检测桩身混凝土质量，是在桩身中预埋2~4根声测管。将超声波发射、接收探头分别置于2根导管中，进行声波发射和接收，使超声波在桩身混凝土中传播，用超声仪测出超声波的传播时间t、波幅A、频率f及深度等物理量，就可判断桩身结构完整性。
声波投射法范围适用于检测桩径大于0.6m混凝土灌注桩的完整性。因为桩径较小时，声波换能器与检测管的声耦合会引起较大的相对测试误差。其桩长不受限制。
3、仪器设备
3.1试验装置声波透射法试验装置包括超声检测仪、超声波发射及接收换能器（亦称探头）、预埋测管等，也有加上孔口深度滑轮和数据处理计算机。检测系统见图1.
3.2超声检测仪的技术性能应符合下列规定：
3.2.1具有实时显示和记录接收信号的时程曲线，以及频率测量或频谱分析功能；
3.2.2声时测量分辨率优于或等于0.5μs，声波幅值测量相对误差小于5%，系统频带宽度为1~200kHZ，系统最大动态范围不小雨100dB；
3.2.3声波发射脉冲宜为阶跃或矩形脉冲，电压幅值为200~1000V。
3.3声波发射与接收换能器应符合下列要求
3.3.1圆柱状径向振动，沿径向无指向性；
3.3.2外径小于声测管内经，有效工作面轴长度不不大于150mm
3.3.3谐振频率宜为30~50kHz；
3.3.4水密性满足1MPa水压不渗水。
3.4声测管埋设要点：
3.4.1声测管宜采用钢管、塑料管或钢质波纹管，其内经宜为50~60mm。
3.4.2声测管应采取方法固定声测管，使之成桩后互相平行。
3.4.3声测管应下端封闭、上端加盖、管内无异物；声测管连接应光滑过度，管口应高出桩顶100mm以上，且各声测管管口高度一致。
3.4.4声测管埋设数量应符合下列要求：
a、D≤800mm，2根管。
b、800＜D≤2000mm，不少于三根管。
c、D＞2000mm，不少于4根管。
式中D---受验桩设计桩径。
3.4.5声测管应沿桩截面外侧呈对称形状布置，按图2所示的箭头方向顺时针旋转依次编号。
图2：声测管布置图
4、现场检测技术
4.1确定仪器的延迟时间、修正值，以及测量各声测管外壁间净距离。将发射与接收声波换能器通过深度标志分别置于两根声测管中的测点处。
4.2发射与接收声波换能器应以相同标高或保持固定高差同步升降，测点间距不宜大于250mm。
4.3实时显示和记录接收信号的时程曲线，读取声时、首波峰值和周期值，宜同时显示频谱曲线及主频值。
4.4将多根声测管以两根为一个检测剖面进行全组合，分别对所有检测剖面完成检测。
4.5在桩身质量可疑的测点周围，应采用加密测点，或采用斜侧、扇形扫测进行复测，进一步确定桩身缺陷的位置和范围。
4.6在同一根桩的各检测剖面的检测过程中，声波发射电压和仪器设置参数应保持不变。
5、检测数据的分析与判定
5.1各测点的声时tc、声速v、波幅A及主频f应根据现场检测数据，按下列各式计算，并绘制声速-深度（v-z）曲线和波幅-深度（Ap-z）曲线，需要时可绘制辅助的主频-深度（f-z）曲线：
tci=ti-t0-t＇；vi=l＇/tci ；Api=20lg(ai/ao)；Fi=1000/Ti(1)
式中tci—第i测点声时（μs）；ti—第i测点声时测量值（μs）；t0—仪器系统延迟时间（μs）；t＇—声测管及耦合水层声时修正值（μs）；l＇—每检测剖面相应两声测管的外壁间净距离（mm）；vi—第i测点声速（km/s）；Api—第i测点波幅值（dB）；ai—第i测点信号首波峰值（V）；a0—零分贝信号幅值（V）；fi—第i测点信号主频值（kHz），也可由信号频谱的主频求的；Ti—第i测点信号周期（μs）。
5.2声速临界值应按下列步骤计算：
5.2.1将同一检测剖面各测点的声速值vi由大到小一次排序，即
v1≥v2≥……vi≥……vn-k≥……vn-1≥vn（k=9，1，2，……）（2）
式中vi—按序排列后的第i个声速测量值：N—检测剖面测点数；K—从零开始逐一去掉（2）式vi序列尾部最小数值的数据个数。
5.2.2对从零开始逐一去掉vi序列中最小数值后余下的数据进行统计计算。当去掉最小数值的数据个数为k时，对包括vn-k在内的余下数据v1~vn-k按下列公式进行统计计算
v0=vm-λ·sx ；；（3）
式中 v0—异常判断值；Vm—（n-k）个数据的平均值；Sx—（n-k）个数据的标准差；λ—n-k相对应的系数。
表1 统计数据个数（n-k）与对应的系数
5.2.3将vn-k与异常值v0进行比较，当vn-k≤v0时，vn-k及其以后的数据均为异常，去掉vn-k及其以后的异常数据；在用数据v1~vn-k-1并重复式（6）~（8）的计算步骤，直到vi序列中余下的全部数据满足：Vi＞v0 （4）
此时，v0为声速的异常判断临界值vc。
5.2.4声速异常时的临界值判据为：Vi≤vc（5）
5.3当检测剖面n个测点的声速值普遍偏低且离散性很小时，宜采用声速低限值判据：
Vi＜vL （6）
式中vi—第i测点声速（km/s）；vL—声速低限值（km/s），由预留同条件混凝土试件的抗压强度与声速对比试验结果，结合本地区实际经验确定。当（6）成立时，可直接判定为声速低于低限值异常。
5.4波幅异常时的临界值判据应按照下列公式计算：
；Api＜Am-6（7）
式中Am—波幅平均值；n—检测剖面测点数。当（7）式成立时，波幅可判定为异常。
5.5当采用斜率法的PSD值作为辅助异常点判据时，PSD值应按照下列公式计算：
PSD=K·Δt； K = Tci-tci-1 Δt=Tci-tci-1（8）
———
Zi-zi-1
式中tci—第i测点声时（μs）；Tci-1—第i-1测点声时（μs）；Zi—第i测点深度（m）；
Zi-1—第i-1测点深度（m）。
6、工程实例
广西某汽车厂基地桩基础采用预埋声波管进行声波透射法检测，钻芯法验证。
汽车厂基础采用人工挖孔灌注桩，仪器使用武汉中科智创岩土技术有限公司生产的RSM-SY5型的声波透射仪。受检桩编号338，桩径Φ1000mm，桩长3.05m，桩身混凝土强度为C30，该桩为端承桩，基岩为中～微风化白云岩。
声波透射法工作按照《建筑基桩检测技术规范》JGJ106-2003中第10章声波透射法执行，桩内埋设3根钢质的声波管，测量3个剖面来分析判断桩身结构完整性。
图3：剖面声速—深度曲线、波幅—深度曲线以及 PSD—深度曲线。
图4：钻芯法验证ZH338号桩
根据声波透射法检测结果分析，桩顶下1.50~3.05m段三个剖面均无法接收到超声信号。并采用钻芯法验证，1.50m以下至桩底无法捞取芯样，与声波透射法结果一致。判断该桩1.50～3.05m严重离析，为不合格桩。
另受检桩编号347，桩径Φ800mm，桩长3.60m，桩身混凝土强度为C30，该桩为端承桩，基岩为中～微风化白云岩。共埋设2根声测管，测量1个剖面来分析判断桩身结构完整性。
图5：剖面声速—深度曲线、波幅—深度曲线以及 PSD—深度曲线。
图6：钻芯法验证ZH347号桩。
根据声波透射法检测结果分析，桩顶下2.05~3.60m段无法接收到超声信号。并采用钻芯法验证，2.05m一下至桩底芯样为粉末碎渣，严重离析，与声波透射法结果一致。判断该桩2.05~3.60m严重离析，为不合格桩。
7、结论
7.1预埋声测管超声检测说明，超声波法成为混凝土无损检测的重要手段。
7.2超声检测法检测全面、细致、声波检测的范围可覆盖全桩长的各个横截面。且现场操作简便、迅速，不受桩长、长径比的限制。
7.3检测结果直观地反应了桩身各个方向及其存在的缺陷的确切位置、大小及严重程度等方面的质量信息。
7.4超声检测中发现的异常不能盲目判定，应结合工程地质资料，施工资料综合判定，必要时采用另一种检测手段验证结果。
Zhong Huisheng；Zhang Jintuan
①Xi'an University of Architecture and Technology School of Management，Xi'an 710055，China；
②Zhonghe Quality of Testing in Wuhan Co.，Ltd.，Wuhan 430082，China；③Hezhou University, Hezhou 542800，China）
摘要：声速、声时、声幅、主频这四个声测参数是判断桩基完整性的主要依据。而在实际桩检中，各参数都不能达到足够的精度评判出桩身质量的好坏，必须经过综合比较加以确定，仅评某一参数的异常来作出判定容易得出相左的结论。并且PSD、声速参数可以归为同一参数。
Abstract： Four sounding parameters of acoustic speed, acoustic time, acoustic amplitude and basic frequency are the foundation of judging integrity of foundation pile. In the actual test of pile, each parameter is not precise enough to judge the pile quality. We must judge through comprehensive comparison. Certain abnormal parameter can not be used to make judgement; otherwise, contrary conclusions are easily obtained. And parameter of PSD and acoustic speed can be classified as same parameter.
关键词：基桩检测 声测判据 精度
Key words： test of foundation pile；sounding criterion；precision
中图分类号：TU7文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）19-0095-02
0引言
应用超声波投射混凝土检测桩体完整性，是一个成熟而又年轻的方法。说其成熟是因为，在国内经历了近五十年的研究，已经获得了大量的研究成果，其判断依据已经逐步成熟起来，各种声测参数能够比较准确的获得并用以判别分析。说其年轻是因为，各参数的分析深度有待加强，无法使用一个参数来做出质量评定，而最重要的是无法将桩体的强度即使用性能，通过各参数反映出来。
1各参数研究脉络
目前，各参数的研究都已经开展，并且提出了许多的判据，而各判据的使用却存在一定的局限。
南京水利科学院罗骐先早年曾提出一种判断缺陷的方法，即“概率法”，此方法经多年实践已经作为判断缺陷的基本方法列入各类超声波规程中 [1-2]。该方法粗略认为，正常混凝土的声学参数是符合正态分布的缺陷是由过失误差引起，它的声学分布不符合正态分布。湖南大学吴慧敏等[3]在对郑州大桥灌注桩的超声波透射法检测结果的判定过程中，提出了一种判断桩内缺陷的方法，以“声参数一深度”曲线相邻两点之间的斜率与声参数差值之积为判断依据，简称“判据”。该方法认为缺陷处波速明显变小，即声时明显变大，与相邻正常测点对比，形成一突变。巫英凯、黄永莱、王根清等[4]在中国水利学会第二届混凝土无损检测学术会议上提出了“基桩混凝土无损检测一超声波脉冲NFP法”。广州建科院陈如桂[5]提出了“逆概率解释法”，它在概率法和PSD判别法的基础上以随机函数为前提，在有干扰的基础上分离有用的强弱异常，进一步克服传统方法中错判和漏判缺陷的缺点。福建省建筑科学研究院叶健[6]提出了“声波透射法桩基检测技术中声测管距真实管距求解及CBV判据”。河南交通基本建设质量检测监督站阎光辉[4]提出了“PSD、V、A综合判断法”，其分别将PSD、V、A判据，根据工程经验进行细化，再加以综合考虑。南京水利科学研究院宋人心等[7]提出了“灌注桩声波透射法缺陷分析方法一阴影重叠法”，将加密对测和斜测的检测结果标示于检测剖面图上，可以更直观的分析判断缺陷的范围。
超声波透射法检测混凝土灌注桩桩身缺陷、评价其完整性的依据是通过测定声波经过混凝土传播后各种声学参数的量值得出的，声波在有缺陷介质中传播路径如图1。目前混凝土质量检测中所用的声学参数主要有波速、波幅、频率及波形。混凝土的波速与其弹性性质及混凝土内部结构有关波幅是表征声波穿过混凝土后能量衰减程度的指标之一，它的强弱与混凝土的弹塑性有关，它对缺陷区反应比声时更为敏感接收波主频率实质是介质衰减作用的一个表征量，当遇缺陷时衰减严重接收波形可以根据波形畸变程度作为判断缺陷的参考依据。这几种声学参数都是判断混凝土质量的重要参量。
2各类判据的评判
声速、声时、声幅、主频这四个声测参数是判断桩基完整性的主要依据。其中，声幅、主频、声时是仪器中实测的绝对数值，能直接表达桩身材料的一定性能。而声速却是一个相对变动参数，其准确数值的获得必须要另一非判据参数-测距的确定来间接计算得出。
2.1 测距在声测过程中测距参数是在隐蔽工程中难以实测的数据，其参数的获得只有通过测量管口的管间距来间接反映桩身管间距，而规范中对声测管间距测试精度要求为1%，这在实际施工中是难以达到的。声测管一般为金属材料制作而成，其变形一般较小，而在实际施工中，特别是深桩施工中，累积长度的扭曲往往较大，再由于绑扎不牢等因素的存在，易使声测管出现扭曲，这样就无法保证声程的一致性。而在实际检测工作中，常见到桩头或桩底出现声时值的快速滑移现象。而导致声时滑移的因素主要有两个，一是介质性质发生变异，二是声程发生变化导致声时变化。这些影响因素的存在，是检测工程师们所熟知的，并且通过规范易知声测是粗侧混凝土的完整性，而对混凝土的其它性质无法统一给出。这样就限定了声测的应用范围，使其工程应用领域偏狭。
2.2 声时值在超声检测中声时参数是一个相当重要的参数。其数值的获取由设备自身自动获得，为声测唯一准确值。声时值作为一个声测判据，能够反映混凝土的质量差异。当声时出现突变时，一般认为混凝土质量存在差异。而声时差异出现的另一因素是，声测管的扭曲变形，往往这种差异仅仅表现在声时值的变化中，同样会对声速值产生一定的影响，而从其他判据中可以看到比较正常的波形，特别是对于波幅参数中。
2.3 PSD判据与声速而从另一个方面来看，声测的声时实测值为PSD判据的推定依据，同样声速为声时推演值，因此二参数的判断依据与判断结果必定是一致的，声速的减少声时必增加，表现在判据曲线上，声速的下凹，而在PSD对应位置为曲线的上凸。因此，二判据具有高度的一致性，即二判据可以舍一，仅取声速判据足以。
2.4 波幅和主频参数而对于其它两参数，波幅与主频的稳定性更差。主频离散性太强，几乎布满了整个频域限定的范围，因此主频只是用于对声波收发波束的筛选功能，无法作为一具体的桩身质量判据。波幅判据为一稳定性较高的判据，但是其判断精度也无法保证，因其反映的是接收到的首波的波幅值，而一般首波波幅较后续叠加波小很多，也就是说只要接受探头能够接收到频域范围内的声波则声幅值比较稳定，除非缺陷较大，波能损失殆尽，通过波幅可以反映出部分缺陷。
2.5 各参数的改进分析综上可以看出在有价值的判断中声速值是一最敏感的参数。而声速值的由来却无法得到准确的保证。在实测资料中经常获得≥5km/s的声速值，已接近钢材的声速值，而实验室中标准试件的声速值为3.8-4.6km/s，因此这一较大数据的采集得不到有效的理论解释，而地下桩体中常含有比标准试件更多的裂隙和水，而裂隙和水的存在只会减少声速，而不会增加声速值，这就给我们提出了一个新的研究课题，对声速测量的准确化。
在上文中提到了，声速、测距、声时是三个相关参量，只有知道两个才能确定第三个，因此可以通过一定的技术手段是测距能够准确化来换算声速值。
对于波幅的研究多是通过首波波幅值来反映桩身质量，对于后续波形形态的研究较少。因为后续波形为声波在混凝土内部经复杂的反射、折射、绕射等过程得到的，分析起来具有较大难度，并且其分析价值的多少还有待进一步细化研究。
3结语
通过对各参数的对比分析，可以看出，虽然超声检测已经历了几十年的发展到目前已经成为在工程中成熟应用的基桩检测技术，但是却存在着一个难以逾越的难题。这就是对桩身质量的定量化评定，以上各种手段都难以做到定量化，并且各有利弊，需要综合考虑来评定桩身质量。
而工程实际应用的桩体，是桩身的综合评定，即桩身在存在缺陷的情况下能不能达到设计要求的强度。大量学者都研究了声速与强度的关系，但是由于影响因素过多，无法形成统一的函数关系。这也成为一个亟待解决的问题。
参考文献：
[1]陈凡，徐天平，陈久照等.基桩质量检测技术[M].北京:中国建筑工业出版社，2003.222-313.
[2]建设部一建筑基桩检测技术规范[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.
[3]罗骇先.半个世纪的回顾一混凝土声学检测技术在我国的发展[J].第七届全国建筑无损检测技术学术会议论文集，2001.
[4]阎光辉，何荣裕.基桩完整性PSD、V、A综合判断法[J].岩土工程界，Vll.5(1).
[5]刘金砺.桩基工程检测技术[M].北京：中国建材工业出版社,1993.
关键词：桩基础；检测技术；超声波；公路桥梁工程
1.前 言
随着我国交通事业的发展，桩基已成为一种重要的基础形式应用到交通基础建设中，它决定着整个工程的基本质量。目前混凝土钻(冲)孔灌注桩是桥梁施工结构的主要形式，这主要是由于桩能将上部结构的荷载传递到深层稳定的土层中去，从而大大减少基础沉降和建筑物的不均匀沉降，具有抗震性能好，承载力高，施工噪音小等特点，是一种极为有效，安全可靠的基础形式。
由于桩基是典型的地下隐蔽结构物，由基桩缺陷引起的工程问题时有发生，很容易出现缩径、断裂、夹泥、沉渣、扩径等质量问题。对施工后的基桩进行质量检测，对于及时发现问题、采取必要的工程措施有相当的重要意义。
2.超声法概述
超声法检测桩的混凝土质量是上世纪九十年展起来的一种新的检测方法。具有以下优点:
1)检测细致，结果准确可靠。2)不受桩长、桩径限制。3)无盲区。声测管埋到的部位都可检测，包括桩顶低强区和桩底沉渣厚度。4)桩顶露出地面即可检测，方便施工。
因此，虽然需预埋声测管，材料费用较高，但仍然得到广泛采用。
3.检测参数
3.1声速。声速即超声波在混凝土中传播的速度，它是混凝土超声波检测中一个主要的参数，与混凝土的弹性性质及混凝土的内部结构组成有关。弹性模量越高、内部越密，其声速就越高。
3.2波幅。接收波波幅通常指首波，反映了接收到声波的强弱，它与混凝土的粘塑性能有关。在发出的超声波情况下，波幅的大小反映了超声波在混凝土中衰减的情况，即在一定程度上反映了混凝土的强度。对于内部有缺陷或裂缝的混凝土，由于缺陷、裂缝使超声波反射或绕射，波幅也将明显变化。
3.3频率。超声检测中，电脉冲激发出的声脉冲信号是复频超声脉冲波，在混凝土内传播过程中，其中的高频成分首先衰减，而下降的多少除与传播距离有关外，主要取决于混凝土本身的质量和内部是否存在缺陷。
3.4波形。波形指接收换能器屏幕上显示的接收波波形。当超声波在传播过程中碰到混凝土内部缺陷、裂缝或异物时，会产生绕射、反射和传播路径的变化，反射波、绕射波等波相继到达接收换能器，它们的频率和相位各不相同，叠加后使波形畸变。因此，对接收波波形的研究分析有助于对混凝土内部质量及缺陷的判断。
4.现场检测工作
4.1准备工作。1)调查、收集资料。包括: 桩的类型、尺寸、标高，成孔方法及工艺、地质资料，设计参数，混凝土参数、施工方法和工艺及施工中出现的问题等。2)制定检测方案。根据桩基预埋的声测管数量确定检测剖面个数，并统一进行编号。桩的混凝土强度龄期一般应大于14d，以保证各特性参数基本平缓。3)前期准备。包括设备、仪器检定等准备工作。
4.2现场检测。1)在桩顶测量相应声测管外壁间净距离。2) 用一段直径与换能器略同的圆钢作疏通吊锤，检查声测管的通畅情况。3)向管内灌满清水。4)将发射与接收换能器通过深度标志分别放入声测管中的测点处。5)发射与接收换能器以相同高度或保持固定高差同步升降，测点间距不宜大于250 mm。6)实时显示和记录接收信号的时程曲线，读取声时、首波峰值和周期值， 宜同时显示频谱曲线及主频值。7)桩身质量可疑测点周围，应采用加密检测，包括采用平测、斜测、扇形扫测等方法进行复测。
5.测试数据的计算整理
5.1声速
式中 ――每检测剖面相应两声测管的外壁间净距离, mm；
t′――超声仪声时读数；
――声时初读数，是由标定计算出的值。
5.2波幅。波幅是相对测试。由于桩身混凝土内部结构的变异性很大而难以找出较强的波幅统计规律性，因此在实际中多是根据实测经验将波幅值的一半定为临界值。
5.3绘制深度～声速、波幅图。根据各测点的数据按桩绘制出桩上各测试面沿桩身的深度～声速、波幅图。
6.桩身混凝土质量的判断和评定方法
对桩身混凝土质量的判断和评定包括以下三个方面: 桩身混凝土是否存在缺陷及范围；桩身混凝土强度；桩身混凝土均匀性。其中对缺陷的判断和评定是最主要的。对缺陷的判断主要根据声速和波幅二个参数，必要时辅以PSD值变化大小。
6.1用声速参数判断。(1) 当实测混凝土声速值低于声速临界值时应将其作为可疑缺陷区。
Vi
式中Vi ――第i个测点声速值, km/s；
VD ――声速临界值，km/s。
(2) 声速临界值采用正常混凝土声速平均值与2倍声速标准差之差。
VD = v - 2σV
式中VD ――声速临界值，km/s；
v――正常混凝土声速平均值，km/s，一般在3 500～4 500；
σV ――正常混凝土声速标准差。
6.2用波幅参数判断
波幅测值在缺陷探测中是一种重要的参数，大量的工程实践都证实，桩内存在的缺陷其波幅测值都有明显的反映，且比声速更为敏感。当实测混凝土波幅值低于波幅临界值时，应将其作为可疑缺陷区。
AD =Am - 6
式中AD ――波幅临界值，dB；
Am ――波幅平均值，dB，一般在65～110(与剖面距离有关系) 。
上述各项参数计算及绘图均由专用软件完成，测试一结束即可知道那些是异常点，而在深度～声速图上也可一目了然地看出低于临界值的测点。
6.3综合判断
(1) 以声速值进行概率法统计判断，获得低于临界值(单点判断和相邻点判断)异常点的位置和深度，结合PSD值的大小；(2) 分析波幅的变化，把声速低于临界值且波幅又明显偏低的测点和部位定为异常部位；(3) 根据细测和斜测资料，确定缺陷的范围；(4) 根据缺陷在桩上的位置、施工情况等综合判定缺陷的种类和性质。
判断时要注意各个测试剖面的声速和波幅及PSD值，特别是在判断整个断面的层状缺陷(断桩)时更要慎重。对于层状缺陷，必须是三(3根声测管)或六(4根声测管)个测试剖面都是层状缺陷才行。有时附着在声测管上的泥团会使二个测试剖面或三个剖面测值低，但并不是整个断面的缺陷，通过斜测与扇形扫测试可进一步得以判断。
7.缺陷性质与声学参数的关系
1)沉渣: 沉渣是松散介质，其本身声速很低(2 500 m/s以下)，对声波的衰减也较明显，如遇到桩底沉渣，检测时声速和波幅均剧烈下降。2)泥团: 声速与波幅均下降，但下降多少则视缺陷情况而定。如果是局部的泥团，并未包裹声测管，则下降的程度并不大；如果泥团包裹声测管，声速与波幅值明显下降，特别是波幅的下降较为明显。一根声测管被泥团包裹(如三根声管影响两个测试剖面、六根声管就影响三个测试剖面)，通过斜测与扇形扫测可以分辨缺陷程度和位置。3)混凝土离析: 粗骨料多的地方，由于粗骨料本身声速高，往往造成该部位声速测值并不低，而只有波幅偏低；但由于粗骨料的声学界面多，对声波的反射、散射加剧，接收信号削弱，于是波幅下降。有时砂浆多的地方而粗骨料少，所测得声速值偏低，但波幅测值不下降，有时还会高于附近测值，所以对桩的判定时要以声速和波幅两个参数进行综合的分析判断，必要时结合PSD值进行分析。
8.桩身完整性评价
根据测试和判断的结果，对所测桩的完整性、缺陷和处理意见进行综合性评价。结合《公路工程基桩动测技术规程》，本项目基桩超声波检测评价表如表1所示。
对所测基桩的完整性、缺陷和处理进行评价，主要是对桩如何处理，需要考虑到许多方面，例如，桩的类型: 是摩擦桩还是端承桩；受荷情况: 是单桩还是群桩；缺陷出现的部位: 桩顶、桩中部还是桩底等。所以，对基桩完整性判定和处理意见方面要慎重。
表1 桩身完整性类别判定表
类型 缺陷 曲线特征 完整性评定结果
Ⅰ 无缺陷 各声测剖面的声学参数均无异常，无声速、波幅低于临界值，波形正常 完整，合格
Ⅱ 局部小缺陷 某一声测剖面个别点的声学参数出异常，无声速低于临界值，波形基本正常 基本完整
Ⅲ 局部严重缺陷 某一声测剖面连续多个测点或某一深度桩截面处的声速、波幅值低于临界值，PSD值变大，波形畸变 不合格
Ⅳ 断桩等严重缺陷 某一声测剖面连续多个测点或某一深度桩截处的声速、波幅值低于临界值，PSD值突变，波形畸变 不合格，报废
9.工程检测实例
例一: 某嵌岩桩身长19.00 m，经超声波检测、复测确定该桩存在局部缺陷，从桩顶以下AB 剖面4.25 m处，BC剖面3.50 m处，AC剖面2.75 m ～3.50 m均出现声速和波幅低于临界值，根据桩身完整性评价表故判该桩为II类桩。
例二: 某嵌岩桩桩身长17.50 m，经超声波检测、该桩存在严重缺陷，从桩顶以下AB 剖面16.00 m～17.50 m 处，BC剖面16.00 m ～17.50 m处，AC剖面15.75 m～17.50 m其声速值和波幅值低于临界值，PSD值变大，波形畸变。根据桩身完整性评价表故判该桩为III类桩，见图1。
该桩经取芯验证，从桩顶到16.00 m处桩身混凝土胶结一般，16.00 m到桩底混凝土离析，为不合格桩。
例三: 某嵌岩桩桩身长21.00 m，经超声波检测、该桩桩身较完整，从桩顶以下AB剖面0.00 ～21.00 m处，BC剖面0.00 ～21.00 m 处，AC剖面0.00～21.00 m其声速值和波幅值均正常，根据桩身完整性评价表故判该桩为I类桩，见图2。
该桩经取芯验证从桩顶到桩底胶结完整，为合格桩。
10.结束语
基桩超声波检测技术性很强的工作，不但要求有理论基础，还要依靠实际经验对超声波检测技术的在工程上的应用进行分析、总结。
参考文献
（天然气川气东送管道分公司，武汉430000）
（SichuantoEastGasPipelineBranchofSINOPEC，Wuhan430000，China）
摘要：气体超声波流量计换能器是超声波的发射和接收装置，是测量声速和天然气流速的关键部件，也是流量计唯一与天然气直接接触的测量部件。在使用过程中，换能器的工作性能就会持续下降，将直接影响测量精度，造成计量误差。现场加强换能器的诊断检查和维护，对及时发现问题、延长换能器使用寿命、保证性能良好具有非常重要的意义。
Abstract:Gasultrasonicflowmetertransduceristhetransmittingandreceivingdeviceofultrasonic,thekeycomponentofmeasuringsoundvelocityandgasvelocity,andalsotheonlymeasurementcomponentofflowmeterthatdirectlycontactswithnaturalgas.Inusingprocess,theperformanceoftransducerwillcontinuetofall,whichwilldirectlyaffecttheaccuracyofmeasurement,andcausethemeasurementerror.Ithasveryimportantsignificancetostrengthentheinspectionandmaintenanceoftransducerforfindingproblemsintime,prolongingtheservicelifeofthetransducer,ensuringgoodperformance.
关键词 ：超声流量计；换能器；天然气计量
Keywords:ultrasonicflowmeter；transducer；naturalgasmeasurement
中图分类号：TE977文献标识码：A文章编号：1006-4311（2015）21-0115-03
0引言
换能器是超声波流量计重要部件，其性能好坏直接影响流量计计量精度的高低，而造成换能器性能降低的因素比较繁杂和难以分析，但通过对换能器工作条件的分析和工作原理的理解，我们可以更为及时地发现换能器性能下降的情况，对是否更换换能器作出及时的判断，从而有效降低换能器性能下降对天然气计量的影响。
1气体超声波流量计原理
1.1超声换能器工作原理
超声换能器主要工作部件是压电晶体，其在外界施加的电场作用下，将在一定方向上产生机械变形；当外加电场撤去后，该变形则随之消失。压电晶体一定频率的机械变形（振动）则产生声波，当频率超过20kHz则产生超声波。压电晶体工作原理如图1。流量计一对换能器相互接收和发送超声波，外部电场的加载或撤除由脉冲发生器控制，超声波由一端换能器发出至另一端换能器接收的时间由流量计CPU板时钟进行采集。换能器信号检测回路如图2。
1.2气体超声波流量计计量原理
本文所述气体超声波流量计为时间直通式超声流量计，其工作原理是利用超声脉冲在气流传播的速度与气流的速度有对应的关系，即顺流时超声波脉冲传播速度比逆流时传播速度要快，这两种超声波脉冲传播的时间差越大，则流量也越大。在实际工作过程中，处在上下游的换能器将同时发射超声波脉冲，气流的作用将使两束脉冲以不同的传播时间到达接收换能器，通过采集的时间以及相关距离参数计算出气体流速和声速。基本计算公式如下：
对于高级超声波流量计，CFact=1。
2换能器性能下降的主要影响因素
换能器是气体超声波流量计唯一与天然气直接接触的测量部件，其一直处于气流冲刷和不良气质侵蚀的状态，长期下来换能器的工作性能就会有所下降，直接影响测量精度，造成计量误差。
造成换能器性能下降的主要影响因素有以下几点：
2.1高速、高温气体冲刷
根据《GB-T18604-2014用气体超声流量计测量天然气流量》要求气体超声波流量计流速测量范围为0.3～30m/s。在实际使用过程中，由于供气规模的增大，气体流速过大造成换能器震动以致出现松动的现象。另外在启用计量支路操作不当的情况下，高速气流短时间内充满管道，气体温度骤升，温度超过换能器的使用范围，这样也会对换能器造成损坏。
2.2不良气质的侵蚀
天然气输送管道环境较为复杂，通常可能存在腐蚀性气体如H2S、游离水、油脂、铁锈和泥土等污染物，这些污染物都会附着或干扰换能器工作，在冬季管道中无气体流动的时候，管道中游离水就会结冰冻结探头，造成探头工作异常。管道中的固体杂质如油脂等极易附着在换能器上，造成换能器工作性能下降或停止工作。图4、图5反映了探头被油脂附着的情况。
3换能器常见问题对计量的影响分析
由公式（1）可以看出，气体超声波流量计测量气体流速的关键参数是L、x、tup、tdown，本文将根据流量计现场使用存在的问题做对应分析。
3.1L、x测量不准确，或换能器脏污等造成声程变化对计量的影响
x值由流量计出厂时测定，其加工精度一般达到
1/10000inch，并将每对换能器的x值腐刻于铭牌上，该值不会在使用过程中发生改变。
L值由流量计表体每对换能器底座之间的距离，以及探头的加工参数共同决定，其每个部件的加工精度一般达到1/10000inch。在实际流量计使用过程中，由于天然气含有固体粉尘或液体杂质，并可能附着在换能器表头，造成L值发生改变；或是在进行换能器更换时，将换能器相关出厂数据输入错误，也将造成L值发生异常改变。
由公式（1）可知v∝L2、c∝L，即L值增大（减小）将造成测量的气体流速、声速相应的增大（减小），同理也就会造成天然气计量的增大（减小）。
3.2换能器性能下降，时间测量不准确对计量的影响
由图2得知，上下游换能器的发射和接收时间由流量计CPU板时钟采集得到，其主要包括超声波发射至接收的时间t，以及换能器本身材质所产生的延迟时间tdly和换能器使用在上下游的延迟时间差tdltdly。后两者由换能器出厂时完成测量，并植入流量计组态中参与计算。
在管道中气体不流动的情况下，tup=tdown，而当换能器性能下降或时钟采集时间不准确，则会出现tup≠tdown。如果?驻t=tup-tdown超过了正常误差范围，由公式（1）可以看出，该通道将测得不真实气体流速，表现出流量计有瞬时流量的产生。
若?驻t＜0，则出现正向流方向的不真实气体流速；若?驻t＞0，则出现逆向流方向的不真实气体流速。正常供气条件下使用该问题流量计，就会在测量上下游时间差时先抵消不真实?驻t的影响，这样将会造成计量的起点发生改变。即，?驻t＜0时流量计将多计量，?驻t＞0时流量计将少计量。
从现场使用的一台DN200在气体不流动状态下存在tup≠tdown问题的流量计现场测量数据来看，上下游换能器测量时间差为0.235μs，其计算出的气体流速约为0.18m/s，以此流速得出的工况流量约为20m3/h。即，气体不流动状态下，此问题流量计就已经开始错误计量。对该流量计的一对问题换能器进行更换后，消除了以上错误计量问题，最终通过了实流标定。（表1）
3.3环境噪声对气体超声波计量的影响
气体超声波流量计发射的超声频率约为120kHz，而调压设备也会产生一定的高频噪声，一定程度上将影响流量计对超声信号的接发。所以站场设计应充分考虑调压高频噪声对超声换能器的干扰影响，一般采用设置T型汇管或计量调压分区等措施。高频噪声造成流量计信号模糊，并产生流量信噪比，使流量计的电子单元难以区别或无法区分这两种信号，导致超声换能器不能准确收发超声波信号，因此极大地影响气体超声波流量计的性能、准确度和稳定性，甚至使流量计无法工作。试验研究表明，高频噪声可使气体超声波流量计的误差高达2%，同时从现场实际情况来看，噪声对流量计计量呈负误差影响。
4结论及建议
超声换能器是气体超声波流量计的关键测量部件，其性能下降至完全损坏是一个长期积累的结果。在做好站场设计和降噪措施后，日常运行中应做好诊断检查和维护，对及时发现问题，延长换能器使用寿命，保证使用性能具有非常重要的意义。
使用诊断软件定期对流量计进行检查，了解超声换能器的运行状态，及时发现处理问题。尤其做好气体不流动下气体超声波流量计状态的检查，发现换能器存在上下游时间差时，应及时地对换能器进行更换。《GB-T18604-2014用气体超声流量计测量天然气流量》相比2001版，提高了气体超声波流量计零流量读数要求，将以往的零流量下每一声道的流速读数要求＜12mm/s提升为＜6mm/s，这一要求也是对换能器性能的一个监控。另外根据诊断结果，对声速（SOS）异常、增益值（Gain）增大、信噪比（SNR）减小的换能器进行清洗维护，在日常的运行过程中，还应避免计量支路的不正确投用造成换能器损坏的情况。
参考文献：
[1]孙金明，等.噪声对超声波流量计的影响及案例分析[M].出版地：油气储运，2011年9月.
【关键词】：桥梁桩基检测
0 前 言
为了更好的研究桥梁桩基施工与检测技术, 文章将此分为两部分来进行具体的实例研究。在第一个问题中将研究青藏铁路不冻泉特大桥桩基施工, 并对此进行总结和经验分析; 在第二部分中将以重阳水库大桥桩基检测技术为例来进行分析, 它将以超声波透射法作为重点的检测技术来进行介绍。
1xx大桥桩基施工研究
1、1xx特大桥建设背景
作为重点建设工程的xx大桥, 地理位置位于xx山南侧, 海拔高度为 4 600 m, 中心里程为DK1006+ 822 , 共 90跨 32 m, 大桥总长为 2 955 m, 设计为1 25 m 钻孔桩基础, 桩长为 18m ~ 30 m, 桩总长为 6 588m。它的地表构成主要为冲击中砂、角砾、碎石, 细沙等。
12xx大桥桩基施工总述
在工程中面临的首要问题是冻土问题, 随着全球气候变暖, 冻土层逐渐变薄, 为了解决好冻土层变薄这一现象,选用了旋挖钻机与冲击钻机配合的方式进行工作, 并用了两个半月完成了任务。旋挖钻机的使用最大特点是一定要对埋入的钢护筒的周围进行填埋, 在外部涂上沥青。在使用冲击钻前, 要先在冻土层上放上枕木架, 然后将钻机放在上面, 可以平衡钻孔在冻土上的影响。打钻时,可能产生振幅波动对周围冻土产生坍塌, 这时要灌入混凝土固定冻土层。在钻孔时, 要时常松动绳索, 不仅可以预防冲击钻打空锤, 也可以使钻头更快地接触更深处地质层。检测土壤信息, 记录好钻孔时的绳索的收降情况, 时常听闻钻孔的声音大小, 判断钻孔的冲击状况来决定绳索的收降长度。
为了保护冻土结构和原生态, 要按要求用净化机对泥浆进行过滤处理, 将其分离出来的废弃物进行适当处理。在打孔的工作完成后, 要对孔深、孔的大小、孔的质量进行详细的检测, 不合格的要进行改造。清洁桩孔的方法是在孔干透后, 用泵吸干孔中的浆和碎石砂, 直到干净为止。
施工中灌注混凝土时, 要先设好孔内的导管, 做到管内密不透风和渗水, 灌注时还要用泵抽干泥浆, 防止泥浆流出, 对于抽出的泥浆也要送到渣场进行再利用。每天的灌注时间不宜过长, 基本都保持在合理的时间内即可。
在开工前, 要先将已有的混凝土用运输车提前运到现场, 由于混凝土使用前要对使用数量进行估测, 而往往估测的混凝土数量与实际使用量会有一定的误差, 为了防止这样的问题出现, 要提前做好准备, 对于不够的要及时补货。在对灌注的地点选择上有时也会有偏差, 所以需要长时间的检测, 一般温度在 2℃ ~ 5℃ 以内最为适合。
因为xx桥施工任务紧、工期短、要求工程在2002年底前完成任务, 而钻孔的时间只有三分之一, 所以技术人员不仅要将工作器具、地质情况、天气情况和工作进度考虑到, 也要对可能出现的重大问题做出预测和应急方案。工程计划用两个半月的时间完成钻孔桩, 三个月的时间完成钻孔。
xx大桥桩基施工的过程合理有序, 建造过程良好, 完成了预定的目标, 用了很短的时间就完成了所有的桩基工程。桩基的检测结果全部为优秀。xx大桥的桩基施工特点是在冻土层上完成了施工, 并且没有破坏任何冻土结构, 在施工中没有出现过塌方和土层下陷的情况, 同时又积累了混凝土新的施工经验,并引入了现代高科技技术, 是优秀的桥梁桩基施工典型案例, 它的经验和技术是值得借鉴和推广的。
2 xx水库大桥桩基检测技术研究
2 1xx水库大桥建设背景
xx水库大桥位于河南省南阳市重阳水库上, 桥宽 33m, 全长 664596 m。桥底的地质是由淤泥、卵石、细砂岩, 细沙淤泥等组成, 因为大桥桩基属隐蔽工程, 其技术含量高, 工程复杂, 为了保证大桥桩基的安全和质量, 技术人员将会进行严密的观测。
22大桥桩基的检测技术研究总述
在桥梁桩基检测中, 超声波透射法是最被普遍使用的,它不仅有超声波的穿透技术, 而且是目前最先进的检测技术。它采集的桩基信息不仅丰富, 而且对大桥的检测密度也高于应力反射波法。而应力反射波法检测深度只到灌注桩的上端。
超声波透射技术是利用声波的传播技术来进行检测的,当把发射探头装置放入声管中, 信号接收器就会将声波转换成资料进行收集和分析, 再通过电脑技术的帮助对其带回的资料加以研究和总结, 这样就对大桥内部的结构缺陷、建筑变形等有了很好的参考资料。
施工人员要将数根声测管埋入大桥桩基的外侧, 根据资料参考, 大桥外侧的瑕疵率较高, 将声测管的资料收回时就可以得到较全面的大桥瑕疵的分析资料。声测管的外部采用无缝钢管的材质, 它不仅质量过硬,对于高温、腐蚀都有其极好的预防性。在对声测管进行水泥浇灌时, 它不仅可以承受冲击力度, 也与水泥的粘合性效果极好。声测管可以承受环境因素与人为因素而产生的收缩变化, 它与水泥之间也不会产生裂纹和断开, 从而对检测不会产生影响。
在第一次的测量应采用粗测, 每收集到一定的信息后,换能器将下降一定距离, 如出现了异常情况需要采用细测方法。在检测的过程中, 先要将检测仪的零件进行组装和系统设置, 对声波和波幅的数据进行记录, 再通过电脑软件进行研究和分析, 计算出最后的声速、波幅曲线及 PSD资料。
最后的判定结果以声速范围值、波幅范围值以及 PSD的综合结果为依据。在重阳水库桥桩基的检测中, 采用超声波透射法检测时, 已查出有质量问题的就有十几根之多,这些都是可以进行修补的, 修补之后选用钻芯的方法进行再次的测试, 并对其进行压浆施工。
用超声波检测桩基的钢筋水泥的压强, 是会产生一定误差的。因为声速测量出混凝土的强度是有很大困难的。在!建筑基桩检测技术规范∀和!超声法检测混凝土缺陷技术规程∀中都有对超声波检测桩基的记录, 虽然只是作为一个参考资料, 但也是一次很好的经验积累。
大桥桩基检测的研究是随着时代进步发展的产物, 现代化的检测方法可以更好的对有缺陷的桥梁桩基进行加固和维修。超声波透射法不仅检测花费小、实用性高, 测算结果准确, 同时也是业内人士推荐的方法。在大量的桥梁桩基试验中, 总结了很多宝贵的经验, 在这里不仅要感谢那些战斗在第一线的施工人员们, 也要把他们的宝贵经验更好的传承下去。
关键词：长江下游水道 原型观测 施工组织设计 技术实施
长江干线自西向东横贯中国中部，流域内地貌类型众多，流经峡谷河段、岩溶发育河段、冲积河流河段、平原多州滩分汊河段及感潮河段。长江水运建设是长江经济带长足发展的根基。航道测量是航道建设、维护的眼睛，为航道整治建筑物设计、航道整治工程可行性评估、效果评估等提供原始资料和数据基础。黑沙洲水道是长江下游重点碍航浅水道之一，平面形态为首尾窄、中间向左展宽的典型鹅头型分汊河道，由两个江心洲分成南、中、北三个汊道。南水道为现行主航道，但局部沿岸区域水深较浅，局部沿岸区域窜沟逐渐发展为深槽，使浅区流量减少，流速下降。中水道逐渐淤积衰亡，枯水期呈现干涸状态。由于其地理位置及水道情况的复杂性，对黑沙洲水道进行航道整治，改善当前水道不利水文条件下的航道条件，扩大航道尺度和通过能力，对长江下游航道建设和维护有非常大的意义。黑沙洲水道航道整治一期工程已于2011年9月竣工，为进一步改善船舶通航条件，拟开展航道整治二期工程。为满足二期工程河演分析、方案布置和航道整治建筑物设计的需要，需对黑沙洲水道开展原型观测。
工程概况
原型观测包括地形测量和水文测验。观测时间为期一年，包括洪、中、枯共四个测次，分别在**年2月、**年8月、**年11月、次年2月完成。
地形测量范围上起荻港水道皇宫庙、下迄白茆水道保定圩。河道地形测量水上部分观测到两岸的防洪大堤堤顶或与堤顶相近的高程。图上准确标注各种水利、码头设施的位置、尺度、高程等，并将陡岸坡、洲体上植被覆盖标识清楚，标明岸坡崩塌位置和范围、测流断面和水尺的准确位置、已实施整治工程位置、地名。
水文测验包括水位及比降、断面垂线流速分布（包括流量）、表面流速流向的观测以及河床质、悬移质取样。设流量观测大断面7处、临时水尺14把，固定水尺1把（设于黑沙洲水道出口三山河附近）。观测水尺水位、测流断面流速、流量、流向分布，测量时间应与地形测量同步。固定水尺观测从**年2月至次年2月进行每日连续观测，每日观测时间段为上午8：00、下午14：00、晚上18：00。表面流速流向观测南水道主槽布置7条流向线，北水道布置3条流向线，要求在地形测图上标绘流向线、表面流速值及观测时的风况条件；河床质及悬移质取样位置分布均匀，所取样本能较全面反应河段河床质及悬移质情况。
观测技术方案及实施
综合测区概况、观测内容及技术要求，将该原型观测分为控制测量、地形测量、水深测量、水文测验及内业成图五个部分完成。
1、控制组
控制测量平面采用1954北京坐标系，高斯正形投影三度分带，测区所处位置为39度带，中央子午线经度为117°；高程采用1985国家高程基准（绝对图）和当地航行基准（相对图）。采用国家C级网和E级网构建能覆盖整个测区范围的控制网，并解算椭球转换模型的布尔莎七参数。选取的控制点均匀地分布在河道两侧。
2、地形组
地形测量从测区上端至下端实施。无树林遮挡或树林较稀疏的地带，收星良好的情况下，采用中海达RTK测量；树林较密，天空不够开阔的区域，采用天宝R8测量或配合全站仪极坐标法联合测量。地形测量点距根据实际地形按图上0.8-1.5cm实施，对于地形复杂的区域进行了加密测量，详细测绘地形地貌及与重要地物的相邻关系。
3、水深组
为达到观测精度，水深测量时段内测区风力小于3级，浪高小于0.3m。采用快艇从下至上测量主槽水深，对于州滩等水深较浅快艇无法到达的区域采用吃水较浅的船舶同步测量，船舶无法到达的极浅水域采用人工涉水测量，测量范围覆盖整个测区。测船安装仪器后、作业前量取水温，查询《水运工程测量规范》声速表中对应声速值，设定测深仪的声速值、吃水值、灵敏度、量程倍乘、零米线、吃水线、发射功率等相关参数。船上测量人员同步记录浮标名称、位置、类型。
4、水文组
水位及比降观测。固定水尺位置严格按照技术要求中水尺位置坐标控制，设专人每日进行观读。水尺均设置在前方无沙滩阻隔、江水可自由流通、能充分反映当地水位变化情况、能牢固设立、受风浪、激流冲击和船只碰撞等影响较少的地方。使用全站仪三角高程测量方式在工作前后各测定一次水尺零点，并在观测前在三等水准点上进行高程的检查校准，确保了水尺零点测量精度满足四等水准测量要求。水尺观测每次读取水尺波峰波谷的读数，求取平均值，每处水尺均归算为基尺零点上水位。
表面流速流向观测。为保证观测精度，观测时风力不大于3级。采用自主研发的防水抗风型浮标结合GPS自动接收机施测，施放起始位置严格按照技术要求中所做规定执行，浮标均匀分布于水道中。
大断面流速流量流向观测。根据实测的断面资料进行测验垂线布设，布设方法按《河流流量测验规范》中的要求执行。测量船按断面设计采用横断面法施测，断面测点间距为图上0.4cm以内，在深泓和陡岸河床则适当加密了测点。测船始终保持慢速且尽量保持匀速运动。水文测验的流速流向采用声学多普勒流速剖面仪（ADCP）施测，利用声学多普勒效应原理来进行流速测量，两岸测至ADCP盲区水深处，每次施测均从左岸右岸、右岸左岸施测一个来回以上，取所测断面流量的平均值作为实测流量值。
河床质和悬移质取样。采用1000cc横式采样器在各垂线处进行悬沙取样，水样采集时铅鱼到底后等待10秒钟后再采集底层水样，以防止铅鱼对水体的扰动。采集水样后，立即将水样装入容器内并盖紧（装水样的容器事先已清洗干净，不残留泥沙和杂物，每个容器均已编号），同时将样品瓶号、取样点号、层号、日期和时间记入含沙量取样记录表。对于部分水文断面上有垂线水深较浅的情况，换用吃水更浅的小船补测或人工涉水测量，确保垂线水样采样完整率。在悬移质取样的同时在每条测流垂线位置进行床沙取样，取样采用锥式取样器。为满足泥沙颗粒分析要求，床沙取样重量视粒径而定，一般细沙或沙质粘土取样不少于50g，粗沙取样100～300g，直径大于2mm者取样不少于1000g。如遇一次取样数量不足，则分次采取，连续三次取不到沙样时，则不再取样，并在资料中加以说明。
5、内业成图
内业组接收外业原始数据后对数据进行检查，检查严格按照《水运工程测量质量检验标准》执行。检查合格后提取水深数据进行等高线的编辑，绘制地物地貌及水位标记。采用清华山维绘图软件进行图形处理与绘制，清绘后，按AutoCAD格式成图提交。根据测量比例尺的要求，对图面多余数据进行适当的删除，确保了数据分布合理、图面美观。
质量检查
检查内容包括测量任务书、施工组织设计、地形测量、水深测量、水文测验、内业制图。按照《水运工程测量质量检验标准》，逐项对照《水运工程测量规范》上规定的内容进行详查，判断出缺陷的类型，分别按分部工程的缺陷个数及缺陷调整系数计算分部工程的质量得分值（其中调整系数是根据合同产值来确定的），进而求得各单位工程的质量得分值。
经检查，本项目测绘工作组织严谨、设计合理、监督检查严格、最终检查规范。外业作业组能严格执行《规范》和施工组织设计，操作规范，质量控制严密。内外业资料及成图地形测量图幅清晰，注记规范，等高线走向合理，地形图上各要素测绘详细，地物间关系表示合理，水文资料规范清晰，满足各项规范要求。
结论与展望
【关键词】 石油测井 技术 现状 发展趋势
测井技术，是油气勘探工程技术中一项重要技术。测井技术最早源于1927年的法国斯伦贝谢公司，由其开发并应用此技术，期间历经了五次更新与换代。1939年，我国将其正式应用到石油工业当中来，至今已有70多年的发展历史。历经数十年的发展，测井技术从最初的模拟测井，逐渐发展成为今天的
全自动模拟测井仪、数字测井仪、数控测井仪、成像测井仪等等。现代测井是在石油工业中技术含量最高的技术之一，其已被广泛应用于油田的整个勘探与开发过程之中，顾名思义，石油测井工艺是提高采油效率不可或缺的重要方法。此外，测井技术不仅能应用于油田的开发利用，同样被应用于煤炭、金属等矿产资源的勘探之中。
1 石油测井的现状分析
1.1 石油测井具体方法
石油测井技术，是一种井下油气勘探方法。它是采用专门的仪器设备，沿井眼探测地层电磁、声波、核、热、力等物理特性随深度变化的过程，用于发现油气藏，评估油气储量及其产量。石油测井的基本工作原理是通过井下仪器采集的测井数据，经过电缆传输到地面仪器，同时，记录在胶片或磁带上，输人计算机处理解释，人们称石油测井是油气勘探的“眼睛”。
1.2 国内外石油测井技术现状
在科技飞速发展的今天，仅仅使用传统且原始的测井技术和测量方法，早已无法满足当代石油勘测的需求。就当下我国石油勘测领域而言，需要的是高分辨率、深层探测与高测量精准度的石油测井仪器。国外石油工业企业已经将石油测井仪器进行了五次换代，我国也将做到第四代与第五代仪器的更新。
1.3 声波石油测井技术
通过对环井眼地层的声学性质测量，判断井眼工程现状和推断地层特征的测井方法被称为声波石油测井技术。具体表现形式只要有声幅测井技术、声速测井技术和声波全波测井技术等。声波测量的优势在于能够通过声波能量揭示井眼与储备层特性，同时，还可以用来测量次生孔隙度、岩性空隙密度压力、渗透率以及流体类型裂缝方位等。其中，声成像系统是通过超声比脉冲扫描井壁并且接受回拨信号，通过计算图像处理技术将信号数字化并转换成图像的测井技术。
1.4 电法石油测井技术
通过使用井下测井仪器，向地层单位发射一定频率的电流，对地层单位进行测量得到地层电阻率的石油测井方法被称作电法测井。电法测井技术还包括通过发射电流获得地层自然电位的石油测井手段。
2 测井技术发展前景的研究
测井技术经过长期的发展与人们对石油、天然气等资源的日益需求的种种，都促进了测井技术的飞速发展，一些相关领域的技术革新，同样给测井技术提供了良好的发展前景。如成像测井技术，陈列感应成像、偶极声波、模块式地层测试器等技术，因具有精度高、信息量大等特性，被广泛应用在对油气储层识别和评价中。因此，这些新技术有着良好的实用价值与不可限量的发展前景。
2.1 相关技术与设备的发展趋势
面对当前对石油勘探工作的新需求，这些技术与设备正集中朝向高效、可靠、高精度的方向发展，测量参数也由二维发展到三维立体成像，加大了对井眼的覆盖率，从而提高了测量地层非均质的精度。套管测井仪器技术，在老油田的利用开发领域中得到了很大的发展，井下永久传感器技术也发展得更为完善。随钻测井技术在数据传输方面呈多样化发展，数据传输率也不断提高。
2.2 石油测井采集的发展方向
石油测井采集正在向集成化与单点测量发展，这样的发展趋势是为了更好的适应复杂储油层等非均匀地质需要。分散项目的测量时一种高精准度的组合式测量，主要适应质量和效率的需求。随着套管井和随钻电阻率测井技术的不断完善，已经能够逐步适应复杂井况探井的要求以及老油井测井技术评价等。
2.3 提高石油测井仪器的技术
为了满足不同的地质和测井环境的需求，测井仪器与技术都要更高、更可靠、更加高精度、高效率和网络化的方向发展，以便适应新的地质结构和地质工程环境。为了满足对地层非均质测量的要求，测量方法应向多源、多波、多谱和多接收器的方向发展，测量参数也将由二维成像朝着三维成像的方向发展，从而使井眼的覆盖率得以提高。随钻测井迅速发展，数据传输率有了很大的提高，传输方式越来越多样，而且仪器的可靠性也得到了很大提高。井下永久传感器测井的应用将会越来越广泛。安全环保要求使非化学源的核测量探头得到进一步商业化应用。开发能够测量井周一定范围内的介电常数和电导率的多频电磁波测井仪将成为一种很好的选择。
3 结语
综上所述，在未来的发展过程中，要加强石油测井技术的基础理论培训与自主研发工作，加大对石油测井技术领域的深入研究，进一步加强技术创新与领域发展，通过合作研发与技术引进等多方面资源因素，来提高自主创新能力，从而实现石油测井技术的跨越式发展。我相信，通过石油测井界的共同努力，中国石油测井学科将不断前进，同时也会为我国的油气藏开发工作作出更大的贡献，缩短与国外的差距，为我国经济建设贡献自己的一份力量。
参考文献：
[1]王长江，令狐松，褚庆忠. 我国天然气地质勘探状况综述[J].海洋石油，2005，02：20-26.
[2]李瑞华，张柏元.石油测井设备与器材管理系统的设计与实现[J].微机发展，2003，10：51-53+57.
[3]裴敏杰.中国石油测井有限公司重组后的竞争战略研究[D].兰州大学，2012.
[4]张松扬.煤层气地球物理测井技术现状及发展趋势[J].测井技术，2009，01：9-15.
关键词：多波束 测深 长江 采砂 监测
中图分类号：TV861 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（b）-0000-00
1 多波束水下测深系统
1.1 多波束测深系统的组成
多波束测深技术是现代水下探测领域的新兴技术，它集成了现代空间测控技术、声呐技术、计算机技术、信息处理技术等一系列高新技术，实现了对水下探测目标的高精度和高密度测量。该文用到的SeaBat 7125 是目前世界上较为先进、精度最高的多波束测深系统之一，它主要由 OCTANS 光纤罗经和运动传感器、声速剖面仪、侧扫图像处理系统、多波束数据采集系统（PDS2000数据采集软件）、多波束数据后处理系统（ CARIS HIPS 后处理软件） 、QTC Multiview底质分类系统等共同组成。整个系统的组成见图 1。
图1多波束测深系统组成
1.2 系统特点
（1） SeaBat 7125 以带状方式进行测量，波束连续发射和接收，测量覆盖程度高，对水下地形可100% 覆盖。与单波束比较，波束角窄，能够完全反映细微地形的变化。单波束是点、线的反映，而多波束则是面上的整体反映。多波束测深系统的测量成果更真实可靠，由于是全覆盖，其大量的水深点云数据使等值线生成真实可靠；而单波束是将断面数据进行摘录成图以插补方式生成等值线，在数据采集不够时，等值线会存在一定偏差。（2） 发射换能器向水底投射出 140°宽的覆盖扇区，接收器同时形成 512个动态聚焦波束，测深分辨率为 6 mm，工作深度可达0～50m。波束后向散射强度图像和检测到的距河床底距离实时显示在声呐监视器上，且便于快速质量检查。（3） 众所周知，测量船只的运动姿态对水下测量的数据影响很大，多波束测深系统在测量前和测量时，光纤罗经和运动传感器实时采集船行姿态数据，PD2000 采集软件同步记录船姿态信息，并对船行姿态进行实时校正，进而保证后处理中的水深测量数据能够真实有效地反映水底情况，而单波束在这方面是无法实现的。（4） CARIS HIPS 后处理软件功能强大，可以根据需要抽取不同比例尺的数据成图，生成的图件类型有测深数据图、水深等值线图、三维数字地形模型（ DTM） 图、彩色水深图、彩色地形阴影图以及质量控制报告等。
2 多波束测深系统应用于采砂管理量化监测
多波束测深系统具有测量快捷、高分辨率、高精度、全覆盖等特点，可以现场监视水下地形地貌的细微变化，非常适合水下工程及河道的监测任务。在此背景下，采用多波速测深系统对区域河道进行数字化、信息化监控管理就显得尤为重要。
在数据处理方面，传统的处理方法是通过构建Delauny三角网或 Grid 规则格网来形成水下的DTM，再通过分块处理、四叉树索引来达到水下地形多尺度 LOD 显示的效果。但是针对区域河段采砂行为的量化监测而言，其核心思想并不是可视化，而是周期性地监测河段砂量开采的变化情况，同时考虑到水下地形数据具有多样性、海量性、复杂性等特点以及提高计算效率减少计算机功耗等目的，该文采用对离散点云数据进行插值拟合而非构建 DTM的方法来处理不同时间采集的多波束水下地形数据，能够保证有足够的水深值来进行数据插值，保证结果的正确性且不失真。在此基础上，对拟合曲面进行求差计算，从而得出阶段时间内河道砂石资源的变化量。辅助管理者对合理开发利用砂石资源进行决策。数据分析处理流程见图2。
图2采砂量化监测流程
采集得到的这些多波束点云数据属于大规模离散数据的一种，在这些海量的点云数据当中，偶有临近点间的高程突变（ 局部不连续） ，但根据水下地形的特点分析，这些水下高程点的突变一般不是由水下地形的陡然起伏所造成，更为可能的是测量时产生噪声点或无效数据点，需要通过滤波处理去掉无效点。
采用加权移动平均算法（ Weighted Moving Average） 对滤波后的数据进行网格化处理。加权移动平均算法用于将离散型分布的数据点转化成规则网格分布的数值，同时对原始数据进行插值加密或抽取处理，目的是用地形表面上一系列离散的数据点表示地形表面的连续函数。
该方法十分灵活并且精度较高，计算简单，不需要很大的计算机内存。算法选取离散分布的数据点时，一般考虑 2 个因素：（1）范围，即采用多大面积范围内的数据点来计算点的数值；（2）点数，即选取多少点参加计算补的点。这 2 个因素的实际应用要根据具体情况而定。范围的大小是以某个值点为圆心，以 R 为半径来确定的。其半径决定与原始数据点的疏密程度和原始数据点可能影响的范围。由于原始数据点分布不均匀，为了保证求解二次曲面方程，要有足够数量的点，但又不能太多，因此圆半径不是固定的。对于动态变化的圆半径的决定，可以采用逐步变动的做法，见图 3。
图3动态圆法网格化示意图
将研究河段内水下地形表面上一系列离散的数据点转化成规则网格分布的连续函数，采用规则圆方法，拾取规格化节点临域范围内扫测值进行拟合计算。对于每一个新点选取其邻近的 n 个数据点。把新点作为平面坐标的原点，然后用一个多项式曲面拟合。多项式中的各参数由 n 个数据点求得。
3 采砂管理量化监测的应用工程实例
按照此技术路线于 2014 年 5 月 25 日和 2015年 3月 27 日 2 次分别对长江流域某采砂河段的河床进行了分阶段的测量，前次测量时水面高程为164. 247 m；后次测量时水面高程为161. 978m，其水下地形示意图见图4。两次测量的目的，就是为了得到阶段时间内区域河道内砂石资源量的动态变形情况。
按照上述方法分别拟合插值两次测量得到的多波束数据，并采取俯视的角度进行比较。截取图5中红色区域的断面进行分析，如图6所示。可得出以下结论：由于采砂活动的进行，截止 2015 年 3 月，主河道重点采砂监控区域相比于 2014 年 5 月最深处被开挖 2.32m，被开挖断面区域大约宽为38.7m，1 000m长的河道内被开采的砂石量约为 7 万 m3。
图4两次水下地形对比图
图5特征断面示意图
图6 采砂量变化对比图
5 结语
该文以长江流域某采砂河段为监控对象，提出了基于水下多波束测深技术的河道采砂量化监测管理手段，并运用相关算法计算出采砂量，具有直观性、高效性和可靠性，大大减少了人工作业量，改变了传统监测的落后手段，为河道采砂资源优化利用和有序监管提供了有效的技术支撑。多波束测深系统除了能量化监测河道砂石资源的变化外，还可广泛应用于堤防、水库、湖泊及海洋等水域的水下地形测量，进行水下工程及其水工建筑物的安全检测（ 如抛石护岸等）；河道疏浚及港口、码头、桥梁的工程测量； 水下管线、电缆等的监测；沉船、水下物体的打捞搜寻等。这套系统的测量效益、实用性和广阔的应用前景将进一步显现。
参考文献
[1] 李成刚，王伟伟，阎军，等.传统多波束系统与具有相干特点的多波束系统的研究[J].海洋测绘，2007，27（2）：77-80.