Anwendung
Messung der Schallgeschwindigkeit und Dämpfung in geologischen Proben, wie Gestein und Mineralien.
Einführung
Zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von geologischen Materialien werden häufig verschiedene Techniken zur Übertragung von Ultraschall verwendet. Vor allem dienen diese Techniken dazu, die physikalischen Parameter wie Härte, Elastizitätsmodul und Gefügestruktur des Materials zu quantifizieren. Diese Techniken werden auch zur Überwachung der Verdichtung von Boden oder Sand unter Laborbedingungen verwendet. Diese Prüfungen werden überlicherweise an aufbereiteten Proben mit zwei flachen, parallelen Oberflächen unter Verwendung von Durchschallungstechniken mit niederfrequenten Prüfköpfen durchgeführt werden, wie es im Folgendem beschrieben ist. Vor Ort werden für diese Prüfungen in der Regel seismische Frequenzen verwendet, die weit unter dem Ultraschallbereich liegen.
Technische Ausstattung
Aufbereitete geologische Proben können normalerweise mit Ultraschallprüfgeräten, wie dem EPOCH 650 Prüfgerät von Olympus, geprüft werden. Niederfrequente Schallkopfkopfpaare werden im Modus für Longitudinalwellen und Transversalwellen eingesetzt. Die je nach Prüfung verwendeten spezifischen Schallköpfe hängen von den akustischen Eigenschaften der Prüfmaterialien und den Probenabmessungen ab. Am häufigsten werden jedoch Frequenzen von 1 MHz und weniger verwendet. Die Frequenz sollte so gewählt werden, dass neben einer ausreichenden Durchdringung auch unverzerrte Wellenformen erreicht werden.
Verfahren
Proben können verschiedene Formen und Größen aufweisen, sollten aber über zwei flache, parallele Oberflächen für die Ankopplung des Schallkopfs verfügen. Häufig sind dies Zylinder oder Blöcke mit Dicken im Bereich von ungefähr 50 mm (2 Zoll) bis 250 mm (10 Zoll) in Messrichtung. Durchmesser oder Breite der Probe sollten größer sein als die Elementgröße des verwendeten Schallkopfs. Durchschallungsprüfungen werden normalerweise mit separaten Sender-Empfänger-Prüfköpfen durchgeführt, da die meisten geologischen Materialien bei Ultraschallfrequenzen eine hohe Schallstreuung aufweisen. Der Impulsgenerator des Geräts muss im Durchschallungsmodus arbeiten, Verstärkung und Filter werden so eingestellt, dass optimale Signale erreicht werden. Bei Durchschallungsprüfungen kann die Nullpunktverschiebung des Schallkopfs bestimmt werden, indem die beiden Prüfköpfe in Kontakt gebracht werden und dieses Signal als Nullpunkt verwendet wird. Als Koppelmittel wird Gel verwendet, um bei Prüfungen mit Longitudinalwellen die Absorption in porösen Proben zu minimieren. Spezielle Koppelmittel mit hoher Viskosität (wie SWC-2 von Olympus für Transversalwellen) müssen für die Ankopplung von Prüfköpfen für Transversalwellen verwendet werden.
Die Impulslaufzeit kann entweder mit einem Prüfgerät oder einem Oszilloskop oder einer digitalen Wellenformanzeige gemessen werden, die an einen Impulsgeber/Empfänger angeschlossen ist. Mit der Fehlererkennungssoftware kann zudem die Geschwindigkeit berechnet und gemessen werden.
Longitudinalwelle | Transversalwelle |
Messung der Laufzeit in eine Richtung in 95 mm (3,75 Zoll) Sandstein, geprüft mit einem EPOCH 650 Prüfgerät, zwei V102-SB Prüfköpfen für Longitudinalwellen und zwei V152-RB Prüfköpfen für Transversalwellen (beide 1 MHz, Durchmesser 1 Zoll).
Die gemessenen Schallgeschwindigkeiten mit der Materialdichte können verwendet werden, um die elastischen Eigenschaften zu berechnen, wie es im Anwendungsbeispiel Messen des Elastizitätsmoduls mit Anwendungen zur Dicken- und Fehlerprüfung. Die Schallschwächung wird experimentell mit physikalischen Eigenschaften wie Gefügestruktur oder Mikrorissbildung in Bezug gesetzt, wobei Referenzproben mit bekannten Bedingungen verwendet werden, um eine Kalibrierungskurve zu erstellen.
