柱状分层固体介质中声波的传播与应用基础研究

The project is proposed to carry out the acoustic wave propagation characteristics in cylindrical stratified solid medium, to research the propagation law of various acoustic wave modes in cylindrical stratified solid media model. First of all, the project will theoretically research the interaction between various wave modes and stratified medium through numerical simulation, and analysis how to obtain the medium parameters from the received waveform information, and focus on the excitation and dispersion characteristics of various possible guided wave mode, and study the propagation characteristics of guided wave modes that play a major role within the different frequency bands. Secondly, the project will study the best layout scheme of acoustic wave's excitation and reception in cylindrical stratified solid media, and research how to obtain acoustic information and signal processing method to improve the signal to noise ratio of various wave modes, and analyze the effect and control methods of noise. Thirdly, experimental study will be carried out thoroughly and systematically. Through the analysis of measurement data, the project will research the relationship between various wave modes and stratified medium, and inverse the medium parameters, and summarize the best methods and means of acoustic detection in the stratified medium. The project will be an important theoretical basis and a practical interpretation foundation for the detection of the actual anchoring quality.

本项目提出开展柱状分层固体介质中声波的传播特性研究，即在柱状分层的固体介质模型中，研究声波各种波相的传播规律。首先，在理论上通过数值模拟，研究和分析各种波相与分层介质的相互作用关系，如何从接收波形的信息中获取介质参数，重点研究各种可能的导波模式的激发与频散特性，研究不同频段内起主要作用的导波模式的传播特性。其次，研究柱状分层固体介质中声波激发和接收的最佳布阵方案，研究如何获取声波信息及提高各波相信噪比的信号处理方法，分析实际噪声的影响和控制方法。再其次，开展深入系统的实验研究，通过实测数据研究和分析各种波相与分层介质的相互关系并反演介质参数，分析和总结分层介质中最佳的声学探测方法和手段。该研究为实际锚杆锚固质量检测提供重要的理论基础和应用解释依据。

本项目提出开展柱状分层固体介质中声波的传播特性研究，即在柱状分层的固体介质模型中，研究声波各种波相的传播规律，为实际锚杆质量检测提供重要的理论基础和应用解释依据。完成了六个方面的研究内容：①柱状分层固体介质中声波的传播理论研究；②弹性波有限差分数值模拟与物理实验；③伪随机信号发生装置仪器研发；④锚杆砂浆饱和度定量计算；⑤锚杆预应力检测研究；⑥锚杆数据处理软件开发。. 在柱状分层固体介质中声波的传播理论研究中，推导得到自由杆、两层、三层柱状分层介质中波动方程的解和导波的频散方程，多层固体介质模型传递矩阵，研究了导波各模式的激发与频散规律，总结了不同频段起主要作用的声学模式和它们在实际检测中的重要作用。. 在弹性波有限差分数值模拟与物理实验研究中，编制一阶速度应力方程和交错网格有限差分程序，得到三维波场快照、不同时刻波场快照二维切片、不同分量的时域波形、表面多道阵列接收波形。制作物理实验模型和研制的超声换能器，采集和分析实验数据，得到反射波随水泥砂浆凝固时间的衰减变化曲线。分析了声波信号的激发和接收问题，得到了最佳的发射和接收方式。为解决目前锚杆质量检测中超声换能器的分辨率和能量之间矛盾，研制伪随机信号发生装置仪器，获得新型实用专利。. 现场工程应用部分，研究了锚杆砂浆饱和度定量计算和锚杆预应力检测方法，数值模拟了围岩、砂浆、缺陷、预应力等弹性参数与反射波形的相互关系，提出了以数值模拟和物理实验为基础的BP神经网络法定量计算砂浆饱和度方法，定性地总结了锚杆的预应力越大，反射波高频成分越多的规律。在锚杆数据处理软件开发部分，研究了频谱计算、零相位带通滤波、复信号分析、小波变换等信号分析和检测方法，将前面的研究结论应用到锚杆砂浆饱和度、锚固力、工作载荷等工程参数计算，并在生产单位获得推广应用。. 总体上完成了项目申请书中的研究计划内容，达到了预期的研究目标。