馮橋木 許年春 王國(guó)勝 唐 熙

(1.重慶科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，重慶 401331; 2.新疆交建市政工程有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830016)

·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

一種能遙控產(chǎn)生大能量低頻聲波的裝置★

馮橋木1許年春1王國(guó)勝2唐 熙1

(1.重慶科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，重慶 401331; 2.新疆交建市政工程有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830016)

對(duì)大能量低頻聲波產(chǎn)生裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)與制作，實(shí)現(xiàn)了大能量低頻聲波產(chǎn)生裝置的遠(yuǎn)距離遙控；通過(guò)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)聲波能量隨裝置氣壓升高而增大，可通過(guò)增大氣壓的方法得到更大能量的聲波；并對(duì)鋼質(zhì)撞擊擋板和銅質(zhì)撞擊擋板作了對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋼質(zhì)撞擊擋板在相同氣壓下產(chǎn)生的能量遠(yuǎn)大于銅質(zhì)撞擊擋板，宜優(yōu)先采用鋼質(zhì)撞擊擋板。

低頻聲波，聲波產(chǎn)生裝置，遙控，氣壓

聲波探測(cè)廣泛應(yīng)用于樁基完整性檢測(cè)、土層地質(zhì)物探，判定水工隧洞圍巖類別等[1,2]。翟銳、趙幫亞[3]用聲波測(cè)試在馬鞍山隧道中進(jìn)行了隧道圍巖完整性的判別,取得了良好的效果。林玫玲等[4]在受損巖體中進(jìn)行了聲波特性分析與研究，獲得了凝灰?guī)r聲波的相關(guān)參數(shù)，為分析和評(píng)價(jià)凝灰?guī)r的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)特征提供了依據(jù)。曹安業(yè)等[5]在孤島面開(kāi)采強(qiáng)礦震異常區(qū)采用了被動(dòng)聲波探測(cè)技術(shù)，證明被動(dòng)聲波探測(cè)技術(shù)能夠?qū)聧u面開(kāi)采強(qiáng)礦震危險(xiǎn)性與危險(xiǎn)區(qū)域做出有效動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。目前市場(chǎng)上銷售的手錘式低頻聲波(5 Hz～9 kHz)檢測(cè)儀，需工作人員用手臂直接操作，有的檢測(cè)空間工作人員不能直接進(jìn)入(如盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖面、地面鉆孔)，操作無(wú)法完成，有些檢測(cè)地點(diǎn)比較危險(xiǎn)，不宜工作人員長(zhǎng)時(shí)間停留。另外，由于手錘每次錘擊的力度、角度、位置均不相同，當(dāng)采用信號(hào)疊加(提高信噪比)時(shí)不能達(dá)到理想的效果。為解決手錘式低頻聲波檢測(cè)儀的不足，需發(fā)明一種能遙控產(chǎn)生大能量穩(wěn)定聲波的裝置。

1 聲波產(chǎn)生裝置的設(shè)計(jì)

聲波產(chǎn)生裝置要求能夠產(chǎn)生穩(wěn)定的大能量的聲波，撞擊能產(chǎn)生大能量的穩(wěn)定聲波，是比較理想的聲源，因此采用鋼球撞擊銅板或鋼板作為聲源。因?yàn)槁曉囱b置要放到工作人員無(wú)法進(jìn)入的地方(如鉆孔中)，因此需要通過(guò)遙控的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，遙控方式分為有線遙控和無(wú)線遙控，無(wú)線遙控難度較大，采用有線遙控較為合適。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)方案的比較，采用方案如下：在電磁閥兩端各連接一段鋼管，一段作為撞擊鋼管，將鋼球置于撞擊鋼管內(nèi)，另一段作為儲(chǔ)氣室，通過(guò)氣泵泵氣產(chǎn)生壓力，用遙控裝置控制電源，打開(kāi)電磁閥，壓縮空氣瞬間沖出推動(dòng)鋼球，讓鋼球獲得動(dòng)力，撞擊銅板或其他材料的板，產(chǎn)生聲源。在氣泵的管道上接氣壓表，使每次氣壓值都相同，從而保證鋼球每次撞擊的力度相同，因?yàn)殇撉蚨际窃阡摴軆?nèi)運(yùn)動(dòng)，而鋼管內(nèi)徑與鋼球的直徑十分接近，所以每次撞擊的角度也相同。為了消除撞擊對(duì)鋼管產(chǎn)生的影響，在撞擊鋼管頂端焊接法蘭盤，法蘭盤與撞擊板之間加上橡膠圈，法蘭盤、橡膠圈與撞擊板通過(guò)螺栓相連，并在撞擊鋼管上設(shè)置排氣孔，排出撞擊后剩余的氣體。遙控裝置可通過(guò)購(gòu)買市場(chǎng)上現(xiàn)有的遙控裝置加以改進(jìn)。

圖1為聲波產(chǎn)生裝置的設(shè)計(jì)圖。

2 聲波產(chǎn)生裝置的制作

聲波產(chǎn)生裝置的制作質(zhì)量高低關(guān)系到裝置的使用效果，在聲波產(chǎn)生裝置制作過(guò)程中，有些零部件通過(guò)機(jī)床加工，有些零部件不易加工，或加工費(fèi)用昂貴，通過(guò)其他途徑得到，如購(gòu)買一些常見(jiàn)的小裝置進(jìn)行拆卸，得到所需的部件，還有的需要到機(jī)電市場(chǎng)去廣泛選取。購(gòu)買到電磁閥、鋼球、彈簧、鋼管等零部件和材料，通過(guò)機(jī)床加工得到一個(gè)銅質(zhì)撞擊板、一個(gè)鋼質(zhì)撞擊板、一個(gè)法蘭盤和一個(gè)密封底板，對(duì)鋼管進(jìn)行打孔與鉆絲。各部件組裝如下：電磁閥一端與儲(chǔ)氣鋼管連接，另一端與撞擊鋼管連接，可在鋼管與電磁閥連接處纏繞生絲，避免漏氣；儲(chǔ)氣鋼管末端連接氣泵，撞擊鋼管末端連接撞擊擋板，鋼球通過(guò)彈簧與插銷連接，置于撞擊鋼管內(nèi)，插銷安置在撞擊鋼管與電磁閥連接處的稍前部位。圖2為聲波產(chǎn)生裝置制作的成品圖。

3 聲波產(chǎn)生試驗(yàn)

聲波產(chǎn)生裝置制作完成后，開(kāi)展聲波產(chǎn)生試驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試儀器選用武漢中巖科技生產(chǎn)的RSM-PRT(N)基樁低應(yīng)變檢測(cè)儀。將聲波產(chǎn)生裝置的撞擊擋板與基樁低應(yīng)變檢測(cè)儀的感應(yīng)探頭安置在同一工作面上，探頭與工作面接觸點(diǎn)需涂上耦合劑(如黃油)，探頭與撞擊擋板的距離大約為5 cm，本次試驗(yàn)采用的工作面為混凝土面；儀器安置完成之后，通過(guò)氣泵向裝置泵氣，待氣壓達(dá)到試驗(yàn)值時(shí)，遙控打開(kāi)電磁閥，氣壓瞬間推動(dòng)鋼球撞擊擋板，產(chǎn)生聲波，基樁低應(yīng)變檢測(cè)儀隨之記錄。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，裝置產(chǎn)生的聲波信號(hào)穩(wěn)定，每次產(chǎn)生的聲波形態(tài)基本相同，圖3為氣壓0.15 MPa時(shí)鋼球撞擊鋼質(zhì)擋板測(cè)得的波形圖。

通過(guò)多次試驗(yàn)得到了聲波能量與氣壓的關(guān)系，聲波能量隨著氣壓的增大而增大，可以通過(guò)增大氣壓的方法得到更大能量的聲波，以滿足測(cè)試要求。當(dāng)然，由于考慮到氣泵的氣壓極限和鋼管與電磁閥接頭的受拉承載能力，氣壓不能無(wú)限增大。在聲波測(cè)試試驗(yàn)中選取了鋼質(zhì)撞擊擋板和銅質(zhì)撞擊擋板，對(duì)它們進(jìn)行了相同氣壓下的聲波能量對(duì)比，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在相同氣壓下，鋼質(zhì)撞擊擋板產(chǎn)生的能量遠(yuǎn)大于銅質(zhì)撞擊擋板，結(jié)果如圖4所示。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)制作出的低頻聲波產(chǎn)生裝置，可以遙控產(chǎn)生大能量低頻聲波，作用于待檢測(cè)體(土層或樁體)。裝置產(chǎn)生的聲波信號(hào)穩(wěn)定，每次產(chǎn)生的聲波基本相同，可通過(guò)信號(hào)疊加有效提高信噪比；可通過(guò)增大氣壓的方法得到更大能量的聲波，以滿足測(cè)試要求；在相同氣壓下，鋼質(zhì)撞擊擋板產(chǎn)生的聲波比銅質(zhì)撞擊擋板的能量大，因此宜優(yōu)先采用鋼質(zhì)撞擊擋板。

[1] 牛繼民.聲波探測(cè)技術(shù)在判定水工隧洞圍巖類別的應(yīng)用[J].甘肅水利水電技術(shù)，2014(12):23-26.

[2] 周涌泉.聲波透射法在樁基檢測(cè)中的應(yīng)用[J].交通建設(shè)與管理,2014(Z2):40-41.

[3] 翟 銳,趙幫亞.聲波測(cè)試法在隧道圍巖完整性判別中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代交通技術(shù)，2014(3):51-53,76.

[4] 林玫玲,黃真萍,孫艷坤,等.受損巖體聲波特性分析與研究[J].路基工程,2014(2):29-35.

[5] 曹安業(yè),井廣成,竇林名,等.孤島面開(kāi)采強(qiáng)礦震異常區(qū)的被動(dòng)聲波探測(cè)技術(shù)及應(yīng)用[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2015(1):20-27.

Adevicecapableofremotelyproducinglargeenergylow-frequencysoundwaves★

FengQiaomu1XuNianchun1WangGuosheng2TangXi1

(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,ChongqingUniversityofScienceandTechnology,Chongqing401331,China; 2.XinjiangMunicipalConstructionEngineeringCo.,Ltd,Urumqi830016,China)

The design and manufacture of high energy low frequency acoustic wave generating device, remote control to achieve high energy low frequency acoustic wave generating device, the test found that the acoustic energy increases with the increasing pressure device, can sound bigger energy by increasing pressure on steel, impact plate and copper impact plate are contrasted. Found the steel produced in the same impact plate under the pressure of energy is far greater than the impact of copper plate, should give priority to the impact of steel plate.

low-frequency acoustic wave, acoustic wave generating device, remote control, barometric pressure

P642

：A

1009-6825(2017)24-0053-03

2017-06-14 ★ ：重慶科技學(xué)院研究生科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目：孔壁振動(dòng)收發(fā)器的研發(fā)及其在地層探測(cè)中的應(yīng)用(項(xiàng)目編號(hào)：YKJCX1620609)

馮橋木(1992- )，男，在讀碩士