同地震勘探一样，声波探测是利用岩石弹性性质的一种物探方法。这种方法是利用频率很高的声波和超声波，甚至于微超声波作为信息的载体，来对岩体进行测试。与地震勘探的主要区别在于声波探测所使用的频率大大高于地震波勘探所使用的频率，这样与地震物探相比，由于其频率高、波长短，因此探测范围小、分辨率高，对于岩石的若干微观结构也会有所反映。另外，该方法本身具有简便、快速、经济、便于重复测试、对测试的岩体（岩石）无破坏作用等特点。当然，由于声波本身频率相对较高，故岩石对高频声波的吸收、衰减和散射比较严重，因而探测距离远不如地震勘探那么远。

声波探测技术可分为主动测试和被动测试两类。主动测试所利用的声波由声波仪的发射系统或人工锤击等方式产生，包括波速测定、振幅测定、频谱测定等内容；被动测试的声波则是岩体由于遭受自然界或其他作用力时，在变形或破坏过程中由其本身发出的，所以亦可称为声发射技术。

目前，声波探测技术在工程地质勘测工作中使用得越来越普遍。水利电力、交通、地质采矿和国防部门，近年来在许多地区的不少工程项目中都进行了这方面的工作，取得了一些重要的结果。特别是随着各种大型地下工程的兴建，为了保证设计和施工质量，需要对围岩性质和混凝土构筑物的质量做出定量评价，促使声波探测技术在广泛的应用中能得到迅速发展，成为工程地质勘测中不可缺少的勘测手段。

目前声波探测技术主要用于以下几个方面：

（1）围岩工程地质分类：根据波速声学参数的变化规律，进行工程岩体的地质分类，并提出各地段应采取的工程措施。

（2）围岩应力松弛范围的确定：根据波速随岩体裂隙发育而降低，以及随应力状态的变化而改变等的规律，定量测出地下工程围岩的应力松弛范围（松动圈），为确定合理的衬砌厚度和锚杆长度等提供设计依据。

（3）测定岩体或岩石的物理力学参数：包括动弹性模量、泊松比、杨氏模量和单轴抗压强度等。

（4）测定岩体的地质参数：包括岩体的裂隙系数、完整性系数、各向异性系数及风化程度等。

（5）测定小构造的情况：如探测溶洞位置大小、张开裂隙的延伸方向及长度、断层的宽度及走向等。

（6）混凝土构件的探伤及水泥灌浆效果的检查：对于混凝土构件在施工中可能存在的裂隙或空洞进行检测，并根据声波波速的变化来检查液浆前后的处理效果。

另外，声波技术已用于测井技术中，可利用声速、声幅及超声电视测井的资料划分钻井剖面、岩性剖面，确定结构面位置及套管的裂隙等。声波探测技术已成为工程地质勘察中不可缺少的手段。

（一）声波仪的基本原理

1.声波仪主要部件及功能

声波技术的理论基础是弹性波理论，在此基础上所研制的声波仪由发射系统和接收系统两部分组成，其结构和工作原理如下：

发射系统包括发射机和发射换能器。由发射机（一种声源信号发生器）向换能器（压电材料制作）输送电脉冲、激励换能器的晶片，使之振动而产生声波，向周围岩体发射。于是声波在岩体中即以弹性波形式传播，然后由接收换能器加以接收后转换成微弱的电信号送到接收机，经放大后在终端以波形和数字形式直接显示其声波在岩体中的旅行时间t，根据发射和换能器之间的距离L，由公式v=L/t，计算出岩体波速。

国内常用的声波仪仅有YB-4型及SYC-2型岩体波速仪。发射换能器的功能，是将发射机送来的电能转换成弹性振动形式的机械能，从而产生声波；接收换能器的功能，则是将收到的岩体中的弹性波转换成电能，然后输送给接收机。因此，它们是声波仪的重要组成部分。目前在岩体声波探测中使用的是电声换能器，最常用的是由压电效应的材料（天然晶体或人工制造的极化多晶陶瓷等）制成的压电换能器，其他还有多种型号和式样，应根据测试条件和要求加以选择。接收换能器常用的是单片弯曲式，发射换能器多用喇叭式，另外还有为测试横波而研制的横波换能器。下面以喇叭式换能器为例，简要介绍换能器的工作原理。

喇叭式换能器的结构如图5-23所示，主要由晶片、辐射体及配重3部分组成。用黏接剂将这3部分黏合，并用螺栓旋紧，使其能承受较大的功率。晶片为圆形，由压电陶瓷制成，其前端的辐射体为喇叭形的铝合金硬盖板，可以使压电陶瓷受激振动后所产生的声波向岩体单向发射。喇叭式换能器具有单向辐射性能，指向性能较好，机械强度高还能承受较大功率，因此多用作发射换能器。

图5-23　喇叭式换能器结构示意图

2.纵横波的识别及波速的测定

为了求得在岩体或岩石中的纵波和横波的波速等参数，首先必须要在接收机荧光屏上正确地区分出纵波和横波，并分别读出它们的初至时间值。一般讲，由于纵波波速大于横波波速，所以纵波比横波先期到达，这样纵波的初至是比较容易读取的。如遇初至不清时，可利用记录波形中的相位校正，来求出初至时间值。横波由于其波速小于纵波，故在荧光屏上的波形往往叠加在纵波的续至区中，不易辨认。

只有当岩体比较完整时，在传播过程中，声波的反射、散射不严重，直达波形比较简单，使用的工作频率较高，纵波和横波才能清楚地分开。为了在记录中识别纵横波，可以增强横波的能量和抑制纵波的延续度。在理想弹性介质中，如坚硬完整的岩体，当其泊松比等于0.25时，横波与纵波到达时间关系大致为大于ts=1.73tp，而在破碎岩体中，则ts＞1.73tp。

（二）声波探测的应用

下面就声波探测在实际工程地质中推广使用而且效果显著的几个方面做一介绍。(www.daowen.com)

1.岩体弹性力学参数测定

岩体的弹性模量、泊松比、抗压强度等力学参数，对于有关工程围岩稳定性的评价，以及进行工程设计和施工都是极重要的基本参数，需要予以测定。这项工作是岩体声波探测的一项重要内容，无论在室内或现场均可进行。

在实际工作时，先用声波仪测出待测的围岩纵波速度Vp及横波速度Vs，然后可计算出动弹性模量。用声波仪确定弹性模量诸参数，简便易行，省时省力，并能够便于现场大量布置测点，为有限单元法的计算创造必要条件。

2.岩体的工程地质分类

为了评价岩体质量，了解洞室及巷道围岩的稳定性，合理选择地下洞室或巷道的开挖方案，设计合理的支衬方案，都必须对岩体进行工程地质分类。

目前，对岩体进行工程地质分类的声学参数主要是纵波波速Vp，并由此而计算得到裂隙系数L、完整性系数Kv、风化系数F等参数。

完整性系数定义为

风化系数定义为

裂隙系数定义为

式中：VPt——岩体的波速（m/s）；

　　　VPs——岩石的波速（m/s）；

　　　VP1——新鲜岩石的波速（m/s）；

　　　VP2——风化岩石的波速（m/s）。

根据纵横波速值的分析整理，可以计算出岩体动弹模量、完整性系数、风化系数等岩石力学参数，利用这些参数并结合地质特征，对岩体进行结构分类和质量评价。

3.围岩应力松弛带的测定

洞室开挖前，岩体中应力处于平衡状态。开挖后，原始的应力平衡被破坏，引起了应力的重新分布，导致应力的释放与集中。这引起岩体完整性破坏和强度的下降，从而出现了应力松弛带。为了在现场确定松动圈的范围，可用声波仪来测定。其原理是在洞壁应力下降区，岩体裂隙破碎，以致波速减小及振幅衰减较快；反之，在应力增高区，应力集中，波速增大，振幅衰减较慢。因此，利用声波速度随孔深的变化曲线，可以确定松弛带的范围。

4.混凝土强度检测

不少工程结构框架是由混凝土构成，因而混凝土构件的混凝土浇灌质量检测是现代工程施工质量检测的关键问题之一。影响混凝土质量的因素主要有混凝土龄期、水灰比、水泥型号等，而这些因素又与声波速度有关。此外，在混凝土构件中，还可以用声波探测技术进行无损探伤。根据波速异常或波幅异常，进行混凝土中是否存在裂缝或空洞的判断。近年来，该技术大量应用于钢筋混凝土灌注桩的成桩质量检测中。

5.水声探测技术

水声探测，又称水下地层剖面测量。它是一种利用声波传播原理，探测水下地形地貌、地层结构和岩性分布的一门技术。该方法能准确、高效、快速地完成水域工程、港口航道、滩涂的各项测量，在水电、交通和海洋部门得到了广泛应用。