煤体中超声波参数的实验研究.pdf

第 4 4卷 第 1 期 2 O 1 8年 1月 工矿 自 动 化 I nd us t r y a n d M i ne Aut o ma t i o n V0 L 4 4 No ． 1 J a n ．2 01 8 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 8 0 1 0 0 6 8 0 6 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 8 ． 0 1 ． 0 0 3 煤体中超声波参数的实验研究 刘 冠华 ， 杨晨。 ， 刘浩雄 1 ． 中国矿业大学 安全工程学院，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 ； 2 ． 武汉科技大学 资源与环境工程学院， 湖北 武汉4 3 0 0 8 1 摘要 采用声发射 实验技术对大安山无烟煤与三河尖肥煤的超声波波速、 衰减 系数、 超声波的时域特征 和频 域特征 进行 了研 究 。研 究结 果表 明 ， 受 空 隙率和含 水率等 的影 响 ， 无烟 煤 中的平均 波速 大于肥 煤 中的平 均 波速 ， 其衰减 系数 平均值低 于肥 煤 的衰减 系数平 均值 ； 超 声 波的 时域 特征 和频域 特征 受煤 的品质 和波形 频 率的影响 ， 无烟煤 的 主频幅 值 大于肥煤 ， 衰减 周期 小于肥 煤 ， 并且 随 着波 形频 率 的增 加 ， 衰减 时 间下 降 ， 透 射 波形的 能量更加 聚 集于主频 。这 些结论 可 为采掘前 煤炭 品质 和种类 的定性提 供理 论依 据 关键词 煤炭品质 ；煤炭种类；无烟煤； 肥煤；超声波；衰减 系数；时域 ； 频域 中图分类号 T D3 1 5 文献标 志码 A 网络 出版 时间 2 0 1 7 1 2 2 1 1 4 3 0 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 7 1 2 2 1 ． 0 6 5 6 ． 0 0 2 ． h t ml 收稿 日期 2 0 1 7 0 5 1 6 ； 修回日期 2 0 1 7 1 0 2 0 ； 责任编辑 张强 。 作者简介 刘冠华 1 9 9 3 一 ， 男 ， 河南安 阳人 ， 硕士研究生 ， 研究方 向为煤岩瓦斯动力灾 害防治 ， E - ma i l 8 0 5 1 1 2 1 4 8 q q ． c o rn。 引用格式 刘冠华 。 杨晨 ， 刘浩雄． 煤体 中超声波参数的实验研究E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 8 ， 4 4 1 6 8 7 3 ． L I U Gu a n h u a ， YAN G C h e n ， L I U Ha o x i o n g ． An e x p e r i me n t a l r e s e a r c h o n u l t r a s o n i c p a r a me t e r s o f c o a l E J ] ． I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o m a t i o n， 2 0 1 8， 4 4 1 68 - 7 3 ． [ 8] [ 9] [ 1 O ] [ 1 1 ] HAO Zhi yo ng，ZHANG Pe i ，YAN Chu a ng，e t a 1 ． An a l y s i s o n t h e i n f l u e n c e o f t h e l o a d t h e e n d p l a t e o f t h e d r u m s h e a r e r J ] ． J o u r n a l o f Me c h a n i c a l S t r e n g t h ， 2 O 1 7 ， 3 9 2 3 6 O 3 6 6 ． 刘克铭 ， 徐广 明． 刮板 输送机 横向推移 弯曲段力 学模 型E J ] ． 黑龙江科技大学学报 ， 2 0 0 9 ， 1 9 1 6 1 6 3 ． LI U Ke mi n g，XU Ou a ng mi n g．Ca l c ul a t i o n mode l o f AF C l a t e r a l b e n d i n g[ J ] ．J o u r n a l o f He i l o n g j i a n g I n s t i t u t e o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y， 2 0 0 9，1 9 1 6 1 63 ． 刘 品强． 刮板 输送 机 中部槽 的强 度分 析及优 化 [ D] ． 天津 河北工业大学 ， 2 0 0 7 ． 李强． 采煤机斜切进刀工况下力学特性及测试系统研 究 [ D ] ． 阜新 辽宁工程技术大学 ， 2 0 1 4 ． 黄 中华 ， 张晓建 ， 周玉军． 渐开线齿轮啮合碰撞力仿 真 [ J ] ． 中南 大学学 报 自然科 学版 ， 2 0 1 1 ， 4 2 2 3 79 - 38 3 ． HUANG Z h o n g h u a ． ZHANG Xi a o j i a n． ZHOU Yu j u n ．S i mu l a t i o n o f c o n t a c t f o r c e o f i n v o l u t e g e a r me s h i n g[ J ] ．J o u r n a l o f C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ， 2 0 1 1 ， 4 2 2 3 7 9 3 8 3 ． [ 1 2 ] [ 1 3 3 [ 1 4 ] [ 1 5 ] 龙 凯 ， 程颖． 齿 轮 啮合 力 仿真 计 算 的参 数选 取 研 究 [ J ] ． 计算 机仿真 ， 2 0 0 2 ， 1 9 6 8 7 9 1 ． L0NG Ka i ， CHENG Yi n g．The r e s ea r c h of p a r a me t e r s b y t h e s i mu l a t i o n o f e x c i t i n g f o r c e i n g e a r s [ J ] ． C o mp u t e r S i mu l a t i o n ， 2 0 0 2 ， 1 9 6 8 7 9 1 ． 李嫒媛 ， 王海艳 ， 朱青青 ， 等． 煤岩特 性对 掘进机截 割 头载荷的影 响分 析 [ J ] ． 工 矿 自动 化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 1 0 2 6 2 9． LI Yu a n y u a n ， WANG Ha i y a n， Z HU Qi n g q i n g ， e t a 1 ． I n f l u e n c e a n a l y s i s o f c o a l a n d r o c k p r o p e r t i e s o n r o a d h e a d e r c u t t i n g h e a d l o a d [ J ] ． I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n， 2 0 1 6 ， 4 2 1 0 2 6 2 9 ． 付林 ， 杜长龙 ， 刘送永 ， 等． 螺旋钻采 煤机 钻头截 齿载 荷特 性 研 究 [ J ] ．中 国 机 械 工 程 ， 2 0 1 3 ， 2 4 1 5 2 02 0 2 02 4 ． FU L i n， DU C h a n g l o n g ， L I U S o n g y o n g， e t a 1 ． Re s e a r c h on l o ad c ha r a c t e r i s t i c s o f p i c k s on a ug e r dr i l l mi n e r S a i g u i l l e [ J ] ． C h i n a Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 3， 2 4 1 5 2 0 2 0 2 0 2 4 ． 刘 春 生 ， 于 信 伟 ， 任 昌玉． 滚 筒 式采 煤机 工 作 机 构 [ M] ． 哈尔滨 哈尔滨工程大学 出版社 ， 2 0 1 0 5 9 6 0 ． 2 0 1 8年第 1 期 刘冠华等 煤体中超声波参数的实验研究 6 9 An e x p e r i me nt a l r e s e a r c h o n ul t r a s o n i c p a r a me t e r s o f c o a 1 LI U Gu a nhu a ， YANG Che n ，LI U H a o xi o n g 1． Sc ho ol o f S a f e t y Eng i ne e r i ng，Ch i na Un i ve r s i t y of M i ni ng a nd Te c h no l og y，Xu z h ou 2 21 00 8，Chi na； 2． Co l l e g e o f Re s ou r c e s a n d Env i r o nme nt ，W u ha n Uni v e r s i t y o f Sc i e nc e a nd Te c h no l og y， W u h a n 4 3 0 0 8 1 ，Ch i n a Ab s t r a c t Ul t r a s o ni c ve l oc i t y， a t t e nu a t i on c o e f f i c i e nt ，t i me d oma i n a n d f r e q ue nc y d o m a i n f e at u r e s i n a n t h r a c i t e c o a l o f Da a n s h a n a n d f a t c o a l o f S a n h e j i a n we r e s t u d i e d b y a c o u s t i c e mi s s i o n e x p e r i me n t a l t e c hn i qu e s ． Re s e a r c h r e s u l t s i nd i c a t e t ha t a f f e c t e d b y v oi d a g e a n d mo i s t ur e c o nt e n t ， t he m e a n wa v e v e l o c i t y i n a n t hr a c i t e c o a l i s l a r ge r t ha n t h a t o f t he a v e r a ge v e l oc i t y i n f a t c o a l ，a nd t he m e a n v a l ue o f i t s a t t e nu a t i o n c o e f f i c i e nt i s l owe r t ha n t ha t of a t t e nu a t i o n c o e f f i c i e nt i n f a t c oa 1 ． Ti m e d o m a i n a nd f r e q ue n c y d oma i n f e a t u r e s o f u l t r a s on i c a r e i n f l ue nc e d by c o a l qu a l i t y a nd wa ve f o r m f r e q u e nc y， a n t hr a c i t e ha s gr e a t e r a mpl i t u de s o f m a i n f r e q ue n c y a n d s ho r t e r de c a y pe r i o d t ha n f a t c o a 1 ． W h e n t he wa ve f r e q u e nc y i nc r e a s e s， t he d e c a y t i m e de c r e a s e s a nd e ne r g y of t r a ns mi s s i o n wa v e f or m i s m o r e ga t h e r e d i n ma i n f r e q ue nc y．The s e c on c l us i o ns c a n pr o v i de t h e o r y b a s i s f o r d e t e r m i n a t i o n of c o a l q ua l i t y a nd t yp e be f or e c oa l mi ni n g． Ke y wo r ds c o a l qu a l i t y；c o a l t y pe s；a nt h r a c i t e c o a l ；f a t c o a l ；u l t r a s o ni c wa v e；a t t e nu a t i o n c oe f f i c i e nt ； t i m e do ma i n；f r e q ue nc y do ma i n 0 引 言 煤岩性 质 的研究 对 于认 识煤 矿灾 害产 生机 理及 预 防技术 具有 重 要 的作 用 。在 一 定 条 件下 ， 超声 波 可以用来预测瓦斯突 出， 降低生产 中瓦斯突出的危 险性 。超声波透射波参数可 以用来探究不同品质煤 在于燥和饱水下的波谱特征 。利用超声波参数来探 测煤岩结构特性等方面 的研究 已经 日趋成熟 ， 并 能 用超声波衰减参数特征表征煤岩 内部缺陷与表面裂 缝 情 况 。研 究 超声 波在 煤岩 中的衰减 特征 对揭 示 煤 岩 内部裂 隙结 构及对 煤 矿灾 害事 故 的预 防具有 重要 的现实意义， 对煤 田地 质反演模拟过程研究也具 有 理 论 指导 意义 。 国内外专家学者对煤矿生产 中应用的超声波波 速和衰减系数等参数做 了大量研究。王云刚等L 】 对 构造煤的超声波实验测试参数的影响因素进行 了半 定量研究 ， 得出影响构 造煤纵波波速和品质因子的 主要 因素是 煤体 的孔 隙率、 水分 、 灰分 和挥 发分 。 李涛等[ 2 利用超声波对煤体结构类型进行辨识 ， 建 立 了超声波波速和衰减系数与煤体结构之间的量化 关 系模型 ， 并 以此模型为基础 建立 了超声 波和 B P 神经网络 的煤体结 构类型 的判识模 型。G． Ma v k o 等[ 3 1 提出将岩石介质 内部裂纹假设为椭圆形 ， 从 能 量 角 度认 为 干 燥 岩 石 中震 动 波 衰 减 由 2个 部 分 组 成 一部分是由裂纹面之间的滑动摩擦造成的衰减 ， 另一部分是岩石骨架衰减 这部分衰减用于解释施 加的围压足够 闭合所有裂 隙时衰减仍不 为 0的情 况 ， 无围压时可忽略该部分衰减 ， 最终采用摩擦耗 散 能量 化描 述 裂纹 面之 间滑 动造 成 的衰减 。徐 晓炼 等_ 4 ] 从不同方 向上研究 了煤体与岩石超声波参数 的 差异。肖晓春等 ] 的研究表 明， 有效应力逐渐增大 的情况下， 超声波作用能有效提高颗粒煤岩体系 的 渗透率 。流动效应是介 观尺度 大于孔隙尺度且小 于波长 下含孔隙流体介质 中震动波 1 ～1 0 0 0 Hz 衰减的主导机制[ 6 ] 。这些研究表 明， 利用超声波技 术可以对煤岩内部孔隙、 结构进行研究 ， 是本文实验 的理论 基础 。 本文对无烟煤和肥煤 2种不同煤体进行超声波 参 数分 析 ， 对 比分 析 了煤 体 在 无 应力 状态 下 的超 声 波参数特征 。分析结果 表明， 无烟煤 和肥煤 中超声 波 波速 、 衰减 系数 、 时 域 特 征 、 频 域 特 征 等参 数 的表 现特征有显著区别 ， 为采掘前煤炭品质和种类 的定 性提供了理论依据。 1 实验 方 法 1 ． 1试样 准备 实验选用 2种不同矿 区的煤样 ， 分别取 自三河 尖 S HJ 煤 矿 和 大安 山 DA S 煤 矿 ， 其 中大 安 山煤 矿的煤样为无烟煤 ， 三河尖煤矿 的煤样为肥煤 。根 据文献[ 7 ] 推荐的超声波实验标准 ， 采集的原煤经过 统一钻取 、 切割和打磨制成 j 2 『 5 0 mm5 0 mm 的圆 柱试样 。试样两端不平整度小于 0 ． 0 2 mm， 端面垂 直轴 线 ， 最 大 偏 差 不 大 于 0 ． 2 5 。 。最 后 加 工 完 成 的 试样如图 1所示 。实验试样的基本参数见表 1 。其 7 O 工 矿 自动化 2 0 1 8年 第 4 4卷 巾 ， M 表爪 水分 含量 ， A 表示 灰 分 含量 ， 表 示 挥 发分 含量 。 1 】 I AS试 样 罔 l 制 备 的 原 煤 试 样 The e xp e r i me n t a l s a mp l e o f pr oc es s e d c oa l 表 1 实验 试 样 的 基 本 参 数 I ’ l 1 。} ms i c p a r a me t e r s o f e xp er i me nt a l s a mpl e 1 ． 2 买验 系 统 超声 波往煤 体 中 的传播 实验采 用超 声 波实 验 系 统 完 成 ， 该 实验 系统 主要 包 括 超 声 波 激 发 和接 收 装 置 。 如图 2所示 。其 中 ， 超声 波激 发装 置采 用 AR B 一 】 4 1 0板 卡 ， 板 卡产 生 的高频 电压 通 过 导 线 传递 到 换 能 器 晶体 的 电极 板 上 ． 从 而激 励 压 电 品 体 以相 同 的 频 率做 弹性 振 动 。当换 能器 与相邻 介 质之 间耦 合接 触 时 ， 高频 弹性 振动 以振 动波 的形 式 、 以本 身 自有 的 特 性 在 同 体 介 质 中 传 递 。超 声 波 接 收 装 置 采 用 E x p r e s s 一 8多通 道 声 发 射 板 卡 ， 其 主 要 原理 是 利 用 卜 压 电效应 进行 丁作 ， 当超声 波作 用到 压 电晶体 时 ， 施 J J f J 的作用 力在 品体 的 相 应 界 面 J 产生 交 变 电荷 ， 陔 电荷经过 收 大器转 换 为 电压信 号后输 人声发 射接 收 通道 ， 最 终 南声发 射 采集 系统将 接 收 的 超声 波 信 号 转换 成 图像 信 息 。实 验 过 程 中 ， 首 先 对 每个 试 样 两 端涂 抹超 声 波实 验 用高 真 空 脂 ， 然后 将 P波 换 能器 贴合 到试 样两 端 并施加 一定 耦合 力后 即可 开 始 测 试 。超声 波 发 射 频 率 采 用 3 0 0 k Hz ， 发 射 幅值 采 用 1 5 0 V， 接 收 门槛 为 4 5 d B 。 I刳 2超 声 波 艾 验 系 统 Fi g． 2 Ul t r a s on i c t e s t s y s t e m 波速 的计算 采 用 传 播 到 时 法 ， 假 定 超 声 波 发射 时刻 为 t ， 接 收 时刻 为 t 。 试 样长 度 为 z ， 则 波速 的 汁算公 式 为 z ， 一 l ／ ， 2一 t 】 1 衰 减系 数 的计 算 采用 振 幅衰 减 法 ， 假 定 超 声 波 的发 射 幅值 为 A ， 接 收幅 值 为 A。 ， 则 衰减 系 数 a的 计算 公 式 为 口一～ E 2 0 1 g A ／ A， ] ／ l 2 2实验 结果 及分 析 2 ． 1 密度 与衰减 系数 的 测定及 分析 根据 式 1 和式 2 ， 测 试得 到 S HJ 试 样 和 D 八S 试 样 的波 速 和 衰 减 系 数 ， 分 别 见 表 2和表 3 。煤 样 的测距 基本 保 持一 致 。 表 2 S HJ试 样 的 波 速 和 衰 减 系 数 F a bl e 2 W av e v e l o c i t y a n d a t t e nua t i o n c o e ffi c i e nt of S HJ e x p e r i me n t a l s a mp l e s 试样 波速／ 衰减系数／ 试样 波速／ 衰减系数／ 编号 m s d Bm 1 编号 m s 1 d B m 0 A1 】6 5 5 ． 5 9 1 7 7 1 ． 9 8 A1 1 1 6 6 6 ． 3 2 l 7 4 3 ．5 8 A2 1 5 7 4 ． 3 7 1 6 1 5 ． 1 4 Al 4 l 6 1 1 ． 0 6 l 7 0 7． 2 8 A3 1 6 5 5 ． 3 9 1 6 4 3 ． 3 6 A l 6 2 2 2 6 ． 6 1 1 5 5 5． 4 4 A4 l 5 3 5 ． 9 l 1 6 l 2 ． 9 2 Al 7 1 9 4 4 ． 8 2 l 6 1 3 ． 2 6 A5 2 4 3 3 ． 6 7 l 6 8 0． 09 A 1 8 1 9 0 5 ．1 4 l 5 31 ． 2 7 A6 1 5 7 7 ． 8 3 l 7 7 8 ． 4 3 A2 0 9 4 2 ． 2 6 1 5 6 O ．7 6 A8 1 3 7 9 ． 5 5 1 5 7 2 ． 7 8 A2 2 2 2 5 3 ． 7 9 1 5 9 7 ．1 0 A9 l 5 0 6 ． 0 8 1 6 8 8 ． 9 9 对表 2 、 表 3中数据进 行 统 计分 析 显示 ， S HJ试 样 的波速 范 围 为 9 4 0 ～ 2 5 0 0 m／ s ， 衰 减 系数 范 围 为 1 5 0 0～ 2 0 0 0 d B ／ m； D AS 试 样 的 波 速 范 刚 为 1 4 0 0 ～ 4 5 0 0 m／ s ， 衰 减 系 数 范 围 为1 3 5 0～ 2 0 0 0 d B ／ m； D AS试样 的 波 速 平 均 值 2 6 0 9 m／ s 高 于 S HJ 试 样 的波 速 平 均 值 1 8 3 0 m／ s ， 其 衰 减 系数 平 均值 】 5 5 5 d B ／ s 低 于 S HJ 试 样 的衰 减系 数 平 均值 1 6 5 1 d B ／ m 。 一 一 一嚆 收 刺 mⅢ一 弓 】 堇 2 0 1 8年 第 1期 刘冠华 等 煤 体 中超 声波 参数 的 实验 研 究 表 3 D AS试样 的波速 和衰减 系数 Ta b l e 3 W a v e v e l o c i t y a n d a t t e n u a t i o n c o e f f i c i e n t o f DAS e x pe r i me n t a l s a mp l e 试样 波速 衰减 系数／ 试样 波速／ 衰减系数／ 编号 n 1 s d Bn l 编 号 ms 。 ‘ d B m Dl 2 61 0． 1 5 l 4 9 6 ． 5 2 D9 1 7 9 7 ． 0l l 5 7 2 ． 4 0 D2 3 5 2 2 ． 4 5 1 3 5 8 ． 7 2 D1 1 6 7 3 ． 5 3 1 5 7 5． 8 6 D3 2 7 3 2 ． 9 4 1 5 O 2 ． 8 9 D1 l 2 2 5 3 ． 4 5 1 7 03 ． 2 3 D4 2 6 4 7 ． 4 6 l 3 71 ． 8 8 D1 2 l 7 8 1 ． 3 4 1 4 9 2． 1 8 D5 2 4 9 3 ． 7 6 l 5 0 6 ． 5 8 Dl 3 2 3 04 ． 6 4 l 46 1 ． 2 2 D6 2 7 7 3 ． 5 2 1 6 l 8 ． 4 2 D1 4 2 2 5 1 ． 2 】 1 46 6． 9 5 D7 3 5 d 6 ．1 3 1 3 8 5 ． 8 8 Dl 5 3 2 1 5 ． 2 5 1 6 2 1 ． 1 1 D8 l 7 6 8 ． 1 7 1 5 7 2 ． 2 O 喜 i 一 1 0 i 9 7 6 8 8 l 9 7 6 9 0 l 9 7 6 9 2 1 9 7 6 9 4 l 9 7 6 9 6 1 9 7 6 9 8 时问／ s 喜 二 i 一 1 0 a S HJ 试 样 超 声 波 发 射 波 形 i 波速 一 般受 岩石 的孔 隙率 与含 水率 的 影 响】 。 】 。 当声 波在 介 质 中传 播 时 ， 遇 到空 隙 、 裂隙 时会 发生 绕 射现 象 。 导致 传播 能量 的损 耗 、 波速 的降 低 和传 播 时 间 的增 长 ． 同时 ， 声 波 在水 中的传 播 速度 低于煤 中传 播 速 度 。而 无 烟 煤 比肥 煤 有 更 低 的 空 隙 率 和 含 水 率 ， 故声波 波速 更 高 ， 衰减 系数更 小[ ”。 2 ． 2 超 声波 波形 时域特 征 当超声波在煤岩体中传播时 ， 其形态与试样 的 物 理特 性也 有关 系 ， 接 收 的超 声 波 信 号 会存 在 不 同 程 度 的拖 尾现象 。现将 每类试 样 巾具有 代 表性 的结 果列 出 ． 如 图 3 、 图 4所示 。每 个 波形 文 件 的 采样 频 率为 5 Mb i t ／ S ， 波形 窗 口长度 为 1 ． 0 2 4 ms 。 童 一1 0 9 7 6 8 8 l 9 7 6 9 0 1 9 7 6 9 2 l 9 ． 7 6 94 1 9 7 6 9 6 l 9 7 6 9 8 时间／ s 蚕 i 一 1 0 b S HJ试样 超 声 波 接 收 波 形 ■ 咐 n ■测 1 5． 77 0 9 1 5． 771 I 1 5． 7 71 3 1 5 77I 5 1 5． 7 71 7 1 5． 771 9 1 5 7 70 9 1 5 ．7 71 l 1 5． 771 3 1 5 ． 7 7l 5 I 5． 77l 7 1 5． 771 9 tf n l ／ s 时间／ s c DAS试样超声波发射波形 d DAS试样超声波接收波形 同 3 频率 为 i 0 0 k H z时的试样 超声波发射波形和接收 波形 Fi g． 3 Tr a ns mi t t e d a nd r e c e i v e d wa ve f or ms of u hr a s on i c of c oa l s a mpl e s a t f r e q ue n c y o f 1 0 0 kHz l 0 之 誊 一 1 0 3 6 6 2 7 8 3 6 ． 6 2 8 0 3 6 ．6 2 8 2 3 6 6 2 8 4 3 6 ．6 2 8 6 3 6 6 2 8 g 时 间／ s a S } t J试样超声波发射波形 l O 6 ， 一， 一 ； 一 l O 25 ． 薹 露 3 8 0 5 2 5 3 8 0 7 2 5 ． 3 8 0 9 2 5 3 8 1 l 2 5 3 8 1 3 2 5 3 8 l 5 时间／ s c D AS试 样超 声波发射波形 1 0 之 善 一1 0 3 6 6 2 7 8 3 6 6 2 8 0 3 6 6 2 8 2 3 6 6 2 8 4 3 6 6 2 8 6 3 6 6 2 8 8 时间／ s b S t t J试 样 超声 波 接 收 波形 1 0 之 一 1 0 一一 一 __ _ 2 5 3 80 5 25 38 O 7 25 3 8O 9 25 38l l 2 5． 3 8l 3 25 38l 5 时间／ s d DAS试样超声波接收波 形 图 4 频率为 2 0 0 k Hz 时的试样 超声波 发射波形和接收波形 F i g ． 4 Tr a n s m i t t e d a n d r e c e i v e d wa v e f o r ms o f u l t r a s o n i c o f c o a l s a mp l e s a t f r e q u e n c y o f 2 0 0 kHz 从 图 3可看 出 ， 当频率 为 1 0 0 k Hz 时 ， 随着 时 间 的变化 ， S HJ试 样 和 D AS试 样 的 波 形 整 体 长 度 均 明显增 大 ， 而且 几乎 不存 在杂 乱 的高频 尾波 ， 说 明在 其 内部 发 生 了不 同程 度 的 散射 现 象 ， 但 能 量 损 耗 不 明 显。S HJ试样 的波 形 长 度 仍然 大 于 D AS试 样 的 波 形长 度 ， 说 明 S H J试 样 中的 弹性 波 衰减 周期 要 大 于 D AS试样 的弹 性 波 周 期 ， 并 且 S HJ试 样 的 超 声 波经 历更 长时间 才 达 到 幅值 ， 这 是 由于 其 内部 发 生 了更 频繁 的绕 射现 象 ， 传播距 离 增加 ， 声 波通过 煤 体 的时 间增 长 引起 的 。 从 网 4可 看 出 ， 随着 频率 提 高 到 2 0 0 k Hz ， S HJ 试样 和 DA S试样 的 透 射波 形 尾 部 开始 出现 杂 乱 的 7 2 工矿 自动化 2 0 1 8年 第 4 4卷 高频尾波 ， 衰减周期均变短 。S H J高频尾波的时间 尺度和杂乱程度均远远大于 D AS试样 ， 这说明当频 率增 加时 ， 煤体 内部微 粒 的震 动更加 剧烈 ， 震 动速度 也加快 ， 声波的传播速度均增加 ， 声波穿过煤体的时 间缩 短 ， 因而二 者的 衰减周期 均缩 短 ， 但 粒子 间 因摩 擦 而消耗 的能量 增 加 ， 故 二者 的衰 减后 期 出现 了非 矩形波。此外 ， S HJ试样 的水分 等杂质较多 ， 当入 j型 罂 a S HJ 试样超声波发射波形 Fi g ．5 0 ．4 0 ．3 墨o ．2 0． 1 射波频率提高为 2 0 0 k Hz 时， 其内部声波的散射现 象更明显， 能量的多次分散导致透射出来 的尾波杂 乱 程度 更高 ， 波形长 度更 长 。 2 ． 3 超声 波波形 频域特 征 实验 测试 结果 中典 型的超 声波 频谱 如 图 5 、 图 6 所 示 。 1 ． 0 0 ． 8 之 0 ． 6 o t4 O 2 0 j 型 馨 1 ． 2 1 ． O O ． 8 0 ． 6 0 ． 4 0 2 O 0 0 5 1 ． 0 1 5 2 ． 0 2 ． 5 频率／ 1 0 Hz b S HJ 试样超声波接收波形 0 0 ．5 1 ．0 1 ．5 2 ． 0 2 ． 5 频率／ 1 0 Hz c D AS试样超声波发射 波形 d D AS试样超声波接收波形 图 5 频率为 2 0 0 k Hz时的试样超声波发射波形和接收波形频谱 S p e c t r u m o f t r a n s mi t t e d a n d r e c e i v e d wa v e f o r ms o f u l t r a s o n i c o f c o a l s a mp l e s a t f r e q u e n c y o f 2 0 0 kHz 0 0 5 1 0 1 ． 5 2 ． 0 2 ．5 频率／ l O z a S HJ试样超声波发射波形 c DA S试样超声波发射波形 芝 0 ‘ 3 之 2 颦1 0 0 ．5 1 0 1 ．5 2 ．0 2 ．5 频率／ 1 0 z b S HJ试样超声波接收波形 -_． 4 ．- 一 ▲ ． ． ． ． 0． 5 1 ． 0 1 ． 5 2． 0 2． 5 频率／ 1 0 z d D AS试样超声波接收波形 图 6频率为 3 0 0 k Hz 时的试样超声波发射波形和接收波形频谱 Fi g． 6 Spe c t r u m o f t r a ns mi t t e d a nd r e c e i ve d wa v e f o r ms of u l t r as o ni c o f c oa l s a m p l e s a t f r e q ue nc y o f 30 0 kHz 从图 5可看出， 当波形发射频率为 2 0 0 k Hz 时 ， 值 由0 ． 3 3 V增加到 1 ． 3 0 V， D As试样透射 波形 的 S HJ 试样和 DAS试样 中的透射波形均与对应的发 主频幅值由 0 ． 3 3 V增加到 2 ． 4 O V。在频率增加到 射波形频率成分相差较大 ， S HJ透射波形的主频 幅 2 0 0 k Hz以上时， 肥煤和无烟煤 透射波形 的主频幅 值 由 0 ． 5 1 V增加到 0 ． 9 0 V， D AS试样透射波形的 值会有突增 ， 可作为 2 种品质煤的判定依据之一 。 主频幅值由 0 ． 5 1 V增加到 1 ． 1 2 V。虽然透射波形 当波形频率和物质的固有频率相近或相同时， 主频仍在 2 0 0 k Hz左右 ， 但是主频附近有大量的其 会引起共振 ， 微粒以更大的振幅作振动， 故 2种试样 他相近频率波形 。 的透射波形整体均出现 了幅值 的增加。另外， 由于 从 图 6 可 看 出 ， 当波 形发射 频率 为 3 0 0 k Hz 时 ， 2 0 0 k Hz的入 射波 形 在 试 样 中 出现 了明 显 的 散射 ， S HJ 试样和 DAS试样 中的透射波形能量均较好地 故主频附近有其他