層狀材料波傳行為之研究

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姓名

王麒瑋(Chi-wei Wang) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

層狀材料波傳行為之研究
(The research of wave propagation in interlayer material)

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摘要(中)

岩石內部傳遞的超音波除了與組成礦物的彈性模數有關外，與岩石內部裂隙的分佈狀況也有相對關係。為利於層狀材料波速之量測，實有需要針對層狀材料之超音波波速變化加以研究。
本文模式根據Snell’s law，推導多相層狀試體之不同層厚比、波速比於不同角度之超音波波速預測模式。軟體方面使用Tomograph 2D，此程式以Fermat’s principle為基礎，利用離散的方法搜尋最小走時路徑，以此路徑與走時求得層狀材料之波速。本文模式與Tomograph 2D計算結果相當一致。本文模式為解析解，相對於軟體具有計算快速、層狀數量不受限制的優點。
為探討本文模式之正確性，本研究以壓克力、紙張和鋼片堆疊成不同層厚比之層狀試體，進行不同角度之超音波量測。試驗結果於θ=0度之波速為最高，相當接近波速最高材料之波速，且波速隨角度之增加而遞減，至θ=90度時波速達最小值。其餘角度波速可利用鏡射與對稱方式求得。試驗結果顯示與本文模式及Tomograph 2D計算結果相當一致。並以不同厚度之壓克力堆疊成不同界面間距之層狀試體，於相同接觸應力下，界面間距越小，波速異向性越明顯，隨著接觸壓力增加，層狀材料會逐漸趨於等向性。

摘要(英)

The ultrasonic transfer within the rock is not only related to the elastic modulus of mineral compostion, but also the cracks distribution of the rock. It is needed to study the change of P-wave velocity.
In this paper, predictions are all based on Snell’s law. This study derives different layer thickness ratio of multiphase layered models and different wave velocity ratio at different angle-prediction model. Tomograph 2D is used as computation program. It is based on Fermat’s principle using discrete way to search the minimum travel time path. Therefore, wave velocity is obtained by path and traveltime. The model found in this article is very consistence with the result from Tomograph 2D. Analytical solution is found and its advantages are quick computation and unrestricted by the number of the layers.
In order to examine the accuracy of the model, the acrylics, papers and steels are applied to stack into interlayer model of the different layer thickness ratio. In addition the P-wave velocity at different angles is measured. The results showed that the P-wave velocity was fastest at θ=0°, quite close to the velocity of the material which has maximum. The minimum of the P-wave velocity appeared at θ=90°. The velocity at other angles can be obtained from mirroring and symmetric ways. As a result, under the same contact force, the less the layer spacing, the more obvious the velocity anisotropy. With the increasing of contact force, the interlayer material will become more like isotropic material.

關鍵字(中)

★ 層狀材料
★ 超音波波速
★ Snell's law

關鍵字(英)

★ interlayer material
★ P-wave velocity
★ Snell's law

論文目次

摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VIII
表目錄 XIX
符號表 XXIII
第一章緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究方法 1
1.3 論文架構 2
1.4 論文流程圖 3
第二章文獻回顧 4
2.1 異向性 4
2.1.1 定義 4
2.1.2 成因 4
2.1.3 異向性材料之力學行為 5
2.1.4 橫向等向性材料之力學行為 8
2.2 超音波性質概述 10
2.2.1 超音波之基本傳播原理 10
2.2.2 超音波種類 10
2.2.3 音波之傳送特性 14
2.2.4 超音波的產生與接收 19
2.2.5 超音波波速量測方法 20
2.3岩石與超音波波速相關性質 22
2.4 橫向等向性材料與超音波之相關研究 33
第三章實驗規劃 45
3.1 試驗材料 45
3.2 試驗儀器 47
3.2.1 超音波探測儀 47
3.2.2 材料試驗機系統 48
3.3 試驗步驟 50
3.3.1 層狀材料超音波波速量測 50
3.3.2 量測角度θ=0度之試驗 55
3.3.3 不同界面間距試體受壓後之波速量測 58
3.4 超音波波速量測 60
3.4.1 超音波儀器之精度 60
3.4.2 接觸應力之波速變化 62
3.4.3 量測之對稱性 78
3.4.4 不同界面間距(spacing)受壓後之波速變化 79
3.5 試驗變數 96
3.5.1 量測角度 96
3.5.2 層厚比 97
3.6 軟體分析 100
3.6.1 Tomograph 2D 100
3.6.2 軟體分析計算流程 101
第四章理論推導 103
4.1 Tomograph 2D 運算理論 103
4.2 本文模式推導 108
4.2.1 層狀材料之波速預測 108
4.2.2 多相材料堆疊成的層狀材料之波速預測 117
4.3 Tomograph 2D 與本文模式之比較 120
4.4 參數研究 130
第五章試驗結果與討論 139
5.1 量測結果與本文模式比較 139
5.1.1 量測結果 139
5.1.2 量測結果與模式比較 145
5.2 量測角度θ= 0度之波傳行為 162
第六章異向性岩石之超音波波速 180
6.1 岩石波速量測結果 180
6.2 本文模式與天然岩石之比較 184
第七章結論與建議 188
7.1 結論 188
7.2 建議 190
參考文獻 191
附錄A 195
附錄B 197

參考文獻

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指導教授

田永銘(Yong-min Tien)

審核日期

2009-7-23

推文