巖石超聲波檢測技術是以彈性波在巖石中的傳播理論為基礎，采用人工激振的方式向巖石發射脈沖超聲波，通過聲波穿過巖石后的變化，間接了解巖石的物理特性及結構特征 。常見的超聲波檢測方法有透射法和反射法 ，超聲波透射法是利用對超聲透射波的檢測來判定超聲傳播路徑中的缺陷；超聲波反射法是通過觀察來自內部缺陷損傷或試件底部的反射波形情況，來實現試件缺陷埋藏深度、性質及大小的檢測。在超聲波測試過程中，選擇合適的耦合劑以及正確使用耦合劑對超聲波信號測試結果的準確性至關重要。不同耦合劑產生的效果不同，如果采用的耦合劑不恰當，會導致接收不到信號或接收信號誤差大，直接影響測試結果的真實性。針對不同的研究對象，國內外學者們對超聲波測試采用的耦合劑適用性進行了相關研究。涂忠仁、吳剛、朱合華等 將白凡士林作為耦合劑涂抹在探頭上，對大理巖、致密板巖、花崗片麻巖、黑云母片麻巖進行超聲波試驗，測試巖石超聲波波速等聲學參數；李廣波、Lakes、Kevin等 分別以水為耦合劑對鋼和有機玻璃、人骨、大型公共基礎設施進行超聲波無損檢測；曲恒磊 采用以水為耦合劑的非接觸水浸法對強韌鈦合金棒材超聲波無損檢測的主要影響因素進行了分析；于文勇等 在木材檢測中發現，如用厚度<0．25 mm類橡皮物的軟橡膠代替隔離劑，檢測結果好于用白凡士林作耦合劑時的效果。以上研究結果表明：(1)部分巖石、金屬、有機玻璃、木材等材料具有結構致密，界面規整度高的特點，常采用白凡士林、蜂蜜、水、軟橡膠(聚異戊二烯)作為耦合劑；(2)在進行超聲波測試過程中，同一種物質采用不同的耦合劑測試，結果會存在差異性；(3)以往研究在巖石超聲波測試中主要采用波速反映固體介質的物理特性和結構特征。

    煤體是一種特殊的沉積巖，其表面微小孔隙雜多，內部存在大量Grifith裂隙，相對變質巖、火成巖、金屬以及有機材料而言，其端面不規整。為了準確地測試煤體超聲波聲學參數，需選擇合適的耦合劑，使煤樣在超聲波測試過程中聲能損失小，探頭接收的信號強。

    基于此，實驗以無煙煤為研究對象，采用脈沖透射法，在無耦合劑和采用軟橡膠、水、白凡士林以及蜂蜜為耦合劑條件下對煤樣進行超聲波的相關參數(縱波波速、首波幅值)測試，分析超聲波衰減系數，期望找到一種適合于煤樣超聲波信號測試的耦合劑，提高其測試的準確性。

 

    1 耦合劑的性能要求

    在超聲檢測時，探頭與被測物體表面之間的空氣將阻礙超聲波傳人物體，為獲得更精確的檢測結果，需要液體傳導介質連接探頭與被測物體表面，這種介質就是耦合劑，又稱導聲膠。一般情況下，它是一種水溶性高分子膠體，具有無腐蝕、毒性或危害，不易燃燒或污染，檢測結束后易于擦除的特性。超聲耦合劑的作用可歸納為3點：(1)充填探頭與被測物體接觸面之間的微小孔隙，避免孔隙間的微量空氣影響超聲波的透射；(2)耦合劑的“過渡”作用，減小探頭與被測物體之問的聲阻抗差，使在此界面的反射聲能損失��；(3)耦合劑的“光滑”作用，減小探頭與被測物體之間的摩擦作用，使得換能器在被檢物表面易于移動。

    1．1 耦合劑黏度

    耦合劑黏度決定其在超聲檢測過程中的潤滑性能，是考察耦合劑穩定性的重要指標。對耦合劑黏度的性能要求是，可滿足易涂展又不會隨意流淌。實踐表明 ，當在光滑材料表面使用時，可以使用低黏度的耦合劑；當耦合劑在粗糙表面、垂直表面及頂表面使用時，應使用黏度高的耦合劑，耦合劑不會很快從表面溢流。不同耦合劑的黏度值如表1所示。

 

    由表l可知，不同耦合劑的黏度大小依次是蜂蜜、白凡士林、水、無耦合劑、軟橡膠。

 

    1．2 耦合劑聲阻抗

    聲波阻抗是指聲波傳導時介質位移需要克服的阻力，代表能量在傳播過程中的損耗。超聲波在介質中傳播時，在所遇到的每個聲波阻抗面上都會發生反射和透射現象，反射波的強度取決于兩種介質聲波阻抗的差異。因此，無論煤樣和探頭之間是否存在耦合劑，都會發生反射現象。介質的聲波阻抗在數值上等于介質聲速和密度P的乘積，即Z=pV。對于同一測試面，耦合劑聲阻抗值越大，耦合效果越好。不同耦合劑的聲阻抗值如表2所示。

 

    由表2可知，在不同耦合條件下，耦合效果由好至差依次為蜂蜜、白凡士林、水、軟橡膠、無耦合劑。在無耦合劑條件下，煤樣端面和探頭之間存在大量空氣，形成強烈反射，阻抗值最小，衰減最明顯。

    

    2 不同耦合劑對煤樣超聲波影響的實驗研究

    2．1 煤樣制備

    實驗以河南能源化工集團焦煤公司趙固二礦二．煤層的無煙煤為研究對象。為保持煤樣的原有狀態，取樣時嚴格按照國家標準將大煤塊從井下采樣地點運至實驗室。利用煤樣鉆取機和切磨機將原煤煤塊制成Φ50 mm×長100 mm 的圓柱形試樣。由于所測超聲波數據是否精確與煤樣尺寸有直接關系，因此，對制樣要求較高。在制備時需要注意幾點：沿煤樣整個高度的直徑誤差不超過0．1 mm；煤樣各面平整，周邊均勻分布的四點和中心點處的高度差最大不超過0．02 mm；煤樣端面應垂直軸線，其最大偏差不超過0．25 ，原煤煤樣實物如圖1所示。

     2．2 煤樣超聲波傳播規律實驗方法

    根據《巖樣聲波特性的實驗室測量規范》(SY／T6351—2012)的相關內容，實驗采用超聲波脈沖透射法對煤樣進行超聲波測試，儀器為智超聲P．S綜合測試儀，在常溫常壓下進行，激勵電壓為1 000 V。選用換能器發射頻率為50 kHz，讀取時間精度為0．062 5 μs。測量煤樣長度 和超聲波透過煤樣所用時間 其關系式如式(1)，測試方法如圖2所示，測試時保證探頭中心點與煤樣端面中心軸線保持水平，探頭與煤樣端面長期穩定接觸。

   式中： 為超聲波波速，m／s；L為測試煤樣的長度，m；T為超聲波傳播時間，s。

     2．3 耦合劑對超聲波縱波波速和首波幅值測試影響

     實驗分別采用軟橡膠、水、白凡士林、蜂蜜為耦合劑對煤樣進行測試，并與無耦合劑進行對比，分析耦合效果。在不同耦合劑條件下，測試了煤樣的超聲波縱波波速和首波幅值，測試波形如圖3所示，測試數據如表3所示。

    由表3可知，相對于無耦合劑測試結果，軟橡膠波速變化率為2．133％ ，首波幅值變化率為50％ ；水的波速變化率為20．32％ ，首波幅值變化率為258％ ；白凡士林波速變化率為26．24％ ，首波幅值變化率為1 025％ ；蜂蜜波速變化率為50．95％ ，首波幅值變化率為2 067％ 。綜上所述，煤樣在不同耦合劑測試條件下，波速和首波幅值大小依次是蜂蜜、白凡士林、水、軟橡膠、無耦合劑。

    通過數字示波器，測得首波幅值U(x)，根據式(2) ，進行首波幅值擬合可求得超聲波衰減系數ɑ。

 

 

     式中：U (x)為位置x 處的首波幅值；U。為 x=0時的波幅；ɑ為波幅衰減系數。

     式(2)表示超聲波在煤巖樣品中傳播時，首波幅值呈指數衰減。由式(2)推導可得

 (1．河南理工大學安全科學與工程學院，河南焦作454000；2．河南省瓦斯地質與瓦斯治理重點實驗室(省部共建國家重點實驗室培育基地)，河南焦作454000；3．中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037；4．重慶安全技術職業學院，重慶萬州404020)