本发明涉及地球物理和超声检测技术领域，具体地涉及一种非均质测试装置及测试方法。
背景技术：
目前，对于非均质样品的实验室测试多数是利用纵波在不同的位置进行测试，给出统计的分析结果，但是，由于纵波的偏振方向与传播方向一致，所得结果仅与位置有关，而与方向的关系难以分析。
另外，在能源勘探中，由于样品来源于地下较深的位置，取样困难因此得到的样品尺寸较小，导致利用纵波测试过程中，不利于纵波在一定的面积范围内测试，进而很难得到样品的非均质性。
技术实现要素：
本发明的目的是为了提供一种适于观测不同尺寸样品的非均质大小和方位的非均质测试装置及测试方法。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种非均质测试装置，包括：
两个横波换能器，两个所述横波换能器相对设置在样品的两端面；
角度固定器，所述角度固定器设置为用于测量所述样品与所述横波换能器之间的相对旋转角度；以及
超声波发射接收仪和示波器，两个所述横波换能器中的一者与所述超声波发射接收仪相连，两个所述横波换能器中的另一者与所述示波器相连，以利用所述示波器测量横波的传播时间和振幅。
可选地，所述角度固定器设置在所述样品端面上，所述角度固定器的中部设有能够穿过所述横波换能器的通孔。
可选地，所述角度固定器沿周向方向上均匀设有刻度。
可选地，所述横波换能器具有偏振方向，两个所述横波换能器的偏振方向一致；和/或
所述示波器为数字示波器。
可选地，所述横波换能器的频率主频范围为0.5-1mhz。
本发明第二方面提供一种非均质测试方法，所述非均质测试方法采用上述任意方案所述的非均质测试装置进行测试，所述测试方法包括如下步骤：
s1、将两个所述横波换能器相对放置在所述样品的两端面上，两个所述横波换能器中的一者与所述超声波发射接收仪相连，两个所述横波换能器中的另一者与所述示波器相连；
s2、通过旋转所述横波换能器和所述样品中的一者，实现所述横波换能器和所述样品之间的相对旋转，在每次旋转后利用所述示波器测量横波的传播时间和振幅。
可选地，所述步骤s2包括通过所述角度固定器的测量实现所述横波换能器和所述样品之间等偏振角步进方式的相对旋转，利用所述示波器测量每个偏振角的横波的传播时间和振幅。
可选地，在所述步骤s2中，以所述横波换能器的偏振方向为基准，在所述样品上标定参考方向，相对旋转后所述偏振方向或所述参考方向在所述角度固定器上经过的角度为偏振角；和/或
所述步骤s2包括将所述横波换能器相对所述样品以等偏振角步进方式旋转一周。
可选地，在所述步骤s1中，所述横波换能器与所述样品之间通过蜂蜜横波耦合剂耦合在一起。
可选地，所述样品为方形；或者
所述样品为圆柱形，所述圆柱形样品的端部套设有连接套，所述连接套沿周向方向上设有刻度以形成所述角度固定器。
通过上述技术方案，本发明的非均质测试装置能够利用横波偏振特性在相同的测试点观测样品的非均质特性，具体来说，通过两个横波换能器利用同轴垂直透射测试法，在同一测试位置以等偏振角度实现横波换能器和样品的相对旋转，记录测量每个偏振角上的横波波形、走时和振幅，绘出波形、走时和振幅随偏振角的关系图，适于观测不同尺寸样品的非均质大小和方位。
附图说明
图1是本发明一种实施方式所述的非均质测试装置测试方形样品时的结构示意图；
图2是本发明一种实施方式所述的非均质测试装置测试圆柱形样品时的结构示意图；
图3是图2的非均质测试装置中连接套的结构示意图；
图4是随偏振角变化的横波测试波形记录图；
图5是随偏振角变化的横波波形振幅的玫瑰图。
附图标记说明
1—横波换能器、2—样品、3—角度固定器、4—连接套、5—超声波发射接收仪、6—示波器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
结合图1-5，根据本发明的一个方面，提供一种非均质测试装置，包括：
两个横波换能器1，两个所述横波换能器1相对设置在样品2的两端面；
角度固定器3，所述角度固定器3设置为用于测量所述样品2与所述横波换能器1之间的相对旋转角度；以及
超声波发射接收仪5和示波器6，两个所述横波换能器1中的一者与所述超声波发射接收仪5相连，两个所述横波换能器1中的另一者与所述示波器6相连，以利用所述示波器6测量横波的传播时间和振幅。
其中，两个横波换能器1分别作为发射和接收换能器。测试过程中，超声波发射接收仪5发射脉冲信号，经过发射换能器、样品2传播后被接收换能器接收并输出信号到示波器6，从而确定横波的传播时间和振幅，以用于观测样品的非均质特性。进一步地，利用角度固定器3的测量实现样品2和横波换能器1之间等偏振角度的相对旋转，并在每次旋转后进行上述测量，由此获得样品的相同的测试点、不同方位横波振幅和走时的值。需要说明的是，本实施方式中，所述示波器6为数字示波器。
由于，在固体介质中横波的振动(偏振)方向与传播方向垂直。在非均质样品中，即使在相同的测试点也将由于样品的特性变化影响横波的振动特征，由此可利用横波的偏振特征分析样品的一些非均质特性。本发明正是通过上述技术方案和原理，提供一种非均质测试装置，利用横波偏振特性在相同的测试点观测样品的非均质特性。具体来说，通过两个横波换能器实现同轴垂直透射测试法，在同一测试位置以等偏振角度实现横波换能器和样品的相对旋转，记录测量每个偏振角上的横波波形、走时和振幅，绘出波形、走时和振幅随偏振角的关系图，适于观测不同尺寸样品的非均质大小和方位。
需要说明的是，测量过程中实现样品2和横波换能器1的相对旋转即可，换言之，可以选择旋转样品2，或者也可以选择同步旋转两个横波换能器1。为方便角度固定器3的测量，所述角度固定器3设置在所述样品2端面上，所述角度固定器3的中部设有能够穿过所述横波换能器1的通孔。当然，角度固定器3可以固定在横波换能器1上，也可以固定在样品2上，只要满足能够测量样品2与横波换能器1之间的相对旋转角度即可，以实现正确标定横波速度与振幅的非均质方向变化。
但是，为了对样品2同一测试点不同方位进行测试，无论旋转样品2还是横波换能器1，均需保证旋转一周，且每次旋转角度相同，即实现等偏振角旋转。进而，所述角度固定器3需沿周向方向上均匀设有刻度。具体来说，角度固定器3的测量范围为0°-360°，相当于将两个半圆的量角器相对设置。
可以理解地，所述横波换能器1具有偏振方向，为保证测量的精准，两个所述横波换能器1的偏振方向一致。测试过程中，在样品2上标定参考方向，初始状态下，可以将样品2的参考方向与横波换能器1的偏振方向对齐，同时角度固定器3的0°刻度线也与样品2的参考方向对齐，需要说明的是，相对旋转后参考方向或偏振方向在所述角度固定器上经过的角度即为偏振角，随后可采用以下两种方式实现样品2和横波换能器1之间的等偏振角相对旋转：(1)将角度固定器3与样品2固定在一起，此时旋转样品2或横波换能器1，通过观测横波换能器1的偏振方向在角度固定器3上的刻度确定单次旋转的角度，从而在下次旋转过程中，以上次旋转后的位置为基准，继续旋转同等偏振角，即保证每次旋转后偏振方向在角度固定器3上经过的角度相同，直至旋转一周，测量每次旋转后，即每个偏振角的横波波形、走时和振幅；(2)将角度固定器3与横波换能器1固定在一起，此时旋转样品2或横波换能器1，通过观测样品2的参考方向在角度固定器3上的刻度确定单次旋转的角度，从而在下次旋转过程中，以上次旋转后的位置为基准，继续旋转同等偏振角，直至旋转一周，测量每个偏振角的横波波形、走时和振幅。
在本实施方式中，所述横波换能器1的频率主频范围为0.5-1mhz，由此，利用相对较高频率易于测量样品的非均质特性，保证测试的准确性和全面性。此外，横波换能器1的辐射直径可根据样品2大小设置为15-25mm，同时由于小尺寸样品的波形较多，不易分别测量波形，因此，为便于观察测量波形，需保证横波换能器1的波形在三个周期内。
本发明第二方面提供一种非均质测试方法，所述非均质测试方法采用上述任意方案所述的非均质测试装置进行测试，所述测试方法包括如下步骤：
s1、将两个所述横波换能器1相对放置在所述样品2的两端面上，两个所述横波换能器1中的一者与所述超声波发射接收仪5相连，两个所述横波换能器1中的另一者与所述示波器6相连；
s2、通过旋转所述横波换能器1和所述样品2中的一者，实现所述横波换能器1和所述样品2之间的相对旋转，在每次旋转后利用所述示波器6测量横波的传播时间和振幅。
该测试方法通过采用上述非均质测试装置来完成，因此具有上述非均质测试装置的全部优点。测试过程中，超声波发射接收仪5发射脉冲信号，经过发射换能器、样品2传播后被接收换能器接收并输出信号到示波器6，从而确定横波的传播时间和振幅，以便于观测样品的非均质特性。并且，测试过程中需不断旋转所述横波换能器1和所述样品2中的一者，获得每次旋转角度上的横波波形、走时和振幅，测量结果如图4和图5所示。
进一步地，所述步骤s2包括通过所述角度固定器3的测量实现所述横波换能器1和所述样品2之间等偏振角步进方式的相对旋转，利用所述示波器6测量每个偏振角的横波的传播时间和振幅。在本实施方式中，等偏振角为2°或5°等，举例来说，将样品2或横波换能器1以等角度5°步进旋转一周，即每次旋转5°，每旋转一次记录一次波形，并测试横波传播时间和振幅，获得不同方位横波振幅和走时的值。
为便于实现上述等角度旋转，在所述步骤s2中，以所述横波换能器1的偏振方向为基准，在所述样品2上标定参考方向，相对旋转后所述偏振方向或所述参考方向在所述角度固定器3上经过的角度为偏振角，在横波换能器1的偏振方向与样品2参考方向重合开始测试，将所述横波换能器1相对所述样品2以等偏振角步进方式旋转一周，换言之，将样品2和横波换能器1中的一者相对于另一者等角度步进旋转一周来完成上述非均质测试。
在所述步骤s1中，取两个具有明显偏振特征、且频率和辐射面大小基本一致的横波换能器1，保证两个所述横波换能器1具有相同的性能参数，换言之，两个换能器都具有良好的偏振特性，在均匀各向同性样品得到的振幅偏振曲线与理论值一致，以保证测试结果的准确性。此外，两个所述横波换能器1辐射面在同一轴线上均垂直于横波传播方向，即与横波传播方向的声轴垂直。
测试过程中，需保证样品2两端面的平行和平整，所述横波换能器1与所述样品2之间通过蜂蜜横波耦合剂耦合在一起。通过蜂蜜横波耦合剂的使用，既能够方便横波换能器1和样品2之间的相对旋转，又能够保证上述旋转过程中，横波换能器1和样品2之间的耦合接触，便于横波的传播。其中，蜂蜜横波耦合剂可以在市面上购买到。使用过程中，将蜂蜜横波耦合剂均匀涂抹在横波换能器1和样品2的表面上，从而能够对横波换能器1的轴线上施加一个恒定力，恒定力大小依据蜂蜜横波耦合剂的粘度决定，且需保证该恒定力不影响横波换能器1或样品2的转动，具体而言恒定力一般为3-5kg。
本发明的非均质测试装置和测试方法适用于对任意形状的样品2进行测试，具体地，样品2可以为方形或者圆柱形；同时，由于本发明利用横波进行测试，因此对样品2的尺寸大小不作特殊限制，适用于任意大小尺寸样品的非均质测试。作为其中的一种实施方式，为适用于小尺寸样品的测试，提高测试的通用性，当所述样品2为圆柱形，所述圆柱形样品的端部套设有连接套4，所述连接套4沿周向方向上设有刻度以形成所述角度固定器。连接套4可以固定在样品2或横波换能器1上，优选为，连接套4与样品2固定在一起，通过等偏振角步进式缓慢旋转样品2一周，利用示波器6测量每个偏振角上的横波波形、走时和振幅，同时可通过计算获得速度的非均质性，以观测样品2的非均质大小和方位。
本发明的非均质测试方法具体步骤如下：
s1、将两个偏振方向相同的所述横波换能器1相对放置在所述样品2的两端面上，保证横波换能器1辐射面均垂直于横波传播方向且两个横波换能器1在同一轴线上，确定横波换能器1的偏振方向和样品2的参考方向，确保整个测试过程中，横波换能器1与样品2间无横向滑移；
将两个所述横波换能器1中的一者与所述超声波发射接收仪5相连，两个所述横波换能器1中的另一者与所述示波器6相连；
横波换能器1与样品2之间通过蜂蜜横波耦合剂耦合在一起，通过缓慢左右旋转样品2使得横波换能器1与样品2间充分耦合，观测波形记录相同偏振角多次测试波形基本一致，即可开始后续测试；
s2、将横波换能器1的偏振方向与样品2参考方向重合后开始测试，将样品2或横波换能器1以等角度步进旋转一周，利用角度固定器3确保上述等角度旋转，每旋转一个角度记录一次波形，并测试横波传播时间和振幅，获得不同方位横波振幅和走时的值，绘制随偏振角变化的横波测试波形记录图和振幅玫瑰图，如图4和图5所示，完成样品2的非均质特性测试。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。