剪力波元件試驗（ Bender Element Test ）

土壤中剪力波速的傳送與接收室內試驗早期由美國德州大學

（University of Texas at Austin）所發明，乃利用剪力片（Shear Plate）（Shirley,

1978）進行試驗，以石英或壓電水晶為主要元件，然而，拜現代科技之賜，

目前以壓電陶瓷材料所組成之剪力波元件（Bender Element）逐漸取代剪力 片，所以目前關於剪力波速室內量測方法多採用一組剪力波元件（Bender Element）進行剪力波速的量測；壓電陶瓷可分為串聯與並聯兩種連接方 式，不同的連接方式會有不同的壓電特性，串聯時機械能轉換為電能之功 率是並聯的兩倍；反之，並聯時電能轉換為機械能的功率是串聯的兩倍，

故利用壓電陶瓷剪力波元件量測剪力波速時，一端以函數產生器激發剪力 波，另一端接收剪力波並由示波器上判斷剪力波初達時間，便可推算剪力 波速，詳細試驗方法將於第四章中說明。剪力波元件試驗最大的剪應變約 等於於或小於 10^-3%（Dyvik and Madshus, 1985），因此試驗在微應變下便可

剪力波試驗結果如圖 2-1所示，由剪力波元件試驗資料判斷初達時間

Dyvik and Madshus (1985) 指出剪力波元件發射端及接收端應平行正 對排列，接收端方能激發較大之應變振幅能量，使得輸出訊號較大。

2.2.1.2 激發能量之選擇

壓電陶瓷在製造的過程經過極化（poling）的步驟，極化電壓的大小及 方向便決定壓電材料之特性，因此Viggiani and Atkinson (1995) 指出土壤剪 力波元件試驗所使用之激發電壓單一振幅不宜超過壓電材料之極化電壓，

否則將會重新極化壓電材料而改變其特性。一般而言，土壤剪力波試驗所

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使用之壓電材料極化電壓以 10 伏特主，故本試驗採用之激發電壓為 10 伏 特。

2.2.1.3 激發型式之選擇及波傳時間之判斷

室內進行剪力波元件試驗一般多採用單一週期波形作為激發型式，激 發型式一般有兩種選擇，一為方波，另一者為正弦波，其波傳時間之判斷 亦不相同。

由於壓縮波速度大於剪力波，因此會發生在剪力波之前，並且干擾實 際剪力波波形，此現象稱之為鄰域效應。

如圖 2-3中，點0 至點 1 之間初始軌跡會有偏離的現象（及解釋臨域 效應所造成），而後波形隨之上揚點才是剪力波到達時間，因此常常造成到 達時間的誤判

發射波為方波時，波傳時間之判定，是由輸入示波器觸發頻道之激發 波形起始點與接收頻道接收波形反轉點之時間差，Abbiss (1981) 認為剪力 波到達的時間，應以接收波形之第一反折點為基準，由於方波為正弦波與 餘弦波不同頻率之組合，會使接收波形的反轉點受到鄰域效應影響，即使 採用高頻波，鄰域效應亦會一直存在。

效應的影響。

Kawaguchi et al.（2001）以不同試體長度（0.65cm 及 2.76cm）進行試 驗，接收波形如圖2-4(a)所示，圖上A、B、C 及 D 點為不同判斷時間到達 點，由圖 2-4(b)可了解若以C 點判斷為時間到達點，則試體由波速所換算 的剪力模數不會受到試體長度的影響。

基於上述的說明，因此本試驗以單一週期正弦波作為激發波形，並以 圖 2-4(a)中C 點判斷為剪力波到達時間點。

2.2.1.4 激發頻率之選擇

Dyvik and Madshus（1985）提出剪力波激發頻率的改變會影響接收波

形之振幅大小，當剪力波元件激發頻率與土壤達到共振時，接收波形會產 生最大振幅，此時的激發頻率可視為最佳激發頻率，但因為試驗土樣、試 體條件狀況不同，故試驗時必須不斷的調整激發頻率，以得到土壤試體之 最佳激發頻率。

根據 Mancuso and Vinale (1988) 之研究指出彈性波在彈性介質內傳遞 時，當發射端與接收端的距離介於 1/4~4 個波長(λ)時，鄰域效應將會遮蔽 剪力波的到達，影響時間的判斷，因此激發波長應避免落在該區間內。由

f V_S

λ = 便可估算激發頻率，再如前所述，視不同試體條件調整至最佳激發 頻率。

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Dyvik 與 Madshus（1985）建議剪力波元件之發射波宜使用5~100Hz 之方波，而 Viggiani 與 Atkinson（1995）建議若使用正弦波時，頻率應介 於 1kHz~10kHz 之間，均可避開鄰域效應。