Difference between current and voltage measurements in resonant-column testing

Abstract:The resonant-column test is one of the most common procedures for dynamic characterization of soils (American Society for Testing and Materials standard). The test procedures require the measurement of the current flowing through the driving coils. In many cases, however, the input voltage has been measured and the results analyzed as a traditional current measurement. In this paper, the difference between current and voltage measurements is clarified; specifically, a new transfer function is presented for the analysis of data when the input voltage is measured. The new model is evaluated by testing three aluminum probes. Wave velocities computed from voltage and current measurements are similar; however, damping ratios are significantly overestimated if voltage-based measurements are analyzed with the standard procedures because the motion of the magnets induces an opposite voltage in the coils. Results from voltage and current measurements agree only if the new transfer function is used for the analysis of voltage data. Exploratory results for a dry-sand specimen, tested under different shear-strain levels (maximum shear strain γmax < 10–3), demonstrate the effect of nonlinear behaviour on current and voltage measurements. Current-based measurements are recommended because they do not require the evaluation of the complex impedance of the driving coils. Furthermore, current-based measurements are more precise, especially for the characterization of specimens that have low resonant frequencies.Key words: resonant-column testing, damping ratio, attenuation, mechanical waves, shear modulus, wave velocity.
L'essai à la colonne de résonnance est une des procédures les plus courantes pour la caractérisation dynamique des sols (norme American Society for Testing and Materials). Les procédures de l'essai requièrent la mesure du courant qui passe à travers les enroulements générateurs. Dans plusieurs cas cependant, le voltage d'entrée a été mesuré et les résultats analysés comme une mesure de courant traditionnel. Dans le présent article, la différence entre les mesures de courant et de voltage est clarifiée; spécifiquement, on présente une nouvelle fonction de transfert pour l'analyse des données lorsque le voltage d'entrée est mesuré. Le nouveau modèle est évalué en testant trois sondes d'aluminium. Les vitesses d'ondes calculées en partant des mesures de voltage et de courant sont similaires; cependant, les rapports d'amortissement sont appréciablement surévalués si les mesures basées sur le voltage sont analysées avec les procédures standard parce que le mouvement des aimants induit un voltage opposé dans les enroulements. Les résultats des mesures de courant et de voltage concordent seulement si la nouvelle fonction de transfert est utilisée pour l'analyse des données de voltage. Les résultats exploratoires pour un spécimen de sable sec testé sous différents niveaux de contrainte-déformation (γmax < 10–3), démontrent l'effet du comportement non linéaire sur les mesures de courant et de voltage. Les mesures basées sur le courant sont recommandables parce qu'elles ne requièrent pas l'évaluation de l'impédance complexe des enroulements générateurs. De plus, ces mesures de courant sont plus précises, spécialement pour la caractérisation de spécimens qui ont de faibles fréquences de résonnance.Mots clés : essai à la colonne de résonnance, rapport d'amortissement, atténuation, ondes mécaniques, module de cisaillement, vitesse d'onde.[Traduit par la Rédaction]