專利名稱：地表聲阻抗率測(cè)量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及物探技術(shù)領(lǐng)域，尤其是聲波探測(cè)非金屬地雷研究中的地表聲阻抗率測(cè)量裝置及方法。
背景技術(shù)：
塑料等非金屬地雷的安全、可靠探測(cè)一直是國(guó)際排雷事業(yè)亟待解決的瓶頸問(wèn)題。 常用的金屬探測(cè)器因是基于電磁感應(yīng)原理只能探測(cè)金屬地雷，對(duì)金屬含量很少的塑料等非金屬地雷探測(cè)效果較差。對(duì)于紅外、探地雷達(dá)、X射線等成像技術(shù)，在探測(cè)機(jī)理上難以辨別埋藏物是否為地雷；對(duì)于非成像技術(shù)，如中子分析，它通過(guò)檢測(cè)炸藥的化學(xué)特性具有較強(qiáng)的地雷鑒別能力，但系統(tǒng)特別復(fù)雜、檢測(cè)信號(hào)過(guò)于微弱，尚處于應(yīng)用可行性論證階段?；诼?地震耦合原理的聲波探測(cè)技術(shù)具有潛在的應(yīng)用前景，但缺少聲波探雷模型研究的商用實(shí)驗(yàn)研究裝置。聲-地震耦合是指當(dāng)頻率在IKHz以下的低頻聲波由空氣入射到地表時(shí)，形成快縱波、慢縱波和橫波等多種成分的地震波；相應(yīng)地，地表聲壓與耦合的地表振動(dòng)速度的比值稱為地表聲阻抗率。當(dāng)耦合的地震波遇到地雷時(shí)會(huì)發(fā)生反射或散射現(xiàn)象而回到地表，并改變地表的振動(dòng)速度，進(jìn)而改變地表聲阻抗率的大小。因此，通過(guò)檢測(cè)地表聲阻抗率的變化異常情況，可用于非金屬地雷探測(cè)方面的研究，但目前尚無(wú)專用的地表聲阻抗率測(cè)量裝置。一個(gè)典型的地表聲阻抗率測(cè)量裝置應(yīng)包括聲波發(fā)射系統(tǒng)和地表振動(dòng)速度檢測(cè)系統(tǒng)，而目前的聲發(fā)射系統(tǒng)不能直接測(cè)量地表聲壓的變化曲線，地表振動(dòng)速度檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)效率較低，不能同時(shí)檢測(cè)地表多個(gè)位置的振動(dòng)情況，本發(fā)明正是針對(duì)這一關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行展開(kāi)的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服目前尚無(wú)專用的聲-地震耦合機(jī)理研究的測(cè)量裝置等方面的問(wèn)題，提供一種地表聲阻抗率的檢測(cè)裝置和檢測(cè)方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)地表聲阻抗率的高精度、快速測(cè)量。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種地表聲阻抗率測(cè)量裝置，包括信號(hào)發(fā)生器、調(diào)音臺(tái)、功率放大器、揚(yáng)聲器和計(jì)算機(jī)， 其特征是所述信號(hào)發(fā)生器、調(diào)音臺(tái)、功率放大器和揚(yáng)聲器依次通過(guò)導(dǎo)線連接構(gòu)成聲波發(fā)射系統(tǒng)，由一個(gè)聲級(jí)計(jì)和所述計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線連接構(gòu)成聲壓級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)，由一個(gè)地震檢波器陣列經(jīng)一個(gè)多通道數(shù)據(jù)采集單元與計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線連接構(gòu)成地表振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。一種地表聲阻抗率測(cè)量方法，采用上述裝置來(lái)測(cè)量檢測(cè)計(jì)算地表聲阻抗率中所需地表聲壓級(jí)幅頻特性曲線，其特征在于測(cè)量步驟如下
(1)使揚(yáng)聲器發(fā)聲端口正對(duì)待測(cè)地表位置；
(2)把聲級(jí)計(jì)放于待測(cè)地表位置上和揚(yáng)聲器發(fā)聲端口的正下方；
(3)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出頻率為的起始正弦波信號(hào)，依次通過(guò)調(diào)音臺(tái)和功率放大器放大后由揚(yáng)聲器發(fā)出高強(qiáng)度正弦聲波；
(4)聲級(jí)計(jì)測(cè)量待測(cè)地表位置的聲壓級(jí)，并由計(jì)算機(jī)記錄；
(5)使信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的正弦聲波信號(hào)頻率增加1Hz，即發(fā)出正弦波信號(hào)的頻率為 (/o+l)，采取與步驟(3)_ (4)相同的步驟，記錄該頻率聲波激勵(lì)下待測(cè)地表(106)位置處的聲壓級(jí)；
(6)重復(fù)步驟(5)的操作，記錄至預(yù)設(shè)頻率為(Α+ΛΟ時(shí)的待測(cè)地表(106)位置的聲壓級(jí)，并在計(jì)算機(jī)(107)中求出并記錄所測(cè)聲壓級(jí)關(guān)于激發(fā)正弦波頻率/^A+L/^2、···、/。+# 的幅頻特性曲線；
以上步驟中用到的信號(hào)發(fā)生器采用Tektronix公司生產(chǎn)的AFG3022任意波形/函數(shù)發(fā)生器，調(diào)音臺(tái)采用Yamaha公司生產(chǎn)的MG8/2FX調(diào)音臺(tái)，功率放大器采用杭州聲博電子科技有限公司生產(chǎn)的PA2000功率放大器，揚(yáng)聲器采用Soimdking集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的JB215專業(yè)音箱，聲級(jí)計(jì)采用北京聲望聲電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的BSWA801聲級(jí)計(jì)。一種地表聲阻抗率測(cè)量方法，采用上述裝置測(cè)量計(jì)算地表聲阻抗率所需的地表振動(dòng)速度幅頻特性曲線，其特征在于測(cè)量步驟如下
(1)保持上述信號(hào)發(fā)生器、調(diào)音臺(tái)、功率放大器和揚(yáng)聲器的連接、參數(shù)設(shè)置及相對(duì)待測(cè)地表的位置不變；
(2)移走聲級(jí)計(jì)，并使地震檢波器陣列插入到待測(cè)地表位置，地震檢波器陣列的輸出端口由數(shù)據(jù)線連接到多通道數(shù)據(jù)采集單元的輸入端口上，多通道數(shù)據(jù)采集單元的輸出端口由數(shù)據(jù)連接到計(jì)算機(jī)的輸入端口；
(3)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出頻率為的起始正弦波信號(hào)，依次通過(guò)調(diào)音臺(tái)和功率放大器放大后由揚(yáng)聲器發(fā)出高強(qiáng)度正弦聲波；
(4)地震檢波器陣列測(cè)量待測(cè)地表位置的地表振動(dòng)速度，并由計(jì)算機(jī)記錄；
(5)使信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的正弦聲波信號(hào)頻率增加1Hz，即發(fā)出正弦波信號(hào)的頻率為 (/o+l)，采取與步驟(3)_ (4)相同的步驟，記錄該頻率聲波激勵(lì)下待測(cè)地表(106)位置處的地表振動(dòng)速度；
(6)重復(fù)步驟(5)的操作，記錄至預(yù)設(shè)頻率為(Α+ΛΟ時(shí)的待測(cè)地表位置的地表振動(dòng)速度，并在計(jì)算機(jī)中求出并記錄所測(cè)地表振動(dòng)速度關(guān)于激發(fā)正弦波頻率A、4+1、4+2、…、
的幅頻特性曲線；
以上步驟中用到的地震檢波器陣列采用威海雙豐公司生產(chǎn)的地震檢波器，用到的多通道數(shù)據(jù)采集單元采用美國(guó)國(guó)家儀器(Ni)有限公司生產(chǎn)的NI-PXI多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。一種地表聲阻抗率幅頻特性曲線的測(cè)量方法，用于測(cè)量地表的聲阻抗率，其特征是對(duì)待測(cè)地表位置處的聲壓級(jí)的幅頻特性曲線和待測(cè)地表位置處的地表振動(dòng)速度的幅頻特性曲線求比值，即得待測(cè)地表位置處的地表聲阻抗率的幅頻特性曲線。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見(jiàn)的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)將信號(hào)發(fā)生器、調(diào)音臺(tái)和功率放大器連接，解決了輸出單頻聲波、輸出聲波能量可連續(xù)控制等問(wèn)題，改善了聲波發(fā)射系統(tǒng)性能；在地表振動(dòng)速度檢測(cè)時(shí)，通過(guò)利用陣列式地震檢波器，再通過(guò)多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地表多個(gè)位置振動(dòng)速度的同步、快速檢測(cè)。


圖1是本發(fā)明的聲波發(fā)射系統(tǒng)和待測(cè)地表聲壓級(jí)檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是地表振動(dòng)速度和聲阻抗率檢測(cè)結(jié)構(gòu)原理示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合附圖論述如下
實(shí)施例一參見(jiàn)圖1，本地表聲阻抗率測(cè)量裝置在用于待測(cè)地表聲壓級(jí)檢測(cè)時(shí)的結(jié)構(gòu)包括信號(hào)發(fā)生器(101)、調(diào)音臺(tái)(102)、功率放大器(103)、揚(yáng)聲器(104)、聲級(jí)計(jì)(105)和計(jì)算機(jī)(107)，其特征是所述信號(hào)發(fā)生器(101)、調(diào)音臺(tái)(102)、功率放大器(103)和揚(yáng)聲器 (104)依次通過(guò)導(dǎo)線連接構(gòu)成聲波發(fā)射系統(tǒng)，所述聲級(jí)計(jì)(105)和計(jì)算機(jī)(107)通過(guò)數(shù)據(jù)線連接構(gòu)成聲壓級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)。實(shí)施例二 參見(jiàn)圖1，本地表聲阻抗率測(cè)量方法，采用實(shí)施例一的裝置測(cè)量計(jì)算地表聲阻抗率所需的地表聲壓級(jí)幅頻特性曲線，其特征在于測(cè)量步驟如下
(1)使揚(yáng)聲器(104)發(fā)聲端口正對(duì)待測(cè)地表(106)位置；
(2)把聲級(jí)計(jì)(105)放于待測(cè)地表(106)位置上和揚(yáng)聲器(104)發(fā)聲端口的正下方；
(3)信號(hào)發(fā)生器(101)發(fā)出頻率為的起始正弦波信號(hào)，依次通過(guò)調(diào)音臺(tái)(102)和功率放大器(103)放大后由揚(yáng)聲器(104)發(fā)出高強(qiáng)度正弦聲波；
(4)聲級(jí)計(jì)(105)測(cè)量待測(cè)地表(106)位置的聲壓級(jí)，并由計(jì)算機(jī)(107)記錄；
(5)使信號(hào)發(fā)生器(101)發(fā)出的正弦聲波信號(hào)頻率增加1Hz，即發(fā)出正弦波信號(hào)的頻率為(/o+l)，采取與步驟(3)_ (4)相同的步驟，記錄該頻率聲波激勵(lì)下待測(cè)地表(106)位置處的聲壓級(jí)；
(6)重復(fù)步驟(5)的操作，記錄至預(yù)設(shè)頻率為(Α+ΛΟ時(shí)的待測(cè)地表(106)位置的聲壓級(jí)，并在計(jì)算機(jī)(107)中求出并記錄所測(cè)聲壓級(jí)關(guān)于激發(fā)正弦波頻率/^A+L/^2、···、/。+# 的幅頻特性曲線；
實(shí)施例三參見(jiàn)圖2，本地表聲阻抗率測(cè)量裝置用于測(cè)量地表振動(dòng)速度時(shí)的結(jié)構(gòu)包括信號(hào)發(fā)生器(101)、調(diào)音臺(tái)(102)、功率放大器(103)、揚(yáng)聲器(104)、聲級(jí)計(jì)(105)、計(jì)算機(jī) (107)、地震檢波器陣列(201)和多通道數(shù)據(jù)采集單元(202)，其特征是所述信號(hào)發(fā)生器 (101 )、調(diào)音臺(tái)(102)、功率放大器(103)和揚(yáng)聲器(104)依次通過(guò)導(dǎo)線連接構(gòu)成聲波發(fā)射系統(tǒng)，所述地震檢波器陣列(201)、多通道數(shù)據(jù)采集單元(202)和計(jì)算機(jī)(107)依次通過(guò)數(shù)據(jù)線連接構(gòu)成地表振動(dòng)速度檢測(cè)系統(tǒng)。實(shí)施例四參見(jiàn)圖2，本地表聲阻抗率測(cè)量方法，采用上述裝置測(cè)量地表振動(dòng)速度幅頻特性曲線，其特征在于測(cè)量步驟如下
(1)保持權(quán)利要求2所述的信號(hào)發(fā)生器(101)、調(diào)音臺(tái)(102)、功率放大器(103)和揚(yáng)聲器(104)的連接、參數(shù)設(shè)置及相對(duì)待測(cè)地表(106)的位置不變；
(2)移走聲級(jí)計(jì)(105)，并使地震檢波器陣列(201)插入到待測(cè)地表(106)位置，地震檢波器陣列(201)的輸出端口由數(shù)據(jù)線連接到多通道數(shù)據(jù)采集單元(202)的輸入端口上，多通道數(shù)據(jù)采集單元(202)的輸出端口由數(shù)據(jù)連接到計(jì)算機(jī)(107)的輸入端口 ；
(3)信號(hào)發(fā)生器(101)發(fā)出頻率為A的起始正弦波信號(hào)，依次通過(guò)調(diào)音臺(tái)(102)和功率放大器(103)放大后由揚(yáng)聲器(104)發(fā)出高強(qiáng)度正弦聲波；
(4)地震檢波器陣列(201)測(cè)量待測(cè)地表(106)位置的地表振動(dòng)速度，并由計(jì)算機(jī)(107)記錄；
(5)使信號(hào)發(fā)生器(101)發(fā)出的正弦聲波信號(hào)頻率增加1Hz，即發(fā)出正弦波信號(hào)的頻率為(/o+l)，采取與步驟(3)_ (4)相同的步驟，記錄該頻率聲波激勵(lì)下待測(cè)地表(106)位置處的地表振動(dòng)速度；
(6)重復(fù)步驟(5)的操作，記錄至預(yù)設(shè) 頻率為(Α+ΛΟ時(shí)的待測(cè)地表(106)位置的地表振動(dòng)速度，并在計(jì)算機(jī)(107)中求出并記錄所測(cè)地表振動(dòng)速度關(guān)于激發(fā)正弦波頻率A、Z0+U /。+2、…、/。+#的幅頻特性曲線；
實(shí)施例五參見(jiàn)圖1和圖2，本地表聲阻抗率測(cè)量方法，采用上述聲波發(fā)射系統(tǒng)、待測(cè)地表聲壓級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)、待測(cè)地表振動(dòng)速度檢測(cè)系，并采用上述待測(cè)地表聲壓級(jí)檢測(cè)方法、待測(cè)地表振動(dòng)速度檢測(cè)方法，其特征是對(duì)待測(cè)地表(106)位置處的聲壓級(jí)的幅頻特性曲線和待測(cè)地表(106)位置處的地表振動(dòng)速度的幅頻特性曲線求比值，即得待測(cè)地表(106)位置處的地表聲阻抗率的幅頻特性曲線。
權(quán)利要求
1.一種地表聲阻抗率測(cè)量裝置，包括信號(hào)發(fā)生器(101)、調(diào)音臺(tái)(102)、功率放大器 (103)、揚(yáng)聲器(104)和計(jì)算機(jī)(107)，其特征是所述信號(hào)發(fā)生器(101)依次通過(guò)導(dǎo)線連接調(diào)音臺(tái)(102)、功率放大器(103)和揚(yáng)聲器(104)構(gòu)成聲波發(fā)射系統(tǒng)，由一個(gè)聲級(jí)計(jì)(105)和所述計(jì)算機(jī)(107)通過(guò)數(shù)據(jù)線連接構(gòu)成聲壓級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)，由一個(gè)地震檢波器陣列(201)經(jīng)一個(gè)多通道數(shù)據(jù)采集單元(202)與所述計(jì)算機(jī)(107)通過(guò)數(shù)據(jù)線連接構(gòu)成地表振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。
2.—種地表聲阻抗率測(cè)量方法，采用根據(jù)權(quán)利要求1所述的地表聲阻抗率測(cè)量裝置來(lái)檢測(cè)計(jì)算地表聲阻抗率所需的地表聲壓級(jí)幅頻特性曲線，其特征在于測(cè)量步驟如下(1)使揚(yáng)聲器(104)發(fā)聲端口正對(duì)待測(cè)地表(106)位置；(2)把聲級(jí)計(jì)(105)放于待測(cè)地表(106)位置上和揚(yáng)聲器(104)發(fā)聲端口的正下方；(3)信號(hào)發(fā)生器(101)發(fā)出頻率為的起始正弦波信號(hào)，依次通過(guò)調(diào)音臺(tái)(102)和功率放大器(103)放大后由揚(yáng)聲器(104)發(fā)出高強(qiáng)度正弦聲波；(4)聲級(jí)計(jì)(105)測(cè)量待測(cè)地表(106)位置的聲壓級(jí)，并由計(jì)算機(jī)(107)記錄；(5)使信號(hào)發(fā)生器(101)發(fā)出的正弦聲波信號(hào)頻率增加1Hz，即發(fā)出正弦波信號(hào)的頻率為(/o+l)，采取與步驟(3)_ (4)相同的步驟，記錄該頻率聲波激勵(lì)下待測(cè)地表(106)位置處的聲壓級(jí)；(6)重復(fù)步驟(5)的操作，記錄至預(yù)設(shè)頻率為(Α+ΛΟ時(shí)的待測(cè)地表(106)位置的聲壓級(jí)，并在計(jì)算機(jī)(107)中求出并記錄所測(cè)聲壓級(jí)關(guān)于激發(fā)正弦波頻率/^A+L/^2、···、/。+# 的幅頻特性曲線；以上步驟中用到的信號(hào)發(fā)生器采用Tektronix公司生產(chǎn)的AFG3022任意波形/函數(shù)發(fā)生器，調(diào)音臺(tái)采用Yamaha公司生產(chǎn)的MG8/2FX調(diào)音臺(tái)，功率放大器采用杭州聲博電子科技有限公司生產(chǎn)的PA2000功率放大器，揚(yáng)聲器采用Soimdking集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的JB215專業(yè)音箱，聲級(jí)計(jì)采用北京聲望聲電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的BSWA801聲級(jí)計(jì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的地表聲阻抗率測(cè)量方法，采用根據(jù)權(quán)利要求1所述的地表聲阻抗率測(cè)量裝置來(lái)檢測(cè)計(jì)算地表聲阻抗率所需的地表振動(dòng)速度幅頻特性曲線，其特征在于測(cè)量步驟如下(1)保持所述的信號(hào)發(fā)生器(101)、調(diào)音臺(tái)(102)、功率放大器(103)和揚(yáng)聲器(104)的連接、參數(shù)設(shè)置及相對(duì)待測(cè)地表(106)的位置不變；(2)移走聲級(jí)計(jì)(105)，并使地震檢波器陣列(201)插入到待測(cè)地表(106)位置，地震檢波器陣列(201)的輸出端口由數(shù)據(jù)線連接到多通道數(shù)據(jù)采集單元(202)的輸入端口上，多通道數(shù)據(jù)采集單元(202)的輸出端口由數(shù)據(jù)連接到計(jì)算機(jī)(107)的輸入端口 ；(3)信號(hào)發(fā)生器(101)發(fā)出頻率為A的起始正弦波信號(hào)，依次通過(guò)調(diào)音臺(tái)(102)和功率放大器(103)放大后由揚(yáng)聲器(104)發(fā)出高強(qiáng)度正弦聲波；(4)地震檢波器陣列(201)測(cè)量待測(cè)地表(106)位置的地表振動(dòng)速度，并由計(jì)算機(jī) (107)記錄；(5)使信號(hào)發(fā)生器(101)發(fā)出的正弦聲波信號(hào)頻率增加1Hz，即發(fā)出正弦波信號(hào)的頻率為(/o+l)，采取與步驟(3)_ (4)相同的步驟，記錄該頻率聲波激勵(lì)下待測(cè)地表(106)位置處的地表振動(dòng)速度；(6)重復(fù)步驟(5)的操作，記錄至預(yù)設(shè)頻率為(Α+ΛΟ時(shí)的待測(cè)地表(106)位置的地表振動(dòng)速度，并在計(jì)算機(jī)(107)中求出并記錄所測(cè)地表振動(dòng)速度關(guān)于激發(fā)正弦波頻率A、Z0+U /。+2、…、/。+#的幅頻特性曲線；以上步驟中用到的地震檢波器陣列采用威海雙豐公司生產(chǎn)的地震檢波器，用到的多通道數(shù)據(jù)采集單元采用美國(guó)國(guó)家儀器(Ni)有限公司生產(chǎn)的NI-PXI多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
4. 一種根據(jù)權(quán)利要求3所述的地表聲阻抗率測(cè)量方法，其特征是對(duì)所求的待測(cè)地表 (106)位置處的聲壓級(jí)的幅頻特性曲線和所求的待測(cè)地表(106)位置處的地表振動(dòng)速度的幅頻特性曲線求比值，即得待測(cè)地表(106)位置處的地表聲阻抗率的幅頻特性曲線。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種地表聲阻抗率測(cè)量裝置及方法，包括聲波發(fā)射系統(tǒng)、待測(cè)地表聲壓級(jí)檢測(cè)裝置和待測(cè)地表振動(dòng)速度檢測(cè)裝置。聲波發(fā)射系統(tǒng)包括信號(hào)發(fā)生器、調(diào)音臺(tái)、功率放大器、揚(yáng)聲器、聲級(jí)計(jì)和計(jì)算機(jī)；待測(cè)地表聲壓級(jí)檢測(cè)裝置包括聲波發(fā)射系統(tǒng)、聲級(jí)計(jì)和計(jì)算機(jī)；待測(cè)地表振動(dòng)速度檢測(cè)裝置包括聲波發(fā)射系統(tǒng)、地震檢波器陣列、多通道數(shù)據(jù)采集單元和計(jì)算機(jī)。聲波發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出高強(qiáng)度的低頻聲波，由聲壓級(jí)檢測(cè)裝置檢測(cè)待測(cè)地表處的聲壓級(jí)，并由地表振動(dòng)速度檢測(cè)裝置檢測(cè)待測(cè)地表處的振動(dòng)速度，所測(cè)地表處的聲壓級(jí)與振動(dòng)速度的比值即為地表聲阻抗率。本發(fā)明提供的地表聲阻抗率測(cè)量裝置和方法能實(shí)現(xiàn)地表聲阻抗率的高精度、快速測(cè)量。
文檔編號(hào)G01V7/00GK102435298SQ20111030823
公開(kāi)日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月13日
發(fā)明者于瀛潔, 周瑜秋, 張之江, 方臣, 王馳 申請(qǐng)人:上海大學(xué)