聲-地震耦合效率測(cè)量裝置及測(cè)量方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種聲-地震耦合效率測(cè)量裝置及測(cè)量方法，包括聲波發(fā)射系統(tǒng)、待測(cè)地表聲波檢測(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)包括計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)處理放大器和聲學(xué)參量陣；待測(cè)地表聲波檢測(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)、多普勒振動(dòng)計(jì)、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)。聲波發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出高指向性的高頻聲波，在待測(cè)地表位置產(chǎn)生低頻聲波，由聲壓級(jí)檢測(cè)裝置檢測(cè)待測(cè)地表位置處的聲壓級(jí)，并由地表振動(dòng)速度檢測(cè)裝置檢測(cè)待測(cè)地表位置處的振動(dòng)速度，所測(cè)地表處的振動(dòng)速度與聲壓級(jí)的比值即為地表聲-地震耦合效率。本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)地表聲-地震耦合效率的非接觸式、高精度、快速測(cè)量。
【專(zhuān)利說(shuō)明】聲-地震耦合效率測(cè)量裝置及測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]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-地震耦合效率非接觸測(cè)量裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]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(xiàn)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。
[0003]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，耦合的地表振動(dòng)速度與地表聲壓的比值稱(chēng)為地表聲-地震耦合效率。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-地震耦合效率的大小。因此，通過(guò)檢測(cè)地表聲-地震耦合效率的變化異常情況，可用于非金屬地雷探測(cè)方面的研究，但目前尚無(wú)專(zhuān)用非接觸檢測(cè)方式的地表聲-地震耦合效率測(cè)量裝置。
[0004]一個(gè)典型的非接觸地表聲-地震耦合效率測(cè)量裝置應(yīng)包括高指向性聲波發(fā)射系統(tǒng)和非接觸地表振動(dòng)速度檢測(cè)系統(tǒng)，“地雷對(duì)地表聲阻抗率的影響研究”，王馳等，傳感器與微系統(tǒng)，2008年，第27卷第8期，第36-38頁(yè)，研究的聲發(fā)射系統(tǒng)基于音響系統(tǒng)，不能做到高指向性、遠(yuǎn)距離的聲波發(fā)射，地表振動(dòng)速度檢測(cè)系統(tǒng)基于地震檢波器這種接觸式速度傳感器，不能進(jìn)行地表振動(dòng)速度的非接觸檢測(cè)，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】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服目前尚無(wú)專(zhuān)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-地震耦合效率非接觸檢測(cè)裝置和檢測(cè)方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)地表聲-地震耦合效率的高精度、快速的非接觸測(cè)量。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種聲-地震耦合效率測(cè)量裝置，包括計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理器、聲學(xué)參量陣、多普勒振動(dòng)計(jì)、數(shù)據(jù)采集卡和聲級(jí)計(jì)，所述計(jì)算機(jī)依次通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)連接所述數(shù)據(jù)采集卡、所述信號(hào)處理器和所述聲學(xué)參量陣，構(gòu)成的聲波發(fā)射系統(tǒng)；所述聲級(jí)計(jì)依次通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)連接所述數(shù)據(jù)采集卡和所述計(jì)算機(jī)，構(gòu)成的聲壓級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)；所述多普勒振動(dòng)計(jì)依次通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)連接所述數(shù)據(jù)采集卡和所述計(jì)算機(jī)，構(gòu)成的地表振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。
[0007]—種聲-地震耦合效率測(cè)量方法，采用上述的聲-地震耦合效率測(cè)量裝置來(lái)測(cè)量計(jì)算，測(cè)量步驟如下: (1)將聲波發(fā)射系統(tǒng)的聲學(xué)參量陣發(fā)聲端口對(duì)準(zhǔn)待測(cè)地表位置；
(2)將聲壓級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)的聲級(jí)計(jì)放置于待測(cè)地表位置；
(3)通過(guò)計(jì)算機(jī)發(fā)出差頻為&的兩列高頻正弦波信號(hào)，依次通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡和信號(hào)處理器后由聲學(xué)參量陣發(fā)出高指向性正弦聲波；
(4)改變聲學(xué)參量陣相對(duì)待測(cè)地表位置的距離和方向，至聲級(jí)計(jì)測(cè)出頻率為&且聲壓級(jí)達(dá)到極大值的聲波，并在計(jì)算機(jī)中記錄該聲壓級(jí)的極大值；
(5)保持計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)處理器和聲學(xué)參量陣構(gòu)成的聲波發(fā)射系統(tǒng)的連接、參數(shù)設(shè)置及聲學(xué)參量陣相對(duì)待測(cè)地表位置的距離和方向不變，即保持聲級(jí)計(jì)在待測(cè)地表位置檢測(cè)到的聲波頻率為A，且聲壓級(jí)達(dá)到極大值；
(6)移走聲級(jí)計(jì)，利用多普勒振動(dòng)計(jì)、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)構(gòu)成的地表振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量待測(cè)地表位置的地表振動(dòng)速度，由計(jì)算機(jī)記錄；
(7)對(duì)所測(cè)的待測(cè)地表位置處的地表振動(dòng)速度和所測(cè)的待測(cè)地表位置處的聲壓級(jí)極大值求比值，即得待測(cè)地表位置處在激勵(lì)聲波頻率為f0時(shí)的聲-地震耦合效率。。
[0008]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):
本發(fā)明將計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)處理器和聲學(xué)參量陣連接，解決了低頻聲波輸出的高指向性問(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)利用多普勒振動(dòng)計(jì)和多通道數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)了對(duì)地表振動(dòng)速度的非接觸快速檢測(cè)。
[0009]【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】圖1是本發(fā)明的待測(cè)地表聲-地震耦合效率非接觸測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖2是地表聲-地震耦合效率非接觸測(cè)量步驟框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011]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-地震耦合效率非接觸測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)包括計(jì)算機(jī)101、信號(hào)處理器102、聲學(xué)參量陣103、多普勒振動(dòng)計(jì)104、數(shù)據(jù)采集卡105和聲級(jí)計(jì)106，所述計(jì)算機(jī)101依次通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)連接所述數(shù)據(jù)采集卡105、所述信號(hào)處理器102和所述聲學(xué)參量陣103，構(gòu)成的聲波發(fā)射系統(tǒng)；所述聲級(jí)計(jì)106依次通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)連接所述數(shù)據(jù)采集卡105和所述計(jì)算機(jī)101，構(gòu)成的聲壓級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)；所述多普勒振動(dòng)計(jì)104依次通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)連接所述數(shù)據(jù)采集卡105和所述計(jì)算機(jī)101，構(gòu)成的地表振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。
[0012]本實(shí)施例中用到的聲學(xué)參量陣103和信號(hào)處理器102采用由美國(guó)Holosonics公司生產(chǎn)的24英寸音頻聚光燈超聲換能器陣列(24-1n diameter Audio Spotlightultrasonic transducer array)和與其配套的信號(hào)處理放大器(Processor/Amplifier),數(shù)據(jù)采集卡采用美國(guó)國(guó)家儀器(NI)有限公司生產(chǎn)的N1-PXI多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，多普勒振動(dòng)計(jì)采用德國(guó)Polytec公司生產(chǎn)的PDV-100激光多普勒振動(dòng)計(jì)。
[0013]實(shí)施例二:參見(jiàn)圖2，本地表聲-地震耦合效率非接觸測(cè)量方法，采用實(shí)施例一的裝置測(cè)量計(jì)算地表聲-地震耦合效率，測(cè)量步驟如下:
(1)將聲波發(fā)射系統(tǒng)的聲學(xué)參量陣103發(fā)聲端口對(duì)準(zhǔn)待測(cè)地表位置107；
(2)將聲壓級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)的聲級(jí)計(jì)106放置于待測(cè)地表位置107；
(3)通過(guò)計(jì)算機(jī)101發(fā)出差頻為A的兩列高頻正弦波信號(hào)，依次通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡105和信號(hào)處理器102后由聲學(xué)參量陣103發(fā)出高指向性正弦聲波；
(4)改變聲學(xué)參量陣103相對(duì)待測(cè)地表位置107的距離和方向，至聲級(jí)計(jì)106測(cè)出頻率為f0且聲壓級(jí)達(dá)到極大值的聲波，并在計(jì)算機(jī)101中記錄該聲壓級(jí)的極大值；
(5)保持計(jì)算機(jī)101、數(shù)據(jù)采集卡105、信號(hào)處理器102和聲學(xué)參量陣103構(gòu)成的聲波發(fā)射系統(tǒng)的連接、參數(shù)設(shè)置及聲學(xué)參量陣103相對(duì)待測(cè)地表位置107的距離和方向不變，即保持聲級(jí)計(jì)106在待測(cè)地表位置107檢測(cè)到的聲波頻率為/；，且聲壓級(jí)達(dá)到極大值；
(6)移走聲級(jí)計(jì)106，利用多普勒振動(dòng)計(jì)104、數(shù)據(jù)采集卡105和計(jì)算機(jī)101構(gòu)成的地表振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量待測(cè)地表位置107的地表振動(dòng)速度，由計(jì)算機(jī)101記錄；
(7)對(duì)所測(cè)的待測(cè)地表位置107處的地表振動(dòng)速度和所測(cè)的待測(cè)地表位置107處的聲壓級(jí)極大值求比值，即得待測(cè)地表位置107處在激勵(lì)聲波頻率為A時(shí)的聲-地震耦合效率。
【權(quán)利要求】
1.一種聲-地震耦合效率測(cè)量裝置，包括計(jì)算機(jī)(101)、信號(hào)處理器(102)、聲學(xué)參量陣(103)、多普勒振動(dòng)計(jì)(104)、數(shù)據(jù)采集卡(105)和聲級(jí)計(jì)(106)，其特征在于:所述計(jì)算機(jī)(101)依次通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)連接所述數(shù)據(jù)采集卡(105)、所述信號(hào)處理器(102)和所述聲學(xué)參量陣(103)，構(gòu)成的聲波發(fā)射系統(tǒng)；所述聲級(jí)計(jì)(106)依次通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)連接所述數(shù)據(jù)采集卡(105)和所述計(jì)算機(jī)(101)，構(gòu)成的聲壓級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)；所述多普勒振動(dòng)計(jì)(104)依次通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)連接所述數(shù)據(jù)采集卡(105)和所述計(jì)算機(jī)(101 )，構(gòu)成的地表振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。
2.—種聲-地震耦合效率測(cè)量方法，采用根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲-地震耦合效率測(cè)量裝置來(lái)測(cè)量計(jì)算，其特征在于，測(cè)量步驟如下: (1)將聲波發(fā)射系統(tǒng)的聲學(xué)參量陣(103)發(fā)聲端口對(duì)準(zhǔn)待測(cè)地表位置(107)； (2)將聲壓級(jí)檢測(cè)系統(tǒng)的聲級(jí)計(jì)(106)放置于待測(cè)地表位置(107)； (3)通過(guò)計(jì)算機(jī)(101)發(fā)出差頻為A的兩列高頻正弦波信號(hào)，依次通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡(105)和信號(hào)處理器(102)后由聲學(xué)參量陣(103)發(fā)出高指向性正弦聲波； (4)改變聲學(xué)參量陣(103)相對(duì)待測(cè)地表位置(107)的距離和方向，至聲級(jí)計(jì)(106)測(cè)出頻率為A且聲壓級(jí)達(dá)到極大值的聲波，并在計(jì)算機(jī)(101)中記錄該聲壓級(jí)的極大值； (5)保持計(jì)算機(jī)(101)、數(shù)據(jù)采集卡(105)、信號(hào)處理器(102)和聲學(xué)參量陣(103)構(gòu)成的聲波發(fā)射系統(tǒng)的連接、參數(shù)設(shè)置及聲學(xué)參量陣(103)相對(duì)待測(cè)地表位置(107)的距離和方向不變，即保持聲級(jí)計(jì)(106)在待測(cè)地表位置(107)檢測(cè)到的聲波頻率為f0,且聲壓級(jí)達(dá)到極大值； (6)移走聲級(jí)計(jì)(106)，利用多普勒振動(dòng)計(jì)(104)、數(shù)據(jù)采集卡(105)和計(jì)算機(jī)(101)構(gòu)成的地表振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量待測(cè)地表位置(107)的地表振動(dòng)速度，由計(jì)算機(jī)(101)記錄； (7)對(duì)所測(cè)的待測(cè)地表位置(107)處的地表振動(dòng)速度和所測(cè)的待測(cè)地表位置(107)處的聲壓級(jí)極大值求比值，即得待測(cè)地表位置(107)處在激勵(lì)聲波頻率為f0時(shí)的聲-地震耦合效率。
【文檔編號(hào)】G01V1/00GK103995283SQ201410197378
【公開(kāi)日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年5月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月12日
【發(fā)明者】王馳, 張芳, 曹源, 吳文雯, 丁衛(wèi) 申請(qǐng)人:上海大學(xué)