CN102435298A - 地表声阻抗率测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地表声阻抗率测量装置及方法，包括声波发射系统、待测地表声压级检测装置和待测地表振动速度检测装置。声波发射系统包括信号发生器、调音台、功率放大器、扬声器、声级计和计算机；待测地表声压级检测装置包括声波发射系统、声级计和计算机；待测地表振动速度检测装置包括声波发射系统、地震检波器阵列、多通道数据采集单元和计算机。声波发射系统发出高强度的低频声波，由声压级检测装置检测待测地表处的声压级，并由地表振动速度检测装置检测待测地表处的振动速度，所测地表处的声压级与振动速度的比值即为地表声阻抗率。本发明提供的地表声阻抗率测量装置和方法能实现地表声阻抗率的高精度、快速测量。
Description
技术领域
本发明涉及物探技术领域，尤其是声波探测非金属地雷研究中的地表声阻抗率测量装置及方法。
背景技术
塑料等非金属地雷的安全、可靠探测一直是国际排雷事业亟待解决的瓶颈问题。常用的金属探测器因是基于电磁感应原理只能探测金属地雷，对金属含量很少的塑料等非金属地雷探测效果较差。对于红外、探地雷达、X射线等成像技术，在探测机理上难以辨别埋藏物是否为地雷；对于非成像技术，如中子分析，它通过检测炸药的化学特性具有较强的地雷鉴别能力，但系统特别复杂、检测信号过于微弱，尚处于应用可行性论证阶段。基于声-地震耦合原理的声波探测技术具有潜在的应用前景，但缺少声波探雷模型研究的商用实验研究装置。
声-地震耦合是指当频率在1KHz以下的低频声波由空气入射到地表时，形成快纵波、慢纵波和横波等多种成分的地震波；相应地，地表声压与耦合的地表振动速度的比值称为地表声阻抗率。当耦合的地震波遇到地雷时会发生反射或散射现象而回到地表，并改变地表的振动速度，进而改变地表声阻抗率的大小。因此，通过检测地表声阻抗率的变化异常情况，可用于非金属地雷探测方面的研究，但目前尚无专用的地表声阻抗率测量装置。
一个典型的地表声阻抗率测量装置应包括声波发射系统和地表振动速度检测系统，而目前的声发射系统不能直接测量地表声压的变化曲线，地表振动速度检测系统的检测效率较低，不能同时检测地表多个位置的振动情况，本发明正是针对这一关键技术进行展开的。
发明内容
本发明的目的在于克服目前尚无专用的声-地震耦合机理研究的测量装置等方面的问题，提供一种地表声阻抗率的检测装置和检测方法，可实现对地表声阻抗率的高精度、快速测量。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种地表声阻抗率测量装置，包括信号发生器、调音台、功率放大器、扬声器和计算机，其特征是：所述信号发生器、调音台、功率放大器和扬声器依次通过导线连接构成声波发射系统，由一个声级计和所述计算机通过数据线连接构成声压级检测系统，由一个地震检波器阵列经一个多通道数据采集单元与计算机通过数据线连接构成地表振动检测系统。
一种地表声阻抗率测量方法，采用上述装置来测量检测计算地表声阻抗率中所需地表声压级幅频特性曲线，其特征在于测量步骤如下：
（1）使扬声器发声端口正对待测地表位置；
（2）把声级计放于待测地表位置上和扬声器发声端口的正下方；
（3）信号发生器发出频率为f 0的起始正弦波信号，依次通过调音台和功率放大器放大后由扬声器发出高强度正弦声波；
（4）声级计测量待测地表位置的声压级，并由计算机记录；
（5）使信号发生器发出的正弦声波信号频率增加1Hz，即发出正弦波信号的频率为（f 0+1），采取与步骤（3）-（4）相同的步骤，记录该频率声波激励下待测地表（106）位置处的声压级；
（6）重复步骤（5）的操作，记录至预设频率为（f 0+N）时的待测地表（106）位置的声压级，并在计算机（107）中求出并记录所测声压级关于激发正弦波频率f 0、f 0+1、f 0+2、…、f 0+N的幅频特性曲线；
以上步骤中用到的信号发生器采用Tektronix公司生产的AFG3022任意波形/函数发生器，调音台采用Yamaha公司生产的MG8/2FX调音台，功率放大器采用杭州声博电子科技有限公司生产的PA2000功率放大器，扬声器采用Soundking集团有限公司生产的JB215专业音箱，声级计采用北京声望声电技术有限公司生产的BSWA801声级计。
一种地表声阻抗率测量方法，采用上述装置测量计算地表声阻抗率所需的地表振动速度幅频特性曲线，其特征在于测量步骤如下：
（1）保持上述信号发生器、调音台、功率放大器和扬声器的连接、参数设置及相对待测地表的位置不变；
（2）移走声级计，并使地震检波器阵列插入到待测地表位置，地震检波器阵列的输出端口由数据线连接到多通道数据采集单元的输入端口上，多通道数据采集单元的输出端口由数据连接到计算机的输入端口；
（3）信号发生器发出频率为f 0的起始正弦波信号，依次通过调音台和功率放大器放大后由扬声器发出高强度正弦声波；
（4）地震检波器阵列测量待测地表位置的地表振动速度，并由计算机记录；
（5）使信号发生器发出的正弦声波信号频率增加1Hz，即发出正弦波信号的频率为（f 0+1），采取与步骤（3）-（4）相同的步骤，记录该频率声波激励下待测地表（106）位置处的地表振动速度；
（6）重复步骤（5）的操作，记录至预设频率为（f 0+N）时的待测地表位置的地表振动速度，并在计算机中求出并记录所测地表振动速度关于激发正弦波频率f 0、f 0+1、f 0+2、…、f 0+N的幅频特性曲线；
以上步骤中用到的地震检波器阵列采用威海双丰公司生产的地震检波器，用到的多通道数据采集单元采用美国国家仪器（NI）有限公司生产的NI-PXI多通道数据采集系统。
一种地表声阻抗率幅频特性曲线的测量方法，用于测量地表的声阻抗率，其特征是：对待测地表位置处的声压级的幅频特性曲线和待测地表位置处的地表振动速度的幅频特性曲线求比值，即得待测地表位置处的地表声阻抗率的幅频特性曲线。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：将信号发生器、调音台和功率放大器连接，解决了输出单频声波、输出声波能量可连续控制等问题，改善了声波发射系统性能；在地表振动速度检测时，通过利用阵列式地震检波器，再通过多通道数据采集系统，实现了对地表多个位置振动速度的同步、快速检测。
附图说明
图1是本发明的声波发射系统和待测地表声压级检测装置结构示意图；
图2是地表振动速度和声阻抗率检测结构原理示意图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图论述如下：
实施例一： 参见图1，本地表声阻抗率测量装置在用于待测地表声压级检测时的结构包括信号发生器（101）、调音台（102）、功率放大器（103）、扬声器（104）、声级计（105）和计算机（107），其特征是：所述信号发生器（101）、调音台（102）、功率放大器（103）和扬声器（104）依次通过导线连接构成声波发射系统，所述声级计（105）和计算机（107）通过数据线连接构成声压级检测系统。
实施例二：参见图1，本地表声阻抗率测量方法，采用实施例一的装置测量计算地表声阻抗率所需的地表声压级幅频特性曲线，其特征在于测量步骤如下：
（1）使扬声器（104）发声端口正对待测地表（106）位置；
（2）把声级计（105）放于待测地表（106）位置上和扬声器（104）发声端口的正下方；
（3）信号发生器（101）发出频率为f 0的起始正弦波信号，依次通过调音台（102）和功率放大器（103）放大后由扬声器（104）发出高强度正弦声波；
（4）声级计（105）测量待测地表（106）位置的声压级，并由计算机（107）记录；
（5）使信号发生器（101）发出的正弦声波信号频率增加1Hz，即发出正弦波信号的频率为（f 0+1），采取与步骤（3）-（4）相同的步骤，记录该频率声波激励下待测地表（106）位置处的声压级；
（6）重复步骤（5）的操作，记录至预设频率为（f 0+N）时的待测地表（106）位置的声压级，并在计算机（107）中求出并记录所测声压级关于激发正弦波频率f 0、f 0+1、f 0+2、…、f 0+N的幅频特性曲线；
实施例三：参见图2，本地表声阻抗率测量装置用于测量地表振动速度时的结构包括信号发生器（101）、调音台（102）、功率放大器（103）、扬声器（104）、声级计（105）、计算机（107）、地震检波器阵列（201）和多通道数据采集单元（202），其特征是：所述信号发生器（101）、调音台（102）、功率放大器（103）和扬声器（104）依次通过导线连接构成声波发射系统，所述地震检波器阵列（201）、多通道数据采集单元（202）和计算机（107）依次通过数据线连接构成地表振动速度检测系统。
实施例四：参见图2，本地表声阻抗率测量方法，采用上述装置测量地表振动速度幅频特性曲线，其特征在于测量步骤如下：
（1）保持权利要求2所述的信号发生器（101）、调音台（102）、功率放大器（103）和扬声器（104）的连接、参数设置及相对待测地表（106）的位置不变；
（2）移走声级计（105），并使地震检波器阵列（201）插入到待测地表（106）位置，地震检波器阵列（201）的输出端口由数据线连接到多通道数据采集单元（202）的输入端口上，多通道数据采集单元（202）的输出端口由数据连接到计算机（107）的输入端口；
（3）信号发生器（101）发出频率为f 0的起始正弦波信号，依次通过调音台（102）和功率放大器（103）放大后由扬声器（104）发出高强度正弦声波；
（4）地震检波器阵列（201）测量待测地表（106）位置的地表振动速度，并由计算机（107）记录；
（5）使信号发生器（101）发出的正弦声波信号频率增加1Hz，即发出正弦波信号的频率为（f 0+1），采取与步骤（3）-（4）相同的步骤，记录该频率声波激励下待测地表（106）位置处的地表振动速度；
（6）重复步骤（5）的操作，记录至预设频率为（f 0+N）时的待测地表（106）位置的地表振动速度，并在计算机（107）中求出并记录所测地表振动速度关于激发正弦波频率f 0、f 0+1、f 0+2、…、f 0+N的幅频特性曲线；
实施例五：参见图1和图2，本地表声阻抗率测量方法，采用上述声波发射系统、待测地表声压级检测系统、待测地表振动速度检测系，并采用上述待测地表声压级检测方法、待测地表振动速度检测方法，其特征是：对待测地表（106）位置处的声压级的幅频特性曲线和待测地表（106）位置处的地表振动速度的幅频特性曲线求比值，即得待测地表（106）位置处的地表声阻抗率的幅频特性曲线。
Claims (4)
1.一种地表声阻抗率测量装置，包括信号发生器（101）、调音台（102）、功率放大器（103）、扬声器（104）和计算机（107），其特征是：所述信号发生器（101）依次通过导线连接调音台（102）、功率放大器（103）和扬声器（104）构成声波发射系统，由一个声级计（105）和所述计算机（107）通过数据线连接构成声压级检测系统，由一个地震检波器阵列（201）经一个多通道数据采集单元（202）与所述计算机（107）通过数据线连接构成地表振动检测系统。
2.一种地表声阻抗率测量方法，采用根据权利要求1所述的地表声阻抗率测量装置来检测计算地表声阻抗率所需的地表声压级幅频特性曲线，其特征在于测量步骤如下：
（1）使扬声器（104）发声端口正对待测地表（106）位置；
（2）把声级计（105）放于待测地表（106）位置上和扬声器（104）发声端口的正下方；
（3）信号发生器（101）发出频率为f 0的起始正弦波信号，依次通过调音台（102）和功率放大器（103）放大后由扬声器（104）发出高强度正弦声波；
（4）声级计（105）测量待测地表（106）位置的声压级，并由计算机（107）记录；
（5）使信号发生器（101）发出的正弦声波信号频率增加1Hz，即发出正弦波信号的频率为（f 0+1），采取与步骤（3）-（4）相同的步骤，记录该频率声波激励下待测地表（106）位置处的声压级；
（6）重复步骤（5）的操作，记录至预设频率为（f 0+N）时的待测地表（106）位置的声压级，并在计算机（107）中求出并记录所测声压级关于激发正弦波频率f 0、f 0+1、f 0+2、…、f 0+N的幅频特性曲线；
以上步骤中用到的信号发生器采用Tektronix公司生产的AFG3022任意波形/函数发生器，调音台采用Yamaha公司生产的MG8/2FX调音台，功率放大器采用杭州声博电子科技有限公司生产的PA2000功率放大器，扬声器采用Soundking集团有限公司生产的JB215专业音箱，声级计采用北京声望声电技术有限公司生产的BSWA801声级计。
3.根据权利要求2所述的地表声阻抗率测量方法，采用根据权利要求1所述的地表声阻抗率测量装置来检测计算地表声阻抗率所需的地表振动速度幅频特性曲线，其特征在于测量步骤如下：
（1）保持所述的信号发生器（101）、调音台（102）、功率放大器（103）和扬声器（104）的连接、参数设置及相对待测地表（106）的位置不变；
（2）移走声级计（105），并使地震检波器阵列（201）插入到待测地表（106）位置，地震检波器阵列（201）的输出端口由数据线连接到多通道数据采集单元（202）的输入端口上，多通道数据采集单元（202）的输出端口由数据连接到计算机（107）的输入端口；
（3）信号发生器（101）发出频率为f 0的起始正弦波信号，依次通过调音台（102）和功率放大器（103）放大后由扬声器（104）发出高强度正弦声波；
（4）地震检波器阵列（201）测量待测地表（106）位置的地表振动速度，并由计算机（107）记录；
（5）使信号发生器（101）发出的正弦声波信号频率增加1Hz，即发出正弦波信号的频率为（f 0+1），采取与步骤（3）-（4）相同的步骤，记录该频率声波激励下待测地表（106）位置处的地表振动速度；
（6）重复步骤（5）的操作，记录至预设频率为（f 0+N）时的待测地表（106）位置的地表振动速度，并在计算机（107）中求出并记录所测地表振动速度关于激发正弦波频率f 0、f 0+1、f 0+2、…、f 0+N的幅频特性曲线；
以上步骤中用到的地震检波器阵列采用威海双丰公司生产的地震检波器，用到的多通道数据采集单元采用美国国家仪器（NI）有限公司生产的NI-PXI多通道数据采集系统。
4.一种根据权利要求3所述的地表声阻抗率测量方法，其特征是：对所求的待测地表（106）位置处的声压级的幅频特性曲线和所求的待测地表（106）位置处的地表振动速度的幅频特性曲线求比值，即得待测地表（106）位置处的地表声阻抗率的幅频特性曲线。
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