CN102590854B - 一种声-地震耦合最佳入射角测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种声-地震耦合最佳入射角测量装置，包括由信号发生器、调音台、功率放大器、扬声器、扬声器卡槽和入射角调整机构构成的声波发射系统；本装置还包括由地震检波器、数据采集卡和计算机构成的地表振动速度检测系统。一种声-地震耦合最佳入射角测量方法，采用上述的测量装置，具体实施步骤为：1）检测并计算扬声器发声端口的中轴线相对竖直方向的角度为0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°情况下的地表振动速度；2）对上述步骤测得的地表振动速度找出最大值，其对应的角度即为所测量的声-地震耦合最佳入射角。本发明测量装置和测量方法能实现声-地震耦合最佳入射角的高精度、快速测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种声-地震耦合最佳入射角测量装置及测量方法，属于声-地震耦合技术领域。
背景技术
迄今为止，有关声-地震耦合现象尚无完整的理论体系，对声-地震耦合机理的研究仍是一个世界性难题。声-地震耦合，是指1千赫兹以下的低频声波由空气入射到地面时，大部分能量反射回空中，但还有一部分能量耦合到地下与土壤发生动量和粘滞摩擦作用，形成慢纵波、快纵波、横波等多种成分的地震波，并引起地表的振动。
声-地震耦合现象在浅层地下掩埋物（如非金属地雷）的安全、可靠探测方面具有潜在的应用前景。当声波激发的地震波遇到非金属地雷等埋藏物时会发生反射或散射作用，返回到地表而改变其振动状态，通过检测地表的振动状态的变化可进一步判断掩埋物的存在性。然而，声-地震耦合是一个复杂的物理作用过程，能量耦合的效率很低，声波入射到地面时的入射角对能量耦合的效率影响很大。在声源和地表土壤参数条件一定的情况下，使声波耦合的地表振动速度最大的声波入射角称为声-地震耦合最佳入射角，这是掩埋物探测系统研究中需要重点解决的一个关键问题。
一个典型的声-地震耦合最佳入射角测量方法应保证激发声波到达地面的入射角可调的情况下，声源和待测地面土壤环境的其它参数都保持不变，测量装置包括声波发射系统、入射角调整机构和地表振动速度检测系统，而目前尚无高精度的声-地震耦合最佳入射角测量装置及测量方法，尤其缺少便捷的入射角调整机构，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高精度的声-地震耦合最佳入射角测量装置尤其缺少便捷的入射角调整机构的问题，提供一种声-地震耦合最佳入射角测量装置及测量方法，是一种声波到达地面的入射角对声波激发的地表振动影响的测量装置及方法，可实现对声-地震耦合最佳入射角的准确、快捷测量。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种声-地震耦合最佳入射角测量装置，包括信号发生器、调音台、功率放大器、扬声器、扬声器卡槽、入射角调整机构，所述信号发生器通过导线依次连接所述调音台、所述功率放大器和所述扬声器，所述扬声器固定卡在所述扬声器卡槽内，所述扬声器卡槽通过加长固定铁板以及两个螺栓固定在所述入射角调整机构上，构成的声波发射系统；本装置还包括地震检波器、数据采集卡和计算机，所述地震检波器通过数据线经所述数据采集卡与所述计算机连接，构成的地表振动速度检测系统。
上述入射角调整机构通过两个滚动轮置于待测地面上，入射角调整机构的端面是以待测地面上的待测位置点为对称中心的正72边形的一些边面，每个端面的中心角为5°。
一种声-地震耦合最佳入射角测量方法，采用上述的测量装置，本方法具体实施步骤为：
（1）将所述的扬声器固定卡入所述扬声器卡槽中，将所述扬声器卡槽通过加长固定铁板以及两个螺栓固定在所述的入射角调整机构的第一端面上；
（2）通过推动所述的入射角调整机构使所述的扬声器发声端口的中轴线与入射角调整机构的顶端端面的中垂线重合并正对待测地面上的待测位置点；
（3）将所述地震检波器插入到所述待测地面上的待测位置点，所述地震检波器的输出端口由数据线连接到所述数据采集卡的输入端口上，所述数据采集卡的输出端口由数据线连接到所述计算机的输入端口；
（4）所述信号发生器发出频率为f 0的起始正弦波信号，依次通过所述调音台和所述功率放大器放大后由所述扬声器发出高强度正弦声波；
（5）所述地震检波器测量所述待测地面上的待测位置点的地表振动速度，并由所述计算机记录，然后关闭所述的声波发射系统的所有电源；
（6）将所述扬声器固定卡入其中的扬声器卡槽通过加长固定铁板和螺栓固定在所述的入射角调整机构的第二端面上，即将所述的扬声器发声端口的中轴线相对竖直方向旋转正72边形的一个中心角的角度，即5°，重启所述的声波发射系统的所有电源，采取与步骤（4）-（5）相同的步骤，记录该频率声波激励下所述待测地面上的待测位置点处的地表振动速度；
（7）重复步骤（6）的操作，记录至预设所述入射角调整机构的所有端面对应的扬声器发声端口的中轴线相对竖直方向旋转角度情况下的所述待测地面上的待测位置点的地表振动速度，并在所述计算机中求出并记录所述的扬声器发声端口的中轴线相对竖直方向的角度为0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°等情况下的地表振动速度；
（8）对以上步骤中求出的在所述的扬声器发声端口的中轴线相对竖直方向的角度为0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°等情况下的地表振动速度找出最大值，其对应角度即为所测量的在声波激发频率为f 0情况下的声-地震耦合最佳入射角。
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：
将扬声器卡入扬声器卡槽内，并与基于正多边形的入射角调整机构配合工作，解决了在保证扬声器发声端口相对待测地面上的待测点的距离不变的情况下而改变声波入射角的问题，通过所述的声-地震耦合最佳入射角检测装置可准确、快捷地测量声波入射角对声波激发的地表振动的影响。
附图说明
图1是本发明的声-地震耦合最佳入射角检测系统结构示意图；
图2是本发明的入射角调整机构的结构示意图；
图3 是检测并计算声-地震耦合最佳入射角实施步骤框图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图论述如下：
如图1所示，一种声-地震耦合最佳入射角测量装置，包括信号发生器101、调音台102、功率放大器103、扬声器104、扬声器卡槽105、入射角调整机构108，所述信号发生器101通过导线依次连接所述调音台102、所述功率放大器103和所述扬声器104，所述扬声器104固定卡在所述扬声器卡槽105内，所述扬声器卡槽105通过加长固定铁板106以及两个螺栓107固定在所述入射角调整机构108上，构成的声波发射系统；本装置还包括地震检波器111、数据采集卡112和计算机113，所述地震检波器111通过数据线经所述数据采集卡112与所述计算机113连接，构成的地表振动速度检测系统。
参见图1和图2，入射角调整机构108的第一端面202、第二端面203和端面系204构成待测地面110上的待测位置点201为对称中心的正72边形的若干边面，每个端面的中心角α为5°，端面系204是省略画出的正72边形的一些端面。
本实施例中用到的信号发生器101采用Tektronix公司生产的AFG3022任意波形/函数发生器，调音台102采用Yamaha公司生产的MG8/2FX调音台，功率放大器103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104采用Soundking集团有限公司生产的JB215专业音箱，扬声器卡槽105和入射角调整机构108采用不锈钢材料制作，地震检波器111阵列采用威海双丰公司生产的地震检波器，用到的数据采集卡112采用美国国家仪器（NI）有限公司生产的NI-5112数字化仪。
如图3所示，一种声-地震耦合最佳入射角测量方法，采用上述的测量装置，本方法具体实施步骤为：
（1）将所述的扬声器104固定卡入其中的扬声器卡槽105，所述扬声器卡槽105通过加长固定铁板106以及两个螺栓107固定在所述的入射角调整机构108的第一端面202上；
（2）通过推动所述的入射角调整机构108使所述的扬声器104发声端口的中轴线与入射角调整机构108的第一端面202的中垂线重合并正对待测地面110上的待测位置点201；
（3）将所述地震检波器111插入到所述待测地面110上的待测位置点201，所述地震检波器111的输出端口由数据线连接到所述数据采集卡112的输入端口上，所述数据采集卡112的输出端口由数据线连接到所述计算机113的输入端口；
（4）所述信号发生器101发出频率为f 0的起始正弦波信号，依次通过所述调音台102和所述功率放大器103放大后由所述扬声器104发出高强度正弦声波；
（5）所述地震检波器111测量所述待测地面110上的待测位置点201的地表振动速度，并由所述计算机113记录，然后关闭所述的声波发射系统的所有电源；
（6）将所述扬声器104固定卡入其中的扬声器卡槽105，所述扬声器卡槽105通过加长固定铁板106和两个螺栓107固定在所述的入射角调整机构108的第二端面203上，即使所述的扬声器104发声端口的中轴线相对竖直方向旋转正72边形的一个中心角α的角度即为5°，重启所述的声波发射系统的所有电源，采取与步骤（4）-（5）相同的步骤，记录该频率声波激励下所述待测地面110上的待测位置点201处的地表振动速度；
（7）重复步骤（6）的操作，记录至预设所述入射角调整机构108的端面系204上所有端面对应的扬声器104发声端口的中轴线相对竖直方向旋转角度情况下的所述待测地面110上的待测位置点201的地表振动速度，并在所述计算机113中求出并记录所述的扬声器104发声端口的中轴线相对竖直方向的角度为0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°情况下的地表振动速度；
（8）对以上步骤中求出的在所述的扬声器104发声端口的中轴线相对竖直方向的角度为0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°情况下的地表振动速度找出最大值，其对应角度即为所测量的在声波激发频率为f 0情况下的声-地震耦合最佳入射角。
Claims (2)
1.一种声-地震耦合最佳入射角测量装置，其特征在于，包括由信号发生器（101）、调音台（102）、功率放大器（103）、扬声器（104）、扬声器卡槽（105）、入射角调整机构（108）构成的声波发射系统，以及由地震检波器（111）、数据采集卡（112）和计算机（113）构成的地表振动速度检测系统；所述信号发生器（101）通过导线依次连接所述调音台（102）、所述功率放大器（103）和所述扬声器（104）；所述扬声器（104）固定卡入通过加长固定铁板（106）以及两个螺栓（107）固定在所述的入射角调整机构（108）的端面上的所述扬声器卡槽（105）中；所述地震检波器（111）通过数据线经所述数据采集卡（112）与所述计算机（113）连接；所述入射角调整机构（108）通过两个滚动轮（109）置于待测地面（110）上，所述入射角调整机构（108）的第一端面（202）、第二端面（203）以及端面系（204）构成所述待测地面（110）上的待测位置点（201）为对称中心的正72边形的若干端面，每个端面的中心角α为5°。
2. 一种声-地震耦合最佳入射角测量方法，采用如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，本方法具体实施步骤为：
（1）将所述的扬声器（104）固定卡入通过加长固定铁板（106）以及两个螺栓（107）固定在所述的入射角调整机构（108）的第一端面（202）上的所述扬声器卡槽（105）中；
（2）通过推动所述的入射角调整机构（108）使所述的扬声器（104）发声端口的中轴线与入射角调整机构（108）的第一端面（202）的中垂线重合并正对待测地面（110）上的待测位置点（201）；
（3）将所述地震检波器（111）插入到所述待测地面（110）上的待测位置点（201），所述地震检波器（111）的输出端口由数据线连接到所述数据采集卡（112）的输入端口上，所述数据采集卡（112）的输出端口由数据线连接到所述计算机（113）的输入端口；
（4）所述信号发生器（101）发出频率为f 0的起始正弦波信号，依次通过所述调音台（102）和所述功率放大器（103）放大后由所述扬声器（104）发出高强度正弦声波；
（5）所述地震检波器（111）测量所述待测地面（110）上的待测位置点（201）的地表振动速度，并由所述计算机（113）记录，然后关闭所述的声波发射系统的所有电源；
（6）将所述扬声器（104）固定卡入通过加长固定铁板（106）及两个螺栓（107）固定在所述的入射角调整机构（108）的第二端面（203）上的所述扬声器卡槽（105）中，即将所述的扬声器（104）发声端口的中轴线相对竖直方向旋转正72边形的一个中心角α的角度，即5°，重启所述的声波发射系统的所有电源，采取与步骤（4）-（5）相同的步骤，记录该频率声波激励下所述待测地面（110）上的待测位置点（201）处的地表振动速度；
（7）重复步骤（6）的操作，记录扬声器（104）发声端口的中轴线相对竖直方向旋转与所述入射角调整机构（108）的端面系（204）上所有端面对应的旋转角度情况下的所述待测地面（110）上的待测位置点（201）的地表振动速度，并在所述计算机（113）中求出并记录所述的扬声器（104）发声端口的中轴线相对竖直方向的角度为0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°情况下的地表振动速度；
（8）对以上步骤中求出的在所述的扬声器（104）发声端口的中轴线相对竖直方向的角度为0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°情况下的地表振动速度找出最大值，其对应角度即为所测量的在声波激发频率为f 0情况下的声-地震耦合最佳入射角。
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