CN103995283A - 声-地震耦合效率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-地震耦合效率测量装置及测量方法，包括声波发射系统、待测地表声波检测装置和待测地表振动速度检测装置。声波发射系统包括计算机、数据采集卡、信号处理放大器和声学参量阵；待测地表声波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、多普勒振动计、数据采集卡和计算机。声波发射系统发出高指向性的高频声波，在待测地表位置产生低频声波，由声压级检测装置检测待测地表位置处的声压级，并由地表振动速度检测装置检测待测地表位置处的振动速度，所测地表处的振动速度与声压级的比值即为地表声-地震耦合效率。本发明能实现地表声-地震耦合效率的非接触式、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-地震耦合效率非接触测量装置及方法。
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，耦合的地表振动速度与地表声压的比值称为地表声-地震耦合效率。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-地震耦合效率的大小。因此，通过检测地表声-地震耦合效率的变化异常情况，可用于非金属地雷探测方面的研究，但目前尚无专用非接触检测方式的地表声-地震耦合效率测量装置。
一个典型的非接触地表声-地震耦合效率测量装置应包括高指向性声波发射系统和非接触地表振动速度检测系统，“地雷对地表声阻抗率的影响研究”，王驰等，传感器与微系统，2008年，第27卷第8期，第36-38页，研究的声发射系统基于音响系统，不能做到高指向性、远距离的声波发射，地表振动速度检测系统基于地震检波器这种接触式速度传感器，不能进行地表振动速度的非接触检测，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-地震耦合效率非接触检测装置和检测方法，可实现对地表声-地震耦合效率的高精度、快速的非接触测量。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种声-地震耦合效率测量装置，包括计算机、信号处理器、声学参量阵、多普勒振动计、数据采集卡和声级计，所述计算机依次通过数据线连接所述数据采集卡、所述信号处理器和所述声学参量阵，构成的声波发射系统；所述声级计依次通过数据线连接所述数据采集卡和所述计算机，构成的声压级检测系统；所述多普勒振动计依次通过数据线连接所述数据采集卡和所述计算机，构成的地表振动检测系统。
一种声-地震耦合效率测量方法，采用上述的声-地震耦合效率测量装置来测量计算，测量步骤如下：
（1）将声波发射系统的声学参量阵发声端口对准待测地表位置；
（2）将声压级检测系统的声级计放置于待测地表位置；
（3）通过计算机发出差频为f 0的两列高频正弦波信号，依次通过数据采集卡和信号处理器后由声学参量阵发出高指向性正弦声波；
（4）改变声学参量阵相对待测地表位置的距离和方向，至声级计测出频率为f 0且声压级达到极大值的声波，并在计算机中记录该声压级的极大值；
（5）保持计算机、数据采集卡、信号处理器和声学参量阵构成的声波发射系统的连接、参数设置及声学参量阵相对待测地表位置的距离和方向不变，即保持声级计在待测地表位置检测到的声波频率为f 0，且声压级达到极大值；
（6）移走声级计，利用多普勒振动计、数据采集卡和计算机构成的地表振动检测系统测量待测地表位置的地表振动速度，由计算机记录；
（7）对所测的待测地表位置处的地表振动速度和所测的待测地表位置处的声压级极大值求比值，即得待测地表位置处在激励声波频率为f 0时的声-地震耦合效率。。
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：
本发明将计算机、数据采集卡、信号处理器和声学参量阵连接，解决了低频声波输出的高指向性问题，改善了声波发射系统性能；在地表振动速度检测时，通过利用多普勒振动计和多通道数据采集卡实现了对地表振动速度的非接触快速检测。
附图说明 图1是本发明的待测地表声-地震耦合效率非接触测量装置结构示意图。
图2是地表声-地震耦合效率非接触测量步骤框图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图论述如下：
实施例一：参见图1，本地表声-地震耦合效率非接触测量装置的结构包括计算机101、信号处理器102、声学参量阵103、多普勒振动计104、数据采集卡105和声级计106，所述计算机101依次通过数据线连接所述数据采集卡105、所述信号处理器102和所述声学参量阵103，构成的声波发射系统；所述声级计106依次通过数据线连接所述数据采集卡105和所述计算机101，构成的声压级检测系统；所述多普勒振动计104依次通过数据线连接所述数据采集卡105和所述计算机101，构成的地表振动检测系统。
本实施例中用到的声学参量阵103和信号处理器102采用由美国Holosonics公司生产的24英寸音频聚光灯超声换能器阵列（24-in diameter Audio Spotlight ultrasonic transducer array）和与其配套的信号处理放大器（Processor/Amplifier），数据采集卡采用美国国家仪器（NI）有限公司生产的NI-PXI多通道数据采集系统，多普勒振动计采用德国Polytec公司生产的PDV-100激光多普勒振动计。
实施例二：参见图2，本地表声-地震耦合效率非接触测量方法，采用实施例一的装置测量计算地表声-地震耦合效率，测量步骤如下：
（1）将声波发射系统的声学参量阵103发声端口对准待测地表位置107；
（2）将声压级检测系统的声级计106放置于待测地表位置107；
（3）通过计算机101发出差频为f 0的两列高频正弦波信号，依次通过数据采集卡105和信号处理器102后由声学参量阵103发出高指向性正弦声波；
（4）改变声学参量阵103相对待测地表位置107的距离和方向，至声级计106测出频率为f 0且声压级达到极大值的声波，并在计算机101中记录该声压级的极大值；
（5）保持计算机101、数据采集卡105、信号处理器102和声学参量阵103构成的声波发射系统的连接、参数设置及声学参量阵103相对待测地表位置107的距离和方向不变，即保持声级计106在待测地表位置107检测到的声波频率为f 0，且声压级达到极大值；
（6）移走声级计106，利用多普勒振动计104、数据采集卡105和计算机101构成的地表振动检测系统测量待测地表位置107的地表振动速度，由计算机101记录；
（7）对所测的待测地表位置107处的地表振动速度和所测的待测地表位置107处的声压级极大值求比值，即得待测地表位置107处在激励声波频率为f 0时的声-地震耦合效率。
Claims (2)
1.一种声-地震耦合效率测量装置，包括计算机（101）、信号处理器（102）、声学参量阵（103）、多普勒振动计（104）、数据采集卡（105）和声级计（106），其特征在于：所述计算机（101）依次通过数据线连接所述数据采集卡（105）、所述信号处理器（102）和所述声学参量阵（103），构成的声波发射系统；所述声级计（106）依次通过数据线连接所述数据采集卡（105）和所述计算机（101），构成的声压级检测系统；所述多普勒振动计（104）依次通过数据线连接所述数据采集卡（105）和所述计算机（101），构成的地表振动检测系统。
2.一种声-地震耦合效率测量方法，采用根据权利要求1所述的声-地震耦合效率测量装置来测量计算，其特征在于，测量步骤如下：
（1）将声波发射系统的声学参量阵（103）发声端口对准待测地表位置（107）；
（2）将声压级检测系统的声级计（106）放置于待测地表位置（107）；
（3）通过计算机（101）发出差频为f 0的两列高频正弦波信号，依次通过数据采集卡（105）和信号处理器（102）后由声学参量阵（103）发出高指向性正弦声波；
（4）改变声学参量阵（103）相对待测地表位置（107）的距离和方向，至声级计（106）测出频率为f 0且声压级达到极大值的声波，并在计算机（101）中记录该声压级的极大值；
（5）保持计算机（101）、数据采集卡（105）、信号处理器（102）和声学参量阵（103）构成的声波发射系统的连接、参数设置及声学参量阵（103）相对待测地表位置（107）的距离和方向不变，即保持声级计（106）在待测地表位置（107）检测到的声波频率为f 0，且声压级达到极大值；
（6）移走声级计（106），利用多普勒振动计（104）、数据采集卡（105）和计算机（101）构成的地表振动检测系统测量待测地表位置（107）的地表振动速度，由计算机（101）记录；
（7）对所测的待测地表位置（107）处的地表振动速度和所测的待测地表位置（107）处的声压级极大值求比值，即得待测地表位置（107）处在激励声波频率为f 0时的声-地震耦合效率。
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| CN106596728A (zh) * | 2016-11-05 | 2017-04-26 | 上海大学 | 一种高指向性低频声波发射与测量的装置及方法 |
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