CN115390129A - 一种内置纵横波发射及接收换能器的原位声学触探装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内置纵横波发射及接收换能器的原位声触探装置，其特征在于，包括：驱动装置；探测杆，沿z向延伸，并且可由所述驱动装置驱动沿z向延伸贯入地下；发射换能器，设置在探测杆上，用于激励产生沿z向振动的声纵波、沿x‑y向振动的声横波；接收换能器，设置在探测杆上，用于测量和记录探测杆贯入地下的探测过程中由发射换能器产生的声纵波和声横波的信息；CPU，用于计算声纵波和声横波的速度。本发明的有益效果在于，利用该装置可以在现场节省探测时间和成本，并能获得更为准确的地层声学特性和结构特征等参数。

Description

一种内置纵横波发射及接收换能器的原位声学触探装置

技术领域

本发明涉及一种原位声学触探装置，尤其是内置纵横波发射及接收换能器的原位声学触探装置。

背景技术

目前，基于声波测量技术的静力触探技术及装置已经用于地下工程勘查中，比如地震波技术的地震静力触探仪器(S-CPT) ，其是在常规的静力触探设备（CPT）常用的贯入压力传感器和套筒摩擦传感器的基础上，附加安装了地震波传感器。具体操作时，锥形静力触探贯入仪被贯入地下地层介质，每贯入为1米仪器停顿时，在最初的贯入仪插入点附近，主动激励触发一次地震事件。地震事件触发时，常采用一个重锤作为地震源，其被放置在接近插入点的地面上，通过一个连接在摇臂上的落锤敲击铁砧而产生。震源激励的地震冲击波从地表开始，依次通过不同的地层进行传播，直到被安装在CPT上的地震波传感器探测到。随着锥形贯入仪进一步贯入地下，不断重复一次地震波事件，形成阶段性的探测记录。在每一次贯入停顿期间，当重锤从横向水平方向撞击铁砧时，产生地震横波的地下传播，而在垂直方向上撞击铁砧时，地震纵波进入地下开始传播。通过每次在地震波传感器上测量每次地震波事件中的地震纵波和横波的到达时间，即可以计算出这些地震纵波和横波穿过目的原位地层的速度。利用速度信息就可以用来确定地下地层介质的弹性和有关力学性质参数。同时，这些相关介质的弹性和力学等特性可用于预测与地震波激励有关的地下运动状况、振动设备基础设计、预测地下开挖工程周围的地下介质变形特性等。必要时，也可在贯入仪的间歇性推送过程中完成其他标准圆锥贯入试验（CPT）参数的测量，例如，锥尖阻力、套筒阻力和其他参数。上述探测系统的一个缺点是，首先，比较昂贵和耗时，因为在锥形贯入仪贯入地下后，需要停止贯入仪的推进运动完成一次地震波测试后，才能开始下一次贯入测试；其次，贯入仪间歇地推入地面的过程会不停地扰动地下介质层，导致对原位地层性质的探测误差；第三，地震波传感器探测纵横波速度的准确性不够，还有待提高；第四，当贯入测量深度逐步变大时，地震冲击波信号的强度因传播距离增大而受到较大的抑制，在一定程度，继续不断增加地震冲击波信号强度是有局限性的，因为太强的地震冲击波一定会扰动和破坏地下表层介质；第五，由于震源与接收换能器之间存在一定的水平距离，即地震波震源位于地面且与探测杆的插入点是间隔开的，而接收换能器是安装在靠近探测杆中心轴或围绕探测棒中心轴的探测针中，实际上进行的是地层的倾斜测量，声波传播路径既不是水平方向，也不是垂直方向。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种内置纵横波发射及接收换能器的原位声学触探装置，利用该装置可以在现场节省探测时间和成本，并能获得更为准确的地层声学特性和结构特征等参数。

本发明是通过以下技术方案来实现的。

一种内置纵横波发射及接收换能器的原位声学触探装置，包括：

驱动装置；

探测杆，沿z向延伸，并且可由所述驱动装置驱动沿z向延伸贯入地下；

发射换能器，设置在探测杆上，用于激励产生沿z向振动的声纵波、沿x-y向振动的声横波；

接收换能器，设置在探测杆上，用于测量和记录探测杆贯入地下的探测过程中由发射换能器产生的声纵波和声横波的信息；

CPU，用于计算声纵波和声横波的速度。

本发明中，发射换能器和接收换能器均设置在探测杆中，发射换能器与接收换能器在所述z方向上以固定间距间隔（源距）。本发明CPU的设置，主要是用于计算所述产生的声纵波和声横波的速度，这些声波分别是在内置发射换能器中被激励，在邻近测量探测杆的位置，声波在内置发射换能器和接收换能器之间的地下介质中传播而被接收。本发明的发射换能器和接收换能器在被贯入地下时，均由探测杆来携带。探测时，声纵波和横波可以直接辐射到特定的地下原位地层中，这些地下原位地层位于内置发射换能器和接收换能器之间（深度方向），与探测杆相邻并紧靠着测量探测针（水平方向），具体测量时，探测杆可穿过/沿着这些地层被贯入。内置的发射换能器和接收换能器之间始终保持固定距离（源距），因此探测过程是完全独立于穿透深度的。由于发射换能器和接收换能器之间保持着固定距离，在更大深度测量时也是被一起被贯入的，这样，声纵波和声横波的距离传播衰减就可以减小甚至忽略不计。这种情形时，激励产生的声波就不需要再如此大的穿透深度下不断地被重复、叠加或增加。这与现有技术S-CPT的测量过程相比，形成明显的对比。

本发明的内置纵横波发射及接收换能器的原位声学触探装置，还具有以下有点：

首先，地下地层介质测量深度不再受到限制；其次，还可以从根本上提高计算声纵波和声横波速度等参数的计算速度和测量精度，原因是，本装置的发射换能器放置在与接收换能器位于相同的x-y位置，这样就不会出现因角度引起的误差；再者，为了获得特定原位地下地层介质特性，不需要在连续的声学测量之间进行减法运算，进一步提高了测量精度。

此外，由于内置了发射换能器和接收换能器，与以往探测技术相比（如S-CPT仪器），本发明装置的现场操作过程变得更为简单。这一点，在用于海洋探测环境时更为重要，因为在深海环境下，将发射换能器放置在海底是可以实现的，但操作过程相当复杂。此外，在发射换能器的放置和操作过程中，本装置将减少人为原因方面的失误，且设备准备的时间也会大大减少；同时，一体化设计的探测设备也不易发生故障，维护成本也会降低。

利用本发明的内置纵横波发射及接收换能器的原位声学触探装置，可一次性贯入并完成基于声学技术的各种地下地层的原位信息探测，在此期间，测量探测针通过特点可选择的推动方式被贯入穿透到未扰动的地下地层介质中，完成地下地层的岩土特性和结构特征的测量与评价。

本发明的内置纵横波发射及接收换能器的原位声学触探装置，可用于地下介质地层的贯入仪测量，其测量探测杆中设置有一体化集成传感器，可以准确地测量原位地下表层介质中x、y或z方向的声速和幅度信息，这些信息可用于评价地下地层的原位特性和原位结构特征。利用一根独立的探测杆和测量探测针即可完成特定特性参数和结构特征参数的测量及计算，这些采集的参数可用来计算地下地层介质的剪切模量和泊松比，用于地下地层介质液化分析和低应变地下地层介质强度分析等，同时，工程师也可以使用横波速和剪切模量来确定地下地层介质在低应变和振动荷载下的行为；同样，相关结构参数可用来评价原位地下地层中特殊的结构地质体分布特征，分析评价探测杆附近区域的、地下介质中可能赋存的裂缝、裂隙、孔洞，孤石等目标体，为地下基础的工程设计和建设提供精准的参考依据。

本发明可以准确地测量原位地下表层介质中x、y或z方向的声速和幅度信息，这些信息可用于评价地下地层的原位特性和原位结构特征。采集的参数可用来计算地下地层介质的剪切模量和泊松比，用于地下地层介质液化分析和低应变地下地层介质强度分析等，同时，工程师也可以使用横波速和剪切模量来确定地下地层介质在低应变和振动荷载下的行为；同样，相关结构参数可用来评价原位地下地层中特殊的结构地质体分布特征，分析评价探测杆附近区域的、地下介质中可能赋存的裂缝、裂隙、孔洞，孤石等目标体，为地下基础的工程设计和建设提供精准的参考依据。

在油气勘探行业，相关的探测是通过石油测井仪器来实现的，包括获取石油钻井穿过地层时的某些特征数据，这些数据用于评价与钻井本身尺寸和结构有关，以及钻头方向和倾斜度参数（以便钻具可以朝正确的方向转动）等。但是，如果利用钻头将这种带有集成结构的声波测井仪组件去实现地下地层介质的探测，去测量未扰动的地下地层介质中的原位信息，很显然，这在技术上是不合理的。

作为本发明的进一步改进，所述发射换能器位于所述接收换能器的上方，两者之间具有固定间距。两者的位置限定，可避免接收换能器在已经可能受到发射换能器扰动的区域内运行。

发射换能器和接收换能器之间在z方向上的固定间距（源距）有助于把声波传播的距离性衰减降至最低；同时，也可通过针对性的设计，保证发射换能器和接收换能器可在x-y或z方向上可以精巧地连接到探测杆上，并尽可能避免声波通过外壁部件直接传输到接收换能器（即直达波信号，其属于干扰信号）。

作为本发明的进一步改进，所述探测杆位于所述发射换能器和所述接收换能器之间的部分设置有声学隔声机构，用于消除或削弱沿探测杆传输的声纵波、声横波。

作为本发明的进一步改进，所述声学隔声机构包括包裹在探测杆上的管体，所述管体的表面上具有多个隔声槽。

作为本发明的进一步改进，所述隔声槽内填充有隔声阻尼材料。

作为本发明的进一步改进，所述声学隔声机构包括包裹在探测杆上的由隔声阻尼材料制得的隔声套管。

作为本发明的进一步改进，所述声学隔声机构包括形成在探测杆表面上并且呈螺旋线性延伸的隔声构件，所述隔声构件的硬度低于探测杆。

作为本发明的进一步改进，所述发射换能器用于产生正弦声纵波和正弦声横波。利用正弦波的优点：可以对检测到的声波信号进行窄带滤波，而其他来源的各种噪声信号，例如地面系统的驱动装置的噪声，以及探测杆与地面之间的摩擦接触噪声都可以减弱和消除；此外，正弦波的对称特性，有助于很好地确定单频声波的过零点（首波初至）。

作为本发明的进一步改进，所述发射换能器产生的正弦声纵波和正弦声横波的声源为500Hz-30kHz。这种不低于50 Hz的声波工作频率，是有可能可以将声纵波速和声横波速作为标准的CPT参数的参数补充添加到CPT系列参数中的，原因是，这些参数都是在标准圆锥贯入试验期间，探测杆贯入时测得的。

如上所述，本装置在声学测量的过程中，探测杆在穿透地下时是不必停止的，这可以保证探测杆连续穿透地下介质，所实施的声波探测也是连续的。因此，本发明可以实现“连续”工作方式的声波圆锥贯入试验。

由于发射换能器和接收换能器之间的固定距离相对较短，其带来的距离性衰减的影响也会较小，这样，使得本发明选择更高频率的声波就成为可能；而采用高频声波，就可以实现发射换能器的小型化；此外，高频声波产生的机械振幅较小，也能保证其对周围地层接触面的干扰会更小。

作为本发明的进一步改进，所述探测杆的前端形成有探测针；所述探测针由前向后包括依次连接的头部段、接收换能器、中间段、发射换能器、尾部段；所述CPU设置在中间段内；所述声学隔声机构设置在中间段上。

探测针的设置，以便在插入地下时，保证接收换能器和发射换能器在原位地层地下地层介质的正常工作。通过这种设计，确保地下地层介质探测装置贯入地下期间，探测杆可自动沿着原位地层且在尽可能不扰动地下地层介质的情况下进行滑动，也尽可能地紧密耦合接触原位地层。

附图说明

下面将通过附图详细描述本发明中优选实施案例，以助于理解本发明的目的和优点，其中：

图1 为内置纵横波发射及接收换能器的原位声学触探装置的结构示意图；

图2为探测针的结构示意图；

图3为正弦声纵波生成的示意图；

图4为正弦声横波生成的示意图；

图5为产生和不同间距检测到的声波横波和纵波时差示意图；

图6为一种实施案例下发射换能器的示意图；

图7为另一种实施案例下发射换能器的示意图

图8为一种实施案例下接收换能器的示意图；

图9为第一种实施方式下声学隔声机构的结构示意图；

图10为第二种实施方式下声学隔声机构的结构示意图；

图11为第三种实施方式下声学隔声机构的结构示意图。

具体实施方式

下面根据附图和实施案例对本发明作进一步详细说明。

在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等方位用语是相对于各附图中所示的构造进行定义的，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向它们是相对的概念，因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以，也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。

参照图1，本发明，内置纵横波发射及接收换能器的原位声学触探装置，包括探测杆1，形成在探测杆1前端的探测针2，探测杆1和探测针2沿z向设置，带有探测针2的探测杆1通过测试动力设备4（如车辆等）提供的驱动装置3，向下驱动探测杆1贯入地下。

参照图2，探测针2由前向后包括依次连接的头部段2c、接收换能器10、中间段2b、发射换能器7、尾部段2a，发射换能器7用于交替产生正弦声纵波（P波），其振动方向为z方向；以及产生一个正弦声横波（S波），振动方向为x-y方向，辐射进入地下地层中。

发射换能器7为管状结构，并通过柔性连接件8柔性连接至探测针2的尾部段2a和中间段2b，柔性连接8使得发射换能器7能够在x、y和z方向上相对于尾部段2a、中间段2b进行灵活移动，柔性连接件8可由橡胶、隔声阻尼材料或者弹簧等元件制作，也可以利用上述多种材料组合制作完成。

所述探测杆1位于所述发射换能器和所述接收换能器之间的部分即中间段2b设置有声学隔声机构，用于消除或削弱沿探测杆传输的声纵波、声横波。所述发射换能器7产生的正弦声纵波以及正弦声横波，通过土层传播和沿着探测杆1传递至接收换能器10的，需要检测的是通过土层传播的，而沿着探测杆1传播的则会对检测结果产生干扰，因此需要对这部分的声波进行消除。

在第一种实施方式下，参照图9，所述声学隔声机构包括包裹在中间段2b的管体91，所述管体的表面上具有多个隔声槽92，通过隔声槽92增大了正弦声纵波以及正弦声横波沿中间段2b的移动路径，从而能够削弱消除正弦声纵波以及正弦声横波。再进一步地，所述隔声槽92内填充有隔声阻尼材料，例如橡胶、隔音棉等多孔结构，从而进一步增强隔声效果。

在第二种实施方式下，参照图10，所述声学隔声机构包括包裹在中间段2b上的由隔声阻尼材料制得的隔声套管93，隔声阻尼材料可使用例如橡胶、隔音棉等多孔结构，在这种实施方式下，所述声学隔声机构主要通过材质的隔声属性来消除正弦声纵波以及正弦声横波。

在第三种实施方式下，参照图11，所述声学隔声机构包括形成在探测杆表面上并且呈螺旋线性延伸的隔声构件94，所述隔声构件94的硬度低于探测杆，这种隔声方式和第一种隔声方式有些类似，利用了材质软硬有区分以及增大正弦声纵波以及正弦声横波的移动路径来实现隔声的目的。

接收换能器10设置的目的是用于交替检测z方向上产生的正弦纵波和x-y方向上产生的正弦横波，这些正弦波在发射换能器7和接收换能器10之间的地层中进行传播。

接收换能器10整体为管状结构，并通过柔性连接件11柔性连接至中间段2b和探头2的头部段2c，柔性连接11使得接收换能器10能够在x、y和z方向上相对于中间段、头部段2c进行自由移动。

发射换能器7位于接收换能器10上方，固定距离L处（中间段2b的长度），距离可根据实际探测仪要求设计。

探测针2在尾部段2a处配备有耦合连接装置，例如螺纹或卡口耦合连接，其与探测杆1的其余部分实现快速连接。在其前端，测量探测针2还包括用于锥形尖端电阻测量的锥形前端部分2d。探测杆2可以由一根组成，但对于更大深度的探测需求，可优选地增加多个可互连的后续杆段，使得探杆在穿透地下后，每次都可以通过增加一个新的杆段连接在其上端不断延伸来实现。

此外，在头部段2c的前端设置有锥形结构2d，通过推动力穿透地面进入地下原状地层地下地层介质中，实现地下地层的岩土特性测量。

头部段2c内设置有倾斜传感器、水压传感器、温度传感器。这些测量装置中的每一个单元都可以设置在头部段的独立空间内，可方便拆卸并容易与其他探测针的端口位置（上下机电接口）快速连接，当不需要测量其他CPT参数时，可快速去除这些传感器，这时，头部段只作为贯入使用。

在探测针2内部，可设计提供一个嵌入式的CPU12，分别用于计算探测仪测量过程产生的声纵波和声横波速度。

地下地层介质探测装置可按如下方式使用：

驱动设备4（如车辆等）停置在目标测试位置，然后将探测杆1插入地下，例如以2厘米/秒的速度贯入，在穿透期间，发射换能器7由CPU控制，以交替方式产生z方向上的正弦纵波，周期数可选择5个周期，x-y方向上的正弦声横波周期数也可选择5个周期。然后，采用接收换能器10检测接收产生的声纵波和声横波，并将这些数据发送至CPU。如图5所示，产生的和检测到的声波信号之间因为传播而发生时间差、幅度差和相位差；与一般声波信号相比，检测到的回波信号相对小弱。

CPU的设计，目的是对交替产生的正弦纵波和横波速度进行计算，这些正弦纵波和横波，从发射换能器7位置传播到接收换能器10的地层，然后，从相对应的一组激励正弦纵波信号中扣除一组接收到的正弦纵波信号（周期数相对应），进而获得该组声波信号的平均相移，该相移除以固定距离L（探测针2的纵波信号穿过的特定原位地层），最后给出通过这些原位地层声纵波的速度。同样，从相对应的一组激励正弦横波信号中扣除一组接收到的正弦横波信号（周期数相对应），获得该组声波信号的平均相移，该相移除以固定距离L（探头2的横波信号穿过的特定原位地层），最后给出通过这些原位地层声横波的速度。

在探测杆1进入地下地层的整个贯入穿透运动过程中，可以重复激励产生、检测和计算确定纵波和横波的原位地层传播速度和幅度信息。采用直达纵波和横波的幅度衰减及速度信息，可改进上述计算，直达纵波和横波是指直接沿着中间段2b的外壁，从发射换能器7传播到接收换能器10的声波。通过上述处理，就可以获得纵波和横波的速度信息，这些信息代表了声波穿过探测针2附近的原位地层信息；同时，通过上述以类似的处理办法，也可以滤除各种类型的噪声干扰信号，例如来自驱动装置3或驱动设备4的电机干扰信号等，以便进一步改进传播速度的计算。

使用不同的发生器来产生纵波和横波，这些独立的发射换能器7采用独立设计；当然，与本发明描述的一种一体化接收换能器，也可以使用独立的纵波接收换能器和独立的横波接收换能器设计。

对于发射换能器7，可使用各种不同系列和类型的声（震）源。例如，本专利中，图6和图7显示了两种声源设计类型，一种是基于压电材料的圆管结构（或者半圆管相扣）纵波发射换能器，一种是基于弯曲振动的三叠片偶极横波发射换能器。

对于探测器10，也可包括各种不同系列和类型的接收型传感器，本专利中图8显示一种一体化的接收换能器，即将压电接收换能器和接收电路统一封装，形成一体化的集成模块。

除了所示的实施例之外，各种变体都是可能的。例如，不同部件的尺寸和形状可以不同，发射换能器和接收换能器也可以内置在探测针的其他对应位置。

发射换能器7和接收换能器10可设计位于探测针2的整个圆周上，也可以设计在一个或几个的特定的圆周位置进行安装。发射换能器7、接收换能器10和CPU可以通过如CAN总线等方式相互连接，并与地面控制单元相连通信。

同样，CPU可嵌入测量探测针2中，也可以放置在地面系统中；CPU设计可使用锁相环（PLL）电路，该电路可锁定检测到的信号，并将产生的信号进行相移处理后输出。

最后应说明的是：以上实施案例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施案例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施案例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施案例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种内置纵横波发射及接收换能器的原位声学触探装置，其特征在于，包括：

驱动装置；

探测杆，沿z向延伸，并且可由所述驱动装置驱动沿z向延伸贯入地下；

发射换能器，设置在探测杆上，用于激励产生沿z向振动的声纵波、沿x-y向振动的声横波；

接收换能器，设置在探测杆上，用于测量和记录探测杆贯入地下的探测过程中由发射换能器产生的声纵波和声横波的信息；

CPU，用于计算声纵波和声横波的速度。

2.根据权利要求1所述的内置纵横波发射及接收换能器的原位声学触探装置，其特征在于，所述发射换能器位于所述接收换能器的上方，两者之间具有固定间距。

3.根据权利要求2所述的内置纵横波发射及接收换能器的原位声学触探装置，其特征在于，所述探测杆位于所述发射换能器和所述接收换能器之间的部分设置有声学隔声机构，用于消除或削弱沿探测杆传输的声纵波、声横波。

4.根据权利要求3所述的内置纵横波发射及接收换能器的原位声学触探装置，其特征在于，所述声学隔声机构包括包裹在探测杆上的管体，所述管体的表面上具有多个隔声槽。

5.根据权利要求4所述的内置纵横波发射及接收换能器的原位声学触探装置，其特征在于，所述隔声槽内填充有隔声阻尼材料。

6.根据权利要求3所述的内置纵横波发射及接收换能器的原位声学触探装置，其特征在于，所述声学隔声机构包括包裹在探测杆上的由隔声阻尼材料制得的隔声套管。

7.根据权利要求3所述的内置纵横波发射及接收换能器的原位声学触探装置，其特征在于，所述声学隔声机构包括形成在探测杆表面上并且呈螺旋线性延伸的隔声构件，所述隔声构件的硬度低于探测杆。

8.根据权利要求2所述的内置纵横波发射及接收换能器的原位声学触探装置，其特征在于，所述发射换能器用于产生正弦声纵波和正弦声横波。

9.根据权利要求8所述的内置纵横波发射及接收换能器的原位声学触探装置，其特征在于，所述发射换能器产生的正弦声纵波和正弦声横波的声源为500Hz-30kHz。

10.根据权利要求3-9任一项所述的内置纵横波发射及接收换能器的原位声学触探装置，其特征在于，所述探测杆的前端形成有探测针；所述探测针由前向后包括依次连接的头部段、接收换能器、中间段、发射换能器、尾部段；所述CPU设置在中间段内；所述声学隔声机构设置在中间段上。

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