JP4315316B2

JP4315316B2 - 音波検層用振源

Info

Publication number: JP4315316B2
Application number: JP2001043178A
Authority: JP
Inventors: 勢之藤井
Original assignee: Oyo Corp
Current assignee: Oyo Corp
Priority date: 2001-02-20
Filing date: 2001-02-20
Publication date: 2009-08-19
Anticipated expiration: 2021-02-20
Also published as: JP2002243864A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地質調査等で用いる音波検層用振源に関し、更に詳しく述べると、間隔をおいて配置した一対の短冊状の振動板を、電磁的に駆動することにより、ダイポール振源動作又はモノポール振源動作を行わせるようにした音波検層用の振源ユニット及び振源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
音波検層法は、ボーリング孔内に、振源とその振源から発生した振動を受振する受振器とを、孔軸方向に所定間隔だけ離して設置し、振源による振動を孔内水によって孔壁に伝達し、孔壁を伝播してくる振動波形を受振器で検出記録して、Ｐ波（圧力波）やＳ波（剪断波、屈曲波）などを測定する方法である。速度検層法のうちの孔内起振受振法と類似した方法であるが、周波数が数十ｋＨｚ程度以下の音波・超音波領域を使用することから音波検層法と呼ばれている。
【０００３】
音波検層法が使用され始めた初期には、Ｐ波速度及び屈折Ｓ波速度の測定が主であった。しかし、ボーリング孔を屈曲させながら伝播する屈曲波（flexuaral 波）の理論的裏付け及びその実証により、Ｐ波測定からＳ波測定、更にstonely 波などの孔内波の精密な測定を行うようになってきた。
【０００４】
音波検層用の振源は、初期には圧力波を発生する圧電素子や磁歪素子を用いたモノポール振源（単極振源；発生する振動はＰ波）であった。最近では、モノポール振源とダイポール振源（双極振源；発生する振動はＳ波）を併用する測定装置が多くなっている。
【０００５】
そのダイポール振源としては、ソレノイドハンマ、磁歪素子、電磁駆動ダイヤフラムなどを孔軸に直交する方向に変位させて振動方向に正圧をその反対に負圧を発生させる方式、２個の円筒圧電素子を隔壁の両側に配置し正圧と負圧を発生させる方式、２個のバイモルフ振動子又はランジュバン振動子などを駆動方向の組み合わせにより同様の正圧と負圧を発生させる方式などがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
これらの振源における振動子は、共振周波数の近傍で使用しているために周波数帯域が狭い。これは、従来の振源では、起振パワーを大きくする必要があるとの観点から、大きな衝撃電圧で駆動するために振源の共振周波数近傍の周波数が発生するためであった。このことは、初期の音波検層では、プローブ径の関係から、取り扱う周波数が１０ｋ〜３０ｋＨｚ程度であったことから、特に問題とはなっていなかった。
【０００７】
しかし最近の音波検層では、電子技術の発達、並びに現場でのより精密な波形の測定の要求から、ある程度のパワーはもちろん必要であるが、むしろ周波数帯域が広く、きれいな波形、即ち、モノパルス波形や任意の駆動電圧波形に忠実な波形を発生する振源が要求されるようになってきている。例えば、測定する振動の波の種類と解像力の関係にもよるが、およそ１ｋ〜３０ｋＨｚの周波数帯域を取り扱う必要が生じている。ところが、このような広い周波数帯域をカバーできる振源は未だ開発されていない。
【０００８】
本発明の目的は、広い周波数帯域をカバーでき、ダイポール振源動作とモノポール振源動作が可能であり、構造が簡単でメンテナンスし易い音波検層用振源を提供することである。本発明の他の目的は、きれいな波形と周波数帯域の広い振動を効率よく発生できる音波検層用振源装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、磁界中に、電気導体からなる２枚の短冊状の振動板を間隔をおいて対向配置し、これらの振動板に同方向又は逆方向の電流を流すことによりダイポール振源動作又はモノポール振源動作を行わせるようにした音波検層用振源である。
【００１０】
より具体的には、対向する側面に窓部が開口している筒状ケースと、該筒状ケース内で両方の窓部に臨むようにそれぞれ位置し両端部で保持されている短冊状の振動板と、振動板の幅方向に磁束の向きが生じるように振動板の両側に配設した永久磁石とを具備するように構成する。ここで振動板は、例えばリボン状の金属アルミニウム箔の表裏面を軟質樹脂で覆った構造をなしているのが好ましい。
【００１１】
音波検層用の振源装置としては、例えば、上記のような音波検層用振源と、それに供給する電流方向の切替スイッチと、駆動波形データを記憶している波形メモリと、その波形データを読み出し制御するＣＰＵと、読み出した波形データをＤ／Ａ変換して駆動信号とするＤ／Ａ変換器と、共振点のある低周波側の駆動信号成分を阻止するハイパス・フィルタと、駆動信号を増幅する電力増幅器と、増幅した駆動信号を前記音波検層用振源に効率よく供給するためのマッチングトランスを具備している構成とする。
【００１２】
この振源は、ボーリング孔内に挿入されて、孔内水中に浸漬された状態で使用される。また、受振器が、前記振源から所定距離だけ離れた状態で、同じボーリング孔内で孔内水中に浸漬された状態で設置され、前記振源による振動を検出して記録することになる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
まず、きれいな波形と周波数帯域の広い振動を発生する振源に必要な条件について検討すると、次のようなことが挙げられる。
１．周波数帯域が広い振源とするためには、振源の共振周波数が使用周波数付近から離れていること。
２．振源が駆動波形に対して忠実に振動するためには、駆動力と振源の変位ができるだけ線形となるような関係にあること。
３．振源が振動した波形が孔内水にそのまま伝わるためには、振源と孔内水との機械的インピーダンスがマッチングしているか、その差が小さいこと。
４．振源の駆動波形には必要な周波数だけが含まれていること。
【００１４】
このような技術的課題を解決できるのが本発明の音波探査用振源である。図１に振源の基本構造を示す。Ａは上面を、Ｂは側面を、それぞれ表している。２個の永久磁石１０，１２を、Ｎ極とＳ極が対向するように、所定の間隔をおいて設置する。そして、これら２個の永久磁石１０，１２の間に、電気導体からなる短冊状の振動板１４を、その面が磁界の方向と平行になるように配置する。ここでは、振動板の動作原理を説明するために、振動板を１枚のみ図示しているが、実際には２枚の振動板を平行に、間隔をおいて設置することになる。
【００１５】
振動板１４に電流を流すと、周知のフレミングの左手の法則により、該振動板１４は永久磁石１０，１２の磁界方向に直角方向の力を受ける。受ける力Ｆは、磁束密度をＢ、磁界を受ける導体長さをＬ、導体を流れる電流をＩとすると、
Ｆ＝ＢＬＩ
となり、電流に比例する。短冊状の振動板が理想状態であれば、該振動板は電流に比例した線形変位をすることになる。
【００１６】
しかし、実際には振動板には重さがあり、且つ両端を固定する必要がある。長さ、幅、厚みも無視できない。そのため固有周波数を持つようになる。このことが非線形要素を生む。この影響を少なくすることが必要である。振動板を両端固定した場合には、固有周波数は次式で表される。
ω＝２πｆ＝Ａ（ＥＩ／μＬ⁴）^1/2
但し、
Ｅ：ヤング率
Ｉ：モーメント（＝ｂｈ³／１２）ｂ：断面の長辺、ｈ：断面の短辺
Ｌ：長さ
μ：単位長当たりの質量
Ａ：振動ノードにより決まる係数
【００１７】
加えた力に対して軽いものほど動き易い。即ち、高い周波数でも振動可能である。しかし、水より軽くすることは難しい。そこで、振動板は、その機械的インピーダンスが水のそれに近くなる程度の軽さにする。
【００１８】
振動板を軽くすると、高い周波数でも振動が可能となるが、周波数帯域を広くするためには共振周波数を低くすることが必要になる。そのためには、上記の式で、ヤング率を小さく、モーメントを小さく、長さを長くすればよいことが分かる。即ち、柔らかい材質で薄い短冊状の振動板が好ましいことになる。そして、必要な周波数帯域になるように長さを調整すればよい。この振動板の構造は、コイルと違ってインダクタンス成分が殆どないことから、良好な波形で駆動することが可能である。
【００１９】
また、低い周波数のところに共振点を持つため、駆動周波数の中にこの共振周波数を含まないように、ハイパス・フィルタを用いて低域側をカットする。
【００２０】
このようにして振源を作製すると、前記１〜４のきれいな波形と周波数帯域の広い振動を発生する振源に必要な条件を満たし、モノパルス波形や任意の駆動電圧波形に忠実な波形の振動を発生する振源が得られる。
【００２１】
そこで、実際の製作にあたっては、短冊状振動板の導体には軽量で且つ電気良導体である金属アルミニウムを箔状にして用い、その表面を軟質樹脂でコーティングするか軟質樹脂フィルムで覆い、水密状態とするのがよい。柔軟性を持たせるために波状にしてもよい。
【００２２】
図２に、振源の動作モードを示す。２枚の振動板１４ａ，１４ｂに逆方向に通電すると、Ａに示すように逆位相で動くモノポール振源動作をさせることができるし、２枚の振動板１４ａ，１４ｂに同方向に通電すると、Ｂに示すように同位相で動くダイポール振源動作をさせることができる。
【００２３】
【実施例】
図３は本発明に係る音波検層用振源の一実施例を示す概観図であり、図４のＡはその軸方向の縦断面を、Ｂは横断面を表している。
【００２４】
振源本体は、円筒状ケース２０の内に組み込まれる。円筒状ケース２０は、その側面の対向する位置に縦長の長方形状の窓部２２が開口している。ここでは、該窓部２２は、周縁部が外側が拡がるように斜めに加工され、内部で発生する振動がスムーズに外部に放射されるように工夫してある。
【００２５】
円筒状ケース２０の内部で、両方の窓部２２に臨むようにそれぞれ短冊状の振動板２４を設ける。該振動板２４は、リボン状の金属アルミニウム箔の表裏面を軟質樹脂で覆った構造をなし、所定の間隔をおいて対向配置され、その上下両端が前記円筒状ケース２０に固定されている。また、振動板２４の幅方向に磁束の向きが生じるように、振動板２４の両側に永久磁石２６を配設する。該永久磁石２６の背後を包むように鉄製の磁気ヨーク２８を設けて、永久磁石２６の間に効率よく磁界が生じるようになっている。永久磁石２６と磁性ヨーク２８は、錆び易いために、表面をコーティングするか、あるいは図示しないが、振動板室にオイルを封入し水との直接接触を断つように構成する。
【００２６】
振源装置の駆動系を含めた全体構成の一例を図５に示す。上記のような音波検層用振源３０と、それに供給する電流方向の切替スイッチ３２と、駆動波形データを記憶している波形メモリ３４と、その波形データを読み出し制御するＣＰＵ（マイクロコンピュータ）３６と、読み出した波形データをＤ／Ａ変換して駆動波形にするＤ／Ａ変換器３８と、共振点のある低周波側の駆動信号成分を阻止するハイパス・フィルタ４０と、駆動信号を増幅する電力増幅器４２と、増幅した駆動信号を前記音波検層用振源３０に効率よく供給するためのマッチングトランス４４を具備している。
【００２７】
予め代表的な波形パターンデータを波形メモリ３４にデジタル的に記憶させておき、これをＣＰＵ３６で読み出し、Ｄ／Ａ変換器３８でアナログ波形にし、ハイパス・フィルタ４０で共振点のある低周波側の駆動信号成分を除去する。この駆動信号電流を電力増幅器４２で増幅し、マッチングトランス４４を介して振源３０に供給する。他方、ＣＰＵ３６からの指令で切替スイッチ３２を作動し、振源３０への通電モードを制御する。
【００２８】
振源の２枚の短冊状の振動板に同方向の電流を流すとダイポール振源動作し、逆方向の電流を流すとモノポール振源動作をする。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は上記のように、磁界中に、電気導体からなる２枚の短冊状の振動板を間隔をおいて対向配置し、これらの振動板に同方向又は逆方向の電流を流すことにより振動させる構造であるので、電流の切り替え制御によりダイポール振源動作又はモノポール振源動作を行わせることができる。また、周波数帯域を広くとることができ、構造も簡単でメンテナンスし易く、機械的インピーダンスを小さくできる効果もある。
【００３０】
本発明の音波検層用振源装置によれば、任意の振動波形について、きれいな波形と周波数帯域の広い振動を効率よく発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る振源の基本構造を示す説明図。
【図２】その振動モードの説明図。
【図３】本発明に係る音波検層用振源の一実施例を示す概観図。
【図４】その軸方向の縦断面と横断面を示す説明図。
【図５】振源装置の駆動系を含めた全体構成の一例を示すブロック図。
【符号の説明】
２０円筒状ケース
２２窓部
２４振動板
２６永久磁石
２８磁気ヨーク

Claims

磁界中に、電気導体からなる２枚の振動板を間隔をおいて対向配置した振源であって、対向する側面に窓部が開口している筒状ケースと、該筒状ケース内で両方の窓部に臨むようにそれぞれ位置し両端部で保持されている短冊状の振動板と、振動板の幅方向に磁束の向きが生じるように振動板の両側に配設した永久磁石とを具備し、前記２枚の振動板に同方向又は逆方向の電流を流すことによりダイポール振源動作又はモノポール振源動作を行わせるようにしたことを特徴とする音波検層用振源。
振動板は、リボン状の金属アルミニウム箔の表裏面を軟質樹脂で覆った構造になっている請求項１記載の音波検層用振源。
請求項１又は２記載の音波検層用振源と、それに供給する電流方向の切替スイッチと、駆動波形データを記憶している波形メモリと、その波形データを読み出し制御するＣＰＵと、読み出した波形データをＤ／Ａ変換して駆動信号とするＤ／Ａ変換器と、共振点のある低周波側の駆動信号成分を阻止するハイパス・フィルタと、駆動信号を増幅する電力増幅器と、増幅した駆動信号を前記音波検層用振源に効率よく供給するためのマッチングトランスを具備している音波検層用振源装置。