JPH06294793A - 地層の物理特性の音響波を用いた非破壊測定方法 - Google Patents

地層の物理特性の音響波を用いた非破壊測定方法

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JPH06294793A
JPH06294793A JP21891992A JP21891992A JPH06294793A JP H06294793 A JPH06294793 A JP H06294793A JP 21891992 A JP21891992 A JP 21891992A JP 21891992 A JP21891992 A JP 21891992A JP H06294793 A JPH06294793 A JP H06294793A
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  • Investigation Of Foundation Soil And Reinforcement Of Foundation Soil By Compacting Or Drainage (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 雑音や騒音のある場所における測定や、長距
離間の測定を可能とする。 【構成】 擬似ランダムコードに従って発振源を励起
し、受信器で発振信号との相関を取ることによって、他
の雑音と識別する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、地層の物理特性の音響
波を用いた非破壊測定方法に係り、特に、土木工事や基
礎工事の計画、設計のための土質調査に用いるのに好適
な、海底堆積層における、間隙率、透水率、堆積物の変
化や、剪断変形率、剪断力等の断面分布状況を得るため
のものである。より詳細に述べると、本発明は、液体が
浸透した堆積層における、擬似ランダムバイナリシーク
エンスコードで駆動された音響伝達の使用に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】“Synthetic Seismograms for Mar
ine Sediments and Determinationof Porosity an
d Permerbility (海底堆積層の合成震動記録及び間隙
率と透水率の決定)”(Geophysics ,Volume 53,
No.8(1988年8月),1056−1057頁)と
称する発明者の論文で、発明者は、海底堆積層の垂直方
向の地震プロファイルの数値計算シミュレーションを発
表している。この論文中で引用した形の垂直方向の震動
プロファイルは、沖積鉱床の探査や、地質工学上の問題
解決や、水中構造物プロジェクトの建設に非常に有効で
ある。典型的な垂直方向の震動プロファイルにおいて
は、高出力の電気的震動源を用いて海底堆積層の研究が
行われていた。そのような研究において使用可能な周波
数範囲は、ほぼ100Hz から200Hz であることが
発見されており、これによって、海底堆積層中の透過距
離は、1000m 以上にも達することがあった。
【0003】前記論文中で記載した一連の試験において
は、単一の探査孔を用いて、この同じ探査孔の中に地震
エネルギの発生源と受信器を共に配置して、垂直方向の
震動プロファイルを得るようしていた。前述の論文で詳
細に報告しているように、このような配置条件の元で
も、非常に興味ある結果が得られた。
【0004】前記論文で記載したように、垂直方向の震
動プロファイルを用いることによって、理論的にも実際
的にも有効な結果を得ることができる。Biot の理論と
垂直方向の震動プロファイル方法によって得られた結果
を用いて、合成例についてスペクトル比を計算すれば、
海底堆積層の間隙率や透水率を決定することができる。
しかしながら、堆積層の物理特性をより正確に決定する
こと、特に、間隙率や透水率や堆積物の変化の正確な断
面分布状況を得ることが、待ち望まれていた。
【0005】“Measurements of Acoustic Wave
Velocities and Attenuation in Marine
Sediments(海底堆積層における音響波速度と減衰の測
定)”(Turgut and Yamamoto 、J.Acoust .
Soc. Am .´87(6)、1990年6月)にお
いて、堆積層の物理特性を測定するための非破壊方法が
論じられている(特願平2−333477号参照)。こ
の方法は、特に海底堆積層に適用され、間隙率や透水率
の値の断面分布を得るのに有用である。この方法は、
又、堆積物質の変化や、剪断変形率及び剪断力も明らか
にする。この方法において、速度の測定結果は、震動エ
ネルギ信号を、発振源から受信器に、直接探査孔間トモ
グラフィ(断層写真法)によって直接伝播させることに
よって得られる。この方法は、従来の探査孔間測定技術
を用いることなく、これ迄よりも、非常に優れた精度及
び明確さをもたらす。震動エネルギは、2つ以上の、互
いに離れて配置された垂直探査孔間に照射される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、鉄鋳造
所のような雑音の多い環境下で、そのような技術を用い
る際には困難な点があり、1つの断面探査孔から他の断
面探査孔まで離すことのできる距離について、限度があ
った。更に、そのような測定技術を、高い周波数で用い
る際にも問題点があった。
【0007】即ち、従来の発振源は、爆薬、重垂落下、
板たたき等であり、規則波でなかったため、従来の音響
波では、周囲の雑音、騒音との識別が難しかった。特に
土中における発振音響波の減衰は著しく、10m 以上の
長距離間の測定は不可能であった。
【0008】従って、本発明は、特に、雑音の多い環境
下で実施された場合であっても、間隙率や透水率の値や
それらにの変化の、正確な断面分布を得て、正確で明確
な測定結果を得ることが可能な、新規で、非常に正確
な、地層の物理特性の音響波を用いた非破壊測定方法を
提供することを目的とする。
【0009】本発明の他の目的は、この方法を、1マイ
ル(1.6Km )以上の距離のように、非常に離れた断
面探査孔間で実施することにある。
【0010】更に、本発明の他の目的は、これ迄は不可
能であった高い周波数での、新規で高精度の非破壊測定
方法を提供することにある。
【0011】本発明の他の目的は、高周波数の音響トモ
グラフィによって、間隙率や透水率を正確に評価するこ
とにある。
【0012】本発明の更に他の目的は、地層の透水率分
布を、迅速、且つ、正確に決定するための新規な方法を
提供することにある。
【0013】本発明の他の重要な目的及び効果は、以下
の明細書や図面によって更に明らかになるであろう。
【0014】
【課題を解決するための手段】本発明は、地層の物理特
性の音響波を用いた非破壊測定方法において、地層の表
面から少なくとも所定の深さまで伸び、入口を有する、
互いに所定距離だけ離れた少なくとも一対の探査孔を形
成し、前記探査孔の既知の位置に受信器を配置し、前記
探査孔の他の1つの中の、前記受信器に関して既知の位
置に、擬似ランダムコード震動エネルギの発振源を配置
し、前記擬似ランダムコードに従って該発振源を励起し
て、該発振源から前記受信器に震動エネルギを伝播さ
せ、前記発振源の位置から前記受信器の位置に向かって
伸びる経路中の前記震動エネルギの擬似ランダムコード
地震波特性を測定することにより、前記目的を達成した
ものである。
【0015】更に、前記発振源を前記受信器に対して移
動し、該発振源を再び励起して、前記受信器に向かって
伸びる新しい経路中の擬似ランダムコード地震波特性を
更に測定するようにしたものである。
【0016】又、互いに所定距離だけ離れた少なくとも
一対の探査孔を形成し、少なくとも1つの前記探査孔内
の既知位置に、多数の受信器を互いに間隔を空けて配置
し、前記探査孔の他の1つの中の、前記受信器に関して
既知の位置に、擬似ランダムコード震動エネルギの発振
源を配置し、前記擬似ランダムコードに従って該発振源
を励起して、該発振源から前記受信器に震動エネルギを
伝播させ、前記発振源の位置から前記受信器の位置に向
かって伸びる多数の経路中の前記震動エネルギの擬似ラ
ンダムコード地震波特性を測定して記憶することによ
り、前記目的を達成したものである。
【0017】又、地層の表面から少なくとも所定の深さ
まで伸び、入口を有する、互いに所定距離だけ離れた少
なくとも一対の探査孔を形成し、前記探査孔間の地層表
面に実質的に沿う所定の既知の位置に、複数の受信器を
互いに間隔を空けて配置し、少なくとも1つの前記探査
孔内の既知位置に、多数の受信器を互いに間隔を空けて
配置し、前記探査孔の他の1つの中の、前記受信器に関
して既知の位置に、擬似ランダムコード震動エネルギの
発振源を配置し、前記擬似ランダムコードに従って該発
振源を励起して、該発振源から前記受信器に震動エネル
ギを伝播させ、前記発振源の位置から前記受信器の位置
に向かって伸びる多数の経路中の前記震動エネルギの擬
似ランダムコード地震波特性を測定し、前記発振源を前
記受信器に対して移動し、該発振源を再び励起して、前
記受信器に向かって伸びる新しい多数の経路中の擬似ラ
ンダムコード地震波特性を更に測定することにより、前
記目的を達成したものである。
【0018】又、前記震動エネルギの発振源を、圧電セ
ラミック変換器としたものである。
【0019】又、前記探査孔を、互いに実質的に平行と
したものである。
【0020】又、前記受信器を、実質的に等間隔で配置
としたものである。
【0021】又、前記地震波特性の測定に際して、伝播
した震動エネルギの固有減衰及び速度を測定するように
したものである。
【0022】又、前記測定された地震波特性が、縦波速
度の周波数特性や固有減衰の周波数特性を含むようにし
たものである。
【0023】又、前記擬似ランダム信号の周波数が変化
するようにしたものである。
【0024】又、前記擬似ランダムコードのキャリア周
波数が、ほぼ1、2、4、8及び10KHz の所で変化
するようにしたものである。
【0025】又、前記各探査孔を、ほぼ70−200m
離したものである。
【0026】
【作用】発明者の研究の結果、擬似ランダムバイナリシ
ークエンス(Pseude −Random Binary Sequence ;
以下PRBSと称する)の形の規則波の擬似雑音源を使
った電磁音響システムを使い、直接探査孔間トモグラフ
ィによって、震動エネルギ信号を発振源から受信器に直
接伝播させることにより、堆積層の特性を測定すること
が非常に重要であることがわかった。擬似ランダムバイ
ナリシークエンスは、例えば図1に示すように、所定の
不規則なパターンを有する繰返しシークエンスを持つ、
不規則な形状のマルチレベル信号である。この繰返しシ
ークエンスは、キャリア信号とも呼ばれる。
【0027】地層の探査孔間配置を動作する際に、この
ような擬似ランダムバイナリシーエンスを使用すれば、
エンジンノイズや他の外来の干渉が存在する、雑音の多
い環境下であっても、効率の良い正確な動作が可能とな
り、実験者が、600フィート(960m )又は1マイ
ル以上のような非常に離れた距離を通して彼の断面探査
孔間信号を送っても、素晴らしい結果を得ることができ
るようになる。
【0028】即ち、図2に製鉄所における測定例を示す
如く、受信した音響波に、杭打ちや重機の走行等による
雑音や騒音と、PRBSコードによる信号が入り混ざっ
ている場合でも、PRBSコードとの相関をとることに
より、他の雑音と識別でき、発振から受信迄の時間測定
が可能となる。
【0029】PRBSの使用は、非常に高い周波数であ
っても、素晴らしい動作を可能とする。PRBSエネル
ギの発振源は、これまでに使われていた圧電セラミック
変換器、又は、受信器としてのハイドロホン(Hydroph
one ;水中聴音器)を含む探査孔から離れた、もう1つ
の探査孔中の既知の場所に置かれたときに単一レベルの
規則波を発生する、スパーカ(Sparker)と呼ばれるも
のとは、大いに異なり、優れている。
【0030】従って、本発明によれば、入口を有し、互
いに所定の距離だけ大きく離れて配置された、少なくと
も一対の探査孔を形成することによって、断面分布分析
結果を得るための地層の物理特性の音響波を用いた非破
壊測定方法を得ることができる。前記探査孔は、地層表
面から少なくとも既知の深さまで伸び、該探査孔内の所
定位置と、恐らく地層の表面に沿って互いに間隔を空け
て配置された、ハイドロホンやジオホン(Geohone;地
中聴音器)のような、複数の受信器を含む。擬似ランダ
ムバイナシリシークエンス発振器の形をとる雑音源は、
他の探査孔内の、前記受信器に関して既知の位置に配置
され、励起されて、該エネルギ源から全受信器に地震波
エネルギを伝播させる。発振源の位置から受信器の位置
に伸びる多数の経路について、発振源から受信器に直接
伝播された地震波の特性と経路を測定するに際して、重
要な測定は、地層の特性に関するものである。更に、発
振器探査孔内で発振器を別の既知の位置に動かして再び
発振器を励起することによって、受信器に向かって伸び
る多数の新しい経路についての測定を行うことができ
る。このような一連の測定の結果を組合せることによっ
て、堆積物の正確で且つ信頼性の高い断面の値や変化を
得ることが可能である。PRBS信号を直接伝播させ受
信することによって得られた結果は、従来利用可能なも
のに比べて、はるかに信頼性の高い結果をもたらす。
【0031】本発明によって、PRBS音響波の減衰を
用いて直接速度を測定することにより、長距離にわたっ
て信頼性の高い間隙率や透水率が得られ、より正確な透
水率の値を得ることができるということは、非常に重要
なことである。これは、石油の探鉱等の地下水関連問題
を解決するときに、非常に重要である。本発明による間
隙率の測定は、石油の探鉱の場合に、非序に有益であ
る。何故ならば、大部分の石油は堆積層の孔隙に吸収さ
れており、通常は、埋蔵されている石油のほんの少しの
割合しか発見できないからである。本発明の方法を利用
すれば、孔隙率が最も小さな場所、即ち、堆積層の孔隙
に吸収されていない自由な石油が存在する確率の高い場
所を正確に予測することができ、従って、透水率分布に
基づいて、石油の探査及び採取に好適な位置を示すこと
ができる。
【0032】本発明においては、エネルギ源と受信器を
同じ探査孔内に配置した単一の探査孔のみを有する垂直
方向の震動プロファイルを利用する代わりに、既に説明
したように、互いに離れた探査孔を利用して、1つの探
査孔から他の探査孔への伝播を測定することが重要であ
る。ここでは、この新しいPRBS技術を、縮めて、
「PRBS探査孔間トモグラフィ」と称する。この方法
は、地面の透水率プロファイルをチェックする際に非常
に有効であることが判った。
【0033】本発明の一実施例においては、発振源とし
て、圧電音響素子を用いて、PRBSキャリア周波数を
1、2、4、8及び10KHz で変化させることによ
り、圧電発振源からの音響伝播を利用し、受信器とし
て、堆積層の表面に沿って、又、前記圧電発振源を含む
探査孔から離れた場所の独立した探査孔内を下に向かっ
て伸びるように配置したハイドロホンを用いて実験を行
うことができる。探査孔内の発振源の場所を変えること
によって、同じ方法で追加の実験が行われる。
【0034】一例として、前記離隔した探査孔は、堆積
物中にほぼ鉛直方向に伸びることができる。これらの探
査孔は、互いに、例えば約70−200m だけ離して配
置することができ、発振源から全てのハイドロホンに対
して、直接的な伝播が行われるようにして、探査孔間の
縦波(圧縮波)速度及び固有減衰を測定するように、各
ハイドロホンからの信号を、アンプ及び/又はレコーダ
を介して測定することができる。固有減衰の測定は、ス
ペクトル比による方法を用いて行うことができ、縦波速
度及び固有減衰は、位相スペクトル及び伝達関数から容
易に計算することができる。
【0035】即ち、Biot の理論より、縦波速度V及び
固有減衰Q-1は、次式で表わされる。
【0036】 V=V0 +[(R2 −R1 )f ×360°]/θ …(1) Q-1=[V/{πf (R2 −R1 )}]・{ln (R1 /R2 ) +ln (A1 /A2 )} …(2)
【0037】ここで、V0 は基準周波数ω0 における縦
波速度、R1 、R2 は、発振源から2つの受信器までの
距離、f は発振周波数、θは位相角、A1 /A2 は、2
つの信号の振幅比である。
【0038】このようにして、本発明による探査孔間ト
モグラフィは、空間的な異質部分をチェックするのに使
用される。
【0039】従って、本発明においては、堆積物質中で
の音響パルス伝播が行われ、特に固有減衰が最大である
特定の周波数範囲を含んで伝播性のある縦波速度を示す
ことが判った。間隙率及び透水率は、前記Biot の理論
を用いることによって、縦波速度及び固有減衰から容易
に評価される。なお、その詳細は、全て、我々の“Mea
surements of acoustic wave velocities and atten
uation in marine sediments(海底堆積層中の音響波速
度及び減衰の測定)”J.Acoust .Soc.Am .,V
ol.87,No.6(1990年6月),2376−23
83頁に詳細に記載されているので、詳しい説明は省略
する。
【0040】前記探査孔間トモグラフィに、PRBS発
生器を備えた圧電音響変換器を用いることによって、縦
波だけでなく横波も発生する。従って、横波速度の知識
から、堆積形状内の横波速度分布も正確に測定でき、従
って、堆積物の剪断変形率及び剪断力も決定することが
できる。これらは、構造物を建設する目的や、石油やガ
スのような炭化水素を正確に決定したり、存在を知る場
合に重要である。
【0041】横波速度の値は、直接、堆積物の剪断変形
率や剪断強度の値を決定する。縦波速度の値に加えて横
波速度の値を知ることにより、堆積形状内における、石
油やガスのような炭化水素の存在や非存在に関する重要
な情報を得ることができる。
【0042】
【実施例】以下図面を参照して、本発明の実施例を詳細
に説明する。
【0043】図3は、音響トモグラフィ測定のエネルギ
伝播源として使われる、探査孔11内に配置されたPR
BS発振源10を示すものである。探査孔11は、例え
ば直径5インチ(12.7cm)のプラスチックケーシン
グで作ることができる。符号12は、堆積層の表面に沿
って間隔を空けて配置された多数のハイドロホンを示
し、符号13は、沿直方向に伸びる探査孔14内で互い
に沿直方向に間隔を空けて配置された多数のハイドロホ
ンを示している。探査孔14と11は、図示の如く、互
いに、例えば70−200m 又はそれ以上の距離だけ離
れて配置されており、各探査孔自体も、例えば3−10
m の深さとされ、互いに平行とされている。従って、測
定は、好ましくは、発振源によって伝播される波動エネ
ルギに関して、異なる角度の広い範囲に亘って同時に行
われる。そのような測定は全て、堆積層内のエコー又は
他の現象を必要とすることなく、PRBS発振源10か
ら受信器であるハイドロホン12、13への直接伝播を
基礎として行われる。
【0044】発振源は、PRBSコード発生器21とパ
ワーアンプ20によってパワーを与えられ、受信信号
は、アンプ23で増幅されて、レコーダ22で記録され
る。
【0045】図の位置10′に発振源10を置いて多数
の測定を行った後、発振源は、他の位置10′′に下げ
られ、測定プロセスが繰返される。ハイドロホン12、
13のいずれも移動させることなく、発振源探査孔内で
の他の様々な位置で更に他の測定が行われる。
【0046】本発明の1実施例においては、PRBS信
号を発生し測定するために用いられる主な装置は、発振
源、ハイドロホンアレイ、信号アンプ及びフィルタ、P
RBS発生器、周波数シンセサイザ、パワーアンプ、関
数発生器、データ獲得ボックス、A/Bスイッチボック
ス、直流電源及びコンピュータである。この装置は、図
4に示され、以下、更に詳細に説明する。
【0047】一般的に30で示される周波数シンセサイ
ザ(Frequency Synthesizer)は、変調可能な、一定
振幅、周波数及び位相のキャリア波を発生する。変調
は、ここで使用されたように、PRBS発生器によって
引き起され、キャリア波の周波数、位相及び/又は振幅
の制御された変化を生じる。これは、信号波を伝播する
ために、任意の周波数を取ることができる。周波数シン
セサイザ30は、ライン54から電力を受取る。
【0048】周波数シンセサイザは、ライン57を通し
て、一般的に32で示されている擬似ランダムバイナリ
シークエンス(PRBS)コード発生器(PRBS C
odeGenerator)に接続されている。PRBSコード発
生器32は、ライン56を通して電力を受取る。このP
RBSコード発生器32は、例えば、212又は4096
ビットまでの長さの擬似ランダムバイナリシークエンス
を発生する。この発生器からの出力信号は、振幅、位相
又はパルス変調器によって変調され得る。PRBSコー
ド発生器32の出力コードの周波数は、例えば周波数シ
ンセサイザ30によって発生される周波数の1/64と
されている。
【0049】PRBSコード発生器32は、ライン58
を通して、一般的に34で示されている可変出力スイッ
チングパワーアンプ(Power Amplifier)に接続され
ている。パワーアンプ34は、任意の最大電力出力及び
最大電圧出力を持つことができる。都合のいい例では、
それぞれ4k VAと1400ボルトである。出力で最大
電圧を得るために、パワーアンプ34に対する入力は、
ライン66及び68を介して、例えば+−1.0ボルト
に制限されるべきである。パワーアンプ34は、ライン
64を通してグラウンドに接続されている。パワーアン
プ34は、全ての種類の短絡や過大入力に耐える。パワ
ーアンプ34の周波数応答は、好ましくは700Hz か
ら20k Hz の間で実質的に平坦とされる。
【0050】一般的に36で示される圧電音響変換器
(Source )は、ライン70を通して、一般的に34で
示されるパワーアンプに接続される。圧電音響変換器3
6は、電気信号である電圧を発生する。圧電音響変換器
は、音響波を発生する。圧電音響変換器36は、例えば
ビルトインされた4倍の電圧トランスを有している。従
って、圧電音響変換器36に送られる電圧は、好ましく
は該圧電音響変換器36の最大電圧定格の約1/4に限
定されるべきである。
【0051】一般的に38で示されるハイドロホンアレ
イ(Hydrophone Array)を作り出すために、例えば2
4個のハイドロホンが、所定の固定されたパターンで配
列されている。ハイドロホンアレイ38は、例えば、油
によって封入された24素子のアレイである。このハイ
ドロホンは、水に媒介される音波に応答する電気音響変
換器であり、本質的に等価な電気波を発生する。各ハイ
ドロホンは、周波数が1.0Hz 又はそれ以下の低い信
号を感知することができる。一般的に40で示される1
2ボルト直流電源(12 Volt DC Supply )は、
ライン72を通してハイドロホンアレイ38に電力を与
える。
【0052】一般的に74と76で示されるケーブル
は、ハイドロホンアレイ38を、一般的に42で示され
るA/Bスイッチボックス(A/B Switch Box)に
接続する。例えば12個のハイドロホンが、端子Aに接
続され、残りの12個のハイドロホンが、端子Bに接続
される。
【0053】一般的に84で示される、好ましくはRS
232ケーブル等であるケーブルが、A/Bスイッチボ
ックスを、一般的に44で示されるカスタム信号増幅フ
ィルタ(Signal Amplifier Filter )に接続する。
信号増幅フィルタ44は、ライン90を通してグラウン
ドに接続されている。信号増幅フィルタ44は、ライン
86を通して15ボルト、ライン88を通して−15ボ
ルトのような低い電圧に接続される。信号増幅フィルタ
44は、好ましくは、可変ゲイン、差動入力、回路の一
方がアースされた出力信号の増幅器等である。入力差動
信号は、好ましくは、500Hz の近傍で、30 dB高
域通過される。この信号は、それから、好ましくは、例
えば、1、2、5、10、20、50、100、20
0、500、1000、2000のゲインのいずれかに
よって増幅される。この特別のアンプ44は、例えば1
2チャンネルを、上記ゲインによって、同時に増幅する
ことができる。しかしながら、12チャンネル以上又は
以下の増幅が可能な他のアンプも使用できる。一般的に
52で示される手動スイッチが、信号増幅フィルタ44
に接続されている。
【0054】一般的に92で示される、好ましくはRS
232Cケーブルであるケーブルが、信号増幅フィルタ
44を、一般的に46で示されるデータ獲得ボックス
(Data Acquisition Box)に接続する。PRBSコ
ード発生器32は、又、ライン60を通してデータ獲得
ボックス46に接続されている。更に、PRBSコード
発生器32は、ライン62を通して、一般的に50で示
されるファンクションゼネレータ(Function Generat
or)に接続され、これは次に、ライン63を通してデー
タ獲得ボックス46に接続されている。データ獲得ボッ
クス46は、好ましくは接続ボックスとして作用し、P
RBS発生器32及び信号増幅フィルタ44を、一般的
に96で示される、好ましくはフラットケーブルである
ケーブルへ接続し、このケーブル96は次に、386/
33MHz IBMコンパチブルコンピュータのような、
膨大な記憶容量を備えた、一般的に48で示されるコン
ピュータ(Computer )中に内臓されたマルチチャンネ
ルアナログ/デジタル(A/D)ボードに接続される。
このA/Dボードは、16チャンネルを有することがで
きるが、それ以上又は以下であってもよい。このA/D
ボードは、好ましくは、ハイドロホンからの感知信号を
チャンネル1−12を通して受取り、PRBS発生器の
出力信号をチャンネル13を通して受取り、外部クロッ
クをチャンネル15を通して受取る。
【0055】周波数シンセサイザ30は、PRBSコー
ド発生器32中のデジタル動作に必要なキャリア周波数
を供給する。このPRBSコード発生器は、キャリア波
を変調して、擬似ランダムバイナリシークエンス信号波
を伝達する。パワーアンプ34は、この信号波を増幅す
る。圧電変換器36は、この増幅された信号波を伝達す
る。
【0056】ハイドロホンアレイ38は、擬似ランダム
バイナリシークエンス信号波を感知する。ハイドロホン
アレイ38は、24個の各ハイドロホンを含むことがで
きる。12個のハイドロホンによって感知された信号波
は、好ましくは、A/Bスイッチボックス42の端子A
に伝えられる。他の12個のハイドロホンによって感知
された信号波は、好ましくは、A/Bスイッチボックス
42の端子Bに伝えられる。信号増幅フィルタ44に取
付けられたスイッチ52は、信号増幅フィルタ44が、
該スイッチ52の位置に依存して、端子A又は端子Bか
ら、感知された信号波を受取るようにする。信号増幅フ
ィルタ44は、各ハイドロホンによって感知された信号
波を増幅してフィルタを通し、この情報をデータ獲得ボ
ックス46に出力する。データ獲得ボックス46は、外
部クロック信号及びPRBS発生器32からの元の擬似
ランダムバイナリシークエンス信号も受取っている。デ
ータ獲得ボックス46は、更に、ファンクションゼネレ
ータ50からの入力も受取っている。データ獲得ボック
ス46は、この情報を、386/33MHz IBMコン
パチブルコンピュータのようなコンピュータ48中に内
蔵されたマルチチャンネルアナログ/デジタル(A/
D)ボードに伝える。
【0057】この装置を、最も好適に動作させるため
に、PRBSコード発生器32によって発生される周波
数レートは、好ましくは、発振源周波数の4倍の範囲で
ある。A/Dボードのコンピュータサンプリングレート
が高くなるほど、同時に測定可能なハイドロホンの数が
少なくなる。何故ならば、A/Dボードでの入力レート
は、チャンネルとサンプリングレートを掛けた数に等し
く走査しなければならないからである。好ましくは、1
つのハイドロホンにつき1チャンネルある。これは、も
し4個のハイドロホンのみが一時にサンプリング可能で
あれば、コンピュータは好ましくは、始めの4個のハイ
ドロホン、それから、2番目の4個のハイドロホン、そ
の後、3番目の4個のハイドロホンからの感知データを
サンプリングし、又は記録する。コンピュータは、この
サンプリングを常に繰返すことができる。
【0058】平均化は、PRBS信号のような多重シー
クエンス長を取入れて、互いの上に積重ねていき、雑音
を軽減して信号を強調する処理である。平均化がいつも
必要でない場合には、コンピュータの内部クロックは、
感知データを記録するのに使用される。
【0059】コンピュータ48、ファンクションゼネレ
ータ50及びPRBSコード発生器32からの外部クロ
ックは、共同して平均化を実行するように作用する。P
RBSコード発生器からの外部クロックは、感知信号を
PRBS信号と同期させる。平均化に際して、PRBS
発生器からの外部クロックは、発振源信号とハイドロホ
ンによって測定された信号の間でドリフトが発生しない
ように使われるべきである。ファンクションゼネレータ
50は、いつ擬似ランダムバイナリシークエンスが終了
したかをコンピュータに伝える。バイナリシークエンス
の指定された数が感知されると、これらのシークエンス
は、違いの上に積重ねられて雑音を軽減し、信号を強調
する。発振源周波数の4倍であるPRBS発生器の周波
数レートは、入力周波数に適合するように、ファンクシ
ョンゼネレータを使って分周される。例えば、1k Hz
では、外部クロックの周波数は4k Hz であり、8k H
zのサンプリングレートで1チャンネルを測定するため
に、この信号は、ファンクションゼネレータによって1
4サイクルに分周される。従って、A/Dボードの外部
クロックチャンネルに適用される入力レートは56k H
z になる。A/Dボードのチャンネル15からくる方形
パルスは、外部クロックが使用中であることを示す。
【0060】コンピュータのメモリに蓄えられたデータ
獲得プログラムは、ハイドロホンからの感知信号を読み
取り、感知信号をメモリに蓄え、平均化のような計算を
実行するために、外部又は内部クロックを使用する。
【0061】ファンクションゼネレータ50、PRBS
コード発生器32及び適当なデータ獲得プログラムを備
えたコンピュータ48が、発振源信号と測定信号の相関
を取り、平均化処理を実行するために、共同で作用す
る。この相関の出力は、1つの特定発振源位置で各ハイ
ドロホンの1つに対して一連の時間で見ることができ
る。これから、横波速度、縦波速度、剪断力、間隙率、
透水性及び標準貫通力が決定され得る。標準貫通力は、
貫通させるためにパイプを打撃しなければならない回数
によって定義される。
【0062】本発明の一実施例に従い、60m の深さの
2本の深い探査孔を使って、探査孔間測定を行った。圧
電音響変換器36は、一方の探査孔中に配置され、ハイ
ドロホンアレイ38は、他方の探査孔中に配置された。
探査孔間の距離は66.21m であった。シークエンス
長さ4095を有するPRBSコードが、170 dBの
発振源を、3k Hz のキャリア周波数で励起するために
使用された。4回の測定の平均が取られた。コンピュー
タのサンプリングレートは12k Hz であった。最初に
感知されたデータは、図5及び図6の時間経過グラフに
示す如くであった。これらのグラフは、信号が最初にハ
イドロホンアレイ38に着いた時の時刻を示している。
伝播時間倒置法のコンピュータプログラムを使って、縦
波速度のトモグラフを作成することができた。一般的な
合同ストレス割合を仮定して、縦波速度プロファイルか
ら、間隙率、横波速度、剪断力及びSPT(標準貫通
力)打撃回数を決定し、それからトモグラフを作ること
ができる。最後に、透水性及び粒度が、2つの異なるP
RBSキャリア周波数で測定した縦波速度トモグラフか
ら評価できた。
【0063】堆積物データの処理及び解釈は、定性的及
び定量的性質を共に有する。堆積物データ処理の品質
は、処理データをいかに上手く解釈するかによって測定
される。図5及び図6に示した時間グラフは、非常に優
れた性質の結果を受取っている。 この例においては、
図4に示される本発明の実施例を用い、コンピュータ4
8は、12個のハイドロホンからのデータを受取ること
が可能な、A/Dボードを含んでいた。もしA/Dボー
ドが、24チャンネルを受信可能であったならば、A/
Bスイッチボックス42及びスイッチ52は不要だった
であろう。
【0064】この例においては、図4に示される実施例
を用いて、170 dBの発振源が使用されていた。もし
発振源の dBが大きければ、1.0マイル離れた探査孔
間の品質の高い測定結果を得ることができるであろう。
【0065】更に、実験に際して、4回の平均が行われ
ていた。しかしながら、本発明を利用する際には、任意
の回数の平均を行うことができる。
【0066】本発明は、ある特定の実施例を引用して説
明されていたが、本発明の精神及び範囲から離れること
なく、様々な変形を行うことができることは明らかであ
る。例えば、本発明による探査孔間トモグラフィのため
に、より多い探査孔を用いることができる。又、それぞ
れの位置が判っていれば、PRBS発振源と受信器間の
位置の多くの相対的な位置関係や変形を用いることがで
きる。更に、様々な理論や関係式を用いることによっ
て、空隙率、透水性、透水性プロファイル、剪断変形率
や剪断力のような特性の決定及び計算が行われていた
が、PRBS発振源がある探査孔内に位置され、該PR
BS発振源から離れた別の探査孔内に単一又は複数の受
信器が位置され、PRBS発振源が励起されて受信器に
向けて地震エネルギが伝播され、PRBS発振源と受信
器間で測定が直接行われるような、本発明に従う方法の
結果に基づくものである限り、他の分析的な方法を利用
することも可能である。
【0067】
【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、擬
似ランダムバイナリシークエンスコードを発振音響波に
用いて、相関により他の雑音と識別するようにしたの
で、杭打ちや重機の走行等の雑音がある場所でも、地層
の非破壊測定が可能となる上に、一回の測定可能距離が
数百メートルに及び、精度も著しく向上することができ
るという優れた効果を有する。
【0068】発明者の実験によれば、製鉄所内の、杭打
ち機や、ブルドーザが走行する雑音の多い場所におい
て、220m スパンまで測定可能であることが実際に確
認できた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明で用いられる擬似ランダムバイナリシー
クエンスコード信号の例を示すタイムチャート
【図2】同じく受信した音響波と相関をとった後の音響
波の例を示す線図
【図3】音響トモグラフィのための発振源と受信器の配
置を含む、本発明の一実施例を示すための、堆積層の垂
直断面を示す断面図
【図4】本発明の一実施例で使用された装置を示すブロ
ック線図
【図5】あるハイドロホンによって感知された初期デー
タを示す線図
【図6】他のハイドロホンによって感知された初期デー
タの例を示す線図
【符号の説明】
10…PRBS発振器 11、14…探査孔 12、13…ハイドロホン 21、32…PRBSコード発生器(PRBS Code
Generator) 30…周波数シンセサイザ(Frequency Synthesize
r) 36…圧電音響変換器(Source ) 38…ハイドロホンアレイ(Hydrophone Array) 44…信号増幅フィルタ(Signal Amplifier Filte
r ) 46…データ獲得ボックス(Data Acquisition Bo
x) 48…コンピュータ(Computer ) 50…ファンクションゼネレータ(Function Generat
or)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 G01V 1/36 9216−2G (72)発明者 トクオ ヤマモト アメリカ合衆国、 フロリダ州 33176 マイアミ、 89 アベニュ、 エス.ダブ リュ. 12200

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】地層の表面から少なくとも所定の深さまで
    伸び、入口を有する、互いに所定距離だけ離れた少なく
    とも一対の探査孔を形成し、 前記探査孔の既知の位置に受信器を配置し、 前記探査孔の他の1つの中の、前記受信器に関して既知
    の位置に、擬似ランダムコード震動エネルギの発振源を
    配置し、 前記擬似ランダムコードに従って該発振源を励起して、
    該発振源から前記受信器に震動エネルギを伝播させ、 前記発振源の位置から前記受信器の位置に向かって伸び
    る経路中の前記震動エネルギの擬似ランダムコード地震
    波特性を測定することを特徴とする地層の物理特性の音
    響波を用いた非破壊測定方法。
  2. 【請求項2】請求項1において、更に、前記発振源を前
    記受信器に対して移動し、該発振源を再び励起して、前
    記受信器に向かって伸びる新しい経路中の擬似ランダム
    コード地震波特性を更に測定することを特徴とする地層
    の物理特性の音響波を用いた非破壊測定方法。
  3. 【請求項3】互いに所定距離だけ離れた少なくとも一対
    の探査孔を形成し、 少なくとも1つの前記探査孔内の既知位置に、多数の受
    信器を互いに間隔を空けて配置し、 前記探査孔の他の1つの中の、前記受信器に関して既知
    の位置に、擬似ランダムコード震動エネルギの発振源を
    配置し、 前記擬似ランダムコードに従って該発振源を励起して、
    該発振源から前記受信器に震動エネルギを伝播させ、 前記発振源の位置から前記受信器の位置に向かって伸び
    る多数の経路中の前記震動エネルギの擬似ランダムコー
    ド地震波特性を測定して記憶することを特徴とする地層
    の物理特性の音響波を用いた非破壊測定方法。
  4. 【請求項4】地層の表面から少なくとも所定の深さまで
    伸び、入口を有する、互いに所定距離だけ離れた少なく
    とも一対の探査孔を形成し、 前記探査孔間の地層表面に実質的に沿う所定の既知の位
    置に、複数の受信器を互いに間隔を空けて配置し、 少なくとも1つの前記探査孔内の既知位置に、多数の受
    信器を互いに間隔を空けて配置し、 前記探査孔の他の1つの中の、前記受信器に関して既知
    の位置に、擬似ランダムコード震動エネルギの発振源を
    配置し、 前記擬似ランダムコードに従って該発振源を励起して、
    該発振源から前記受信器に震動エネルギを伝播させ、 前記発振源の位置から前記受信器の位置に向かって伸び
    る多数の経路中の前記震動エネルギの擬似ランダムコー
    ド地震波特性を測定し、 前記発振源を前記受信器に対して移動し、 該発振源を再び励起して、前記受信器に向かって伸びる
    新しい多数の経路中の擬似ランダムコード地震波特性を
    更に測定することを特徴とする地層の物理特性の音響波
    を用いた非破壊測定方法。
  5. 【請求項5】請求項4において、前記震動エネルギの発
    振源が圧電セラミック変換器であることを特徴とする地
    層の物理特性の音響波を用いた非破壊測定方法。
  6. 【請求項6】請求項4において、前記探査孔が、互いに
    実質的に平行であることを特徴とする地層の物理特性の
    音響波を用いた非破壊測定方法。
  7. 【請求項7】請求項4において、前記受信器が、実質的
    に等間隔で配置されていることを特徴とする地層の物理
    特性の音響波を用いた非破壊測定方法。
  8. 【請求項8】請求項4において、前記地震波特性の測定
    に際して、伝播した震動エネルギの固有減衰及び速度を
    測定することを特徴とする地層の物理特性の音響波を用
    いた非破壊測定方法。
  9. 【請求項9】請求項4において、前記測定された地震波
    特性が、縦波速度の周波数特性や固有減衰の周期数特性
    を含むことを特徴とする地層の物理特性の音響波を用い
    た非破壊測定方法。
  10. 【請求項10】請求項4において、擬似ランダム信号の
    周波数が変化することを特徴とする地層の物理特性の音
    響波を用いた非破壊測定方法。
  11. 【請求項11】請求項10において、前記擬似ランダム
    コードのキャリア周波数が、ほぼ1、2、4、8及び1
    0KHz の所で変化することを特徴とする地層の物理特
    性の音響波を用いた非破壊測定方法。
  12. 【請求項12】請求項4において、前記各探査孔が、ほ
    ぼ70−200m 離れていることを特徴とする地層の物
    理特性の音響波を用いた非破壊測定方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10186048A (ja) * 1996-04-04 1998-07-14 Yamamoto Tokuo 埋設物、地層の構成、堆積物の性質の測定方法及び装置
WO1998041885A1 (fr) * 1997-03-17 1998-09-24 Yamamoto Engineering Corporation Emetteur et recepteur d'ondes acoustiques souterrains, procede d'emission/reception et exploration souterraine les utilisant
WO2009089243A3 (en) * 2008-01-07 2009-09-24 University Of Utah Research Foundation Seismic location and communication system
CN105607123A (zh) * 2016-01-15 2016-05-25 中国石油天然气股份有限公司 一种计算随机孔隙介质模型地震波特征信息的方法和装置
JP2017218832A (ja) * 2016-06-09 2017-12-14 株式会社不動テトラ 地盤の液状化評価方法

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