JPS6395379A

JPS6395379A - 地下人工弾性波の測定装置

Info

Publication number: JPS6395379A
Application number: JP61240212A
Authority: JP
Inventors: Tadao Hatatsu; 羽竜　忠男
Original assignee: Chuo Kaihatsu Corp
Current assignee: Chuo Kaihatsu Corp
Priority date: 1986-10-11
Filing date: 1986-10-11
Publication date: 1988-04-26
Also published as: JPH055315B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」本発明は、地下探査等を行うために、ポーリング孔内で
人工的に弾性波を発生させ、それを同じポーリング孔内
で電気信号として検知し測定する地下人工弾性波の測定
方法とその装置に関する。

「従来の技術とその問題点」従来、水を満たしたポーリング孔内に発１辰器と受振軸
とを、ポーリング孔軸（以下、単に孔軸と記す）方向に
互いに所定間隔だけ離して配置し、発振器の振動を水を
介してポーリング孔の周壁部（以下、孔壁という）に伝
達し、その孔壁を伝播してきたＳ波（剪断波）またはＰ
波（圧力波）を受振軸で電気信号として検知する方法と
して、次ぎのように円筒形圧電式発振器を使用した屈折
演法（間接波性）と孔壁固着型受振軸または漂遊型受振
軸を使用した直接波法と、４極圧電式発振器を使用した
４極剪断波法が知られているが、それぞれ下記のような
問題があった。

屈折波法は、第９図（＋）、　　（ＩＩ）に示すように
発振器１として円筒形圧電素子を使用し、これからポー
リング孔２の孔軸Ｏと直交する全方向に、つまりＰ波を
放射状に発振する。このＰ波は、ポーリング孔２内の水
を介してその孔壁に伝達する。

そして、ここで屈折Ｐ波と、ＰｅｔがＳ波に変換された
変換Ｓ波とが発生し、両者とも孔壁に沿って伝播する。

その伝播する屈折Ｐ波は再びポーリング孔２内の水中を
屈折し、また変換Ｓ波はＰ波に再び変換されて受振軸３
に受振される。この受振軸３は、発振器１と同じく円筒
形の圧電素子で構成されている。

問題点・・・・・・Ｐ波はＳ波より伝播速度が速いため
、先にＰ波が受振軸３に検知され、その後Ｓ波が検知さ
れる。従って、記録紙上では、Ｓ波がＰ波の波形の後に
重畳して表れ、両波が十分に分離していないため、読み
取り難い。また、孔壁における孔内水と地層の屈折Ｓ波
を利用しているため、水の伝播速度（約１５００　ｎａ
／ｓ　）より速いＳ減速度をもつ地層の測定はできない
。

直接波法は、発振器としていわゆる電磁型発振器、また
受振軸として孔壁固着型受振軸または漂遊型受振軸を使
用する。電磁型発振器は、コイルとその中を通る永久磁
石とを有し、電磁力によってボビン組立体が運動し、そ
のピストン運動で水を放出することによって、孔軸と直
交する一方向に、つまり非対称的に発振し、Ｓ波を発生
する。

孔壁固着式受振軸は、第１０図に示すようにその受振軸
７自体を孔壁２に固定してこの孔壁２の変位を受振軸７
に直接伝達し、該受振軸７内においてその運動を電磁誘
導誘導作用によってヰ★知する。

また、第１１図に示すように漂遊式受振軸８は、ポーリ
ング孔内の水中を漂遊させ、孔壁２の音圧を孔内水を介
して受振軸８に作用させ、それを電磁誘導作用によって
検知する。

問題点・・・・・・Ｓ波を直接検知できるが、孔壁固着
式及び漂遊式のいずれも質点速度と比例する電圧感度を
有する動電型受振軸を使用しているため、高周波で感度
が低下し、Ｓ減速度の大きい硬い地層の測定は難しい。

また、Ｓ波の検知に当たり、液柱を伝播するチューブウ
ェーブの擾乱を受は易い。

４極剪断波法は、詳細には特開昭５８−２１０５８５号
公報に開示されているように、発振器として、４枚の圧
′ｒｉ素子板をゾンデの軸線（孔軸）の回りに４面対向
配置関係にした４種型発撮器を、また受振軸として発振
器と同一構成の４極型受振軸を使用するもので、発振・
受振方式としては屈折波法の範鴎に入る。４桶型発振器
は、第１２図にその概要を図示するように、オイル４が
封入されたゾンデ５内に、例えば正の電圧を印加したと
きいずれもゾンデ５の外方へ歪む第１の圧電素子板６１
と第２の圧電素子板６２とを、ゾンデ５の一本の直径線
Ｉ−■　（第１の発振軸）に沿って両側に対向配置させ
、また正の電圧を印加したときいずれもゾンデ５の内方
へ歪む第２の圧電素子板６３と第４の圧電素子板６４と
を、上記直径線１−［とは直交する別の直径線ｎ−ｎ　
（第２の発振軸）に沿って両側に対向配置したものであ
る。これら４枚の圧電素子板６１〜６４に同時に正負の
電圧を交互に印加すると、第１及び第２の圧電素子板６
１゜６２とが第１の発振軸に沿って正のＰ波をそれぞれ
発生したとき、第３及び第４の圧電素子板６３゜６４は
第２の発振軸に沿ってそれぞれ負のＰ波を発生する。す
なわち正負の対称振動が生じる。その指向性パターンは
、破線で示すように、第１の発振軸と第２の発振軸との
２等分線上に４つのＳ液量大エネルギーが生じる。

このように発振された４つのＰ波は、ゾンデ５内のオイ
ル４を介して孔内水に伝達され、さらにこれから孔壁に
伝播して合成され、その合成Ｐ波が地層へと屈折し４つ
のＰ波の共通成分のみが互いに干渉することにより、地
層に４極剪断波（４極のＳ波）が生じる。この４極Ｓ波
は孔内水に戻り、４極型受振軸内のオイルを介しその４
極の圧電素子板によって各種ごとに検知される。４極型
受振軸の４枚の圧電素子板は、４桶型発振器の４枚の圧
電素子板と方位を同じにしである。

問題点・・・・・・４つのＰ波を発生してそれを地層で
合成させ、その合成による干渉によって４極Ｓ波を生じ
させ、それを各種ごとに検知して測定データの和をとる
ため、測定結果におけるノイズは少なくなるものの、デ
ータの処理が複雑になる。また、間接波性の欠点である
水のＰ減速度（約１５００ｍ　／ｓｅｃ　）より遅い地
層のＳ減速度は検知できない。

本発明の目的は、従来のこのような問題点に鑑み、特に
Ｓ波を直接かつ簡単にしかも硬い地層でも精度良くかつ
解析容易に測定でき、またＰ波もＳ波と同程度に簡単に
測定できるようにすることである。

「問題点を解決するための手段」本発明の測定方法では、第１図にその原理を示すように
、ポーリング孔１１内の液中に一対の圧電受振板１９ａ
　、　１９ｂを、鉛直な孔軸０−０と直交する一本の受
振軸Ｘ、−Ｘ、に沿って分極方向を揃えて孔軸０−ｏの
両側に平行に対向させかつ該孔軸○−０に対して不動に
なるように没入させる。

そして、この孔軸０−０と平行に振動しなから孔壁を伝
播するＳ波によって作用する音圧により圧電受振板１９
ａ　、　１９ｂをその受振軸Ｘ、−Ｘ、に沿い歪ませ、
それに基づく電気信号を検知する。

また、本発明の測定装置は、第３図及び第４図ないし第
６図に例示するするように、ポーリング孔１１内に挿入
される円筒形のゾンデ１０に、その慣性を大きくする重
錘１０ｂを備えるとともに、該ゾンデ１０の外周壁の両
側に一対の受振部取付孔１７を設ける。これら受振部取
付孔１７に一対の圧電受振板１９ａ　、　１９ｂを、ゾ
ンデ１０の軸線と平行にしかもその軸線と直交する単軸
に沿って同方向に分極するように対向させて配置する。

また、ゾンデ１１に、一対の圧電受動板１９ａ　、　１
９ｂの間にポーリング孔１１内の液を導入する導水部１
８を設ける。さらに、第７．８図に示すように一対の圧
電受振板１９ａ。

１９ｂの結合極性を切り換える極性切換手段２６を備え
たものである。

「作　　　用」本発明の測定方法によれば、一対の圧電受振板１９ａ　
、　１９ｂは、鉛直な孔軸０−０と直交する一本の受振
軸Ｘｌ−Ｘ１に沿って対向しかつ該孔軸Ｏ−０に対し不
動であるため、伝播してきたＳ波によって孔壁が第２図
に示すように変位して孔内水が動揺しても、これら圧電
受振板１９ａ　、　１９ｂは、定位置で静止したまま孔
壁との相対加速度運動によって生じる音圧を受け、孔軸
０−０に対して非対称振動のみを検知する。

本発明の測定装置では、一対の圧電受振板１９ａ。

１９ｂの結合極性を切り換える極性切換手段２６を備え
ているため、一対の圧電受振板１９ａ　、　１９ｂを並
列結合したときは、Ｓ波の検知が行え、また極性を切り
換えて直列結合したときは、Ｐ波を検知できる。

「実　施　例」以下、本発明の実施例について図面を参照に詳細に説明
する。

第３図は本発明の方法の実施の態様を示し、円筒形のゾ
ンデ１０を、水を満たしたポーリング孔１１中にケーブ
ル１２によって吊り降ろす。ゾンデ１０には、その慣性
を大きくするために上下複数個所に鉛等による重錘１０
ｂが設けられている。また、ゾンデ１０は、その上端と
下端に第１の発振器１３ｚと第２の発１辰器１３２、こ
れらの間の中間部に第１の受振軸１４１と第２の受振軸
１４２とを備えている。

これら発振器の制御及び受振軸が検知したデータの処理
はマイクロコンピュータ１５によって行う。

このマイクロコンピュータ１５より出力される発振器１
３１．１３２へのデジタル信号は、Ｄ／Ａ　−Ａ／Ｄ変
換器１６によってＤ／Ａ変換された後、アッテネータ１
６ａよって減衰して送信され、また受振軸１４ｒ　、　
１４２からの信号は、増幅器１６ｂで増幅されＤ／Ａ　
−Ａ／Ｄ変１ｊ！！器１６によってＡ／Ｄ変換されてマ
イクロコンピュータ１５へ入力され、演算される。

発振器１３１．１３２及び受振軸１４ｔ　、　１４２は
、それぞれゾンデ１０の外壁の一部を構成する円筒形ケ
ース１０ａに個別に設けられ、全体として一本に連結さ
れているが、実質的にはほぼ同じ構造である。

今、そのうちの第１の受振軸１４１について説明すると
、第４図ないし第６図に示すようにケース１０ａには、
その周壁の対向する部分に一対の方形な取付孔１７が設
けられ、またその上下両側に導水部として複数個の導水
孔１８が穿設されている。一対の取付孔１７には、バイ
モルフ構造の圧電素子（例えば、黄銅板の両面に圧電セ
ラミックスを蒸着したもの）で構成された一対の圧電受
振板１９ａ。

１９ｂが、円形孔２０ａを有する金属板２０を介して保
持されている。各圧電受振板１９ａ　、　１９ｂはゴム
等の防水材２１で包被され、該防水材２１を介してケー
ス１０ａの内外両方の水圧を受けるようになっている。

そして、両圧電受振板１９ａ　、　１９ｂは、その中心
を結ぶ軸線がケース１０ａの軸線（ゾンデ１０の軸線）
Ｙ−Ｙと直交する一本の受振軸Ｘ１−ｘ、となるように
しかも分極方向Ｓが同じになるように平行に対向してい
る。ケース１０ａの上端には電気回路等を実装するため
の円筒形の回路ボックス２２が接続され、この回路ボッ
クス２２の上端とケース１０ａの下端には、ケーブル接
続用コネクタ２３を内蔵した上下のニップル２４が接続
されている。

第２の受振軸１４２もこれと同じ構造である。

第１及び第２の発振器１３１．１３２は、第１の受振軸
１４ｔでは圧電受振板１９ａ　、　１９ｂを構成してい
る一対のバイモルフ構造の圧電素子が、第４〜６図にお
いて括弧付きの符号で示すように、受振とは逆の発振作
用を行う一対の圧電振動板２５ａ　、　２５ｂを構成し
ていることにおいて、第１の受振軸１４１と相違するが
、その他については実質的に同じである。ただし、第２
の発振器１３２はゾンデ１０の下端に取り付けるため、
第１の受振軸１４１における下端のニップル２４はなく
、それに代えてケース１０ａの下端を閉じる蓋が取り付
けられている。

一対の圧電振動板２５ａ　、　２５ｂは、その中心線を
結ぶ軸線がゾンデ１０の軸線Ｙ−Ｙと直交する一本の発
振軸ｘ２−ｘ２となっており、しかもその発振軸ｘ２−
ｘ２は一対の圧電受振板１９ａ　、　１９ｂの受振軸Ｘ
１−Ｘｔと同じ向きになっている。

なお、発振器１３１　＋　１３２及び受振軸１４１　、
１４２相互は、音波をＢｔＨするため可撓性を有する連
結バイブ１０ｃによって連結されている。

ゾンデ１０を第３図に示すような状態にして第１の発振
器１３１または第２の発振３１３２の一対の圧電振動＠
２５ａ　、　２５ｂに比較的低周波（０，５ＫＨｚ〜５
ＫＨｚ）のパルスを印加すると、これら一対の圧電振動
板２５ａ　、　２５ｂはその分極方向Ｓが同じ′である
ため、第１図に示すようにゾンデ１０の軸線Ｙ−Ｙ　（
孔軸０−０）と直交する発振軸Ｘ２−Ｘ２に沿って非対
称音圧Ｐを生じ、孔内水に直接に単軸発振によるＳ波を
生じさせる。第１図（ＩＩＩ）はその指向性パターンを
示し、発振軸ｘ２−ｘ２と直交する方向にＳ液量大エネ
ルギー軸がある。孔内水はこの非対称音圧Ｐを直接受け
て孔壁に伝達し、Ｓ波が孔壁に沿って孔軸０−０方向に
伝播する。このＳ波は孔内水を介して第１の受振軸１４
１及び第２の受１辰器１４２に伝達されるが、そのＳ波
によって第２図に示すように孔壁が変位し孔内水が動揺
しても、ゾンデ１０内体はその重錘１０ｂによって慣性
が大きくなっているため、孔内水によって干渉されるこ
となく静止状態を保持する。このため、両受振軸１４！
、　１４２の一対の圧電受振板１９ａ及び１９ｂは、そ
の大きさに比べてＳ波の波長が十分に長いことから、第
１図（ｎ）に示すように孔壁との相対加速度運動による
非対称音圧Ｐのみを受ける。このとき、これら圧電受振
板１９ａ　、　１９ｂが第７図に示すごとく電気的に並
列結合しである場合には、その結合回路に、伝播してき
たＳ波に応じた波形の電圧が生じる。圧電受振板１９ａ
　、　１９ｂはこのように非対称音圧Ｐのみを受けるた
め、チューブウェーブや孔壁と孔内水との間の屈折波に
乱されることはない。

今、孔壁における加速度をＵとすると、円筒形に見立て
たときの圧電受振板１９ａ　、　１９ｂに作用する圧力
Ｐは次式で表される。

Ｐ＝−（ｍ／２ａ）　　・Ｕここで、ｍ＝πａ２　°ρ− ただし、ａは円筒半径、ρ−は孔内水の密度一方、第８
図に示すごとく両圧電受振板１９ａ　。

１９ｂを直列結合した場合（このとき、両圧電振動板２
５ａ　、　２５ｂも直列結合する）には、その結合回路
にＰ波に応じた波形の電圧が生じるもので、結合極性を
切り換えることによってＳ波とＰ波を任意に選択して検
知できる。その極性切換を行う手段として、ゾンデ１０
内には外部より遠隔操作できる極性切換回路２６が備え
られている。

ゾンデ１０は、２つの受振軸１４１　、１４２の上下に
２つの発振器１３ｔ　、　１３２を備えているため、各
受振軸について２つの発振器よりの発振に基づくＳ波ま
たはＰ波の測定記録を解析することにより、両受振軸の
特性の違いを除去することができ、減衰定数を精度良く
求めることができる。

「発明の効果」以上詳述した通り、本発明の測定方法によれば次ぎのよ
うな効果がある。

■　Ｓ波検知に当たり、非対称振動のみを検出できるた
め、Ｐ波やチューブウェーブの擾乱を受は難い。

■　孔壁の変位による音圧を定位置に静止させた圧電受
振板によって検知するため、すなわちＳ波の伝播による
孔壁の横方向の音圧を、鉛直な孔軸に対し不動にした圧
電受振仮によって相対加速度運動として検知するため、
従来の直接技法に比べて感度が良くなり、硬い地層でも
精度良く測定できる。

■　孔内水中に没入された一対の圧電受振仮にょるいわ
ば直接単軸受振であるため、方式として単純であり、解
析が非常に簡単である。

■　圧電受動板の特性上、高周波特性に優れているため
、発振周波数を変えることによって軟弱地層から硬岩ま
で広範囲に測定できる。

■　圧電受振板は低周波の振動に鈍感なため、移動しな
がら測定が可能となり、連続測定方式が採れる。

また、本発明の測定装置によれば、一対の圧電受振板の
結合極性を切り換える極性切換手段を備えているため、
一対の圧電受振板を並列結合したときは、Ｓ波の検知が
行え、また極性を切り換えて直列結合したときは、Ｐ波
を検知できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ｔ）、　　（ｎ）、　　（ＩＩＩ）は本発明の
測定方法の原理を説明する説明図、第２図は孔壁の変位
に対する受振軸の関係を示す説明図、第３図は本発明の
一実施態様を示す説明図、第４図、第５図及び第６図は
ゾンデの一部の縦断正面図、同側面図及び横断図、第７
図及び第８図は一対の圧電受振板の電気的結合関係を示
す説明図である。また、第９図（１）、　　（ＩＩ）は
従来の屈折液法の説明図、第１０図は孔壁固着型受振軸
による従来の直接波法の説明図、第１１図は漂遊型受（
ｉ器による従来の直接波法の説明図、第１２図は従来の
４極剪断波法の説明図である。１０・・・・・・ゾンデ、１０ｂ・・・・・・重錘、１
３１　、１３２・・・・・・発振器、１４１．１４２・
・・・・・受振軸、１７・旧・・取付孔、１８・・・・
・・導水孔、１９ａ　、　１９ｂ・旧・・一対の圧電受
振板、２５ａ　、　２５ａ・・・・・・一対の圧電振動
板、２６・・・・・・極性切換回路。オフ図ＣＩ＞才１記＜ｎ）汗７図（ｆｆ）又オ６回オ９図（Ｉ）オ９団（ＩＩ）

Claims

【特許請求の範囲】１、ポーリング孔内の液中に一対の圧電受振板を、鉛直
なポーリング孔軸と直交する一本の受振軸に沿って分極
方向を揃えてポーリング孔軸の両側に平行に対向させか
つ該ポーリング孔軸に対して不動になるように没入させ
、このポーリング孔軸と平行に振動しながらポーリング
孔壁を伝播するＳ波によって作用する音圧により上記圧
電受振板をその受振軸に沿い歪ませ、それに基づく電気
信号を検知することを特徴とする地下人工弾性波の測定
方法。２、ポーリング孔内に挿入される円筒形のゾンデに、そ
の慣性を大きくする重錘を備えるとともに、該ゾンデの
外周壁の両側に一対の受振部取付孔を設け、これら受振
部取付孔に一対の圧電受振板を、ゾンデの軸線と平行に
しかもその軸線と直交する単軸に沿って同方向に分極す
るように対向させて配置し、またゾンデに、上記一対の
圧電受動板の間にポーリング孔内の液を導入する導水部
を設け、さらに上記一対の圧電受振板の結合極性を切り
換える極性切換手段を備えたことを特徴とする地下人工
弾性波の測定装置。