專利名稱：一種聲-地震耦合最佳入射角測量裝置及測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種聲-地震耦合最佳入射角測量裝置及測量方法，屬于聲-地震耦合技術領域。
背景技術：
迄今為止，有關聲-地震耦合現(xiàn)象尚無完整的理論體系，對聲-地震耦合機理的研究仍是一個世界性難題。聲-地震耦合，是指I千赫茲以下的低頻聲波由空氣入射到地面時，大部分能量反射回空中，但還有一部分能量耦合到地下與土壤發(fā)生動量和粘滯摩擦作用，形成慢縱波、快縱波、橫波等多種成分的地震波，并引起地表的振動。聲-地震耦合現(xiàn)象在淺層地下掩埋物(如非金屬地雷)的安全、可靠探測方面具有潛在的應用前景。當聲波激發(fā)的地震波遇到非金屬地雷等埋藏物時會發(fā)生反射或散射作用，返回到地表而改變其振動狀態(tài)，通過檢測地表的振動狀態(tài)的變化可進一步判斷掩埋物的存在性。然而，聲-地震耦合是一個復雜的物理作用過程，能量耦合的效率很低，聲波入射到地面時的入射角對能量耦合的效率影響很大。在聲源和地表土壤參數(shù)條件一定的情況下，使聲波耦合的地表振動速度最大的聲波入射角稱為聲-地震耦合最佳入射角，這是掩埋物探測系統(tǒng)研究中需要重點解決的一個關鍵問題。一個典型的聲-地震耦合最佳入射角測量方法應保證激發(fā)聲波到達地面的入射角可調的情況下，聲源和待測地面土壤環(huán)境的其它參數(shù)都保持不變，測量裝置包括聲波發(fā)射系統(tǒng)、入射角調整機構和地表振動速度檢測系統(tǒng)，而目前尚無高精度的聲-地震耦合最佳入射角測量裝置及測量方法，尤其缺少便捷的入射角調整機構，本發(fā)明正是針對這一關鍵技術進行展開的。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服目前尚無高精度的聲-地震耦合最佳入射角測量裝置尤其缺少便捷的入射角調整機構的問題，提供一種聲-地震耦合最佳入射角測量裝置及測量方法，是一種聲波到達地面的入射角對聲波激發(fā)的地表振動影響的測量裝置及方法，可實現(xiàn)對聲-地震耦合最佳入射角的準確、快捷測量。為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案
一種聲-地震耦合最佳入射角測量裝置，包括信號發(fā)生器、調音臺、功率放大器、揚聲器、揚聲器卡槽、入射角調整機構，所述信號發(fā)生器通過導線依次連接所述調音臺、所述功率放大器和所述揚聲器，所述揚聲器固定卡在所述揚聲器卡槽內，所述揚聲器卡槽通過加長固定鐵板以及兩個螺栓固定在所述入射角調整機構上，構成的聲波發(fā)射系統(tǒng)；本裝置還包括地震檢波器、數(shù)據(jù)采集卡和計算機，所述地震檢波器通過數(shù)據(jù)線經所述數(shù)據(jù)采集卡與所述計算機連接，構成的地表振動速度檢測系統(tǒng)。上述入射角調整機構通過兩個滾動輪置于待測地面上，入射角調整機構的端面是以待測地面上的待測位置點為對稱中心的正72邊形的一些邊面，每個端面的中心角為5。。一種聲-地震耦合最佳入射角測量方法，采用上述的測量裝置，本方法具體實施步驟為
(1)將所述的揚聲器固定卡入所述揚聲器卡槽中，將所述揚聲器卡槽通過加長固定鐵板以及兩個螺栓固定在所述的入射角調整機構的第一端面上；
(2)通過推動所述的入射角調整機構使所述的揚聲器發(fā)聲端口的中軸線與入射角調整機構的頂端端面的中垂線重合并正對待測地面上的待測位置點；
(3)將所述地震檢波器插入到所述待測地面上的待測位置點，所述地震檢波器的輸出端口由數(shù)據(jù)線連接到所述數(shù)據(jù)采集卡的輸入端口上，所述數(shù)據(jù)采集卡的輸出端口由數(shù)據(jù)線連接到所述計算機的輸入端口；
(4)所述信號發(fā)生器發(fā)出頻率為的起始正弦波信號，依次通過所述調音臺和所述功率放大器放大后由所述揚聲器發(fā)出高強度正弦聲波；
(5)所述地震檢波器測量所述待測地面上的待測位置點的地表振動速度，并由所述計算機記錄，然后關閉所述的聲波發(fā)射系統(tǒng)的所有電源；
(6)將所述揚聲器固定卡入其中的揚聲器卡槽通過加長固定鐵板和螺栓固定在所述的入射角調整機構的第二端面上，即將所述的揚聲器發(fā)聲端口的中軸線相對豎直方向旋轉正72邊形的一個中心角的角度，即5°，重啟所述的聲波發(fā)射系統(tǒng)的所有電源，采取與步驟
(4)- (5)相同的步驟，記錄該頻率聲波激勵下所述待測地面上的待測位置點處的地表振動速度；
(7)重復步驟(6)的操作，記錄至預設所述入射角調整機構的所有端面對應的揚聲器發(fā)聲端口的中軸線相對豎直方向旋轉角度情況下的所述待測地面上的待測位置點的地表振動速度，并在所述計算機中求出并記錄所述的揚聲器發(fā)聲端口的中軸線相對豎直方向的角度為0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°等情況下的地表振動速度；
(8)對以上步驟中求出的在所述的揚聲器發(fā)聲端口的中軸線相對豎直方向的角度為 0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°等情況下的地表振動速度找出最大值，其對應角度即為所測量的在聲波激發(fā)頻率為f0情況下的聲-地震耦合最佳入射角。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優(yōu)點 將揚聲器卡入揚聲器卡槽內，并與基于正多邊形的入射角調整機構配合工作，解決了
在保證揚聲器發(fā)聲端口相對待測地面上的待測點的距離不變的情況下而改變聲波入射角的問題，通過所述的聲-地震耦合最佳入射角檢測裝置可準確、快捷地測量聲波入射角對聲波激發(fā)的地表振動的影響。


圖I是本發(fā)明的聲-地震耦合最佳入射角檢測系統(tǒng)結構示意圖2是本發(fā)明的入射角調整機構的結構示意圖3是檢測并計算聲-地震耦合最佳入射角實施步驟框圖。
具體實施例方式本發(fā)明的優(yōu)選實施例結合附圖論述如下如圖I所示，一種聲-地震耦合最佳入射角測量裝置，包括信號發(fā)生器101、調音臺 102、功率放大器103、揚聲器104、揚聲器卡槽105、入射角調整機構108，所述信號發(fā)生器 101通過導線依次連接所述調音臺102、所述功率放大器103和所述揚聲器104，所述揚聲器104固定卡在所述揚聲器卡槽105內，所述揚聲器卡槽105通過加長固定鐵板106以及兩個螺栓107固定在所述入射角調整機構108上，構成的聲波發(fā)射系統(tǒng)；本裝置還包括地震檢波器111、數(shù)據(jù)采集卡112和計算機113，所述地震檢波器111通過數(shù)據(jù)線經所述數(shù)據(jù)采集卡112與所述計算機113連接，構成的地表振動速度檢測系統(tǒng)。參見圖I和圖2，入射角調整機構108通過兩個滾動輪109置于待測地面110上， 入射角調整機構108的第一端面202、第二端面203和端面系204是以待測地面110上的待測位置點201為對稱中心的正72邊形的若干邊面，每個端面的中心角a為5。，端面系 204是省略畫出的正72邊形的一些端面。本實施例中用到的信號發(fā)生器101采用Tektronix公司生產的AFG3022任意波形 /函數(shù)發(fā)生器，調音臺102采用Yamaha公司生產的MG8/2FX調音臺，功率放大器103采用杭州聲博電子科技有限公司生產的PA2000功率放大器，揚聲器104采用Soundking集團有限公司生產的JB215專業(yè)音箱，揚聲器卡槽105和入射角調整機構108采用不銹鋼材料制作， 地震檢波器111陣列采用威海雙豐公司生產的地震檢波器，用到的數(shù)據(jù)采集卡112采用美國國家儀器(NI)有限公司生產的NI-5112數(shù)字化儀。如圖3所示，一種聲-地震耦合最佳入射角測量方法，采用上述的測量裝置，本方法具體實施步驟為
(1)將所述的揚聲器104固定卡入其中的揚聲器卡槽105,所述揚聲器卡槽105通過加長固定鐵板106以及兩個螺栓107固定在所述的入射角調整機構108的第一端面202上；
(2)通過推動所述的入射角調整機構108使所述的揚聲器104發(fā)聲端口的中軸線與入射角調整機構108的第一端面202的中垂線重合并正對待測地面110上的待測位置點201 ；
(3)將所述地震檢波器111插入到所述待測地面110上的待測位置點201，所述地震檢波器111的輸出端口由數(shù)據(jù)線連接到所述數(shù)據(jù)采集卡112的輸入端口上，所述數(shù)據(jù)采集卡 112的輸出端口由數(shù)據(jù)線連接到所述計算機113的輸入端口 ；
(4)所述信號發(fā)生器101發(fā)出頻率為的起始正弦波信號，依次通過所述調音臺102 和所述功率放大器103放大后由所述揚聲器104發(fā)出高強度正弦聲波；
(5)所述地震檢波器111測量所述待測地面110上的待測位置點201的地表振動速度， 并由所述計算機113記錄，然后關閉所述的聲波發(fā)射系統(tǒng)的所有電源；
(6)將所述揚聲器104固定卡入其中的揚聲器卡槽105,所述揚聲器卡槽105通過加長固定鐵板106和兩個螺栓107固定在所述的入射角調整機構108的第二端面203上，即使所述的揚聲器104發(fā)聲端口的中軸線相對豎直方向旋轉正72邊形的一個中心角a的角度即為5°，重啟所述的聲波發(fā)射系統(tǒng)的所有電源，采取與步驟(4)- (5)相同的步驟，記錄該頻率聲波激勵下所述待測地面110上的待測位置點201處的地表振動速度；
(7)重復步驟(6)的操作，記錄至預設所述入射角調整機構108的端面系204上所有端面對應的揚聲器104發(fā)聲端口的中軸線相對豎直方向旋轉角度情況下的所述待測地面 110上的待測位置點201的地表振動速度，并在所述計算機113中求出并記錄所述的揚聲器104發(fā)聲端口的中軸線相對豎直方向的角度為0°、5°、10°、15°、20°、25。、30°、35°、40°、45°情況下的地表振動速度；
(8)對以上步驟中求出的在所述的揚聲器104發(fā)聲端口的中軸線相對豎直方向的角度為O。、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°情況下的地表振動速度找出最大值，其對應角度即為所測量的在聲波激發(fā)頻率為f0情況下的聲-地震耦合最佳入射角。
權利要求
1.一種聲-地震耦合最佳入射角測量裝置，其特征在于，包括信號發(fā)生器(101)、調音臺(102)、功率放大器(103)、揚聲器(104)、揚聲器卡槽(105)、入射角調整機構(108)，所述信號發(fā)生器(101)通過導線依次連接所述調音臺(102)、所述功率放大器(103)和所述揚聲器(104),所述揚聲器(104)固定卡在所述揚聲器卡槽(105)內，所述揚聲器卡槽(105)通過加長固定鐵板(106)以及兩個螺栓(107)固定在所述入射角調整機構(108)的端面上，構成的聲波發(fā)射系統(tǒng)；本裝置還包括地震檢波器(111)、數(shù)據(jù)采集卡(112)和計算機(113)，所述地震檢波器(111)通過數(shù)據(jù)線經所述數(shù)據(jù)采集卡(112)與所述計算機(113)連接，構成的地表振動速度檢測系統(tǒng)。
2.根據(jù)權利要求I所述的聲-地震耦合最佳入射角測量裝置，其特征在于，所述入射角調整機構(108)通過兩個滾動輪(109)置于待測地面(110)上，所述入射角調整機構 (108)的第一端面(202)、第二端面(203)以及端面系(204)是以所述待測地面(110)上的待測位置點(201)為對稱中心的正72邊形的若干邊面，每個端面的中心角a為5°。
3. 一種聲-地震耦合最佳入射角測量方法，采用如權利要求I所述的測量裝置，其特征在于，本方法具體實施步驟為(1)將所述的揚聲器(104)固定卡入所述揚聲器卡槽(105)中，將所述揚聲器卡槽 (105)通過加長固定鐵板(106)以及兩個螺栓(107)固定在所述的入射角調整機構(108)的第一端面(202)上;(2)通過推動所述的入射角調整機構(108)使所述的揚聲器(104)發(fā)聲端口的中軸線與入射角調整機構(108)的第一端面(202)的中垂線重合并正對待測地面(110)上的待測位置點(201)；(3)將所述地震檢波器(111)插入到所述待測地面(110)上的待測位置點(201)，所述地震檢波器(111)的輸出端口由數(shù)據(jù)線連接到所述數(shù)據(jù)采集卡(112)的輸入端口上，所述數(shù)據(jù)采集卡(112)的輸出端口由數(shù)據(jù)線連接到所述計算機(113)的輸入端口 ；(4)所述信號發(fā)生器(101)發(fā)出頻率為&的起始正弦波信號，依次通過所述調音臺 (102)和所述功率放大器(103)放大后由所述揚聲器(104)發(fā)出高強度正弦聲波；(5)所述地震檢波器(111)測量所述待測地面(110)上的待測位置點(201)的地表振動速度，并由所述計算機(113)記錄，然后關閉所述的聲波發(fā)射系統(tǒng)的所有電源；(6)將所述揚聲器(104)固定卡入其中的揚聲器卡槽(105)通過加長固定鐵板(106)及兩個螺栓(107)固定在所述的入射角調整機構(108)的第二端面(203)上，即將所述的揚聲器(104)發(fā)聲端口的中軸線相對豎直方向旋轉正72邊形的一個中心角a的角度，即5°， 重啟所述的聲波發(fā)射系統(tǒng)的所有電源，采取與步驟(4)- (5)相同的步驟，記錄該頻率聲波激勵下所述待測地面(110)上的待測位置點(201)處的地表振動速度；(7)重復步驟(6)的操作，記錄至預設所述入射角調整機構(108)的端面系(204)上所有端面對應的揚聲器(104)發(fā)聲端口的中軸線相對豎直方向旋轉角度情況下的所述待測地面(110)上的待測位置點(201)的地表振動速度，并在所述計算機(113)中求出并記錄所述的揚聲器(104)發(fā)聲端口的中軸線相對豎直方向的角度為0°、5°、10°、15°、20°、 25。、30。、35。、40。、45。情況下的地表振動速度；(8)對以上步驟中求出的在所述的揚聲器(104)發(fā)聲端口的中軸線相對豎直方向的角度為0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°情況下的地表振動速度找出最大值，其對應角度即為所測量的在聲波激發(fā)頻率為A情況下的聲-地震耦合最佳入射角。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種聲-地震耦合最佳入射角測量裝置，包括由信號發(fā)生器、調音臺、功率放大器、揚聲器、揚聲器卡槽和入射角調整機構構成的聲波發(fā)射系統(tǒng)；本裝置還包括由地震檢波器、數(shù)據(jù)采集卡和計算機構成的地表振動速度檢測系統(tǒng)。一種聲-地震耦合最佳入射角測量方法，采用上述的測量裝置，具體實施步驟為1)檢測并計算揚聲器發(fā)聲端口的中軸線相對豎直方向的角度為0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°情況下的地表振動速度；2)對上述步驟測得的地表振動速度找出最大值，其對應的角度即為所測量的聲-地震耦合最佳入射角。本發(fā)明測量裝置和測量方法能實現(xiàn)聲-地震耦合最佳入射角的高精度、快速測量。
文檔編號G01V1/00GK102590854SQ20121004802
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月29日 優(yōu)先權日2012年2月29日
發(fā)明者丁衛(wèi), 于瀛潔, 周瑜秋, 沈高煒, 王馳 申請人:上海大學