專利名稱：地表聲阻抗率測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及物探技術(shù)領(lǐng)域，尤其是聲波探測非金屬地雷研究中的地表聲阻抗率測量裝置及方法。
背景技術(shù)：
塑料等非金屬地雷的安全、可靠探測一直是國際排雷事業(yè)亟待解決的瓶頸問題。 常用的金屬探測器因是基于電磁感應(yīng)原理只能探測金屬地雷，對金屬含量很少的塑料等非金屬地雷探測效果較差。對于紅外、探地雷達、X射線等成像技術(shù)，在探測機理上難以辨別埋藏物是否為地雷；對于非成像技術(shù)，如中子分析，它通過檢測炸藥的化學(xué)特性具有較強的地雷鑒別能力，但系統(tǒng)特別復(fù)雜、檢測信號過于微弱，尚處于應(yīng)用可行性論證階段?；诼?地震耦合原理的聲波探測技術(shù)具有潛在的應(yīng)用前景，但缺少聲波探雷模型研究的商用實驗研究裝置。聲-地震耦合是指當頻率在IKHz以下的低頻聲波由空氣入射到地表時，形成快縱波、慢縱波和橫波等多種成分的地震波；相應(yīng)地，地表聲壓與耦合的地表振動速度的比值稱為地表聲阻抗率。當耦合的地震波遇到地雷時會發(fā)生反射或散射現(xiàn)象而回到地表，并改變地表的振動速度，進而改變地表聲阻抗率的大小。因此，通過檢測地表聲阻抗率的變化異常情況，可用于非金屬地雷探測方面的研究，但目前尚無專用的地表聲阻抗率測量裝置。一個典型的地表聲阻抗率測量裝置應(yīng)包括聲波發(fā)射系統(tǒng)和地表振動速度檢測系統(tǒng)，而目前的聲發(fā)射系統(tǒng)不能直接測量地表聲壓的變化曲線，地表振動速度檢測系統(tǒng)的檢測效率較低，不能同時檢測地表多個位置的振動情況，本發(fā)明正是針對這一關(guān)鍵技術(shù)進行展開的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服目前尚無專用的聲-地震耦合機理研究的測量裝置等方面的問題，提供一種地表聲阻抗率的檢測裝置和檢測方法，可實現(xiàn)對地表聲阻抗率的高精度、快速測量。為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種地表聲阻抗率測量裝置，包括信號發(fā)生器、調(diào)音臺、功率放大器、揚聲器和計算機， 其特征是所述信號發(fā)生器、調(diào)音臺、功率放大器和揚聲器依次通過導(dǎo)線連接構(gòu)成聲波發(fā)射系統(tǒng)，由一個聲級計和所述計算機通過數(shù)據(jù)線連接構(gòu)成聲壓級檢測系統(tǒng)，由一個地震檢波器陣列經(jīng)一個多通道數(shù)據(jù)采集單元與計算機通過數(shù)據(jù)線連接構(gòu)成地表振動檢測系統(tǒng)。一種地表聲阻抗率測量方法，采用上述裝置來測量檢測計算地表聲阻抗率中所需地表聲壓級幅頻特性曲線，其特征在于測量步驟如下
(1)使揚聲器發(fā)聲端口正對待測地表位置；
(2)把聲級計放于待測地表位置上和揚聲器發(fā)聲端口的正下方；
(3)信號發(fā)生器發(fā)出頻率為的起始正弦波信號，依次通過調(diào)音臺和功率放大器放大后由揚聲器發(fā)出高強度正弦聲波；
(4)聲級計測量待測地表位置的聲壓級，并由計算機記錄；
(5)使信號發(fā)生器發(fā)出的正弦聲波信號頻率增加1Hz，即發(fā)出正弦波信號的頻率為 (/o+l)，采取與步驟(3)_ (4)相同的步驟，記錄該頻率聲波激勵下待測地表(106)位置處的聲壓級；
(6)重復(fù)步驟(5)的操作，記錄至預(yù)設(shè)頻率為(Α+ΛΟ時的待測地表(106)位置的聲壓級，并在計算機(107)中求出并記錄所測聲壓級關(guān)于激發(fā)正弦波頻率/^A+L/^2、···、/。+# 的幅頻特性曲線；
以上步驟中用到的信號發(fā)生器采用Tektronix公司生產(chǎn)的AFG3022任意波形/函數(shù)發(fā)生器，調(diào)音臺采用Yamaha公司生產(chǎn)的MG8/2FX調(diào)音臺，功率放大器采用杭州聲博電子科技有限公司生產(chǎn)的PA2000功率放大器，揚聲器采用Soimdking集團有限公司生產(chǎn)的JB215專業(yè)音箱，聲級計采用北京聲望聲電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的BSWA801聲級計。一種地表聲阻抗率測量方法，采用上述裝置測量計算地表聲阻抗率所需的地表振動速度幅頻特性曲線，其特征在于測量步驟如下
(1)保持上述信號發(fā)生器、調(diào)音臺、功率放大器和揚聲器的連接、參數(shù)設(shè)置及相對待測地表的位置不變；
(2)移走聲級計，并使地震檢波器陣列插入到待測地表位置，地震檢波器陣列的輸出端口由數(shù)據(jù)線連接到多通道數(shù)據(jù)采集單元的輸入端口上，多通道數(shù)據(jù)采集單元的輸出端口由數(shù)據(jù)連接到計算機的輸入端口；
(3)信號發(fā)生器發(fā)出頻率為的起始正弦波信號，依次通過調(diào)音臺和功率放大器放大后由揚聲器發(fā)出高強度正弦聲波；
(4)地震檢波器陣列測量待測地表位置的地表振動速度，并由計算機記錄；
(5)使信號發(fā)生器發(fā)出的正弦聲波信號頻率增加1Hz，即發(fā)出正弦波信號的頻率為 (/o+l)，采取與步驟(3)_ (4)相同的步驟，記錄該頻率聲波激勵下待測地表(106)位置處的地表振動速度；
(6)重復(fù)步驟(5)的操作，記錄至預(yù)設(shè)頻率為(Α+ΛΟ時的待測地表位置的地表振動速度，并在計算機中求出并記錄所測地表振動速度關(guān)于激發(fā)正弦波頻率A、4+1、4+2、…、
的幅頻特性曲線；
以上步驟中用到的地震檢波器陣列采用威海雙豐公司生產(chǎn)的地震檢波器，用到的多通道數(shù)據(jù)采集單元采用美國國家儀器(Ni)有限公司生產(chǎn)的NI-PXI多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。一種地表聲阻抗率幅頻特性曲線的測量方法，用于測量地表的聲阻抗率，其特征是對待測地表位置處的聲壓級的幅頻特性曲線和待測地表位置處的地表振動速度的幅頻特性曲線求比值，即得待測地表位置處的地表聲阻抗率的幅頻特性曲線。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點將信號發(fā)生器、調(diào)音臺和功率放大器連接，解決了輸出單頻聲波、輸出聲波能量可連續(xù)控制等問題，改善了聲波發(fā)射系統(tǒng)性能；在地表振動速度檢測時，通過利用陣列式地震檢波器，再通過多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了對地表多個位置振動速度的同步、快速檢測。


圖1是本發(fā)明的聲波發(fā)射系統(tǒng)和待測地表聲壓級檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是地表振動速度和聲阻抗率檢測結(jié)構(gòu)原理示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的優(yōu)選實施例結(jié)合附圖論述如下
實施例一參見圖1，本地表聲阻抗率測量裝置在用于待測地表聲壓級檢測時的結(jié)構(gòu)包括信號發(fā)生器(101)、調(diào)音臺(102)、功率放大器(103)、揚聲器(104)、聲級計(105)和計算機(107)，其特征是所述信號發(fā)生器(101)、調(diào)音臺(102)、功率放大器(103)和揚聲器 (104)依次通過導(dǎo)線連接構(gòu)成聲波發(fā)射系統(tǒng)，所述聲級計(105)和計算機(107)通過數(shù)據(jù)線連接構(gòu)成聲壓級檢測系統(tǒng)。實施例二 參見圖1，本地表聲阻抗率測量方法，采用實施例一的裝置測量計算地表聲阻抗率所需的地表聲壓級幅頻特性曲線，其特征在于測量步驟如下
(1)使揚聲器(104)發(fā)聲端口正對待測地表(106)位置；
(2)把聲級計(105)放于待測地表(106)位置上和揚聲器(104)發(fā)聲端口的正下方；
(3)信號發(fā)生器(101)發(fā)出頻率為的起始正弦波信號，依次通過調(diào)音臺(102)和功率放大器(103)放大后由揚聲器(104)發(fā)出高強度正弦聲波；
(4)聲級計(105)測量待測地表(106)位置的聲壓級，并由計算機(107)記錄；
(5)使信號發(fā)生器(101)發(fā)出的正弦聲波信號頻率增加1Hz，即發(fā)出正弦波信號的頻率為(/o+l)，采取與步驟(3)_ (4)相同的步驟，記錄該頻率聲波激勵下待測地表(106)位置處的聲壓級；
(6)重復(fù)步驟(5)的操作，記錄至預(yù)設(shè)頻率為(Α+ΛΟ時的待測地表(106)位置的聲壓級，并在計算機(107)中求出并記錄所測聲壓級關(guān)于激發(fā)正弦波頻率/^A+L/^2、···、/。+# 的幅頻特性曲線；
實施例三參見圖2，本地表聲阻抗率測量裝置用于測量地表振動速度時的結(jié)構(gòu)包括信號發(fā)生器(101)、調(diào)音臺(102)、功率放大器(103)、揚聲器(104)、聲級計(105)、計算機 (107)、地震檢波器陣列(201)和多通道數(shù)據(jù)采集單元(202)，其特征是所述信號發(fā)生器 (101 )、調(diào)音臺(102)、功率放大器(103)和揚聲器(104)依次通過導(dǎo)線連接構(gòu)成聲波發(fā)射系統(tǒng)，所述地震檢波器陣列(201)、多通道數(shù)據(jù)采集單元(202)和計算機(107)依次通過數(shù)據(jù)線連接構(gòu)成地表振動速度檢測系統(tǒng)。實施例四參見圖2，本地表聲阻抗率測量方法，采用上述裝置測量地表振動速度幅頻特性曲線，其特征在于測量步驟如下
(1)保持權(quán)利要求2所述的信號發(fā)生器(101)、調(diào)音臺(102)、功率放大器(103)和揚聲器(104)的連接、參數(shù)設(shè)置及相對待測地表(106)的位置不變；
(2)移走聲級計(105)，并使地震檢波器陣列(201)插入到待測地表(106)位置，地震檢波器陣列(201)的輸出端口由數(shù)據(jù)線連接到多通道數(shù)據(jù)采集單元(202)的輸入端口上，多通道數(shù)據(jù)采集單元(202)的輸出端口由數(shù)據(jù)連接到計算機(107)的輸入端口 ；
(3)信號發(fā)生器(101)發(fā)出頻率為A的起始正弦波信號，依次通過調(diào)音臺(102)和功率放大器(103)放大后由揚聲器(104)發(fā)出高強度正弦聲波；
(4)地震檢波器陣列(201)測量待測地表(106)位置的地表振動速度，并由計算機(107)記錄；
(5)使信號發(fā)生器(101)發(fā)出的正弦聲波信號頻率增加1Hz，即發(fā)出正弦波信號的頻率為(/o+l)，采取與步驟(3)_ (4)相同的步驟，記錄該頻率聲波激勵下待測地表(106)位置處的地表振動速度；
(6)重復(fù)步驟(5)的操作，記錄至預(yù)設(shè) 頻率為(Α+ΛΟ時的待測地表(106)位置的地表振動速度，并在計算機(107)中求出并記錄所測地表振動速度關(guān)于激發(fā)正弦波頻率A、Z0+U /。+2、…、/。+#的幅頻特性曲線；
實施例五參見圖1和圖2，本地表聲阻抗率測量方法，采用上述聲波發(fā)射系統(tǒng)、待測地表聲壓級檢測系統(tǒng)、待測地表振動速度檢測系，并采用上述待測地表聲壓級檢測方法、待測地表振動速度檢測方法，其特征是對待測地表(106)位置處的聲壓級的幅頻特性曲線和待測地表(106)位置處的地表振動速度的幅頻特性曲線求比值，即得待測地表(106)位置處的地表聲阻抗率的幅頻特性曲線。
權(quán)利要求
1.一種地表聲阻抗率測量裝置，包括信號發(fā)生器(101)、調(diào)音臺(102)、功率放大器 (103)、揚聲器(104)和計算機(107)，其特征是所述信號發(fā)生器(101)依次通過導(dǎo)線連接調(diào)音臺(102)、功率放大器(103)和揚聲器(104)構(gòu)成聲波發(fā)射系統(tǒng)，由一個聲級計(105)和所述計算機(107)通過數(shù)據(jù)線連接構(gòu)成聲壓級檢測系統(tǒng)，由一個地震檢波器陣列(201)經(jīng)一個多通道數(shù)據(jù)采集單元(202)與所述計算機(107)通過數(shù)據(jù)線連接構(gòu)成地表振動檢測系統(tǒng)。
2.—種地表聲阻抗率測量方法，采用根據(jù)權(quán)利要求1所述的地表聲阻抗率測量裝置來檢測計算地表聲阻抗率所需的地表聲壓級幅頻特性曲線，其特征在于測量步驟如下(1)使揚聲器(104)發(fā)聲端口正對待測地表(106)位置；(2)把聲級計(105)放于待測地表(106)位置上和揚聲器(104)發(fā)聲端口的正下方；(3)信號發(fā)生器(101)發(fā)出頻率為的起始正弦波信號，依次通過調(diào)音臺(102)和功率放大器(103)放大后由揚聲器(104)發(fā)出高強度正弦聲波；(4)聲級計(105)測量待測地表(106)位置的聲壓級，并由計算機(107)記錄；(5)使信號發(fā)生器(101)發(fā)出的正弦聲波信號頻率增加1Hz，即發(fā)出正弦波信號的頻率為(/o+l)，采取與步驟(3)_ (4)相同的步驟，記錄該頻率聲波激勵下待測地表(106)位置處的聲壓級；(6)重復(fù)步驟(5)的操作，記錄至預(yù)設(shè)頻率為(Α+ΛΟ時的待測地表(106)位置的聲壓級，并在計算機(107)中求出并記錄所測聲壓級關(guān)于激發(fā)正弦波頻率/^A+L/^2、···、/。+# 的幅頻特性曲線；以上步驟中用到的信號發(fā)生器采用Tektronix公司生產(chǎn)的AFG3022任意波形/函數(shù)發(fā)生器，調(diào)音臺采用Yamaha公司生產(chǎn)的MG8/2FX調(diào)音臺，功率放大器采用杭州聲博電子科技有限公司生產(chǎn)的PA2000功率放大器，揚聲器采用Soimdking集團有限公司生產(chǎn)的JB215專業(yè)音箱，聲級計采用北京聲望聲電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的BSWA801聲級計。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的地表聲阻抗率測量方法，采用根據(jù)權(quán)利要求1所述的地表聲阻抗率測量裝置來檢測計算地表聲阻抗率所需的地表振動速度幅頻特性曲線，其特征在于測量步驟如下(1)保持所述的信號發(fā)生器(101)、調(diào)音臺(102)、功率放大器(103)和揚聲器(104)的連接、參數(shù)設(shè)置及相對待測地表(106)的位置不變；(2)移走聲級計(105)，并使地震檢波器陣列(201)插入到待測地表(106)位置，地震檢波器陣列(201)的輸出端口由數(shù)據(jù)線連接到多通道數(shù)據(jù)采集單元(202)的輸入端口上，多通道數(shù)據(jù)采集單元(202)的輸出端口由數(shù)據(jù)連接到計算機(107)的輸入端口 ；(3)信號發(fā)生器(101)發(fā)出頻率為A的起始正弦波信號，依次通過調(diào)音臺(102)和功率放大器(103)放大后由揚聲器(104)發(fā)出高強度正弦聲波；(4)地震檢波器陣列(201)測量待測地表(106)位置的地表振動速度，并由計算機 (107)記錄；(5)使信號發(fā)生器(101)發(fā)出的正弦聲波信號頻率增加1Hz，即發(fā)出正弦波信號的頻率為(/o+l)，采取與步驟(3)_ (4)相同的步驟，記錄該頻率聲波激勵下待測地表(106)位置處的地表振動速度；(6)重復(fù)步驟(5)的操作，記錄至預(yù)設(shè)頻率為(Α+ΛΟ時的待測地表(106)位置的地表振動速度，并在計算機(107)中求出并記錄所測地表振動速度關(guān)于激發(fā)正弦波頻率A、Z0+U /。+2、…、/。+#的幅頻特性曲線；以上步驟中用到的地震檢波器陣列采用威海雙豐公司生產(chǎn)的地震檢波器，用到的多通道數(shù)據(jù)采集單元采用美國國家儀器(Ni)有限公司生產(chǎn)的NI-PXI多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
4. 一種根據(jù)權(quán)利要求3所述的地表聲阻抗率測量方法，其特征是對所求的待測地表 (106)位置處的聲壓級的幅頻特性曲線和所求的待測地表(106)位置處的地表振動速度的幅頻特性曲線求比值，即得待測地表(106)位置處的地表聲阻抗率的幅頻特性曲線。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種地表聲阻抗率測量裝置及方法，包括聲波發(fā)射系統(tǒng)、待測地表聲壓級檢測裝置和待測地表振動速度檢測裝置。聲波發(fā)射系統(tǒng)包括信號發(fā)生器、調(diào)音臺、功率放大器、揚聲器、聲級計和計算機；待測地表聲壓級檢測裝置包括聲波發(fā)射系統(tǒng)、聲級計和計算機；待測地表振動速度檢測裝置包括聲波發(fā)射系統(tǒng)、地震檢波器陣列、多通道數(shù)據(jù)采集單元和計算機。聲波發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出高強度的低頻聲波，由聲壓級檢測裝置檢測待測地表處的聲壓級，并由地表振動速度檢測裝置檢測待測地表處的振動速度，所測地表處的聲壓級與振動速度的比值即為地表聲阻抗率。本發(fā)明提供的地表聲阻抗率測量裝置和方法能實現(xiàn)地表聲阻抗率的高精度、快速測量。
文檔編號G01V7/00GK102435298SQ20111030823
公開日2012年5月2日 申請日期2011年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月13日
發(fā)明者于瀛潔, 周瑜秋, 張之江, 方臣, 王馳 申請人:上海大學(xué)