一種基于聲-地震耦合的室內(nèi)聲波探雷實驗系統(tǒng)

王 馳，于瀛潔，李醒飛

(1. 上海大學(延長校區(qū))精密機械工程系，上海 200072；

2. 天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室，天津 300072)

地雷作為一種防御性爆炸武器，它不易清除、隱蔽性好、長期有效，即使在戰(zhàn)爭結束后的和平年代，它的威脅依然很大．據(jù) 2006年日內(nèi)瓦國際人道主義排雷技術報告[1]，目前世界各地還遺留有 1.1億枚未爆地雷，分布在全球 80多個國家和地區(qū)，每年都有1.5～2萬人因觸雷致殘或者死亡．據(jù)專家估計，以現(xiàn)在的排雷速度和花費，清理完全世界的遺留地雷需要1,100年的時間和300～1,000億美元的資金．排除世界雷患，可謂任重道遠．

迄今為止，地雷探測仍是一個世界性難題，很多國家都在探索新的探雷方法和手段．一個具有潛在應用價值的探測方法是基于聲-地震耦合原理的聲波共振探雷技術．所謂聲-地震耦合是指聲波入射到地面時因土壤孔隙度的存在能激發(fā)出快縱波、慢縱波、橫波等多種不同成分的地震波[2-7]．自 20世紀 90年代以來，以 Sabatier、Donskoy等[8-13]的研究為代表，先后建立了聲波探測地雷的線性、非線性共振模型，通過大量實驗驗證并進行評估分析，指出聲波探雷實驗在研究初期可在室內(nèi)進行，并得出地雷能使聲波耦合的地表振動產(chǎn)生獨特變化的結論，尤其是對塑料地雷探測具有很高的可靠性．

在國內(nèi)除了筆者發(fā)表的文獻[14-16]外，還鮮見聲波共振技術探測地雷的有關報道．筆者在已發(fā)表的文獻中綜述了聲-地震耦合探雷技術的基本思想，初步設計了實驗系統(tǒng)．但聲耦合的地表振動信號很弱，速度一般在每秒幾百微米量級，振動情況也非常復雜，這些文獻里所描述的實驗系統(tǒng)尚很簡單，不足以獲得頻帶更寬、振幅更強的地表振動信息，而且沒有給出系統(tǒng)的設計過程及關鍵注意事項．為此，本文詳細描述了一種成本較低、操作方便、性能良好的室內(nèi)聲波探雷實驗系統(tǒng)的設計方法，并重點討論了該系統(tǒng)的實驗可重復性問題．

1 聲波探雷技術的基本原理

關于聲波探雷技術機理的詳細內(nèi)容可參考文獻[14-16]，限于篇幅，本文側重實驗系統(tǒng)的設計，在此對聲波探雷技術的基本原理概述如下．

聲波探雷技術主要是基于地雷獨特的機械特性以及聲-地震波耦合原理．相對而言，不管是塑料地雷還是金屬殼地雷，它們的機械特性與埋藏其中的土壤有很大差別，它們由雷體、引信和氣腔等構成，柔性很大，能與其上方的土壤構成質(zhì)量-彈簧共振系統(tǒng)．聲波入射到地下形成的地震波，能量主要集中在快、慢縱波成分，其中慢縱波引起較強的流體相振動和較弱的固體相振動，傳播到地雷位置時會發(fā)生強烈的反射或散射現(xiàn)象，并使土壤-地雷共振系統(tǒng)發(fā)生諧振，最終在地雷上方的地表產(chǎn)生一個異常的振動位移或速度場，據(jù)此可判斷地雷的存在．

2 實驗系統(tǒng)

2.1 硬件組成

根據(jù)聲波探雷基本原理，其實驗系統(tǒng)主要包括聲波發(fā)射系統(tǒng)和地表振動信息接收系統(tǒng)兩部分．聲波發(fā)射系統(tǒng)可選用由功率放大器、揚聲器等構成的音響裝置．鑒于聲-地震耦合的效率較低，如要檢測頻帶較寬、幅值較大的地表振動信號，應選擇高功率的音響，這就要求有額定功率大的功率放大器以及與之相匹配的揚聲器．為了預防過高的功率能量燒毀揚聲器，可選用調(diào)音臺作為前置放大器．另外，聲波耦合的地表振動與激勵聲波的頻率密切相關，功率放大器的諧波失真應當盡可能??；這一方面要求音響性能好，另一方面需要信號源能輸出高精度的正弦聲波信號，且輸出信號幅值穩(wěn)定．

聲波耦合的微弱地表振動信號容易被環(huán)境噪聲所湮沒，所以要選用具有較高精度的地表振動信號接收傳感器．從實用地雷探測的角度而言，接收裝置應該是非接觸式的，例如激光多普勒振動計、雷達多普勒振動計等，但這些裝置的成本很高．在實驗的初期探索階段，重點是研究聲波激勵下地雷對地表振動的影響，因此，可采用價格較低的接觸式傳感器，如地震檢波器；為了提高檢測系統(tǒng)的靈敏度和可靠性，可用地震檢波器串代替單只檢波器．檢測到的地表振動信號可通過采集卡傳送到計算機中用軟件進行分析和處理．

根據(jù)以上分析，設計了一個基于音響和地震檢波器串的室內(nèi)聲波探雷實驗系統(tǒng)，如圖 1所示．其中，實驗箱是尺寸為 1.02,m×0.75,m×0.8,m的方形木質(zhì)有底板箱子，木板厚度約為 2,cm，箱中裝有顆粒較均勻、干燥的黃土，土粒直徑小于 1,mm，黃土深度約為0.67,m；信號源為 Tektronix公司生產(chǎn)的 AFG3022任意波形/函數(shù)發(fā)生器；調(diào)音臺為 Yamaha生產(chǎn)的MG8/2FX；功率放大器選用杭州聲博電子科技有限公司生產(chǎn)的 PA2000，其單通道標定輸出功率為1,000,W，頻率響應范圍為 20,Hz～20,kHz；揚聲器選用音王集團有限公司生產(chǎn)的JB215專業(yè)音箱，頻率響應范圍為 38,Hz～20,kHz，靈敏度為 97,dB(1W，1,m)；地震檢波器選用威海雙豐公司生產(chǎn)的 5×1地震檢波器串，其固有頻率為 28 Hz，響應頻率范圍為28～1,000,Hz，測試靈敏度增益為138,V/(m·s-1)．數(shù)據(jù)采集單元采用NI公司生產(chǎn)的PCI,5,112數(shù)據(jù)采集卡，在基于LabView環(huán)境的PC主機中進行濾波、求功率譜等處理，并實時顯示和記錄．所用地雷為六九式反坦克塑料教練地雷，考慮到安全問題，地雷中的炸藥用與其機械特性相似的細沙土代替，地雷埋藏深度約為10,cm．

圖1 室內(nèi)聲波探雷實驗系統(tǒng)Fig.1 Lab-scale experimental system for acoustic mines Fig. detection

2.2 實驗方案

實驗時，將地震檢波器串均勻地插在待測區(qū)域，保證地震檢波器串與土壤的緊密耦合；揚聲器置于實驗箱上方，正對著地震檢波器串，距土壤表面約0.3,m．信號發(fā)生器輸出單頻正弦波，通過調(diào)音臺和功率放大器放大后由揚聲器發(fā)出單頻聲波．地震檢波器串檢測到與地表振動速度成正比的電壓信號，并經(jīng)PCI 5112數(shù)據(jù)采集卡采集到計算機中的LabView平臺上進行處理．LabView程序每處理完一個頻率聲波激勵下的地表振動信息后，手動操作信號發(fā)生器，使其輸出頻率每次增加 1,Hz；重復實驗，直至一組數(shù)據(jù)測量結束．每組實驗的起始頻率為 51,Hz，終止頻率為 800,Hz．

為衡量激勵聲波的大小，實驗中使用了風雷普通聲級計PSJ-2B測量了地震檢波器處的C計權聲壓級的幅頻特性曲線，如圖 2所示．可以看出，地表聲壓級隨著聲波頻率的變化而變化，但在整個實驗頻段，聲壓級都大于 110,dB，而且在相當寬的頻帶內(nèi)大于120,dB．如此強的聲波，雖能滿足實驗能量要求，但若長時間工作可能會對人的聽覺造成傷害，因此，在實驗過程中，要注意采取保護措施，如可戴消聲耳罩．下文所述實驗數(shù)據(jù)所用聲源也是基于圖 2所示的聲壓級．

圖2 地表聲壓級隨頻率變化曲線Fig.2 Variations of ground surface sound pressure level Fig.2 with frequency

3 實驗結果分析

為了保證地震檢波器輸出信號不是聲波直接作用到地震檢波器產(chǎn)生的，筆者曾做了多次這樣的實驗：用手握著檢波器放到空中揚聲器的正下方，無論它發(fā)出怎樣的聲波信號，地震檢波器輸出幾乎均為0，這說明下文分析的實驗結果是因聲-地震耦合引起的地表振動．

3.1 實驗單日重復性

圖 3是在相同聲波激勵下，在有、無地雷時先后分別測得的3組地表振動均方根速度幅頻特性曲線，縱坐標代表地表振動速度的均方根幅值，橫坐標代表激勵頻率．從圖 3不難看出，無論有無地雷，不同次數(shù)測得的曲線均基本一致，這說明了實驗的單日重復性良好，即系統(tǒng)設置好的當天先后測得的曲線基本一致．另外，地表振動在低頻段幅值較大，變化趨勢也很復雜，這一方面是由于低頻聲波耦合效率高，另一方面可能是由于地雷復雜的共振作用；而在 600,Hz以后的較高頻段，因為聲波衰減嚴重，信號幅值很小，這時測得的數(shù)據(jù)準確性已很低；說明選擇51～650,Hz這個頻段在本實驗條件下是適當?shù)?，如需觀察在更寬頻帶內(nèi)的振動情況，需要更強的聲源功率，但易燒毀音響，對硬件系統(tǒng)要求更高．關于對實驗數(shù)據(jù)的詳細機理分析，可參考文獻[14-16]，在此主要強調(diào)實驗系統(tǒng)的可重復性良好．

由于重力作用，木箱中的土壤固相顆粒的沉降會改變土壤的結構，使土壤孔隙度減??；另外，黃土的自然干燥使含水量減少，也會使土壤結構發(fā)生一定的變化．這些因素會影響聲-地震耦合的效率，導致聲波耦合的地表振動發(fā)生變化．另外，地震檢波器作為一種接觸式傳感器，盡管對其布置盡量按照預設的統(tǒng)一標準進行，但保證地震檢波器與地面的耦合情況每次都完全相同是不可能的，這也會對實驗的重復性產(chǎn)生一定影響．因此，有必要研究實驗的多日重復性問題，即實驗系統(tǒng)設置好后隨時間推移以及土壤的自然沉降而變化的情況．

3.2 實驗多日重復性

有了單日實驗良好重復性的基礎，為進一步提高數(shù)據(jù)的可靠性，可通過求每日多次測量數(shù)據(jù)平均值的方法分析測試信號隨時間變化的規(guī)律．圖4所示是在無地雷情況下系統(tǒng)設置好后第1天、第3天、第5天測得的3條地表振動均方根速度的幅頻特性曲線，其中每條曲線均是當天測得的3組數(shù)據(jù)的平均值．從圖4可以看出，系統(tǒng)設置好后第1天測得的數(shù)據(jù)與其他兩日差別相對較大，尤其在 250,Hz以下的頻段更為明顯．然而 3條曲線總的變化趨勢基本一致，尤其是第3天和第 5天所測數(shù)據(jù)曲線盡管在某些頻率處其幅值有一定差異，但總體上基本重合．可見，在無雷的情況下，土壤的自然沉降和干燥對實驗數(shù)據(jù)有一定影響，但是其影響并不太顯著，在本實驗條件下 3天后基本趨于穩(wěn)定．

圖3 地表振動均方根速度幅頻特性曲線Fig.3 Root-mean-square magnitude spectra of ground surface vibration velocity

圖4 無地雷時地表振動曲線隨時間的變化Fig.4 Variation of off-mine root-mean-square ground surface vibration with time

當?shù)乩状嬖跁r會使檢測信號變化更為復雜，為此，選擇系統(tǒng)設置好后隔較多天數(shù)測量的數(shù)據(jù)來討論地表振動隨時間變化的規(guī)律．圖 5所示是地雷埋藏深度 10,cm、系統(tǒng)設置好后在第 4天、第9天和第 14天測得的3條地表振動均方根速度的幅頻特性曲線，其中每條曲線也均是當天3組測量數(shù)據(jù)的平均值．從圖 5可以看出，在實驗系統(tǒng)組成不變的情況下，隨著時間的變化，測試信號曲線在 140,Hz以下的低頻段內(nèi)變化較為復雜，而在 200,Hz以后的較高頻段變化不太明顯，尤其是在 250,Hz之后，3條曲線基本一致．這是因為，隨著時間的增長，在自然沉降作用下，土壤孔隙度會變小，使聲-地震耦合效率降低，而該耦合效率又在低頻段內(nèi)較大，加上土壤-地雷系統(tǒng)的共振作用也會產(chǎn)生幅值和頻率上的變化，最終使敏感的低頻信號曲線發(fā)生較大的改變，而對高頻信號的影響相對較?。?/p>

圖5 有地雷時地表振動曲線隨時間的變化Fig.5 Variation of on-mine root-mean-square ground surface vibration with time

3.3 實驗重復性的保證

通過以上分析，不管是否埋設有地雷，系統(tǒng)設置好后某日內(nèi)多次測量的重復性(即單日重復性)是良好的；但隨著時日的延長，因土壤的自然沉降作用改變了土壤孔隙度等結構特性原因，會使測試信號發(fā)生變化，尤其是在低頻范圍內(nèi)變化更為明顯，但在較高頻段內(nèi)變化趨勢仍基本一致．因此，在比較有、無地雷的測試信號時，可以選擇在有雷或無雷的情況下分別經(jīng)過相同的天數(shù)進行測量，即首先設置好實驗系統(tǒng)，分別經(jīng)過同樣的天數(shù)，測出有、無地雷時的地表振動速度，再進行比較分析．

4 結 語

本文在簡要介紹聲波探雷技術原理的基礎上，詳細討論了室內(nèi)聲波探雷實驗系統(tǒng)構建的過程、實驗方案及其注意環(huán)節(jié)．通過實驗發(fā)現(xiàn)，所設計的實驗系統(tǒng)的可重復性雖不完全理想，但從分析信號的特征來說是足夠的，即曲線的總體變化趨勢一致．另外，整個實驗系統(tǒng)成本較低、操作方便，可以滿足聲波探雷模型初期探索階段的實驗要求．

事實上，聲-地震耦合現(xiàn)象非常復雜，其耦合效率不僅僅取決于聲源參數(shù)設置，也取決于土壤孔隙度以及地震檢波器與地面的耦合狀態(tài)等諸多因素．土壤的自然沉降、每次實驗時地震檢波器與地面的耦合狀態(tài)不可能完全一致等固有因素決定了實驗的完全可重復性是不可能的，這也是地震檢波器這一接觸式傳感器測量地表振動的一個固有缺陷，但它因靈敏度高、成本低等優(yōu)點仍是研究初期很好的選擇方案．當然，根據(jù)實驗結果啟示，為了盡可能減小土壤自然沉降以及檢波器與地面耦合狀態(tài)對檢測地表振動信號的影響，在實驗研究并比較有無地雷情況下測試信號的變化時，可首先選擇好時間參考點，盡可能保證所比較的數(shù)據(jù)經(jīng)歷了同樣時間的土壤自然沉降并具有相同的實驗系統(tǒng)參數(shù)設置，以盡可能保證實驗的可重復性以及測試數(shù)據(jù)的可靠性．

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