Page 208 - 《应用声学》2023年第3期

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周围的土壤被等效为一个弹簧 -质量块系统，周围
0 引言
土壤、工装与传感器的质量分别记为 m 0 、m b 与 m；
m e = m + m b ，为传感器与工装的质量总和。土壤
剪切波振声探测法可用于探测浅埋物体。该
方法使用水平振源在地表激励剪切波，通过传感器 与工装之间的水平方向的等效刚度记为K e ，粘接层
的复合剪切刚度记为 K m ，周围土壤的水平位移记
阵列采集地表振动信号，由此反演地下空间的声阻
为u 0 ，传感器的本地水平位移记为u a 。
抗的分布情况 [1−2] 。探测应用中，传感器通过尾锥
等固定工装与地表连接。然而由于土壤质地松软， 传感器单元与工装之间的剪切安装谐振频率
这一环节会发生耦合谐振，使得传感器在谐频附近 使用以下公式估算 [9] ：
√
与地表不再同相振动，导致信号的相位失真。这限 1 K m
f s = , (1)
制了所采信号的有效频段，阻碍了探测分辨率的提 2π m
升 [3] 。因此有必要深入研究耦合谐振频率的影响因 其中，粘接层的复合剪切刚度 K m 与粘接层的材料
素，为振声探测法的改进提供指导。 和几何参数有关。在机械振动与冲击测试中，传感
前人工作表明，影响耦合谐振频率的因素包 器安装于坚硬的金属表面，安装谐振频率可达数千
括：固定工装的结构、传感器放置角度、传感器附加 至数十千赫兹。然而在埋地物体探测相关应用中，
质量以及土质等 [4] 。其中，工装长度受到了广泛关 通常关注 1 kHz 以下的地表振动信号，这种情况下
注。1984年，Krohn [5] 开展的外场实验表明，工装越 传感器与工装可视为一个整体。
长，耦合谐振频率越高。更长的工装虽能提升耦合 由图1可知，除安装谐振频率外，还存在工装与
强度，但也会影响信号采集。徐锦玺等 [6] 使用长为 土壤的耦合谐振频率，使用以下公式计算：
√
0.1∼1.0 m的5组工装开展了外场测试，发现过长的 1 K e
f c = . (2)
工装类似于空间中的滑动平均滤波器，会压制高频 2π m e
信号的灵敏度。因此，过长或过短的工装均会影响 与金属相比，土壤质地松软，使得f c ≪ f s [5,9] 。为了
信号采集系统的可用频段。 保证所采信号相位信息的准确，实际可用的信号频
除了固定工装的长度，传感器质量对耦合谐振 段需要远小于f c 。
频率也存在影响。Jin等 [7] 开展的有限元仿真表明，
相同条件下传感器质量越小，耦合谐振频率越高。 u  u a
随着传感器技术的高速发展，一些振动传感器的质 m  m b m
K m
量可轻至数克。然而传感器技术指标的提升并不一 m e
K e
定能保证实测结果的改善 [8] 。轻质传感器能否提升 ևڊژܢ ڍࠀࢺᜉ ዥଌࡏ ͜ਖ٨
耦合谐振频率仍有待实验验证。
本文针对地表处水平方向的振动信号采集问
题，通过实验与仿真对比了不同质量的传感器的本 y
地振动的频响特性。使用集总参数模型对传感器工
图 1 水平振动传感器耦合谐振模型图
装土耦合振动系统进行定性分析；仿真对比了质量
Fig. 1 Schematic diagram of the coupled reso-
为 2∼250 g 情况下传感器的本地振动的频响特性；
nance model for horizontal vibration sensors
使用动圈式水平振源在季节性的冻土地表开展了
外场对比实验与横波波速测量实验。在实际工况下 这里需要指明，实际测试过程中，工装与土壤
测试了质量为 250 g 的传感器的谐振频率上限，并 的边界条件十分复杂。在本节的分析过程中，耦合
验证了质量为 2 g 的轻质传感器的信号采集性能， 振动系统中的土壤被简化为等效质量和等效刚度，
为实际应用中的传感器选型提供参考。 以便分析。

1 水平传感器耦合谐振模型 2 水平振动信号采集系统的仿真分析

采集地表振动信号时，地震检波器或加速度 为分析传感器质量对耦合谐振频率的影响，使
计单元须安装于工装之上，如图 1 所示。图中工装 用有限元法对振动激励系统与信号采集系统进行