Page 210 - 《应用声学》2023年第3期
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648 2023 年 5 月
如图 3(a) 和图 3(b) 所示，m = 2 g 与 m = 0 g 装于地表。
所对应的曲线在 0∼1200 Hz 内十分接近，这表明质 为了有效地对比传感器耦合强度，需要产生可
量为 2 g 的传感器能够保证振动信号的幅度与相位 控或已知的振动，从而控制与激励相关的变量。一
信息的准确性。m = 25 g 与 m = 250 g 所对应的 些工作中使用力锤或检波器单元直接激励传感器，
曲线与 m = 0 g 的曲线存在较为明显的差异，其 根据线性系统的传递函数来评估耦合强度 [11−12] 。
中，m = 250 g 所对应的曲线在 300 Hz 以上频段与 然而这种激励方式与实际测试情况不同。为了贴近
其他曲线明显不同。这是由于 m = 250 g 时传感器 实际工况，本文使用地表水平振源激励传感器附近
质量过高，使得传感器 -工装 -土所构成的耦合共振 的地表，以此作为可控的激励源，与第2节仿真模型
频率下降，从而影响了线性系统的频率响应特性。 相同。
图 3(b) 中700 Hz 附近，m = 250 g 与m = 0 g 的相
位差接近 π，表明地表振动位移与传感器本地振动 3.1 实验描述
位移的相位相反，m = 250 g 传感器耦合谐振频率 实验地点位于中国科学院声学研究所院内的
在700 Hz附近。对于质量为2 g与25 g的传感器而 绿地，实验时间为 1 月末，场地地表已经上冻。实验
言，其所对应的耦合谐振频率高于1200 Hz。 所用设备可分为地表振动激励系统与信号采集系
本节仿真结果表明，在长度为 4 cm 的工装固 统两部分，如图 4 所示。地表激励系统中，使用上
定下，质量为 250 g 的传感器的耦合谐振频率约为 位机产生激励信号，该信号经由声频功率放大器放
700 Hz。实际应用中，传感器的质量由数克至数 大后馈给动圈式电磁激振器 (4 Ω, 15 W)。激振器
百克不等。以最常见的SM-24单元 (Input/Output, 的磁芯质量为 57.6 g，谐振频率为 82.8 Hz，安装在
Inc.) 为例，其质量达到 74 g，加上塑料外壳后传感 铝杆的顶端。铝杆宽度 1 cm，埋地深度 19 cm，露
器的质量将更高。如果使用该单元组装三轴地震检 出于地表的长度为 7 cm。信号采集系统中，加速
波器，传感器质量将轻易超过 250 g。有鉴于此，在
度计通过铝制工装与地表连接，工装埋地部分为
搭建信号采集系统时应根据信号频段要求对所用
4 cm。由于冻土层的存在，铝制工装与地表结合
传感器的质量进行筛选。
十分紧密。实验中使用了两种加速度计，其型号分
别为：LC0161-2 三轴加速度计 (简记为 LC0161，质
3 水平耦合谐振频率对比实验
量为 250 g)，PCB353-b15(简记为 PCB353，质量为
有两种实验方案可用于对比传感器的耦合谐 2 g)。实验使用了北京阿尔泰科技发展有限公司生
振频率：第一种方案，将传感器安装于沙箱中，使用 产的USB8814数据采集卡。
振动台激励沙箱 [4] ；第二种方案，将传感器安装于 实验过程中，电磁激振器在 y 轴方向进行激励；
土壤地表，使用力锤或落锤激励传感器或地表 [5−8] 。 传感器轴向与y 轴平行，布放于x轴上。为了监测振
Krohn [5] 在实验研究中发现，沙箱固有的振动模式 源的振动情况，在激振器的磁芯外壳上安装了参考
会影响测试结果，且难以消除，因此本文将传感器安 加速度计，如图4(b)所示。
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(a) ࠄᰎဘڤڏ (b) ࠄᰎᇨਓڏ
图 4 水平振动信号采集实验现场图与示意图
Fig. 4 The picture and schematic diagram of the horizontal vibration signal acquisition experiment
