Page 212 - 《应用声学》2023年第3期
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图 6(a) 中， 实 验 2 中 PCB353 的 幅 度 比 在 在非冻土情况下，地表附近的横波波速介于
800 Hz 处并未提高，而且相位差在 800∼1600 Hz 100∼200 m·s −1 ，与本文测量结果相差较大。这是
频段内近乎线性变化。这与实验 1 中 LC0161 的结 由于场地地表上冻所致。本文实验中，外场最高
果显著不同，说明实验 2 中 PCB353 的耦合谐振频 温度连续多天低于 −2 C，且地表干燥。这种条件
◦
率高于800 Hz。 下，土壤中的水发生相变形成孔隙冰，继而发展形
成冰骨架，对土壤介质的弹性模量产生十分显著
4 横波波速测量实验 的影响 [14] 。实验室的测量结果表明，冻土中横波
波速受到土壤材质、含水量、与温度的影响，介于
横波波速测量实验的振动激励与信号采集方
500∼2000 m·s −1 之间 [13−15] 。因此，实验中横波波
式与振声探测法相同，且只需要两个传感器，比振声
速高于以往实验结果的原因是地表附近出现了季
探测法更易于实现。因此本文通过开展横波波速测
节性冻土，其剪切模量高于夏季的土壤。
量实验，以此来验证信号采集系统与振动激励系统
的可用频段。该实验利用与振源距离不同的两个测 5 结论
点所采信号的相位差估计直达波波速。若相位差随
频率线性变化，则表明两个传感器采集到了模式单 在使用振声法探测埋地物体的过程中，由于表
一且非色散的行波信号。 层土壤松软，传感器耦合环节会发生谐振。本文针
前文中的对比实验结果表明，质量为 2 g 的传 对传感器质量对耦合谐振频率的影响，开展了仿真
感器的高频采集能力更优。因此实验中使用 2 个 与实验研究，得到以下结论：
PCB353加速度计与相同的铝质工装进行了地表横 (1) 传感器质量对地表水平振动信号的采集存
波波速测量实验。这 2 个传感器的测点与水平振源 在影响。仿真结果表明，相同耦合工装固定下，传感
的距离分别为 5 cm 与 25 cm。单频激励下，这一对 器质量的增加会导致耦合谐振频率的降低，从而限
传感器的输出信号的相位差绘制于图7。 制信号采集系统的可用频段。
(2) 实验结果表明，在相同情况下，质量为
0
2 g 的加速度计的耦合谐振频率高于 250 g 加速度
y/֓⊲T -3 x֓⊲ 计；当传感器质量为 250 g 时耦合谐振频率不超过
-1
800 Hz。
ᄱͯࣀ/rad -2 能够用于测量100∼500 Hz频段的横波波速。
(3) 本文所用的水平激励系统与信号采集系统
(4) 文中所用的水平振源在 600 Hz 处发生共
-3
振。为了进一步提高探测系统的分辨率，后续工作
需要进一步改进振源结构，以提高振源与土壤的耦
-4
0 400 800 1200 1600 合谐振频率。
ᮠဋ/Hz
图 7 距离振源 5 cm 与 25 cm 处的 2 个传感器输出
参 考 文 献
信号的相位差
Fig. 7 Phase difference between the output sig-
[1] 陈思静, 胡祥云, 彭荣华. 城市地下管线探测研究进展与发展
nals of the two sensors at 5 cm and 25 cm from
趋势 [J]. 地球物理学进展, 2021, 36(3): 1236–1247.
the source
Chen Sijing, Hu Xiangyun, Peng Ronghua. Review of ur-
ban underground pipeline detection[J]. Progress in Geo-
由图7可知，在100∼500 Hz频段内相位差与频
physics, 2021, 36(3): 1236–1247.
率呈线性关系，表明两个测点接收到了单一模式 [2] Liu Y, Habibi D, Chaid D, et al. A comprehensive review
的行波信号。结合地表水平振源的辐射特性可知， of acoustic methods for locating underground pipelines[J].
100∼500 Hz 频段所采信号应与水平横波相关。对 Applied Sciences, 2020, 10(3): 1031.
[3] Kawasai H, Sugimoto T. Resolution improvement of un-
该频段的数据进行回归分析，依据曲线斜率计算得
derground images using pulse compression[J]. Japanese
到横波波速约为480 m·s −1 。 Journal of Applied Physics, 2009, 48(7S): 231–232.
