基于声参量阵的声-地震耦合探雷技术分析

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2021-09-23 08:03 热度：

摘 要：摘要：构建基于声参量阵的声-地震耦合探雷测试系统，研究声参量阵在声波探雷技术中的应用方法。在论述声地震耦合探雷理论的基础上，利用声参量阵作为声波能量源激励地表土壤振

　　摘要：构建基于声参量阵的声-地震耦合探雷测试系统，研究声参量阵在声波探雷技术中的应用方法。在论述声地震耦合探雷理论的基础上，利用声参量阵作为声波能量源激励地表土壤振动，利用加速度计进行地表振动的检测，构建地表振动在不同类型地雷和埋藏土壤条件下的三维特征图。实验结果显示，地雷上方土壤的声-地震耦合效率明显优于砖块等干扰物，并且受埋设地雷类型及周围土壤条件的影响，表明声参量阵可用于研制声波探雷工程系统的进一步研究。

　　关键词：精密仪器及机械;声波探雷;声参量阵;声-地震耦合;非金属地雷

　　0引言

　　由于浅层地表土壤孔隙度的存在，当低频声波从空气中传播入射到地面时，大部分能量被反射回空中，还有一小部分能量通过动量作用以及空气与土壤粒子的粘滞摩擦作用，以地震波的形式耦合到土地中，并引起地表的振动，这种现象称为声-地震耦合[1-3]。地雷由雷体、气腔、引信和装药等构成，具有声顺(俗称柔性)大的独特的机械特性，在声地震耦合的低频地震波能量作用下，会与其上面的埋藏土壤发生共振、反共振及多模态共振等复杂的谐振作用，进而使其上方土壤的振动状态产生异常的变化，通过检测地表的振动状态变化即可判断埋设地雷的存在性[4,5]。然而，由于声-地震耦合效率很低，地表振动即使在地雷发生共振作用下仍然很弱，加上环境噪声的影响，如何精确提取地雷的声学特征一直是声波探雷技术研究的关键难题。一方面，需要研究适于复杂微弱地表振动检测的高精度振动传感技术;另一方面，需要研究高功率低频声波发射技术，通过提高发射声波能量强度的方式增强地表振动幅度。

　　通过理论和实验研究，地雷发生共振的频率通常分布在1kHz以下的低频段，从空气中入射的声波必须要满足一定的声压级，才能使得由声-地震耦合引起的地表振动能被振动传感器检测，因此，声波探雷技术对声源设备的声发射功率具有很高的要求。目前能够满足声波探雷技术声发射功率要求的声源设备主要有两种：大功率扬声器和声参量阵(ParametricAcousticArray,PAA)。大功率扬声器可发出声压级高达120dB的低频声波，即使在声-地震耦合效率较低的情况下，也能够使耦合至土壤中的地震波有足够的能量激励地雷产生共振。但由于低频声波的发散性，高声压级的声波会对周边操作人员的听力造成损害，也不符合实用工程探雷系统的研究需求。尽管可在大功率扬声器的发声端口通过加装障板以增加其发射声波的指向性、降低非发声端口方向的声压级，但这会使得声波发射系统变得庞大，大大降低声波探雷系统整体的集成化。声参量阵利用高频声波在空气中的非线性传播效应，无需加装障板便可产生高指向性的低频声波束。基于声参量阵技术产生的高指向性声波除了在声源声轴方向上具有很大声压，在非声轴方向上的声压很小，不会对操作人员的听力造成损伤，也不会对周边环境带来噪声干扰，在军事探雷和人道主义探雷等方面均有很好的应用前景;而且声参量阵无需加装障板以及配置外置功放等设备，重量轻、便携性好，相较于大功率扬声器，声参量阵更适合用于实用声波探雷工程系统的研制。在进行声-地震耦合探雷实验时，一般要求声源设备产生的声波在传播到地表时其声压不低于90dB。本文在论述声波探雷理论的基础上，采用声参量阵和加速度计构建了一套声-地震耦合探雷测试系统，利用声参量阵向土壤表面发出扫频正弦声波，引起地表产生微弱振动，采用加速度计对地表微弱振动信号进行检测，研究声参量阵所发出的声波在不同埋藏物下的声-地震耦合效率，并通过用砖块作为干扰物，进一步验证声参量阵用于声波探雷工程系统研究的可行性。

　　1基于声参量阵的声波探雷理论基础

　　声参量阵由布朗大学教授Westervelt于1962年提出[6]，其利用声波的非线性传播效应可产生高指向性的低频声波束。当向两个超声换能器分别输入频率相近的1f和2f高频超声波信号时，换能器产生机械振动，引发两列超声波在介质中呈一定指向性传播。

　　在实际雷区中，地雷的埋藏深度一般在不超过20cm的浅层土壤，这种深度的浅层地表土壤主要是由固体相介质(固体颗粒)及流体相介质(空气和水等)组成[15]。如图2所示，声参量阵在空气中发射具有高指向性的超声波束，经空气的非线性作用后，产生用于探雷的差频波束。根据声-地震耦合原理，当差频声波传播至空气土壤界面时，大部分能量会因空气与土壤的固体相介质的声阻抗差较大而被反射回空气中，小部分能量因与土壤的流体相介质的声阻抗差较小而耦合到地下，并且通过土壤固体相介质与流体相介质之间的动量及粘滞摩擦作用，形成瑞利面波、纵波、剪切波等多种成分的地震波。

　　在声-地震耦合现象所形成的多种地震波中，能量主要集中在纵波上，而纵波根据传播速度的快慢又可分为快纵波与慢纵波。快纵波主要在土壤的固体相介质中传播，引起较强的固体相振动;慢纵波则主要在土壤的流体相介质中传播，引起较强的流体相振动[16,17]。由于土壤固体相介质的密度及弹性模量等机械特性与地雷相当，因此土壤固体相介质与地雷的特性阻抗差异较小，主要传播于此的快纵波在遇到地雷时，其大部分能量会穿过雷体继续传播;而由于土壤表面至雷体表面这一深度的土壤孔隙度是逐渐减小的，并且在到达地雷埋设深度时，其孔隙度相对上方土壤大大减小，因此可认为土壤流体相介质与地雷之间的特性阻抗差异很大，主要传播于此的慢纵波在传播到地雷处时会因为较大的声阻抗差发生强烈的反射或散射作用，最终传播到地表改变其振动速度[18,19]。此外，通过实验研究，声波探雷使用声波扫频频率一般为1kHz以下，该频段声波波长与地雷的几何尺寸及埋藏深度相当，因此耦合到土壤中的地震波(主要为慢纵波)在发生反射或散射的同时，与地雷发生谐振作用，可进一步增强地雷上方的地表振动。

　　2实验系统方案

　　如图3所示，基于声参量阵构建声-地震耦合探雷测试系统，包括声波发射单元和地表振动信号检测单元。声波发射单元由声参量阵及其控制系统组成。地表振动信号检测单元由加速度计、数据采集卡及计算机组成。声参量阵发出具有高指向性的超声波束，经过空气的非线性作用后得到所需的扫频正弦声波;同时，将加速度计竖直埋置于待测土壤表面，将从土壤表面采集的振动信号，通过数据采集卡传输至计算机中进行快速傅里叶变换得到其频域特征。

　　如图4(a)所示为本文所构建的声-地震耦合探雷测试系统实物图，其中声参量阵采用杭州聚声科技有限公司生产的GSXY-5702型声参量阵(图4(b))，其原波频率为40kHz，可发出声束角为±15°的高指向性声波，声波辐射面积为0.53m2，输入信号为用AdobeAuditionCS6软件生成的扫频正弦波音频文件。

　　根据声参量阵在其有效阵列长度范围内差频波声压会随传播距离逐渐增强的特性，为获得更好的声-地震耦合效率，声参量阵与土壤表面之间的距离应正好位于其有效阵列长度附近。

　　3实验结果及分析

　　为验证将声参量阵应用于声波探雷技术中的可行性，本文将六九式防坦克塑壳地雷(直径为28cm)、七二式防坦克金属地雷(直径为31cm)、五八式防步兵橡胶地雷(直径为11cm)以及干扰物砖块(长24cm、宽12cm)共同埋设于沙坑中，沙坑大小为100cm(长)×90cm(宽)×40cm(深)，沙子使用平均直径小于0.5mm的干燥细沙，如图5(a)所示，埋深设为2cm，并且各埋藏物间相互间距均大于5cm，以尽可能降低振动相互干扰的影响。声-地震耦合效率由地表振动强度(如位移、速度、加速度等)与其对应的地表声压级的比值求得，本文通过测量地表振动的加速度，在保证声源条件相同即各测点地表声压级相同的情况下，对各掩埋物的地表加速度幅频特性曲线进行比较分析。

　　经过前期实验，发现3种地雷在声参量阵扫频范围为200~1100Hz时，声-地震耦合效率最为明显。向声参量阵输入200~1100Hz的扫频正弦信号，利用声压计测得土壤表面的声压级大小在90dB~104dB之间。使用加速度计测得各埋藏物中心点上方地表的振动信号，传输至计算机进行FFT处理后得到其振动信号的幅频特性曲线，如图5(b)所示，可以看出，3种地雷上方地表的振幅均明显高于土壤及砖块的振幅。

　　为了更为直观地表征不同埋藏物对地表振动的影响，本文采用扫描检测的方法来对地表振动进行三维成像实验，其具体方法如下：将实验区域进行网格化划分，并用横坐标和纵坐标对所有点进行标定，单元格大小设为4cm×4cm，如图6所示。

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　　扫描检测实验结果如图7所示，从地表振动的三维成像图中可明显地观察到在三个地雷埋设位置处存在明显的凸起，同时仍可观察到砖块的存在，这是因为砖块对于慢纵波也有一定的反射效果，导致其上方地表振动强度高于周围土壤，但又明显低于地雷。对此，可在地表振动二维等值线成像图中根据其成像形状对埋藏物类别作进一步区分，初步验证了将声参量阵用于声波探雷技术的可行性。

　　4不同土壤条件下实验结果及讨论

　　将六九式防坦克塑壳地雷放置于沙坑中心，使声参量阵发出200~1100Hz的扫频声波对土壤表面进行激励。按照同样的方法对实验土壤区域进行网格化划分，使用加速度计对网格中的所有点进行扫描检测，通过改变六九式防坦克塑壳地雷的埋藏深度、周围土壤的孔隙度和湿度等，研究声参量阵所发出的高指向性声波在地雷不同埋设条件下的声地震耦合效率。其中，地雷周围土壤的孔隙度以沙子在沙坑中自然填充状态下的孔隙度为标准，土壤湿度则以原始干沙的湿度为标准，并假设原始干沙的湿度为0%。在进行不同埋设深度的实验时，以上两者均保持不变;在进行不同孔隙度下的实验时，通过使用木板对土壤表面进行多次压缩来降低土壤孔隙度，土壤湿度保持0%不变;在进行不同湿度下的实验时，通过往干沙中加入不同重量的水分来增加其湿度，其孔隙度则保持在自然填充状态下的大小不变。

　　4.1不同埋设深度

　　如图8(a)所示为六九式防坦克塑壳地雷的埋设位置图，图8(b)、(c)、(d)分别为六九式防坦克塑壳地雷埋深为2cm、4cm及6cm时的地表振动强度三维成像图。塑壳地雷在埋深为2cm、4cm、6cm下测得的最大振动强度分别为2.21×10-4m/s2、1.32×10-4m/s2和0.98×10-4m/s2，其对应的振动加速度最大值分别为1.2×10-3m/s2、0.67×10-3m/s2和0.27×10-3m/s2。可以看出，随着塑壳地雷埋藏深度的增加，地表振动强度出现明显降低，尤其是在埋藏深度较浅时，地表振动强度的降幅明显。

　　4.2不同孔隙度

　　将六九式防坦克塑壳地雷的埋深设为4cm，通过对地雷上方土壤进行压缩以降低地雷周围土壤的孔隙度。在对土壤压缩时适当添加沙土以确保地雷的埋藏深度不变。如图9(a)为压缩后的土壤表面，图9(b)~(d)分别为土壤高孔隙度、中等孔隙度、低孔隙度时地表振动检测结果。三种孔隙度下测得的地表最大振动强度分别为1.61×10-4m/s2、1.32×10-4m/s2和1.23×10-4m/s2，对应的振动加速度最大值分别为6.39×10-4m/s2、6.14×10-4m/s2和5.42×10-4m/s2。可以看出，随着土壤孔隙度的降低，地表振动强度略微减小，土壤孔隙度的变化对高指向性声波的声-地震耦合效率影响不明显。

　　5总结

　　本文在论述声波探雷理论的基础上，构建了基于声参量阵的声-地震耦合探雷测试系统，使用扫描检测的方法，对不同类型地雷在相同埋藏条件下的声-地震耦合效率进行了测试，并以砖块作为干扰物，初步验证了使用声参量阵进行地雷探测的可行性。在此基础上，以六九式防坦克塑壳地雷为测量对象，通过改变其埋藏深度及其周围土壤的孔隙度和湿度，研究了声参量阵产生的高指向性声波在地雷不同埋藏条件下的声-地震耦合效率。实验结果表明：随着地雷埋藏深度的增加和土壤湿度的增加，地雷上方的地表振动强度明显减小;土壤孔隙度的减小对高指向性声波的声-地震耦合效率影响不明显。该结论与文献[22-23]使用音箱作为激励声源测得的实验结果较为一致，验证了声参量阵在声波探雷技术中应用的可行性。然而，由于土壤参数和雷体结构的复杂性，本文虽然验证分析了声参量阵的应用潜力，但在今后的工作中尚需要做大量理论和实验探索。——论文作者：王驰1,2,罗欣宇1，王超1，姜和俊2，罗朝鹏2*

文章名称：基于声参量阵的声-地震耦合探雷技术分析

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