一种基于声-地震耦合的室内声波探雷实验系统

    地雷作为一种防御性爆炸武器，它不易清除、隐蔽性好、长期有效，即使在战争结束后的和平年代，它的威胁依然很大．据 2006 年日内瓦国际人道主义排雷技术报告[1]，目前世界各地还遗留有 1.1 亿枚未爆地雷，分布在全球 80 多个国家和地区，每年都有1.52 万人因触雷致残或者死亡．据专家估计，以现在的排雷速度和花费，清理完全世界的遗留地雷需要1,100 年的时间和 300～1,000 亿美元的资金．排除世界雷患，可谓任重道远．

    迄今为止，地雷探测仍是一个世界性难题，很多国家都在探索新的探雷方法和手段．一个具有潜在应用价值的探测方法是基于声-地震耦合原理的声波共振探雷技术．所谓声-地震耦合是指声波入射到地面时因土壤孔隙度的存在能激发出快纵波、慢纵波、横波等多种不同成分的地震波[2-7]．自 20 世纪 90 年代以来，以 Sabatier、Donskoy 等[8-13]的研究为代表，先后建立了声波探测地雷的线性、非线性共振模型，通过大量实验验证并进行评估分析，指出声波探雷实验在研究初期可在室内进行，并得出地雷能使声波耦合的地表振动产生独特变化的结论，尤其是对塑料地雷探测具有很高的可靠性．

    在国内除了笔者发表的文献[14-16]外，还鲜见声波共振技术探测地雷的有关报道．笔者在已发表的文献中综述了声-地震耦合探雷技术的基本思想，初步设计了实验系统．但声耦合的地表振动信号很弱，速度一般在每秒几百微米量级，振动情况也非常复杂，这些文献里所描述的实验系统尚很简单，不足以获得频带更宽、振幅更强的地表振动信息，而且没有给出系统的设计过程及关键注意事项．为此，本文详细描述了一种成本较低、操作方便、性能良好的室内声波探雷实验系统的设计方法，并重点讨论了该系统的实验可重复性问题．

    1 声波探雷技术的基本原理

    关于声波探雷技术机理的详细内容可参考文献[14-16]，限于篇幅，本文侧重实验系统的设计，在此对声波探雷技术的基本原理概述如下．

    声波探雷技术主要是基于地雷独特的机械特性以及声-地震波耦合原理．相对而言，不管是塑料地雷还是金属壳地雷，它们的机械特性与埋藏其中的土壤有很大差别，它们由雷体、引信和气腔等构成，柔性很大，能与其上方的土壤构成质量-弹簧共振系统．声波入射到地下形成的地震波，能量主要集中在快、慢纵波成分，其中慢纵波引起较强的流体相振动和较弱的固体相振动，传播到地雷位置时会发生强烈的反射或散射现象，并使土壤-地雷共振系统发生谐振，最终在地雷上方的地表产生一个异常的振动位移或速度场，据此可判断地雷的存在．