虚拟仪器在声波激发的地表振动检测系统中的应用

　　0 引 言

　　当空气中传播的声波入射到地表时，会激发出横波、纵波、表面波等不同成分的地震波，引起地表土壤粒子的振动，这种现象称为声-地震耦合 [1-6]。地震波在传播过程中如遇到埋藏物或不同的地质层能发生反射或散射作用，并改变地表的振动状态，这种现象在地下浅层物探和地质学研究等方面存在 着潜在的应用价值，比如可以用于地雷探测等[7-9]。如果采用基于相控阵列的非线性声源实现远距离、高强度声波发射，采用激光多普勒振动计等传感器进行 地表振动信息的非接触测量，便可以进行完全非接触式的地下掩埋物探测，能用于环境恶劣的场合。

　　自 1956 年，Biot 发表一系列文章预言在孔隙介质中存在慢纵波，其速度既低于构成孔隙介质的固相物质的弹性波速度，也低于孔隙流体的声波速度，建立了流体饱和孔隙介质中的声 学理论，称之为 Biot 理论[1-3, 10]，之后被 Plona 的实验所证实[11]。后来，有关土壤中地震波传播及声-地震耦合现得到了广泛研究，先后出现了各种特定情况下的物理模型，并设计了相应的地震波传播速度 和衰减系数等参数测试系统[12-17]。早期的研究主要是基于解析法，难以适应土壤非线性等问题求解;随着计算机技术的发展，又出现了各种数值仿真模型 [18-22]，一定程度上比较直观地模拟了声波诱发地震波及其传播过程。

　　目前，在国内对于孔隙介质中的弹性波传播理论有所研究[23-30]，但关于声-地震耦合及其在地雷探测中的应用研究除了文献[31-38] 外，鲜有报道。由于声-地震耦合的效率很低，大部分声波能量被反射回空中，地表振动信号很弱，而且随着声源强度、频率的变化有很大的变化。利用传统的测试 仪器进行地表振动信号采集、处理，成本较高，灵活性差。而基于 Labview 的虚拟测试系统，以 PC 计算机为仪器统一硬件平台，以软件为中心，实现“软件就是仪器”的功能，具有很强的开放性和灵活性。为此，本文设计一个基于虚拟仪器技术的声-地震耦合检 测实验系统。基于 NI-SCOPE 和 Labview 图形化开发环境，利用 NI-PCI 5112 高速数字化仪模块，实现地表振动信号的采集、处理与存储，并用Matlab 做进一步的数据分析。其中，NI-SCOPE 是用来控制高速数字化仪的仪器驱动程序，LabVIEW提供了软件编程环境。通过实验测得了声波激发的地表振动信号，体现了基于虚拟仪器的振动测试系统的 可行性和灵活性;尤其在实验研究初期阶段，具有开发周期短、成本低等优势。

　　1 声-地震耦合原理

　　关于孔隙介质中机械波的传播理论，至今尚未完全建立，但 Biot 提出的流体饱和孔隙介质弹性波传播理论，奠定了含流体孔隙介质的弹性波传播理论的基础。Biot 理论充分考虑了孔隙介质的双相特性，并指出黏滞力控制孔隙流体的相对运动，是弹性波在孔隙介质传播过程中发生衰减的主要机制，即黏滞性耗散机制。Biot 应用变分原理得到了含流体孔隙介质中波传播的波动方程，并从理论上预言含流体孔隙介质中波传播时存在三种体波：两种不同速度的纵波(快纵波和慢纵波)和一 种横波。根据Biot 理论，深度达 1 m 的浅层地表具有可压缩性，微观上看，土壤颗粒之间充满着微小的空隙，空隙中充满着空气;当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及其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。土壤这种由固体颗粒、空气和水等构成的多相媒 质，其孔隙度(Porosity)的存在使声波耦合到地下形成地震波的能量远大于由土壤固体粒子构成的单相媒质。如图 1 所示，声波耦合的地震波有瑞利波、横波、快纵波和慢纵波。其中瑞利波是一种表面波，沿着地表传播。