一种基于声-地震耦合的室内声波探雷实验系统

王 驰，于瀛洁，李醒飞

(1. 上海大学(延长校区)精密机械工程系，上海 200072；

2. 天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072)

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1.5～2万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．

2 实验系统

2.1 硬件组成

根据声波探雷基本原理，其实验系统主要包括声波发射系统和地表振动信息接收系统两部分．声波发射系统可选用由功率放大器、扬声器等构成的音响装置．鉴于声-地震耦合的效率较低，如要检测频带较宽、幅值较大的地表振动信号，应选择高功率的音响，这就要求有额定功率大的功率放大器以及与之相匹配的扬声器．为了预防过高的功率能量烧毁扬声器，可选用调音台作为前置放大器．另外，声波耦合的地表振动与激励声波的频率密切相关，功率放大器的谐波失真应当尽可能小；这一方面要求音响性能好，另一方面需要信号源能输出高精度的正弦声波信号，且输出信号幅值稳定．

声波耦合的微弱地表振动信号容易被环境噪声所湮没，所以要选用具有较高精度的地表振动信号接收传感器．从实用地雷探测的角度而言，接收装置应该是非接触式的，例如激光多普勒振动计、雷达多普勒振动计等，但这些装置的成本很高．在实验的初期探索阶段，重点是研究声波激励下地雷对地表振动的影响，因此，可采用价格较低的接触式传感器，如地震检波器；为了提高检测系统的灵敏度和可靠性，可用地震检波器串代替单只检波器．检测到的地表振动信号可通过采集卡传送到计算机中用软件进行分析和处理．

根据以上分析，设计了一个基于音响和地震检波器串的室内声波探雷实验系统，如图 1所示．其中，实验箱是尺寸为 1.02,m×0.75,m×0.8,m的方形木质有底板箱子，木板厚度约为 2,cm，箱中装有颗粒较均匀、干燥的黄土，土粒直径小于 1,mm，黄土深度约为0.67,m；信号源为 Tektronix公司生产的 AFG3022任意波形/函数发生器；调音台为 Yamaha生产的MG8/2FX；功率放大器选用杭州声博电子科技有限公司生产的 PA2000，其单通道标定输出功率为1,000,W，频率响应范围为 20,Hz～20,kHz；扬声器选用音王集团有限公司生产的JB215专业音箱，频率响应范围为 38,Hz～20,kHz，灵敏度为 97,dB(1W，1,m)；地震检波器选用威海双丰公司生产的 5×1地震检波器串，其固有频率为 28 Hz，响应频率范围为28～1,000,Hz，测试灵敏度增益为138,V/(m·s-1)．数据采集单元采用NI公司生产的PCI,5,112数据采集卡，在基于LabView环境的PC主机中进行滤波、求功率谱等处理，并实时显示和记录．所用地雷为六九式反坦克塑料教练地雷，考虑到安全问题，地雷中的炸药用与其机械特性相似的细沙土代替，地雷埋藏深度约为10,cm．

图1 室内声波探雷实验系统Fig.1 Lab-scale experimental system for acoustic mines Fig. detection

2.2 实验方案

实验时，将地震检波器串均匀地插在待测区域，保证地震检波器串与土壤的紧密耦合；扬声器置于实验箱上方，正对着地震检波器串，距土壤表面约0.3,m．信号发生器输出单频正弦波，通过调音台和功率放大器放大后由扬声器发出单频声波．地震检波器串检测到与地表振动速度成正比的电压信号，并经PCI 5112数据采集卡采集到计算机中的LabView平台上进行处理．LabView程序每处理完一个频率声波激励下的地表振动信息后，手动操作信号发生器，使其输出频率每次增加 1,Hz；重复实验，直至一组数据测量结束．每组实验的起始频率为 51,Hz，终止频率为 800,Hz．

为衡量激励声波的大小，实验中使用了风雷普通声级计PSJ-2B测量了地震检波器处的C计权声压级的幅频特性曲线，如图 2所示．可以看出，地表声压级随着声波频率的变化而变化，但在整个实验频段，声压级都大于 110,dB，而且在相当宽的频带内大于120,dB．如此强的声波，虽能满足实验能量要求，但若长时间工作可能会对人的听觉造成伤害，因此，在实验过程中，要注意采取保护措施，如可戴消声耳罩．下文所述实验数据所用声源也是基于图 2所示的声压级．

图2 地表声压级随频率变化曲线Fig.2 Variations of ground surface sound pressure level Fig.2 with frequency

3 实验结果分析

为了保证地震检波器输出信号不是声波直接作用到地震检波器产生的，笔者曾做了多次这样的实验：用手握着检波器放到空中扬声器的正下方，无论它发出怎样的声波信号，地震检波器输出几乎均为0，这说明下文分析的实验结果是因声-地震耦合引起的地表振动．

3.1 实验单日重复性

图 3是在相同声波激励下，在有、无地雷时先后分别测得的3组地表振动均方根速度幅频特性曲线，纵坐标代表地表振动速度的均方根幅值，横坐标代表激励频率．从图 3不难看出，无论有无地雷，不同次数测得的曲线均基本一致，这说明了实验的单日重复性良好，即系统设置好的当天先后测得的曲线基本一致．另外，地表振动在低频段幅值较大，变化趋势也很复杂，这一方面是由于低频声波耦合效率高，另一方面可能是由于地雷复杂的共振作用；而在 600,Hz以后的较高频段，因为声波衰减严重，信号幅值很小，这时测得的数据准确性已很低；说明选择51～650,Hz这个频段在本实验条件下是适当的，如需观察在更宽频带内的振动情况，需要更强的声源功率，但易烧毁音响，对硬件系统要求更高．关于对实验数据的详细机理分析，可参考文献[14-16]，在此主要强调实验系统的可重复性良好．

由于重力作用，木箱中的土壤固相颗粒的沉降会改变土壤的结构，使土壤孔隙度减小；另外，黄土的自然干燥使含水量减少，也会使土壤结构发生一定的变化．这些因素会影响声-地震耦合的效率，导致声波耦合的地表振动发生变化．另外，地震检波器作为一种接触式传感器，尽管对其布置尽量按照预设的统一标准进行，但保证地震检波器与地面的耦合情况每次都完全相同是不可能的，这也会对实验的重复性产生一定影响．因此，有必要研究实验的多日重复性问题，即实验系统设置好后随时间推移以及土壤的自然沉降而变化的情况．

3.2 实验多日重复性

有了单日实验良好重复性的基础，为进一步提高数据的可靠性，可通过求每日多次测量数据平均值的方法分析测试信号随时间变化的规律．图4所示是在无地雷情况下系统设置好后第1天、第3天、第5天测得的3条地表振动均方根速度的幅频特性曲线，其中每条曲线均是当天测得的3组数据的平均值．从图4可以看出，系统设置好后第1天测得的数据与其他两日差别相对较大，尤其在 250,Hz以下的频段更为明显．然而 3条曲线总的变化趋势基本一致，尤其是第3天和第 5天所测数据曲线尽管在某些频率处其幅值有一定差异，但总体上基本重合．可见，在无雷的情况下，土壤的自然沉降和干燥对实验数据有一定影响，但是其影响并不太显著，在本实验条件下 3天后基本趋于稳定．

图3 地表振动均方根速度幅频特性曲线Fig.3 Root-mean-square magnitude spectra of ground surface vibration velocity

图4 无地雷时地表振动曲线随时间的变化Fig.4 Variation of off-mine root-mean-square ground surface vibration with time

当地雷存在时会使检测信号变化更为复杂，为此，选择系统设置好后隔较多天数测量的数据来讨论地表振动随时间变化的规律．图 5所示是地雷埋藏深度 10,cm、系统设置好后在第 4天、第9天和第 14天测得的3条地表振动均方根速度的幅频特性曲线，其中每条曲线也均是当天3组测量数据的平均值．从图 5可以看出，在实验系统组成不变的情况下，随着时间的变化，测试信号曲线在 140,Hz以下的低频段内变化较为复杂，而在 200,Hz以后的较高频段变化不太明显，尤其是在 250,Hz之后，3条曲线基本一致．这是因为，随着时间的增长，在自然沉降作用下，土壤孔隙度会变小，使声-地震耦合效率降低，而该耦合效率又在低频段内较大，加上土壤-地雷系统的共振作用也会产生幅值和频率上的变化，最终使敏感的低频信号曲线发生较大的改变，而对高频信号的影响相对较小．

图5 有地雷时地表振动曲线随时间的变化Fig.5 Variation of on-mine root-mean-square ground surface vibration with time

3.3 实验重复性的保证

通过以上分析，不管是否埋设有地雷，系统设置好后某日内多次测量的重复性(即单日重复性)是良好的；但随着时日的延长，因土壤的自然沉降作用改变了土壤孔隙度等结构特性原因，会使测试信号发生变化，尤其是在低频范围内变化更为明显，但在较高频段内变化趋势仍基本一致．因此，在比较有、无地雷的测试信号时，可以选择在有雷或无雷的情况下分别经过相同的天数进行测量，即首先设置好实验系统，分别经过同样的天数，测出有、无地雷时的地表振动速度，再进行比较分析．

4 结 语

本文在简要介绍声波探雷技术原理的基础上，详细讨论了室内声波探雷实验系统构建的过程、实验方案及其注意环节．通过实验发现，所设计的实验系统的可重复性虽不完全理想，但从分析信号的特征来说是足够的，即曲线的总体变化趋势一致．另外，整个实验系统成本较低、操作方便，可以满足声波探雷模型初期探索阶段的实验要求．

事实上，声-地震耦合现象非常复杂，其耦合效率不仅仅取决于声源参数设置，也取决于土壤孔隙度以及地震检波器与地面的耦合状态等诸多因素．土壤的自然沉降、每次实验时地震检波器与地面的耦合状态不可能完全一致等固有因素决定了实验的完全可重复性是不可能的，这也是地震检波器这一接触式传感器测量地表振动的一个固有缺陷，但它因灵敏度高、成本低等优点仍是研究初期很好的选择方案．当然，根据实验结果启示，为了尽可能减小土壤自然沉降以及检波器与地面耦合状态对检测地表振动信号的影响，在实验研究并比较有无地雷情况下测试信号的变化时，可首先选择好时间参考点，尽可能保证所比较的数据经历了同样时间的土壤自然沉降并具有相同的实验系统参数设置，以尽可能保证实验的可重复性以及测试数据的可靠性．

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