王 馳，于瀛潔，李醒飛

(1. 上海大學(xué)(延長校區(qū))精密機(jī)械工程系，上海 200072；

2. 天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室，天津 300072)

地雷作為一種防御性爆炸武器，它不易清除、隱蔽性好、長期有效，即使在戰(zhàn)爭結(jié)束后的和平年代，它的威脅依然很大．據(jù) 2006年日內(nèi)瓦國際人道主義排雷技術(shù)報告[1]，目前世界各地還遺留有 1.1億枚未爆地雷，分布在全球 80多個國家和地區(qū)，每年都有1.5～2萬人因觸雷致殘或者死亡．據(jù)專家估計，以現(xiàn)在的排雷速度和花費，清理完全世界的遺留地雷需要1,100年的時間和300～1,000億美元的資金．排除世界雷患，可謂任重道遠(yuǎn)．

迄今為止，地雷探測仍是一個世界性難題，很多國家都在探索新的探雷方法和手段．一個具有潛在應(yīng)用價值的探測方法是基于聲-地震耦合原理的聲波共振探雷技術(shù)．所謂聲-地震耦合是指聲波入射到地面時因土壤孔隙度的存在能激發(fā)出快縱波、慢縱波、橫波等多種不同成分的地震波[2-7]．自 20世紀(jì) 90年代以來，以 Sabatier、Donskoy等[8-13]的研究為代表，先后建立了聲波探測地雷的線性、非線性共振模型，通過大量實驗驗證并進(jìn)行評估分析，指出聲波探雷實驗在研究初期可在室內(nèi)進(jìn)行，并得出地雷能使聲波耦合的地表振動產(chǎn)生獨特變化的結(jié)論，尤其是對塑料地雷探測具有很高的可靠性．

在國內(nèi)除了筆者發(fā)表的文獻(xiàn)[14-16]外，還鮮見聲波共振技術(shù)探測地雷的有關(guān)報道．筆者在已發(fā)表的文獻(xiàn)中綜述了聲-地震耦合探雷技術(shù)的基本思想，初步設(shè)計了實驗系統(tǒng)．但聲耦合的地表振動信號很弱，速度一般在每秒幾百微米量級，振動情況也非常復(fù)雜，這些文獻(xiàn)里所描述的實驗系統(tǒng)尚很簡單，不足以獲得頻帶更寬、振幅更強(qiáng)的地表振動信息，而且沒有給出系統(tǒng)的設(shè)計過程及關(guān)鍵注意事項．為此，本文詳細(xì)描述了一種成本較低、操作方便、性能良好的室內(nèi)聲波探雷實驗系統(tǒng)的設(shè)計方法，并重點討論了該系統(tǒng)的實驗可重復(fù)性問題．

1 聲波探雷技術(shù)的基本原理

關(guān)于聲波探雷技術(shù)機(jī)理的詳細(xì)內(nèi)容可參考文獻(xiàn)[14-16]，限于篇幅，本文側(cè)重實驗系統(tǒng)的設(shè)計，在此對聲波探雷技術(shù)的基本原理概述如下．

聲波探雷技術(shù)主要是基于地雷獨特的機(jī)械特性以及聲-地震波耦合原理．相對而言，不管是塑料地雷還是金屬殼地雷，它們的機(jī)械特性與埋藏其中的土壤有很大差別，它們由雷體、引信和氣腔等構(gòu)成，柔性很大，能與其上方的土壤構(gòu)成質(zhì)量-彈簧共振系統(tǒng)．聲波入射到地下形成的地震波，能量主要集中在快、慢縱波成分，其中慢縱波引起較強(qiáng)的流體相振動和較弱的固體相振動，傳播到地雷位置時會發(fā)生強(qiáng)烈的反射或散射現(xiàn)象，并使土壤-地雷共振系統(tǒng)發(fā)生諧振，最終在地雷上方的地表產(chǎn)生一個異常的振動位移或速度場，據(jù)此可判斷地雷的存在．

2 實驗系統(tǒng)

2.1 硬件組成

根據(jù)聲波探雷基本原理，其實驗系統(tǒng)主要包括聲波發(fā)射系統(tǒng)和地表振動信息接收系統(tǒng)兩部分．聲波發(fā)射系統(tǒng)可選用由功率放大器、揚(yáng)聲器等構(gòu)成的音響裝置．鑒于聲-地震耦合的效率較低，如要檢測頻帶較寬、幅值較大的地表振動信號，應(yīng)選擇高功率的音響，這就要求有額定功率大的功率放大器以及與之相匹配的揚(yáng)聲器．為了預(yù)防過高的功率能量燒毀揚(yáng)聲器，可選用調(diào)音臺作為前置放大器．另外，聲波耦合的地表振動與激勵聲波的頻率密切相關(guān)，功率放大器的諧波失真應(yīng)當(dāng)盡可能??；這一方面要求音響性能好，另一方面需要信號源能輸出高精度的正弦聲波信號，且輸出信號幅值穩(wěn)定．

聲波耦合的微弱地表振動信號容易被環(huán)境噪聲所湮沒，所以要選用具有較高精度的地表振動信號接收傳感器．從實用地雷探測的角度而言，接收裝置應(yīng)該是非接觸式的，例如激光多普勒振動計、雷達(dá)多普勒振動計等，但這些裝置的成本很高．在實驗的初期探索階段，重點是研究聲波激勵下地雷對地表振動的影響，因此，可采用價格較低的接觸式傳感器，如地震檢波器；為了提高檢測系統(tǒng)的靈敏度和可靠性，可用地震檢波器串代替單只檢波器．檢測到的地表振動信號可通過采集卡傳送到計算機(jī)中用軟件進(jìn)行分析和處理．

根據(jù)以上分析，設(shè)計了一個基于音響和地震檢波器串的室內(nèi)聲波探雷實驗系統(tǒng)，如圖 1所示．其中，實驗箱是尺寸為 1.02,m×0.75,m×0.8,m的方形木質(zhì)有底板箱子，木板厚度約為 2,cm，箱中裝有顆粒較均勻、干燥的黃土，土粒直徑小于 1,mm，黃土深度約為0.67,m；信號源為 Tektronix公司生產(chǎn)的 AFG3022任意波形/函數(shù)發(fā)生器；調(diào)音臺為 Yamaha生產(chǎn)的MG8/2FX；功率放大器選用杭州聲博電子科技有限公司生產(chǎn)的 PA2000，其單通道標(biāo)定輸出功率為1,000,W，頻率響應(yīng)范圍為 20,Hz～20,kHz；揚(yáng)聲器選用音王集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的JB215專業(yè)音箱，頻率響應(yīng)范圍為 38,Hz～20,kHz，靈敏度為 97,dB(1W，1,m)；地震檢波器選用威海雙豐公司生產(chǎn)的 5×1地震檢波器串，其固有頻率為 28 Hz，響應(yīng)頻率范圍為28～1,000,Hz，測試靈敏度增益為138,V/(m·s-1)．?dāng)?shù)據(jù)采集單元采用NI公司生產(chǎn)的PCI,5,112數(shù)據(jù)采集卡，在基于LabView環(huán)境的PC主機(jī)中進(jìn)行濾波、求功率譜等處理，并實時顯示和記錄．所用地雷為六九式反坦克塑料教練地雷，考慮到安全問題，地雷中的炸藥用與其機(jī)械特性相似的細(xì)沙土代替，地雷埋藏深度約為10,cm．

圖1 室內(nèi)聲波探雷實驗系統(tǒng)Fig.1 Lab-scale experimental system for acoustic mines Fig. detection

2.2 實驗方案

實驗時，將地震檢波器串均勻地插在待測區(qū)域，保證地震檢波器串與土壤的緊密耦合；揚(yáng)聲器置于實驗箱上方，正對著地震檢波器串，距土壤表面約0.3,m．信號發(fā)生器輸出單頻正弦波，通過調(diào)音臺和功率放大器放大后由揚(yáng)聲器發(fā)出單頻聲波．地震檢波器串檢測到與地表振動速度成正比的電壓信號，并經(jīng)PCI 5112數(shù)據(jù)采集卡采集到計算機(jī)中的LabView平臺上進(jìn)行處理．LabView程序每處理完一個頻率聲波激勵下的地表振動信息后，手動操作信號發(fā)生器，使其輸出頻率每次增加 1,Hz；重復(fù)實驗，直至一組數(shù)據(jù)測量結(jié)束．每組實驗的起始頻率為 51,Hz，終止頻率為 800,Hz．

為衡量激勵聲波的大小，實驗中使用了風(fēng)雷普通聲級計PSJ-2B測量了地震檢波器處的C計權(quán)聲壓級的幅頻特性曲線，如圖 2所示．可以看出，地表聲壓級隨著聲波頻率的變化而變化，但在整個實驗頻段，聲壓級都大于 110,dB，而且在相當(dāng)寬的頻帶內(nèi)大于120,dB．如此強(qiáng)的聲波，雖能滿足實驗?zāi)芰恳?，但若長時間工作可能會對人的聽覺造成傷害，因此，在實驗過程中，要注意采取保護(hù)措施，如可戴消聲耳罩．下文所述實驗數(shù)據(jù)所用聲源也是基于圖 2所示的聲壓級．

圖2 地表聲壓級隨頻率變化曲線Fig.2 Variations of ground surface sound pressure level Fig.2 with frequency

3 實驗結(jié)果分析

為了保證地震檢波器輸出信號不是聲波直接作用到地震檢波器產(chǎn)生的，筆者曾做了多次這樣的實驗：用手握著檢波器放到空中揚(yáng)聲器的正下方，無論它發(fā)出怎樣的聲波信號，地震檢波器輸出幾乎均為0，這說明下文分析的實驗結(jié)果是因聲-地震耦合引起的地表振動．

3.1 實驗單日重復(fù)性

圖 3是在相同聲波激勵下，在有、無地雷時先后分別測得的3組地表振動均方根速度幅頻特性曲線，縱坐標(biāo)代表地表振動速度的均方根幅值，橫坐標(biāo)代表激勵頻率．從圖 3不難看出，無論有無地雷，不同次數(shù)測得的曲線均基本一致，這說明了實驗的單日重復(fù)性良好，即系統(tǒng)設(shè)置好的當(dāng)天先后測得的曲線基本一致．另外，地表振動在低頻段幅值較大，變化趨勢也很復(fù)雜，這一方面是由于低頻聲波耦合效率高，另一方面可能是由于地雷復(fù)雜的共振作用；而在 600,Hz以后的較高頻段，因為聲波衰減嚴(yán)重，信號幅值很小，這時測得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性已很低；說明選擇51～650,Hz這個頻段在本實驗條件下是適當(dāng)?shù)?，如需觀察在更寬頻帶內(nèi)的振動情況，需要更強(qiáng)的聲源功率，但易燒毀音響，對硬件系統(tǒng)要求更高．關(guān)于對實驗數(shù)據(jù)的詳細(xì)機(jī)理分析，可參考文獻(xiàn)[14-16]，在此主要強(qiáng)調(diào)實驗系統(tǒng)的可重復(fù)性良好．

由于重力作用，木箱中的土壤固相顆粒的沉降會改變土壤的結(jié)構(gòu)，使土壤孔隙度減??；另外，黃土的自然干燥使含水量減少，也會使土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的變化．這些因素會影響聲-地震耦合的效率，導(dǎo)致聲波耦合的地表振動發(fā)生變化．另外，地震檢波器作為一種接觸式傳感器，盡管對其布置盡量按照預(yù)設(shè)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，但保證地震檢波器與地面的耦合情況每次都完全相同是不可能的，這也會對實驗的重復(fù)性產(chǎn)生一定影響．因此，有必要研究實驗的多日重復(fù)性問題，即實驗系統(tǒng)設(shè)置好后隨時間推移以及土壤的自然沉降而變化的情況．

3.2 實驗多日重復(fù)性

有了單日實驗良好重復(fù)性的基礎(chǔ)，為進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的可靠性，可通過求每日多次測量數(shù)據(jù)平均值的方法分析測試信號隨時間變化的規(guī)律．圖4所示是在無地雷情況下系統(tǒng)設(shè)置好后第1天、第3天、第5天測得的3條地表振動均方根速度的幅頻特性曲線，其中每條曲線均是當(dāng)天測得的3組數(shù)據(jù)的平均值．從圖4可以看出，系統(tǒng)設(shè)置好后第1天測得的數(shù)據(jù)與其他兩日差別相對較大，尤其在 250,Hz以下的頻段更為明顯．然而 3條曲線總的變化趨勢基本一致，尤其是第3天和第 5天所測數(shù)據(jù)曲線盡管在某些頻率處其幅值有一定差異，但總體上基本重合．可見，在無雷的情況下，土壤的自然沉降和干燥對實驗數(shù)據(jù)有一定影響，但是其影響并不太顯著，在本實驗條件下 3天后基本趨于穩(wěn)定．

圖3 地表振動均方根速度幅頻特性曲線Fig.3 Root-mean-square magnitude spectra of ground surface vibration velocity

圖4 無地雷時地表振動曲線隨時間的變化Fig.4 Variation of off-mine root-mean-square ground surface vibration with time

當(dāng)?shù)乩状嬖跁r會使檢測信號變化更為復(fù)雜，為此，選擇系統(tǒng)設(shè)置好后隔較多天數(shù)測量的數(shù)據(jù)來討論地表振動隨時間變化的規(guī)律．圖 5所示是地雷埋藏深度 10,cm、系統(tǒng)設(shè)置好后在第 4天、第9天和第 14天測得的3條地表振動均方根速度的幅頻特性曲線，其中每條曲線也均是當(dāng)天3組測量數(shù)據(jù)的平均值．從圖 5可以看出，在實驗系統(tǒng)組成不變的情況下，隨著時間的變化，測試信號曲線在 140,Hz以下的低頻段內(nèi)變化較為復(fù)雜，而在 200,Hz以后的較高頻段變化不太明顯，尤其是在 250,Hz之后，3條曲線基本一致．這是因為，隨著時間的增長，在自然沉降作用下，土壤孔隙度會變小，使聲-地震耦合效率降低，而該耦合效率又在低頻段內(nèi)較大，加上土壤-地雷系統(tǒng)的共振作用也會產(chǎn)生幅值和頻率上的變化，最終使敏感的低頻信號曲線發(fā)生較大的改變，而對高頻信號的影響相對較?。?/p>

圖5 有地雷時地表振動曲線隨時間的變化Fig.5 Variation of on-mine root-mean-square ground surface vibration with time

3.3 實驗重復(fù)性的保證

通過以上分析，不管是否埋設(shè)有地雷，系統(tǒng)設(shè)置好后某日內(nèi)多次測量的重復(fù)性(即單日重復(fù)性)是良好的；但隨著時日的延長，因土壤的自然沉降作用改變了土壤孔隙度等結(jié)構(gòu)特性原因，會使測試信號發(fā)生變化，尤其是在低頻范圍內(nèi)變化更為明顯，但在較高頻段內(nèi)變化趨勢仍基本一致．因此，在比較有、無地雷的測試信號時，可以選擇在有雷或無雷的情況下分別經(jīng)過相同的天數(shù)進(jìn)行測量，即首先設(shè)置好實驗系統(tǒng)，分別經(jīng)過同樣的天數(shù)，測出有、無地雷時的地表振動速度，再進(jìn)行比較分析．

4 結(jié) 語

本文在簡要介紹聲波探雷技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，詳細(xì)討論了室內(nèi)聲波探雷實驗系統(tǒng)構(gòu)建的過程、實驗方案及其注意環(huán)節(jié)．通過實驗發(fā)現(xiàn)，所設(shè)計的實驗系統(tǒng)的可重復(fù)性雖不完全理想，但從分析信號的特征來說是足夠的，即曲線的總體變化趨勢一致．另外，整個實驗系統(tǒng)成本較低、操作方便，可以滿足聲波探雷模型初期探索階段的實驗要求．

事實上，聲-地震耦合現(xiàn)象非常復(fù)雜，其耦合效率不僅僅取決于聲源參數(shù)設(shè)置，也取決于土壤孔隙度以及地震檢波器與地面的耦合狀態(tài)等諸多因素．土壤的自然沉降、每次實驗時地震檢波器與地面的耦合狀態(tài)不可能完全一致等固有因素決定了實驗的完全可重復(fù)性是不可能的，這也是地震檢波器這一接觸式傳感器測量地表振動的一個固有缺陷，但它因靈敏度高、成本低等優(yōu)點仍是研究初期很好的選擇方案．當(dāng)然，根據(jù)實驗結(jié)果啟示，為了盡可能減小土壤自然沉降以及檢波器與地面耦合狀態(tài)對檢測地表振動信號的影響，在實驗研究并比較有無地雷情況下測試信號的變化時，可首先選擇好時間參考點，盡可能保證所比較的數(shù)據(jù)經(jīng)歷了同樣時間的土壤自然沉降并具有相同的實驗系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，以盡可能保證實驗的可重復(fù)性以及測試數(shù)據(jù)的可靠性．

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