利用声学来测量层的组成、密度和硬度

Question

我是阿尔弗雷德大学工程系的学生，我和一些同学正在进行一项比赛，但我们需要完成的任务之一是自主测量覆盖层的成分、密度和硬度。我在想用声学来完成这些事情是可能的。下面就是我们要做的事情:

“2。创建一个包含以下信息的数字岩心:在他们的测试站覆盖层的数量，从软到硬的层的顺序，每层的厚度，数字岩心应该是通过系统遥测获得的信息，而不是通过将尺子放入洞中。团队可能不会触摸岩层来确定硬度。”

阅读必须连续。例如，另一种方法是测量螺旋钻在挖洞时的阻力。这将提供一个连续的读数，但可能不准确，因为我们的框架持有螺旋钻可能不牢固。

问题是“我们能用声波来测量每一层的组成、密度和硬度吗?”覆盖层总深度在0.5 ~ 0.8 m之间。我不知道这个体积是否足够大可以用声波来测量所有这些东西。

Answer 1

你的问题的答案是“是的”:你可以用声波探测任意复杂的介质，并将传播波与其路径上遇到的物理性质联系起来:刚度(胡克定律)，密度(牛顿定律)，你可以通过计算刚度和密度变化的位置来定位层。如果竞赛只要求你提交一种假设的方法，那么这种地震学方法当然符合要求。

不幸的是，在实际实施这种方法时;我建议不要这样做。你会发现在你的道路上有太多的障碍，需要专家的投入和金钱。例如:

• 你需要一个非常好的控制源:你需要确切地知道最终出现在你的介质中的源函数(小波);它被执行器的频率响应所扭曲，它被源和介质之间通常的弱耦合所扭曲。
• 您还需要一个高分辨率的接收器，以记录在介质中传播的信号，这同样不是简单的创建。
• 在你解决了这些(困难的!)问题之后，你必须把你在地表的记录转换成地球的定量2-D/3-D物理模型，即一个告诉你介质速度和每一层厚度的模型。这需要大量的数据处理，通常需要许多数值波动模拟;只有这样，当您的数值模拟预测的数据与您记录的数据相似时，您才可以假设您已经找到了介质的近似物理状态。这种技术叫做全波形反演，也是我所知道的唯一一个能回答你所有问题的人。

最后一点中的问题是由于地表记录提供了一个严重不确定的问题。举个例子，你把一个重物扔到介质上，然后过了100ms你才听到来自介质的第一个回声。然后你推断，波以一定的速度来回传播到深度。这就给出了一个方程:$100\ \text{ms} \约\frac{2h}{V}$这并没有显示出深度h美元或者说速度是多少五美元实际上是!因此，该问题不受数据约束，需要大量数据才能很好地了解地下情况。然后，你的波在弹性介质中传播，这种介质激发出许多类型的波:纵波、横波、表面波，\点美元它们都以不同的速度移动，对不同的物理特性很敏感。您需要进行一些良好的数据处理，以便只分离出您感兴趣的波!

正如评论中所说，介质的大小没有限制，你只需将波的频率放大到超声波区域!一般认为，当物体与地球表面相隔一段距离时，就可以定位它们的位置d \组\λ/ 2美元,在那里V $ \λ= \压裂{}{f} $波长是多少五美元介质的速度和$ f $波的频率。岩石中纵波的平均速度约为5km/s，因此需要至少为的频率$f=\frac{5\，000\ \text{m/s}}{2d\ \text{m}}$找到你的物体大小$ d $．如果你的分辨率要求分离到1厘米，你需要一个频率至少为80的波$ {kHz} $ \文本:很好地进入了超音域!

我很抱歉给出这样一个令人沮丧的答案，但地震学太复杂了，除了一个成熟的多年商业或博士项目外，它不可能成为一个可行的项目。我的建议是构建一个a的变体锥贯试验，它测量以固定速度将锥体推入地面的阻力(这与岩石的硬度直接相关!)每当电阻发生变化，你就会遇到一个新的层，这样就很容易推断出层的大小和数量。我想这可以满足所有的要求。话说回来，我在锥状渗透测试方面没有专业知识，也许它不像我想的那么简单……