大學波速測量方法

Ⅰ 光速是如何測定出來的

1、最早的高精度測量光速的方法，齒輪法。

光在特定的光路上，兩次通過齒輪的間隙後被觀測者看到。這種情況下，只有齒輪的轉速是某一些特定的值的時候，光才可以順利通過兩個間隙，而不被擋住。而這個特定的轉速，則與光速有關。這樣，就把光速的測量，轉化成了測量一個齒輪的轉速。

2、邁克爾遜的改進實驗。

把齒輪換成了一個八面的鏡子。鏡子不斷旋轉，只有在轉速是特定的值的時候，光才能順利被反射，進入觀測者的眼睛。由於這里，鏡子對光路的影響更大，所以測量的精確度可以更高。

3、現代的光路測量往往會使用干涉法。

通過測量特定頻率的激光的波長，再用速度=波長*頻率，就能算出來速度。這一方法的精度極高。現在，由於米是從光速定義過來的，所以光速的值也就定死了，就是299792458m/s。

(1)大學波速測量方法擴展閱讀：

第一個嘗試去測量光速的是伽利略。

他和他的助手在夜間相隔數公里遠面對面地站著，每人拿一盞燈，燈有開關。首先，第一個人先舉起燈，同時記下時間。當第二個人看到第一個人的燈時立即舉起自己的燈，也記下時間。從第一個人舉起燈到他看到第二個人的燈的時間間隔就是光傳播1.6km里的時間。

為了減小誤差，伽利略反反復復舉燈，但當時的他不知道光的傳播速度實在是太快了，這種方法最終失敗。但伽利略的實驗揭開了人類歷史上對光速進行研究的序幕。

Ⅱ 表面波(瑞利波)波速測試法

英國學者瑞利(Rayleigh)於1887年首先在理論上確定了自由界面附近瑞利面波的存在。在以往的地震勘探中，這種瑞利面波被作為干擾波。近年來，國內、外學者對瑞利面波進行了深入的研究，在理論和應用方面都取得了較大的進展，利用它進行測試變為現實。

一、瑞利波在半無限大空間的傳播

在自由界面(如地面)上進行豎向激振時，均會在其表面附近產生瑞利波，而瑞利波有3個與工程質量檢測有關的主要特徵：

(1)在分層介質中，瑞利波具有頻散特性；

(2)瑞利波的波長不同，穿過的深度也不同；

(3)瑞利波的傳播速度與介質的物理力學性質密切相關。

研究證明，瑞利波能量約占整個地震波能量的67%，且主要集中在地表下—個波長范圍內，而傳播速度代表著半個波長(λ_r/2)范圍內介質震動的平均傳播速度。因此，一般認為瑞利波法的測試深度為半個波長，而波長與速率及頻度有如下關系：

設瑞利波的傳播速度為υ_r，頻率為f_K，則波長為λ_r=υ_r/f_K當速度不變時，頻率越低，測試深度就越大。

瑞利波勘探法根據震源形式不同可分為兩大類：一類為穩態法；另一類為瞬態法。同樣，瑞利波檢測方法分為瞬態法和穩態法兩種。這兩種方法的區別在於震源不同。

瞬態法是在激震時產生一定頻率范圍的瑞利波，並以復頻波的形式傳播；而穩態法是在激震時產生相對單一頻率的瑞利波，並以單一頻率波的形式傳播。前些年，主要以穩態激振方法為主，其測試原理是利用掃頻儀和功率放大器發出的諧波電流，推動電磁激振器對地面產生穩態面波，由相隔一定距離的拾振器將接收到的面波振動，轉換為電壓量送入計算機(頻譜分析儀)進行相關計算，從而得出頻散曲線。

由於穩態激振面波勘探方法設備較為復雜，重量大，測試費用高；為克服這些缺點，隨之根據其原理，便出現了瞬態面波勘探方法，與穩態法相比其設備較為輕便，測試速度快。但也有許多缺點：其一是瞬態激振的功率密度譜分布不均，許多頻率能量太小，隨機干擾大，以至於頻散曲線與理論相差太大，常常無法利用。其二是仍按照穩態激振面波勘探方法接收地面震動波，致使所有的波(如反射波、折射波、直達波等)均作為干擾波而與面波混在一塊，有可能導致誤差較大的結果，這也是瞬態激振面波勘探方法主要缺點之一。

為了克服這些缺點，目前發展了一種新的面波勘探方法——瞬態多道瑞利波勘探技術。它的激振可採用不同材料和質量的錘(或重物)下落激振，在地面布置多個拾震器，並選擇最佳面波接收窗口接收震動，通過多次疊加和多道相關疊加，使得頻譜能量加大，干擾減小。

設Z≥0為彈性空間，點震源位於坐標原點，且介質中的每點都作簡諧運動，設u、υ、w分別表示質點沿x、y、z方向的位移，則波動方程的表達式為：

土體原位測試與工程勘察

式中：θ=

；λ為拉梅常數；k為彈性系數；ρ為介質的密度；▽²為拉普拉斯運算元。

以下假定所引入的力對於z軸對稱，並在極坐標(r，θ，z)中討論問題。又設q為垂直於z軸的位移分量，w為z方向的位移分量。兩種坐標的關系為：

土體原位測試與工程勘察

引入波動位φ與ϕ滿足：

土體原位測試與工程勘察

式中：h²=ρp²/(λ+2k)；k²=ρp²/k。

對式(7-9)試求其變數分離形式的解(略去時間因子e^ipt)得到：

土體原位測試與工程勘察

式中：α²=ξ²-k²；β²=ξ²-k²。

將式(7-10)代入式(7-8)得到位移表達式為：

土體原位測試與工程勘察

應力表達式為：

土體原位測試與工程勘察

二、瞬態點震源激發的瑞利波場中的位移表達式

設震源位於坐標原點，在時刻t=0作用，則初始條件和邊界分別為：

土體原位測試與工程勘察

由於當z→+∞時，必有φ→0，ϕ→0，故式(7-12)中的A=0、C=0，將式(7-13)代入式(7-12)，並解系數行列式，得D=

。

若在地面施加一適當的豎向激振力(可用大錘敲擊地面或吊升重物自由下落)，則於地下介質中可產生縱波、橫波和瑞利波。此時可用如下的波動方程來描述它們的運動：

土體原位測試與工程勘察

式中：ϕ，φ為質點位移場的勢函數，υ_P和υ_S分別為縱波和橫波的速度。

對於平面波可得(1)式的一個解為：

土體原位測試與工程勘察

土體原位測試與工程勘察

式中：υ₁=[1-(υ_r/υ_P)]；υ₂=[1-(υ_r/υ_S)]；N為波數，υ_r為瑞利波速；A、B為常數。

由(2)式可得到瑞利波傳播的兩個特性：一是瑞利波振幅隨深度衰減，能量大致被限制在一個波長以內；二是由地面振動波的瞬時相位，可確定瑞利波傳播的相速度。

瞬態面波法即根據這兩個特性，在相距一定距離的地面兩點安置拾振器，接收面波振動，再通過頻譜分析，做出波長-波速頻散曲線，從而算出地下土層的瑞利波速υ_r。瑞利波速υ_r和橫波波速υ_S的關系為：

土體原位測試與工程勘察

當μ從0.25至0.5時，υ_r/υ_S從0.92至0.95。由此可將瑞利波波速換算成橫波波速。

瞬態多道瑞利波是在地面上沿著面波傳播的方向、布置間距相等的多個拾振器，一般可為12個或24個。選擇適當的偏移距(震源到第一個拾振器的距離)和道間距(拾振器之間的距離)，以滿足最佳面波接收窗口和最佳探測深度。

將多個拾振器信號通過逐道頻譜分析和相關計算，並進行疊加，可得出一條頻散曲線，從而消除了大量的隨機干擾，信號中各頻率成分能量大為增強，從而使得地質體在頻散曲線上的反映更加突出和判斷准確性大大增強。

三、採集方法

在時域內，面波採集的質量好壞，直接影響到計算出的頻散曲線。與反射法地震勘探方法相同，瞬態多道面波勘探也存在一個最佳窗口問題。彈性波在時間空間域內傳播時，其各種波型(直達波、折射波、反射波、聲波和面波)均遵循各自的傳播規律，故在應用瞬態多道瑞利波方法時應注意的是：

(1)各道采樣必須設計排列在面波域內，且採集到足夠長的記錄。

(2)盡量使採集到的波型單一，即：不使直達波的後續波或反射波、折射波干擾面波，同時避免周圍的干擾振動。

(3)採集的波形不能失真。

根據以上原則，在設計排列時，應按照不同的探測深度選擇不同的偏移距和道間距。偏移距較小時，產生的高頻分量就大些，反之，淺部的信息就強些；若需突出深部信息，應使偏移距放大些，致使高頻分量衰減，而低頻分量突出。

同樣也根據探測深度選擇道間距。對於同樣的道間距，反映深部的信號頻率較低，感測器之間該頻率的相位差較小，而為了突出有效信號，必須使相位差有一定的值，所以必須使道間距加大些。反之，減少道間距，避免相位差超過360°。

瞬態多道瑞利波法的激震，可採用大錘或吊高重物自由落下。一般地，對於深度在20～30m內，土質不是很軟，採用24磅大錘敲擊地面即可獲得不錯的頻散曲線。如果深度加大、土質較軟或提高探測質量，也可吊高重物自由落下，這種方法可獲得較好的低頻震動。

在產生撞擊振源時，常常不可避免地產生二次撞擊，如重物碰地回彈後再次撞地，有些人想方設法控制此二次震動，以獲得干凈的面波資料，結果影響了工作效率，其實這大可不必。我們知道，對於時域中分析的反射法或折射法地震勘探，二次激發必須排除，因為第二次激發波會疊加在第一次激發的波上，形成干擾。而在頻域中則無此問題，這從以下推導可得佐證：

設地面上A點接收到第一次激振產生的振動為：y=f(x，t)

地面上A點接收到第二次激振產生的振動為：y=Cf(x，t-Δt)

C為小於1的比例系數，合成振動應為：y=f(x，t)+Cf(x，t-Δt)

將上式進行富里埃變換，並注意到富里埃變換的延時定理，可得：

Y=∑X_m=∑U_m[f(x，t)+Cf(x，t-Δt)+iV_mf(x，t)+Cf(x，t-Δt)]

式中：U_m和V_m分別為頻譜的實部和虛部。若令

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則有：

X_m=A_m[f(x，t)

]+C·A_m[f(x，t)]

·

若令

則有：

X_m=A_m[f(x，t)]·

·(1+

)=A_m[f(x，t)]

·B·

其中：

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則對於α點：

同理，對於b點：

對於計算某點頻率的相位差時，由於

，因此，兩次激發造成的延時疊加被減去了，所以它們在頻率域中並不對相位差造成影響。

四、儀器、設備要求

1.儀器

瞬態多道瑞利波的數據採集，必須選用多道數據採集系統，最少12道以上，以24道為好。由於面波分析是在頻率域中進行，各種頻率成分能量差異很大，要想取得盡可能多的地下信息(尤其是地下深部的信息)，而上部的信息又不能產生失真，故儀器的動態范圍必須要大；AD轉換一般要在16位以上(最好達20位)，本機的噪音水平一定要低，摺合輸入端的噪音要小於或等於5微伏峰值電壓；並且頻響范圍要寬，尤其低頻頻響要好，頻率下限應小於1Hz，上限應大於1000Hz。這幾項要求，均高於普通淺層地震儀。因此，可以說淺層地震儀可以做的工作，面波儀均適用，而面波儀所做的工作，淺層地震儀的指標往往不能滿足。儀器的工作流程見示意圖7-3。

圖7-3 儀器工作流程示意圖

2.拾振器

由於面波頻率成分較低，所以必須選擇低頻拾振器。究竟頻率下限是多少的拾振器可達到要求，則應根據場地地層波速值和探測深度確定。若以探測深度為波長一半計，則有：

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如果波速為200m/s，

為20m，則f為5Hz。這時，拾振器的下限頻率至少要選擇在5 Hz 以下。

3.儀器及參數

(1)SWS-1型多功能面波儀的主要技術指標

道數：12道、24道，可擴展為48道；

(測試時1道至多道可選)

放大器：瞬時浮點放大器；

模數轉換：20 bit；

信號增強：32 bit；

采樣率：30μs～8ms(分若干檔)；

采樣點數：512～8192個樣點(分若干檔)；

動態范圍：120dB；

濾波器：高、低通模擬濾波；

CPU：80386或80486；

RAM：2 Mb，可擴為4 Mb、8 Mb、16 Mb；

硬碟容量：80 Mb，可擴為120或200 Mb；

軟碟機：1×3.5英寸，1.44 Mb；

顯示屏：640×480點陣VGA液晶顯示屏；可外配彩顯顯示彩色剖面；

列印與繪圖：輸出各種紀錄與處理結果；

電源：DCl2V，24道額定功耗小於25W；

體積：45×34×15cm³；

重量：8.8kg；

使用環境：-5℃～+45℃

(2)數據採集參數

震源：大錘

震源距5m

道間距2m

全頻率接收

五、資料和數據的處理

1.時間距離(X—T)域中的面波

(1)在時間(T)-距離(X)域中了解面波及干擾波的宏觀特徵，是處理和解釋面波數據中首要的步驟。面波的多通道採集數據，在時間距離域中一般表示為二維坐標中的圖形。其橫坐標為各檢波通道至震源的距離，縱坐標軸為震源激發後的傳播時間，向下為時間增大。各通道接收的震波振幅數據，反映在相應距離的橫坐標上，按到達時間表示為沿縱坐標的圖形(橫向擺動的波形或不同的色彩)。

圖7-4是一個在沉積地層上取得的完整的面波振動記錄。距離由距震源10m 到480m；時間從震源激發到2 s，包含了層狀介質上地表接收到的面波及其他干擾波的基本波型。

(2)子波、同相軸、視速度、視周期，脈沖震源在地層中激發的振動，在時間上表現為短暫的波形，在傳播中保持著基本相似而又緩慢變化的特徵。震源激發的同一類的波型，在相近的接收通道上也表現出相似的波形，稱為該波型的子波；同一波型在相近通道上子波相似特徵點的連線，稱為同相軸；它在時間-距離坐標中的斜率，體現了該波型沿地表傳播的速度，稱為視速度；同相軸越陡，視速度越小。子波波形兩個正負主峰占的時間，稱為視周期，可以用它估計波型的主頻率。

(3)時間-距離域中的典型面波數據圖形，圖7-4中顯示不同視速度和視周期的波型。震源在左邊，由左向右子波的到達時間越來越遲，其中標示出的三組波型有：

圖7-4 面波數據圖形圖

A：視速度大(同相軸平緩)，視周期短(主頻率高)，它屬於淺層折射波和反射波的波型；

C：視速度小(同相軸陡)，視周期由短變長(主頻率變低)，它屬於面波基階模態的波型；

B：視速度比 C 較高(同相軸較緩)，視周期由比 C 短(主頻率較高)，它屬於面波的幾個高階模態的波型。

由圖中面波的波型表現可以看出：鄰近通道的子波波形變化平緩，說明地層橫向相對均勻。出現明顯的高階模態波型(B)，反映了地下存在分層結構。視周期較長的基階模態波型(C)振幅較大而且穩定，表明面波能量所及的深度內，存在較高剛度的底部地層，能將面波能量折返到地表附近。

(4)正常地層中不同頻率段的面波數據圖形，脈沖震源產生的面波振動，包括寬頻率范圍內的各個頻率組份。通過窄頻帶濾波，可以從時間-距離域中看出不同頻率組份面波各模態的表現，以及干擾波的振幅變化，並了解在寬頻率范圍內提取面波頻散數據的可能性。

圖7-5 500～800頻率段面波數據圖形

圖7-5是一個在分層地基上取得並未作濾波的面波原始記錄，距離由距震源25m到47m，記錄時間為1 s，包含了面波及其干擾波的基本波型。黃色的帚形框圈出面波振動數據的時間距離范圍。上界的黃線界定了每秒 200m的視速度，下界的更陡斜邊為每秒50m。黃色框外的上部出現的是較弱的反射和折射波，它們的主要振動能量，可以在數據處理時用如圖的帚形時距窗口加以排除。窗口內下部是面波的基階模態，而上部出現顯著的高階模態，視速度和視周期都和基階模態有所差別，反映了地下存在分層結構。原始記錄經過11 Hz的窄頻帶濾波。得到圖7-6a所示的波型圖形。

11 Hz頻率段靠近面波基階模態的視周期，基階模態的振幅相對增強，但是較高視速度的高階模態依然明顯存在，表明同一頻率的面波組份中存在不同視速度的模態。而且在左部的幾個通道上，不同的模態合並到同一時間段內。在這樣的距離段內，單一的時間頻率分析是難以分離出不同的模態的。原始記錄經過22 Hz的窄頻帶濾波得到如圖7-6b的波型圖形。

22 Hz 頻率段靠近面波高階模態的視周期，其高階模態的振幅相對增強，而較低視速度的基階模態也存在，也只有在距震源相應寬的距離段上，才有可能區分不同的模態。

將原始記錄經過3Hz的窄頻帶濾波，得到如圖7-6c所示的波型圖形。記錄的3Hz頻率分量振幅很弱，顯示圖形時加大了振幅的增益。圖形中出現的同相軸大部分都極平緩，具有很大的視速度(甚至表現出反向震源傳播的視速度)，其展布已經不能包含在面波的時間-距離窗口內。只有在更大的距離上(窗口的右下角)才顯現具有低頻面波視速度的面波成分。這些低頻同相軸反映了大波長的波動組分，涉及的周邊范圍寬，一般屬於水平地層中的低頻反射鳴震，或者是來自採集排列旁側的散射波場。它們的振幅在圖示的3Hz頻段超過了面波的幅度，構成對低頻3Hz窄頻帶濾波後面波數據圖形(圖7-6c)面波的干擾。

這種低頻干擾不是用簡單的時間 距窗口能夠排除的。如果脈沖震源沒有足夠的低頻能量，它往往會掩沒面波的低頻組份，構成低頻(反映大的深度)面波數據中出現過大的相速度。這種干擾現象在全頻段的原始面波數據中並不明顯，只有在窄頻帶濾波的時間-距離數據中才會明顯暴露出來(圖7-7)。

圖7-6 窄頻帶濾波後面波數據圖

圖7-7 地層中含局部異常體的面波數據圖形

該圖中引發波形的震源位置在左邊，正常地層的面波同相軸由左上方向右下方延伸。圖中正常同相軸的中部出現向左下方的分支，表明面波向右方傳播途中遇到局部異常介質，產生反向的散射。這種異常現象在多道的時間-距離域圖形中容易判斷，異常的水平位置也容易確定，但是難於判斷異常體的深度。對面波的頻散數據它也會造成扭曲。

(5)地表為高剛度層覆蓋的地層面波數據圖形：圖7-8中明顯可見的面波(同相軸視速度低，視周期長)，反映了下覆地層的彈性波速，應屬面波的基階模態。其上部隱約可見視周期很短的振動，在左邊距震源附近的通道上振幅大，反映較明顯，它是屬於高剛度層覆蓋層造成的面波的高階模態的反映(右圖經放大後可以看得更清楚)。

圖7-8 地表為高剛度層覆蓋的地層面波數據圖形

圖7-8中面波的振幅由左向右隨距離的增大急劇衰減，這是地表高剛度覆蓋導致的特徵漏能現象。和高剛度地層在底部的正常地層結構不同，震源的彈性能量在地表高剛度覆蓋的下界面向下部地層漏失，其下再沒有使它向上折返的界面條件。

在最簡單的地層(均勻不分層)條件下，面波波速沒有頻散，根據時間頻率域中的面波同相軸斜率，完全可以確定面波的速度，並藉以估算地層的剛度。而對於分層的地層，面波的速度將產生頻散。如果各層的剛度隨深度逐層增加，面波的彈性能量將偏向它的基階模態，高階模態的能量偏弱。這時，用簡單的窄頻帶掃頻濾波方法，也可以在時間-距離域估算面波的頻散規律。面波應用研究的早期就是這樣來獲取面波的頻散速度的。如果各層的剛度隨深度起伏，特別是含有顯著的軟弱夾層，則面波高階模態的能量將相應加強，這時就難以用簡單的掃頻濾波方法。如若在時間距離域內分清面波的模態和估算面波的頻散，就不得不採取更復雜的數據處理方法。

目前存在不同性能的波場分頻速度估計方法。二維頻率波數域方法是一種通用方法，它有快速計算的功能，比較適用於多道線性陣列的波場分頻速度估計。

2.頻率-波數(F-K)域中的面波

面波的各個模態，在時間和距離上往往是相互穿插疊合的。在頻率-波數域中，可以清楚地區分開面波不同模態的波動能量，從而能夠單一地提取出基階模態的頻散數據。

(1)頻率-波數譜、相速度、譜振幅 面波沿地表傳播的波場，在時間和空間上都可以分解為正弦和餘弦形式的波動組分，轉換成二維的頻譜。單個波動組分在時間上的頻度，以每秒中的波動次數來計量，就是一般稱的頻率(F)，單位為Hz，而在空間(距離)上的頻度，以每米中的波動次數來計量，稱為波數(K)，單位為1/m。由頻率-波數譜中某個波動組分的頻率和波數，可以確定它的周期(T=1/F)和波長(L=1/K)。

這個波動組分的波形在波場中傳播時，每個周期的時間前進一個波長，計算出的速度就是它的傳播速度(υ_c=L/T，或υ_c=F/K)，也稱為該組分的相速度。由波動組分正弦和餘弦分量的振幅，可以合成該組分的譜振幅，反映了該組分傳播的彈性能量的大小。

運用二維傅里葉變換，可以將時間距離域的彈性波場數據，轉換為頻率-波數譜數據，表現為二維坐標中的圖形。一般其左上角為坐標原點，縱坐標為頻率軸，沿縱坐標向下波動頻率增高，也就是在時間上波動越快。橫坐標為波數軸，沿橫坐標向右波數增多，也就是在空間上波長越短。

各個波動組分譜振幅的大小，用不同顏色的色標來表示，一般色度越亮，表示譜振幅越大。波動組分坐標點(F，K)和原點連線的斜率(F/K)，體現了它的相速度。這條連線越陡該波動組分的相速度越大，越緩相速度越小。

離散數據的二維傅里葉變換，對於轉換的頻率和波數區間，都有相應的限定：轉換的頻率限(F_max)是采樣時間間隔(dT)的倒數的一半(F_max=0.5/dT)。轉換的波數限(K_max)是采樣道間距離(dX)的倒數的一半(K_max=0.5/dX)，對於單向傳播的波場，最大波數可以擴大一倍(K_max=1/dX)。在頻率和波數限定區間以外，會出現變換折疊造成的干擾。

(2)面波的頻率-波數譜向低頻小波數(長波長)區延伸的表現 在頻率 波數譜的左上角，頻率降低、波數減小，反映大深度的波長較大的面波應該在這個區域內分布。但正就是在這個區域，波譜對不同類型波的相對分辨能力降低，如果基階面波不具備較強的能量峰脊，就很難提取到正確的頻散數據。圖7-9顯示了在頻率-波數譜左上角經常遇到的圖景：

它是一個實測的面波記錄的頻率波數譜上，陰影圈定了明顯的基階面波的能量峰，其中白色點標記出峰脊的位置。在反映低頻波長較大的左上方(黑色框內)，分布著一些弱的能量軸，難以作出明確的選擇，可靠的頻散數據低頻端只能到此為止。

了解基階面波能量峰向頻率波數譜左上角延伸的一般規律，將有利於識別和提取頻散數據。為此，可在這個面波記錄的頻率-波數譜上，標出由它得到的地層模型正演的基階和高階頻散數據點，並且正演了原來未拾取到的左上角低頻頻散數據點。

圖7-9 一個實測的面波記錄的頻率-波數譜

圖7-10 頻率-波數譜圖形

在圖7-10是標上了正演得到的頻散數據點的實測記錄頻率-波數譜圖形。其中白色點組成的線是正演的基階頻散數據，淡灰色點組成的兩條線屬正演的高階頻散數據。它們的中下部均能和譜圖中相應的能量峰脊相吻合，說明正演採用的地層模型正確地反映了這部分譜圖的面波能量。正演基階頻散數據線向左上方的延伸部分逐漸逼近頻率波數坐標的原點，這就是基階面波能量峰脊向低頻小波數(長波長)區延伸的方向。

圖7-10正演得到的頻散數據點的實測記錄是圖中還以黑色直線標出地層最大剪切波速(底層)在頻率-波數譜中反映的位置。在此黑線左方出現的能量峰其相速度都大於地層底層的波速，不屬於面波能量的表現。

Ⅲ 岩石中的波及其速度測量

1.彈性波與波速

均勻岩石中可能產生兩類彈性波，一類是縱波，也稱P波，其質點運動方向與波傳播方向平行。縱波在岩石中傳播速度是

圖3－14 高壓聲速測量樣品室

Ⅳ 橫波(剪切波)波速測試法

一、跨孔法

跨孔法測試中須將振源、檢波器放在不同鑽孔中的同一高程位置上，根據孔水平間距和波傳播歷時，即可求出相應波速。由於該法的原理簡單，測試結果可靠，這一方法一經提出很快在國際上得到了廣泛的應用。

1.跨孔法波速測試的特點

(1)跨孔法波速測試可應用於各種地層，在地下水位以上和地下水位以下都有使用；

(2)在振源孔中採用垂直剪切沖擊，能夠產生水平傳播、垂直偏振的剪切波，可在原位上測得土層中剪切波的波速；

(3)在鑽孔間距適當時，跨孔法波速測試可測定地層中低速軟弱夾層的剪切波速值；

(4)它在測試中把振源和接收器都埋設在土中，現場測試受外界干擾較少，因此也可以用於在已有的結構物下的波速測試。

(5)由於跨孔法測試技術的測試深度較大，因此從理論上講，可以測試到鑽孔所能達到的最大深度。

2.跨孔法試驗儀器設備

跨孔試驗主要由鑽孔、激振、檢波器和記錄波信號等環節組成。所需試驗儀器設備則包括振源、接收器、放大器、記錄器等。

(1)振源 在工程中，跨孔試驗的主要測試對象是地層所傳播的剪切波。這就要求振源產生的S波與P波能量之比盡可能地高。爆炸振源是以往地震勘探中的常用振源。鑽孔內(通常充水)的雷管或少量炸葯的爆炸，可產生地震波和流體膨脹產生壓縮波，作用於孔壁之後傳至地層，在地層中可同時產生P波和S波。改變爆炸能量可定量控制S波和P波間的能量分配，爆炸能量越高，S波能量越大，這種效應在淺層更加明顯。

由於S波是P波的反射波，在上述一個復雜的波序列上識別S波的初始點將比較困難。

跨孔法波速測試採用的振源有兩種：爆炸振源和機械振源。現在大多用的是機械振源。

井下剪切波錘是一種常用的機械型振源(圖7-1)，它適用於各類土層。這種裝置由一個固定的圓筒體和一個滑動重錘組成。測試時，把該裝置放到鑽孔某一深度處，通過地面的液壓裝置將4個活塞推出使筒體緊貼井壁，然後向上拉連接在錘頂部的鋼絲繩，使活動重錘向上沖擊固定筒體。此時會產生剪切振動。由於振源作用力方向的改變，使接收到的S_V波初至相位差180°，這對辨別S_V波的初至是有益的。完成一個測點的測試後，可以通過地面的液壓裝置將4個活塞縮回，再放到另一個深度，繼續進行測試。

(2)接收器 跨孔法波速測試時，無論什麼樣的振源，都會產生復合波。這就要求接收器既能觀察到垂直振動分量，又能觀察到水平振動分量以便更好地識別剪切波到達的時刻。所以一般採用三分量檢波器。其中豎向分量主要用來識別S_V波。同時，三分量波形記錄器還可以進行互相校核資料、分析結果的可靠性。

圖7-1 井下剪切波錘結構簡圖

(3)放大器 跨孔法波速測試可以採用普通多通道放大器。各通道必須有較一致的相位特性，並配有可調節的增益裝置。放大器的放大倍數一般要求大於2000；同時要求內部噪音小；頻率特性適宜，抗工頻干擾能力強。

(4)記錄器 跨孔法波速測試所用的記錄器要求具有0.2ms的記錄、掃描能力，其掃描速率可以調節，以便波形的識別。目前國內常用的有SC-10、SC-16、SC-18型紫外線感光記錄示波器。

3.現場測試方法

(1)測試前的准備工作 測試前的准備工作包括：鑽孔數量、鑽孔尺寸、鑽孔布置方法和鑽孔間距的確定和記錄、下套管和灌漿、鑽孔垂直度測量等方面的工作。

(2)現場測試方法 跨孔法波速測試方法有兩種：①一次成孔測試法，它是當用於跨孔測試的鑽孔數量、深度、孔徑和孔距等設計好之後，將所有的鑽孔一次性鑽完，然後將套管下至距孔底2m處，然後灌漿，待漿液凝固後，便可進行測試；②分段鑽進分段測試法，它一般是用三台鑽機同時鑽進，當鑽至預定深度後提出鑽具，與此同時，將檢波器放入孔底同一標高，用重錘敲擊取土器使其產生波。該方法主要用於厚度不太大的第四紀土層。

4.資料整理

(1)波形記錄的現場識別 波形識別是跨孔法波速測試的重要工作。跨孔法波速測試中所記錄的波動信號曲線主要由體波組成。一般分三個階段：第一階段是從零時開始至直達波能量的到達，其信號除受外部干擾出現毛刺外，基本上是一條接近於直線的平穩段；第二段從波的第一個初至起至第二個初至止，此段屬於P波段，振幅小，頻率高；第三段是以S波為主的部分，振幅大，頻率低。

(2)波形的室內判讀 室內判讀主要是精確地判讀出P 波初至時間和第一個 S 波到達的時間。

(3)數據的整理和計算 完成波形識別工作後，記錄兩接收孔間 P波和S波的傳播時間t_P、t_S。根據振源孔和測試孔之間的距離，以及鑽孔垂直度量測結果，求出直達波的傳播距離L，並由式(7-5)分別求出P波和S波的波速t_P、t_S：

土體原位測試與工程勘察

式中：υ_P，υ_S為分別為P波和S波的波速(m/s)；L為直達波的傳播距離(m)；t_P，t_S分別為P波和S波的傳播時間(s)。

同一測點P波和S波的波速的測試誤差，應控制在5%～10%之內，否則必須分析原因或者重新測試。

二、單孔法

單孔法波速測試是在一個垂直鑽孔中進行波速測試的方法。按激振和檢波器在鑽孔中所處的位置不同，單孔法又可分為四種：①地表激發，孔中接收(下孔法)；②孔中激發，地表接收(上孔法)；③孔中激發，孔中接收；④孔中激發，孔底接收。

1.測試設備

除了振源外，單孔法波速測試的其他儀器設備與跨孔法基本相同。單孔法波速測試常選用的振源為剪切波振源，其優勢波為S_H波(S_H波是一種剪切波，其質點振動方向平行於地面)和S_V波，具有可重復性和可反向性。一般採用(圖7-2)所示的激振方式：

圖7-2 單孔法的測試工作原理示意圖

2.測試方法

現場測試工作包括如下內容：鑽孔、設置振源和檢波器、確定測點間距。

(1)鑽孔：鑽孔附近地面應盡可能幹凈，鑽孔時應盡量減少孔壁土擾動，待測孔鑽到預定深度時，如地層軟弱應下套管護壁，套管與孔壁間用灌漿和填砂法處理。

(2)設置振源：用敲板法作振源時，在距孔口1.0～3.0m處放置一長度2.0～3.0m的木板或混凝土板，並與地面貼緊，上壓5kN左右的重物，以防止板的滑移。板的中垂線應通過孔口，用錘沿板縱軸從兩個相反方向水平敲擊板端以產生水平剪切波。當板中心的高程與孔口相差較大時，應量測並記錄下來，以便作修正之用。

(3)設置檢波器：當檢波器在孔內不同深度處接收剪切波時，應將其固定在孔壁。當只需測定地層中的P波時，檢波器就不一定要和孔壁貼緊，但在這種情況下，孔中必須注滿水或泥漿。有時為了整理資料上的方便可將兩只檢波器同時放入孔中。根據它們的間距，用兩個檢波器接收同一激振下初至波傳播的時差來計算波速，提高分析精度。

(4)測點間距的確定：測點間距原則上應使相鄰兩點時間差大於記錄上可讀精度。對於土層，一般以0.5～2.0m為宜。當有較薄夾層時，應適當調整測點間距使得薄夾層中至少布置兩個測點。

3.測試資料的整理

單孔法波速測試時，P波和S波識別方法與跨孔法相同。但當振源激發點距孔口距離較大時，應作修正。其方法是將實測斜距行走時間(t)按式(7-6)換算成垂距行走時間(t′)：

土體原位測試與工程勘察

式中：t′為修正後的垂距行走時間(s)；t為在記錄上讀取的斜距行走時間(s)；h為孔中檢波點距孔口距離(s)；x為孔口距振源激發點的距離(s)。

Ⅳ 都測光速，誰測過無線電波的波速，怎麼測呢，

1864年，英國科學家麥克斯韋在總結前人研究電磁現象的基礎上，建立了完整的電磁波理論。他斷定電磁波的存在，推導出電磁波與光具有同樣的傳播速度。 1887年德國物理學家赫茲用實驗證實了電磁波的存在。之後，1898年， 馬可尼又進行了許多實驗，不僅證明光是一種電磁波，而且發現了更多形式的電磁波，它們的本質完全相同，只是波長和頻率有很大的差別。
利用多普勒效應測量：輻射的波長因為光源和觀測者的相對運動而產生變化。在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高 (藍移 (blue shift))。在運動的波源後面，產生相反的效應。波長變得較長，頻率變得較低 (紅移 (red shift))。波源的速度越高，所產生的效應越大。根據光波紅 / 藍移的程度，可以計算出波源循著觀測方向運動的速度。

Ⅵ 如何測量水中的聲速（大學物理實驗）

有個想法，不知道可不可行，呵呵，你就隨便看看吧
根據 速度=路程/時間
准備一根100m長的水管，裡面可以流水的，一個發聲器（最好能定時發聲），一個聲音接收器，一個計時器（秒錶、手機什麼的基本就可以了）
發聲器在水管的一面發聲，接收器在另一面接收，如果接收不到，將水管改短的也行
發聲規律，沒隔1s發一次（為了排除干擾，可將時間間隔適當延長），大概發聲30次，
因為收到的聲音應該是由空氣，水管，水中，三種介質中傳播過來的，而速度應該是空氣>水管>水，所有前兩個聲音不要，從第三個聲音開始計時，到最後一個聲音計時結束，這時聲音通過的全路程應該是100m X 30次=3000m，時間應該為 記錄的時間-30次中間的間隔時間，根據聲速在海水中的傳播數度大概為每秒1500m左右，所有得到的時間大概應該大於2s左右吧，如果能得到這樣的一個時間，我想你的實驗應該基本上算是成功了，如果得到的時間和這個時間偏差太大，那這個實驗就失敗了。呵呵
祝你好運！