瑞利波

瞬态多道瑞利波勘探技术的原理方法、仪器设备和应用实例李哲生(福建省建筑设计研究院)提要本文阐述了瞬态多道瑞利波勘探的原理和方法，提出了适用该方法的仪器和设备工程为实例，介绍了这种方法在岩土工程勘察中的应用。

关键词 瑞利波 稳态法 瞬态法 瞬态多道瑞利波勘探技术一 前言在进行折射法和反射法地震勘探时，由纵波激震震源产生的地震波在传播过程中，不可避免地产生瑞利波，为了取得折射波的初至或反射波的同相轴，需要选择合适的窗口和滤波，将瑞利波作为干扰波设法排除。

但近些年来，人们已成功地利用瑞利波传播过程中的频散特性，将其应用于岩土工程勘察中来。

瑞利波勘探法根据震源形式不同可分为二大类：一为稳态法，另一为瞬态法。

前些年，主要以稳态激振方法为主，其代表为日本VIC 株式会社的GR-810、GR-830地下勘探机。

国内也有一些类似的仪器设备，它们的勘探原理都相同，即利用扫频仪和功率放大器发出的谐波电流推动电磁激振器对地面产生稳态面波，由相隔一定距离的拾振器将接收到的面波振动转换为电压量送入计算机(频谱分析仪)进行相关计算，得出频散曲线。

由于稳态激振面波勘探方法设备较为复杂，重量也大，随之根据其原理，出现了瞬态面波勘探方法，其设备较为轻便，测试速度快。

但也有许多缺点，其一是瞬态激振的功率密度谱分布不均，许多频率能量大小，随机干扰大，以致于频散曲线与理论相差太大，常常无法利用。

其二是仍按照稳态激振面波勘探方法接收地面震动波，致使所有的波，如反射波、折射波、直达波等均作为干扰波而与面波混在一块，有可能导致误差较大的结果，这也是稳态激振面波勘探方法主要缺点之一。

为了克服这些缺点，目前发展了一种新的面波勘探方法--瞬态多道瑞利波勘探技术。

它的激振可采用不同材料和质量的锤或重物下落激振，在地面布置多个拾震器，并选择最佳面波接收窗口接收震动，通过多次迭加多道和相关迭加，使得频谱能量加大，干扰减小。

据此，北京水电物探研究所(原北京华水物探研究所)研制了SWS 多功能面波仪，并将分析处理软件装入计算机内。

浅议公路工程中瑞利波测试技术及其工程应用摘要：近年来发展起来的表面波法为公路工程剪切波速度的测试提供了一个高效快捷的手段。

它无需在地层中钻孔，震源检波器均布置在地表面上，是一种经济、可靠且适用范围广泛的原位测试方法。

随着瑞利波法实测技术和资料解释理论的发展，这一新技术已被广泛用于公路工程勘察、地基加固效果评价、工程质量检测等方面。

关键词：公路；瑞利波；稳态瑞利波；瞬态瑞利波中图分类号：x734 文献标识码：a 文章编号：0引言土体剪切波速度的测试是土动力学, 波浪荷载、爆破、施工振动及机器振动和地震工程学研究中的一项重要内容，也是近年来发展起来的浅层地震勘探和对已加固地基进行科学评价的一项新技术。

过去，剪切波速度的原位测试方法大多采用体波, 压缩波或剪切波. 作为试验信号，而把表面波作为干扰信号处理，由此发展了上孔法、下孔法、跨孔法、孔底法、孔内法及地震锥探法等多种形式。

其中，跨孔法被认为是测定土的剪切波速度最可靠的方法。

这类方法原理较为简单，一般假定波沿直线传播，只要测出波的传播距离和历时即可计算出波速。

然而，由于测试时必须在地层中钻一个或多个孔，所以其测试费用比较昂贵。

近年来发展起来的表面波法为土体剪切波速度的测试提供了一个高效快捷的手段。

它无需在地层中钻孔，震源检波器均布置在地表面上，是一种经济、可靠且适用范围广泛的原位测试方法。

它主要包括稳态瑞利波法和瞬态瑞利波法。

国外于50 年代由jones 首次将稳态瑞利波法用于土木工程中。

我国以80年代由日本引入gr810仪器系统为代表，开展了大量的试验研究和测试工作。

由于稳态瑞利波法测试设备较为复杂，重量也大，所以开发一种测试设备较为轻便，测试速度更快的测试方法成为必然。

鉴于瞬态激振的功率谱分布不均，频率能量太小而随机干扰大，目前又发展了一种新的面波勘探方法，即瞬态多道瑞利波测试技术。

它可以通过多次叠加和多道相关叠加，使得频谱能量加大，干扰减少，测试结果更为可靠。

声表面波简介声表面波技术是六十年代末期才发展起来的一门新兴科学技术，它是声学和电子学相结合的一门边缘学科。

由于声表面波的传播速度比电磁波慢十万倍，而且在它的传播路径上容易取样和进行处理，因此，用声表面波去模拟电子学的各种功能，能使电子器件实现超小型化和多功能化。

同时，由于声表面波器件在甚高频和超高频波段内以十分简单的方式提供了其它方法不易得到的信号处理功能，因此，声表面波技术在雷达、通信和电子对抗中得到了广泛的应用。

声表面波是沿物体表面传播的一种弹性波。

早在九十多年前，人们就对这种波进行了研究。

1885 年，瑞利根据对地震波的研究，从理论上阐明了在各向同性固体表面上弹性波的特性。

但由于当时的科学技术水平所限，这种弹性表面波一直没有得到实际上的应用。

直到六十年代，由于半导体平面工艺以及激光技术的发展，出现了大量人造压电材料为声表面波技术的发展提供了必要的物质和技术基础。

1949 年，美国贝尔电话实验室发现了LiNbO3单晶。

1964 年产发表了激发弹性表面波平面结构换邹器的专利。

特别应该指出的是，1965 年，怀特（R . M.white）和沃尔特默（F.W.voltmer ）在应用物理杂志上发表了题为“一种新型表面波声－电换能器― 叉指换能器”的论文，从而取得了声表面波技术的关键性突破。

声表面波器件的基本结构和工作原理声表面波器件是在压电基片上制作两个声一电换能器―叉指换能器。

所谓叉指换能器，就是在压电基片表面上形成形状像两只手的手指交叉状的金属图案，它的作用是实现声一电换能。

声表面波器件的工作原理是，基片左端的换能器（输入换能器）通过逆压电效应将愉入的电信号转变成声信号，此声信号沿基片表面传播，最终由基片右边的换能器（输出换能器）将声信号转变成电信号输出。

整个声表面波器件的功能是通过对在压电基片上传播的声信号进行各种处理，并利用声一电换能器的待性来完成的。

声表面波技术有如下的特点：第一，声表面波具有极低的传播速度和极短的波长，它们各自比相应的电磁波的传播速度的波长小十万倍。

层状介质中瑞利波动力响应及传播特性分析丁玮; 陈灿; 聂田【期刊名称】《《价值工程》》【年(卷),期】2019(038)027【总页数】5页(P178-182)【关键词】瑞利波; 数值分析; 频率波数域【作者】丁玮; 陈灿; 聂田【作者单位】武汉工程大学土木工程与建筑学院武汉430073【正文语种】中文【中图分类】TU4350 引言十九世纪末，英国学者瑞利在研究半无限体弹性介质的波动问题中，发现了一种与压缩波及剪切波不同的波，后来这种波被称为瑞利波。

其具有以下主要特性：①瑞利波的能量主要集中于介质的浅部，而且随着深度的增加，能量迅速衰减；②瑞利波的质点振动呈椭圆极化振动特性，不同于体波的线性极化振动；③在水平分层介质中，瑞利波有多个模态，同一频率，不同模态的相速度不同；同一模态，不同频率相速度也是不同的，即瑞利波相速度会随频率变化而变化，这就是瑞利波的频散特性；④瑞利波的传播特性受介质的分层厚度、数量以及各层剪切波速、泊松比等材料参数的影响。

Lamb研究了不同振源下半无限体弹性介质表面质点位移响应。

Wood研究了泊松比为0.25弹性半无限体在简谐点荷载作用下，各类型波阵面位移及振动相对幅值。

距振源一定距离后，瑞利波沿介质表面以r-1/2几何衰减，P波、S波以r-2沿表面几何衰减，瑞利波占整个波场能量的67%，而剪切波和压缩波分别占26%和7%，这表明地基土表面瑞利波能量占总能量的主要部分。

1988年，吴世明等采用瞬态测试法测试了土层波速，系统地阐述了计算原理以及实际应用方法[1]。

1998到2003年间张碧星等研究了层状空间中导波的传播和“之”字型频散曲线的形成机理[2]。

2004年，柴华友等通过数值分析，对表面波谱分析计算及影响因素做了系统的研究[3]。

2006年，杨生采用有限元方法模拟复杂地层条件下的瑞利波传播特性[4]。

2009年，潘东明采用改进的传播矩阵法进行了典型地层的瑞利波频散曲线的计算[5]。

管波探测法伪瑞利波] pseudo-Rayleigh wave 在地层横波速度大于泥浆速度的情况下，从声源以大于横波临界角射向井壁的那部分波，将在井壁发生全反射，并以锥形波的形式在井内传播，这部分波称为伪瑞利波。

实际上它是泥浆中反射的锥形波与井壁上传播的面波混合而成。

在波列中它紧跟在横波初至的后面。

由于没有能量折射到地层中，它的幅度比较大。

瑞利波Rayleigh wave 是一种面波一种常见的界面弹性波，是沿半无限弹性介质自由外表传播的偏振波。

由L.瑞利于1887 年首先指出其存在而得名。

地震学中称其为R波或L波。

在表层附近，质点的运动轨迹为椭圆；在离外表为0.2 个波长的深度以下，其运动轨迹仍为椭圆，但运动方向与表层相反。

在自由外表上，质点沿外表法向的位移约为切向的 1.5 倍。

瑞利波的波速与频率无关，只与介质的弹性常数有关，为同介质中横波波速的0.862～0.955 倍。

在震中附近，不出现瑞利波。

从震源射出的纵波在离震源距离为后才形成瑞利波。

由震源射出的横波在离震源距离为后才形成瑞利波。

其中cR 为瑞利波波速；h 为震源深度；c1、c2 分别为纵波和横波波速。

瑞利波沿二维自由外表扩展，在距波源较远处，其摧毁力比沿空间各方向扩展的纵波和横波大得多，因而它是地震学中的主要研究对象。

由地震震源发出的在地球介质中传播的弹性波。

地震发生时，震源区的介质发生急速的破裂和运动，这种扰动构成一个波源。

由于地球介质的连续性，这种波动就向地球内部及表层各处传播开去，形成了连续介质中的弹性波。

地球介质，包括表层的岩石和地球深部物质，都不是完全弹性体，但因地球内部有很高的压力，地震波的传播速度很大，波动给介质带来的应力和应变是瞬时的，能量的消耗很小，因此可以近似地把地震波看作弹性波。

从震源发出的波动有两种成分: 一种代表介质体积的涨缩，称为涨缩波，其质点振动方向与传播方向一致，所以又称纵波。

另一种成分代表介质的变形，称为畸变波，其质点振动方向与传播方向垂直，所以又称横波。

首先，再次欢迎在座的各位能来参加此次研讨培训班，我叫张鹏，是煤炭科学研究总院西安研究院物探仪器研究所的技术人员，此次负责给各位讲解瑞利波探测仪的探测原理，操作使用、施工方法及应用实例。

希望我的讲解能给个为今后的工作提供帮助，也欢迎各位嘉宾能提出宝贵意见，让我们能更好的为用户服务，下面我们来看今天我要讲的第一个问题一瑞利波简介1-1 什么是瑞利波?瑞利波的存在是1887年由英国学者Rayleigh(R.瑞利)在理论上确定的，由此命名为瑞利波。

瑞利波是偏振波，是面波的一种，其波的运动方向沿物体表面，质点在垂直于传播方向的平面内运动。

瑞利波的波速与频率无关，只与介质的弹性常数有关，为同介质中横波波速的0.862～0.955倍。

因当时技术条件所限，直到本世纪六十年代后期，随着数字计算机在地球物理勘探领域中的应用，对瑞利波频散特性的研究有了较大发展。

1-2 瑞利波技术发展概况瑞利波探测技术是我们物探所根据国家“七·五”科技攻关项目，于1991年研制成功并首次用于煤矿井下的。

根据煤矿井下实际工作特点，在广泛听取了煤矿生产现场技术人员的意见的基础上，我们进行了大量的工业性试验，于上个世纪九十年代又相继研制成功了“MRD-II型瑞利波探测仪”、“MRD-Ⅲ型瑞利波探测仪”以及相应的计算机数据处理软件。

比较满意地解决了煤矿井下长期未能解决的巷道四周构造探测，特别是掘进工作面超前探测的问题，为矿山生产的部署，瓦斯、水患等灾情预报和治理提供了一种高效、适用的手段。

该项技术在煤矿井下地质构造探测方面发挥了重要作用，解决了不少地质上的难题，对矿山安全生产及高产、高效做出了很大的贡献。

随着煤炭开采技术的发展和对安全生产更高的要求，如何更有效地探测掘进工作面前方隐伏的地质构造成为煤炭生产中急需解决的问题。

因此，进一步研究超前探测的技术和方法，成为人们关注的课题和研究方向。

MRD-Ⅱ型、MRD-Ⅲ型瑞利波探测仪可以用于工作面的超前探测，但是由于探测距离和稳定性方面的问题，无法满足煤矿生产发展的需求，我们经过了多次的试验，投入了大量技术力量，研制了（我们现在推出的）YTR(D)瑞利波探测仪和相配套的数据处理程序。

瑞利波的故事方谦光有一次大文学家苏东坡和妹夫秦少游在湖边散步，随手捡起了一块小石子儿扔进平静的湖水之中，水中激起一朵小小的浪花，随后形成一道道的圆形的波纹，一圈圈地不断扩大向四周散去。

于是苏东坡指着这一圈圈的波纹对秦少游说：「你知道什么是『波』吗？波乃水之皮也」。

秦少游说：「如果说『波』乃水之皮，那么『滑』是不是水的骨头呢」？这么大的一位苏学士一时被问的语塞。

暂且不论「波」是不是水的皮和「滑」是不是水的骨头，在自然界确实存在着那么一种类似于在液体表面受到扰动后形成的波，一般称之为「面波」。

这种波沿着与大气层接触的地表面滚动着向四周传播，因此也称之为「地滚波」。

地滚波携带着巨大的能量，因此在地震发生时给地面建筑物造成极大程度破坏的就是这种地滚波。

在19世纪末英国物理学家瑞利(Rayleigh)研究发现在半空间(上部接触大气层的地表面)存在着一种类似于在液体表面上形成的波。

这种波是由自由界面半空间内传播的纵波与横波相互选加形成的一种特殊的振动，振动的方向是以逆时针方向转动，呈椭圆轨迹传播，此椭圆水平轴与垂直轴之比为2/3。

人们为了纪念这位物理学家就把这种波定名为「瑞利面波」，简称「瑞利波」。

通过进一步的研究发现瑞利波有很多奇特的性质：首先是瑞利波沿自由表面传播的速度与横波的速度相当，大约是横波速度的0.9倍，是纵波速度的0.5倍。

从仪器上可以清楚地观察到，首先到达是纵波，其次是横波，最后到达的波才是瑞利波。

从能量上来看，瑞利波占震动总能量的67%，横波占总能量的26%，纵波只占总能量的7%，因此从仪器记录到的波形记录上，从振动的幅度就很容易识别出瑞利波、横波和纵波。

当瑞利波垂直自由表面向下传播时，最多只能传播到一个波长的深度，其中的大部分能量都集中在1/2波长的深度范围之内，人们由此就想到可以利用不同波长的瑞利波来探测不同深度的地层。

同时瑞利波还有一种特殊的性质，就是当瑞利波向下传播到两种物质的分界面(如土层和岩石)时，瑞利波就分解成了纵波和横波。