(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地質調査のために地盤に変位を発生させる方法であって、平衡位置からプラス側の変位曲線と時間軸とで囲まれる面積と平衡位置からマイナス側の変位曲線と時間軸とで囲まれる面積がほぼ等しく、且つ変位の始めと終わりは緩やかな曲線を呈し山の数と谷の数が合計２〜５の波形によって加振体を駆動し、被加振体である地盤にモノパルス状の変位を直接的に発生させるようにしたことを特徴とするモノパルス状変位発生方法。
【請求項２】
変位曲線は、山の数と谷の数が合計３又は５で、時間軸上でほぼ対称的な波形である請求項１記載のモノパルス状変位発生方法。
【請求項３】
変位曲線が、ガウス曲線の１次微分、２次微分、３次微分、４次微分のいずれかの曲線で示される波形、もしくはそれらと同等の波形（極性が逆のものも含む）である請求項１記載のモノパルス状変位発生方法。
【請求項４】
変位曲線の波形の周波数スペクトルのピーク周波数を可変とする請求項１乃至３のいずれかに記載のモノパルス状変位発生方法。
【請求項５】
請求項１記載のモノパルス状変位発生方法を実施するための装置であって、平衡位置からプラス側の変位曲線と時間軸とで囲まれる面積と平衡位置からマイナス側の変位曲線と時間軸とで囲まれる面積がほぼ等しく、且つ変位の始めと終わりは緩やかな曲線を呈し山の数と谷の数が合計２〜５の波形情報を記憶している波形記憶手段、該波形記憶手段から波形情報を読み出し振幅と時間軸を設定して出力するＣＰＵ、該ＣＰＵからのデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器、該アナログ信号を増幅する増幅器、その増幅されたアナログ信号に応じて加振体を駆動する駆動機構を具備していることを特徴とするモノパルス状変位発生装置。
【請求項６】
被加振体である地盤の振動を検出する振動センサを具備し、その検出信号をフィードバックして振幅と時間軸を調整する請求項５記載のモノパルス状変位発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被加振体にモノパルス状の変位を発生させる方法及び装置に関し、更に詳しく述べると本発明は、加振体による加振の仕方や加振波形を工夫することによって、被加振体に山や谷の数が少ない波形の変位を付与する方法及び装置に関するものである。この技術は、特に地震探査や速度検層などの地質調査に有用である。
【０００２】
【従来の技術】
地質調査における振源には、衝撃エネルギーによるものに火薬の爆発、重錘落下、打撃、エアガン等があり、振動信号により駆動されるものに油圧バイブレータ、電磁バイブレータ、磁歪振動子、電歪振動子等がある。磁歪振動子や電歪振動子は衝撃パルス信号でも駆動される。
【０００３】
衝撃による振源の場合には振源が持っている固有周波数成分を、振源がエネルギーだけの場合にはその振源の近傍の固有周波数成分を、多く持ったバースト状の波が発生する。この振動は、波連が何山も続くことになり、最初に到達するＰ波のみを取り扱う場合を除き、波形（地層伝搬波、屈折波、反射波）を取り扱う場合は、波連の分解能が悪いこと、アフターフェーズがノイズとなること、数値解析が難しいこと、などの問題がある。そのために、発生する振動の波連の数を少なくする工夫（即ち、残響時間を短くすること）、いわゆるモノパルス化が試みられている。
【０００４】
従来のモノパルス化方法としては、
（１）振源を複数個用い、アレイ配置し、それらの振動の合成重合によってモノパルスを得る方法（大きな振源に用いられることが多い）
（２）振源に制動機能を持ったものを装着して減衰を速くし、波連の数を少なくする方法（超音波振動子の背面に鉛入りのダンパを装着する）
（３）振源の前面に数層の整合層を置く方法（探傷用超音波振動子、医療用超音波振動子等）
（４）目的の信号のアフターフェーズに、これと逆位相の振動を機械的又は電気的に入力することによりアフターフェーズを消去する方法
（５）発信周波数を次第に変化させ、受信振動間の相互相関をとり、見掛け上、モノパルスとして取り扱えるように山や谷の数を少なくする方法（スイープバイブレータ等）
により行われている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来のモノパルス化方法は、発生した振動に対して対策を施すものである。従って、良好なモノパルスが得られないことが多い。また、地震探査に用いるような大きな振源に対しては、複数の振源をアレイ配置するしか方法が無く、装置が大型化し、実施に費用と時間が多くかかるなどの問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、駆動波形と変位発生機構自体を工夫することによって、被加振体にモノパルス状の変位を直接的に発生させることができる方法、及びそれに有効な装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、地質調査のために地盤に変位を発生させる方法であって、平衡位置からプラス側の変位曲線と時間軸とで囲まれる面積と平衡位置からマイナス側の変位曲線と時間軸とで囲まれる面積がほぼ等しく、且つ変位の始めと終わりは緩やかな曲線を呈し山の数と谷の数が合計２〜５の波形によって加振体を駆動し、被加振体である地盤にモノパルス状の変位を直接的に発生させるようにしたモノパルス状変位発生方法である。使用周波数範囲内に共振周波数を持たず、周波数帯域の広い加振体をモノパルス状信号で駆動することにより、モノパルス状の変位を発生させる。
【０００８】
ここで加振体を駆動する変位曲線の波形としては、その周波数スペクトルのピーク周波数を可変とするのが好ましい。また、より好ましくは、変位曲線を、山の数と谷の数が合計３又は５で、時間軸上でほぼ対称的な波形とすることである。加振体を駆動する具体的な変位曲線としては、例えばガウス曲線の１次微分、２次微分、３次微分、４次微分のいずれかの曲線で示される波形、もしくはそれらと同等の波形（極性が逆のものも含む）が好適である。
【０００９】
また本発明は、平衡位置からプラス側の変位曲線と時間軸とで囲まれる面積と平衡位置からマイナス側の変位曲線と時間軸とで囲まれる面積がほぼ等しく、変位の始めと終わりは緩やかな曲線を呈する波形情報を記憶している波形記憶手段、該波形記憶手段から波形情報を読み出し振幅と時間軸を設定して出力するＣＰＵ、該ＣＰＵからのデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器、該アナログ信号を増幅する増幅器、その増幅されたアナログ信号に応じて加振体を駆動する駆動機構を具備しているモノパルス状変位発生装置である。
【００１０】
加振体と被加振体との関係において、例えば接触状態が悪く、加振体の変位がそのまま被加振体に伝えられないような場合には、被加振体の振動を検出する振動センサを設け、その検出信号をフィードバックして振幅と時間軸を調整するのが好ましい。
【００１１】
【発明の背景】
物体が振動するということは、物体が角速度運動をすることである。そこで、ある重さを持った物体を一定の速度になるまで動かし、そして止める場合を考える。物体は瞬時に一定の運動速度に入ることは出来ず必ず漸移部分があり、また一定の速度で運動している物体を瞬時に停止することは出来ず必ず漸移部分がある。そして、運動を急激に停止しようとするほど反対向きの大きな力を必要とする。物体を振動させる場合も同様のことが言える。物体を加振した場合、振動は加振力より少し遅れた位相で振動する。その振動は急には止められず、止めるには大きな力を要する。振動させようとする物体の周波数特性、加える力の時間的変化によって発生する振動波形が変化する。
【００１２】
その例を、電歪超音波振動子を単純なパルス波形（狭幅パルス、半周期サインパルス、１周期サインパルス）で駆動した場合について検討する。なお、振動子は円筒状で、その内面にタングステン粉末入りゴムを取り付けダンピングを行っている。受信は標準ハイドロフォンを振動子の近くに設置して行った。記録には水中を伝搬する時間差がある。駆動パルスと受信信号のレベルは任意である。
【００１３】
（１）狭幅パルスで駆動した場合（図１のＡ参照）
駆動パルスより立ち上がりの遅れを持った変位があり、それに続いて固有振動で減衰振動をしている。
（２）半周期サインパルスで駆動した場合（図１のＢ参照）
パルスの立ち上がりで駆動パルスより少し遅れた位相で波形が立ち上がり、振動を始める。ゼロラインで振動は止まらず、１周期振動をし、減衰振動をして止まる。その周波数は小さくなっている。半周期サインパルスの終わりの時点から減衰振動を始める振動（半周期の駆動で得たエネルギーとバランスするため）と駆動を止めたことによる反力により発生する振動が加算されて周波数が小さくなっているものと考えられる。
（３）一周期サインパルスで駆動した場合（図１のＣ参照）
パルスの立ち上がりで駆動パルスより少し遅れた位相で波形が立ち上がり振動を始める。一周期の終わりのゼロラインで振動は止まらず、減衰振動をして止まる。これは駆動を止めたことにより発生する振動が減衰振動するためと考えられる。波形は半周期サインパルスで駆動した場合と一周期サインパスで駆動した場合とで殆ど同じ形状をしている。
【００１４】
以上の説明から、急に動かすと振動がそれに追従できずに位相が遅れて振動を始めること、急に止めると新しい振動が発生すること、従って、振動させる場合には、ゆっくりと駆動し、ゆっくりと止めることが必要なことが分かる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
モノパルス的な振動波形を発生させる理想的駆動方法を検討するため、図２のＡに示すように吊り下げられている重錘１０（例えば天井から吊り下げたサンドバッグのようなものを想定）を動かす場合を例に振源の駆動方法について説明する。鉛直に吊り下げられている状態をゼロの位置、図面の左側をマイナス側、右側をプラス側の位置とする。
【００１６】
（１）重錘をプラス方向だけに動かす場合（図２のＢ参照）
重錘を平衡位置からゆっくりとプラス側に動かしはじめ、次第に速度を上げ、一定の速度（ここでは振動を問題としていることから角速度を意味する）に持っていく。右端で反対方向に動かし、ゼロ近くになったら次第に速度を下げ平衡位置で止める。図２のＢに示すように、半波長のサイン波形（実線で示す）の両側に指数曲線カーブに近い曲線（破線で示す）を付けたような波形での駆動になる。これは、ゆっくり動かしゆっくり止めると言うことは満足するが、物体にプラス方向のエネルギーのみを与えることになるから、エネルギーバランスを保つために反対側の波が生じ、それが減衰振動してエネルギーバランスが保たれることになる。従って、この駆動波形では駆動波形と同じ波形の振動は得られない
【００１７】
（２）重錘をプラス方向とマイナス方向に動かす場合（図２のＣ参照）
重錘を平衡位置からゆっくりとプラス側に動かしはじめ、次第に速度を上げ、一定の速度（角速度）に持っていく。右端で反対方向に動かし、ゼロの位置を通過し、左端で反対方向に動かす。ゼロの近くになったら次第に速度を下げ、平衡位置で止める。図２のＣに示すように、一波長のサイン波形（実線で示す）の初めと終わりに指数曲線カーブに近い曲線（破線で示す）を付けたような波形での駆動になる。これは、ゆっくり動かしゆっくり止めることを満足し、且つプラス方向とマイナス方向のエネルギーバランスがほぼ保たれている。この駆動波形では駆動波形と同じ波形の振動が得られる。
（３）重錘を反動を付けて動かす場合（図２のＤ参照）
重錘を一度ゆっくりと少しマイナス側に動かした後、プラス側に動かし次第に速度を上げ、一定の速度（角速度）に持っていく。右端で反対方向に動かす。平衡位置を通過し、少し通過したところで反転しプラス側に動かす。そしてゆっくりとゼロに近づける。このように反動を付けて重錘を動かすとスムーズに動かすことが出来る。即ち、スムーズに駆動波形と同じ波形の振動を発生することが出来る。更に、プラス方向のエネルギーとマイナス方向のエネルギーをバランスさせることが出来る。また波形は時間的に対称軸を持つ波形となる。このように一度反対に少し駆動し、次いで目的の方向に駆動をする方法は、最も物理現象にあった駆動方法と言える。
【００１８】
上記の様な動かし方を表す曲線としてサインカーブと指数関数との合成された曲線では自然現象を説明するには少し無理がある。そこで、これらを説明する曲線として、ガウス曲線（正規分布曲線）を採用する。ガウス曲線は、図３のＡに示すような曲線である。この曲線は
Ｙ＝ｂ×ｅｘｐ（−ａ2 ×ｘ2 ）
と表せる。ここでは、ａ＝１，ｂ＝−１とし、
Ｙ＝−１×ｅｘｐ（−ｘ2 ）
の曲線を示している。この曲線の一次微分から五次微分までを求めると、それらの曲線は図３のＢ〜Ｆのようになる。ガウス曲線の三次微分曲線は一次微分曲線の極性を逆にし、両側に小さな振動波形が付いた波形となる。ガウス曲線の四次微分曲線は二次微分曲線の極性を逆にし、両側に小さな振動波形が付いた波形となる。ガウス曲線の五次微分曲線は三次微分曲線の極性を逆にし、両側に小さな振動波形が付いた波形となる。五次微分曲線では波数の少ない振動波形とは言い難くなる。ガウス曲線の三次から五次までの微分曲線もプラス方向とマイナス方向のエネルギーバランスがほぼ保たれる。以上のことから、ガウス曲線の一次微分、二次微分、三次微分、四次微分の曲線で示される波形、並びに、これに類似した波形で振源を駆動するのがよいことが分かる。図３のＢ〜Ｅは上記考察の条件を満足するものである。
【００１９】
二次微分を示す図３のＣは地震探査で多くの波形データから導き出されたリッカーウエイブレットやウェブレット解析で良く知られたメキシカンハットウエイブレットと同じ様な形をしている。それらの式は次のようになる。
ガウス曲線の二次微分：Ｙ″＝２（１−２ｔ2 ）×ｅｘｐ（−ｔ2 ）
リッカーウエイブレット：Ｒ＝（１−２π2 ×ｆｐ2 ×ｔ2 ×ｅｘｐ（−π2 ×ｆｐ2 ×ｔ2 ）
メキシカンハットウエイブレット：Ｍ＝（１−ｔ2 ）×ｅｘｐ（−ｔ2 ／２）
これらの式から、ガウス曲線の二次微分が基本形で、リッカーウエイブレットとメキシカンハットウエイブレットは実用上、少し係数を変形したような式となっている。
【００２０】
図４のＡにガウス曲線の二次微分曲線とそのスペクトル曲線を示す。リッカーウエイブレット曲線とそのスペクトル曲線を図４のＢに、メキシカンハットウエイブレット曲線とそのスペクトル曲線を図４のＣに示す。当然ながらそれらは同じ様な曲線形状をしている。そして、周波数分布幅は広く、非常に低い周波数から、そのピーク周波数のおよそ３倍の高い周波数までの範囲にある。
【００２１】
図１の駆動実験で用いた電歪振動子を、図３のＣに示すガウス曲線の二次微分曲線波形により駆動し、標準ハイドロホンで受信した波形を図５に示す。
【００２２】
これらの波形の特徴として、
（ａ）プラスの部分の波形とゼロ軸（時間軸）で囲まれる面積とマイナス部分の波形とゼロ軸で囲まれる面積が等しい
（ｂ）時間軸上で対称な波形である
（ｃ）振動の初めはゆっくり振動し、振動の終わりもゆっくり振動して終わる
（ｄ）幅広い周波数成分を持っている
といえる。以上のことからモノパルス状の振動を得るには上記の条件を満たしたモノパルス振動波形で駆動するのが一番良い。
【００２３】
【実施例】
連続するサイン波の周波数成分は一つであるが、波の山（あるいは谷）の数が少なくなると次第に周波数成分が増える。同様に、モノパルス状の振動も波の山（あるいは谷）の数が少ないため、既にスペクトルでみてきたように幅広い周波数成分を持っている。従って、これに応答できるような装置とすることが必要となる。即ち、周波数帯域が広いこと、周波数特性がなるべくフラットなこと（十分高いところに固有共振周波数あること）、電気的、機械的制動がかかること、が必要である。振源自体は、公知の各種振源が使用できる。例えば、板状や円筒状の超音波振動子、動電バイブレータ、油圧バイブレータなど、用途や使用状態に応じて任意の振源を用いてよい。
【００２４】
図６は、本発明に係るモノパルス状変位発生装置の一実施例を示すブロック図である。平衡位置からプラス側の変位曲線と時間軸とで囲まれる面積と平衡位置からマイナス側の変位曲線と時間軸とで囲まれる面積がほぼ等しく、変位の始めと終わりは緩やかな曲線を呈する波形情報を記憶している波形記憶手段２０、該波形記憶手段２０から波形情報を読み出し振幅と時間軸を設定して出力するＣＰＵ２２、該ＣＰＵ２２からのデジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器２４、該アナログ信号を増幅する増幅器２６、その増幅されたアナログ信号で加振体を駆動する駆動機構を具備している。ＣＰＵ２２は、クロック信号発生器２８からのクロック信号（ＣＬＫ）で制御される。増幅器２６の信号はパワー増幅器３０で増幅され、増幅されたパワーは、インターフェース部（Ｉ／Ｆ）３２を経て、振源３４の駆動機構に供給される。
【００２５】
ここで振源３４は、使用周波数より高い固有共振周波数を持つ振動子、あるいは振動装置とする。低い周波数では出来るだけフラットで下の方にのびているのがよい。必要に応じて、固有共振周波数での共振（機械的Ｑ値小さくするため）を押さえるために機構的にダンパー３６を取り付けてダンピングを施す。更に、水中に振動を伝える場合は 機械インピーダンスの小さい振動子を用いるか、あるいは表面を機械インピーダンスを下げためにメカニカルなマッチング材でカバーする。地上の装置では、地層との接触を良くするため凹凸のある構造とし、荷重をかけられるようにする。振源を駆動するインターフェイス部では、電気信号を有効に使うためにインピーダンマッチングを取る。また電気的に制動抵抗によって制動をかけられるようにする。
【００２６】
前記のようにモノパルス駆動波形は、波形記憶手段２０に記憶されている。その波形情報は、ＣＰＵ２２によって読み出して用いる。読み出すクロックを変えることにより、主要周波数成分の周波数位置（図７に示すようなウエイブレット幅ａ、ゼロ点通過時間ｂ）を変えられるようにする。周波数を変えることにより地層の周波数依存性を測定することが出来るようになる。波形記憶手段２０から読み出された数値はＤ／Ａ変換器２４によりアナログ信号に変化され、増幅器２６を経て、振源３４を駆動するモノパルスとして用いられる。従って増幅器３４は駆動波形モノパルス信号を忠実に増幅出来ることが必要である。
【００２７】
ところで地震探査では振源を移動して測定する。従って、振源を設置する場所は堅い地層も軟らかい地層もある。そのため、このようにして振源を忠実に駆動して忠実な振動波形が出来たとしても、振源の波形がそのまま地盤の振動とならず波形が歪だり、波形の振幅が大きく変化することも予想される。そのような使用状態では、図８に示すように、フィードバックループを付設することが望ましい。基本的な構成は、図６に示すものと同様であるので、記載を簡略化するために対応する部分に同一符号を付し、説明は省略する。モニタ用の振動センサ４０で地盤の振動を検出し、その信号を増幅器４２で増幅し、Ａ／Ｄ変換器４４を介してＣＰＵ２２にフィードバックして目的の波形と振幅にするフィードバック機能を備えるような構成とする。フィードバック制御を行う場合には、地盤が目的のモノパルス状変位を生じるまで何回か加振し、駆動波形を修正して行くことになる。目的の変位が得られた後に、必要な測定を行う。
【００２８】
速度検層や探傷では、水、オイル、グリスなどを使うために設置条件はそれほど変化せず、モニタ用センサは必要ない場合がある。勿論、そのような場合であっても、より正確な波形を発射しようとする場合は、このようにモニタ用センサを設置し、フィードバック制御するのがよい。
【００２９】
地盤調査に際して、本発明方法を適用するのに好適な油圧バイブレータ方式の振源の一例を図９に示す。振動ベース５０上に油圧バイブレータ本体（油圧アクチュエータ）５２を設置し、サーボユニット５４を介して油圧発生機構（図示せず）から油圧を供給する。サーボユニット５４により、振動ベース５０に付与する力の方向と強さを制御して振動を発生させる。なお振動ベース５０は、圧着ピストンシリンダ５６によって地盤（被加振体）に圧着された状態になっている。勿論、振源はこのような構造に限られるものではない。
【００３０】
本発明に係るモノパルス振源は、共振点以外の周波数領域で振源を駆動する振源であるため、共振点で振動させる振源よりはエネルギー効率が悪い。しかし、モノパルス振源から出る振動は、上記のように、いろいろな堅さの異なる地層でもいろいろな周波数成分をもっているため地層をスムーズに振動させることができ、エネルギー効率が悪い欠点を補うことが出来る。更に、元の波形が知れているため、ノイズに埋もれた受信振動から検出し易い。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は上記のように、加振体への駆動波形を工夫し、被加振体にモノパルス状の変位を発生させるようにした方法であり、シンプルな波形で、幅広い周波数成分を持つ振動モノパルスは、スムーズに地層を振動させることができ、地層を通過したとき、地層境界で反射したとき等、その地層の持っている物性を率直に反映した振動が測定できるため、今まで測定データから複雑な計算処理よって目的のデータを抽出していた過程が半減され、得られるデータの精度が向上する。
【００３２】
その結果、具体的には、
・速度検層と地震探査においてＰ波、Ｓ波速度の測定精度が向上する。
・地震探査の反射波の測定精度が向上する。
・速度検層において透水係数、真のＳ波速度の測定が可能となる。
・発信した振動波形が知れているため、数値解析が容易になる。更に、逆解析が容易になる。
・波の分散の解析が容易になる。
・その結果、物性情報が得やすくなる。
・その他、新しい情報が得られる可能性がある。
などの効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】単純なパルス駆動波形と受信波形の関係を示す説明図。
【図２】吊り下げられた重錘とその駆動方法の説明図。
【図３】ガウス曲線とその一次〜五次微分を示すグラフ。
【図４】ガウス曲線の二次微分、リッカーウエイブレット、メキシカンハットウエイブレットと、それらのスペクトルを示すグラフ。
【図５】ガウス曲線の二次微分に相当する駆動波形と受信波形の関係を示す説明図。
【図６】本発明に係るモノパルス状変位発生装置の一例を示すブロック図。
【図７】本発明による駆動波形の一例を示す説明図。
【図８】本発明に係るモノパルス状変位発生装置の他の例を示すブロック図。
【図９】本発明で用いる振源の一例を示す説明図。
【符号の説明】
２０  波形記憶手段
２２  ＣＰＵ
２４  Ｄ／Ａ変換器
２６  増幅器
３０  パワー増幅器
３２  インターフェース部
３４  振源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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