声波法空间位置测试 [0001] 本发明为一种测量空间位置变化的测试方法，主要用于地质、地基、地震监测和其它地下或水下测量指定空间点的位置变化。 [0002] 一.测试原理，根据声波传播规律，当在某一点(激振点)激振发出声波时，该声波会在介质中传播，设声波在激振点到另一点(测振点)之间传播速度(波速)为v，传播到测振点所需要的时间为t，测振点到激振点之间的直线距离为L，在已知波速v时，通过测得t，通过式1即可算得L。如果测振点有两个以上(含两个)时，且排列位置满足图2所示要求，若已知v为两测振点之间声波传播速度(波速)，通过测得声波在两测振点传播所需时间t，同样根据式(1)可算出两测振点之间的直线距离。在多点测试时，各点既可以做为激振点也可以做为测振点，当在某点进行激振时，设激振时刻t＝0，其它测振点接收到声波的时间，乘以对应的波速，即为该测振点到激振点的直线长度；如果对应一个激振点，有两个以上(含两个)测振点接收同一个声波时，应保证激振点和各测振点均在同一条直线上，如图2所示，当激振点1激振时，测得声波从测振点1到测振点2的传播时间，已知该两点之间的波速，根据式(1)算出该两点之间的距离。 [0003] L＝v·t (1) [0004] 根据以上原理，在空间直角坐标系中，如图1所示，设M(x，y，z)点为被测点，x，y，z为被测点M的空间直角坐标值，另外4点0(0，0，0)、M1(x1，y1，z1)、M2(x2，y2，z2)、M3(x3，y3，z3)为基准点，其中0点为坐标系的原点，且M1、M2、M3三点分别与0点的连线长度已知，分别为R1、R2、R3。在上述各点埋设测振-激振一体化传感器，该传感器既具有测试振动信号的功能，又可以产生振动信号。 [0005] 设M点分别到M1点、M2点、M3点、0点的直线长度为R1、R2、R3、R0；设M1点、M2点、M3点分别到0点的直线长度为R10、R20、R30，到0点的波速分别为C10、C20、C30；设声波从M点分别到M1点、M2点、M3点、0点的传播速度(波速)分别为C1、C2、C3、C0，声波传递时间分别为t1、t2、t3、t0。根据式(1)，它们满足以下关系式： [0006] [0007] 设： [0008] [0009] [0010] [0011] [0012] 有以下关系： [0013] A·Y＝B (7) [0014] 式(7)中，A为M1、M2、M3三点的坐标矩阵，Y为被测点M的坐标向量，B为距离向量，通过测得两点之间声波传播时间，在已知波速后，通过式(1)算得的各点之间的直线距离R1、R2、R3、R0、R10、R20、R30，根据式(3)和式(6)即可算出距离向量B。根据式(8)可算出M点的坐标向量，即坐标值。 [0015] Y＝A-1B (8) [0016] det A≠0 (9) [0017] 4个基准点0(0，0，0)、M1(x1，y1，z1)、M2(x2，y2，z2)、M3(x3，y3，z3)中，0点为空间直角坐标系原点，其它3点的坐标不是随意的，应保证坐标矩阵A的行列式(det A)不为零，因为只有这时式(8)才有唯一解。A-1为A的逆矩阵。 [0018] 二.测试过程如下： [0019] 1.埋设4个基准点，要求在确定0点后，其它3个基准点的埋设要满足式(9)。在测试范围较大时，可以设置多个0点和多个基准点。因为这里的M1、M2、M3和被测点M的坐标值，是对应0点而言的相对坐标值。因此可以设置多个基准点，达到扩大测试范围的目的。 [0020] 2.埋设测点，要求测点到基准点的直线距离在传感器接收声波范围之内。 [0021] 3.波速测试，由于埋设时各点位置已知，因此各点之间的距离为已知。开启电子计时器，分别测得声波在各点之间的传播时间，通过式(1)算得各点之间的波速。 [0022] 4.假设M点的移动不会改变其波速，当M点变化时，分别测得声波在各点之间的传播时间，通过式(1)算得各点之间直线距离，通过式(3)和式(6)确定距离向量B，基准点的坐标矩阵A为已知，通过式(8)即可算出M点坐标值。