地声波与次声波在泥石流监测预警中的应用
作者：卜峰、陈琴、叶凯璇、许强
山洪泥石流等地质灾害时常发生在高山地区，对基础设施和人民安全造成严重影响。由于泥石流发生过程中都会形成地声波和次声波，为此可以通过采集地声或次声信号，并结合其它传感器信息对泥石流灾害进行预警。目前，大多的应用方案中只采用了其中一种信号的采集，缺乏对地声和次声组合使用进行评估。为此，对已发生的泥石流灾害案例中采集到的地声波和次声波进行特征差异分析，讨论了组合使用的可行性。
一、引言
由于山区的社会经济快速发展，山洪泥石流等地质灾害对生命和财产构成的危害日益严重。自汶川大地震以来，我国迎来了一个地震活跃期，造成西南地区山区地质结构松动，极易诱发泥石流等灾害。泥石流监测预警作为一项重要的非工程减灾措施,是防灾减灾的有效途径之一。
泥石流发生过程中存在石块碰撞，水流与河道的摩擦，会造成地表振动，这种振动沿地表传播，称之为“地声”。此外，还会发出通过空气传播的低于20Hz的低频声音，称之为“次声”。地声波和次声波在传播方式、信号特征方面都有所不同，各有优缺点[1,2]。
泥石流监测预警方法主要有泥位法、声学法、视频监视法等。泥位法能同时对泥石流的发生和规模进行警报。声学法通过捕捉地声波或次声波来判识并警报。其中，地声法对传感器的埋设要求很高；次声法能获得足够长的警报提前量，是目前国内外泥石流警报采取的主要方式之一。视频监视的最大优势是能实时掌握灾害发展的图像信息，但设备易受损。
然而，目前泥石流监测中次声法通过设定阈值来进行预警，这种方法无疑会降低预警的准确度。为了提升准确性，本文分析了泥石流地声波与次声波的特性差异，讨论了采用组合预警的方法，以此为建立泥石流地声和次声联合监测系统提供参考。
二、泥石流中地声波与次声波的特征
2.1地声波
泥石流地声频率主要介于10Hz至30Hz之间。其它地面运动也会产生地声，但频率特性不同。例如地震引发的地声频率一般小于10Hz，峰值频率约为0.5Hz [3]。为此，通过地声频率可以区分不同的地质灾害。
地声传感器的构造与重力计类似，其基本原理为法拉第感应定律。当地表发生运动，内部磁铁便会运动，导致磁通量变化，产生感应电流并转换成电压信号输出。地声传感器结构如图1所示。
图1 地声传感器结构图
2.2次声波
泥石流次声波具有独特的特征。次声波在常温空气中的传播速度（约344m/s）是泥石流运动速度（5m/s~20m/s）的数十倍。另外，次声波由于频率低，其波长会比一般的声波长很多，对于障碍物所造成的反射、折射、绕射等的影响并不大，具有穿透力强、受大气和水粘滞作用衰减小、传输距离远等特点，可以用来侦测不易近距离观测的天然灾害。
次声波的声速与可闻声声速大致相等，其声速的平方与气体的弹性绝热模数除以密度的值成正比，即：
C²=rP/ρ （1）
其中，C为次声波声速（m/s），P为气压值（Pa），ρ为空气密度，r为常数=1.402。
Chou 等人[4]对云南东川蒋家沟泥石流和台湾火炎山泥石流次声信号进行观测和分析,指出稀性泥石流的主频范围为5Hz至15Hz，较粘性泥石流为5Hz至10Hz, 声压通常低于5Pa。并认为实际应用中需考虑风、雨等环境噪声的干扰。
次声传感器一般由振动膜、极板、绝缘体和外罩组成。次声波引起空气扰动，导致空气压力、密度产生区域性变化，导致传感器中膜片与后极板之间距离发生改变，从而引起电压变化并输出。次声传感器结构如图2所示。
表 1 不同类型泥石流的地声和次声特性
泥石流类型 |
次声主频范围(Hz) |
地声主频范围(Hz) |
振幅特性 |
砾石型 |
3～11 |
10~350 |
最大 |
一般型 |
1～5，3～11 |
10~350 |
中等 |
泥流型 |
1～4 |
10～30 |
最小 |
以2008年在Lattenbach试验场监测的一次砾石型泥石流数据为例[5,6]，该数据记录的泥石流事件持续时间为867秒，水流深度>30cm，峰值流量为380m3/s，在此时间内总流量为14000m3。使用的次声传感器型号是Gefell WME 960H，其频率范围为0.5Hz至20Hz，灵敏度为50mV/Pa。
图3显示了该泥石流的次声和地声数据，泥石流信号的总持续时间为1650秒。在两个传感器的时间序列中，泥石流信号在650秒时到达。泥石流产生的次声信号的最大振幅高达5Pa，地声信号的最大振幅高达2×10-3 m/s。泥石流前四次浪涌可以在650秒到800秒之间被识别，两种信号中的浪涌在时间序列中都呈现脉冲形状。次声传感器在泥石流到达传感器前90秒可检测出泥石流，地声传感器在到达传感器前50秒可检测出泥石流。
图3 泥石流次声和地声信号波形
图4显示了次声和地声数据进行傅里叶变换（FFT）后的频谱图。频谱图上可以看出泥石流次声和地声信号在频率上是互补的，次声信号的峰值频率为3Hz至10Hz，而地声信号的峰值频率为10Hz至20Hz。随着泥石流接近传感器位置，能量会突然增加。当泥石流向下游移动远离传感器时，能量会缓慢降低。
图4 泥石流次声和地声信号的频谱
通过对比发现，地声信号的相对强度要比次声信号的相对强度要大得多，说明了泥石流发生时，产生信号的主要能量还是集中在地声。对于频域特性，泥石流地声信号的能量集中频率段要高于次声信号。
次声波出现最大振幅的特征频率范围根据泥石流粘度而变化，对于高含沙量泥石流，频率通常为5Hz至10Hz，对于低粘度泥石流，频率通常为15至30Hz[4]，对于地声波，频率通常为10Hz至30Hz。由于泥石流的次声和地声信号在时间-频率范围内具有典型模式，这就允许在泥石流通过传感器位置之前对此进行早期检测和识别[7,8]。
三、结合地声与次声的监测方案
地声波和次声波各有优缺点，例如，地声波对风和天气引起的干扰较低，但强烈依赖于现场地质。另外，地声信号衰减快，监测需要将传感器安装在靠近源头的位置。而次声波在局部空气中衰减很小，传输距离远，但对传感器的要求较高，容易受到干扰，例如风会引起高背景噪声。
目前，已有几种利用单一次声波或地声波来检测泥石流的方法，但缺乏组合预警系统方案的设计。通过上述分析可知，可以通过次声和地声信号的组合，利用这两种信号的优点，克服单一信号的缺点。
监测预警系统建立在地声和次声传感器组合的基础上，这些传感器位于同一位置。微控制器可以运行检测算法，直接在现场实时高精度检测泥石流，也可以将监测的数据通过无线网络发送到监控中心进行处理。预警系统算法需要能够分析次声和地声信号中频率特性及时间演变。结合地声与次声的泥石流监测系统框架如图5所示。
图5 结合地声与次声的泥石流监测系统框架
四、结束语
本文针对泥石流声学监测技术，基于实际泥石流案例数据，分析了泥石流次声和地声数据的主要特征，以及在监测和表征泥石流方面的应用方案。结果表明，次声和地声信号相互关联，两种传感器数据的组合可以提高检测准确性，是一种有价值的监测泥石流方案。
值得注意的是，仅依靠声学传感器来监测泥石流还不够充分，需要其他传感器提供更多信息来综合判断，如位移、降雨量、水位等传感器数据。另外，声学传感器的检测能力强烈依赖于地面特性以及声源与接收器之间的距离，所以在实际应用中需要合理选择传感器的分布位置。
参考文献：
[1]尚东方, 刘敦龙, 韩雪,等. 基于次声监测的泥石流实时预警系统[J]. 计算机与现代化, 2020(3):8-13.
[2]宋阳, 耿灿欣, 林娟娟,等. 复杂山区泥石流环境下高铁安全运营的预警模型[J]. 南京理工大学学报, 2020, 44(4):8-13.
[3]周铭. 不同形态泥石流地声与次声特性比较研究[D]. 广西大学, 2014.
[4]Chou H T, Cheung Y L, Zhang S C. Calibration of infrasound monitoring system and acoustic characteristics of debris-flow movement by field studies[C] // Proceedings of the 4th International Conference on Debris-Flow Hazards Mitigation: Mechanics, Prediction, and Assessment. 2007:571-580.
[5]Kogelnig A，Hubl J，Suriach E，et al．Infrasound produced by debris flow: Propagation and frequency content evolution[J]．Natural Hazards, 2014, 70(3): 1713-1733
[6]J Hubl, Schimmel A , Kogelnig A , et al. A Review On Acoustic Monitoring Of Debris Flow[J]. WIT Press, 2013(2): 12-15.
[7]钟政, 杨军, 徐佳宝. 基于次声波的便携式泥石流报警器的设计与实现[J]. 四川轻化工大学学报:自然科学版, 2021, 34(4):74-80.
[8]陈忠清, 魏威, 吕越,等. 不同加载条件下岩石破坏产生的次声波信号特征试验研究[J]. 绍兴文理学院学报, 2020, 40(4):11-14.
当前暂无评论，小编等你评论哦！
