模拟地震波传播的可视化研究

摘要：实验中选取了与地壳平均波速相近的光学玻璃作样品，利用动态光弹的成像系统，来观测波在光学玻璃及波从光学玻璃透射到水中的传播过程，并记录0～50μs内的波的传播过程，以此来模拟地震波在地壳中反射、透射等传播行为。

Abstract： The experiments selected optical glass similar with average velocity， and used imaging system of dynamic photoelasticity to observe the communication process of light in optical glass and light refraction from optical glass to water， and record the wave transmission during 0～50μs， for simulating reflection and transmission of seismic wave in crust.

关键词： 地震波；动态光弹；反射；透射

Key words： seismic waves；dynamic photoelastic；reflection；transmission

中图分类号：P315.3+1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）04-0297-02

0 引言

在地震勘探中，通常是通过检波器来记录地下地震波带来的信息，根据相应的数学和物理模型进行复杂的计算机处理以获得地下的构造情况，虽然地震勘探的相关理论有很大的发展，但是由于理论结果难以获得，并且对于复杂形状的结构，解析方法变得相当繁琐，并不能满足实际应用的需要。

为了能直观观测到地震波的传播过程，本文通过动态光弹成像系统，观测了波在光学玻璃模型及波由光学玻璃透射到水中的传播情况，并通过高速摄像机拍摄固体中应力波的传播图像，通过动态光弹成像软件对拍摄到的图像进行采集、存储，并对相关图像数据进行读取和处理，处理结果直接在显视器上显示出来。

1 实验原理

1.1 光弹原理 光射入光学各向异性的晶体时，会有双折射现象的产生，并且各向异性的程度与所受的应力或应变成比例，这种利用材料光学各向异性的观测，来分析材料所受的应力和应变的方法，就是光弹方法。

1.2 实验装置 本装置所用的光路见图1，其工作原理是由计算机发出指令，使“声光延时控制器”输出两路电脉冲信号，一路为高压脉冲信号用来激励超声换能器发射声波，产生的声波在固体中传播；另一路用来激励LED光源发出很短的光脉冲，这样每个周期产生一个声脉冲和一个按指定时间延时的光脉冲，CCD就可以记录下脉冲光照亮时刻的瞬态声波图像。计算机通过图像采集卡和CCD高速相机相连，得到相应的瞬态声波图像，并在屏幕上显示出来。改变延时设定，就可以看到不同时刻的声波图像。

1.3 动态光弹实验模拟模型如表1。

2 超声脉冲波在介质中传播的波场特征

采用脉冲光源方法，显示超声波脉冲波场。由于显示波的脉冲光束垂直于波场传播方向通过波场，因此光弹法显示的是前进波的侧面像，从图中可以看到层状波阵面。光透过声波后的强度与声波的应力平方成比例，因此声波的每一个周期显示为两条亮纹。

图2是贴在玻璃界面上的一个长方形压电晶片（主频为2.53MHz）所构成的超声波在矩形光学玻璃中的传播情况（入射方向垂直于玻璃上界面）。a为纵波波前，b为横波波前，其在传播过程中渐渐落后于纵波。

图3是超声脉冲波在带孔洞的光学玻璃中传播遇到圆柱形空气界面时散射的波场。图4为图3相对亮度图。a为反射纵波，b为纵波的转换波——反射横波。c为入射纵波。我们可以看到，在阴影区内沿孔壁爬行的纵波波前，一方面与未受阻挡的入射平面纵波波前相连接，另一方面又与从孔的上半圆反射而形成的柱面形横波相连接。掠入射时，由于要满足界面是自由的边界条件，平面纵波不能单独存在，必须有一个头波伴随，而头波是横波。因此，当入射平面纵波接触空的上半圆左右两端点的瞬间，即开始沿孔壁爬行时，就有头波产生，这个本是横波的头波，它的波前便与从孔上半圆反射出来的横波波前连接起来，如图3。

图5为波从直角三角形光学玻璃样品中纵波斜入射到玻璃与水分界面的反射与透射情况，a为反射纵波，b为入射纵波的转换波——反射横波，c为纵波的透射波，d为横波的反射波。

3 结论

因为地震纵波在地壳中的平均速度为5-6 km/s，所以此次实验中我们选取了地壳平均波速相近的光学玻璃作样品，研究超声脉冲波在光学玻璃中反射、散射及透射到水中的传播规律，模拟了地震波在地壳中的传播行为，全面直观动态地显示了波场特征，为解决复杂结构的波场分析和理论计算，提供了一种重要的实验手段。

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