扫频激振下横波震源振动器-大地耦合参数对振动特性影响规律的研究
Study on the influence of vibrator⁃ground coupling parameters of shear wave source on vibration characteristics under sweep excitation
- 机械强度 2025年 页码：1-12
- 作者机构：
1.西南石油大学 机电工程学院，成都 610500
2.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司 装备服务中心，涿州 072750
3.四川建安工业有限责任公司 底盘研究院，成都 610500
- 作者简介：
LI Gang, E-mail: ligang@swpu.edu.cn
- 基金信息：国家自然科学基金项目(42574189);中国石油天然气集团有限公司科技项目(2023ZZ05)
DOI：
中图分类号： TH123收稿：2025-09-17，
网络出版：2025-11-25，
- 稿件说明：
移动端阅览
李刚，唐云，刘志刚等.扫频激振下横波震源振动器-大地耦合参数对振动特性影响规律的研究［J］.机械强度，DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.XXXX.XX.001.
LI Gang，TANG Yun，LIU Zhigang，et al.Study on the influence of vibrator⁃ground coupling parameters of shear wave source on vibration characteristics under sweep ex［J］.Journal of Mechanical Strength，DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.XXXX.XX.001.
李刚，唐云，刘志刚等.扫频激振下横波震源振动器-大地耦合参数对振动特性影响规律的研究［J］.机械强度，DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.XXXX.XX.001. DOI：
LI Gang，TANG Yun，LIU Zhigang，et al.Study on the influence of vibrator⁃ground coupling parameters of shear wave source on vibration characteristics under sweep ex［J］.Journal of Mechanical Strength，DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.XXXX.XX.001. DOI：
摘要
目的
2
横波振动器在实际勘探中易受耦合条件变化影响，产生明显扰动，导致激振性能下降和信号质量不稳定。现有研究对耦合参数如何影响振动器的扰动机制与激振效果仍缺乏系统认识。为解决这一问题，构建了包含扰动因素的横波振动器-大地耦合动力学模型，并揭示了关键耦合参数对扰动及出力特性的影响规律，为横波震源的结构优化与稳定激振提供理论依据。
方法
2
首先，基于弹性半空间理论，考虑液压倾覆力矩引起的扰动效应，建立了横波震源振动器-大地耦合振动模型，并通过试验验证了所提模型的有效性。然后，在此基础上分析了耦合参数对振动器扰动及系统振动出力的影响规律。
结果
2
结果表明，在振动器扰动方面，平板面积为扰动敏感性的主导参数（占总敏感性的64%），且参数间存在显著的非线性交互作用；而土壤密度占总敏感性的比例接近0%，可视为非敏感因素。在振动出力方面，低频段范围内（5~20 Hz），重锤质量的增大会导致出力不足，平板面积的增大有助于提高出力幅值；而较高的大地弹性模量能够减少能量耗散。研究成果可为抑制横波振动器扰动提供理论依据，对提升振动器激发性能具有一定的研究价值。
Abstract
Objective
2
Shear wave vibrators are susceptible to variations in coupling conditions during practical exploration
resulting in significant disturbances that lead to degraded excitation performance and unstable signal quality. Existing studies lack a systematic understanding of how coupling parameters influence the disturbance mechanisms and excitation effects of the vibrator. To address this issue
a shear wave vibrator-ground coupling dynamic model incorporating disturbance factors was developed
revealing the influence patterns of key coupling parameters on disturbances and output characteristics. This provides a theoretical basis for the structural optimization and stable excitation of shear wave sources.
Methods
2
Firstly
based on elastic half-space theory and considering the disturbance effects induced by hydraulic overturning moments
a coupled vibration model of the shear wave source vibrator and the ground was established
and the validity of the proposed model was verified through tests. Subsequently
the influence patterns of coupling parameters on vibrator disturbances and system vibration output were analyzed on this basis.
Results
2
The results indicate that
regarding vibrator disturbances
the plate area is the dominant parameter affecting disturbance sensitivity (accounting for 64% of total sensitivity)
with significant nonlinear interactions existing among parameters; soil density accounts for nearly 0% of total sensitivity and can be regarded as a non-sensitive factor. In terms of vibration output
within the low-frequency range (5-20 Hz)
an increase in the mass of the heavy hammer leads to insufficient output
while an increase in plate area contributes to enhancing output amplitude; a higher ground elasticity modulus can reduce energy dissipation. The findings provide a theoretical basis for suppressing shear wave vibrator disturbances and hold certain research value for improving vibrator excitation performance.
关键词
Keywords
references
WEI Z H ， HALL M A ， PHILLIPS T F . Geophysical benefits from an improved seismic vibrator ［J］. Geophysical Prospecting ， 2012 ， 60 （ 3 ）： 466 - 479 .
ZHU J ， CANALES J P ， HAN S S ， et al . Vp / Vs ratio of incoming sediments off cascadia subduction zone from analysis of controlled-source multicomponent OBS records ［J］. Journal of Geophysical Research：Solid Earth ， 2020 ， 125 （ 6 ）： e2019JB019239 .
王光德 ， 徐小刚 . 横波可控震源应用浅析 ［J］. 物探装备 ， 2018 ， 28 （ 3 ）： 157 - 160 .
WANG Guangde ， XU Xiaogang . Analysis of the application of shear-wave vibrator ［J］. Equipment for Geophysical Prospecting ， 2018 ， 28 （ 3 ）： 157 - 160 . （In Chinese）
CRAMPIN S . Evaluation of anisotropy by shear-wave splitting ［J］. Geophysics ， 1985 ， 50 （ 1 ）： 142 - 152 .
YILMAZ O ， DOHERTY S M ， YILMAZ O . Seismic Data Analysis：Processing，Inversion，and Interpretation of Seismic Data ［M］. 2nd ed . Tulsa，OK ： Society of Exploration Geophysicists ， 2001 ： 1001 - 1171 .
于宝华 ， 杨辉 ， 丁晓勇 ， 等 . 柴达木盆地横波微测井试验及应用 ［C］//2022年中国石油物探学术年会论文集. 北京：［出版者不详］， 2022 ： 286 - 289 .
YU Baohua ， YANG Hui ， DING Xiaoyong ， et al . Shear wave micro-logging test and application in Qaidam Basin ［C］// China Petroleum Geophysical Exploration Annual Conference 2022 . Beijing ： ［s.n.］ ， 2022 ： 286 - 289 . （In Chinese）
张秀丽 ， 秦鑫 ， 王玉伟 ， 等 . SH横波地震资料处理关键技术及应用 ［C］// SPG/SEG南京2020年国际地球物理会议论文集 . 北京 ： 《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社有限公司 ， 2020 ： 235 - 238 .
ZHANG Xiuli ， QIN Xin ， WANG Yuwei ， et al . Key technologies and applications in SH-Wave seismic data processing ［C］// SPG/SEG Nanjing 2020 International Geophysical Conference . Beijing ： 《China Academic Journals （CD Edition）》 Electronic Magazine Co.， Ltd. ， 2020 ： 235 - 238 . （In Chinese）
LERWILL W E . The amplitude and phase response of a seismic vibrator ［J］. Geophysical Prospecting ， 1981 ， 29 （ 4 ）： 503 - 528 .
SALLAS J J ， WEBER R M . Comments on “the amplitude and phase response of a seismic vibrator” by W. E. LERWILL ［J］. Geophysical Prospecting ， 1982 ， 30 （ 6 ）： 935 - 938 .
LEBEDEV A V ， BERESNEV I A ， VERMEER P L . Model para-meters of the nonlinear stiffness of the vibrator-ground contact determined by inversion of vibrator accelerometer data ［J］. Geophysics ， 2006 ， 71 （ 3 ）： H25 - H32 .
NOORLANDT R ， DRIJKONINGEN G . On the mechanical vibrator-earth contact geometry and its dynamics ［J］. Geophysics ， 2016 ， 81 （ 3 ）： P23 - P31 .
WEI Z H . Controlling the transmitted signal with a new vibrator-ground coupling relationship ［C］// SEG Technical Program Expanded Abstracts 2017 . Society of Exploration Geophysicists ， 2017 ： 33 - 37 .
LI G ， HUANG Z Q ， LIAN Z H ， et al . A model for the vibrator–ground coupling vibration and the dynamic responses under excitation of sweep signal ［J］. Advances in Structural Engineering ， 2019 ， 22 （ 8 ）： 1855 - 1866 .
LI G ， QI W ， HUANG Z Q ， et al . Modeling of energy transfer and parameter effects on it of a vibrator-ground system ［J］. Advances in Structural Engineering ， 2020 ， 23 （ 15 ）： 3251 - 3262 .
LI G ， XU G M ， DING Y P ， et al . Effects and global sensitivity analysis of vibrator-ground coupling parameters on ground force under excitation of sweep frequency ［J］. Structures ， 2022 ， 44 ： 18 - 29 .
PENG X ， HUANG Z Q ， HAO L . Modeling of nonlinear interaction and its effects on the dynamics of a vibrator-ground system ［J］. Soil Dynamics and Earthquake Engineering ， 2020 ， 132 ： 106064 .
PENG X ， LIU Y ， HAO L . Nonlinear dynamic analysis of a seismic vibrator-ground interaction system considering interval uncertainties ［J］. Soil Dynamics and Earthquake Engineering ， 2023 ， 171 ： 107936 .
PENG X ， HAO L . Nonlinear dynamic characteristics of a vibrator-ground system considering surface topography ［J］. Nonlinear Dynam-ics ， 2023 ， 111 （ 16 ）： 14763 - 14782 .
PENG X ， SUN J L ， LI Y ， et al . Modeling and analysis of a shear-wave vibrator-ground coupled system dynamics ［J］. International Journal of Mechanical Sciences ， 2025 ， 289 ： 110064 .
LI G ， LIU Y ， HAO L ， et al . Dynamic interaction between S-wave vibrator and ground under sweep frequency excitation：modeling and disturbance investigation ［J］. Geophysics ， 2025 ， 90 （ 3 ）： 41 - 55 .
QI Y F ， WEI Z H ， LIANG F H ， et al . Improving the vibrator ground force on unconsolidated ground surfaces in Middle East desert environments ［J］. The Leading Edge ， 2023 ， 42 （ 8 ）： 557 - 565 .
ROWSE S L ， HEATH R G . WSGF—Time for a change part 1：damped Harmonic Oscillators and the Vibrator/Ground model ［J］. First Break ， 2020 ， 38 （ 1 ）： 63 - 71 .
PENG X ， HUANG Z Q ， LÓPEZ-QUEROL S ， et al . Nonlinear 3D finite element analysis of a shear-wave vibrator-ground interaction system ［J］. Soil Dynamics and Earthquake Engineering ， 2021 ， 141 ： 106520 .
黄志强 ， 游正涛 ， 李刚 ， 等 . 横波可控震源组合激振效果分析 ［J］. 机械强度 ， 2025 ， 47 （ 5 ）： 55 - 62 .
HUANG Zhiqiang ， YOU Zhengtao ， LI Gang ， et al . Analysis of combined excitation effect of shear-wave vibroseis ［J］. Journal of Mechanical Strength ， 2025 ， 47 （ 5 ）： 55 - 62 . （In Chinese）
刘志久 . 动力机器基础设计理论研究 ［D］. 长沙 ： 湖南大学 ， 2012 ： 29 - 101 .
LIU Zhijiu . The research on design theory of dynamic machine foundation ［D］. Changsha ： Hunan University ， 2012 ： 29 - 101 . （In Chinese）
REISSNER E . Stationäre， axialsymmetrische， durch eine schütte-lnde Masse erregte Schwingungen eines homogenen elastischen Halbraumes ［J］. Ingenieur-Archiv ， 1936 ， 7 （ 6 ）： 381 - 396 .
CHAO C C . Dynamical response of an elastic half-space to tangential surface loadings ［J］. Journal of Applied Mechanics ， 1960 ， 27 （ 3 ）： 559 - 567 .
王国才 . 饱和地基上基础的扭转振动特性研究 ［D］. 杭州 ： 浙江大学 ， 2002 ： 13 - 80 .
WANG Guocai . Study on torsional vibrations of foundations resting on saturated grounds ［D］. Hangzhou ： Zhejiang University ， 2002 ： 13 - 80 . （In Chinese）
吴大志 ， 张政伟 ， 徐长节 ， 等 . 下卧基岩双层地基上刚性圆板的扭转振动 ［J］. 岩石力学与工程学报 ， 2005 ， 24 （ 18 ）： 3316 - 3321 .
WU Dazhi ， ZHANG Zhengwei ， XU Changjie ， et al . Torsional vibration of a rigid circular plate resting on double-layered subgrade with rock substratum ［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering ， 2005 ， 24 （ 18 ）： 3316 - 3321 . （In Chinese）
王鹏 . 弹性波作用下饱和地基中圆形基础的振动特性分析 ［D］. 杭州 ： 浙江大学 ， 2011 ： 15 - 105 .
WANG Peng . Dynamic vibrations of circular foundation in poroe-lastic soil subjected to elastic waves ［D］. Hangzhou ： Zhejiang Uni-versity ， 2011 ： 15 - 105 . （In Chinese）
LUCO J E ， WESTMANN R A . Dynamic response of circular footings ［J］. Journal of the Engineering Mechanics Division ， 1971 ， 97 （ 5 ）： 1381 - 1395 .
CAI Y Q ， CHENG Y M ， ALFRED AU S K ， et al . Vertical vibration of an elastic strip footing on saturated soil ［J］. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics ， 2008 ， 32 （ 5 ）： 493 - 508 .
HU X Q ， CAI Y Q ， DING G Y ， et al . Rocking vibrations of a rigid embedded foundation in a poroelastic half-space ［J］. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics ， 2010 ， 34 （ 13 ）： 1409 - 1430 .
BYCROFT G N . Forced vibrations of a rigid circular plate on a semi-infinite elastic space and on an elastic stratum ［J］. Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series A，Math-ematical and Physical Sciences ， 1956 ， 248 （ 948 ）： 327 - 368 .
STREATOR J L . Dynamic contact of a rigid sphere with an elastic half-space：a numerical simulation ［J］. Journal of Tribology ， 2003 ， 125 （ 1 ）： 25 - 32 .
SEZAWA K . The tilting of the surface of a semi-infinite solid due to the internal nuclei of strain ［J］. Proceedings of the Imperial Academy ， 1929 ， 4 （ 10 ）： 600 - 602 .
ARNOLD R N ， BYCROFT G N ， WARBURTON G B . Forced vibrations of a body on an infinite elastic solid ［J］. Journal of Applied Mechanics ， 1955 ， 22 （ 3 ）： 391 - 400 .
0
浏览量
0
下载量
0
CSCD
- 网络PDF下载
- BibTeX下载
- Endnote下载
- RefMan 下载
- NoteExpress下载
- NoteFirst下载
关联资源
相关文章
相关作者
相关机构
- 技术支持由北京北大方正电子有限公司提供 豫ICP备05013835号-4
京公网安备11010802024621 - 本系统建议在Chrome、 IE9+ 以上版本浏览器阅读本站内容，360浏览器请切换至极速模式
- Cookies帮助我们提供服务并提供个性化体验。使用本网站，即表示您同意我们使用Cookies