第三章 研究方法
3.3 Bender-extender element 波速量測系統建立
3.3.4 室內波速量測系統之建立
針對原有波速量測系統之問題(參考 3.3.3 節)，提出下列方法，實際操 作測試，並評估各方法的改善成效。本節改善量測系統測試使用之土壤試 體為室內氣乾的夯實湖山砂土，使用之 Bender-extender element 為表 3.3中 編號 PA、SF 元件。
1.改善訊號串擾問題 (1)改善室內接地
原本室內接地的方式如圖 3.17所示，是將 transmitter 與 receiver 之接地 線纏繞於同一條導線上，再導入實驗室內之接地孔，而儀器箱則另外接上 一條接地線導入其他的接地孔。由於 transmitter 與 receiver 共用一條接地線 會相互干擾，因此提出改善室內接地的方法，讓 transmitter 與 receiver 使用
0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
x 10-3 0
0.02 0.04 0.06
Time (s)
Vo lt a g e ( V) source
各自的接地線且分別導入不同接地孔，除了 transmitter、receiver 與儀器箱 接地之外，也將鋁製試體架接上一條接地線導入其他接地孔(如圖 3.18 所 示)。
圖 3.17原室內接地示意圖
圖 3.18 改善室內接地示意圖
改善室內接地後的波形如圖 3.19 以及圖 3.20 所示，由圖 3.19與圖 3.20 可觀察到震源波形相對大於初達波波形的情況已有改善，但震源波形後端 仍有小震盪，受串擾之影響還需進一步改善。由試驗結果可知，將試體架、
transmitter、receiver 以及儀器箱各自接地能改善收錄訊號之品質。
圖 3.19改善接地後之壓縮波波形
Vo lt a g e ( V)
(a) Received signal - P wave
Vo lt a g e ( V)
2 4 6 8 10 12 14
Vo lt a g e ( V)
(a) Received signal - S wave
Vo lt a g e ( V)
(2)調整函數產生器參數
原本函數產生器中觸發波形之參數設定，為了完整描述所觸發之正弦 波波形，是以取樣頻率除以觸發頻率之值(即震源頻率之二十倍)再加上一，
來作為描述波形之點數(總共二十一點)，如圖 3.21(a)所示。但上述為了波形 完整而加上一點的方式，可能會使波形最後一點產生電位差，而導致震源 波形後方之小震盪(如圖 3.15所示)，並影響後續挑選初達波的抵達時間。
在夯實曲線乾側的土壤試體，受震源波形後方之小震盪的影響將更為顯著，
以速度較快的壓縮波而言，波傳遞的時間較短，使得初達波波形易遭到小 震盪干擾，而在初達波抵達時間之判斷產生誤差。
為改善震源波形後方之小震盪，因此調整了函數產生器之參數，將原 本描述觸發波形的設定(二十一點)，更改為以取樣頻率除以觸發頻率之值作 為描述觸發波形之點數(總共二十點)，如圖 3.21 (b)所示。
圖 3.21 函數產生器參數調整示意圖
依原本函數產生器參數之設定，實驗所得波形如圖 3.22 所示；調整參 數設定後所收錄的波形則如圖 3.23所示。比較兩者波形，可觀察到經過參
數調整後，震源後端之小震盪(圖 3.22、圖 3.23 中圓圈處)有稍加改善之情
Voltage (V)
(a) P wave
Voltage (V)
4 6 8 10 12 14
Voltage (V)
(a) P wave
Voltage (V)
2.改善弦波干擾問題
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -0.1
Voltage (V)
(a) P wave
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -0.1
Voltage (V)
(b) S wave 26 mV
83 mV
圖 3.25 改善室內接地之波形
比較改善室內接地前後的弦波干擾情形，可觀察到改善接地後的弦波 振幅較小。雖然儀器箱、transmitter、receiver 以及試體架分別接地有助於改 善收錄訊號品質，但效果仍然有限。
(2)戶外草地接地
為使接地效果更佳，本研究嘗試將儀器設備移至戶外草地接地以進行 實驗。為將接地線導入草地，使用直徑 1.2 公分、長度 40 公分之鋼棒釘入 草地中約 30 公分深，並將鋼棒接上同軸線(型號 QR320)之內導體作為導線，
而儀器箱、transmitter、receiver 以及試體架則各自接上不同條之接地線與鋼 棒。
於戶外草地接地實驗所收錄的波形如圖 3.26 所示，可看到弦波振幅約 為 51.1 毫伏，大於室內接地的弦波振幅，顯示戶外草地接地無法改善弦波 干擾。
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -0.1
Voltage (V)
(a) P wave
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -0.1
Voltage (V)
(b) S wave
37 mV
12.7 mV
圖 3.26 戶外草地接地之波形 (3)以同軸線製作 Bender-extender element
原本所製作之 Bender-extender element 使用單芯線為焊接線材，並在所 有單芯線之外圍包覆鋁箔作為屏蔽電磁波干擾之用(如圖 3.27(a)所示)，但使 用鋁箔包覆單芯線來屏蔽電磁波的效果有限，收錄訊號仍受空間中的電磁 波所干擾，而使得波形受弦波影響(如圖 3.28所示)。考量同軸線屏蔽電磁 波之良好效果，因此重新以同軸線來製作 Bender-extender element，即表 3.3 中編號 PS 與編號 SS 兩壓電元件。
圖 3.27焊接使用之線材(a)單芯線外包鋁箔(b)SMA 線
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -0.1
-0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
Time (s)
Voltage (V)
51.1 mV
圖 3.28 單芯線外包鋁箔之 Bender-extender element 所收錄波形 製作新 Bender-extender element 所使用的同軸線材為 SMA 線(型號 RG174U)，如圖 3.27(b)所示，利用 SMA 線中心的銅線作為導體，焊接於壓 電陶瓷片上，外層披覆的金屬編織網則作為屏蔽電磁波干擾之用。使用 SMA 線製作之 Bender-extender element (表 3.3中編號 PS 與 SS)實驗收錄波形如
圖 3.29 所示，由圖中可看到波形仍有弦波干擾之情形，且弦波振幅並無減
小，顯示在此波速量測系統配置中，SMA 線屏蔽空間中電磁波干擾的效果 仍然不足。
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -0.05
0 0.05
Time (s)
Voltage (V)
(a) P wave
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -0.05
0 0.05
Time (s)
Voltage (V)
(b) S wave
30 mV
18.3 mV
圖 3.29 SMA 線之 Bender-extender element 所收錄波形
(4)使用 Balun 夾線
實驗使用 BNC 鱷魚夾線連結 Bender-extender element 與資料擷取系統，
以方便更換 Bender-extender element 之接線方式，來觸發與收錄壓縮波或剪 力波，但 BNC 鱷魚夾線末端分成正、負兩極，可能導致夾線形成天線，從 而接收空間中的電磁波，對震動訊號造成弦波干擾。使用 BNC 鱷魚夾線進 行實驗所收錄之波形如圖 3.30所示，由圖中可看到波形受弦波干擾，而弦 波振幅約為 6.2 毫伏。
為改善弦波之影響，因此使用 Balun 夾線取代 BNC 鱷魚夾線，Balun 一辭是指 Balance-unbalance 轉換器(又稱為換衡器)，可用來抑制電路中的雜 訊，其中磁珠為常見的一種 Balun，是將導線規則地纏繞於環形鐵氧體上，
可避免導線成為天線而接收外來的雜訊。
實驗使用之 Balun 夾線如圖 3.31所示(型號為 VB-101)，將正、負極導 線鎖入 Balun 夾線中，另一端 BNC 接頭則與資料擷取系統 input 端連接。
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -0.05
0 0.05
Time (s)
Voltage (V)
(a) P wave
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -0.05
0 0.05
Time (s)
Voltage (V)
(b) S wave 11.5 mV
42.6 mV
使用 Balun 夾線取代 BNC 鱷魚夾線與資料擷取系統相連結，實驗所得波形 如圖 3.32 所示，由圖中可看到弦波干擾受到抑制，其振幅約為 1.5 毫伏，
但觸發正弦波波形震盪嚴重(如圖 3.33 虛線圓圈處所示)，因此後續實驗仍 使用 BNC 鱷魚夾線來觸發與收錄 Bender-extender element 之震動訊號。
圖 3.30 使用 BNC 鱷魚夾線收錄之波形
圖 3.31實驗使用之 Balun 夾線
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -8
-6 -4 -2 0 2 4 6 8x 10-3
Time (s)
Voltage (V)
6.2 mV
圖 3.32使用 Balun 夾線收錄之波形
圖 3.33 使用 Balun 夾線之震源波形震盪嚴重
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -8
-6 -4 -2 0 2 4 6 8x 10-3
Time (s)
Voltage (V)
1.5 mV
2 4 6 8 10 12 14
x 10-4 5
6 7 8 9 10 11
x 10-3
Time (s)
Vo lt a g e ( V)
(5)改變供電方式
原本實驗儀器使用之電源來自室內電源，考量採用不同供電方式可能 會改善雜訊干擾問題，遂使用 UPS (Uninterruptible Power Supply，不斷電系 統)作為儀器電力來源，而 UPS 可分為 Offline UPS (離線式不斷電系統)與 Online UPS (在線式不斷電系統)，以上兩種 UPS 均進行測試。
使用 Offline UPS 供電所收錄之波形如圖 3.34 所示，圖中可觀察到波形 仍受弦波干擾，而弦波振幅約 6.7 毫伏；使用 Online UPS 供電所收錄之波 形如圖 3.35 所示，雖然弦波的振幅下降至約 2.9 毫伏，但仍略大於壓縮波 的振幅大小，易干擾壓縮波波形而造成初達波判斷之困擾。
圖 3.34使用 Offline UPS 供電之波形
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -0.01
-0.008 -0.006 -0.004 -0.002 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01
Time (s)
Voltage (V)
6.7 mV
圖 3.35 使用 Online UPS 供電之波形
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -5
Voltage (V)
2.9 mV
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -0.5
Voltage (V)
上述的供電方式中，使用蓄電池將直流電轉為交流電輸出之方法不但 無法改善弦波干擾，且所收錄的波形怪異；而使用 UPS 雖能使弦波振幅降 低，但弦波的振幅仍略大於收錄的震動訊號振幅，因此改善成效有限。
(6)使用功率放大器
實驗所收錄的剪力波訊號振幅相當小，約為 3 ~ 4 毫伏，而壓縮波訊號 振幅更小，僅約為 0.25 ~ 0.8 毫伏。當震動訊號與雜訊的振幅相當時，受雜 訊干擾的影響則相對明顯。
原有波速量測系統中的函數產生器僅能提供觸發電壓 10 伏，為了提升 震動訊號之能量進而突顯初達波波形，因此使用功率放大器來達到提升觸 發電壓的目的。使用的功率放大器如圖 3.37 所示，將函數產生器 output 端 與功率放大器連接，再經由放大器將電壓放大後輸出至 transmitter 觸發震動 訊號；另外，函數產生器 input 端則連接 receiver，負責收錄訊號。
圖 3.37 改良彈性波速室內量測系統
採用 10 伏觸發電壓所收錄的訊號如圖 3.38所示，可看到訊號能量相當 transmitter 所觸發的震動訊號在土壤試體中無法有效地傳遞至 receiver 來接 收，因而使用功率放大器來提高觸發電壓，以改善能量衰減問題。
Voltage (V)
Received signal - P wave (10 volt)
Voltage (V)
Received signal - P wave (40 volt)
行試驗，接收到的訊號經過處理後之波形如圖 3.40 所示，由圖中可觀察到
Voltage (V)
Voltage (V)
實驗，以觸發頻率為 20 kHz 之剪力波為例，當土壤試體長度為十公分時，
既有之資料擷取模組 NI PXI-4461，其取樣率僅為 204.8 kS/s，無法符 合觸發與量測頻率為 30 kHz 的壓縮波之需求，所以必須將取樣率提高，而
Vo lt a g e ( V)
4 6 8 10 12 14
Vo lt a g e ( V)
5.波速量測系統改良結果