Bender-extender element 設計與收錄 P、S 波訊號之影響因子

良好的壓縮波與剪力波初達訊號對波速分析扮演舉足輕重的角色，訊 號品質的好壞將會影響後續波速分析的正確性。以下將針對 Bender-extender element 尺寸、線路並聯與串聯型式、觸發頻率以及壓電元件貫入土壤之深 度等四部分進行討論。

1. Bender-extender element 尺寸

依據 Leong et al. (2009)提出的建議，壓縮波之 transmitter (即剪力波之 receiver)尺寸為長 15.9 mm、寬 9.5 mm、厚度 0.51 mm，剪力波之 transmitter (即壓縮波之 receiver)尺寸為長 15.9 mm、寬 3.2 mm、厚度 0.51 mm，此種 配對型式之 Bender-extender element 能收錄到良好的壓縮波與剪力波訊號。

然而，參考 Leong et al. (2009)建議之尺寸實際製作一對 Bender-extender element (參考表 3.3中編號 PA、SA)進行試驗，發生壓縮波訊號不易收錄之 情形。其原因可能為壓縮波之 receiver (即 S-transmitter)寬度較小，貫入土壤 試體後與試體的耦合情況不佳，不易接收到壓縮波傳遞之微小震動訊號所 致。

為改善 Bender-extender element 使之能收錄到良好的壓縮波訊號，本研 究調整寬度為 9.5 mm 來製作 P-receiver (參考表 3.3中編號 SB)，雖能收錄 到壓縮波訊號，但訊號品質並不穩定。因此，本研究再調整厚度為 0.8 mm、

寬度為 10 mm 來製作 P-receiver (參考表 3.3 中編號 SF)，始可收錄穩定之壓 縮波訊號。

2.線路並聯與串聯型式

一般接線方式分為並聯與串聯兩種，並聯時，電能轉換為機械能之功 率是串聯時的兩倍；串聯時，機械能轉換為電能之功率是並聯時的兩倍。

因此，本研究分別採用並聯(如表 3.3編號 SC)與串聯(如表 3.3編號 SF)兩種 型式製作壓縮波之 receiver，試驗結果顯示接收端以串聯方式連接，確實能 收錄到振幅較大、波形較為明顯的壓縮波訊號。

3.觸發頻率

依據 Brignoli et al. (1996)提出的建議，當土壤試體長度約為 10 ~ 14cm 時，剪力波觸發頻率採用 1 ~ 20kHz；在趨近飽和之試體，壓縮波觸發頻率 採用 100 kHz，在乾燥試體則採用 40 ~ 80 kHz。而 Leong et al. (2009)對觸發 頻率提出的建議， 壓縮波採用 30 kHz 以上，剪力波採用 10 kHz，能降低 近場效應的影響。

當觸發頻率較低時，震波能量較不易衰減，可收錄到振幅較大的訊號；

當觸發頻率較高時能降低近場效應影響，可收錄到初達波位置較為明確的 訊號。為收錄抵達時間明確且波形明顯之初達波訊號，則必須在觸發頻率 上審慎選定。

為選擇適合本研究夯實土壤試體使用之觸發頻率，以不同頻率進行試 驗。分別以頻率 10、20、30、40 kHz 觸發之壓縮波訊號如圖 3.8所示，頻 率 10 kHz 以及 20 kHz 觸發之訊號頻率過低、波形不佳；而頻率 30 kHz 以 及 40 kHz 觸發之訊號波形較為良好。分別以頻率 10、20 kHz 觸發之剪力波 訊號如圖 3.9所示，受近場效應影響均為較小。考量試驗結果與訊號振幅大 小，壓縮波觸發頻率採用 30 kHz，剪力波觸發頻率採用 20 kHz，較能收錄 到明確的初達波訊號且減少近場效應影響。

圖 3.8不同頻率之壓縮波訊號

Voltage (V)

P wave (10kHz)

3 4 5 6 7 8 9 10

Voltage (V)

P wave (20kHz)

3 4 5 6 7 8 9 10

Voltage (V)

P wave (30kHz)

3 4 5 6 7 8 9 10

Voltage (V)

P wave (40kHz) P wave arrival

3 4 5 6 7 8 9 10

Voltage (V)

S wave (10kHz)

3 4 5 6 7 8 9 10

Voltage (V)

S wave (20kHz)

S wave arrival

4.壓電元件貫入深度

Bender-extender element 貫入土壤試體的深度將影響收錄訊號之品質，

貫入深度不足將使得土壤試體與壓電元件接觸不良，無法良好傳遞與接收 微小震波。針對土壤試體進行不同貫入深度之試驗，當壓電元件貫入深度 在 3 ~ 6 mm 間，能良好傳遞與接收震波，若貫入深度小於 3 mm 將導致壓 電元件與土壤接觸不良，無法收錄良好的初達波訊號。

基於上述討論與試驗，從不同製作規格之 P-transmitter 與 S-transmitter 間選擇最佳配對，以編號 PA 與編號 SF 做為 Bender-extender element (參考 表 3.3)來進行本研究之試驗。

表 3.3實驗使用之 Bender-extender element 一覽表

種類 編號 極化方向 壓電片型號 自由端

P-transmitter (S-receiver)

PA x-poled PZT5A

T220-A4-303X 12 9.5 0.51 單芯線 PS x-poled PZT5A

T220-A4-303X 12 9.5 0.51 同軸線 (三極)

S- transmitter (P-receiver)

SA y-poled PZT5A