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KR100742773B1 - device for measuring velocity of elastic wave and method using it - Google Patents

device for measuring velocity of elastic wave and method using it Download PDF

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KR100742773B1
KR100742773B1 KR1020060003534A KR20060003534A KR100742773B1 KR 100742773 B1 KR100742773 B1 KR 100742773B1 KR 1020060003534 A KR1020060003534 A KR 1020060003534A KR 20060003534 A KR20060003534 A KR 20060003534A KR 100742773 B1 KR100742773 B1 KR 100742773B1
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KR
South Korea
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ground
elastic wave
wave
transducer
penetration
Prior art date
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KR1020060003534A
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Inventor
이종섭
칼루스 산타마리나 제이
Original Assignee
고려대학교 산학협력단
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Publication date
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Abstract

본 발명은 관입장비 선단부에 설치하여 관입시 지반의 교란을 최소화하며 미소변형의 탄성파를 측정할 수 있는 탄성파속도 측정장치와 그를 이용한 측정방법에 관한 것으로서, 시추공에 관입되는 관입봉의 단부와 결합되도록 상부에 결합부를 구비하며 관입이 용이하도록 예리한 하단부를 구비한 주걱형의 컨넥터와, 내부에 시료가 장입될 수 있도록 상기 컨넥터에 연결되며 하방으로 뻗어 원통형상을 이루는 다수의 지지바와, 상기 지지바의 강도 및 형태를 유지시키도록 다수의 지지바의 상부에 결합되는 지지링과, 상기 다수의 지지바 중 한 쪽과 그에 대향하는 쪽의 내향면에 상하로 설치되어 탄성파를 송수신하는 다수의 트랜스듀서와, 상기 지지바의 단부에 결합되며 지반 관입시 지반의 교란을 최소화시키도록 예리한 하단부를 구비한 환형의 가이드슈로 이루어짐으로써, 수상 또는 지반에서 시험이 가능하고 비교란(非攪亂) 상태에서 지반조사를 수행할 수 있을 뿐만 아니라 현장에서 흙의 비등방성(anisotropy)도 손쉽게 산정할 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to a seismic velocity measuring device and a measuring method using the same, which is installed at the tip of the penetration equipment to minimize the ground disturbance during penetration and can measure the micro-strain seismic wave, the upper portion to be coupled to the end of the penetration rod that is inserted into the borehole And a spatula-shaped connector having a sharp lower end for easy insertion, a plurality of support bars connected to the connector so as to be inserted therein and extending downward to form a cylindrical shape, and strength of the support bar. And a support ring coupled to an upper portion of the plurality of support bars to maintain a shape, and a plurality of transducers installed up and down on one of the plurality of support bars and an inward surface of the opposite side thereof to transmit and receive an elastic wave; It is coupled to the end of the support bar of the annular having a sharp lower end to minimize the disturbance of the ground when ground penetration As made of an Id shoe, there is an effect that can be tested is possible, and also easily calculated undisturbed (非 攪亂) anisotropy (anisotropy) of the soil at the site, as well as be able to carry the ground investigation in a state in water or soil.

탄성파, 속도측정, 구속탄성계수, 전단탄성계수 Seismic wave, velocity measurement, restraint modulus, shear modulus

Description

탄성파속도 측정장치 및 그를 이용한 측정방법{device for measuring velocity of elastic wave and method using it}Device for measuring velocity of elastic wave and method using it

도 1은 종래의 하향 탄성파 탐사법의 구성 및 작동을 개략적으로 보여주는 구성도.1 is a configuration diagram schematically showing the configuration and operation of a conventional downlink seismic detection method.

도 2는 관입시험이 불가능한 곳에서 널리 사용되고 있는 종래의 물리 음파 검층법의 구성 및 작동을 개략적으로 보여주는 구성도.Figure 2 is a schematic view showing the configuration and operation of the conventional physical acoustic wave logging method widely used in the penetration test is impossible.

도 3은 본 발명에 의한 탄성파속도 측정장치의 일실시예에 대한 정면도.Figure 3 is a front view of an embodiment of an acoustic wave velocity measuring apparatus according to the present invention.

도 4는 본 발명에 의한 탄성파속도 측정장치의 일실시예에 대한 측단면도.Figure 4 is a side cross-sectional view of an embodiment of an acoustic wave velocity measuring apparatus according to the present invention.

도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서 가이드슈의 구조를 보여주기 위한 절단평면도.Figure 5 is a cut plan view showing the structure of the guide shoe in one embodiment of the present invention.

도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서 가이드슈의 구조를 보여주기 위한 일부 단면도.Figure 6 is a partial cross-sectional view for showing the structure of the guide shoe in an embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명에 의한 탄성파속도 측정장치의 일실시예에 대한 사시도.Figure 7 is a perspective view of one embodiment of an acoustic wave velocity measuring apparatus according to the present invention.

도 8은 본 발명의 일실시에에 의한 탄성파속도 측정장치내에서 송수신되는 탄성파의 전달경로를 보여주기 위한 개략도.Figure 8 is a schematic diagram for showing the transmission path of the acoustic wave transmitted and received in the elastic wave velocity measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 일실시예에 의한 탄성파속도 측정장치를 이용한 측정방법을 개략적으로 보여주는 신호흐름도.9 is a signal flow diagram schematically showing a measuring method using an elastic wave velocity measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10 : 관입봉 20 : 주걱형 컨넥터10: penetration rod 20: spatula connector

30 : 지지바 32 : 배선커버30: support bar 32: wiring cover

40 : 지지링 50 : 트랜스듀서40: support ring 50: transducer

60 : 가이드슈 100 : 탄성파속도 측정장치60: guide shoe 100: elastic wave velocity measuring device

본 발명은 탄성파를 이용한 관입형 탄성파속도 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 관입장비 선단부에 설치하여 관입시 지반의 교란을 최소화하며 미소변형의 탄성파를 측정할 수 있는 탄성파속도 측정장치와 그를 이용한 측정방법에 관한 것이다.The present invention relates to a penetrating seismic velocity measuring device and a measuring method using the seismic wave, and more particularly, it is installed on the distal end of the penetrating equipment to minimize the disturbance of the ground during penetration and to measure the seismic wave of the small strain and It relates to a measuring method using the same.

모든 건설 건조물의 안정성확보에 있어서 가장 중요한 요소는 지반구조물에서의 안정성확보이다. 지반의 안정성 확보를 위해서 여러 가지 지반조사시험이 수행되고 있다. 따라서, 각종 토목시공에 있어서 지반의 안정성 평가를 위하여 파쇄대와 같은 연약지반의 공간적인 분포와 지반의 동적특성에 대한 분석이 사전에 필수적으로 이루어져야 한다.The most important factor in securing the stability of all construction structures is securing the stability of the ground structure. Various ground investigation tests are conducted to secure the stability of the ground. Therefore, in order to evaluate the stability of the ground in various civil constructions, the spatial distribution of the soft ground such as the crushing zone and the analysis of the dynamic characteristics of the ground must be made in advance.

특히, 반도체 등 아주 미소한 변형에서도 결함율이 급속히 증가하는 IT 관련 산업체에서는 기초지반의 중요성은 날로 높아가고 있으며 이와 같은 구조물에서 미소변형에서의 지반조사는 필수적이라고 할 수 있다.In particular, the importance of basic ground is increasing in IT-related industries where the defect rate rapidly increases even in the case of very small deformations such as semiconductors.

또한, 최근 전세계적으로 지진의 회수와 진도가 크게 증가하면서 지반 구조물에 대한 내진설계가 중요하게 인식되고 있으며, 이 또한 미소변형에서의 지반조사는 내진설계에서 가장 중요한 요소 중 하나라고 할 수 있다.In addition, as the number of earthquakes and the magnitude of earthquakes have increased greatly in recent years, earthquake-resistant design of ground structures has been recognized as important, and ground surveys in micro deformations are one of the most important elements in seismic design.

이와 같이 진동에 민감한 구조물 또는 내진설계에 있어서는 동전단계수(Gd), 동탄성계수(Ed), 동포아송비(υ) 등과 같은 지반의 동적 물성치가 필요한데, 일반적으로 지진응답해석에 필요한 동적 지반물성은 현장탐사시험 또는 현장 불교란 시료에 대한 동적 실내시험으로부터 구할 수 있다. 상기의 시험방법 중 현장시험은 채취한 시료를 대상으로 하는 실내시험에 비하여 지반의 교란이나 응력상태 변화에 의한 영향을 적게 받아 그 결과의 신뢰성이 상대적으로 높고 비교적 신속하게 수행할 수 있다는 장점이 있다.In the vibration-sensitive structure or the seismic design, the dynamic properties of the ground such as the coin step number (Gd), the dynamic modulus (Ed), and the poisson's ratio (υ) are needed. Can be obtained from field exploration tests or from dynamic laboratory tests on field Buddhism eggs samples. The field test of the above test methods has the advantage that the results are relatively high and can be performed relatively quickly because they are less influenced by the disturbance of the ground or the change of the stress state than the indoor tests on the collected samples. .

상기 현장 탐사시험을 위한 방법에는 미소변형에서의 탄성파를 측정할 수 있는 하향 탄성파 탐사법(Downhole Seismic Survey method)이나 물리 음파 검층법(borehole logging or Acoustic logging method) 등의 방법이 수행되고 있다. 상기의 탐사법들을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.In the field survey test, a method such as a downhole seismic survey method or a borehole logging method or an acoustic logging method capable of measuring seismic waves in a micro strain is performed. The above exploration methods will be described in detail as follows.

우선, 도 1과 같은 하향 탄성파 탐사법(Downhole Seismic Survey method)의 경우 탄성파의 발신기(4)는 지표면에 있고 수신기(5)는 관입장치(3)의 선단부에 설치되어 있다. 즉, 지표면(2)에서 발신된 탄성파(6)가 지표면 아래로 전파되면 선단부의 수신기(5)에서 탄성파(6)를 측정하고 수신기(5)사이의 길이(Δz)와 수신기(5)사이의 탄성파 측정시간 차이(Δt)로부터 하기 수학식 1을 이용하여 지반(1)의 탄성파속도(V)를 산정하고 있다.First, in the downhole seismic survey method as shown in FIG. 1, the transmitter 4 of the acoustic wave is located on the ground and the receiver 5 is provided at the tip of the penetration device 3. That is, when the elastic wave 6 transmitted from the ground surface 2 propagates below the ground surface, the elastic wave 6 is measured by the receiver 5 at the distal end, and the length Δz between the receivers 5 and the receiver 5 are measured. The elastic wave velocity V of the ground 1 is calculated from the elastic wave measurement time difference Δt using the following equation (1).

Figure 112006002275758-pat00001
Figure 112006002275758-pat00001

그러나, 하향 탄성파 탐사법을 육상이 아닌 수상에서 수행할 경우 전단파는 물과 같은 액체에서 전혀 전파되지 않으므로 시험 자체가 불가능하다는 문제점이 있었다.However, when the downlink seismic survey is performed in water rather than on land, the shear wave does not propagate at all in a liquid such as water.

또한, 도 2와 같이 관입시험이 불가능한 곳에서 널리 사용되고 있는 물리 음파 검층법(borehole logging or Acoustic logging methods)은 암반에서의 탄성파를 산정할 수 있다. 이는 시추공(7)을 대상으로 실시되는 현장 탐사 시험방법으로서 발신기(9)와 수신기(5)가 일체화된 탐봉(Probe)(8)을 시추공(7)내에 삽입하여 상기 시추공(7)내에서 발신기(9)과 수신기(5)를 이용하여 발신과 수신을 실시함으로써 각 지층별 P파(primary wave)와 S파(Secondary wave) 2종류의 탄성파(6)에 대한 전파속도를 구하고 지반(1)의 물리적 성질을 조사하는 기법이다. 상기 2종류의 탄성파는 P파와 S파를 가리키는데, P파는 종파 또는 소밀파라고 하고 파동의 진행 방향으로 진동하면서 전파하는 파동이며, S파는 횡파라고 하고 파동의 진행방향으로 진동하면서 전파하는 파동이다.In addition, the physical acoustic wave logging method (borehole logging or Acoustic logging methods) widely used in places where penetration testing is not possible as shown in Figure 2 can calculate the seismic wave in the rock. This is an on-site exploration test method for the borehole (7) by inserting a probe (8) in which the transmitter (9) and the receiver (5) are integrated into the borehole (7) and the transmitter in the borehole (7) (9) and receiver (5) are used to obtain and propagate the propagation speeds for two kinds of elastic waves (P) (primary wave) and secondary wave (S) (Secondary wave) for each layer. A technique to investigate the physical properties of The two kinds of acoustic waves refer to P waves and S waves, which are called longitudinal waves or small waves, and are waves that propagate while oscillating in the direction of wave propagation, and S waves are transverse waves, which propagate while oscillating in the wave propagation direction.

속도검층의 결과인 탄성파속도(Vp, Vs)를 이용하여 지반강도 등의 역학적 성질 및 간극비, 포화도, 습윤 밀도 등의 물리적 성질과 관련된 동탄성정수(동포아송비, 동전단계수, 동체적계수 및 동탄성계수)를 산출할 수 있으며, 측정된 파형기록으로부터 지반 중에 있어서 탄성파(Vp, Vs)의 감쇠 특성을 파악하는 것도 가능하 다. 또한, 검층 결과로 얻어진 P파와 S파의 속도값은 암반의 각종 지질적, 역학적 특성이 반영되어 있으며, 다른 검층 결과와 함께 풍화대, 약층 판정, 지층 구분의 검토 등 지반구조의 추정에 사용될 수 있다.By using the seismic velocities (Vp, Vs) as a result of the velocity logging, dynamic elastic constants (such as poisson's ratio, coin step number, dynamic coefficient and Dynamic elastic modulus) can be calculated, and it is also possible to grasp the attenuation characteristics of the elastic waves Vp and Vs in the ground from the measured waveform recording. In addition, the velocity values of the P and S waves obtained from the logging results reflect various geological and mechanical characteristics of the rock and can be used for estimation of the geologic structure, including weathering zone, weakness determination, and strata classification, along with other logging results. .

그러나, 상기의 방법은 점토나 모래지반에서 시험을 행할 경우 가이드튜브 등을 통한 스톤리 파(stonely wave)의 영향때문에 산정된 탄성파가 전혀 불합리하게 나타나고 있어서 음파 검층의 적용이 불가능하다는 문제점이 있었다.However, the above method has a problem in that the acoustic wave calculated by the guidely tube or the like when the test is performed on clay or sandy ground appears to be irrational at all, so that the application of the acoustic wave logging is impossible.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 상기에서와 같은 하향 탄성파 탐사법(Downhole Seismic Survey)의 단점과 음파 검층(borehole logging methods or Acoustic logging methods)의 단점을 극복하여 수상 또는 지반에서 시험이 가능하고 비교란(非攪亂) 상태에서 지반조사를 수행할 수 있을 뿐만 아니라 현장에서 흙의 비등방성(非等方性:anisotropy)도 손쉽게 산정할 수 있는 탄성파속도 측정장치 및 그를 이용한 측정방법을 제공하는 데 있다.The present invention is to solve the above problems, the object of the present invention is to overcome the disadvantages of the downhole seismic survey and the disadvantages of the borehole logging methods or acoustic logging methods as described above In addition, it is possible to test on the ground, and to perform the ground survey in a non-random state, and to easily calculate the anisotropy of the soil in the field, and the apparatus for measuring the acoustic wave velocity It is to provide a measuring method used.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 탄성파속도 측정장치는, 시추공에 관입되는 관입봉의 단부와 결합되도록 상부에 결합부를 구비하며 관입이 용이하도록 예리한 하단부를 구비한 주걱형의 컨넥터;In order to achieve the above object, the elastic wave velocity measuring apparatus of the present invention comprises: a spatula-type connector having a coupling portion at an upper portion to be coupled to an end of a penetration rod introduced into a borehole, and having a sharp lower end portion for easy penetration;

내부에 시료가 장입될 수 있도록 상기 컨넥터에 연결되며 하방으로 뻗어 원통형상을 이루는 다수의 지지바;A plurality of support bars connected to the connector and extending downward to form a cylindrical shape so that a sample can be charged therein;

상기 지지바의 형상을 유지시키도록 다수의 지지바의 상부에 결합되는 지지 링;A support ring coupled to an upper portion of the plurality of support bars to maintain the shape of the support bars;

상기 다수의 지지바 중 한 쪽과 그에 대향하는 쪽의 내향면에 상하로 설치되어 탄성파를 송수신하는 다수의 트랜스듀서; 및A plurality of transducers vertically installed on one side of the plurality of support bars and the inward surface of the side opposite to the plurality of support bars to transmit and receive an elastic wave; And

상기 지지바의 단부에 결합되며 지반 관입시 지반의 교란을 최소화시키도록 예리한 하단부를 구비한 환형의 가이드슈; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.An annular guide shoe coupled to an end of the support bar and having a sharp lower end portion to minimize disturbance of the ground during ground penetration; Characterized in that consists of.

상기 트랜스듀서가 설치된 지지바의 외부면에는 트랜스듀서에 연결되는 전선의 노출을 방지하도록 배선커버가 부착되는 것이 바람직하다.It is preferable that a wiring cover is attached to an outer surface of the support bar on which the transducer is installed to prevent exposure of the wire connected to the transducer.

상기 주걱형 컨넥터는 상부에서 하부로 내려갈수록 폭은 넓어지고 두께는 얇아져서 하단부가 날카로운 칼날 형태를 갖는 주걱형상을 이루고 있는 것이 바람직하다.It is preferable that the spatula-type connector has a wider width and a thinner thickness from the top to the bottom thereof, thereby forming a spatula shape having a sharp blade shape.

상기 다수의 트랜스듀서는 상기 다수의 지지바 중 어느 한 쪽의 내향면과, 그에 대향하는 지지바의 내향면에 상하로 설치하는 것이 바람직하며, 상기 대향하는 트랜스듀서간의 발신 및 수신은 동일 높이 뿐만 아니라 다른 높이 간에도 이루어지는 것이 바람직하다.The plurality of transducers are preferably installed up and down on the inward surface of any one of the plurality of support bars and the inward surface of the support bar opposite thereto, and the transmission and reception between the opposing transducers is the same height. It is also preferred to be between different heights.

상기 환형의 가이드슈는 둥근 환형상을 이루고 있으며 상부면에 상기 다수의 지지바의 단부가 결합되고, 지반에 관입될 때 지반의 저항과 교란을 최소화하도록 하부가 칼날과 같이 예리하게 형성되어 있는 것이 바람직하다.The annular guide shoe has a round annular shape, and ends of the plurality of support bars are coupled to an upper surface thereof, and the lower part is sharply formed like a blade so as to minimize resistance and disturbance of the ground when penetrated into the ground. desirable.

또한, 본 발명의 탄성파속도 측정방법은, 관입봉에 상기 본 발명의 탄성파속도 측정장치를 결합하고 상기 결합된 관입봉을 지반내로 관입시키는 제1 단계;In addition, the elastic wave speed measuring method of the present invention, the first step of coupling the elastic wave speed measuring apparatus of the present invention to the penetration bar and injecting the combined penetration bar into the ground;

다수개의 트랜스듀서 중 하나에서 탄성파를 발신하고 대향위치에 설치된 트 랜스듀서에서 상기 신호를 수신하여 도달시간(t)을 산출하는 제2 단계; A second step of calculating an arrival time (t) by transmitting an elastic wave in one of a plurality of transducers and receiving the signal from a transducer installed at an opposite position;

상기 도달시간(t)과 트랜스듀서간의 거리(L)를 이용하여 탄성파의 속도(Vp,Vs)를 하기 수학식 2에 의하여 산출하는 제3 단계; 및A third step of calculating the velocity (Vp, Vs) of the acoustic wave by using the arrival time t and the distance L between the transducers according to Equation 2 below; And

상기 탄성파속도(Vp,Vs)를 이용하여 하기 수학식 3과 수학식 4에 의하여 지반의 토질정수(M,G)를 산출하고 비등방성(anisotropy)을 산정하는 제4 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.A fourth step of calculating soil constants (M, G) of the ground by using Equations 3 and 4 using the elastic wave velocities (Vp, Vs) and calculating anisotropy; Characterized in that consists of.

Figure 112006002275758-pat00002
Figure 112006002275758-pat00002

Figure 112006002275758-pat00003
Figure 112006002275758-pat00003

Figure 112006002275758-pat00004
Figure 112006002275758-pat00004

여기서, L은 발신기와 수신기 사이의 거리, t는 탄성파의 도달시간, V는 탄성파의 속도, Vp는 압축파 속도, M은 구속탄성계수, ρ는 지반의 밀도, Vs는 전단파 속도, G는 전단탄성계수이다. 여기서, 상기 수학식 2는 탄성파의 속도를 구하는 일반적인 수식을 나타낸다. 수학식 2를 이용하여 계산된 탄성파가 압축파일 경우, 상기 수학식 3를 이용하여 구속탄성계수(M)를 구할 수 있으며, 수학식 2를 이용하여 계산된 탄성파가 전단파일 경우, 상기 수학식 4를 이용하여 전단탄성계수(G)를 구할 수 있다.Where L is the distance between the transmitter and receiver, t is the arrival time of the seismic wave, V is the velocity of the seismic wave, Vp is the compressed wave velocity, M is the constrained modulus of elasticity, ρ is the ground density, Vs is the shear wave velocity, and G is the shear Modulus of elasticity. Here, Equation 2 shows a general formula for obtaining the velocity of the acoustic wave. When the elastic wave calculated using Equation 2 is a compressed file, the constraint elastic modulus M can be obtained using Equation 3, and when the elastic wave calculated using Equation 2 is a shear file, Equation 4 Shear modulus (G) can be obtained by using.

상기 제3 단계에서 수평방향의 속도는 수평으로 대향하고 있는 트랜스듀서간 의 거리와 시간을 이용하여 계산할 수 있다.In the third step, the speed in the horizontal direction may be calculated using the distance and time between the transducers that are horizontally opposed.

상기 제3 단계에서 경사방향의 속도는 일측의 하부 트랜스듀서와 대향측의 상부 트랜스듀서간의 거리와 시간을 이용하거나 또는 일측의 상부 트랜스듀서와 대향측의 하부 트랜스듀서간의 거리와 시간을 이용하여 계산할 수 있다.In the third step, the speed in the oblique direction may be calculated using the distance and time between the lower transducer on one side and the upper transducer on the opposite side or by using the distance and time between the upper transducer on the one side and the lower transducer on the opposite side. Can be.

이하 본 발명에 의한 탄성파속도 측정장치의 일실시예에 의한 구성을 예시도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a configuration according to an embodiment of an elastic wave velocity measuring apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명에 의한 탄성파속도 측정장치의 일실시예에 대한 정면도이고, 도 4는 본 발명에 의한 탄성파속도 측정장치의 일실시예에 대한 측단면도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서 가이드슈의 구조를 보여주기 위한 절단평면도이며, 도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서 가이드슈의 구조를 보여주기 위한 일부 단면도이다.Figure 3 is a front view of an embodiment of the elastic wave speed measuring apparatus according to the present invention, Figure 4 is a side cross-sectional view of an embodiment of the elastic wave speed measuring apparatus according to the present invention, Figure 5 is an embodiment of the present invention 6 is a cross-sectional view for showing the structure of the guide shoe, Figure 6 is a partial cross-sectional view for showing the structure of the guide shoe in one embodiment of the present invention.

그리고, 도 7은 본 발명에 의한 탄성파속도 측정장치의 일실시예에 대한 사시도이고, 도 8은 본 발명의 일실시에에 의한 탄성파속도 측정장치내에서 송수신되는 탄성파의 전달경로를 보여주기 위한 개략도이며, 도 9는 본 발명의 일실시예에 의한 탄성파속도 측정장치를 이용한 측정방법을 개략적으로 보여주는 신호흐름도이다.And, Figure 7 is a perspective view of an embodiment of the elastic wave speed measuring apparatus according to the present invention, Figure 8 is a schematic diagram for showing the transmission path of the elastic wave transmitted and received in the elastic wave speed measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. 9 is a signal flow diagram schematically showing a measuring method using an acoustic wave velocity measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 3 내지 도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 탄성파속도 측정장치는, 시추공에 관입되는 관입봉(10)의 단부(12)와 결합되도록 상부에 연결부(22)를 구비하며 관입이 용이하도록 예리한 하단부(24)를 구비한 주걱형 컨넥터(20)와, 내부에 시료가 장입될 수 있도록 상기 컨넥터(20)에 연결되고 하방으로 뻗 어 원통형상을 이루는 다수의 지지바(30)와, 상기 지지바(30)의 형상을 유지시키도록 상기 지지바(30)의 상부에 결합되는 지지링(40)과, 상기 다수의 지지바(30) 중 한 쪽과 그에 대향하는 쪽의 내향면에 상하로 설치되어 탄성파를 송수신하는 다수의 트랜스듀서(50)와, 상기 지지바(30)의 단부에 결합되며 지반 관입시 지반의 교란을 최소화시키도록 예리한 하단부(62)를 구비한 환형의 가이드슈(60)로 이루어진다.As shown in Figure 3 to Figure 7, the elastic wave velocity measuring apparatus according to an embodiment of the present invention, the connection portion 22 is provided at the upper portion to be coupled to the end 12 of the penetration rod 10 introduced into the borehole And a spatula-type connector 20 having a sharp lower end 24 for easy penetration, and a plurality of support bars connected to the connector 20 so as to be inserted therein and extending downward to form a cylindrical shape. 30, a support ring 40 coupled to an upper portion of the support bar 30 to maintain the shape of the support bar 30, and one side of the plurality of support bars 30 and the side opposite thereto. Installed on the inward surface of the plurality of transducers 50 for transmitting and receiving elastic waves, and coupled to the end of the support bar 30 and having a sharp lower end 62 to minimize the disturbance of the ground during penetration; It consists of an annular guide shoe 60.

또한 도 3과 도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 트랜스듀서(50)가 설치된 지지바(30)의 외부면에는 배선커버(32)가 부착되어 상기 트랜스듀서(50)에 연결되는 전류 공급 및 탄성파 신호 전달을 위한 전선의 노출을 방지한다.3 and 7, a wire cover 32 is attached to an outer surface of the support bar 30 on which the transducer 50 is installed to supply a current connected to the transducer 50. Prevents exposure of wires for seismic signal transmission.

상기 주걱형 컨넥터(20)는 상부에서 하부로 내려갈수록 폭은 넓어지고 두께는 얇아져서 하단부에서 날카로운 칼날 형태를 갖는 주걱형상을 이루고 있고, 상부에는 관입봉(10)과의 연결부(22)를 구비하여 시추공에 관입되는 관입봉(10)의 단부(12)와 결합된다. 상기 결합은 일측이 볼트부를 구비하고 타측이 너트부를 구비하여 결합될 수 있다.The spatula-type connector 20 has a wider width and a thinner thickness as it goes down from the top to a spatula shape having a sharp blade shape at the bottom thereof, and has a connection portion 22 with the penetration bar 10 at the top thereof. It is coupled to the end 12 of the penetration rod 10 is inserted into the borehole. The coupling may be coupled to one side having a bolt portion and the other side having a nut portion.

상기 주걱형 컨넥터(20)는 본 발명의 탄성파속도측정장치가 지반으로 관입할 때 저항을 줄임으로써 용이하게 관입할 수 있도록 예리한 하단부(24)를 구비하고 있다.The spatula-type connector 20 has a sharp lower end portion 24 so that the elastic wave velocity measuring device of the present invention can be easily penetrated by reducing resistance when penetrating into the ground.

상기 다수의 지지바(30)는 상기 컨넥터(20)의 외면에 연결되고 하방으로 뻗어 원통형상을 이루는데, 상기 연결은 용접에 의하거나 볼트결합으로 고정될 수 있다.The plurality of support bars 30 are connected to the outer surface of the connector 20 and extend downward to form a cylindrical shape. The connection may be fixed by welding or by bolting.

여기서, 시료가 장입되는 부분에 대하여 실린더를 사용하지 않고 다수의 지지바(30)를 채택한 이유는, 내부로 시료가 장입될 때 발생하는 시료의 교란을 줄이고, 트랜스듀서로부터 탄성파를 송수신할 때 탄성파가 벽을 통해 직접 전달됨으로써 발생하는 스톤리 파(stonely wave)를 방지하기 위한 것이다.Here, the reason for adopting a plurality of support bars 30 without using a cylinder for the portion where the sample is loaded is to reduce the disturbance of the sample generated when the sample is loaded into the inside, and to transmit and receive the elastic wave from the transducer. This is to prevent the stonely wave caused by the direct transmission through the wall.

상기 지지링(40)은 본 발명의 탄성파속도 측정장치(100)를 지반내로 관입할 수 있는 강도를 유지하고 상기 지지바(30)의 원통형상을 일정하게 유지시키기 위하여 상기 지지바(30)의 상부에 결합된다. 상기 결합은 용접 또는 볼트결합을 이용할 수 있다.The support ring 40 of the support bar 30 to maintain the strength to be able to penetrate the elastic wave velocity measuring apparatus 100 of the present invention into the ground and to maintain the cylindrical shape of the support bar 30 constant Coupled to the top. The coupling may use welding or bolting.

도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 다수의 트랜스듀서(50)는 상기 다수의 지지바(30) 중 어느 한 쪽의 내향면과, 상기 지지바(30)에 대향하는 쪽의 내향면에 상하로 설치되어 탄성파를 송수신한다. 상기 트랜스듀서(50)는 일측에서 탄성파를 발신하고 대향하는 타측에서 수신하는데, 상기 대향하는 트랜스듀서(50)간의 송수신은 동일 높이 뿐만 아니라 다른 높이간에도 이루어진다.As can be seen in FIG. 8, the plurality of transducers 50 are vertically disposed on an inward surface of one of the plurality of support bars 30 and an inward surface of the side opposite to the support bar 30. It is installed to transmit and receive elastic waves. The transducer 50 transmits an elastic wave at one side and receives the other at the opposite side. Transmission and reception between the opposing transducers 50 is performed between different heights as well as the same height.

탄성파를 송수신하는 트랜스듀서(50)가 상기와 같이 짧은 경로상에 설치됨으로써 현장 지반에 존재하는 장애물에 의한 탄성파의 송수신오류의 발생없이 탄성파속도를 도출할 수 있으며, 그로부터 다양한 토질정수(M, G)뿐만 아니라 지반의 비등방성(anisotropy)도 산정할 수 있다. 여기서, M은 구속탄성계수이고, G는 전단탄성계수이다.Transducer 50 for transmitting and receiving the elastic wave is installed on the short path as described above, it is possible to derive the elastic wave velocity without the occurrence of errors in the transmission and reception of the elastic wave due to obstacles present in the field ground, from which various soil constants (M, G) ), As well as anisotropy of the ground. Where M is the constraint modulus of elasticity and G is the shear modulus of elasticity.

상기 비등방성(anisotropy)은 지반의 수평방향과 경사방향의 특성이 다르기 때문에 발생하는 것으로서, 이를 평가하기 위해서는 시료에 대한 수평방향속도 뿐만 아니라 경사방향속도도 구할 필요가 있기 때문이다.The anisotropy occurs because the characteristics of the horizontal and inclined directions of the ground are different, and in order to evaluate the anisotropy, it is necessary to obtain not only the horizontal speed but also the inclined direction of the sample.

또한 도 5와 도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 환형의 가이드슈(60)는 둥근 환형상을 이루고 있으며 상기 다수의 지지바(30)의 단부와 결합되는데, 상기 결합은 용접 또는 볼트결합에 의할 수 있다.In addition, as can be seen from Figure 5 and Figure 6, the annular guide shoe 60 has a round annular shape and is coupled to the end of the plurality of support bar 30, the coupling is to the welding or bolting You can.

상기 가이드슈(60)의 하단부(62)는 본 발명에 의한 탄성파속도 측정장치가 지반에 관입될 때 지반의 저항과 교란을 최소화하도록 칼날과 같이 예리하게 형성되어 있다.The lower end 62 of the guide shoe 60 is sharply formed like a blade to minimize the resistance and disturbance of the ground when the elastic wave velocity measuring device according to the present invention is introduced into the ground.

상기와 같이 구성되어 있는 본 발명의 일실시예에 의한 탄성파속도 측정장치를 이용한 탄성파속도측정방법을 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.The elastic wave velocity measuring method using the elastic wave velocity measuring apparatus according to an embodiment of the present invention configured as described above will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 9에 도시한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 의한 탄성파속도 측정방법은, 관입봉(10)에 본 발명의 탄성파속도 측정장치(100)를 결합하고 상기 결합된 관입봉(10)을 지반내로 관입시키는 제1 단계(S1)와, 다수개의 트랜스듀서(50) 중 하나에서 탄성파를 발신하고 대향위치에 설치된 트랜스듀서(50)에서 상기 신호를 수신하여 도달시간(t)을 산출하는 제2 단계(S2)와, 상기 도달시간(t)과 트랜스듀서(50)간의 거리(L)를 이용하여 탄성파의 속도(Vp,Vs)를 상기 수학식 2에 의하여 산출하는 제3 단계(S3)와, 상기 탄성파속도(Vp,Vs)를 이용하여 상기 수학식 3과 수학식 4에 의하여 지반의 토질정수(M,G)를 산출하고 비등방성(anisotropy)을 산정하는 제4 단계(S4)로 이루어진다.As shown in FIG. 9, in the method of measuring elastic wave speed according to an exemplary embodiment of the present invention, the elastic wave speed measuring apparatus 100 of the present invention is coupled to a penetration bar 10, and the coupled penetration bar 10 is grounded. A first step (S1) of intruding therein and a second step of transmitting an acoustic wave in one of the plurality of transducers 50 and receiving the signal from the transducer 50 installed at the opposite position to calculate the arrival time t A third step S3 of calculating the speeds Vp and Vs of the acoustic wave by using Equation 2 using step S2 and the distance L between the arrival time t and the transducer 50; And a fourth step (S4) of calculating soil anisotropy and calculating soil constants (M, G) by using Equations 3 and 4 using the seismic velocities Vp and Vs. .

이를 더욱 자세하게 설명하면 다음과 같다.This will be described in more detail as follows.

먼저, 관입봉(10)에 본 발명의 탄성파속도 측정장치(100)를 결합하고 상기 결합된 장치를 지반내로 관입시킨다(S1). 즉, 지상이나 수상에 있는 관입장치를 이용하여 필요한 깊이까지 장치를 관입시킨다.First, the elastic wave speed measuring apparatus 100 of the present invention is coupled to the penetration bar 10 and the combined device is introduced into the ground (S1). That is, the device is introduced to the required depth by using a penetration device on the ground or in the water.

다음으로, 여러 개로 배열된 트랜스듀서(50) 중 1개를 발신기로 선택하여 지상이나 수상에서 임펄스파(impulse wave), 싸인파(sinusoidal wave), 또는 스퀘어파(square wave) 등과 같은 입력파를 보낸 후 대향하여 설치된 트랜스듀서(50)에서 신호를 수신하여 측정한다. 즉, 상기 지지바(30)의 한쪽에 설치된 것 중 선택된 트랜스듀서(50)로부터 탄성파를 발신하고 대향위치의 지지바(30)에 설치된 트랜스듀서(50)들에서 상기 탄성파 신호를 수신하여 도달시간(t)을 산출한다(S2). 상기 탄성파는 압축파와 전단파를 포함하고 있어서 각 파의 도달시간을 각각 별도로 측정할 수 있다.Next, select one of the transducers 50 arranged as a transmitter to select an input wave such as an impulse wave, a sinusoidal wave, or a square wave from the ground or the water. After sending, receive and measure the signal from the opposite transducer 50 installed. That is, the time of arrival by transmitting the acoustic wave from the transducer 50 selected from the one installed on one side of the support bar 30 and receiving the acoustic wave signal from the transducers 50 installed on the support bar 30 in the opposite position. (t) is calculated (S2). The acoustic wave includes a compression wave and a shear wave, so that the arrival time of each wave can be measured separately.

다음으로, 상기 도달시간(t)과 탄성파가 송수신되는 트랜스듀서(50)간의 거리(L)를 이용하여 탄성파의 속도(Vp,Vs)를 상기 수학식 2에 의하여 산출한다(S3). 여기서, L은 발신기와 수신기 사이의 거리이고, t는 탄성파의 도달시간이며, V는 탄성파의 속도이다.Next, the speeds Vp and Vs of the elastic waves are calculated by using Equation 2 using the distance L between the arrival time t and the transducer 50 through which the elastic waves are transmitted and received (S3). Where L is the distance between the transmitter and receiver, t is the arrival time of the acoustic wave, and V is the velocity of the acoustic wave.

도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 수평방향의 속도는 수평으로 대향하고 있는 트랜스듀서(50)간의 거리를 이용하여 계산할 수 있으며, 경사방향의 속도는 일측의 하부 트랜스듀서(50)와 대향측의 상부 트랜스듀서(50)들간의 거리와 시간을 이용하여 계산하거나, 일측의 상부 트랜스듀서(50)와 대향측의 하부 트랜스듀서(50)들간의 거리와 시간을 이용하여 계산할 수 있다. 즉, 동일한 발신기에서 발신된 신호를 높이가 다른 위치에 설치된 트랜스듀서(50)를 이용하여 신호를 수신한 후 발신 트랜스듀서(50)와 수신 트랜스듀서(50)사이의 거리(L)와 탄성파의 도달시간(t)으로부터 경사방향의 속도를 쉽게 산출할 수 있다. 다만, 동일 지지바(30)에 설치된 상하부의 트랜스듀서(50)간에 송수신되는 신호는 스톤리 파(stonely wave)의 영향으로 인하여 이용할 수 없다.As can be seen in Figure 8, the speed in the horizontal direction can be calculated using the distance between the transducers 50 facing horizontally, the speed in the inclined direction is the lower transducer 50 on one side of the opposite side The distance and time between the upper transducers 50 may be calculated using the distance and time between the upper transducer 50 on one side and the lower transducer 50 on the opposite side. That is, the signal transmitted from the same transmitter using a transducer 50 installed at a different position and then receiving a signal, the distance (L) between the transmitting transducer 50 and the receiving transducer 50 and the elastic wave The speed in the inclination direction can be easily calculated from the arrival time t. However, signals transmitted and received between the upper and lower transducers 50 installed on the same support bar 30 may not be used due to the influence of the stonely wave.

마지막으로, 상기 수평방향의 탄성파속도(Vp,Vs)를 이용하여 상기 수학식 3과 수학식 4에 의하여 지반의 토질정수(G, M)를 산출하고, 상기 경사방향의 탄성파속도(Vp,Vs)를 이용하여 상기 수학식 3과 수학식 4에 의하여 경사방향의 지반의 토질정수(G, M)을 산출할 수 있으며, 수평방향의 탄성파속도(Vp,Vs)와 경사방향의 탄성파 속도(Vp,Vs)의 차이를 이용하여 지반의 비등방성(anisotropy)을 산정한다(S4). 여기서, Vp는 압축파 속도, Vs는 전단파 속도, M은 구속탄성계수, G는 전단탄성계수, ρ는 지반의 밀도이다.Finally, the soil constants (G, M) of the ground are calculated using the equations (3) and (4) by using the elastic wave speeds (Vp, Vs) in the horizontal direction, and the elastic wave speeds (Vp, Vs) in the slope direction. Soil soil constants (G, M) of the ground in the inclined direction can be calculated using Equation 3 and Equation (4), and the elastic wave speeds (Vp, Vs) in the horizontal direction and the elastic wave speeds (Vp) in the slope direction , Vs) to calculate the anisotropy of the ground (S4). Where Vp is the compressed wave velocity, Vs is the shear wave velocity, M is the constraint modulus of elasticity, G is the shear modulus of elasticity, and ρ is the density of the ground.

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상술한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 의한 탄성파속도 측정장치 및 그에 의한 측정방법에 의하면, 수상 또는 지반에서 시험이 가능하고 비교란(非攪亂) 상태에서 지반조사를 수행할 수 있을 뿐만 아니라 현장에서 흙의 비등방성(anisotropy)도 손쉽게 산정할 수 있는 효과가 있다.According to the elastic wave velocity measuring apparatus and the measuring method according to an embodiment of the present invention as described above, it is possible to test in the water or the ground and to perform the ground survey in the non-random state as well as the field The anisotropy of the soil can also be easily calculated.

Claims (9)

시추공에 관입되는 관입봉의 단부와 결합되도록 상부에 결합부를 구비하며 관입이 용이하도록 예리한 하단부를 구비한 주걱형의 컨넥터;A spatula-type connector having a coupling portion at an upper portion to be coupled to an end of a penetration rod introduced into a borehole, and having a sharp lower portion to facilitate penetration; 내부에 시료가 장입될 수 있도록 상기 컨넥터에 연결되며 하방으로 뻗어 원통형상을 이루는 다수의 지지바;A plurality of support bars connected to the connector and extending downward to form a cylindrical shape so that a sample can be charged therein; 상기 지지바의 강도 및 형태를 유지시키도록 다수의 지지바의 상부에 결합되는 지지링;A support ring coupled to an upper portion of the plurality of support bars to maintain the strength and shape of the support bars; 상기 다수의 지지바 중 한 쪽과 그에 대향하는 쪽의 내향면에 상하로 설치되어 탄성파를 송수신하는 다수의 트랜스듀서; 및A plurality of transducers vertically installed on one side of the plurality of support bars and the inward surface of the side opposite to the plurality of support bars to transmit and receive an elastic wave; And 상기 지지바의 단부에 결합되며 지반 관입시 지반의 교란을 최소화시키도록 예리한 하단부를 구비한 환형의 가이드슈; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄성파속도 측정장치.An annular guide shoe coupled to an end of the support bar and having a sharp lower end portion to minimize disturbance of the ground during ground penetration; Elastic wave velocity measurement apparatus, characterized in that consisting of. 제1항에 있어서, 상기 트랜스듀서가 설치된 지지바의 외부면에는 트랜스듀서에 연결되는 전선의 노출을 방지하도록 배선커버가 부착되는 것을 특징으로 하는 탄성파속도 측정장치.The apparatus of claim 1, wherein a wire cover is attached to an outer surface of the support bar on which the transducer is installed to prevent exposure of wires connected to the transducer. 제1항에 있어서, 상기 주걱형 컨넥터는 상부에서 하부로 내려갈수록 폭은 넓어지고 두께는 얇아져서 하단부가 날카로운 칼날 형태를 갖는 주걱형상을 이루고 있는 것을 특징으로 하는 탄성파속도 측정장치.The apparatus of claim 1, wherein the spatula-type connector becomes wider and thinner from the top to the bottom to form a spatula having a sharp blade. 제1항에 있어서, 상기 다수의 트랜스듀서는 상기 다수의 지지바 중 어느 한 쪽의 내향면과, 그에 대향하는 지지바의 내향면에 상하로 설치되는 것을 특징으로 하는 탄성파속도 측정장치.The apparatus of claim 1, wherein the plurality of transducers are disposed up and down on an inward surface of one of the plurality of support bars and an inward surface of a support bar opposite thereto. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 대향하는 트랜스듀서간의 발신 및 수신은 동일 높이 뿐만 아니라 다른 높이 간에도 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄성파속도 측정장치.The apparatus of claim 1 or 4, wherein transmission and reception between the opposing transducers are performed not only at the same height but also at different heights. 제1항에 있어서, 상기 환형의 가이드슈는 둥근 환형상을 이루고 있으며 상부면에 상기 다수의 지지바의 단부가 결합되고, 지반에 관입될 때 지반의 저항과 교란을 최소화하도록 하부가 칼날과 같이 예리하게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 탄성파속도 측정장치.According to claim 1, The annular guide shoe has a round annular shape and the end of the plurality of support bar is coupled to the upper surface, the lower portion is like a blade so as to minimize ground resistance and disturbance when intruding into the ground Elastic wave velocity measuring device, characterized in that formed sharply. 관입봉에 제1항의 탄성파속도 측정장치를 결합하고 상기 결합된 관입봉을 지반내로 관입시키는 제1 단계;A first step of coupling the elastic wave speed measuring apparatus of claim 1 to the penetration rod and injecting the combined penetration rod into the ground; 다수개의 트랜스듀서 중 하나에서 탄성파를 발신하고 대향위치에 설치된 트랜스듀서에서 상기 신호를 수신하여 도달시간(t)을 산출하는 제2 단계; A second step of calculating an arrival time (t) by transmitting an elastic wave in one of a plurality of transducers and receiving the signal from a transducer installed at an opposite position; 상기 도달시간(t)과 트랜스듀서간의 거리(L)를 이용하여 탄성파의 속도(Vp,Vs)를 하기 수학식 1에 의하여 산출하는 제3 단계; 및A third step of calculating the speeds Vp and Vs of the acoustic wave by using the arrival time t and the distance L between the transducers according to Equation 1 below; And 상기 탄성파속도(Vp,Vs)를 이용하여 하기 수학식 2과 수학식 3에 의하여 지반의 토질정수(M,G)를 산출하고 비등방성(anisotropy)을 산정하는 제4 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄성파속도 측정방법.A fourth step of calculating soil constants (M, G) of the ground by using Equations 2 and 3 using the elastic wave velocities (Vp, Vs) and calculating anisotropy; Elastic wave velocity measurement method, characterized in that consisting of. [수학식 1][Equation 1]
Figure 112007025513467-pat00005
Figure 112007025513467-pat00005
[수학식 2][Equation 2]
Figure 112007025513467-pat00006
Figure 112007025513467-pat00006
[수학식 3][Equation 3]
Figure 112007025513467-pat00007
Figure 112007025513467-pat00007
(여기서, L은 발신기와 수신기 사이의 거리, t는 탄성파의 도달시간, V는 탄성파의 속도, Vp는 압축파 속도, Vs는 전단파 속도, M은 구속탄성계수, G는 전단탄성계수, ρ는 지반의 밀도임)Where L is the distance between the transmitter and receiver, t is the arrival time of the seismic wave, V is the velocity of the seismic wave, Vp is the compressed wave velocity, Vs is the shear wave velocity, M is the constraint modulus, G is the shear modulus, The density of the ground)
제7항에 있어서, 상기 제3 단계에서 수평방향의 속도는 수평으로 대향하고 있는 트랜스듀서간의 거리와 시간을 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 탄성파 속도 측정방법.8. The method of claim 7, wherein the horizontal speed is calculated using the distance and time between the transducers facing each other horizontally in the third step. 제7항에 있어서, 상기 제3 단계에서 경사방향의 속도는 일측의 하부 트랜스듀서와 대향측의 상부 트랜스듀서간의 거리와 시간을 이용하거나 또는 일측의 상부 트랜스듀서와 대향측의 하부 트랜스듀서간의 거리와 시간을 이용하는 것 중 어느 하나를 선택하여 계산하는 것을 특징으로 하는 탄성파속도 측정방법.8. The method of claim 7, wherein the speed in the inclined direction in the third step uses a distance and time between the lower transducer on one side and the upper transducer on the opposite side or the distance between the upper transducer on the one side and the lower transducer on the opposite side. Method for measuring the acoustic wave, characterized in that for calculating and selecting any one of using and time.
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