瑞利波勘探法是工程物探中的重要方法,具有无损、快速、经济、有效等优势,利用其频散特性可以详细、客观地提供地层变化的地质资料。作为浅地层勘探的重要方法,瑞利面波法在理论研究和实践方面不断取得突破,就瑞利面波的速度频散特性而言,理论上在层状介质中瑞利面波存在多模式现象,针对多模式频散特性的探索一直是瑞利面波研究领域中的焦点。除此之外,瑞利面波的多分量动力学特性—椭圆极化运动,也颇受研究者的关注。从解析解和数值模拟的角度研究瑞利面波的理论较为广泛,而从另一个角度,物理模拟方面进行的研究相对较少。物理模拟实验研究是实验室研究地下地质结构的重要方法,有着数值模拟等方法无法比拟的优势,因此,为加强物理模拟领域对瑞利面波的探索,本文从物理模拟方向入手进行研究。其中,虚拟仪器技术的使用在实验中起到重要作用,因其高精度、高质量的数据采集技术,对瑞利波多模态频散的展现和多分量瑞利面波的获取提供了良好的基础和可行性。此外,利用多分量的换能器从不同的方向获得地震波信息,为瑞利面波椭圆极化特性的研究提供了有力的数据支持,有助于减少地震勘探的多解性。基于此,本论文通过超声地震物理模拟实验,以模型相似理论为基础,从超声波和超声换能器特性出发,针对实际工程勘察中常见的地质结构,建立多种二维物理模型,运用时域分析、f-k域波场变换和H/V谱比法等分析方法,探索在水平层状介质中多模式面波频散曲线的形态特征和椭圆极化特性。实验研究结果表明:在水平层状介质中瑞利面波存在多模式现象,对多模式面波频散信息进行判断和分离,有助于提高对浅地表速度结构的勘探精度,但对于水平层状介质的表层上覆为高速介质时,实验中未发现高阶模式瑞利面波的存在,除此以外,研究中其他层状介质都存在多阶的瑞利波模式。同时,实验发现层状地层中“之”字型频散曲线的出现在一定程度上与瑞利面波的多阶性有关;通过对瑞利面波不同模态特性的研究,有利于在频散能量图中正确地识别面波不同模式,为数据处理及获得正确的反演结果提供基础。此外,根据实验所得数据通过H/V谱比法计算得到的瑞利面波椭圆极化率与模型介质的泊松比成反比,与其速度频散特性对地层信息的反映具有一致性,该实验研究结果与相关理论研究相一致,因此,利用瑞利面波椭圆极化频散特征,能够切实有效地分辨出地层的速度或泊松比结构。本论文通过物理模拟实验,对瑞利面波在层状介质中的多模式速度频散、能量分布,及椭圆极化特性进行了深入研究,研究结果丰富了物理模拟领域对瑞利面波特性的研究,为实际工程运用中的瑞利面波勘探提供理论支持,同时对深入了解瑞利面波基础理论及扩展工程应用范围具有重要价值和参考意义。