Наземный сейсмопрофилограф

Наземный сейсмопрофилограф

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к сейсмоакустической аппаратуре и может быть использовано в/ геологоразведке для поиска руд, гидрогеологических и инженерных изысканий. Цель - увеличение разрешающей способности и помехозащищенности . Источник возбуждения сейсмических сигналов выполнен в виде акустического преобразователя. состоящего из трех пьезокерамических продольных вибраторов, содержащих переднюю и заднюю накладки. Между накладками размещен сжатый армирующим элементом пакет из продольно-поляризованных пьезокерамических шайб. Вибраторы размещены в вершинах углов равностороннего треугольника в пределах расстояния, равного половине длины акустической волны в грунте. Вибраторы соединены механически посредством шарниров-с контейнером, в котором размещены злектронньй генератор импульсов и усилители с блоком обработки информации. Вибраторы сиабжешй элементами фиксации в заданном положении. Передняя накладка выполнена с конической выемкой в центре. За счет возможности получения большой направленности в режимах излучения и особеИно в режиме приема реализуется возможность перехода работы прибора в более высокий частотный диапазон. 6 ил. i (Л С ОС ее О5

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ÄÄSUÄÄ 1396110 A i (51)4 G 01 У 1/40

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3795159/24-25 (22) 27,09.84 (46) 15.05.88. Бюл. В 18 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт ядерной геофизики и геохимии (72) В. Н, Носов (53) 550.83(088.8) (56) Гурвич И. И. Боганик Г. H. Сейсмическая разведка. М.: Недра, 1980, с. 5-6.

Аппаратура СНЦ-3 НПО Рудгеофизика, Проспект ВДНХ, 1980. (54) НАЗЕМНЫЙ СЕЙСМОПРОФИЛОГРАФ (57) Изобретение относится к сейсмоакустической аппаратуре и может быть использовано в геологоразведке для поиска руд, гидрогеологических и инженерных изысканий. Цель — увеличение разрешающей способности и помехозащищенности. Источник возбуждения сейсмических сигналов выполнен в виде акустического преобразователя, состоящего из трех пьезокерамнческих продольных вибраторов, содержащих переднюю и заднюю накладки. Между накладками размещен сжатый армирующнм элементом пакет из продольно-поляризованных пьезокерамических шайб. Вибраторы размещены в вершинах углов равностороннего треугольника в пределах расстояния, равного половине длины акустической волны в грунте.

Вибраторы соединены механически посредством шарниров с контейнером, в котором размещены электронный генератор импульсов и усилители с блоком обработки информации. Вибраторы снабжены элементами фиксации в заданном положении. Передняя накладка выполнена с конической выемкой в центре. За счет возможности получения большой направленности в режимах излучения и особенно в режиме приема реализуется возможность перехода работы прибора в более высокий частотный диапазон. 6 ил.

1396110

Изобретение относится к сейсмоакустической аппаратуре и может быть использовано в геологоразведочной промЫшленности для поиска рур, гидрогеологических и инженерных изысканий при строительстве и эксплуатации гражданских и промышленных зданий и соору" жений, а также для изысканий под гидротехническое, промьппленное, дорожное 0 и гражданское строительство.

Целью изобретения является увели ение разрешающей способности и поме х аэащищенности.

На фиг. 1 и 2 изображен наземный, 15 ейсмопрофилограф в двух проекциях; ь1а фиг. 3 — блок-схема сейсмопрофилоrtpa4a; на фиг. 4 — временные диаграмь ы излученных, принятых и обработанфи сигналов; íà фиг. 5 и 6 - харак- .20 теристики направленности в режимах излучения и приема (фиг. 5 — вид верху).

Наземный сейсмопрофилограф (фиг. 1 и 2) содержит три идентичных по кон25 струкции и параметрам пьезокерамических продольных вибратора 1 . — 3, сое,диненных с контейнером 4 посредством шарниров 5 — 7, способных фиксировать" ся в любом заданном положении с помо-3О

Щью болтов или других элементов.

I ..

Продольные вибраторы расположенъ| ф вершинах углов равностороннего треугольника в пределах расстояния, рав- З. його Л /2, где Д вЂ” длина продольной

Волны в исследуемом грунте. Передние

Накладки 8, через которые производится излучение и прием упругих колебаний, акустически связаны с грунтом 40

Непосредственно без всяких промежуточных контактных сред..К.тыльной части этой накладки приклеен пьезокерамический пакет 9, состоящий из двух равных частей, разделенных посредине введенньи кольцом 10. В передней накладке 8 выполнена выемка конической формы для улучшения излучения и приема поперечных колебаний и создания высокого удельного давле,ния на грунт с целью обеспечения стабильного и надежного акустического контакта. Внутри пьезопакета 9, выполненного из продольно-поляризованного набора шайб из пьезокерамики, размещен армирующий элемент 11 в виде трубки, проходящей через эадннхо накладку !2, оканчивающийся резьбой для армирующей гайки 13. Над задней накладкой размещен на расстоянии не менее полуволны в заполняющей корпус жидкости подвикной акустически жесткий экран 14, перемещающий вдоль продбльной оси продольного вибратора путем ввинчивания и вывинчивания винта 15 и гайки 16 с помощью рукоятки

l7. Вместо последней может быть установлен электромеханический привод.

Длина хода экрана 14 не менее нескольких длин волн в жидкости, заполняющей корпус вибратора. Продольный вибратор крепится на корпус в точке, где существует узел продольных колебаний. Между фланцами шарниров 6 могут для варьирования базы между вибраторами 1-3 размещаться вкладыши с плоскими или наклонными торцами.

В последнем случае продольные оси z вибраторов 1-3 могут быть направлены под заданным углом в заданную точку пространства, что позволяет производить фокусирование излучаемой энергии в определенную область озвучиваемого пространства, Фланцы шарниров 6 допускают также установку вибраторов под необходимым углом по окружности, что позволяет производить прием-излучение отраженных поперечных волн и ослабить прием-излучение продольных волн. Внутри контейнера 4 размещаются блок обработки сигналов и электронный генератор зондирующих радиоимпульсов.

На фиг. 3 приведена блок-схема наземного сейсмопрофилографа, в которой показаны синхронизатор 18, блок 19 прием-передача, усилители 20-22 принятых сигналов, охваченных временной автоматической регулировкой 23 усиления (ВАРУ), работающей от сигналов синхронизатора 18. Выходы усилителей соединены с сумматором 24 сигналов и перемножителем 25 сигналов, причем выход сумматора также связан с входом перемножителя. Выход перемножителя соединен с входом интегрирующего устройства 26. Совместно перемножитель

25 сигналов и интегрирующее устройство 26 образуют коррелятор, выход ко.торого соединен с входом регистраторов 27 или 28. В последнем случае использован самописец типа "Иней" с записью на электротермическую,бумагу (можно испольэовать и другой самопи3 сец), а в качестве регистратора 27 использован осциллограф с послесвечением. Устройство может быть выполнено в аналоговом или цифровом варианте.

l396II0

Синхронизатор 18 соединен также с электронным генератором зондирующих импульсов, размещенным в контейнере 4.

На фиг ° 4 приведены временные диаграммы, показывающие работу наземного

5 сейсмопрофнлографа в режимах излучения и приема. На коррелограмме КФ буквой P обозначена продольная волна, а буквой S — поперечная. Буквой I обозначен импульс, соответствующий моменту излучения (зондирующий импульс после прохождения блока обработки сигналов). На фиг. 5 показаны диаграммы направленности в режиме излуче- 15 ния (обозначено окружностями) и корреляционная диаграмма (заштрнховано), На фиг. 1 показана корреляционная диаграмма направленности в пространстве (диаграмма КФ в вертикальной плоскости при приеме отраженных волн). Как видно из фиг. 5, ширина корреляцион- ной диаграммы направленности значительно уже исходных амплитудных диаграмм, что обеспечивает повышение 5 помехозащищенности и разрешающей спо- собности предлагаемого устройства.

Наземный сейсмопрофилограф работа.-

> ет следукщим образом.

Выходной импульс синхронизатора 18, который может также работать и в ждущем режиме, запускает электронный генератор и систему ВАРУ 23.

Электронный генератор выдает мощный радиоимпульс У (фиг. 4), направляемый одновременно через блок 19 прием-передача на входы продольных вибраторОв 1 — 3. Радиоимпульс состОит из трех или другого числа полупериодов. Блок 19 представляет собой автоматически действующий диодный коммутатор, открывакщийся при подаче на него импульсов от электронного гене.ратора и пропускающих их на входы вибраторов и наоборот в режиме приема 45 пропускающий принятый сигнал на входы усилителей 20 — 22. Во избежание перегрузки входы этих усилителей защищены ограничителями, входящими в состав блока 19. В отсутствие зонди- рующего сигнала выход электронного генератора отключен от вибраторов за счет того, что последовательно с ним включены два параллельно соединенных диода причем анод одного диода соединен с катодом другого. Условно на фиг. 2 обозначен один блок 19 приемпередача. В действительности каждый из продольных вибраторов 1 — 3 снабжен отдельньм таким блоком. Поданные на входы пьезопакетов 9 радиоимпульсы вызывают за счет прямого пьезоэффекта увеличение и укорочение длины пьезопакетов го обе стороны от кольца 10 что приводит к перемещению накладок 8 и 12. Если пакет расширяетсл, то накладка 12 создает в жидкости, заполняющей корпус, в котором ° размещен продольный вибратор, волну сжатия, распространяющуюся в сторону подвижного акустически жесткого экрана 14, в то время как передняя накладка 8 (фиг. I) излучает упругую энергию в грунт, на котором она установлена. Излучение вибраторов синхронное (фиг. 4). Импульс, излученный задней накладкой 12, излучается с временной задержкой

+ ь +ь +ь = 2 L /L +

Ьу/с, + Ь /с 1 (1 ) где 2 7„

t задержка, обусловленная распространением звука в промежутке между накладкой

12 и экраном !4; задержка вследствие распространения звука по волноводу !1; задержка вследствие распространения эвука по накладке 8; длина пути, по которому! распространяется звук; с — скорости распространения звука в средах, .по которьм он распространяется.

В наземном сейсмопрофилографе использован корреляционный метод обработки принятых сигналов. Акустическое давление Р отраженного сигнала воздействует на накладки 8 всех трех продольных вибраторов 1 — 3, и за счет обратного пьезоэффекта на выходе появляется электрическое напряжение сложной формы (фиг. 4}, подаваемое на входы блока 19 прием — передача, пропускающего указанные сигналы на входы усилителей 20 — 22. Система

ВАРУ 23, которая в случае необходимости может отключаться вручную, предохраняет усилительньпЪ тракт от перегрузки, обеспечивая необходимый закон, по которому изменяется коэффициент усиления в зависимости от! 396! 10 в грунте будет направленньпч ° Каждую накладку 8 можно рассматривать как точечный источник (см. фиг, 5), Максимальная концентрация энергии имеет5 ся s центре. Характеристика направленности в режиме излучения описывается выражением (2) Е = i,(Êd вп Е/2), акустических свойств, н в первую очерадь от затухания, горных пород. Выходные сигналы усилителей поступают ка сумматор 24, складываются и далее направляются на вход перемножителя

25 сигналов. На остальные три входа перемножителя поступают сигналы с выходов усилителей 20-22, После перемножения выходной сигнал интегриру- 10 ется с помощью интегратора 26, с выхода которого сигнал подается на регистраторы 27 и 28 (фиг. 3). Вид сигналов и временных диаграмм приведен нв фиг. 3. Вследствие некоррелирован- 15 н сти или частичной коррелированнос1и устройство хорошо выделяет только первые вступления продольной и поперечной волн P и Я. При этом поперечная волна излучается и принимается . 2О

l за счет наличия в накладках 8 выемок конической формы. Как видно из диа." граммы направленности (фиг. 5 и 6), ширина корреляционной диаграммы направленности КФ, получаемой в режиме 25

Приема, намного уже исходных сферических диаграмм, что обеспечивает повьгшение разрешающей способности сейсмоЙрофилографа на низких частотах и повышение помехозащищенности вследствие ЗО уменьшения воздействия помех.

Таким образом, как это видно из конструкции приемно-излучающего устройства (фиг. 1) и как следует из выражения (1) путем изменения расФ

35 фтояния Ъ, между экраном 14 и наклацкой 12 можно изменять время распространения сигналов, излучаемых накладкой 12 (выражение (1) действительно и для режима приема). Кроме того,„ на: величину временной задержки оказывает влияние, как это следует из вы.ражения (1 ), и величина скорости распространения звука в жидкости с, = с „ = f. Фазировка колебаний с

Помощью замены жидкос.ти является гру-, бой и ступенчатой, и к этому методу можно прибегать только при ведении геофизических работ на массивах, у которых резко отличаются акустические

Характеристики. Если колебания волн.:овода и накладки 8 сфазированы, то амплитуда на выходе .устройства максимальна, и в грунт излучается самая большая акустическая мощность. За

55 счет пространственной расстановки вибраторов (через расстояние, равное половине длины продольной волны в грунте) распространение колебаний где Š— отношение звукового давле8 ния под углом 6 к осевому давлению К = 2 7 /й;

d — диаметр окружности, на которой размещены накладки 8 вибраторов 1 — 3;

I — функция Бесселя нулевого о порядка.

Направленность определяется диаметром кольца. Однако во избежание появления боковых лепестков в характеристике направленности и для их уменьшения расстояние между накладками 8 выбрано равным Л >/2, где длина волны в грунте. Для подбора этого расстояния длина шарниров 5 и

7 или вставка между фланцами (фиг. 1) может быть переменной. Можно выбирать режим работы устройства на продольных или поперечных волнах.

Амплитуда выходных сигналов блока обработки,в данном случае дисперсии, пропорциональна четвертой степени.

Дисперсия соответствует максимуму корреляционной диаграммы направленности КФ (фиг. 6). В связи с этим с помощью устройства удается резко обострить луч, как в режиме излучения, так и в режиме приема. Величина помех при этом уменьшается за счет сужения характеристики направленности в режиме излучения из-за уменьшения отраженных сигналов от поверхности и объектов, размещенных в приповерхностных слоях массива. В режиме приема помеха подавляется за счет своей некоррелированности в корреляторе.

Подвижной акустически жесткий экран

14 (фиг. 1) позволяет формировать в режимах излучения и приема импульсы желаемой длительности и формы за счет фаэировки сигналов, иэлучаемык накладками 8 и 12, что приводит к повышению помехозащишенности и разрешающей способности устройства, поскольку и в режиме приема продолжительные по длительности помехи будут подавляться в самом акустическом преобразователе

139Û 10 или же расфазироваться, что приведет к дальнейшей их фильтрации в корреляторе.

Таким образом, приемно-излучающееУ устроиство может функционировать как . дискриминатор импульсов по длительности. Наклон вибраторов 1 " 3 к центру эа счет поворота и фиксации шарниров

5-7 позволяет сфокусировать излучаемую акустическую энергию на заданном расстоянии в грунте. Обратимость пьезокерамических вибраторов 1 — 3 позволяет получить идеальное согласование частотных характеристик и характеристик направленности в режимах излучения и приема и повысить разрешающую способность устройства. За счет воэможности получения большой направленности в режимах излучения и особенно 20 в режиме приема реализуется возможность перехода работы прибора в более высокочастотный диапазон (3000 "

8000 Гц), что недостижимо для сейсмоакустических устройств, источником звука в которых является механический ненаправленный источник. В связи с этим разрешающая способность профилографа увеличивается в 10-20 раз, а помехозащищенность примерно в

10 раз.

Формула изобретения

Наземный сейсмопрофилограф, содержащий источник возбуждения сейсмических сигналов, накопитель из трех каналов, включающий приемники и усилители, блок обработки принятой информации, выполненный в виде сумматора и интегратора, K выходу которого подключен индикатор и регистратор, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью увеличения разрешающей способности и помехозащищенности, источник возбуждения сейсмических сигналов выполнен в виде акустического преобразователя, состоящего иэ трех пьезокерамических продольных вибраторов, содержащих переднюю и заднюю накл,щки, между которыми размещен сжатый армьфующий элементом пакет из продольно-поляризованных пьеэокерамическ ы шайб, при этом вибраторы размещены в вершинах углов равностороннего треугольника в пределах расстояний, равных половине длины акустической волны в грунте, соединены механически посредством шарниров с контейнером, в котором размещены электронный генератор импульсов и усилители с блоком обработки информации, снабжены элементами фиксации в заданном положении, причем передняя накладка. выполнена с конической выемкой в центре, блок обработки информации снабжен перемножающим устройством с четырьмя входами, соответственно подключенными к выходам усилителей и сумматора, а выход к входу интегратора, входы усилителей и выход электронного генератора импульсов подключены к входу пьезокерамических продольных вибраторов через электронный блок прием-передача.

iз ь| о

Составитель Н. Гусева

Редактор Е, Копча Техред А. КРавчук KoppeKTop М. Шароши

Заказ 2493/49 Тираж 522 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Рауаская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4