ТРЕХКОМПОНЕНТНЫЙ ПРИЕМНИК АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 1999 года по МПК G01V1/16 

Изобретение относится к области регистрации упругих волн, в частности инфразвуковых колебаний, и может быть использовано для регистрации упругих волн в твердых, жидких и газообразных средах, в частности сейсморазведке, метеорологии, дефектоскопии твердых тел и т.д.

Известен трехкомпонентный сейсмограф (US, патент N 3626364 G 01 V 1/16, 1971), содержащий три подвешенные массы, которые практически без трения могут перемещаться под действием внешних звуковых колебаний в определенных направлениях в магнитном поле. Детектирующий блок реагирует на перемещение каждой из масс и генерирует сигнал, характеризующий звуковые колебания, вызывающие перемещение соответствующей массы. Недостатком известной конструкции следует признать невозможность использования ее для регистрации колебаний в инфразвуковом диапазоне частот, а также инерционность системы.

Известен трехкомпонентный пьезоэлектрический сейсмометр (SU, авт. свид. N 397868 G 01 V 1/16, 1974), содержащий корпус, внутри которого расположена сферическая инертная масса, положение которой зафиксировано шестью идентичными узлами, каждый из которых состоит из жестко скрепленных друг с другом толкателя, пьезоэлемента и центрирующего элемента. Прижим фиксирующих узлов к инертной массе осуществлен пружинами, расположенными между дном соответствующего паза корпуса и ножкой толкателя. Фиксирующие узлы с пьезоэлементами расположены попарно вдоль трех взаимно перпендикулярных осей, пересекающихся в одной точке.

Сейсмометр работает следующим образом. Толкатели скользят в пазах корпуса и за счет упругости пружин давят на пьезоэлементы и через пьезоэлементы на центрирующие элементы. Это приводит к одинаковому прижатию всех центрирующих элементов к инерционной массе и фиксации инертной массы в центре пересечения осей. При возникновении давления по одной из осей давление на один из пьезоэлементов увеличивается, а на противоположный - уменьшается, при этом генерируется соответствующий электрический сигнал пьезоэлементами, который регистрируется блоком регистрации. Недостатком данного устройства следует признать сложность выставления инертной массы точно в центр пересечения осей, что снижает точность измерений, а также невозможность регистрации колебаний в инфразвуковом диапазоне частот.

Известен также трехкомпонентный пьезоэлектрический сейсмоакустический приемник (SU, авт. свид. N 1718173 G 01 V 1/16, 1992), содержащий корпус, общий инерционный элемент, шесть пьезоэлектрических пакетов, подобранных из четырех пьезоэлементов каждый. Каждый пьезоэлектрический пакет своим основанием опирается на дно соответствующего стакана, а верхняя часть пакета посредством шпильки и гайки с шайбой касается инерционного элемента. Под действием звуковой волны возбуждаются колебания корпуса, вызывающие с некоторым запаздыванием по фазе и амплитуде колебания инерционного элемента, регистрируемого пьезопакетами, вырабатывающими электрический сигнал. Недостатком данного устройства следует признать невозможность регистрации колебаний в инфразвуковом диапазоне частот.

Известен также трехкомпонентный симметричный сейсмоприемник (SU, авт. свид. N 1057910 G 01 V 1/1, 1983), содержащий три однотипных преобразовательных элемента, расположенных в корпусе под углом 35^o 20' к горизонтали и различающийся азимутальными углами на 120^o, причем элементы жестко фиксированы крышкой. Крышка и корпус имеют приливы для установки разъема, соединяющего сейсмоприемник с кабелем. Корпус устанавливают на земле, соединяют сейсмоприемник посредством разъема и кабеля с блоком регистрации. Недостатком данной конструкции следует признать зависимость точности регистрации колебаний от точности ориентации преобразовательных элементов, а также невозможность регистрации сигналов в инфразвуковом диапазоне частот.

Наиболее близким аналогом для регистрации сигналов в инфразвуковом диапазоне частот является приемник акустических колебаний, содержащий установленный на основании электрохимический преобразователь механических колебаний, выполненный в виде полого корпуса, закрытого с обоих торцов упругими эластичными мембранами и заполненного электрохимической окислительно-восстановительной системой, причем внутренний объем полого корпуса разделен на два отсека, соединенных каналом, в котором размещен электродный блок, состоящий из двух параллельно расположенных электродов, ориентированных под углом 90^o относительно оси канала (Сейсмические приборы, вып. 11,- М.: Наука, 1978).

Недостатком этого преобразователя является то, что в связи с асимметричной конструкцией электродного блока и его ориентацией под углом 90^o относительно оси канала, он имеет сравнительно большое время релаксации, невысокую чувствительность в инфразвуковом диапазоне частот, высокий уровень собственных шумов, что затрудняет его использование в указанном диапазоне частот.

В настоящее время уровень существующих знаний позволяет рассматривать, в основном, две разновидности волн, распространяющихся в упругой среде: объемные - продольные и поперечные; поверхностные - волны Релея и волны Лява. В первом приближении эти волны различаются друг от друга скоростью распространения и плоскостью ориентации относительно направления распространения. Общепринято, что для выделения и исследования различных типов волн вполне достаточно использовать установки с ортогонально расположенными преобразователями. Однако проводимые исследования иногда приводили к трудно объяснимым результатам. Оказалось, что в случае выхода волн на поверхность раздела под некоторыми углами к горизонту (так называемое "косое падение") наблюдались случаи, когда нарушалась классическая закономерность распространения волн. При этом было установлено, что это нарушение не превышает 20^o, т.е. оптимальное выделение и прослеживание волн наблюдалось при неортогональном расположении преобразователей. Большой интерес в настоящее время обращен также к очень слабо изученной области инфразвуковых частот.

Техническая задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в повышении качества исследований различных физических процессов, происходящих в инфразвуковой области частот, в частности исследований закономерностей распространения различных типов волн.

Технический результат, получаемый в результате реализации изобретения, состоит в создании малогабаритного высокочувствительного приемника акустических колебаний, способного при установке в любой пространственной ориентации производить регистрацию волн, распространяющихся в инфразвуковом диапазоне частот с низким уровнем собственных шумов, высокой чувствительностью, независимостью от влияния атмосферных воздействий и возможностью его использования практически при любых статических наклонах. Это качество приемника акустических колебаний весьма существенно в случае его использования в автономных донных системах.

Указанная задача достигается тем, что приемник акустических колебаний, содержащий установленный на основании преобразователь, выполненный в виде полого корпуса, закрытого с обоих торцов упругими эластичными мембранами и заполненного электрической окислительно-восстановительной системой, внутренний объем полого корпуса разделен на два отсека, соединенных каналом, в котором расположены электроды, подключенные к блоку регистрации, дополнен двумя однотипными преобразователями, при этом все три преобразователя установлены на основании под углом 70^o - 110^o друг относительно друга, причем все электроды указанных преобразователей выполнены в виде двух параллельных перфорированных измерительных электродов, охваченных двумя параллельными перфорированными противоэлектродами и расположенных под углом 70 - 110^o относительно оси канала.

Указанная задача достигается также тем, что основание с преобразователями помещено в корпус, выполненный из механически прочного материала, блок регистрации содержит параллельно включенные три канала регистрации, каждый из которых содержит последовательно включенные предварительный усилитель, формирователь амплитудно-частотной характеристики и оконечный усилитель, все оконечные усилители соединены с общим регистратором, причем каждый преобразователь закреплен в индивидуальном кожухе, в котором выполнен канал, соединяющий надмембранные полости. Предпочтительно, чтобы измерительные электроды и противоэлектроды были выполнены из химически инертного материала, в частности из платины.

На фиг. 1 приведен общий вид разреза приемника акустических колебаний;
на фиг. 2 - разрез преобразователя;
на фиг. 3 - блок-схема канала регистрации.

Предлагаемый приемник акустических колебаний содержит основание 1, на котором расположены три преобразователя 2 - 4, причем каждый преобразователь представляет собой полый корпус 5, герметично закрытый с обоих торцов упругими эластичными мембранами 6 и заполненный электрохимической окислительно-восстановительной системой 7, внутренний объем полого корпуса 5 разделен на два отсека 8, соединенных каналом 9, в котором расположены два измерительных электрода 10 и два противоэлектрода 11, которые охватывают измерительные электроды 10, причем все электроды выполнены перфорированными. Преимущественно каждый преобразователь помещен в индивидуальный кожух 12, причем надмембранные полости 13 соединены каналом 14, выполненным на внутренней поверхности индивидуального кожуха 12. Преобразователи 2-4 и основание 1 могут быть помещены в корпусе 15 из механически прочного материала.

Приемник акустических колебаний работает следующим образом.

Приемник устанавливают соответствующим образом в исследуемой среде в необходимой ориентации по странам света и посредством разъема 16 подключают к предусилителю 17 и формирователю амплитудно-частотной характеристики 18. Входной каскад предусилителя 17 расположен внутри корпуса 15. После включения аппаратуры выдерживается пауза для приведения ее в состояние готовности. За это время в преобразователях устанавливается фоновый ток. Затем с помощью оконечного усилителя 19 выставляют коэффициент усиления, обеспечивающий на регистраторе 20 необходимую амплитуду электрического сигнала от каждого из трех преобразователей. Аппаратура готова к проведению записи сигналов по намеченной программе. Благодаря защите измерительных электродов 10 от влияния отсеков 8, преобразователь слабо реагирует на резкие одиночные воздействия, обусловленные, например, работающими вблизи ударными механизмами. Помимо этого существенно снижены время релаксации, уровень собственных шумов, повышена полезная чувствительность. Благодаря наличию индивидуальных кожухов 12 и корпуса 15 приемник акустических колебаний практически не подвержен влиянию атмосферных воздействий.

Как известно, при донных исследованиях на больших глубинах практически невозможно установить приемник строго горизонтально ввиду неровностей дна. Это является серьезным препятствием при использовании для проведения инфразвуковых исследований обычных трехкомпонентных установок. В связи с этим предлагаемый приемник акустических колебаний весьма актуален при использовании его в донных автономных системах. Сочетание углов наклона преобразователей 2-4 (70^o - 110^o) с углами наклона их электродных блоков 10-11 (70^o - 110^o) практически исключает при донных постановках вероятность расположения электродного блока в опасной горизонтальной плоскости.

При регистрации различных волновых процессов приемник акустических колебаний может быть весьма эффективно использован в случаях определения направления на источник колебаний, а также для разделения распространяющихся волн по их типу (продольные, поперечные, волны Релея, волны Лява и т.д.).

Назначение: изобретение относится к области регистрации упругих волн в инфразвуковой области частот и может быть использовано для регистрации колебаний, распространяющихся в твердых, жидких и газообразных средах, в частности, сейсморазведке, метеорологии, дефектоскопии твердых тел и т.д. Сущность изобретения: приемник акустических колебаний выполнен в виде основания, на котором под углом 70-110^o друг относительно друга расположены три однотипных преобразователя, соединенных посредством общего разъема с блоком регистрации. Преобразователь представляет собой полый корпус, торцы которого закрыты упругими эластичными мембранами. Внутренний объем полого корпуса разделен на два отсека, соединенных каналом. В канале расположены два перфорированных измерительных электрода и два перфорированных противоэлектрода, которые охватывают измерительные электроды. Электроды и противоэлектроды расположены в канале под углом 70-110^o. Технический результат, получаемый в результате реализации изобретения, состоит в создании малогабаритного высокочувствительного приемника акустических колебаний, способного при установке в любой пространственной ориентации производить регистрацию волн, распространяющихся в инфразвуковом диапазоне частот с низким уровнем собственных шумов, высокой чувствительностью, независимостью от влияния атмосферных воздействий и возможностью его использования практически при любых статических наклонах. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Приемник акустических колебаний, содержащий установленный на основании преобразователь, выполненный в виде полого корпуса, закрытого с обоих торцов упругими эластичными мембранами и заполненного электрохимической окислительно-восстановительной системой, причем внутренний объем корпуса разделен на два отсека, соединенных каналом, в котором расположены электроды, подключенные к блоку регистрации, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен двумя однотипными преобразователями, при этом все три преобразователя установлены на основании под углом 70 - 110^o друг относительно друга, причем в канале каждого преобразователя под углом 70 - 110^o расположены два параллельных перфорированных электрода, охваченных двумя перфорированными противоэлектродами. 2. Приемник по п.1, отличающийся тем, что блок регистрации содержит параллельно включенные три канала регистрации, каждый из которых содержит последовательно включенные предварительный усилитель, формирователь амплитудно-частотной характеристики и оконечный усилитель, причем все оконечные усилители соединены с общим регистратором. 3. Приемник по п.1, отличающийся тем, что каждый преобразователь закреплен в индивидуальном кожухе. 4. Приемник по п.1, отличающийся тем, что в каждом индивидуальном кожухе выполнен канал, соединяющий надмембранные полости. 5. Приемник по п.1, отличающийся тем, что основание с преобразователями помещено в корпус, выполненный из механически прочного материала.