ВИБРАЦИОННЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И КАЛИБРОВКИ СЕЙСМОРАЗВЕДОЧНОЙ АППАРАТУРЫ Российский патент 2001 года по МПК G01V1/16 

Изобретение относится к средствам исследования инерционных и акустических датчиков и может быть использовано для калибровки сейсморазведочной аппаратуры.

Известны системы исследования акустических датчиков (микрофонов и гидрофонов), содержащие герметичную камеру, в которой размещают исследуемые устройства, и где изменяющиеся давление создается поршнем, связанным с электродинамическим вибратором, например, микрофоном (1).

Недостатком такой системы является ограниченные возможности, т.к. она не является средством для исследования инерционных датчиков, а также для исследования в области частот ниже 40-60 Гц.

Известен вибростенд для исследования и эталонирования сейсморазведочной аппаратуры, содержащей основание, на котором укреплен пьезоэлектрический возбудитель механических колебаний, собранный на центрирующем элементе, стол, контрольный датчик, связанный с основанием, поршни, связанные с центрирующим элементом и образующие с его осевым каналом замкнутый объем, заполненный жидкостью (2).

Недостатком этого устройства является отсутствие возможности калибровки акустических датчиков.

Наиболее близким по совокупности общих признаков к предлагаемому является вибрационный стенд для исследования и калибровки сейсмоприемников, содержащий основание, на котором укреплен пьезоэлектрический возбудитель механических колебаний, стол и контрольный датчик, установленный на основании, связанные между собой центрирующим элементом (3).

Недостатком прототипа является, также отсутствие возможности калибровки акустических датчиков. Кроме того данное устройство имеет неравномерную амплитудно-частотную характеристику, что усложняет работу с ним при проведении исследований.

Технической задачей изобретения является расширение области применения, диапазона рабочих частот и снижение влияния внешних помех.

Поставленная задача решается следующим образом.

В вибрационный стенд для исследования и калибровки сейсморазведочной аппаратуры, содержащий пьезоэлектрический возбудитель механических колебаний, связанный со столом и основанием, контрольный датчик, введен упругий элемент в виде сильфона, образующий со столом и основанием замкнутый объем, в котором расположены возбудитель механических колебаний, контрольный датчик, установленный на столе и, дополнительный, контрольный акустический датчик, установленный на основании, при этом в столе выполнено отверстие, связывающее замкнутый объем с атмосферой, эффективное сечение которого выбрано из условия:
(1)
где S_эф - эффективная площадь стола;
L - длина отверстия в столе;
ν - кинематическая вязкость воздуха;
f_рез. - резонансная частота колебаний вибростенда;
A_рез. - амплитуда колебаний на резонансной частоте;
r - радиус стола;
Δ - высота столба воздуха от основания до стола;
а с внешней стороны стола, на отверстии, расположен установочный элемент, выполненный из эластичного материала.

Отличительными признаками в заявляемом устройстве являются:
- замкнутый объем, образованный упругим элементом-сильфоном со столом и основанием, позволяет разместить в нем контрольные датчик и возбудитель механических колебаний, экранировать их от влияния внешних электромагнитных полей;
- отверстие, выполненное в столе вибростенда, связывающее замкнутый объем с атмосферой, расширяет возможности применения устройства, а именно для исследования акустических датчиков и обеспечивает пневматическое демпфирование в системе;
- эффективное сечение, выбранное из условия в соответствии с выражением (1), таково, что не препятствует перетоку через него воздуха, при колебаниях стола вибростенда в частотном диапазоне от нижней граничной частоты f_н до верхней граничной частоты f_в и начинает препятствовать перетоку воздуха с увеличением ее до резонансной частоты f_рез. вибростенда, т.е. выполняет функцию пневматического демпфера, который уменьшает "выброс" на резонансной частоте, что позволяет скорректировать амплитудно-частотную характеристику вибростенда, расширить рабочий частотный диапазон;
- установочный элемент, расположенный с внешней стороны стола на отверстии, для образования воздушного зазора обеспечивает взаимодействие с чувствительным элементом контролируемого акустического датчика;
- дополнительный контрольный акустический датчик с заданными выходными параметрами, установленный на основании, обеспечивает исследование контролируемых акустических датчиков.

В известных авторам источниках научной и патентно-технической информации не описано устройство с перечисленной совокупностью признаков, направленной на решение поставленной технической задачи, это позволило сделать вывод о наличии в заявленном техническом решении критерия изобретения "изобретательский уровень".

На практике выбор эффективного сечения отверстия в столе вибростенда производится из следующих соображений.

Сила сопротивления, действующая в отверстии при колебаниях стола вибростенда такова, что не препятствует перетоку воздуха в рабочем диапазоне частот (f_н - f_в) и препятствует на частотах, примыкающих к частоте первого электромеханического резонанса - f_рез., при этом
f_рез > f_в,
F_c = H•X'₁ (2)
где H - показатель затухания;
X'₁ - скорость воздуха в отверстии.

Известно, что
(3)
где μ - динамическая вязкость воздуха;
L - длина отверстия в столе;
S_эф, S_эф.отв. - эффективные площади стола и отверстия.

При этом
(4)
где X' - скорость воздуха в замкнутом объеме, равная
X′= 2•πfA (5)
где A - амплитудное значение колебания стола;
f - текущая частота.

Таким образом
(6)
Сила давления, возникающая в замкнутом объеме при колебаниях стола вибростенда, заставляющая перетекать воздух из области избыточного давления в атмосферу и обратно в замкнутый объем:
F_y= ΔP•S_эф (7)
ΔP - избыточное давление в замкнутом объеме, равное
(8)
где λ - коэффициент сопротивления;
Δ - высота столба воздуха от основания до стола;
r - радиус стола;
ρ - плотность воздуха.

Известно, что
(9)
где R - Рейнольдсово число ≈2000 с учетом приведенного:
(10)
По условию необходимо выполнить неравенство:
F_c > F_q (11),
т.е.

(12)
где ν = μρ - кинематическая вязкость воздуха.

Учитывая, что амплитуда колебания стола вибростенда на резонансной частоте должна быть, примерно такой, как на плоском участке амплитудно-частотной характеристики, т.е. меньше на 40 дБ (100 раз), то
F_c = 100 F_g (13)
или
(14)
На чертеже представлен общий вид предлагаемого устройства. Вибростенд содержит упругий элемент в виде сильфона 1, образующий со столом 2 и основанием 3 замкнутый объем, в котором расположены пьезоэлектрический возбудитель механических колебаний 4, связанный со столом 2 и основанием 3, контрольный датчик ускорения 5, установленный на столе и, дополнительный, контрольный акустический датчик 6, установленный на основании. В столе вибростенда выполнено отверстие 7, связывающее замкнутый объем с атмосферой, на котором с внешней стороны стола, расположен установочный элемент 8.

Устройство работает следующим образом.

При подаче электрического сигнала с генератора пьезоэлементы возбудителя механических колебаний 4 деформируются, вызывая перемещение сильфона 1, стола 2, контрольного датчика ускорения 5 и испытуемых объектов: акустического датчика 9 и сейсмического датчика 10. При этом изменяется величина замкнутого объема, приводящая к изменению избыточного давления в нем и это давление фиксируется контрольным акустическим датчиком давления 6. Воздух, перетекающий через отверстие 7 в воздушный зазор, образованный установочным элементом 8, выполненным например, в виде резинового кольца или втулки, между столом 2 и чувствительным элементом испытуемого акустического датчика 9, приводит к возникновению, в этом зазоре избыточного давления, которое воздействует на чувствительный элемент преобразователя испытуемого датчика 9. Пропорциональное изменение давления в замкнутом объеме и воздушном зазоре, воздействующее на чувствительные элементы контрольного и испытуемого акустических датчиков давления, приводит к возникновению электрических сигналов, сравнивая которые, судят об основных характеристиках исследуемых акустических датчиков. Сравнивая выходные электрические сигналы контрольного датчика ускорения 5 и испытуемого сейсмического датчика 10, определяют характеристики исследуемого объекта. Конструктивное выполнение вибростенда обеспечивает защиту от электромагнитных наводок и помех, что существенно повышает точность исследования аппаратуры особенно в области низких частот.

Литература
1. "Приборы и системы для исследования вибрации, шума и удара". Справочник, т. 2, под редакцией В.В. Клюева. Москва, "Машиностроение", 1978 г., с. 235-236.

2. "Вибрационный стенд для исследования и эталонирования сейсморазведочной аппаратуры". А.С. 1762285, публ. 15.09.92 г. БИ N 34.

3. "Вибрационный стенд для исследования и калибровки вертикальных сейсмоприемников". А.С. N 700849, публ. 30.11.79 г. БИ N 44 (прототип).

Использование: для калибровки сейсморазведочной аппаратуры. Сущность изобретения: устройство содержит упругий элемент в виде сильфона, образующий со столом и основанием замкнутый объем, в котором расположены пьезоэлектрический возбудитель механических колебаний, связанный со столом и основанием, контрольный датчик ускорения, установленный на столе, и дополнительный контрольный акустический датчик, установленный на основании. В столе выполнено отверстие, связывающее замкнутый объем с атмосферой. Эффективное сечение отверстия выбрано из заданного условия. С внешней стороны стола на отверстии расположен установочный элемент, выполненный из эластичного материала и обеспечивающий взаимодействие с чувствительным элементом контролируемого акустического датчика. Технический результат - расширение области применения, диапазона рабочих частот и снижение влияния внешних помех. 1 ил.

Вибрационный стенд для исследования и калибровки сейсморазведочной аппаратуры, содержащий пьезоэлектрический возбудитель механических колебаний, связанный со столом и основанием, контрольный датчик, отличающийся тем, что в него введен упругий элемент в виде сильфона, образующий со столом и основанием замкнутый объем, в котором расположены возбудитель механических колебаний, контрольный датчик, установленный на столе, и дополнительный контрольный акустический датчик, установленный на основании, при этом в столе выполнено отверстие, связывающее замкнутый объем с атмосферой, эффективное сечение которого выбрано из условия

где S_эф - эффективная площадь стола;
L - длина отверстия в столе;
ν - кинематическая вязкость воздуха;
f_рез - резонансная частота колебаний вибростенда;
A_рез - амплитуда колебаний на резонансной частоте;
r - радиус стола;
Δ - высота столба воздуха от основания до стола,
а с внешней стороны стола на отверстии расположен установочный элемент, который выполнен из эластичного материала.