Наземный сейсмопрофилограф Советский патент 1988 года по МПК G01V1/143 

Изобретение относится к сейсмоаку- с1ической аппаратуре и; может быть ис- пользовано в геологоразведочной про- мьшшенности для поиска руд, гидрогео- логических и инженерных изысканий при строительстве и эксплуатации гражданских и промышленных зданий и сооружений, а также для изысканий под гид- рртехничёское, промьшшенное, дорожное и| гражданское строительство.

: Целью изобретения является увели- разрешающей способности и поме х|оз ащищенности.

I На фиг. 1 и 2 изображен наземный . 4ейсмопрофнлограф в двух проекциях; н|а фиг. 3 - блок-схема сейсмопрофило- 1|рафа; на фиг. 4 - временные диаграм- NJibi излученных, принятьк и обработан- i|bix сигналов; на фиг. 5 и 6 - харак т|еристики направленности в режимах Излучения и приема (фиг. 5 - вид 4верху).

; Наземный сейсмопрофилограф (фиг. I и 2) содержит три идентичных по кОн- (Ьтрукции и параметрам пьезокерамичес- ijCHK продольных вибратора 1 - 3, сое- (иненных с контейнером А посредством 1)иарииров 5 - 7, способных фиксировать я в любом заданном положении с помо ью болтов или других элементов.

Продольные вибраторы расположены вершинах углов равностороннего треугольника в пределах расстояния, равИого А /2, где длина продольной Ьолны в исследуемом грунте. Передние Накладки 8, через которые производится излучение и прием упругих коле банйй, акустически связаны с грунтом Непосредственно без всяких промежуточных контактных сред..К тьшьной части этой накладки приклеен пьезоке- рамический пакет 9, состоящий из двух равных частей, разделенных по- средине введенным кольцом 10. В передней накладке 8 вьпюлнена выемка конической формы для улучшения ченйя 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 1 1 в де трубки, проходящей через заднюю накладку 12, оканчивающийся резьбой для армирующей гайки 13, Над задней

накладкой размещен на расстоянии не менее полуволны в заполняющей корпус жидкости подвижной акустически жест- iкий экран 14, перемещающий вдоль про- дбльной оси продольного вибратора путем ввинчивания и вывинчивания винта 15 и гайки 16 с помощью рукоятки 17. Вместо последней может быть установлен электромеханический привод. Длина хода экрана 14 не менее нескольких длин волн в жидкости, заполняющей корпус вибратора. Продольный вибратор крепите 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 д 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 эле Тктронный 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 соединешл с сумматором 24 сигналов и перемножителем 25 сигналов, причем выход сумматора также связан с входом перемножителл. Выход перемножителя соединен с входом интегрирующего устройства 26. Совместно перёмножитель 25 сигналов и интегрирукицее устройство 26 образуют коррелятор, выход которого соединен с, входом регистраторов 27 или 28. В последнем случае использован самописец типа Иней с записью на эле1ктротермическу1о .бумагу (можно использовать и другой самописец), а в качестве регистратора 27 использован осциллограф с послесвечением. Устройство может быть вьшолнено в аналоговом или цифровом варианте.

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

На фиг. 4 приведены временные диа- граммы, показьшающие работу наземного сейсмопрофнлографа в режимах излучения и приема. На коррелограмме КФ буквой Р обозначена продольная волна, а буквой S - поперечная. Буквой I Q обозначен импульс, соответствующий моменту излучения (зондирующий импульс после прохождения блока обработки сигналов). На фиг. 5 показаны диаграммы направленности в режиме излуче-|5 кия (обозначено окружностями) и корреляционная диаграмма (заштриховано). На фиг. 1 показана корреляционная диаграмма направленности в пространстве (диаграмма КФ в вертикальной плоско- 20 сти при приеме отраженных волн). Как видно КЗ фиг. 5, ширина корреляцион- ной диаграммы направленности значительно уже исходных амплитудных диаграмм, что обеспечивает повышение 25 помехозащищенности и разрешающей спо- собности предлагаемого устройства. ;

Наземный сейсмопрофилограф работа;- ет следующим образом.

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

Электронный генератор вьщает мощ- ньй радиоимпульс W (фиг. 4), направляемый одновременно через блок 19 прием-передача на входы продольных вибраторбв 1-3. Радиоимпульс состоит из трех или другого числа полупериодов. Блок 19 представляет собой авто - Q матически действующий диодный коммутатор, открывающийся при подаче иа него импульсов от электронного генератора 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

35

состав блока 19. В отсутствие зонди

рующего сигнала выход электронного генератора отключен от вибраторов за счет того, что последовательно с ним включены два параллельно соединенш к диода причем анод одиого диода соединен с катоде другого. Условно на фиг. 2 обозначен один блок 19 прием- передача. В действительности каждый из продольных вибраторов I - 3 снабжен отдельным таким блоком. Поданные на входы пьезопакетов 9 радиоимпульсы вызывают за счет прямого пьечозф- 1фекта увеличение и укорочение длины пьезопакетов по обе стороны от кольца 10, что приводит к перемещению накладок 8 и 12. Если пакет расширя- етсл, 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, излучен- ньй задней накладкой 12, излучается с временной задержкой

5 1, 1,+ 2 + + L,/c + Lj/Cj ,

(1)

где 2 , - задержка, обусловленная распространением звука в промежутке между накладкой 12 и экраном 14;

ty - задержка вследствие распространения звука по волноводу I 1;

D. - задержка вследствие распространения звука по накладке 8;

L - длина пути, по которому

1

распространяется звук;

с - скорости распространения звука в средах, по которым он распространяется. В наземном сейсмопрофилографе использован корреляционньй метод обра- ботки 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, пропускакицего указанные сигналы на входы усилителей 20 - 22. Система ВАРУ 23, которая в случае необходимости может отключаться вручную, предохраняет усилительньш тракт от перегрузки, обеспечивая необходимьй закон, по которому изменяется коэффициент усиления в зависимости от

акустических свойств, и в первую опе- р4дь от затухания, горных пород. Вы- хддные сигналы усилителен поступают K.i сумматор 24, складываются и далее направляются на вход перемножителя 25 сигналов. На остальные три входа перемножителя поступают сигналы с вькодов усилителей 20-22. После пе- рфмножения выходной сигнал интегриру- с помощью интегратора 26, с вы- которого сигнал подается на ре- г 1страторы 27 и 28 (фиг, 3). Вид сиг- HJinoB и временных диаграмм приведен н фиг. 3. Вследствие некоррелирован- нЬсти или частичной кор1)елированно- с|ги устройство хорошо выделяет только п|ервые вступления продольной и попе- р|ечной волн Р и S. При этом попереч- н|ая волна излучается и принимается за счет наличия в накладках 8 выемок конической формы. Как видно из диаг г|раммы направленности (фиг. 5 и 6), корреляционной диаграммы на- п|равленности КФ, получаемой в режиме х риема, намного уже исходных сферичес- к|их диаграмм, что обеспечивает повьг- 11|ение разрешающей способности сейсмо- Нрофилографа на низких частотах и по- 4ышение помехозащищенности вследствие з меньшения воздействия помех. ; Таким образом, как это видно из конструкции приемно-излучающего устройства (фиг. 1) и как следует из йыра:жения (1), путем изменения рас- фтояния L между экраном 14 и наклад- ой 12 можно изменять время распространения сигналов, излучаемых наклад- сой 12 (выражение ( 1) действительно и для режима приема). Кроме того,, на , величину временной задержки 5 оказывает влияние, как это следует из выражения (1), и величина скорости распространения звука в жидкости с с V f. Фазировка колебаний с йомощью замены жидкости 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 волновода и накладки 8 сфазированы, то амплитуда на выходе устройства максимальна, и в грунт излучается самая большая акустическая мощность За счет пространственной расстановки вибраторов (через расстояние, равное половине длинь 1фодольной волны а в грунте) распространение колебаний

13961106

в грунте будет направленным. Каждую накладку 8 можно рассматривать кпк точечный источник (см. фиг. 5). Максимальная концентрация энергии имеется в центре. Характеристика направленности в режиме излучения описывается выражением

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Ее

ijKd sin 0/2) ,

(2)

где Eg - отношение звукового давления под углом в к осевому давлению К 27/d; d - диаметр окружности, на которой размещены накладки 8 вибраторов 1-3; IQ - функция Бесселя нулевого

порядка.

Направленность определяется диаметром кольца. Однако во избежание появления боковых лепестков в характеристике направленности и для их уменьшения расстояние между накладками 8 выбрано равным , где ,,- длина волны в грунте. Для подбора этого расстояния длина щарниров 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 фазировки сигналов, излучаемых накладками 8 и 12, что приводит к повьшхению помехозащищенности и разрешающей способности устройства, поскольку и в режиме приема продолжительные по длительности помехи будут подавляться в самом акустическом преобразователе

10

Ее

ijKd sin 0/2) ,

(2)

5

0

5

0

5

0

5

0

5

где Eg - отношение звукового давления под углом в к осевому давлению К 27/d; d - диаметр окружности, на которой размещены накладки 8 вибраторов 1-3; IQ - функция Бесселя нулевого

порядка.

Направленность определяется диаметром кольца. Однако во избежание появления боковых лепестков в характеристике направленности и для их уменьшения расстояние между накладками 8 выбрано равным , где ,,- длина волны в грунте. Для подбора этого расстояния длина щарниров 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 фазировки сигналов, излучаемых накладками 8 и 12, что приводит к повьшхению помехозащищенности и разрешающей способности устройства, поскольку и в режиме приема продолжительные по длительности помехи будут подавляться в самом акустическом преобразователе

713961

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

Таким образом, приемно-излучающее устройство может функционировать как . дискриминатор импульсов по длительности. Наклон вибраторов 1 - 3 к центру за счет поворота и фиксации шарниров 5-7 позволяет сфокусировать излучав- ю мую акустическую энергию на заданном расстоянии в грунте. Обратимость пье- зокерамических вибраторов 1 - 3 позволяет получить идеальное согласование частотных характеристик и характери- |5 стик направленности в режимах излучения и приема и повысить разрешающую способность устройства. За счет возможности 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 сейсмо- акустических устройств, источником 25 звука в которых является механический ненаправленный источник.. В связи с этим разрешающая способность профи- лографа увеличивается в 10-20 раз, а помехозащищенность примерно в 0 10 раз.

Формула изобретения

Наземный сейсмопрофилограф, содержащий источник возбуждения сейсмических сигналов, накопитель из трех каналов, включающий приемники и усили

0 5 0

5

108

TCJiH, блок обработки принятой информации, вьптолненный в пиде сумматора и интегратора, к выходу которогс подключен индикатор и регистратор, о т- л и чающийся тем, что, с це.- лью увеличения разрешающей способности и помехозащищенности, источник возбуждения сейсмических сигналов выполнен в виде акустического преобразователя, состоящего из трех пьезо- керамнческих продольнъгх вибраторов, содержащих переднюю и заднюю накладки, между которыми размещен сжатый арМ1)ующиМ элементом пакет из продольно-поляризованных пьезокерами- ческих 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.

фи8.Ъ

кф

Изобретение относится к сейсмо- акустической 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

фиг5

иеЛ

фиев