Низкочастотный импульсный сейсмический излучатель поперечных волн Советский патент 1993 года по МПК G01V1/53 

Изобретение относится к технике возбуждения поперечных сейсмических сигналов для целей сейсморазведки.

Цель изобретения - повышение мощности излучения низкочастотных импульсов.

На фиг.1 представлен общий вид излучателя поперечных волн.

На фиг.2 изображен вариант излучателя, где вторая мишень выполнена в виде одного передвижного ограничителя перемещения опорной шайбы.

На фиг.З изображен вариант излучателя, где рельсы-направляющие выполнены

изогнутыми в вертикальной плоскости выпуклостью вверх.

Установленный на грунте излучатель, представленный на фиг.1, содержит опорную раму-платформу 1 с клиновидными грунтозацепами 2, установленными на раме-платформе-снизу, реактивную массу 3. установленную на горизонтальных рельсах- направляющих 4, скрепленных с рамой- платформой 1, амортизационные пружины 5, установленные с возможностью препятствовать свободному движению реактивной массы 3 по рельсам-направляющим 4, снабжен опорной рамой-платформой 6 с клино00

ю Јь о о VI

идными грунтозацепами 2, скрепленный с первой рамой-платформой 1 рельсами-направляющими 4 с возможностью возвратно- поступательного движения -ID ним между рамами-платформами 1 и б реактивной массы 3. Пружины 5 скреплены одним своим концом 7 с реактивной массой 3, а другим концом - с опорной шайбой 8 пружин 5. имеющей внутренний диаметр, больший поперечных размеров реактивной массы 3 в плоскости, перпендикулярной рельсам-направляющим 4, и установленной с возможностьюперемещениявдольрельсов-направляющих 4 относительно реактивной массы 3 и между частями шайб 9 и 10, скрепленным соответственно с опорными рамами-платформами 1 и 6. Части шайб 9 и 10 предназначены для сжатия пружин 5 при приближении реактивной массы 3 к опорной раме-платформе 1 и для растяжения пружин 5 при приближении реактивной массы 3 к опорной раме-платформе 6. На раме-платформе 1 между опорной шайбой 8 пружин 5 и частью шайбы 9 вплотную к последней установлен приводной толкатель 11 в виде части шайбы с двумя рычагами 12, предназначенный для возмещения потери энергии в колебательной системе посредством подталкивания опорной шайбы 8 на эта пе, когда пружины 5 сжаты, а реактивная масса 3 движется в сторону рамы-платформы 6. На части шайбы 9 установлен тензо- датчик 13 с возможностью измерения напряжения между ним и опорной шайбой 8. Управляемый тензодатчиком 13 возбудитель колебаний 14 реактивной массы 3 установлен С возможностью приведения в движение приводного толкателя 11 посредством рычагов 12. На раме-платформе б установлен набор пар подвижны в плоскости, перпендикулярной рельсам-направляющим 4, частей шайб 15 с возможностью отведения их в сторону от пути движения и постановки на пути движения опорной шайбы 8 по заданной программе с целью изменения интервалов между импульсами в нужной последовательности (на фиг.1 показана только половина частей шайб 15 - по одной из каждой пары, симметричная ей относительно срединной вертикальной плоскости половина не показана). Изменение интервалов между импульсами производится блоком управления 16 положением подвижных шайб 12 за время между последовательными парами импульсов.

Для замены трения- скольжения более слабым трением качения реактивная масса 3 скреплена с теле-ккой 17. установленной на рельсах-направляющих 4 с возможностью качения по ним

На рычагах 12 толкателя 11 на осях 18 установлены захваты 19 с возможностью удержания ими опорной шайбы 8 в сцепленном с толкателем 11 состоянии во время запуска излучателя и с возможностью последующего освобождения опорной шайбы 8 от сцепления с толкателем 11 отведением захватов 19 в сторону от толкателя 11 посредством поворота на соответствующий

угол вокруг осей 18 под действием отводящих рычагов 20 механизма захвата.

Альтернативно, во втором варианте вместо набора частей шайб 15 на раме-платформе 6 установлена одна подвижная вдоль

5 рельсов-направляющих 4 часть шайбы 21 (фиг.2, вид сверху) с возможностью вдоль пути движения опорной шайбы 8 за время между последовательными парами импульсов с одного заданного места на другое и

0 фиксации ее на новом месте башмаками тормозных электромагнитов 23 или защелкой. Части шайб 9. 10. 15 21 и толкателя 11 выполняются в виде неполных шайбе вырезами, достаточными для прохождения через

5 них колес тележки 17

Для возможности перевозки излучателя на обычном грузовике рельсы-направляющие 4 выполнены складными или составными.

0 Излучатель работает следующим образом При запуске излучателя установленные на рычагах 12 толкателя 11 захваты 19 удерживают опорную шайбу 8 в сцеплении с толкателем 11 При этом посредством воз5 будителя колебаний 12 на толкатель 11 воздействуют серией импульсов силы в такт резонансным колебаниям реактивной массы 3. сцепленной с толкателем 11 пружинами 5 и установленными на рычагах 12

0 толкателя 11 захватами 19. удерживающими при запуске опорную шайбу 8. При этом колебания реактивной массы 3 раскачиваются до тех пор, пока полная энергия колебательной системы не достигнет величины,

5 требующейся для заданного режима работы излучателя, а показание тензодатчика 13 - соответствующей пороговой величины. После этого по сигналу тензодатчика 13 отведением захватов 19 в сторону от толкателя

0 f 1 посредством поворота на соответствующий угол вокруг осей 18 под действием отводящих рычагов 20 механизма захвата опорная шайба освобождается и реактивная масса 3 начинает по инерции двигаться

5 к опорной раме-платформе б до тех пор, пока опорная шайба 8 не остановится одной из частей шайб 10, 15 или 21, поставленных на пути движения опорной шайбы 8 на стороне опорной рамы-платформы 6. Начиная с момента остановки опорной шайбы 8, пружимы 5 растягиваются, тормозя реактивную массу 3 и переводя ее кинетическую энергию в потенциальную энергию пружин 5 вплоть до остановки реактивной массы 3. Затем пружины 5 начинают сжиматься, раз- гоняя реактивную массу 3 в обратном направлении и переводя накрепленную потенциальную энергию обратно в кинетическую энергию реактивной массы 3. При этом разогнанная реактивная масса 3 уст- ремляется к стартовой опорной раме-платформе 1. После отхода шайбы 8 от указанной части шайбы реактивная масса 3 движется по инерции к опорной раме-платформе 1 до тех пор, пока опорная шайба 8 не остановится толкателем 11 и примыкающий к нему частью шайбы 9. С этого момента пружины 5 начинают сжиматься, тормозя реактивную массу 3 и переводя ее кинетическую энергию в потенциальную энергию пружин 5 вплоть.до остановки реактивной массы 3. В этот момент тензодатчик 13 регистрирует максимальное напряжение между опорным кольцом 8 и толкателем 11. Затем пружины 5 начинают разжиматься, разгоняя реактивную массу 3 в направлении к опорной раме-платформе 6 и переводя накопленную потенциальную энергию пружин 5 в кинетическую энергию реактивной массы 3. При этом по сигналу тензодат- чика 13 - таким сигналом является прохождение регистрируемого тензодэтчи- ком напряжения через максимум - возбудитель колебаний 14 посредством рычагов 12 дает толчок толкателю 11. а тем самым и опорной шайбе 8, упирающейся в это время в толкатель 11, и опорная шайба 8 сообщает дополнительный импульс реактивной массе 3 посредством пружин 5. Этот дополнительный импульс компенсирует потери энергии в системе за один цикл колебаний реактивной массы 3. После отхода опорной шайбы 8 от приводного толкателя 11 реактивная масса 3 движется по инерции к опорной раме-платформе 6. Затем процесс повторя- ется с той разницей, что на стороне опорной рамы-платформы 6 блок управления 16 ставит ту или другую пару подвижных частей шайб 15, ограничивающих перемещение опорной шайбы 8, и связанных с ней концов пружин, либо блок управления 22 переставляет по заданной программе и фиксирует на новом месте подвижную часть шайбы 21, если по программе.требуется смена положения ограничителя перемещения опорной шайбы 8. При каждом растяжении и сжатии пружин 5 соответственная опорная рама- платформа испытывает сдвиговое усилие вдоль рельсов-направляющих и через клиновидные грунтозацепы оно передается

грунту, возбуждая в нем импульсы горизон тально поляризованных поперечных волн. Если после заданного чпсла импульсов требуется остановить прочесе излучения, то возбудитель колебаний 14 отключается, а при очередном контакте опорной шайбы 8 с тензодатчиком 13 по сигналу последнего захваты 19 поворачиваются обратно вокруг осей 18 под действием отводящих рычагов 21 механизма захвата и захватывают опорную шайбу 8. При этом после нескольких знакопеременных и следующих друг за другом без перерывов затухающих из-за трения колебаний, не дающих заметного вклада в низкочастотную часть спектра, реактивная масса 3 останавливается Скрепление пружин одним своим концом с реактивной массой 3 при отсутствии постоянной связи с опорными рамами-платформами позволяет использовать эти пружины в процессе работы попеременно в режиме сжатия и растяжения, что устраняет возможность накопления остаточных деформаций пружин при длительной эксплуатации, которые возникали бы в случае замены указанных пружин двумя системами пружин одностороннего действия, скрепленных с соответст- венными опорами-платформами, но не скрепленных с реактивной массой или наоборот.

В предложенном излучателе устранены реактивные силы и мощности возбудителя колебаний, благодаря чему он имеет только активную нагрузку. При этом реактивная масса 3 передает усилие на грунт не непосредственно, а через пружины 5, что позволяет растянуть удар по времени настолько, насколько это требуется для-того, чтобы в импульсе были в нужной мере представлены достаточно низкие частоты, и преобразовывать кинетическую энергию реактивной массы 3 в упругую энергию пружин 5, которая, в свою очередь, используется для последующего разгона реактивной массы 3. Подвижные пары частей шайб 14, ограничивающих перемещения опорной шайбы 8. располагаются вдоль ее пути между неподвижными (крайними) частями шайб 9 и 10. При постановке исполнительным механизмом какой-либо из подвижных пар частей шайб 14 на пути движения опорной шайбы 8 интервал ti между последовательными импульсами уменьшается на Al/v по сравнению со случаем, когда все подвижные ограничители перемещения опорной шайбы 8 убраны с ее пути, где Al - расстояние между данным подвижным и расположенным на стороне второй рамы-платформы 6 неподвижным ограничителями. Ставя и убирая подвижные ограничители на пути опорного кольца по заданной программе от цикла к циклу после каждой пары импульсов, получим последовательность импульсов с интервалами между ними, изменяющимися заданным образом после каждой пары последовательных импульсов. Постановка подвижных ограничителей на пути опорной шайбы 8 по случайному закону приводит к излучению в грунт случайной последовательности импульсов.

В варианте с одним передвижным вдоль рельсового пути ограничителем 20 перемещения опорной шайбы 8 изменение интервалов между последовательными парами импульсов осуществляется перемещением передвижного ограничителя 20 ис- полнительным механизмом 21 вдоль рельсового пути за время между последовательными парами импульсов на новое предусмотренное программой место на пути движения опорной шайбы 8 и закрепление на этом месте защелками или башмаками тормозных электромагнитов 22.

Проведем расчет основных параметров излучателя.

Пусть п время между импульсами, I - длина пути реактивной массы за это время. Тогда ее скорость v между импульсами равна v l/ti. При ti 1cn I 10 м v 10 м/с. Длительность импульса в и суммарная упругость пружин К связана соотношениями

(t)o -я/в. а& - К/т,

где т - совокупная реактивная масса вместе с эффективной массой тележки. При в 0,1 с Г/АЭ Ю л Гц Скорость v и амплитуда F действующей на грунт касательной к его поверхности силы выражается через длину тормозного пути Ј по формулам v Ј. F К Ј При указанных выше значениях в 0.1 о и I - 10 м.

Ј V/WQ 1/тгм -0,318м

Масса m связана с остальными параметрами системы соотношениями

К К Ј а& (&Ј

Рв

ojgЈ v

При F Н имеет т 100/л кг 31.8

кг.

Кинетическая энергия разогнанной массы m равна

Е ту2/2 (2л-)Дж- 1,59кДж.

Период колебаний реактивной массы равен 2(ti+0). Если за одно колебание теряется доля // энергии системы, то на поддержание стационарных колебаний требуется мощность

+ гту

m v ТПТТгТу /;

В рассмотренном примере п # 1.1 с. W 723 г) Вт.

При rf 0,1 это составляет 72.3 Вт. Коэффициент г связан с эффективной добротностью колебаний О в системе соотношениями

I/ 1 - ехр (- 2JT/Q ) - 2 л/О а ( 1 ).2л/у

В другом примере при тех же f/Jb и

при I 5 м имеем:

v 5 м/с, //- 1/(2л-)м 0,159 м, m 200/Я кг 63,6 кг, Е 2500/л Дж - 0,80 кДж, W 362 V Вт,

При т 0,1 получим W 36,2 Вт. Реальные потери еще гораздо меньше

вследствие малости коэффициента трения качения колес тележки по рельсам, аэродинамического сопротивления и сопротивления излучения сейсмических волн. Коэффициент трения качения стального колеса по стальному рельсу равен к 0.001 см, сила трения качения тележки и обусловленные трением потери энергии на пути I соответственно равны

45

КК

FK -R-m9 ЕК -p-rngl .

где g - ускорение силы тяжести, g 9,81 м/см . R - радиус колеса.

Для R 10 см в первом варианте при I 10 м и m 100In кг имеем F -0,981 /(Юл )Н 0.031 Н, во втором варианте при I 5 м и m 200/ л кг имеем FK 0,062 Н. В обоих вариантах потери энергии

на пути I, обусловленные трением качения колес, равны Ек 0,98Мл Дж 0,31 Дж. Кроме того, имеются потери энергии в подшипниках колес. Для лучших шариковых подшипников коэффициент трения качения, отнесённый к длине окружности вала, на

который подшипник насажен, равен к/(2лт) 0,001, где г - радиус вала. Соответственные силы трения качения и потери энергии, обусловленные ею. равны

2я

К

2яг

mg

Полная энергия, излучаемая в импульсе, равна

00

Е -/ Fx ( t ) Vx (t ) dt

oo

Использование: сейсмоакустическая техника, возбуждение поперечных сейсмических сигналов. Сущность изобретения: излучатель содержит опорную раму-платформу с клиновидными грунтоза- цепами, установленными на раме снизу, мишень, реактивную массу, установленную с возможностью возвратно-поступательного движения, амортизационные пружины, возбудитель колебаний реактивной массы, вторую опорную раму-платформу с установленной на ней второй мишенью, вторая опорная рама-платформа соединена с первой опорной рамой-платформой рельсэми- направл яющими с возможностью возвратно-поступательного движения по ним реактивной массы. Амортизационные пружины скреплены одним своим концом с реактивной массой, другим концом с опорной шайбой, установленной с возможностью перемещения вдоль рельсов-направляющих как относительно реактивной массы, так и между первой и второй мишенями, вплотную к первой мишени установлен приводной толкатель с возможностью подталкивания опорной шайбы на начальном этапе ее удаления от первой мишени. Приводной толкатель и мишени выполнены в виде частей шайб с таким же внутренним радиусом, что и у опорной шайбы. 3 з.п. ф-лы. 3 ил. (Л С

Екп - РКП I

r R

В первом варианте FKn 2 0.918 H - 1,96 H, во втором варианте РКП 4 0,981 Н 3,92 Н. В обоих вариантах Еип одинаковы. При R/r - 3 Екп - 6,54 Дж. Е + Екп- 6,85 Дж.

Сила аэродинамического сопротивления равна Fa - Sv , где Сх - коэффициент лобового сопротивления движущегося тела. S - его поперечное сечение, р - плотность воздуха ( /DB 1 /800 г/см3), v - скоро-. сть тела. Для вполне достижимого хорошего обтекания Сх 0.2. При этих параметрах в первом варианте Ра 105/4 дн - 0,25 Н. Соответственно аэродинамические потери энергии на пути I 10 м равны

Ея Fa I 2.50 Дж.

Во втором варианте Fa и Еа соответственно в 4 и 8 раз меньше. Сумма указанных потерь энергии Етр Ек Екп + Ее. равна 9,35 Дж в первом варианте и 7,16 Дж во втором.

Мощность поперечных сейсмических волн на круговой частоте п . излучаемая в Грунт приложенной к нему гармонической горизонтальной силой с амплитудой Ф(м) в эталонном случае одинаковых коэффициентов Ламе (А / ) равна 10.

2

) - 0.2993 Ф7 ( т ) (1) 7Г/7СТ

где р- плотность грунта, Ci - скорость распространения в нем поперечных волн.

В рассматриваемом случае действующая на грунт импульсная сила равна

Fx(t) Fcos оы при I nfe t К Л/2 и Fx(t) 0

при остальных t, если максимум силы приходится на момент t 0. Разложение этой силы в спектр по положительным частотам

° имеет вид Fx(t) J Fx (() cos wtd at,

о

Z f 1 г- &ЭМО/o

Fx(W) (2)

4я / Fx ((a ) Vx ( ft) d (i)

(3)

10

где Vx(t) - активная составляющая скорости колебаний опорной рамы-платформы, Vx (со) - спектр этой составляющей. Учитывая, что согласно (1)

yFx(o)Vx(ft)

0,2993

Or ;-2 i ,

-5- Px ( a ) , (4

найдем после подстановки (2) и (4) в (3)

Е- 02993

8F2

л2рс

00

a) (HO

f , ui Ч1оЛ М Ч9 j

/(--5-тcos 27 : d(

о rtЈ - 1Г °

Интеграл здесь легко вычисляется с помощью формулы (3), если в ней положить 35 p(t) cos ftfe(t). V(t) -F(t)n учесть формулу (2). При этом получим

00

/(

1 -х

COS

ях

)2dx

л2 8

Е 0.2993 F2

45

0,2993 -Д-г F2

При выбранных выше F и 0и при р 3 г/см3 и Ci 2 км/с Е 3,92 10 5 Дж. Из-за сравнительной низкочастотности излучения излучаемая в импульсе энергия крайне мала сравнительно с потерями на

трение Етр, КПД излучения КПД Е/Етр составляет всего 0,42 в первом варианте и 0,55 10 во втором. Однако благодаря сравнительной малости потерь ЕТр, этот КПД выше, чем у существующих излучателей. Это и отсутствие реактивной нагрузки

ня привод излучателя позволяет изготовить его достаточно легким, доступным для перевозки на обычном грузовике

Из(иб рельсового пути в вертикальной плоскосги (показаны на фиг.З) - в идеале соответствующий движению центра тяжести реактивной массы вместе со скрепленной с ней тележкой по баллистической кривой, проходящей через обе рамы-платформы, уменьшает давление на рельсы со стороны тележки, снижая тем самым потери энергии на трение и энергетическую нагрузку на привод системы. При этом движение центра тяжести по баллистической кривой описывается уравнениями

х - V0t cos a , у V0 tsin a -g-f xtg«-x2 L

Uax h (V0sln«)2/(2g ).

1

5inV ,l7X--P.--(v / 5in2c6)tl E/v

Vx V0C050u C/tl;Va.V05ino6-9t,

vJ-vJ-vS- tsin f v t J.-O, ./((«1,

И)й/{е9Ц(м)2,

где ft- угол траектории с горизонтом в начальный момент t 0, и - время свободного движения реактивной массы, х - горизон- тальная координата, у - вертикальная координата. I - горизонтальное расстояние, на которое реактивная масса перемещается за время ti, h - максимальная высота ее подь- ема над начальной точкой движения, Vx и Vy - горизонтальная и вертикальная составляющие скорости соответственно, g - ускорение силы тяжести. Для рассмотренного выше примера (I - 10 м,- V 10 м/с) отсюда найдем

tg a 0,49005 .

a 0.4560 26°7 41.

,81 /8м 1.226м

Отношение вертикальной и горизонтальной составляющих сил с которыми платформы действуют на грунт, также равно tg а. При одинаковых параметрах Ламэ

(Я -/и )мощность низкочастотного излучения Ws сдвиговых волн под действием горизонтальной силы Fx и мощность Wp продольных волн под действием вертикальной силы Fy соответственно равны

о п

Ws 02993- ---, луэс1

Wp 0.0852 -; -Fi

-2 TL

npd

20

25

30

35

40 45 50

55

где р- плотность грунта, ci -скорость распространения волн сдвига в нем, at- круговая частота колебания. Отношение этих мощностей в. рассматриваемом случае равно

Wp/Ws (0.0852/0.2993XFy/Fx)2 - 0.2847tg2 00685.

У существующих широкополосных сейсмических излучателях излучаемая мощ; ность мала по сравнению с амплитудой реактивной мощности. Поэтому предложенный излучатель, в котором реактивная нагрузка на. возбудитель колебаний реактивной массы устранена, будет иметь по меньшей мере в несколько раз большую излучаемую мощность по сравнению с существующими излучателями при равной амплитуде полной мощности, развиваемой возбудителем колебаний.

Для предложенного излучателя в расчете на каждый импульс непроизвольно теряется доля запасенной энергии, равная Етр/Е 9,35 Дж/1.59 кДж 0,588 в первом варианте и ЕТр/Е 7,16 Дж/0,80 кДж 0,895 102 во втором варианте, т.е. менее 1 % накопленной кинетической энергии. Даже если бы для прототипа удалось бы рекуперировать 90% накопленной энергии, то и тогда предложенный излучатель оказался бы по меньшей мере вдесятеро более экономичным.

Формула изобретения

амортизационные пружины, возбудитель колебаний реактивной массы, отличающийся тем, что. с целью повышения мощности излучения, он снабжен второй опорной рамой-платформой с установленной на ней второй мишенью, причем вторая опорная рама-платформа соединена с первой рамой-платформой рельсами-направляющими с возможностью возвратно- поступательного движения по ним реактивной массы, амортизационные пружины скреплены одним своим концом с реактивной массой, а другим концом - с опорной шайбой, установленной с возможностью перемещения вдоль рельсов-направляющих как относительно реактивной массы, так и между первой и второй мишенями, на первой раме-платформе вплотную к первой мишени установлен приводной толкатель с возможностью взаимодействия с опорной шайбой, соединенный с возбуди телем колебаний с помощью двух рычагов, приводной толкатель и мишени выполнены в виде частей шайб с внутренним радиусом, равным внутреннему радиусу опорной шайбы. .

v

2 Излучатель по п 1 отличающий- с я тем, что, с целью изменения интервалов между импульсами, вторая мишень выполнена в виде набора пар частей шайб, установленных в ряд с возможностью отведения их в сторону поперечных направлениях, и одной неподвижной части шайбы с опорами, установленной последней по направлению от первой опорной рамы-платформы к второй.

рельсы-направляющие выполнены изогнутыми в вертикальной плоскости выпуклостью вверх, при этом траектория центра тяжести реактивной массы вместе со скрепленными с ней элементами на участке ее

свободного движения совпадает с баллистической кривой.

Ф« г . I

Фиг Z