Способ классификации структурыпОдВОдНОгО гРуНТА Советский патент 1981 года по МПК G01N29/00 

Недостатками известного способа являются малая достоверность классификации вследствие погрешностей измерения фазы сигнала, обусловленных волнением поверхности водной среды и низкой точностью определения критической частоты, а также длительность процесса измерений.

Цель изобретения - повышение достоверности и ускорения процесса классификации структуры подводного грунта.

Это достигается тем, что в известном способе классификация структуры подводного грунта, включающем возбуждение нормальных волн, прием отдельной нормальной волны на расстоянии не менее длины волны излучаемого сигнала и регистрацию принятого сигнала, прием отдельной нормальной волны производят на глубине 0,7-0,8 глубины места измерения и регистрируют частотную зависимость разности фаз между вертикальной составляющей колебательной скорости и звуковым давлением, при монотонном изменении которой классифицируют подводный грунт однородным, а при наличии экстремумов на частотной зависимости - слоистым.

На фиг. 1 дана функциональная схема устройства для осуществления предложенного способа; на фиг. 2 прцведены результаты расчета частотной зависимости разности фаз для отдельной нормальной волны для двух моделей грунта.

Устройство включает излучающий тракт, содержащий генератор синусоидальных колебаний 1, усилитель мощности 2, ккоторому подключены частотомер 3 и излучатель 4, а также приемный тракт, содержащий приемник звукового давления 5 и векторный приемник 6, сигналы с которых соответственно через усилители низкой частоты 7 и 8 поступают на трехоктавные фильтры 9 и 10 и далее на фазометр 11 и самописцы 12 и 13.

Для осуществления предложенного способа необходимо в водном слое возбудить излучателем 4 звуковое поле в диапазоне частот, когда в нем будет распространяться отдельная нормальная волна. Место размещения излучателя в водном слое несущественно. Однако помещая его на середину водного слоя, можно добиться расширения диапазона частот, когда в водном слое будет распространяться только одна нормальная волна.

Далее, изменяя частоту излучаемого сигнала на генераторе 1, измеряют частотную зависимость разности фаз между звуковым давлением и вертикальной составляющей колебательной скорости в одной точке водного слоя с помощью приемников 5 и 6, фазометра 11 и самописцев 12 и 13, причем точка приема должна находиться на расстоянии не менее длины волны излучаемого сигнала от излучателя и на глубине 0,7-0,8 глубины места измерения. При

монотонном изменении частотной зависимости разности фаз классифицируют грунт однородным, а при наличии экстремумов на частотной зависимости - слоистым.

Проиллюстрируем сущность предлагаемого способа па примере определения структуры грунта в условиях плоского слоя с неидеальной нижней границей. В этом случае выражение для отношения звукового давления Р к вертикальному компоненту колебательной скорости щ нормальной волны порядка п имеет вид

271 ...

(««) sin(/«Z) sin () P (в„)

РП .

2rt/ 7n

1л

- ЯУ V«-)sin (/„Zo) cos (/„2)Дв„)/„

%otg(«Z) /„

деЯ - глубина водного слоя;

Zo - глубина погружения излучателя;

Z - вертикальная координата; (О - циклическая частота; Пп и in - горизонтальное и вертикальное волновые числа соответственно, связанные следующим соотношением

11 + (it/Co - волновое число в воде; Со - скорость звука в воде; Яо (тпг) - функция Хаккеля первого

рода нулевого порядка; г -горизонтальное расстояние между излучателем и приемной системой;

би - корень дисперсионного управления,

1 + 0;

P(Qn) -некоторая функция, не зависящая от параметров грунта. Учитывая комплексный характер вертиального волнового числа 1п 1п + Ип,

редставим отношение Рп/Цп в виде

pjn - (tg /;. z - ifk ()i III - /ig (/; z).tk(/;z)j (/;+//,)

где

Kn l «l/h/,l - модуль;

) -разность фаз между звуковым давлением и вертикальной составляющей колебательной скоростью, равная

ia(p-) Csin(2/;Z)(2/;Z)

.;sm(2r;z)-/() -(

Выражение (1), определяющее разность фаз Аф(РпТ)и), инвариантно относительно нижней модели грунта, так как при его выводе никаких ограничений на модель нижнего нолупространства, за исключением того, что оно жидкое, наложено не было. Как следует из (1), разность фаз АфС/пПп) зависит от вертикальной координаты Z, действительной и мнимой частей вертикального волнового числа, частотная зависимость которых определяется структурой и акустическими параметрами грунта. Из этого следует, что разность фаз ДфС этЛп) несет информацию об отражающем полупространстве.

Первая модель грунта (см. фиг. 2) представлена в виде однородного жидкого нолупространства с параметрами ,бг/см2, м/с. Значение разности фаз соответствуют глубине Z G,7 Н. Вторая модель представлена в виде слоя грунта, лежащего на однородном полупространстве. Параметры модели были следующими: толщина слоя Л 0,7 м; плотность грунта в слое h 1,6 скорость звука в полупространстве м/с, плотность р 1,9 г/см

Глубина водного слоя в обоих случаях бралась ,5 м; затухание 6i, 2 0,05. Пунктирная линия на фиг. 2 соответствует однородному полупространству, сплошная, штрихпунктирная и штрих с двумя пунктирами линии соответствуют скоростям звука в промежуточном слое грунта, равным 100 м/с, 150 м/с и 200 м/с.

Как следует из фиг. 2, разность фаз

Аф(7гТ1п) для первой и второй модели грунта имеет существенное отличие. Для однородного полупространства

&(р() (f(f) имеет гладкий характер. Для слоистой среды кривая А((() имеет экстремумы, положение которых на частотной оси определяется толщиной промежуточного слоя и его акустическими параметрами. Например, при увеличении скорости звука Ci в два раза минимум разности фаз перемещается с/ 75 Гц на Гц.

Эти особенности частотной зависимости разности фаз использованы в предложенном способе для классификации структуры подводного грунта в качестве однородного полупространства или слоистой среды.

При использовании предложенного способа ускоряется и упрощается процесс классификации структуры подводного грунта, а также повышается достоверность классификации, так как исключается измерение амплитуды и фазы звукового давления на дне, величины которых зависят не только от структуры грунта, а также от частоты и вертикального распределения скорости

звука в водном слое.

Формула изобретения

Способ классификации структуры подводного грунта, включающий возбуждение в водной среде нормальных волн, прием отдельной нормальной волны на расстоянии не менее длины волны излучаемого сигнала и регистрацию принятого сигнала,

отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности и ускорения процесса классификации, прием отдельной нормальной волны производят на глубине 0,7-0,8 глубины места измерения и регистрируют частотную зависимость разности фаз между вертикальной составляющей колебательной скорости и звуковым давлением, при монотонном изменении которой классифицируют подводный грунт однородным, а при наличии экстремумов на частотной зависимости - слоистым.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Подводная акустика. - М., Мир, 1970, с. 452-454.

2.Распространение звука в океане. Под ред. Бреховских Л. М. - М., Иностранная

литература, 1951, с. 48.

3.Кряхов Ф. И., Петров П. А. Нормальные волны в трехслойной среде. - Акустический журнал. Изд-во АН СССР, т. 6, вып. 2, 1960, с. 230-236 (прототип).

пР)(8тб Фиг. I

iPri so°

80

70°60°

SO

CrIOOHic

0

30

20°

10° 0

50 60 70 во 90 too т 120 130 ко 150 160 ПО

/

/

U, j-i r-zooft/c

/

I/

Фиг.2.