CC BY
94Электронный журнал «Техническая акустика» http://www .ejta.org
2009, 1
Е. Я. Бубнов1, В. В. Гущин2, А. К. Миннегулов3, С. Н. Рубцов2
1 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волжская государственная академия водного транспорта», Н. Новгород, ул. Нестерова, д. 5, e-mail: rector@aqua.sci-nnov.ru
2 Федеральное государственное научное учреждение «Научно-исследовательский радиофизический институт, Н. Новгород, ул. Б. Печерская, д. 25,
e-mail: guvladimir@nirfi.sci-nnov.ru
3 Специальное конструкторско-технологическое бюро прикладной робототехники при Московском государственном техническом университете им. Н. Э. Баумана Москва, ул. Нестерова, д. 5, e-mail: akm53@mail.ru
Использование упругих полей для обнаружения приповерхностных неоднородностей
Получена 19.11.2008, опубликована 03.02.2009
В настоящей работе изложены результаты экспериментальной апробации предложенных авторами методов сейсмоакустического обнаружения подповерхностных неоднородностей. Идея методов основана на наличии так называемых установочных резонансов объектов, зависящих от геометрических и физических характеристик самой неоднородности, а также от характеристик вмещающего ее грунта. Возбуждение резонансных колебаний возможно различными путями. В работе рассмотрено два технически реализуемых способа возбуждения неоднородности: акустической волной и вибратором. Экспериментально получены амплитудно-частотные характеристики колебаний поверхности различных типов грунтов при наличии в них локальных неоднородностей и рассмотрен способ контактного съема колебаний грунта с подвижного носителя.
Ключевые слова: упругие поля, виброисточник, локальная
неоднородность, обнаружение.
ВВЕДЕНИЕ
Поиск подповерхностных неоднородностей, в качестве которых могут выступать предметы археологии, валуны, неразорвавшиеся снаряды и т. п., является актуальной задачей в различных областях науки и техники. Существует множество методов и подходов к решению указанной задачи. К сожалению, все они имеют ограничения в своем применении. Поэтому многие исследователи видят выход в комплексном использовании физических полей различной природы. В данной работе в качестве вспомогательного метода предлагается использовать упругие волны, распространяющиеся по воздуху и проникающие в грунт, а также возбуждаемые в грунте различными поверхностными источниками. Их взаимодействие с объектом поиска приводит к его характерным колебаниям позволяющим производить
идентификацию цели. Предложенный метод [1] мы назвали резонансным сейсмоакустическим. Явления, лежащие в его основе, известны в сейсмологии [2-4]. Так в ряде работ по измерительной сейсмологии [5] указывается на нежелательный для исследователей факт изменения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) датчиков при их постановке на грунт. При этом форма АЧХ зависит от свойств грунта и, главное, от формы и массы самого приемника. Аналогичными свойствами должны обладать любые неоднородности, находящиеся на поверхности или внедренные в слой земли. Предварительно измерив АЧХ целевых объектов в различных условиях их размещения можно построить систему обнаружения. Реализация этой идеи требует разработки методов возбуждения колебаний заглубленных объектов, а также создания схем съема АЧХ их колебаний.
1. ОПИСАНИЕ МЕТОДА ПОИСКА ЛОКАЛЬНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АКУСТИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА
Техническая реализация способов возбуждения колебаний грунта предполагает много вариантов. Мы рассмотрим два наиболее простых с точки зрения технического использования — это инициирование вибрации объекта акустическим излучателем и виброисточником. Съем колебаний осуществляется с поверхности земли. Следует отметить, что при этом колебания поверхности грунта, хотя и не соответствуют в точности колебаниям целей, но в той или иной степени отражают их особенности, достаточные для принятия решения об обнаружении.
Рассмотрим более подробно явления, происходящие в грунте при размещении в приповерхностном слое какой-либо локальной неоднородности (см. рис. 1). Сам факт установки объекта приводит к изменению механических параметров грунта из-за разрыхления почвы. Кроме того, механические характеристики объекта и грунта также отличаются между собой, следовательно, при акустическом возбуждении колебания неоднородности и грунта будут отличаться по спектрально-амплитудным характеристикам. В общем случае можно говорить о наличии двух колебательных систем со своими резонансными частотами.
Рис. 1.
Методика проведения испытаний с использованием акустического источника
Для проверки физических предположений были проведены натурные измерения.
В эксперименте низкочастотный громкоговоритель излучал звуковой сигнал в полосе 20... 300 Гц. Колебания грунта регистрировались датчиком скорости смещения СВ-10Ц, установленном на поверхности грунта, затем преобразовывались в электрический сигнал, который подвергался спектральной обработке. На рис. 2
приведены АЧХ колебаний поверхности грунта (кривые 1, 2, 3), полученные при установке одной и той же неоднородности в разные типы грунтов. По вертикальной оси отложены величины электрического напряжения, пропорционального скорости смещения грунта. Совокупность остальных кривых (4) отвечает отклику сейсмического датчика, установленного на невзрыхленный грунт без неоднородности.
0 50 100 150 200 250 f Гц
Рис. 2. Резонансные кривые сейсмического сигнала, принятого над неоднородностью для трех типов грунтов.
1 — песок, 2 — суглинок (сухой), 3 — супесь (влажный),
4 — материковый грунт
Анализ приведенных амплитудно-частотных характеристик колебаний поверхности грунтов позволяет сделать следующие выводы. Все эти характеристики оказываются чувствительными к изменению механических свойств грунта. В отсутствии неоднородности на выходе регистрирующего сейсмического датчика, помещенного на ненарушенный грунт, наблюдается слабый сигнал практически не меняющий свою величину при изменении частоты акустического источника. Наличие вырытой ямки и вскопанного грунта приводит к появлению ярко выраженных резонансных кривых, соответствующих колебаниям массы измельченного грунта и неоднородности. Так кривая 3 имеет два хорошо наблюдаемых резонанса, а для кривой 2 оба резонанса практически совпадают. Такое поведение спектральных кривых согласуется с приведенной выше физической моделью. Соотношение сигнал/шум изменяется при этом от 8 до 15 дБ, что позволяет уверенно обнаруживать неоднородность.
Для практической реализации мобильных подвижных систем обнаружения необходимо осуществлять бесконтактный съем колебаний с поверхности грунта. В настоящее время в литературе рассматриваются возможности такого съема с помощью доплеровских радио и оптических систем. Однако осуществление такого съема с подвижного носителя встречает целый ряд трудностей. В то же время возможна реализация контактного съема колебаний с подвижного носителя путем размещения вибрационного датчика на оси колеса.
При реализации контактного устройства необходимо решить задачи уменьшения вибрационного шума, создаваемого при вращении оси колеса, а также помехи, возникающей в процессе движения колеса по неровной поверхности. Экспериментальная апробация метода была проведена в лабораторных условиях при отсутствии неровностей грунта. Результаты эксперимента в виде текущей спектрограммы вибрационного сигнала приведены на рис. 3. Здесь по оси у отложены значения наблюдаемой частоты, а по оси х текущее время, яркость отражает амплитуду частотной составляющей.
Рис. 3. Текущая спектрограмма нормированного сигнала, принятого датчиком на оси
колеса при его движении
Колесо перемещается по поверхности грунта, одновременно с этим производится дистанционное озвучивание грунта акустическим излучателем, нормированный электрический сигнал с датчика в реальном масштабе времени обрабатывается компьютером. Истинное местоположение неоднородности указано стрелкой. Для определения перспективности этого направления необходимо дальнейшее продолжение исследований.
Возбуждение колебаний механической системы неоднородность-грунт можно осуществлять и сейсмической волной поверхностного типа. В этом случае источник сейсмического сигнала размещается на некотором удалении от приемника.
2. ОПИСАНИЕ МЕТОДА ПОИСКА ЛОКАЛЬНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВИБРАЦИОННОГО ИСТОЧНИКА
Как отмечалось, практически удобным способом возбуждения колебаний грунта с внедренной в него неоднородностью является постановка излучателя с перестраиваемой частотой на поверхности грунта. Принцип работы такого обнаружителя основан на том, что форма спектральной кривой колебаний вибратора зависит от механических свойств грунта и резонансных частот помещенной в грунте неоднородности [1]. На рис. 4 приведена структурная схема проведения испытаний по методу сейсмического источника, а на рис. 5 представлены характерные спектры
вибрационного сигнала, принимаемого на излучателе для различных условий возбуждения.
Особенностью схемы, представленной на рис. 4, является расположение приемного датчика 2 на вибрационном источнике 1. В этом случае влияние твердой среды, оказываемое на излучающие параметры источника, отражается приемником 2 в виде спектральных и амплитудных характеристик его колебаний.
Рис. 4. Схема испытаний: 1 — виброисточник, 2 — приемник, 3 — задающий генератор и усилитель мощности, 4 — предварительный усилитель сигнала с приемника, 5 — персональный компьютер, Н — неоднородность
И ¥, Гц 400
Рис. 5. АЧХ виброисточника СВ-10Ц для различных условий:
1 — на ненарушенном грунте, 2 — на дне выкопанной ямы, 3 — на присыпанной яме,
4 — на яме, в которую помещена неоднородность
Как следует из анализа кривых, приведенных на рис. 5, имеет место существенное изменение резонансных частот и добротностей колебаний в зависимости от свойств среды и локальной неоднородности. Анализ других экспериментальных данных показал, что влияние неоднородности или локального нарушения структуры грунта на
частотные характеристики колебаний вибратора быстро спадает с удалением от точки расположения объекта поиска и на расстояниях более чем 30 см становится несущественным.
Таким образом, показано, что сейсмические и акустические резонансные методы могу эффективно использоваться как для обнаружения, так и для классификации типа неоднородности. Следует отметить, что предложенный метод может быть использован как самостоятельно, так и как вспомогательный при других методах обнаружения неоднородностей — индуктивных, электромагнитных и т. п.
ЛИТЕРАТУРА
1. Батанов А. Ф., Бубнов Е. Я., Гущин В. В., Миннегулов А. К., Рубцов С. Н. Патент РФ №2275657, 2006 г. Способ обнаружения и распознавания неоднородностей в поверхностном слое грунта (варианты) и виброщуп для его реализации.
2. В. А. Бабешко, А. Л. Собисевич, С. Ю. Шошина. Исследование условий возникновения резонансов на неоднородностях в неограниченной среде // Докл. РАН, 1994, т. 335, №6, с. 716-718.
3. А. А. Ляпин, М. Г. Селезнев, А. Л. Собисевич. Локальное резонирование среды в окрестностях полостей в слоистом пространстве. // Развитие методов и средств экспериментальной геофизики. Вып. 2. М.: ОИФЗ РАН. ГНИЦ ПГК Минобразования России, 1996, с. 313-329.
4. В. В. Гущин, Л. Е. Собисевич, В. В. Чернов. Устройство поиска повреждений в сплошных средах Авторское свидетельство №1280521, 1984.
5. Николаев А. В. Сейсмические свойства рыхлой среды // Физика Земли, 1967, №2, с. 23-31.
