Створення комплексу високоефективних електродинамічних пристроїв для контролю параметрів навколишнього середовища (теоретичні основи розробки та впровадження)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський державний політехнічний університет

УДК 621.373:550.834

Створення комплексу високоефективних електродинамічних пристроїв для контролю параметрів навколишнього середовища (теоретичні основи розробки та впровадження)

05.11.13 Прилади і методи контролю

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Гурин Анатолій Григорович

Харків-1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Харківському державному політехнічному університеті Міністерства освіти України

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор, Себко Вадим Пантелійович, Харківський державний політехнічний університет, завідувач кафедри "Прилади і методи неруйнівного контролю"

Офіційні опоненти: заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Артюх Станіслав Федорович, ректор Української інженерно-педагогічної академії, завідувач кафедри електроенергетики

доктор технічних наук, професор Лагутін Михайло Федорович, завідувач кафедри "Генерування та формування сигналів" Харківського державного технічного університету ім. М.К. Янгеля

доктор технічних наук, професор Хандецький Володимир Сергійович, завідувач кафедри електронно-обчислювальних машин Дніпропетровського державного університету

Провідна установа: Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", кафедра приладів та систем неруйнівного контролю, Міністерство освіти України, м. Київ

Захист відбудеться "25 " листопада 1999р. о 14-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.050.09 у Харківському державному політехнічному університеті за адресою: 310002, вул. Фрунзе, 21

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського державного політехнічного університету.

Автореферат розіслано "4" жовтня 1999р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Горкунов Б.М.

АНОТАЦЇЇ

Гурин А.Г. Створення комплексу високоефективних електродинамічних пристроїв для контролю параметрів навколишнього середовища (теоретичні основи розробки та впровадження). - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.11.13 - прилади і методи контролю. - Харківський державний політехнічний університет, Харків, 1999.

Захищаються 34 наукові роботи (в тому числі 12 особистих, 9 авторських свідоцтв та патентів), в яких викладені теоретичні основи розробки електродинамічних випромінювачів для контролю параметрів навколишнього середовища, наведені приклади їх впровадження в геофізиці, гідроакустиці, при контролі сейсмостійкості будівель та споруд.

Визначено вплив хвильових процесів на формування сейсмічного поля та параметри гідроакустичних імпульсів. Обгрунтовані рекомендації щодо отримання оптимальних характеристик електродинамічних випромінювачів методики їх ефективного використання.

Ключові слова: електродинамічний випромінювач, параметри навколишнього середовища, геофізика, гідроакустика, контроль сейсмостійкості будівель, хвильові явища.

Gurin A.G. The creation of high effective complex of electrodynamic sources for environment monitoring. (The theoretical

bases of projection and inculcation). The thesis (manuscript) for a doctor's degree of technical sciences, speciality 05.11.13 - apparatuses and methods for control. Kharkov State Polytechnical University, 1998.

It is defended the 34 scientific works (among them 12 are self-made, 9 author's copyrights) in with the theoretical bases of electrodynamics sources for environment monitoring are presented, for examples of geophysics, hydroacustics and seismology building monitoring are given. The causes of wave phenomena during generation of seismic field and hydroacoustic pulses are found. It is based the recommendations to achieve the optimal characteristics of electrodynamics sources and are given a meatheads to its effective inculcation. The most useful range of frequency usage is from 1 to 10 kHz. The lower limit is caused by illumiyftion's distressing, the higher - pulse mechanical properties of sources. Pulse magnitude atchived 100 kPa, depth of investigations - 500 m with water coverty about 2 km. Energy accomulation atchived 10 kJ for deep investigations and 0,5 - 1 kJ - for surface one.

Key words: electrodynamic source, geophysic, hydroacustic, seismology building monitiring, wave phenomena.,

Гурин А.Г. Создание комплекса высокоэффективных электродинамических устройств для контроля параметров окружающей среды. (Теоретические основы разработки и внедрение). Диссертация (рукопись) на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.11.13 - приборы и методы контроля. Харьковский государственный политехнический университет, Харьков, 1998.

Защищается 34 научные работы (в том числе 12 лично авторских, 9 авторских свидетельств и патентов), в которых изложены теоретические основы разработки электродинамических излучателей для контроля параметров окружающей среды, даны примеры их реализации в геофизике, гидроакустике, при контроле сейсмостойкости зданий и сооружений.

Установлена роль волновых процессов при формировании сейсмического поля и гидроакустических импульсов. Обоснованы рекомендации по достижению оптимальных характеристик электродинамических излучателей, методика их эффективного использования. Показано, что распределение контактных напряжений под излучателем зависит от частоты, а мощность излучения достигает максимума при равномерном распределении нормальных контактных напряжений. Определена величина инертной массы, достаточная для того, чтобы на взаимное перемещение индукторов расходовалась незначительная доля энергии емкостного накопителя.

Преимущественной областью применения ЭДИ гидроакустических волн является диапазон частот от 1 до 10 кГц. Нижний предел определяется снижением эффективности излучения, верхний - возможностями механической системы излучателя. Амплитуда импульса достигает 100 кПа, глубина зондирования донных осадков - 500 м при толще воды до 2 км. Энергия накопителя достигает 10 кДж при глубинных исследованиях и 0,5 - 1 кДж при работах на мелководье.

Для подавления волновых явлений в аксиальном направлении (обратного излучения) в конструкции ЭДИ применены специальные компаунды со звукопоглощающими наполнителями. Для подавления волновых явлений в радиальном направлении используются профилированные мембраны. Ослабление кавитационных процессов достигается как за счет профилирования мембран, так и путем снижения плотности энергии на единицу поверхности излучателя.

Плоская круговая конструкция и высокочастотный диапазон обеспечивают направленность излучения единичного ЭДИ в телесном угле на уровне половинной мощности 20 - 30 градусов. При использовании группового излучателя формируется остронаправленное излучение. Возможности группирования ЭДИ обеспечиваются идентичностью характеристик одиночных излучателей и синхронностью их срабатывания.

Для сейсмических источников, отличающихся большой мощностью, предпочтительными являются ЭДИ с высокой добротностью, допускающие рекуперацию части энергии, запасенной в накопителях. Для гидроакустических источников с короткой длительностью зондирующего импульса рекомендуются ЭДИ с уменьшеным паразитным излучением, задемпфированными собственными колебаниями и защитой от кавитационного разрушения. Для иммитационных источников рекомендуются ЭДИ с системами самораслинивания, обеспечивающие надежный контакт излучателей при деформации грунта.

Ключевые слова: электродинамический излучатель, параметры окружающей среды, геофизика, гидроакустика, контроль сейсмостойкости зданий, волновые явления

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми.

Контроль фізико-механічних параметрів навколишнього сердовища застосовується при пошуку природних копалин, експлуатації шахтних свердловин, геофізичних дослідженнях в будівництві, екологічному моніторінгу. Він виконується з поверхні землі, на шельфовій зоні морів (на мілині), на глибоководді.

Можливості сейсмоакустичних методів значною мірою визначаються характеристиками приладів, що застосовуються для цього, і перш за все - джерелами сигналів. Особливою увагою користуються невибухові джерела сейсмічних коливань. Не змінюючи властивостей досліджуваного середовища вони дають можливість багаторазової генерації одинакових по амплітуді та формі зондуючих сигналів, завдяки чому забезпечується повна відтворюваність сейсмограм в статичних умовах, стає можливим спостереження за змінами середовища в динамічних умовах.

Розвиток нових напрямків сейсмо- та гідроакустики вимагає створення спеціалізованих невибухових випромінювачів високочастотного сейсмічного діапазону. Вони повинні мати високу потужність, допускати можливість довготривалої безперервної роботи при сталих параметрах випромінюваних сигналів в імпульсному та кодоімпульсному режимах, мати вузьку керовану діаграму направленості. Це дасть можливість підняти ефективність та точність .контролю фізико-механічних процесів в досліджуваному середовищі.

Попередні дослідження, проведені нами ще в середині семидесятих років, показали, що для досягнення вказаних якісних характеристик джерел сигналів найбільш перспективними уявляються так звані електродинамічні випромінювачі з плоскими індукторами (ЕДІ). В них перетворення енергії електричного поля в акустичну енергію здійснюється через найменшу кількість проміжних конструктивних елементів - всього через тонку електропровідну мембрану. Маса останньої може бути досить незначною, а швидкість зростання густини енергії магнітного поля в робочому зазорі (зазорі між індуктором та мембраною) - навпаки - досить високою. За рахунок цього досягається висока ефективність перетворення, спектр сигналу легко зсувається в область підвищених частот.

Можно вказати безліч варіантів виконання ЕДІ, що відрізняються розмірами індуктора та числом витків, конструкцією мембрани та способами її кріплення, застосуванням багатозаходових, секціонованих та багатошарових котушок. Інша група факторів, що визначають ефективність джерела, пов'язана зі способами формування сигналу, тобто зі схемними особливостями генераторів імпульсів струму (коливальні, уніполярні, кодоімпульсні, фазоманіпульовані). Нарешті, ще одна група актуальних питань, які прийшлось розв'язувати під час практичного освоєння техніки ЕДІ, пов'язана з проблемами їхнього групування. Коротка довжина імпульсів та складна їхня форма призвели до неоднозначних способів розв'язання цієї проблеми.

Мета досліджень.

Метою даної роботи являється розробка теоретичних основ створення високоефективних електродинамічних пристроїв для контролю параметрів навколишнього середовища, розробка комплексу апаратури та методики його експлуатації, впровадження його в практику.

Для досягнення вказаної мети довелося розв'язати ряд задач,

по-перше, теоретичного характеру:

а) загальний енергетичний аналіз електричного кола з ЕДІ при коливальному затухаючому імпульсу струму (коефіцієнти перетворення енергії електричного поля в механічну роботу та в силу, спектральні характеристики імпульсу сили, провідні частоти);

б) електричні параметри ЕДІ з урахуванням скін-ефекта та ефекта близькості;

в) вплив інертної маси та маси випромінюючої плити на параметри силового імпульсу;

г) зв'язок між силовим імпульсом та переміщенням твердої плити (фазова затримка, потужність випромінювання, характер розподілу нормальних напружень);

д) умови оптимізації комбінованих мембран, виходячи з характеру розподілу магнітного поля в робочому зазорі;

по-друге, методичного характеру:

а) методика розрахунку ЕДІ з можливістю врахування взаємних переміщень його елементів та найближчих ділянок навколишнього середовища;

б) методика вимірювань акустичних характеристик випромінювачів в повітряному та водному середовищі, локальних прискорень активних ділянок їхньої поверхні;

в) діаграма направленості самотнього та групового випромінювачів, умови її формування;

г) методика імітації за допомогою ЕДІ сейсмічних впливів на будівлі та споруди, створення сейсмоплатформ на природніх грунтах;

по-третє, конструктосько-технологічного характеру:

а) технологія виготовлення силових вузлів, які створюють сильне електромагнітне поле;

б) технологія забезпечення стабільного акустичного контакту між джерелом сигналу та досліджуваним середовищем.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалась згідно з науково-технічною програмою ДКНТ "Вібраційне просвічування Землі" (проблема 0.74.03, завдання 06.10 "Розробити комплекс апаратури та обладнання вібраційного просвічування земной кори та верхньої мантії"), по міжвузівській програмі "Шельф" на 1986 - 2005 рр. (наказ № 208 від 26.03.86 Мінвузу СРСР), а також в рамках госпрозрахункових робіт, передбачених програмами "Чаща-2", "Чаща-3", "Гермес", що виконувались згідно з рішенням Ради Міністрів СРСР № 32 від 26.12.85 р. та № 339 від 16.11.88.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. На основі запропонованих в роботі моделей плоских електродинамічних випромінюючих систем, їхнього теоретичного та експериментального дослідження вирішена проблема обгрунтування можливостей створення комплексу електродинамічних пристроїв для досліджень характеристик сухопутного та водного середовищ.

2. Створені математичні моделі ЕДІ з плоскими індукторами для формування сейсмічних та гідроакустичних зондуючих сигналів.

3. Вперше виконані комплексні експериментальні дослідження ЕДІ в низько-, середньо- та високочастотному сейсмічному діапазонах, в імпульсному, кодоімпульсному та вібраційному режимах, в складних сейсмогеологічних умовах.

4. Запропоновані методики для створення випромінюючої апаратури в залежності від глибини досліджень та потрібної деталеспроможності (здатності розрізняти дрібні деталі профілей).

5. Доведена можливість знаходження амплітудно-частотних характеристик будівель та енергетичного обладнання шляхом імітації за допомогою ЕДІ реальних сейсмічних впливів.

Практичне значення отриманих результатів.

Створені багатоцільові комплекси електродинамічних пристроїв, що дозволяють проводити сейсмічне профілювання ділянок суші та моря. Комплекси виготовлені і впроваджені в геолого-геофізичні експедиції Росії, України, Латвії та Казахстану для виконання промислових польових робіт.

Створений ряд науково-дослідних установок ЕДІ для випробувальних полігонів Інституту Фізики Землі (ІФЗ, м. Москва), Таджикського інституту сейсмології та сейсмостійкого будівництва (ТІССБ, м. Душанбе), для ВГО "Аерогеологія" (м. Москва), ВГО "Єнісейгеофізика" (м. Мінусинськ), а також одно- та багатоканальні установки ЕДІ для дослідження параметрів середовищ на малих глибинах та розробки методів формування направленого випромінювання (для Науково-дослідного інституту радіофізичних вимірювань - НДІРФВ, м. Горький).

Створені конструкції впроваджені:

у вигляді дрібних серій санного та тракторного варіантів ЕДІ (в ВГО "Єнісейгеофізика", м. Мінусинськ) для роботи в північних районах Красноярського краю (понад 40 установок);

у вигляді апаратури для досліджень шельфів морів та внутрішніх водоймищ (у ВО "Союзморінжгеологія", м. Рига, в геофізичні експедиції Болгарії, Угорщини, Куби);

у вигляді апаратури для глибоководних гідроакустичних досліджень ( у ВО "Южморгеология", м. Геленджик, в СахКНДІ, м. Южно-Сахалінськ) та для вивчення окремих районів Каспійського моря, озера Байкал;

у вигляді приборів для контролю стану гірничих відпрацювань ( у ВО "Сибцветметавтоматика", м. Єкатеринбург).

Проведені методичні випробування ЕДІ в геофізичних експедиціях Українського науково-дослідного інституту (м. Львів) при вивченні зони малих швидкостей в Карпатах, Донбасі, в Харківській та Полтавській областях при дослідженнях глибоких горизонтів.

Особистий внесок автора.

Особисто автором виконано постановку мети наукових досліджень та сформульовані завдання створення розрахункових моделей електродинамічних випромінюючих систем, розроблені вихідні положення для створення методик вимірювань параметрів ЕДІ, проведення полігонних та польових випробувань.

Разом зі співробітниками кафедри та організацій-замовників апаратури виконані розробки окремих теоретичних проблем створення ЕДІ, проведено інтерпретацію результатів сейсмічних та гідроакустичних випробувань, зроблено уточнення стратегічних задач розширення області застосування та підвищення ефективності електродинамічних систем.

Розвитку сейсмоакустичних методів досліджень, пов'язаних з використанням ЕДІ, сприяли також творчі дискусії та обговорення поточних проблем у відділі 800 (ІФЗ, м.Москва), в Геофізичному інституті ім. С.І.Суботіна НАН України (м. Київ), в НДІ Океангеофізики (м. Геленджик), в НВО "Потенціал" (м. Харків), в УкрНДІ Геологорозвідки (УкрНДІГ, м. Львів), в Харківській та Полтавській філіях УкрНДІГ.

Значно вплинули на визначення напрямку робіт д.т.н. Ніколаєв А.В.(ІФЗ, м. Москва), д.т.н. Гаврилов В.П. (МІНГ ім. І.М.Губкіна), керівники ВГО "Енісейгеофізика" та НДІ Океангеофізики Сібгатуллін В.Г. та к.т.н. Бяков Ю.А. Автор також вдячний співробітникам УкрНДІГ к.т.н. Райхеру Л.Д., к.т.н. Гонтовому І.З., к.т.н. Роману В.І., які ще на початку створення ЕДІ вчасно оцінили їхню перспективність для геофізичних досліджень.

Апробація результатів дисертації.

Результати роботи доповідались та обговорювались:

на Всесоюзних геофізичних конференціях (м. Львів, 1972 р., м. Красноярськ, 1980 р.); на другій та третій науково-технічних конференціях "Комплексні геолого-геофізичні дослідження Світового океану" (м. Геледжик, 1986, 1988 рр.); на другій Всесоюзній конференції "Комплексне освоення нафтогазових ресурсів континентального шельфа СРСР" (м. Москва, 1990 р.); на кординаційних радах Інституту Фізики Землі АН Росії по програмі "Вібраційне просвічування Землі", Інституту нафти та газу ім. І.М.Губкіна по міжвузівській програмі "Шельф";

на кординаційніх нарадах в Міенгео СРСР та УРСР (1980 - 1989 рр.) по впровадженню невибухових джерел; на міжнародних науково-технічних конференціях по проблемам використання шельфа Чорного моря (Варна, 1995 р.), по проблемам комп'ютерного моделювання та нових технологій "Комп'ютер: наука, техніка, технологія, здоров'я" (Харків - Мішкольц, 1993, 1995, 1996, 1997 рр.); на регіональних зборах та науково-технічних конференціях Харківського державного політехнічного університету.

Публікації.

Головні результати дисертації опубліковані в 33 джерелах, в тому числі 12 особисто авторських, 17 авторських свідоцтвах та патентах.

Робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків та додатків. Викладена на 310 сторінках, містить 26 рисунків, 8 таблиць, список публікацій з 287 найменувань.

У першому розділі зроблено аналіз приладів та методів контролю навколишнього середовища за допомогою потужних установок з ємнісними накопичувачами енергії. Показано, що загальною властивістю існуючих установок є перетворення накопиченої електричної енергії в механічну у невеликому об'ємі. Подальше ж її розподілення по поверхні грунту (з метою узгодження акустичних характеристик) виконується за допомогою проміжних елементів. Останні обмежують високочастотний спектр, деталеспроможність, погіршують показники відтворюваності випромінюваних сигналів. Ставиться задача створення комплексу електродинамічних випромінюючих пристроїв, котрі б мали кращі спектральні та часові характеристики в середньо- та високочастотному сейсмічному діапазонах.

У другому розділі розглянуті загальні теоретичні питання створення випромінювачів для суші (сухопутних ЕДІ) та моря (морських ЕДІ).

1. Енергетичні характеристики ЕДІ.

Загальний вигляд та механічна схема заміщення ЕДІ представлені на рисунку 1. В статичному стані на грунт діє сила тяжіння, обумовлена масами верхньої частини випромінювача разом з інертною масою (m1) та нижньої частини (m2). При подачі імпульсу струму між масами m1 та m2 виникає електродинамічне відштовхування з силою F, яка намагається роз'єднати їх. Нехай - енергія конденсаторної батареї ємністю при напрузі . Знайдемо, яка частка її витрачається на виконання механічної роботи, а скільки йде на формування енергії сейсмічної хвилі.

Переміщення котушок починається після того, як сила F переважить силу тяжіння: F > m1*g . Його можна визначити рівнянням:

, (1)

де М(х) - взаємоіндуктивність котушок; х1 - переміщення верхньої котушки .

Рівняння руху нижньої частини випромінювача можна записати так:

, (2)

де х2 - переміщення цієї частини; ;

-функція динамічної реакції грунту на рух нижньої частини випромінювача, що залежить від переміщення х2 та його похідної х2 (тобто швидкості).

Для пружнього напівпростору з розсіянням енергії функція має вигляд:

, (3)

де kcp - коефіцієнт пружності; h2 - коефіцієнт глушіння коливань. Таким чином, напівпростір замінено ідеальною пружиною з пружністю kcp та демпфером з коефіцієнтом глушіння h2 (рис. 1).

З урахуванням цього маємо основне рівняня руху випромінювача:

Це відоме в теорії коливань рівняння вимушених коливань дисипативної системи з одним ступенем свободи. Як показує досвід, воно адекватно відображає процеси збудження хвиль в землі електродинамічними випромінювачами.

Енергію, що йде в ЕДІ на виконання механічної роботи, знайдемо при коливальному затухаючому імпульсі розрядного струму:

, (5)

де .

Еквівалентні параметри двохкотушечних ЕДІ визначаються так:

;

,

де R1 та R2 активні опори котушок випромінювача;

L1, L2 -- власні індуктивності котушок.

Еквівалентні параметри магнітноімпульсних ЕДІ визначаються за формулами:

; ,

де w - число витків котушки; - коефіцієнт зв'язку; L3,L4 - параметри схеми заміщення індуктивно зв'язаних кіл. Явища скін- ефекту та ефекту близькості враховуються при обчисленні еквівалентних параметрів Rэ та Lэ.

Електродинамічна сила F та її амплітуда можуть бути визначеними як:

та . (6)

Спектральна функція імпульсу сили:

,

де . Після інтегрування цього виразу одержимо амплітудний та фазовий спектри сили:

, (7)

, (8)

.

При та маємо: ; .

Коливальний розряд батареї супроводжується її перезарядом зі зміною полярності та розсіянням енергії на опорі R , який включає також внесений опір (Rвн), обумовлений взаємним переміщенням котушок: R = Rэ + Rвн . Введенням опору Rвн враховується механічна робота, що виконується випромінювачем, та втрати енергії власне на випромінювання.

Напруга на ємності змінюється по закону

.

Тоді енергія, що повертається в батарею, та втрачаєма енергія відповідньо дорівнюють:

,

, (9)

де .

Частина розсіюваної енергії йде в тепло, інша - на виконання механічної роботи та на випромінювання:

. (10)

Механічний ККД випромінювача визначається таким чином через введені опори:

. (11)

Коефіцієнт перетворення енергії Kw визначає, яка частка її йде на виконання механічної роботи:

. (12)

Наведені вирази покладено в основу загального енергетичного аналізу ЕДІ. На рисунку 2 представлені нормовані амплітудні спектри сили, а на рисунку 3 - відношення спектральної функції сили до характерного часу її дії 1/. Максимум цієї функції визначає найбільш вигідні умови досягнення високочастотних якостей ЕДІ. Коефіцієнт перетворення Fm/W представлений на рисунку 4.

Для того, щоб переміщення верхньої частини випромінювача мало впливало на параметри імпульсу сили (щоб електричні та механічні процеси в ЕДІ протікали незалежно один від іншого) повинна виконуватись умова:

(13)

На практиці для цього досить забезпечити:

. (14)

Тоді на вносимому опорі буде розсіюватися менше 10% енергіі, запасеної в накопичувачі. Ця оцінка стосується і сейсмоакустичного ККД випромінювача. Для його уточнення проведений аналіз коливань твердого штампу на півпросторі.

При статичній дії штампу на грунт енергія, що запаслась у здеформованому середовищі, повертається джерелу сили при зменшенні навантаження. При зростанні частоти вимушуючої сили з'являється фазовий зсув між силою та переміщенням частинок грунту. Він свідчить про те, що частину енергії коливань твердого штампу переносять з собою акустичні хвилі. При подальшому зростанні частоти вимушуючої сили частинки здеформованого середовища не встигають вертатися в вихідне положення і рухаються навіть назустріч зовнішній силі. Енергія акустичних хвиль зменшується.

Кількісний аналіз цього процесу виконано нами для твердого штампу шляхом суперпозиції відомих аналітичних рішень для так званих "м'яких" штампів - себто таких, які забезпечують одинакові по всій площі нормальні напруження на поверхні контакту. ( При твердому штампі нормальні напруження зростають по мірі наближення до його краю. Саме тут раніше всього досягається межа пружніх деформацій і починаються незворотні зміни контактної поверхні).

На рисунку 5 наведені результати складного розрахунку комплексної амплітуди переміщень грунту (W) під випромінювачем при коливанні останнього на грунті. Питома маса грунту , модуль пружності , коефіцієнт Пуассона =0,33 , коефіцієнт затухання коливань = 0,1. Радіус штампа а=0,23 м , амплітуда вимушуючої сили . Амплітуда коливань монотонно зменшується з ростом частоти (дійсна частина W ). Різниця фаз ( уявна частина W ) змінюється по кривій з максимумом. В результаті існуює така частота коливань штампу, при якій потужність його випромінювання найбільша: в даному випадку - поблизу 150 Гц.

Можливість подібних розрахунків важлива не тільки з погляду визначення ефективності роботи випромінювача, але й з точки зору аналізу умов його найкращого пристосування до характеристик конкретного середовища.

На рисунку 6 приведені криві розподілу нормальних напружень на поверхні грунту під випромінювачем в статичному ( f=0) та динамічному (f>0) режимах. При частотах менше 100 Гц розподіл контактних напружень мало відрізняється від статичного. Зате при подальшому збільшенні частоти маємо суттєві відмінності і навіть локальні максимуми. Це є результат інтерференції хвиль під випромінювачем за умов, коли час розповсюдження коливань наближається до періоду вимушуючої сили.

Зауважимо, що частоті максимуму сейсмічної потужності (150 Гц в даному випадку) відповідає розподіл нормальних напружень, близький до рівномірного. Значить узгодження випромінювача з навколищнім середовищем по максимуму випромінюваної енергії одночасно забезпечує також зменшення витрат енергії на нелінійні деформації грунту. Останнє завжди має місце при твердому штампі, навіть коли середній тиск на грунт не перевищує межі пружніх деформацій.

2. Силові характеристики магнітноімпульсних ЕДІ.

В індукційних випромінювачах замість другої котушки застосовують токопровідну мембрану. Взаємодія індуктора та токопровідної мембрани проходить внаслідок вихревих струмів, які наводяться в останній. Тиск на мембрану буде тим більший, чим вища густина енергіі магнітного поля в робочому зазорі. Частина магнітного поля може проникати через тонку мембрану. Внаслідок цього тиск на неї зменшується.

Мембрана може бути суцільною і однорідною (наприклад, з дюралюмінія) або складовою (мідно-стальною), з сталою товщиною по радіусу (плоскою) або профільованою. Властивості мембрани сильно впливають на амплітуду та форму сигналу ЕДІ.

В загальному випадку модель для розрахунку індукційних ЕДІ може бути представлена у вигляді (рисунок 7). Електромагнітне поле в кожному з чотирьох шарів представимо суперпозицією падаючих, відбитих та заломлених хвиль:

,

,

,

,

,

,

,

, (15)

де , , .

Амплітуду падаючої хвилі (c1) вважаємо відомою: вона визначається за результатами електричного розрахунку випромінювача. Амплітуди відбитих та заломлених хвиль (с2 - с7) знайдемо з граничних умов на поверхнях розмежування середовищ:

, . (16)

В результаті рішення системи граничних рівнянь знайдені амплітуди вказаних хвиль:

Тепер відомі всі характеристики магнітного поля в робочому зазорі індукційних ЕДІ та поблизу мембрани. Коефіцієнт екранування електромагнітного поля стальною пластиною дорівнює:

=

Тиск електромагнітного поля на пластину:

,

(18).

Співвідношення товщин мідного та стального шарів складової мембрани можна вибрати за умови, щоб амплітуда поля на виході з мідного шару відповідала максимуму магнітній проникливості феромагнетика. Тоді поле буде швидко згасати в стальному листі. Така складова мембрана при високій пружності матиме найменшу масу , що забезпечить найвищу ефективність випромінювача.

У третьому розділі викладені основні принципи побудови систем акустичного профілювання донних відкладень (за допомогою морських ЕДІ). Особливістю даних випромінювачів є більш високий діапазон частот (до 10 кГц), можливість виникнення кавітаційних явищ поблизу мембрани, виникнення хвильових явищ в самій мембрані (радіальні хвильові процеси) та в їхній товщині (осьові хвильові процеси). Вияснення природи цих явищ дало змогу обгрунтувати конструкцію морських ЕДІ з високостабільним уніполярним імпульсом.

Звуковий тиск поблизу поверхні мембрани пропорційний швидкості її переміщення:

, (19)

де - питома маса води; с - швидкість руху хвиль; - переміщення мембрани. При гармонічному законі зміни вимушуючої сили амплітуда швидкості руху мембрани пропорційна електродинамічній силі та обернено пропорційна повному механічному опору мембрани:

= , (20)

,

rtp - опір сил тертя, Нс/м; m - маса рухомої частини мембрани; ms - приєднана маса; Cm - механічна пружність мембрани, Н/м.

Сила тертя пропорційна швидкості руху мембрани

, а сила пружності пов'язана з переміщенням мембрани співвідношенням:

Активний опір випромінювання та приєднана маса оцінюються за відомими формулами поршневого випромінювача:

, ,

де D- діаметр поверхні випромінювача; S - площа цієї ж поверхні;

- безрозмірні коефіцієнти, які залежать від співвідношення діаметру випромінювача та довжини хвилі (D/) .

При D/ =1 маємо: , а ; тоді як при D/ =2 - відповідно - , а .Тому при D/ >2 приєднаною масою можна знехтувати і знаходити активний опір випромінювача так же, як і для плоскої хвилі:

. (21)

Підставляючи (20) в (19), одержимо оцінку амплітуди звукового тиску поблизу поверхні мембрани:

pm0 = (Fэл.д./ S) , (22)

. (23).

Безрозмірний коефіцієнт визначає ефективність перетворення електромагнітного тиску (pэл.м. = Fэл.д./ S) в тиск звукової хвилі (pm0).

Власна резонансна частота випромінювача визначається з умови перетворення в ноль складового в квадратних дужках (23):

. (24)

Враховуючи, що випромінювач працює при частотах, значно вищих за власну резонансну, а до того ж виконується умова D/ > 1 , для коефіцієнта можна одержати ще більш зручний вираз:

випромінювач індуктор струм електричний

. (25)

Для того, щоб акустичний імпульс був подібний до вимушуючого електромагнітного тиску та для ліквідації післядії, коливання мембрани доводиться сильно гасити в робочій зоні частот. Якщо внаслідок цього механічна добротність системи Q = m/rtp складатиме, наприклад, всього 0,1 , то для диску з дюралюмінію масою m=4,3 кг (діаметр D=0,45 м , товщина 10 мм, частота першого резонансу 440 Гц) опір сил тертя на робочій частоті 5 кГц складатиме:

Нс/м .

Опір випромінювання для такого диску буде дорівнювати:

Нс/м .

Тоді для ефективності перетворення отримуємо оцінку:

.

Іншими словами, в даних умовах тільки 15% тиску електромагнітного поля на мембрану трансформувалось в тиск звукової хвилі за її межами.

Опір сил тертя являється частотнозалежним. Величина його визначається акустичними властивостями мембрани, способом її кріплення і важко піддається розрахунку. Співвідношення (22) та залежності, що з нього витікають, користні перш за все для якісної оцінки конструктивних факторів, що впливають на амплітуду сигналу випромінювача.

Форма сигналу випромінювача може відображати численні явища післядії , особливо, якщо демпфірування мембрани виконане недостатньо повно (рисунок 8). Після короткого акустичного імпульсу, відповідного по тривалості імпульсу струму (звертаємо увагу на різні масштаби по горизонталі для струму та акустичного тиску на рис.8) можуть проявлятися тривалі пульсації, пов'язані з процесами в самому випромінювачі. Їхню природу вдалося встановити після вимірювання прискорень ділянок поверхні випромінювача. Точки влаштування датчиків прискорень показані на рис.8: 1 - центр мембрани; 2 - середня лінія радіусу мембрани (напроти індуктора); 3 - поблизу лінії защемленя мембрани; 4 - на боковій поверхні випромінювача. Точки 5,6 та 7 - симетричні точкам 1,2 та 3, але розміщені на протилежній (тиловій) частині випромінювача. Осцилограми прискорень ділянок поверхні в точках 1 та 2 показані на рисунку 9. Їхня головна особливість - різна фаза першої півхвилі прискорень в центрі мембрани (точка 1 ) і посередині її радіуса (точка 2). Це дає змогу припустити такий характер деформації мембрани, як вказано на рис.9. Центральна частина мембрани формує імпульс розрідження, а серединна - імпульс згущення.

Акустичний сигнал, що спостерігається, як правило, на відстані 1 м, являє собою результат інтерференції випромінювань окремих ділянок та конструктивних елементів випромінювача, що рухаються фактично несинфазно. Кільцева хвиля випуклості мембрани рухається як до центру, так і до периферії. Кільцева хвиля вогнутості рухається з центру до периферії. Поверхневі хвилі у мембрані відбиваються від защемлення і знову збираються в центрі, формуючи потужні всплески акустичного сигналу. Тут виникають навіть кавітаційні явища у воді, що призводять до інтенсивної ерозії центральної частини мембрани. Вказані хвильові явища в випромінювачі названі нами радіальними.

Роль осевих хвильових явищ була встановлена нами в результаті співставлення сигналів прямого та зворотнього випромінювання морських ЕДІ. Вплив зворотнього випромінювання на характеристики прямого сигналу можно пояснити відбиванням частки зворотнього сигналу від конструктивних елементів випромінювача (границь шарів з різними акустичними властивостями). Далі відбитий сигнал складається з прямим сигналом (інтерферує). Звідси витікає вимога щодо глушіння зворотнього випромінювання ще в самому джерелі сигналу.

В четвертому розділі викладені особливості ЕДІ для формування потужніх поверхневих хвиль (імітаційні ЕДІ). За їх допомогою формуються сигнали, подібні до природніх (землетрусів). Для цього застосовуються лінійні групи ЕДІ, розміщені в щілинах (щільові випромінювачі) або в свердловинах (свердловинні випромінювачі). Перша властивість ЕДІ (висока точність синхронізації) дає змогу шляхом групування сформувати імпульс, близький до природнього. Інша властивість ЕДІ (плоска форма) дає змогу при відповідному розташуванні формувати як продовжні, так і поперечні хвилі (зсувні хвилі). Можливість ЕДІ працювати в широкому діапазоні частот дає змогу легко збуджувати резонансні коливання елементів будівель та споруд, пізнавати їхні резонансні властивості, перевіряти ефективність антисейсмічних заходів. Сейсмограми коливань поверхні грунту від ЕДІ приведені на рис.10. Максимальне прискорення сягало 0,54 м/с2 , тривалість дії - 20 мс. Апаратура, випробувана на полігоні сейсмостійкого будівництва, придатна також для випробувань на сейсмостійкість відповідальних енергетичних об'єктів (трансформаторів, вводів, виключателів).

Методика формування гостронаправленого випромінювання відпрацьовувалася на полігоні за допомогою восьмиканального ЕДІ. При одночасній дії всіх елементів випромінювача формується циліндричний хвильовий фронт. При запуску елементів з деяким запізненням один відносно іншого - формується конічний хвильовий фронт. Прожекторна зона хвилі в цьому випадку нахилена під деяким кутом до поверхні. Завдяки цьому хвилю можна направляти саме туди, звідки очікується прийом сигналу. Сигнали з небажаних напрямків при цьому будуть сильно ослабленими. Це відрізняє груповий випромінювач від інтерференційних приймальних систем, на вхід яких приходять як корисні сигнали, так і сигнали з небажаних напрямів.

На рис.11 приведені сейсмограми, одержані саме при змінах напрямів випромінювання групового ЕДІ.

Чим менше відстань між елементами групового випромінювача, тим на менших глибинах сформується задане хвильове поле. Багатоелеметний випромінювач має також переваги і з точки зору зменшення інтенсивності поверхневих хвиль-перешкод. Останні формуються у верхніх частинах грунтів і мають інтенсивність значно вищу за хвилі, відбиті від нижніх горизантів. Зменшення інтенсивності хвиль-перешкод - додатковий корисний ефект застосування групових ЕДІ.

У п'ятому розділі наведені результати польових випробувань потужніх ЕДІ в умовах геофізичних експедицій (промислові ЕДІ - рис.12 - 14). Їхня особливість - можливість тривалої експлуатації в умовах автономного енергозабезпечення. Основну увагу приділено характеристикам установок, деталеспроможностям сейсмограм, результатам застосування методів ослаблення шумів, формування направленого випромінювання, прикладам виділення сигналів у складних сейсмогеологічних умовах.

У висновках сформульовані основні результати роботи.

1. Створення комплексу високоефективних електродинамічних пристроїв для контролю параметрів навколишнього середовища було спонукано низкою причин. По-перше, давно виникла потреба в більш детальному вивченні структури твердих середовищ на суші та під водою, що вимагало освоєння більш високочастотного сейсмічного діапазону. По-друге, успіхи у створенні приладів для прийому слабких сейсмічних сигналів та нових методів виділення корисних сигналів на фоні шумів висували нові вимоги щодо випромінюючої апаратури (висока стабільність, відтворюваність, багатоімпульсний режим роботи). По-третє, застосування існуючих випромінювачів наштовхувалося на ряд обмежень принципового характеру.

2. Випромінювачі ЕДІ мають ряд протилежних властивостей: відносно легко досягається висока стабільність параметрів імпульса кожного зразка, точність його синхронізації, але енергетична ефективність перетворювачів лишається досить низькою. Застосування магнітопроводів підвищує енергетичні показники, зате зменшує швидкодію та звужує спектр випромінюваних сигналів, визиває проблеми розподілу імпульсу сили по поверхні грунту для забезпечення роботи в області пружніх деформацій.

Інша властивість ЕДІ, що також вимагала обгрунтованого компромісу, полягала у протиріччях між товщиною робочого зазору, ефективністю перетворення та надійністю випромінювача.

Протилежними являються також вимоги щодо високої частоти та великої амплітуди сигналу.

3. В єдиній конструкції ЕДІ не вдалося узгодити всі вказані протиріччя. Тому для кожної області застосування ЕДІ створенні спеціалізовані конструкції: для низькочастотної сейсміки з поверхні землі - двохкатушечні, багатозаходні та секціоновані; для більш високочастотної гідроакустики та інженерної сейсміки - індукційні; для імітаційних цілей - циліндричні (скважинні) та спеціальні щілинні.

4. Незважаючи на різноманітність конструкцій теоретичні основи ЕДІ являються досить загальними для всіх областей їхнього застосування:

а) розрахунки енергетичних характеристик, електромагнітного тиску в робочому зазорі, акустичної потужності, акустичного тиску;

б) врахування природи та ролі хвильових явищ, способів приглушення кавітаційних явищ при роботі випромінювачів у воді;

в) обгрунтування вимог до елементів групових випромінювачів для забезпечення формування наперед заданої діаграми направленості.

5. Експериментальні дослідження виявили природу індивідуальності характеристик окремих ЕДІ. Досягти повної ідентичності всіх екземплярів ЕДІ важко і не завжди доцільно. Більш важливо, щоб індивідуальні властивості лишались незмінними. Тоді їх можна врахувати програмними методами при настройці комплексу прийомної апаратури шляхом застосування індивідуальної затримки моментів спрацювання елементів групового випромінювача.

6. Для сейсмічних ЕДІ, що відрізняються великою потужністю, на перший план виступають питання енергетичної ефективності та ККД перетворення. З ції точки зору переваги мають системи з високою добротністю, які в ідеальному випадку можуть забезпечити рекуперацію частки енергії, запасеної в накопичувачі.

Для гідроакустичних ЕДІ на перший план виступають питання забезпечення якісної форми зондуючого сигналу (в ідеальному випадку - уніполярного імпульсу).

Для імітаційних ЕДІ допустимою є робота на межі пружніх деформацій мембрани та навколишнього середовища. Тут допустимі великі тиски електромагнітного поля в робочому зазорі (до 1 МПа).

7. Вказані рекомендіції в основному повністю перевірені практично. Тривалий досвід промислової та дослідної експлуатації всіх видів ЕДІ дав можливість виділити найбільш важливі з вимог щодо конструкції, матеріалів, технології виготовлення та методики експлуатації. Вони освітлені в проектно-конструкторській документації та публікаціях, наведених нижче.

Размещено на Allbest.ru

...