WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 17 |

В мелководных морях и шельфовых районах океана, где волновое перемешивание охватывает всю толщу воды, скорость звука в среднем сохраняется постоянной на всю глубину. Изменения могут иметь сезонный характер в зависимости от общего увеличения или уменьшения температуры воды в зимние и летние месяцы. Наибольшее изменение скорости звука происходит на границе вода-дно и в глубоких слоях земной коры (рис. 4). Характерной особенностью этого изменения является устойчивое и скачкообразное увеличение скорости звука с глубиной, т.е. с увеличением мощности земной коры. В среднем происходит до 2—3 скачкообразных увеличений скорости на внутриосадочных границах и 3 на границах внутри кристаллической толщи земной коры. Границы в осадках обусловлены уплотнением и литификацией осадочного материала.

§3. Условия возбуждения и приема колебаний в океане Основными источниками упругих колебаний при проведении сейсмических наблюдений в океане является взрыв заряда тринитротолуола (тротила) в воде или гидравлический удар, возникающий при схлопывании сжатого воздуха, искрового разряда и др.

Для приема акустических колебаний в воде используются различного типа гидрофоны, представляющие собой герметические устройства, снабженные чувствительными пьезоэлектрическими элементами из керамики титаната бария, свинца, сегнетовой соли и других материалов, обладающих пьезоэффектом.

Как было показано выше, в морской сейсмоакустике большое значение имеют интенсивность и частота излучения упругих колебаний тем или иным видом источника. В зависимости от этих параметров сильно меняется глубина проникновения волн под дно океана, дальность распространения их в воде и разрешающая способность метода, т.е. способность выделять на записях слои различной мощности. При этом оказывается, что в зависимости от реальных условий (глубины моря, отражающей и поглощающей способности грунта и т.д.) интенсивность и преобладающая частота ударного импульса могут быть заранее рассчитаны и смоделированы путем выбора количества излучателей и расстояний между ними (группирование), а также характера их заглубления.

Аналогичного эффекта можно добиться группированием и различным заглублением приемных гидрофонов. Таким образом, группирование зарядов и гидрофонов позволяет добиться приема интересующей нас полосы частот колебаний и подавления нежелательных волн-помех.

Физические основы распространения взрывного колебания в воде Взрыв возникает в результате быстрого превращения взрывчатого вещества в газ. Этот процесс является следствием химической реакции и происходит с очень высокой (порядка 30000С) температурой и давлением (150 тыс. атм.). Распространение этого давления при взрыве детонирующих веществ (например, тротила) происходит во все стороны со скоростью несколько тысяч метров в секунду, превышающей скорость звука. В результате образуется ударная волна, которая вследствие большой амплитуды и разрывного характера давления отличается от обычной звуковой волны. На расстоянии примерно десяти радиусов массы заряда давление уменьшается и скорость звука в воде достигает постоянного значения, равного м/с.

Примерно половина энергии взрыва переходит в тепловую и 4050% излучается в виде звукового импульса давления. Одной из существенных особенностей взрыва детонирующих веществ в воде является образование парогазового пузыря. Обладая положительной плавучестью, пузырь, пульсируя (последовательно сжимаясь и расширяясь), поднимается к поверхности моря, где разрывается (схлопывается). Радиус и период пульсации газового пузыря зависят от гидростатического давления и плотности воды и определяется по формуле (Тюрин и др., 1966):

T = 183m сек, (I.14), P где m - максимальный радиус газового пузыря, p0 - гидростатическое давление на глубине взрыва, 0 - плотность воды. Максимальное давление в первой пульсации пузыря составляет 10—20% от давления в ударной волне. Эта величина еще довольно значительна, особенно при взрывах больших зарядов, и способствует образованию так называемых повторных ударов, которые мешают приему полезных волн от поддонных горизонтов. Дело в том, что вторая и третья пульсации (а их обычно насчитывается до 10) действуют как дополнительный источник возбуждения и колебания от них достигают дна и возвращаются в виде отражения, следующих на времени 0,10,15 с. за основным отражением ударной волны.

В связи с этим, взрывы стараются производить либо вблизи поверхности воды (1,5—2 м), где уже первая пульсация схлопывается, выбрасывая часть энергии взрыва в воздух, либо на определенных глубинах, где период пульсации совпадает с периодом основных полезных колебаний и не мешает их приему, а наоборот, усиливает их.

По мере распространения от центра взрыва, фронт ударной волны испытывает деформацию в результате потерь на расширение, вязкость, теплопроводность.

При этом начальное давление и скорость постепенно уменьшаются до звуковых значений и фронт из овального преобразуется в крутой, т.е. в область больших давлений и малых скоростей. Это поясняется на рис. 5 и следующих из него формул dP dP = ; = ; (V1›V2);

V V 1 dx dx A B (I.15) dP dP = = const.

dx dx A B Таким образом, при достаточном удалении от центра взрыва нелинейные процессы на фронте ударной волны исчезают и распространение упругих волн подчиняется обычным законам акустики.

Экспериментальные наблюдения показывают, что давление в ударной волне изменяется в виде колокольного импульса, хорошо аппроксимирующегося выражением:

t p = pme ; (I.16) где Pm— пиковое давление, — постоянная времени, зависящая от величины заряда W и расстояния от центра взрыва r:

-0,W = 97,6W (I.17) r Пиковое давление определяется из эмпирической формулы:

, W Pm = 521108. (I.18), r Спектры взрыва Спектр взрыва определяется выражением Фурье:

+ f (t)e-iwt dt S(w) = (I.19) + f (t) = S(w)eiwt dw - Определим спектр взрыва, импульс которого задан в виде:

t f (t) = Pme-, t (I.20) - +iw t S(w) = Pme e-iwt dt = Pm e dt 0 e-at Это интеграл вида: e-at dt =- a Поэтому - +iw t - e Pm S(w) = Pm 11. (I.21) = + iw + iw Для модуля S(w) получаем:

Pm S(w) =, (I.22) + w или для Pm S(w) = (I.23) + wВыражение (I.23) называется энергетическим спектром взрыва. Оно показывает, что для импульса вида (I.16) энергетический спектр в 1 области низких частот (W << ) не зависит от частоты, а при W >> убывает как.

W Невзрывные источники возбуждения Наряду со взрывным способом возбуждения колебаний в 60-х годах при морских сейсмоакустических работах нашли широкое применение бестротиловые источники, в которых возбуждение звуковых колебаний производится с помощью электроискрового разряда (спаркеры), воспламенением смеси водорода и пропана (установки УГД - газовой детонации), пневмопушки (аэрганы), работающие на сжатом воздухе, который под большим давлением схлопывается из камеры в воду. Все эти источники дают ударный импульс, который по мощности и частотному спектру во многом сходен с ударным импульсом, получаемым от взрыва TNT. Существует еще и третий вид источников - тональные источники. К ним относятся гидролокаторы, эхолоты, рыболоты. В этих источниках возбуждается синусоидальный импульс ограниченной длительности вида:

= A sin(wt - c ), Такой импульс имеет небольшую интенсивность и развивается без разрыва среды, как это имеет место при взрыве, т.е. в рамках линейного процесса.

Тональное излучение производится с помощью пьезо- и магнитострикционных антенн. Напомним, что пьезоэлектрический эффект характеризует появление электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов под действием приложенной к ним механической силы. Это прямой пьезоэффект. Появление деформаций кристаллов под действием приложенного электрического поля называется обратным пьезоэффектом.

Пьезоэффектом обладают кварц, турмалин, сегнетовая соль, керамика титаната бария, цирконата свинца и др. Возникающие на поверхности кристалла электрические заряды пропорциональны приложенной силе и обратно пропорциональны величине заряда.

Обратимость свойств пьезоэлектриков позволяет использовать их в качестве излучателей и в качестве приемников одновременно.

Магнитострикцией называется изменение размеров некоторых ферромагнитных тел под влиянием магнитного поля, или, наоборот, изменение магнитного поля под влиянием механических напряжений. Это соответственно прямой и обратный эффекты.

Магнитострикцией обладают ферромагнетики Ni, Co, Cr, Fe и их сплавы FeAl, FePt, NiFePd и др. Различают линейную, объемную и круговую магнитострикцию. Первая связана с изменением длины тела, вторая - объема, третья - кручения. В гидроакустике используется обычно линейная магнитострикция, дающая наибольший эффект. При этом прямой магнитострикционный эффект также как и прямой пьезоэффект используется для излучения звуковых колебаний, а обратный эффект - для приема акустических колебаний.

Излучение монополя. Любой сложный источник звуковых колебаний можно представить в виде суммы простых точечных источников.

Единичный источник обычно представляется в виде сферы, пульсирующей с одинаковой скоростью по всем направлениям радиуса-вектора. Источник такого типа называется монополь (рис. 6).

Потенциал монополя в области длины волны можно выразить в виде:

= eiwt (I.24) r откуда на поверхности сферы при r=r = eiwt = 0eiwt. (I.25) rСледовательно, амплитуда источника равна:

(I.26) 0 =0r0 2.

Поскольку сила источника Q равна произведению вектора скорости r c на площадь излучаемой поверхности dS, то r r Q = c ndS, (I.27) S r где n - единичный вектор, нормальный к поверхности сферы.

Следовательно, Q = 4r0 20 (I.28) Откуда для потенциала точечного источника окончательно получаем:

Q = ei (wt-kr ) (I.29) 4r Излучение двухточечного источника. Двухточечным источником называется источник, состоящий из двух монополей, работающих синфазно. Если излучение двух монополей происходит с отставанием один от другого на, то такой работающий в противофазе ансамбль называется диполем.

Рассмотрим потенциал акустического поля синфазно работающего двухточечного источника в точке Р, расположенной на расстоянии r от середины расстояния между монополями, равного d (рис. 7).

Общее давление в точке Р равно сумме давлений, создаваемым каждым монополем:

Q1 QP = ei (wt-kr1 ) + ei (wt-kr2 ) (I.30) 4r1 4rЕсли расстояние до Р велико, то прямые r1 и r2 можно считать параллельными, тогда d d r1 = r - sin, r2 = r + sin и r2r.

Поэтому Q sin (kd ) -i sin (kd 2) P = ei(wt -kr ) ei 2 + e (I.31) 4r или Q P = ei (wt-kr ) cos, (I.32) 2r где d = sin (I.33) Вдоль оси симметрии системы, т.е. при =0 источники работают в фазе и дадут максимальное давление:

Q P0 = ei (wt-kr0 ) (I.34) 2rОтношение давления в любой точке плоскости Р к давлению по оси симметрии Р0 определяет геометрическое место точек диаграммы направленности системы из двух излучателей:

P d = cos = cos sin. (I.35) PP Из 3.21 видно, что величина отношения зависит от расстояния d Pмежду источниками и длины излучаемой волны, т.е. от d/.

Для малого d источники сливаются в один монополь и система лишена направленности. Для отношения d/ превышающего диаграмма проходит через нуль прежде чем достигнет максимального значения (рис. 8). Максимальное значение Р между нулями называется главным максимумом или главным лепестком направленности.

Добавочные максимумы (лепестки) называют вторичными или добавочными лепестками направленности.

Угол раствора главного лепестка называется остротой направленности. Таким образом, диаграмма направленности источника излучения характеризует его силу по различным направлениям, что позволяет ориентировать систему излучателей в направлении излучаемого объекта.

Приемные системы. В гидроакустике и эхолотировании в качестве приемников акустических колебаний используется один и тот же преобразователь для передачи и приема колебаний.

В сейсмоакустике обычно применяются буксируемые массивные приемные системы, составленные из цепочки приемников, соединенных между собой параллельно. Такие системы (пьезокосы) собираются в полихлорвиниловых шлангах, заполняемых непроводящей жидкостью, соляром, касторовым или трансформаторным маслом и на глубине 5—15 м буксируется за судном. При работе ГСЗ используются одиночные гидрофоны, состоящие из нескольких чувствительных элементов. Обычно в качестве последних используется керамика титаната бария. Чувствительность гидрофонов и пьезокос, называемых также акустическими антеннами, зависит от эффективной приемной площади пьезоэлементов.

Акустические приемные антенны могут быть настроены на любую полосу частот. Для этой цели применяется группирование отдельных чувствительных элементов, путем расположения последних на различных расстояниях друг от друга и между группами, составленными из нескольких элементов.

Расчет интервалов между элементами и группами производится аналогично расчету поля излучателей, рассматриваемого выше. В основе его лежит правильный выбор соотношения d/. При этом учитываются преобладающие длины волн шума и длины волн полезных сигналов. Настройка антенны производится таким образом, чтобы шум подавлялся, а полезный сигнал в требуемом диапазоне частот достигал максимального значения.

Таким образом, создаются направленные антенны, которые как и излучатели характеризуются своей диаграммой направленности и избирательностью по частоте. С этой целью создаются довольно длинные пьезокосы (20—100 м) для работ методом отраженных волн или многоэлементальные гидрофоны для работ методом ГСЗ.

§4. Методика морских сейсмоакустических исследований Метод ГСЗ Глубинное сейсмическое зондирование, или сокращенно ГСЗ, находит широкое применение при исследовании глубинной структуры земной коры и верхней мантии на морях и океанах.

Сущность метода заключается в следующем. Один из кораблей ложится в дрейф или (если позволяет глубина) становится на якорь.

Другой корабль, двигаясь вдоль профиля наблюдений, осуществляет последовательный ряд взрывов зарядов TNT или глубинных бомб в воде на глубинах 40-90 м (рис. 9). Интервал между взрывами обычно составляет 2 мили.. Преломленные и отраженные от границ земной коры волны регистрируются дрейфующим кораблем с помощью гидрофонов, снабженных чувствительными элементами из керамики титаната бария и погруженных на глубину 30—35 м.

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 17 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.