Пристрій для виявлення неоднорідностей у приповерхневих шарах грунту

Пристрій для виявлення неоднорідностей у приповерхневих шарах ґрунту, що містить випромінювач акустичних коливань, приймальний zдавач поздовжніх коливань, послідовно з'єднаний з попереднім підсилювачем, смуговим фільтром, підсилювачем та пороговою схемою, інший вхід якої з'єднаний з виходом схеми формування порога, а вхід обчислювального вузла з'єднаний з першим виходом синхронізатора, другий вихід якого підключений до випромінювача, а вихід обчислювального вузла підключений до індикатора, який відрізняється тим, що додатково введені два приймальних давачі сейсмоколивань горизонтального типу (х та у), які розташовані ортогонально відносно першого давача і між собою, а конструктивно виконані сумісно і кожен з давачів послідовно з'єднаний з попереднім підсилювачем, смуговим фільтром, підсилювачем, а керуючі входи всіх підсилювачів з'єднані з виходом системи автоматичного регулювання підсилення (АРП), вхід якої підключений до виходу підсилювача z-давача, вихід останнього підключений до перших входів по Винахід відноситься до геофізичних засобів обробки сейсмоакустичної інформації і стосується геоакустичних пристроїв для виявлення різних неоднорідностей у при поверхових шарах ґрунту Він ДОЗВОЛЯЄ ВИЯВЛЯТИ неоднорідності ґрунту, в тому числі і порожнини, на локальних ділянках площини ВІДОМІ пристрої для перевірки стану порід (ДУК-20, УКБ-1М, УК-10П, УК-15П, ЛС-2, UST (Англія), Lehfeld (Германия),УЄС-1, ПССВ, Калій-1, Диоген 12/3 та ІНШІ), ЯКІ МІСТЯТЬ у собі випроміню вач акустичної енергії, окремі або розташовані в множувачів, другі входи яких з єднані, ВІДПОВІДНО, З виходами підсилювачів х та у давачів, а виходи помножувачів підключені до входів схеми "і", вихід якої з'єднаний з керуючим входом двох аналогових ключів, причому сигнальний вхід першого ключа підключений до виходу підсилювача х-давача, а сигнальний вхід другого - до виходу підсилювача у-давача, причому вихід кожного з ключів з'єднаний через ВІДПОВІДНИЙ піковий детектор з квадратором, крім того, виходи квадраторів підключені, ВІДПОВІДНО, до першого та другого входів суматора, вихід якого через схему визначення квадратного кореня з'єднаний з входом діленого першого подільника, другий вхід останнього підключений до виходу третього пікового детектора, вхід якого з'єднаний з виходом підсилювача z-кабала, причому перші керуючі входи всіх пікових детекторів з'єднані з виходом схеми "або", входи останньої підключені до виходів порогової схеми, керуючий вхід якої з'єднаний з виходом схеми "і", крім того, виходи порогової схеми підключені до входів тригера, вхід квадратора х-канала з'єднаний з входом діленого другого подільника, другий вхід якого підключений до входу квадратора у-канала, при цьому виходи ПОДІЛЬНИКІВ, третього пікового детектора, схеми "або" та тригера підключені до обчислювального вузла, вхід схеми формування порога з'єднаний з виходом підсилювача z-давача, перший вихід синхронізатора підключений до керуючих входів тригера, а третій - до других керуючих входів пікових детекторів ЛІНІЮ приймачі породільних коливань, z, сеисмокоси", кожен з яких з'єднаний послідовно з підсилювачем, фільтром та пороговою схемою Виходи порогової схеми підключені до обчислювального вузла, який по затримках часу спрацювання однієї порогової схеми визначає похилу дистанцію до неоднорідності, або при роботі "сейсмокоси" і спрацюванні кількох порогових схем (різниця фази приходу відбиткової хвилі), ВИЯВЛЯЄ місце розташування неоднорідності Дистанція до неоднорідності визначається ю о 00 ю 58052 по інтервалу часу між випромінюванням та спрацюванням порогової схеми Недоліком пристроїв аналогів є, по-перше, неможливість визначення місця знаходження локальної неоднорідності при використанні одного z -сейсмоприймача і по-друге - потреба у великій КІЛЬКОСТІ z-приймачів для однозначного визначення положення неоднорідності під локальною ділянкою ґрунту Слід зазначити, що в зв'язку з тим, що швидкість розповсюдження акустичних коливань в при поверхових шарах (глибини до 8 10м) ґрунту невеликі, 400 900м/сек, довжина хвилі коливань в робочих частотних діапазонах 0,5 2кГц складає ЗО 100см Для точного визначення положення неоднорідності при використанні "сейсмокоси", необхідно розташування и приймальних давачів на дистанції не більше, ніж половина довжини хвилі Це значно ускладнює виміри параметрів відбиткових сигналів у пристроїв аналогів і негативно впливає на точність при роботі з різними частотними діапазонами Крім того, недоліком всіх аналогів є неможливість одночасно з виявленням провести попередню ідентифікацію виявленої неоднорідності За прототип прийнято пристрій "Калій-1", Сб "Тампонаж в шахтном строительстве горной химии" м ГИГХС, 1975, вып 32), який містить у собі випромінювач акустичних коливань ударного типу, приймальний давач породільних коливань z, послідовно з'єднаний з попереднім підсилювачем, смуговим фільтром, підсилювачем та пороговою схемою, інший вхід якої з'єднаний з виходом схеми формування порога, а вихід порогового схеми підключений до входу обчислювального вузла, другий вхід якого з'єднаний з першим виходом синхронізатора, другий вхід якого підключений до випромінювача, а вихід обчислювального вузла підключений до індикатора Недоліком прототипу є відсутність можливості визначення з однієї точки точного положення неоднорідності під шаром ґрунту, тому що відсутня обробка сигналів по вектору приходу коливань, що призводить до потреби виконання декількох замірів з різним розташуванням приймального z-давача та випромінювача на ґрунті, а від цього - збільшення часу на дослідження окремої ділянки ґрунту Крім того, пристрій прототипа має малу завадостійкість, за рахунок приймання відбитків від неоднорідностей, які знаходяться не в секторі виявлення, та інших сигналів в його діапазоні частот, що призводить до помилок при дослідженнях В основу винаходу поставлено задачу удосконалити пристрій для виявлення неоднорідностей шляхом введення додаткових приймальних давачів та їх сумісних каналів обробки, чим забезпечується підвищення точності виявлення неоднорідностей та, одночасно, підвищення завадостійкості Поставлена задача вирішується тим, що у пристрій для виявлення неоднорідностей у при поверхових шарах ґрунту, що містить випромінювач акустичних коливань ударного типу, приймальний z-давач подовжніх коливань, послідовно з'єднаний з попереднім підсилювачем, смуговим фільтром, підсилювачем та пороговою схемою, інший вхід якої з'єднаний з виходом схеми формування порога, а вхід обчислювального вузла з'єднаний з першим виходом синхронізатора, другий вихід якого підключений до випромінювача, а вихід обчислювального вузла підключений до індикатора згідно з винаходом новим є те, що в нього введені два приймальних давача сейсмоколивань горизонтального типу (х та у), які розташовані ортогонально відносно першого давача і між собою, а конструктивно виконані сумісно і кожен з давачів послідовно з'єднаний з попереднім підсилювачем, смуговим фільтром, підсилювачем, а керуючі входи всіх підсилювачів з'єднані з виходом системи автоматичного регулювання підсилення (АРП), вхід якої підключений до виходу підсилювача z- давача Вихід підсилювача zдавача підключений до перших входів помножувачів, другі входи яких з'єднані, ВІДПОВІДНО, З виходами підсилювачів х та у-давачів, а виходи помножувачів підключені до входів схеми "і", вихід якої з'єднаний з керуючим входом двох аналогових ключів, сигнальний вхід першого ключа підключений до виходу підсилювача х-давача, другого до виходу підсилювача у-давача, при цьому вихід кожного з ключів з'єднаний через ВІДПОВІДНИЙ піковий детектор з квадратором Крім того, виходи квадраторів підключені, ВІДПОВІДНО, до першого та другого входів суматора, вихід якого через схему визначення квадратного кореня з'єднаний з входом діленого першого подільника, другий вхід останнього підключений до виходу третього пікового детектора, вхід якого з'єднаний з виходом підсилювача z- каналу, при цьому керуючі входи всіх пікових детекторів з'єднані з виходом схеми "або", входи останньої підключені до виходів порогової схеми, перший вхід якої підключений до виходу підсилювача zканала, другий - до схеми формування порога, а керуючий вхід - до виходу схеми "і", крім того, виходи порогової схеми підключені до входів тригера, вхід квадратора х-каналу з'єднаний з входом діленого другого подільника, другий вхід якого підключений до входу квадратора у-каналу, при цьому виходи ПОДІЛЬНИКІВ, третього пікового детектора, схеми "або" та тригера підключені до обчислювального вузла, вхід схеми формування порога з'єднаний з виходом підсилювача zдавача, перший вихід синхронізатора підключений до керуючих входів тригера, третій - до других керуючих входів всіх пікових детекторів Функціина схема заявляемого пристрою приведена на кресленні Пристрій містить 1, 2, 3 - ВІДПОВІДНО, приймальні давачі х, у та z, при цьому х та у давачі сейсмоприймачі горизонтального типу, які приймають коливання поперечної хвилі, а z-давач вертикального, що приймає коливання породільного типу, 4, 5, 6 - попередні підсилювачі для, ВІДПОВІДНО, давачів х, ута z, 7, 8, 9 - смугові фільтри, ВІДПОВІДНО, для давачів х, у та z, 10, 11, 12 підсилювачі, ВІДПОВІДНО, давачів х, у та z, 13 канал автоматичного регулювання підсилення (АРП), 14,15 -помножувачі, 16 - схема „і", 17,18 ключі з керуючим входом, 19, 20, 29 - схеми пікових детекторів з керуючими входами, 21, ЗО - по 58052 дільники сигналів, 22, 23 - квадратори сигналів, 24 - суматор, 25 - схема визначення квадратного кореня, 26 - порогова схема, 27 - тригер з керуючим входом, 28 - схема „або", 31 - обчислювальний вузол, 32 - схема формування порога, 33 синхронізатор, 34 - випромінювач, 35 - індикатор Робота пристрою виконується наступним чином За сигналом синхронізатора 33 випромінюється в ґрунт коливання від випромінювача ударної дії 34 Відбиткова хвиля від неоднорідностей у при поверхових шарах ґрунту створює коливання приймальних сейсмодавачів 1, 2, 3 При цьому, за рахунок того, що три давача розташовані в одній точці, але ортогональні один відносно другого, можливо проводити векторно-фазову обробку прийнятого коливання Давачі 1, 2, 3 (х, у, z) розташовані таким чином, що утворюють кут прямокутника, який внутрішньою стороною направлен в сторону площини ґрунту під якою проводиться виявлення неоднорідностей Приймальний давач z - каналу 3, розташований вертикально, а давачі х, 1, та у, 2, каналів - ортогонально відносно нього, тобто -горизонтально При цьому, давачі підключені таким чином, що при приході фронта коливання з потрібного напрямку давачі z, х та у, і, ВІДПОВІДНО, їх підсилювачі 12, 10, 11 на своїх виходах виробляють позитивну напругу та однакову фазу Одночасно з цим сигнал з виходу підсилювача z -давача надходить до порогової схеми 26 та пікового детектора 29, аналогічного 19 та 20 Порогова схема 26 являє собою дворівневу (через „0") схему з двома виходами, на яких з'являється стандартний позитивний рівень, при перевищенні позитивного, або, ВІДПОВІДНО, негативного рівня порога На виходах порогової схеми з'являється стандартний позитивний рівень в тому випадку, коли відбитковий сигнал z-каналу перевищить поріг, який задається схемою формування порога 32 в залежності від рівня інтегрованої завади на виході підсилювача z-давача для кожного інтервалу часу після випромінювання При цьому, в 26 від 32 формуються два однакові за модулем пороги - позитивний та негативний Коли передній фронт відбиткового від неоднорідності лунасигналу є негативним, схема 26 спрацьовує по негативному рівню, в іншому випадку схема 26 спрацьовує по позитивному рівню Сигнали з виходів давачів 1, 2, 3 обробляються, ВІДПОВІДНО, у послідовному колі попередніх підсилювачів 4, 5, 6, які забезпечують узгодження вихідних параметрів здавачів з наступними вузлами, смугових фільтрів 7, 8, 9, які забезпечують роботу в вибраному діапазоні частот, та підсилювачів 10, 11, 12, що підтримують необхідний коефіцієнт підсилення в залежності від умов розповсюдження Для забезпечення потрібного масштабування у динамічному діапазоні по рівню, а також для зменшення впливу ревербераційної завади, яка з'являється після ударного коливання, підсилювачі х, у та z- давачів охоплені колом АРП по тривалості обробляємого імпульсу, що дозволяє обробляти тільки імпульсні сигнали з тривалістю не більше необхідної Сигнал для системи АРП (13) відбирається з виходу підсилювача z-каналу, в якому завжди присутні тільки сигнали з напрямку його дії записати, як Vrp> V H —Ї (-), Vrp (+) При цьому, передній фронт коливань, що розповсюджуються в ґрунті після випромінювання (удару), повинен відповідати на виходах приймальних давачів х, у та z позитивному рівню Слід зазначити, що поява негативного переднього фронту практично завжди відбувається у випадках, коли неоднорідністю є порожнини, або схожі на них сильно розпорошені шари ґрунту Виходи 26 з'єднані з входами тригера 27 таким чином, що забезпечують його спрацювання в „І", коли існує негативний фронт сигналу, тобто повітряна порожнина, та в „0" при позитивних фронтах, сигналу При появі на будь-якому виході 26 потрібного сигналу спрацьовує схема „або" 28, яка дозволяє запис інформації на всі ПІКОВІ детектори-19, 20 та 29 На пікових детекторах записується максимальний рівень сигналу в інтервалі часу його дії, який дорівнює інтервалу часу перевищення рівня на вході 26, тобто, практично, це тривалість лунасигналу від неоднорідності Записані в 19, 20 максимальні рівні відбиткового від неоднорідності сигналу для каналів, ВІДПОВІДНО, Х- та у-давачів передаються на квадратори 22 та 23 та на входи подільника 21 В 21 відбувається ділення максимального значення сигналу від х-давача их на максимальне значення сигналу від у-давача иу-их/иу, що дорівнює tga, де a - кут між напрямком максимальної дії давача у та напрямком на виявлену неоднорідність на поверхні ґрунту На виході суматора 24 отримують суму ВИХІДНІ сигнали з підсилювачів давачів х та у перемножуються з сигналами підсилювача z давача на помножувачах, ВІДПОВІДНО, 15 та 14, що дозволяє знешкодити в подальшому ті сигнали, які не стосуються обстежувальної ділянки за рахунок того, помножувачі виявляють сигнали, що корельовані по фазам Ця задача вирішується за допомогою схеми "і", 16, та керуємих ключів 17 та 18 Коли на масштабованих виходах помножувачів з'являються позитивні стандартні рівні, що свідчить про корельованість сигналів від z - та хканала, (z та у), на виході схеми 16 з'являється напруга, що дозволяє відкрити ключі і відбитковий сигнал з підсилювачів х та у- давачів проходить на ПІКОВІ детектори 19 та 20 ПІКОВІ детектори мають два керуючих входа перший дозволяє запис інформації, а другий, що з'єднаний з синхронізатором, и скидання Таку роботу порогової схеми можна пояснити наступним Відомо, ЩО ШВИДКІСТЬ розповсюдження акустичних (сейсмічних) коливань у ґрунті, практично, завжди прямо пропорційно зв'язана з ЩІЛЬНІСТЮ ґрунту Тому, поява того чи іншого переднього фронту залежить від знаку різниці між швидкістю розповсюдження акустичних коливань в ґрунті, Vrp, та у неоднорідності, Vrp, що можна 2 = их +иу , а після схеми визначення кореня, 25, значення у их + иу Значення цього рівня подається на подільник ЗО, на виході якого отри 58052 мується значення у их +иу /uz Значення uz подається на подільник ЗО з пікового детектора 29, який також керується сигналом з схеми 28 Таким чином, на виході подільника ЗО отримують значення tgp, де р - кут між напрямком максимальної дії давача z, тобто вертикально вниз відносно поверхні ґрунту, та напрямком на виявлену неоднорідність Синхронізація роботи пристрою виконується за допомогою синхронізатора 33, який забезпечує підготовку всіх пікових детекторів, тригера та обчислювального вузла до приймання інформації, а також забезпечує формування та видачу сигналу початку випромінювання на схему 34 Слід зазначити, що значна завадостійкість заявляемого пристрою базується на тім, що спрацювання порогової схеми 26 керується сигналами від схеми „і", чим відкидаються можливі спрацювання від відбиткових сигналів з непотрібних напрямків Одночасно з цим, запис інформації в детектори всіх каналів забезпечується тільки при спрацювання порогової схеми Такий подвійний захист дозволяє визначати тільки неоднорід Комп ютерна верстка Т Чепелєва 8 ності в потрібному напрямку і захищає пристрій від випадкових завад різних видів - як акустичних, так і електричних Таким чином, отримані значення tgp, tga та інтервалу часу tH між початком випромінювання, яке задається сигналом з синхронізатора 33, та появи луна-сигналу від неоднорідності, яке отримується від схеми 28, а також значення uz, отримане від детектора 28, дозволяє точно визначити положення неоднорідності у верхніх шарах ґрунту відносно положення приймальнопередавального модуля на поверхні в обчислювальному вузлі 31, куди поступають всі ці сигнали Так, глибина залягання „стелі" неоднорідності визначається як tH * V/2 * cos p, де V - заздалегідь закладена в 31 для даної ділянки швидкість розповсюдження коливань Інформація від схеми 27 дозволяє одночасно отримувати ідентифікацію винайденої неоднорідності - повітряна порожнина або більш щільний ґрунт Отримані значення глибини, напрямку та ідентифікації подаються на індикатор 35 Підписано до друку 05 08 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності Львівська площа 8 м Київ МСП 04655 Україна ТОВ Міжнародний науковий комітет вул Артема 77 м Київ 04050 Україна