О «псевдошуме» возникающем при распространении сейсмической волны в гранулированной среде

Электронный журнал «Техническая акустика»

Характер распространения упругих колебаний в гранулированной среде существенно отличается от распространения в сплошных средах. Нелинейные свойства гранулированных сред проявляются заметным образом даже при небольших деформациях [1 - 3]. Кроме того, в среде появляются дополнительные степени свободы связанные с возможностью поворотов гранул [4]. Трение между гранулами и гранулами и корпусом приемника при этих поворотах приводит к генерации широкополосного шумового сигнала, который по аналогии с шумом обтекания микрофона пульсирующим воздушным потоком [5] мы назвали «псевдошумом». Ниже приводятся результаты экспериментального исследования этого эффекта.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА

Измерения проводились в цилиндрическом баке высотой 0,7 м, диаметром 0,7 м, заполненном сухим песком. Сухой речной песок, как среда распространения упругих волн, был выбран из-за того, что, являясь двухкомпонентной (по крайней мере) средой, он обладает хорошей упругостью за счет деформации пор, заполненных воздухом. На оси бака на глубинах 0 - 0,03 м, 0,2 м, 0,3 м, 0,4 м, 0,5 м, 0,6 м были размещены акселерометры. Песок облучался пьезокерамическим стержневым вибратором установленном на его поверхности. Для измерений ускорений под мембраной излучателя применялись акселерометры типа KD-45, KD-29, а в заглублении — акселерометры ПАЛ 17-9. Спектральный анализ процессов проводился на ПК с разрешающей способностью 0,7 Гц и последующим некогерентным накоплением.

При проведении экспериментов по изучению особенностей распространения высокочастотных импульсов (частота заполнения 8–9 кГц, длительность — 1 - 3 с) в гранулированной среде мы обратили внимание на увеличение уровня шума во всей полосе анализа в момент прохождения импульса, такой же эффект наблюдался при излучении высокочастотного амплитудно-модулированного колебания. Результаты экспериментов приведены на рис. 1а,б. По оси ординат отложена амплитуда сигнала в относительных единицах, ось абсцисс — текущее время в мсек. Серым фоном на рисунках показана осциллограмма зондирующего сигнала, черным — осциллограмма шума вне полосы частот зондирующего сигнала. Разница в коэффициентах усиления при записях зондирующего и шумового сигнала около 400.

A                                  A

• а)                                                     б)

Рис. 1 Изменение уровня шумовой помехи при прохождении через слой песка высокочастотного импульса (а) и модулированного колебания. (б).

Серый фон — осциллограмма зондирующего сигнала (несущая частота 8,5 кГц), черная кривая — осциллограмма шумового сигнала в полосе 0,2–7 кГц. Заглубление приемника — 0,3 м, разница в усилении зондирующих и шумовых сигналов 400

Из рисунка легко видеть, что уровень шума возрастает в 3–4 раза в момент прихода импульсного сигнала и меняет свою амплитуду при приеме модулированного колебания. На рис. 2 приведены результаты спектрального анализа процесса изображенного на рис. 1а. Кривой 1 представлен спектр зондирующего сигнала после прохождения его через среду, кривая 3 — спектр шумового фона в отсутствии зондирующего сигнала. Кривая 2 соответствует спектру излучаемого сигнала. Спектры зондирующего сигнала, прошедшего среду, и излучаемого сигнала нормированы. Спектральный анализ процесса показал, что генерируемый шум — широкополосный; его уровень почти не спадает с увеличением частоты и во всем диапазоне анализа (до 22 кГц) превышает уровень спектра фонового шума.

Анализ изменения уровня генерируемого шума с глубиной приема колебания показал, что разность уровней тонального колебания и «псевдошума» в измерениях, проведенных в один день, практически не меняется с глубиной приема. Это позволяет сделать предположение, что источник шума находится в непосредственной близости от приемника колебаний. Для измерений проведенных в разные дни разность в уровнях может достигать единиц дБ в зависимости от атмосферного давления, температуры, влажности.

Рис.2. Спектр зондирующего сигнала, принятого на глубине 0,3 м (1); 2 — спектр излучаемого сигнала (спектр нормирован на спектр колебания 1);

3 — спектр фонового шума в отсутствии зондирующего сигнала

Изменение уровня «псевдошума» жестко связано с изменением уровня зондирующего сигнала. На рис. 3а приведена осциллограмма высокочастотного (F=11,5 кГц) колебания, амплитуда которого меняется по пилообразному закону. Прием колебания осуществлялся на глубине 0,3 м. Отклонение закона изменения амплитуды от линейного связано с флюктуацией уровня тонального сигнала в гранулированной среде [6]. На рис. 3б дана осциллограмма изменения уровня шума в полосе 0,5–10 кГц для этого случая. Серая кривая — осциллограмма шума в той же полосе при отсутствии зондирующего сигнала.

• а)                                                      б)

Рис.3. Осциллограммы высокочастотного (F=11,5 кГц) колебания принятого на глубине 0,3 м (а) и сопровождающее его изменение уровня шумового сигнала вне полосы частот зондирующего колебания (б)

Эксперименты показывают, что «псевдошум» не поляризован. На рис. 4 а,б приведены результаты соответствующего эксперимента: акселерометр устанавливался на глубине 0,03 м под источником причем его поляризация совпадала с поляризацией излучаемого колебания (Z-поляризация). Фрагмент спектра принятого им сигнала приведен на рис. 6а. После этого акселерометр разворачивался на 90 ° (X-поляризация). Спектр сигнала принятого в этом случае приведен на рис. 4б. Из рисунков видно, что уровень зондирующего сигнала упал при Х-приеме на 40 дБ в то время как уровень шумовой подложки практически не изменился.

а)

б)

Рис. 4 Фрагменты спектра сигнала принятого приемником с Z-поляризацией (а) и Х-поляризацией (б)

При рассмотрении природы возникновения «псевдошума» было предположено, что значительный вклад в его формирование вносит трение песчинок о корпус сейсмоприемника.

Для того чтобы проверить это предположение, два однотипных акселерометра были размещены на глубине 0,03–0,04 м под источником колебаний. После проверки идентичности показаний корпус одного из акселерометров был смазан машинным маслом. Результаты измерений приведены на рис. 5. Из рисунка видно, что в результате смазки корпуса приемника уровень «псевдошума» уменьшается приблизительно на 10 дБ.

Рис. 5 Оценка зависимости уровня «псевдошума» от качества контакта гранул с корпусом приемника. 1 — спектр колебания принятого «сухим» акселерометром. 2 — спектр колебания принятого акселерометром, поверхность которого смазана машинным маслом. Спектры нормированы

В заключение отметим, что при проведении экспериментов по распространению упругих волн в гранулированной среде необходимо учитывать ограничение динамического диапазона не связанное с шумами используемой аппаратуры. Кроме того, можно наблюдать в полосе приема высокочастотного зондирующего сигнала изменение уровня шума вызванного наличием постороннего неконтролируемого низкочастотного источника колебаний, что может исказить интерпретацию полученных данных. Повидимому, аналогичные проявления наблюдаемого нами эффекта будут и при работе с другими гранулированными средами и в случае увлажнения песка. Все это потребует дополнительных исследований.