Способ определения скорости распространения акустических волн в морских осадках

 

Использование: при геоакустических исследованиях донных осадков на акваториях . Сущность изобретения. Прием акустических сигналов осуществляют в двух точках среды, имеющих фиксированную базу с точкой излучения. В одной из точек приема размещают поглощающую поперечную волну среду. Далее из полного сигнала вычитают сигнал, соответствующий продольной составляющей. При этом толщина поглощающего слоя на порядок меньше базы измерения . 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з G 01 V 1/38

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4874272/25 (22) 17,10,90 (46) 07.03.93, Бюл. N. 9 (71) Ленинградский институт авиационного приборостроения (72) Г,Б.Богатов и А.Г.Голубков (56) Патент США

М 4562556, кл. G 01 V 1/40, 1985.

Авторское свидетельство СССР

М 811168, кл. G 01 V 1/00, 1981. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ

РАСПРОСТРАНЕНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ

ВОЛН B МОРСКИХ ОСАДКАХ

Изобретение относится к геоакустическим и сейсмическим исследованиям донных осадков на акваториях.

Целью изобретения является повышение информативности способа за счет выделения продольной составляющей акустических волн из цуга колебаний, На чертеже показан принцип способа определения скорости распространения акустических волн в морских осадках и обозначены: тачка 1 излучения акустических импульсов; исследуемая среда 2 морских осадков; первая точка 3 приема; среда 4, поглощающая поперечную составляющую акустического импульса; вторая точка 5 приема; третья точка 6 приема; измерительное устройство 7, а также АА — плоскость излучения и дополнительного приема акустических импульсов, Гà — плоскость первой и второй точек приема акустических импульсов; L — расстояние между плоскостями АА

I и ГГ(длина базы); d — толщина поглощающего поперечную компоненту слоя.

„„ 42 „„180041 7 А1 (57) Использование: при геоакустических исследованиях донных осадков на акваториях. Сущность изобретения. Прием акустических сигналов осуществляют в двух точках среды, имеющих фиксированную базу с точкой излучения. В одной из точек приема размещают поглощающую поперечную волну среду. Далее из полного сигнала вычитают сигнал, соответствующий продольной составляющей. При этом толщина поглощающего слоя на порядок меньше базы измерения, 1 ил.

Суть предложенного способа заключа- ) ется в следующем.

B точке 1, находящейся в плоскости АА, излучают акустический импульс. имеющий в своем составе продольную и поперечную составляющие. Акустический импульс, проходя через исследуемую среду 2 морских осадков с длиной базы L от нескольких метров до нескольких десятков метров, претерпевает изменения, Измененный средой 00 морских осадков акустический импульс по- С) ступает одновременно в первую и вторую Q точки 3, 5 приема, находящиеся в одной ф плоскости ГГ . Перед первой точкой 3 приема расположена среда 4, поглощающая поперечную составляющую акустического сигнала. В качестве такой среды может быть использован столб воды, толщиной d в,И единицы сантиметров — по крайней мере на порядок меньшей длины базы измерений.

Благодаря поглощению поперечной составляющей сигнала средой 4 в первой точке 3 приема сигнала появляется лишь компонен1800417 та напряжения сигнала, соответствующая продольной компоненте акустического импульса, Во избежание изменения продольной компоненты акустического импульса слоем осадков, расположенных за средой, поглощающей поперечную компоненту акустического импульса, первый приемникдолжен непосредственно примыкать к стенке сосуда, содержащего столб поглощающей жидкости, Из первой и второй точек приема на первый и второй входы измерительного устройства 7 поступают напряжения, соответствующие полной и продольной составляющим акустического импульса, где выделяют также компоненту сигнала, соответствующую поперечной компоненте акустического импульса, как разность сигналов, соответствующих полному акустическому импульсу и его продольной составляющей. После регистрации напряжений, соответствующих продольной и поперечной компонентам акустического импульса и измерения времени из распространения определяют скорости распространения каждой составляющей акустического импульса в среде морских осадков, Для измерения времени распространения компонент акустического импульса в дополнительной (третьей) точке 6 приема, лежащей в плоскости АА, также осуществляют прием акустических колебаний. Из третьей точки 6 приема напряжение подают на третий вход измерительного устройства

7, где это напряжение используется в качестве опорного.

Сведения о параметрах, определяющих распространение звука в морских осадках, необходимы в гидроакустике для правильного предсказывания характеристик гидролокационных систем, Нужно с высокой точностью знать скорость звука в зависимости от свойств осадков, глубины в районе работ. Такую информацию можно получить только из экспериментов и данных о физических свойствах среды, Сбор сведений о скорости звука затрудняется тем, что неизвестна зависимость искомых параметров от частоты.

Данные исследований говорят о том, что во всех практически важных случаях скорость звука в осадках не зависит от частоты, Поглощение же меняется с частотой. Трудность получения данных состоит в том, что точное измерение поглощения возможно только на относительно высоких частотах, а для получения низкочастотных данных нужно производить экстраполяцию иногда за пределами того частотного диапазона, в котором велись наблюдения. По Био пористую среду можно рассматривать как систему, в

55 которой зерна минералов образуют твердый скелет, насыщенный жидкостью. Объемный модуль упругости такой среды имеет три компоненты: объемный модуль жидкости, модули твердых частиц и скелета, модуль сдвига скелета, Эта модель дает две продольные волны, из которых первая является "нормальной" продольной волной, а вторая — следствием движения жидкости относительно скелета. Затухание второй волны очень велико, поэтому ее практическое затруднение ограничено и обусловлено только тем, что она непосредственно связана с вязкими потерями в первой волне и ее экспериментальное наблюдение может помочь проверке теории. Кроме двух продольных волн существует еще и поперечная волна, но она в описанной модели Био не рассматривается.

Надо особо отметить то обстоятельство, что математические уравнения модели справедливы только для песков, содержащих сферические зерна одинаковых размеров. В таком случае пористость не зависит от размера частиц. Однако это не согласуется с экспериментом, так как в реальных осадках и распределение частиц по размерам, и их форма изменяются с изменением среднего размера зерен, Из этого следует, что теория Био является слишком упрощенной и неприменима к реальным осадкам, имеющим распределение частиц по размерам, Отсюда возникает настоятельная необходимость поиска способов обнаружения волн различных типов в экспериментах с осадками различных типов и при различных значениях статического давления на минеральный скелет. Если ранее в сейсмике использовались в основном продольные волны, то в последние годы наблюдается увеличение интереса к поперечным волнам, Эти поперечные волны влияют на потери при отражении вблизи малых углов скольжения, а вследствие этого также и на мелководное распространение над жестким дном.

Прохождение акустических волн в осадках управляется как присущими осадкам свойствами, так и образованием слоев, являющихся результатами широкого класса геологических и залегательных процессов, Более того, присущие осадкам свойства зависят не только от микроскопической структуры самих осадков, но также и от амплитуды механических воздействий, Если поры между частицами содержат воду, то наблюдаемое затухание является не только результатом межгранулового трения, но и результатом дополнительных потерь из-за

1800417 шения погрешности измерения, Отношение

40 d/il может быть определено исходя из допустимой погрешности измерения. По той же

55 вязкости жидкости, Влияние вязкости проявляет себя двояко, B материалах с высокой п роницаемостью, таких как песок, имеет место общее движение поля жидкости относительно скелетного остова осадков. Этот вид движения сказывается на частотно-зависимом демпфировании, которое изменяется довольно быстро по довольно узкому частотному диапазону, В более тонких материалах, которым свойственна очень низкая проницаемость, этот вид демпфирования может существенно не проявляться, пока не будут использованы довольно высокие частоты. Однако имеются и такие результаты экспериментов, которые указывают на значимость других видов демпфирования и на низких частотах. Это требует экспериментального изучения, Надо заметить, что существенные неоднородности осадков будут видоизменять акустический сигнал из-за рассеяния, преобразования моды и другим нарушающим эффектам. При этом можно утверждать, что использование эмпирических данных и экстраполяция их для предсказания затухания в любом конкретном месте интереса фактически является невозможной задачей, а потому необходим эксперимент в морских осадках широкого многообразия.

Соответственно сказанному и предлагается способ определения скорости распространения акустических волн в морских осадках, направленный на повышение информативности сведений о физических свойствах слоя морских осадков и, в частности, на получение данных не только о параметрах распространения продольных акустических волн, но и получение данных о параметрах распространения поперечных компонентов акустических волн.

Проведение экспериментов по оп ределению скорости продольных и поперечных волн в морских осадках для диапазона высоких частот 100 — 200 Гц определяет базу измерений L исходя из соотношения: база измерений должна быть больше длины волны распространения сейсмических волн, Учитывая, что скорость продольных волн

V>p на глубине осадков до 1,5 м составляет

1200 — 1400 м/с, для минимальной частоты

fM, диапазона 100 Гц длина волны продольНЫХ КОЛЕбаНИй Ялр=Члр/fMw РаВНа 12 — 14М, Для поперечных сейсмических волн скорости распространения в морских осадках

Vnon составляет 50 — 280 м/с (в зависимости от вида осадков: илистые глины или песок), соответственно длины волн Йоп=Чпоп/1м для частоты 100 Гц составляет 0,5 — 2,8 м.

Ограничение базы измерения L определяется предельной длиной участков дна, на которой энергия цугов волн частотой

1 =100 — 200 Гц максимальна. Для упомянутых выше типов морских осадков эти участки лежат в пределах от 5 до 35 м (no результатам эксперимента), Применение в сейсморазведке диапазона высоких частот определяют необходимость получения высокого разрешения для определения тонкой структуры слоев, а в последние годы применение диапазона высоких частот связано и с экологическими задачами, связанными с исследованиями физико-механических характеристик тонкого (h=10-50 см) поверхностного слоя морских осадков.

База измерений была выбрана равной

15 м, что больше длины волны продольных колебаний, а тем более она больше длины волны поперечных колебаний.

B качестве передатчика акустических импульсов может быть использован невзрывной источник сейсмических сигналов.

Одним из вариантов его является модернизированная отечественная серийная установка вибрационного типа С — 10/100 со средней частотой 100 Гц, Другими вариантами реализации невзрывных источников сейсмических колебаний могут быть импульсные источники ИСК вЂ” 5 и ИСК вЂ” 20, импульсно — кодовые источники ИКИ и

СКИФ.

В качестве среды, поглощающей поперечную составляющую акустического импульса, может быть использован затвор в виде стол ба воды в тон к остен нам сосуде.

Толщина слоя поглощающей среды должна быть меньше длины волны для уменьпричине должно быть малым отношение толщины слоя поглощающей среды d к длине базы измерений L. Действительно, если положить, что (d/L) — — > 1, то определим скорость распространения продольной составляющей волны в толще среды, поглощающей поперечную компоненту акустической волны, Наоборот, если(б/L) --> О, то определим точно скорость распространения продольной составляющей акустической волны в среде исследуемых морских осадков. Соответственно чем меньше отношение (d/L), тем меньше погрешность измерения скоростей распространения продольной и поперечной компонент акустической волны.

B то же время толщина поглощающего слоя d должна быть менее (1/16-1/32) А, так как при этом эффект затухания попереч1800417

Составитель Г.Богатов

Техред М.Моргентал

Корректор М.Максимишинец

Редактор Т.Иванова

Заказ 116Ч Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж 35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 ной компоненты акустической волны оказывается достаточно большим, а именно — более 30 дБ. Практически достаточно иметь эту толщину и в 10 раз меньшей длины базы измерений L. В нашем эксперименте отно- 5 шение d/L=0,15 м/15 м=0,01.

Формула изобретения

Способ определения скорости распространения акустических волн в морских 10 осадках, включающий излучение сигнала, а также его прием в двух точках слоя морских осадков с фиксированной базой измерения между точкой излучения и линией приема, регистрацию сигнала и определе- 15 ние скорости распространения акустических волн, отл и ч а ю щи и с я тем, что, с целью повышения информативности способа за счет выделения продольной составляющей акустических волн из цуга колебаний, перед приемом в первой точке размещают среду поглощения поперечной составляющей сигнала с толщиной поглощающего слоя по крайней мере на порядок меньшей базы измерения, затем производят вычитание сигнала, соответствующего его продольной составляющей из полного сигнала, принятого во второй точке приема, и после регистрации продольной и поперечной составляющих акустического сигнала и измерения времени их распространения определяют скорости распространения составляющих акустического сигнала в среде исследуемых морских осадков.