Высокочувствительный приемник механических колебаний

 

Изобретение относится к области геофизики, сейсмологии, физики, а именно в электроакустических преобразователях. Технический результат заключается в повышении чувствительности приемника. Для этого в цепь индуктивности вводится электрическая емкость и через согласующее устройство-генератор переменного электрического напряжения - накачка. При соответствующем выборе частоты накачки, резонансной частоты образованного индуктивностью и емкостью электрического контура по отношению к частоте внешнего механического возмущения во второй цепи приемника реализуется трехчастотный режим параметрического усиления входных колебаний. Повышение чувствительности приемника достигается за счет свойственного параметрическому усилению малошумящего усилия, повышения коэффициента передачи входной цепи приемника при преобразовании механических колебаний в электрические и за счет смещения частоты усиливаемых колебаний в высокочастотную область, где интенсивность многих составляющих собственных шумов приемника ниже, чем в диапазоне входных низкочастотных колебаний. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области физики и может быть использовано в сейсмологии, георазведке, акустоэлектрических преобразователях и при проведении физических исследований для усиления возбуждаемых в устройстве за счет внешнего воздействия механических колебаний и их преобразования в электрическое напряжение для дальнейшей обработки и регистрации.

Ближайшим аналогом и прототипом предлагаемому приемнику является сейсмический приемник электродинамического типа, используемый в станциях наземной сейсмической разведки (см. Сейсморазведка. Справочник геофизика. Книга 1. Под ред. В.Е.Новоконова, изд. Недра, 1990). Схема прототипа приведена на фиг. 1: 1 - катушка индуктивности; 2 - элементы упругой подвески катушки индуктивности в полости цилиндрического корпуса; 3 - сердечник катушки индуктивности из постоянного магнита, жестко прикрепленный к крышкам корпуса. Зазор между внутренней поверхностью катушки и сердечником и упругая подвеска катушки к корпусу обеспечивает возможность их взаимного перемещения относительно друг друга. Выводы индуктивности соединены электрическими проводниками со входом электронного усилителя 4, далее с блоком обработки и регистрации 5.

Прототип работает следующим образом. Прибор устанавливают на поверхности земли или в шахте. Колебания почвы от очагов землятресений, взрывов и других источников вызывают в приборе колебания катушки индуктивности относительно магнитного сердечника. Наведенные за счет этого в индуктивности электрические колебания усиливаются электронным усилителем и обрабатываются в блоке обработки.

Важным параметром сейсмометра является его чувствительность, определяющая дальность обнаружения источников возмущений и точность измерения параметров сигналов. Чувствительность прототипа определяется коэффициентом передачи (преобразования) энергии механических колебаний в энергию электрических колебаний и маскирующим действием собственных шумов преобразователя и следующего за ним электронного усилителя. Чем меньше коэффициент передачи, тем сильнее сказывается маскирующее действие шума. Коэффициент передачи преобразователя прототипа меньше единицы, что существенно ограничивает его чувствительность.

Техническим результатом внедрения предлагаемого изобретения является повышение чувствительности приемников механических колебаний: приемников сейсмических, акустических и гравитационных колебаний.

Этот результат достигается включением в цепь индуктивности последовательно электрической емкости и генератора электрической энергии - источника накачки (источника переменного электрического напряжения), причем резонансная частота образованного индуктивностью и емкостью электрического колебательного контура связана с частотой переменного напряжения накачки и частотой изменения индуктивности при колебаниях сердечника следующими соотношениями: Ω_к= Ω_н-Ω_L (1) или Ω_к= Ω_н+Ω_L, где Ω_к - резонансная частота электрического контура; Ω_н - частота накачки; Ω_L - частота изменения индуктивности при колебаниях сердечника, вызванных внешними возмущениями. При колебаниях сердечника относительно геометрического центра катушки индуктивности частота изменения индуктивности равна удвоенному значению колебаний сердечника 2Ω₁. В качестве сердечника в предлагаемом устройстве используется сердечник из ферромагнитного материала. Подключение источника накачки к контуру производится через согласующее устройство, например через согласующий трансформатор во избежание снижения добротности контура.

На фиг. 2 представлена эквивалентная схема предлагаемого приемника. Для наглядности в эквивалентной схеме к внешнему корпусу 1 через упругую подвеску 2 прикреплен сердечник 3, а катушка индуктивности 4 жестко прикреплена к корпусу. L и C - реактивные параметры контура; R₁ - активная составляющая вносимых в контур сопротивлений усилителем и накачкой, включая сопротивление потерь в индуктивности; l_н(t) = E_osinΩ_нt - ЭДС источника накачки. Для эффективной работы приемника необходимо, чтобы добротность контура была существенно больше единицы, чему способствует использование согласующего устройства 6.

Устройство работает следующим образом. Положим, что резонансная частота контура выбрана равной разности частоты накачки и частоты изменения индуктивности: Ω_к= Ω_н-Ω_L. (2) При воздействии на устройство внешней механической силы F(t) = F_osinΩ₁t, (3) где F_o - амплитуда внешнего воздействия; Ω₁ - частота воздействия, причем Ω ≈ Ω₁₀, где Ω₁₀ - собственная резонансная частота упругой подвески. При E_o = 0 в упругой подвеске в установившемся режиме возбуждаются колебания, совпадающие по частоте с частотой внешнего возбуждения: x_o(t) = A_osin(Ω₁t+ϕ_o), (4)
где X(t) - мгновенное значение координаты центра тяжести сердечника вдоль оси Χ, A_o и ϕ_o - соответственно амплитуда и фаза установившихся колебаний в этом случае равны:


где m - масса сердечника; α - коэффициент затухания упругой подвески (см. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. Справочник по физике. Наука. 1990, стр. 320).

Колебания сердечника приводят к изменению индуктивности колебательного контура:

где ∂L/∂Χ - усредненная крутизна изменения индуктивности ΔL при перемещении сердечника на ΔΧ. При включенной накачке в контуре будет протекать ток накачки и ток, обусловленный изменением потокосцепления контура

Произведение двух гармонических составляющих с частотой накачки и частотой изменения индуктивности создает протекающий по индуктивности ток разностной частоты (2), энергия которого при настройке контура на разностную частоту накапливается в контуре. Таким образом через индуктивность протекают две составляющие тока - вынужденный ток накачки и ток разностной частоты. В виде обратной реакции на колебания сердечника воздействует пондеромоторная сила, пропорциональная производной магнитной энергии индуктивности ∂W по оси перемещения ∂Χ (И. Е. Иродов. Основные законы электромагнетизма. Высш. шк. 1983):

где i_Σ(t) - результирующий ток, протекающий по катушке. Квадрат результирующего тока создает в магнитном поле составляющую силы F_x(t) с частотой, совпадающей с частотой внешнего воздействия. При выборе резонансной частоты электрического контура в соответствии с (2) направление действия этой силы будет совпадать с внешней возмущающей силы, в результате чего амплитуда колебаний сердечника возрастет, т. е. в системе возникает положительная обратная связь. Это эквивалентно внесению в механическую колебательную систему отрицательного затухания. В этих условиях при решении уравнения движения сердечника полученные значения амплитуды и фазы колебаний сердечника определяются выражениями:

(9)
где A_н и ϕ_н - амплитуда и фаза колебаний при включенной накачке;
I_н - амплитуда тока накачки в контуре.

Из сравнения амплитуд колебаний с учетом реакции магнитного поля (9) с исходной амплитудой колебаний (5) следует, что усиление колебаний по мощности (как отношение квадратов амплитуд) на центральной частоте равно:

Как следует из (10), в устройстве может быть реализован по мере приближения знаменателя к нулю большой коэффициент усиления, ограничиваемый лишь стабильностью его работы. Наряду с усилением механических колебаний сердечника, усиливаются когерентные им выделяемые в контуре электрические колебания, которые поступают для дальнейшей обработки в последующие элементы устройства.

Реализуемый в предлагаемом устройстве принцип усиления механических колебаний аналогичен принципу работы параметрических усилителей, используемых в радиоэлектронике для усиления сигналов сверхвысоких частот. Особенностью электронных параметрических усилителей (ПУ) является низкий уровень вносимых ими при усилении сигналов собственных шумов. Это объясняется отсутствием в схеме ПУ в цепях прохождения сигналов электронных приборов, которым присущи шумы дробового и иного происхождения, а также в связи с тем, что преобразование осуществляется на нелинейной реактивности с малой составляющей активного сопротивления - источника тепловых шумов. ПУ сохраняет работоспособность при глубоком их охлаждении, что способствует дальнейшему снижению их собственных шумов. Использование принципа параметрического усиления для усиления механических колебаний сохраняет за ними все их достоинства и предложено впервые.

Повышение чувствительности предлагаемого устройства по сравнению с прототипом в целом достигается за счет следующих факторов:
1. Малошумящего усиления и преобразования принятых механических колебаний в электрические с уровнем, превышающим шумы последующего электронного усилителя;
2. Смещения спектра усиливаемых колебаний вверх по частоте (Ω_к> Ω₁). Действие этого фактора объясняется тем, что интенсивность некоторых видов шумов снижается с увеличением рабочей частоты (Радиоприемные устройства. Под ред. А.П.Жуковского. Изд. Высш. шк, 1989, стр. 22; М.А.Розенблат. Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники. Наука, 1966, стр. 346).

Кроме рассмотренного выше регенеративного режима работы входного преобразователя, в предлагаемом устройстве может использоваться и нерегенеративный режим усиления входных механических колебаний и их преобразования в электрические. Этот режим реализуется при настройке электрического колебательного контура на суммарную частоту накачки и частоту изменения индуктивности, т.е.:
Ω_к= Ω_н+Ω₁. (11)
При этом режиме работы входной части устройства возбуждаемое в катушке индуктивности поле препятствует колебаниям сердечника и амплитуда его колебаний может уменьшиться во много раз. Однако энергия выделяемых в электрическом контуре колебаний усиливается, причем предельный коэффициент усиления по мощности определяется отношением:

Таким образом в данном режиме усиление возможно только при преобразовании сигнала по частоте вверх, что собственно благоприятно скажется и на чувствительности приемника. Если в электронных ПУ применение данного режима ограничивалось техническими возможностями работы на очень высоких частотах, то в рассматриваемом устройстве рабочий диапазон частот лежит в области десятков или сотен герц и практически отсутствуют ограничения на выбор частоты накачки и может быть реализован требуемый коэффициент усиления. Нерегенеративный режим работы более стабилен и широкополосен. Поэтому в практических применениях следует отдать предпочтение данному режиму.

Свойство нерегенеративного режима подавлять входные колебания могут иметь самостоятельные применения для компенсации мешающих колебаний или нежелательных вибраций.

Возможность практической реализации входного устройства приемника механических колебаний подтверждается расчетами, практикой использования электронных ПУ. Экспериментальные результаты близкого по принципу действия параметрического двигателя подтверждают возможность реализации параметров электромеханической системы, необходимые для эффективной работы устройства (Д.А. Бут. Бесконтактные электрические машины. Высш. шк. 1990).

Использование на входе предлагаемого устройства, как и в прототипе резонансной механической системы, приводит к ограничению полосы пропускания приемника. Поэтому для перекрытия всего ожидаемого диапазона частот необходимо использовать большое количество приемников с расстроенными по частоте резонансными системами.

С целью обнаружения и выделения механических колебаний с априори неизвестной частотой в предлагаемом приемнике возможна реализация следящего приема с самонастройкой приемника на частоту входного сигнала. Это достигается синхронной перестройкой частоты накачки. Для этого в устройстве дополнительно используются генератор электрических колебаний - гетеродин, с частотой колебаний, равной частоте настройки электрического колебательного контура; смеситель, вход которого соединен с выходом электронного усилителя, а выход соединен с полосовым фильтром, перекрывающим по частоте диапазон частот накачки; выход фильтра соединен со входом оконечного усилителя, выход оконечного усилителя через согласующее устройство соединен с электрическим резонансным контуром и является источником накачки. При перестройке частоты входных колебаний одновременно перестраивается и частота накачки, а разностная (в регенеративном режиме) или суммарная частота накачки (в нерегенеративном режиме) накачки и входного сигнала остается постоянной и равной фиксированной частоте настройки электрического резонансного контура. Собственные колебания входной механической системы в этом случае зашунтированы или используется широкополосная механическая селективная система.

Такой режим работы способствует повышению помехоустойчивости, что подтверждается экспериментальными результатами испытания электронной модели подобного устройства при выделении сигналов, модулированных по частоте.

Формула изобретения

1. Высокочувствительный приемник механических колебаний, содержащий катушку индуктивности со скользящим в ней сердечником из ферромагнитного материала, соединенные каждый в отдельности с внешним корпусом, один элемент - жестко, другой - через упругую подвеску, выводы индуктивности соединены проводниками со входом электронного усилителя электрических колебаний, отличающийся тем, что в цепь индуктивности последовательно включены электрическая емкость и через согласующее устройство источник переменного электрического напряжения - накачка, причем резонансная частота образованного индуктивностью и емкостью электрического колебательного контура связана с частотой переменного напряжения накачки и частотой изменения индуктивности при колебаниях сердечника соотношениями:
Ω_к= Ω_н-Ω_L
или
Ω_к= Ω_н+Ω_L,
где Ω_к - резонансная частота электрического колебательного контура;
Ω_н - частота накачки;
Ω_L - частота изменения индуктивности при колебаниях сердечника.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в приемник дополнительно введены смеситель и гетеродин, частота гетеродина совпадает с резонансной частотой электрического колебательного контура, полосовой фильтр на частоту накачки, оконечный усилитель, причем вход смесителя соединен с выходом электронного усилителя, а выход усилителя через полосовой фильтр соединен со входом оконечного усилителя, выход которого соединен через согласующее устройство с электрическим колебательным контуром и является источником накачки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2