eng
Выпуск #6/2021
Г. И. Долгих, С. Г. Долгих, В. В. Овчаренко, В. А. Чупин, В. А. Швец, С. В. Яковенко
Особенности применения лазерных деформографов классического и маятникого типов
Особенности применения лазерных деформографов классического и маятникого типов
Просмотры: 1439
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2021.15.6.474.483
Рассмотрены особенности применения лазерных деформографов маятникового и классического типов на примере регистрации гидроакустических колебаний, создаваемых на шельфе Японского моря низкочастотным гидроакустическим излучателем с центральной частотой 22 Гц. При анализе полученных экспериментальных данных установлены не только соотношения принимаемых амплитуд сейсмоакустических колебаний лазерными деформографами, но и определены примерные скорости распространения данных возмущений в верхнем слое земной коры.
Рассмотрены особенности применения лазерных деформографов маятникового и классического типов на примере регистрации гидроакустических колебаний, создаваемых на шельфе Японского моря низкочастотным гидроакустическим излучателем с центральной частотой 22 Гц. При анализе полученных экспериментальных данных установлены не только соотношения принимаемых амплитуд сейсмоакустических колебаний лазерными деформографами, но и определены примерные скорости распространения данных возмущений в верхнем слое земной коры.
Теги: classical-type laser strainmeter hydroacoustic signal low-frequency hydroacoustic emitter pendulum-type laser strainmeter seismic-acoustic signal гидроакустический сигнал лазерный деформограф классического типа лазерный деформограф маятникового типа низкочастотный гидроакустический излучатель сейсмоакустический сигнал.
Особенности применения лазерных деформографов классического и маятникого типов
Г. И. Долгих, С. Г. Долгих, В. В. Овчаренко, В. А. Чупин, В. А. Швец, С. В. Яковенко
Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичёва Дальневосточного отделения
Российской академии наук, Владивосток, Россия
Рассмотрены особенности применения лазерных деформографов маятникового и классического типов на примере регистрации гидроакустических колебаний, создаваемых на шельфе Японского моря низкочастотным гидроакустическим излучателем с центральной частотой 22 Гц. При анализе полученных экспериментальных данных установлены не только соотношения принимаемых амплитуд сейсмоакустических колебаний лазерными деформографами, но и определены примерные скорости распространения данных возмущений в верхнем слое земной коры.
Ключевые слова: лазерный деформограф классического типа, лазерный деформограф маятникового типа, низкочастотный гидроакустический излучатель, гидроакустический сигнал, сейсмоакустический сигнал.
Статья поучена: 24.09.2021
Статья принята: 08.10.2021
ВВЕДЕНИЕ
При исследовании природы возникновения и развития деформационных процессов Земли инфразвукового и звукового диапазонов большое значение имеют экспериментальные данные, полученные на хорошей аппаратуре, обладающей высокой чувствительностью с широкими частотным и динамическим диапазонами. В инфразвуковой области спектра были созданы волоконные, штанговые и проволочные деформографы [1–3], с помощью которых впервые экспериментально были обнаружены собственные колебания Земли.
В звуковом диапазоне наиболее распространёнными приёмными системами являются различные сейсмографы, созданные на всевозможных физических принципах, обладающих относительно узким диапазоном частот, но способные выделять даже длиннопериодные колебания Земли [4]. В последние пятьдесят лет на основе интерферометров Майкельсона и Фабри-Перо разработаны и созданы различные лазерные деформографы, обладающие значительно лучшими техническими характеристиками по сравнению с штанговыми, проволочными и кварцевыми деформографами [5–7]. Лазерные деформографы созданы в различных вариантах: однокоординатные и двухкоординатные, равноплечие и неравноплечие, мобильные и стационарные. Все указанные лазерные деформографы можно отнести к так называемым лазерным деформографам классического типа. С помощью лазерных деформографов классического типа выделены деформационные аномалии, по величине которых, с учётом расстояния до происшедших землетрясений, можно определить величину смещений морского дна, приводящих к образованию цунами [8].
На основе полученных результатов обоснован деформационный метод определения цунамигенности землетрясений [9]. Применение лазерных деформографов в гидроакустике [10] и океанологии [11] позволило получить выдающиеся результаты пионерского характера. Все лазерные деформографы классического типа имеют линейную амплитудно-частотную характеристику в инфразвуковом и низкочастотном звуковом диапазонах, но начиная с некоторых частот, которая зависит от длины регистрируемой волны и длины рабочего плеча лазерного деформографа, в более высокочастотном диапазоне их амплитудно-частотная характеристика испытывает биения [12]. С целью повышения чувствительности лазерных деформографов и получения линейной амплитудно-частотной характеристики в высокочастотном диапазоне разработаны лазерные деформографы маятникового типа, применение которых в гидроакустических исследованиях позволит получить более хорошие результаты.
В данной статье анализируются результаты, полученные при проведении синхронных измерений лазерными деформографами классического и маятникового типов сейсмоакустических колебаний, созданных в упругой среде в результате трансформации гидроакустических колебаний, генерируемых низкочастотным гидроакустическим излучателем на частоте 22 Гц.
ЭКСПЕРИМЕНТ
В экспериментальных исследованиях были задействованы: низкочастотный гидроакустический излучатель с центральной частотой излучения 22 Гц, лазерный деформограф классического типа с длиной измерительного плеча 52,5 м, лазерный деформограф маятникового типа с длиной измерительного плеча 52,2 м.
Низкочастотный гидроакустический излучатель входит в состав излучающей гидроакустической системы на 19–26 Гц [13]. Излучающая гидроакустическая система предназначена для генерации гармонических и фазоманипулированных гидроакустических сигналов в полосе частот порядка 1 Гц при центральной частоте полосы в диапазоне 19–26 Гц. Амплитуда объемных колебательных смещений излучателя достигает величину 0,0123 м3. На частоте 20 Гц в безграничном водном пространстве это соответствует излучаемой акустической мощности 1 000 Вт. В состав излучающей гидроакустической системы входят: излучатель с электромагнитным преобразователем, рама для подвеса излучателя, кабель-шланг с контрольным манометром, источник электропитания, электронасос, контрольный гидрофон, два калибровочных акселерометра.
Излучатель имеет массу 260 кг в воздухе и 40 кг в воде. Содержит цилиндрический корпус и пару излучающих поршней, колеблющихся во взаимно противоположных направлениях и создающих синфазные потоки объемной колебательной скорости. Колебания возбуждает преобразователь электромагнитного типа с П–образными наборными половинами сердечника и четырьмя катушками. Между краями поршней зажат набор из 312 цилиндрических пружин, предварительное сжатие которых достигается за счет пониженного на 0,5 атм. давления воздуха в полости излучателя относительно гидростатического на глубине его погружения. Для компенсации гидростатического давления при погружении или поднятии применяется шланг длиной 60 м с контрольным манометром и двумя ниппелями. Зазоры между фланцами корпуса и краями поршней уплотнены резинотканевыми воротниками. В качестве первичных источников постоянного тока используется батарея последовательно соединенных (в количестве от 3 до 22 штук, в зависимости от необходимой мощности) кислотных аккумуляторов напряжением по 12 В, емкостью 90 А ∙ ч. Источник питания представляет собой мостовой ключевой усилитель, выполненный на двух полумостовых IGBT-модулях, снабжен компенсирующей батареей конденсаторов 420 мкФ, защитным автоматом и амперметром постоянного тока. В ходе работы эксперимента излучался гармонический сигнал на частоте излучения 22 Гц.
Лазерный деформограф классического типа с длиной измерительного плеча 52,5 м расположен на м. Шульца в гидротермоизолированном подземном помещении на глубине 3–5 м от поверхности Земли. В качестве источника света в нем используется частотно стабилизированный гелий-неоновый лазер с кратковременной стабильностью в десятом знаке. Измерительное плечо лазерного деформографа классического типа ориентировано под углом 18° относительно линии «север-юг». Основной интерференционный узел лазерного деформографа смонтирован на бетонной тумбе длиной около 3 м, основание которой закреплено на породе из суглинка большой плотности. Уголковый отражатель смонтирован на бетонной тумбе длиной 1 м, основание которой закреплено на гранитной скале. Вся полученная информация в режиме реального времени поступает в лабораторное помещение, где после предварительной обработки, фильтрации и децимации, заносится в ранее созданную базу экспериментальных данных.
Лазерный деформограф маятникового типа с длиной измерительного плеча 52,5 м расположен в том же гидротермоизолированном подземном помещении на глубине 3–5 м от поверхности Земли. В качестве источника света в нём используется частотно стабилизированный гелий-неоновый лазер с кратковременной стабильностью в десятом знаке. Измерительное плечо лазерного деформографа маятникового типа ориентировано под углом 18° относительно линии «север-юг». Основной интерференционный узел лазерного деформографа смонтирован на той же бетонной тумбе, что и лазерного деформографа классического типа. Уголковый отражатель смонтирован на массивном кубе, который входит в состав маятниковой системы. Длина подвески маятника равна около 3 м.
Если принять данную маятниковую систему за математический маятник, то собственная частота маятниковой системы будет равна около 0,3 Гц. Вся полученная информация в режиме реального времени поступает в лабораторное помещение, где после предварительной обработки, фильтрация и децимация, заносится в ранее созданную базу экспериментальных данных.
На рис. 1 приведена карта, на которой представлена схема эксперимента, где под № 1 обозначен м. Шульца, на котором расположены лазерные деформографы, точкой № 2 – работа излучателя на частоте 22 Гц на глубине 18 м (N42°32.448, E131°02.998), точкой № 3 – работа излучателя на частоте 22 Гц на глубине 18 м (N42°29.657, E131°07.528).
ОБРБОТКА И АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Экспериментальные данные помещались в базу экспериментальных данных с частотой дискретизации 1 000 Гц. При обработке данные подвергались фильтрации с целью ликвидации возможного влияния мощных высокочастотных компонент на результаты спектральной обработки с последующим прореживанием до частоты дискретизации 200 Гц.
Обрабатывались синхронные участки записей классического лазерного деформографа и лазерного деформографа маятникового типов. На рис. 2 приведены спектры, полученные при обработке синхронных экспериментальных данных указанных лазерных деформографов при работе низкочастотного гидроакустического излучателя на станции 3. Как видно из этого рисунка, величина принятого сейсмоакустического сигнала на частоте излучения гидроакустического сигнала лазерного деформографа маятникового типа значительно больше (почти на порядок) величины сигнала, принятого лазерным деформографом классического типа.
В соответствии с работой [12] приведём уравнение, описывающее зарегистрированное смещение лазерного деформографа классического типа:
, (1)
где: u – смещение в точке , – проекция амплитуды волны на ось деформографа, – волновое число, – длина волны, – циклическая частота, – частота волны, – текущее время, – длина рабочего плеча деформографа, – координата первого устоя деформографа. В статье [12] при редактировании утеряна вторая степень при синусе. То есть регистрируемая лазерным деформографом классического типа амплитуда будет равна:
. (2)
В соответствии с уравнением (2) регистрируемая амплитуда сильно зависит от соотношения длины рабочего плеча лазерного деформографа классического типа и длины сейсмоакустической волны. На низких частотах амплитудно-частотная характеристика линейная. На высоких частотах амплитуда меняется от 0 до в зависимости от отношения длины плеча лазерного деформографа к длине регистрируемой волны.
Для лазерного деформографа маятникового типа регистрируемое смещение можно записать в виде:
, (3)
где , то есть регистрируемая им амплитуда волны зависит от , , и , – добротность маятниковой системы. Амплитуду в этом случае можно записать в виде:
. (4)
В низкочастотной (инфразвуковой) области спектра характеристика лазерного деформографа маятникового типа идентична лазерному деформографу классического исполнения, а в высокочастотной области спектра лазерный деформограф маятникового типа способен проводить измерения на всех частотах и с увеличением частоты регистрировать абсолютную амплитуду волны. Для данного лазерного деформографа маятникового типа, обладающего собственной частотой 0,3 Гц, не определена добротность, но тем не менее мы можем эффективно провести обработку полученных экспериментальных данных с оценкой чувствительностей лазерных деформографов маятникового и классического типов, представленных в данной статье.
При работе низкочастотного гидроакустического излучателя на станции 2 отношение амплитуд сейсмоакустических сигналов на частоте гидроакустических сигналов 22 Гц, принятых лазерным деформографом классического типа, к амплитудам сейсмоакустических сигналов, принятых лазерным деформографом маятникового типа, в среднем равно 0,15.
При работе низкочастотного гидроакустического излучателя на станции 3 отношение амплитуд сейсмоакустических сигналов на частоте гидроакустических сигналов 22 Гц, принятых лазерным деформографом классического типа, к амплитудам сейсмоакустических сигналов, принятых лазерным деформографом маятникового типа, в среднем равно 0,12.
По полученным экспериментальным данным на лазерном деформографе маятникового типа можно определить примерную амплитуду сейсмоакустической волны, распространяющейся в земной коре в результате трансформации излученного гидроакустического сигнала на частоте 22 Гц в сейсмоакустический сигнал на границе «вода – дно». Так, например, согласно графикам, приведённым на рис. 2, амплитуда сигнала, зарегистрированная лазерным деформографом маятникового типа, равна 2,4 · 10–3 мкм. Линия «станция 3 – лазерный деформограф маятникового типа» ориентирована под углом 2,5° относительно оси деформографов маятникового и классического типов. С учетом этого можно утверждать, что амплитуда сейсмоакустического сигнала в точке регистрации равна не меньше 2,4 · 10–3 мкм.
При работе гидроакустического излучателя в точке 2 величина принятого лазерным деформографом маятникового типа сейсмоакустического сигнала на частоте излученного гидроакустического сигнала 22 Гц равна 1,96 · 10–3 мкм. Линия «станция 2 – лазерный деформограф маятникового типа» ориентирована под углом 45° относительно оси деформографов маятникового и классического типов. С учётом этого можно утверждать, что амплитуда сейсмоакустического сигнала в точке регистрации равна не меньше 2,3 · 10–3 мкм.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В соответствии с вышесказанным мы можем утверждать, что чувствительность лазерного деформографа маятникового типа на данной частоте (22 Гц) почти на порядок лучше чувствительности лазерного деформографа классического типа. При этом амплитуда принятого сейсмоакустического сигнала лазерным деформографом классического типа на двух станциях в среднем равна 0,15 и 0,12 от амплитуды принятого лазерным деформографом маятникового типа сейсмоакустического сигнала на частоте излученного гидроакустического сигнала (22 Гц). Такое соотношение может быть получено при скорости распространения сейсмоакустической волны с частотой 22 Гц, находящейся в пределах 1 250–1 300 м / с, вычисленное при использовании уравнения (2). При этом мы считаем, что регистрируемая сейсмоакустическая волна относится к поверхностной волне рэлеевского типа.
Финансирование
Исследования выполнены за счет средств Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема госзадания «Изучение фундаментальных основ возникновения, развития, трансформации и взаимодействия гидроакустических, гидрофизических и геофизических полей в Мировом океане»).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Старовойт О. Е., Феофилактов В. Д., Шульгин Л. Л., Ярошевич М. И. Кварцевый деформограф центральной сейсмологической обсерватории «Обнинск». Известия АН СССР. Физика Земли. 1971;11: 85–94.
Bilham R. G. The location of Earth strain instrumentation. Phil. Trans. Roy. Soc. Lond. A. 1973; 274:429–433.
Латынина Л. А., Кармалеева Р. М. Деформографические измерения. – М.: Наука. 1978. 154 с.
Петрова Л. Н., Линьков Е. М. Спектры длиннопериодных колебаний, предваряющих землетрясения. – Уч. Зам. ЛГУ. Л. 1978;27(392):60–66.
Bilham R. G. The location of Earth strain instrumentation. Phil. Trans. Roy. Soc. Lond. A. 1973; 74: 429–433.
Алешин В. А., Дубров М. Н., Яковлев А. П. Лазерный интерферометр для измерения деформаций земной коры. ДАН СССР. 1980;256(6): 1343–1346.
Долгих Г. И., Копвиллем У. Х., Павлов А. Н. Наблюдение периодов собственных колебаний Земли лазерным деформометром. Известия АН СССР. Физика Земли. 1983; 2:15–20.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Ковалёв С. Н., Корень И. А., Овчаренко В. В., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Регистрация деформационной аномалии цунамигенного землетрясения лазерным деформографом. Доклады Академии наук. 2007;412(1):104–106.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Ковалёв С. Н., Корень И. А., Овчаренко В. В., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Деформационный метод определения цунамигенности землетрясений. Доклады Академии наук. 2007;417(1):109–112.
Давыдов А. В., Долгих Г. И. Применение лазерных деформографов в гидроакустике. Акустический журнал. 1995;41(2): 235–239.
Алексеев А. В., Валентин Д. И., Долгих Г. И., Долгих С. Г., Ковалёв С. Н., Корень И. А., Овчаренко В. В., Холодкевич Е. Д., Швец В. А., Яковенко С. В. Регистрация инфрагравитационных волн на границе гидросфера-литосфера береговым лазерным деформографом. Доклады Академии наук. 2003;389(2): 244–246.
Долгих Г. И. Принципы построения однокоординатных лазерных деформографов. Письма в журнал технической физики. 2011;37(5): 24–30.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Пивоваров А. А., Самченко А. Н., Швырев А.Н, Чупин В. А., Яковенко С. В., Ярощук И. О. Излучающая гидроакустическая система на частотах 19–26 Гц. Приборы и техника эксперимента. 2017; 4: 137–141.
информация об авторах
Григорий Иванович Долгих, д. ф.‑ м. н., академик РАН, dolgikh@poi.dvo.ru; Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской Академии наук, Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0002-2806-3834
Станислав Григорьевич Долгих, к. ф.‑ м. н., sdolgikh@poi.dvo.ru; Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева Дальневосточного отделения РАН, Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0001-9828-5929
Владимир Владимирович Овчаренко, к. ф.‑ м. н., ovcharenko@poi.dvo.ru; Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева Дальневосточного отделения РАН, Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0001-7784-2140
Владимир Александрович Чупин, к. ф.‑ м. н., chupin@poi.dvo.ru; Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева ДВО РАН, Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0001-5103-8138
Вячеслав Александрович Швец, к. т. н., vshv@poi.dvo.ru; Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева ДВО РАН, Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0002-4752-6865
Сергей Владимирович Яковенко, к. т. н., ser_mail@poi.dvo.ru; Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева ДВО РАН, Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0001-8324-3849
Г. И. Долгих, С. Г. Долгих, В. В. Овчаренко, В. А. Чупин, В. А. Швец, С. В. Яковенко
Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичёва Дальневосточного отделения
Российской академии наук, Владивосток, Россия
Рассмотрены особенности применения лазерных деформографов маятникового и классического типов на примере регистрации гидроакустических колебаний, создаваемых на шельфе Японского моря низкочастотным гидроакустическим излучателем с центральной частотой 22 Гц. При анализе полученных экспериментальных данных установлены не только соотношения принимаемых амплитуд сейсмоакустических колебаний лазерными деформографами, но и определены примерные скорости распространения данных возмущений в верхнем слое земной коры.
Ключевые слова: лазерный деформограф классического типа, лазерный деформограф маятникового типа, низкочастотный гидроакустический излучатель, гидроакустический сигнал, сейсмоакустический сигнал.
Статья поучена: 24.09.2021
Статья принята: 08.10.2021
ВВЕДЕНИЕ
При исследовании природы возникновения и развития деформационных процессов Земли инфразвукового и звукового диапазонов большое значение имеют экспериментальные данные, полученные на хорошей аппаратуре, обладающей высокой чувствительностью с широкими частотным и динамическим диапазонами. В инфразвуковой области спектра были созданы волоконные, штанговые и проволочные деформографы [1–3], с помощью которых впервые экспериментально были обнаружены собственные колебания Земли.
В звуковом диапазоне наиболее распространёнными приёмными системами являются различные сейсмографы, созданные на всевозможных физических принципах, обладающих относительно узким диапазоном частот, но способные выделять даже длиннопериодные колебания Земли [4]. В последние пятьдесят лет на основе интерферометров Майкельсона и Фабри-Перо разработаны и созданы различные лазерные деформографы, обладающие значительно лучшими техническими характеристиками по сравнению с штанговыми, проволочными и кварцевыми деформографами [5–7]. Лазерные деформографы созданы в различных вариантах: однокоординатные и двухкоординатные, равноплечие и неравноплечие, мобильные и стационарные. Все указанные лазерные деформографы можно отнести к так называемым лазерным деформографам классического типа. С помощью лазерных деформографов классического типа выделены деформационные аномалии, по величине которых, с учётом расстояния до происшедших землетрясений, можно определить величину смещений морского дна, приводящих к образованию цунами [8].
На основе полученных результатов обоснован деформационный метод определения цунамигенности землетрясений [9]. Применение лазерных деформографов в гидроакустике [10] и океанологии [11] позволило получить выдающиеся результаты пионерского характера. Все лазерные деформографы классического типа имеют линейную амплитудно-частотную характеристику в инфразвуковом и низкочастотном звуковом диапазонах, но начиная с некоторых частот, которая зависит от длины регистрируемой волны и длины рабочего плеча лазерного деформографа, в более высокочастотном диапазоне их амплитудно-частотная характеристика испытывает биения [12]. С целью повышения чувствительности лазерных деформографов и получения линейной амплитудно-частотной характеристики в высокочастотном диапазоне разработаны лазерные деформографы маятникового типа, применение которых в гидроакустических исследованиях позволит получить более хорошие результаты.
В данной статье анализируются результаты, полученные при проведении синхронных измерений лазерными деформографами классического и маятникового типов сейсмоакустических колебаний, созданных в упругой среде в результате трансформации гидроакустических колебаний, генерируемых низкочастотным гидроакустическим излучателем на частоте 22 Гц.
ЭКСПЕРИМЕНТ
В экспериментальных исследованиях были задействованы: низкочастотный гидроакустический излучатель с центральной частотой излучения 22 Гц, лазерный деформограф классического типа с длиной измерительного плеча 52,5 м, лазерный деформограф маятникового типа с длиной измерительного плеча 52,2 м.
Низкочастотный гидроакустический излучатель входит в состав излучающей гидроакустической системы на 19–26 Гц [13]. Излучающая гидроакустическая система предназначена для генерации гармонических и фазоманипулированных гидроакустических сигналов в полосе частот порядка 1 Гц при центральной частоте полосы в диапазоне 19–26 Гц. Амплитуда объемных колебательных смещений излучателя достигает величину 0,0123 м3. На частоте 20 Гц в безграничном водном пространстве это соответствует излучаемой акустической мощности 1 000 Вт. В состав излучающей гидроакустической системы входят: излучатель с электромагнитным преобразователем, рама для подвеса излучателя, кабель-шланг с контрольным манометром, источник электропитания, электронасос, контрольный гидрофон, два калибровочных акселерометра.
Излучатель имеет массу 260 кг в воздухе и 40 кг в воде. Содержит цилиндрический корпус и пару излучающих поршней, колеблющихся во взаимно противоположных направлениях и создающих синфазные потоки объемной колебательной скорости. Колебания возбуждает преобразователь электромагнитного типа с П–образными наборными половинами сердечника и четырьмя катушками. Между краями поршней зажат набор из 312 цилиндрических пружин, предварительное сжатие которых достигается за счет пониженного на 0,5 атм. давления воздуха в полости излучателя относительно гидростатического на глубине его погружения. Для компенсации гидростатического давления при погружении или поднятии применяется шланг длиной 60 м с контрольным манометром и двумя ниппелями. Зазоры между фланцами корпуса и краями поршней уплотнены резинотканевыми воротниками. В качестве первичных источников постоянного тока используется батарея последовательно соединенных (в количестве от 3 до 22 штук, в зависимости от необходимой мощности) кислотных аккумуляторов напряжением по 12 В, емкостью 90 А ∙ ч. Источник питания представляет собой мостовой ключевой усилитель, выполненный на двух полумостовых IGBT-модулях, снабжен компенсирующей батареей конденсаторов 420 мкФ, защитным автоматом и амперметром постоянного тока. В ходе работы эксперимента излучался гармонический сигнал на частоте излучения 22 Гц.
Лазерный деформограф классического типа с длиной измерительного плеча 52,5 м расположен на м. Шульца в гидротермоизолированном подземном помещении на глубине 3–5 м от поверхности Земли. В качестве источника света в нем используется частотно стабилизированный гелий-неоновый лазер с кратковременной стабильностью в десятом знаке. Измерительное плечо лазерного деформографа классического типа ориентировано под углом 18° относительно линии «север-юг». Основной интерференционный узел лазерного деформографа смонтирован на бетонной тумбе длиной около 3 м, основание которой закреплено на породе из суглинка большой плотности. Уголковый отражатель смонтирован на бетонной тумбе длиной 1 м, основание которой закреплено на гранитной скале. Вся полученная информация в режиме реального времени поступает в лабораторное помещение, где после предварительной обработки, фильтрации и децимации, заносится в ранее созданную базу экспериментальных данных.
Лазерный деформограф маятникового типа с длиной измерительного плеча 52,5 м расположен в том же гидротермоизолированном подземном помещении на глубине 3–5 м от поверхности Земли. В качестве источника света в нём используется частотно стабилизированный гелий-неоновый лазер с кратковременной стабильностью в десятом знаке. Измерительное плечо лазерного деформографа маятникового типа ориентировано под углом 18° относительно линии «север-юг». Основной интерференционный узел лазерного деформографа смонтирован на той же бетонной тумбе, что и лазерного деформографа классического типа. Уголковый отражатель смонтирован на массивном кубе, который входит в состав маятниковой системы. Длина подвески маятника равна около 3 м.
Если принять данную маятниковую систему за математический маятник, то собственная частота маятниковой системы будет равна около 0,3 Гц. Вся полученная информация в режиме реального времени поступает в лабораторное помещение, где после предварительной обработки, фильтрация и децимация, заносится в ранее созданную базу экспериментальных данных.
На рис. 1 приведена карта, на которой представлена схема эксперимента, где под № 1 обозначен м. Шульца, на котором расположены лазерные деформографы, точкой № 2 – работа излучателя на частоте 22 Гц на глубине 18 м (N42°32.448, E131°02.998), точкой № 3 – работа излучателя на частоте 22 Гц на глубине 18 м (N42°29.657, E131°07.528).
ОБРБОТКА И АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
Экспериментальные данные помещались в базу экспериментальных данных с частотой дискретизации 1 000 Гц. При обработке данные подвергались фильтрации с целью ликвидации возможного влияния мощных высокочастотных компонент на результаты спектральной обработки с последующим прореживанием до частоты дискретизации 200 Гц.
Обрабатывались синхронные участки записей классического лазерного деформографа и лазерного деформографа маятникового типов. На рис. 2 приведены спектры, полученные при обработке синхронных экспериментальных данных указанных лазерных деформографов при работе низкочастотного гидроакустического излучателя на станции 3. Как видно из этого рисунка, величина принятого сейсмоакустического сигнала на частоте излучения гидроакустического сигнала лазерного деформографа маятникового типа значительно больше (почти на порядок) величины сигнала, принятого лазерным деформографом классического типа.
В соответствии с работой [12] приведём уравнение, описывающее зарегистрированное смещение лазерного деформографа классического типа:
, (1)
где: u – смещение в точке , – проекция амплитуды волны на ось деформографа, – волновое число, – длина волны, – циклическая частота, – частота волны, – текущее время, – длина рабочего плеча деформографа, – координата первого устоя деформографа. В статье [12] при редактировании утеряна вторая степень при синусе. То есть регистрируемая лазерным деформографом классического типа амплитуда будет равна:
. (2)
В соответствии с уравнением (2) регистрируемая амплитуда сильно зависит от соотношения длины рабочего плеча лазерного деформографа классического типа и длины сейсмоакустической волны. На низких частотах амплитудно-частотная характеристика линейная. На высоких частотах амплитуда меняется от 0 до в зависимости от отношения длины плеча лазерного деформографа к длине регистрируемой волны.
Для лазерного деформографа маятникового типа регистрируемое смещение можно записать в виде:
, (3)
где , то есть регистрируемая им амплитуда волны зависит от , , и , – добротность маятниковой системы. Амплитуду в этом случае можно записать в виде:
. (4)
В низкочастотной (инфразвуковой) области спектра характеристика лазерного деформографа маятникового типа идентична лазерному деформографу классического исполнения, а в высокочастотной области спектра лазерный деформограф маятникового типа способен проводить измерения на всех частотах и с увеличением частоты регистрировать абсолютную амплитуду волны. Для данного лазерного деформографа маятникового типа, обладающего собственной частотой 0,3 Гц, не определена добротность, но тем не менее мы можем эффективно провести обработку полученных экспериментальных данных с оценкой чувствительностей лазерных деформографов маятникового и классического типов, представленных в данной статье.
При работе низкочастотного гидроакустического излучателя на станции 2 отношение амплитуд сейсмоакустических сигналов на частоте гидроакустических сигналов 22 Гц, принятых лазерным деформографом классического типа, к амплитудам сейсмоакустических сигналов, принятых лазерным деформографом маятникового типа, в среднем равно 0,15.
При работе низкочастотного гидроакустического излучателя на станции 3 отношение амплитуд сейсмоакустических сигналов на частоте гидроакустических сигналов 22 Гц, принятых лазерным деформографом классического типа, к амплитудам сейсмоакустических сигналов, принятых лазерным деформографом маятникового типа, в среднем равно 0,12.
По полученным экспериментальным данным на лазерном деформографе маятникового типа можно определить примерную амплитуду сейсмоакустической волны, распространяющейся в земной коре в результате трансформации излученного гидроакустического сигнала на частоте 22 Гц в сейсмоакустический сигнал на границе «вода – дно». Так, например, согласно графикам, приведённым на рис. 2, амплитуда сигнала, зарегистрированная лазерным деформографом маятникового типа, равна 2,4 · 10–3 мкм. Линия «станция 3 – лазерный деформограф маятникового типа» ориентирована под углом 2,5° относительно оси деформографов маятникового и классического типов. С учетом этого можно утверждать, что амплитуда сейсмоакустического сигнала в точке регистрации равна не меньше 2,4 · 10–3 мкм.
При работе гидроакустического излучателя в точке 2 величина принятого лазерным деформографом маятникового типа сейсмоакустического сигнала на частоте излученного гидроакустического сигнала 22 Гц равна 1,96 · 10–3 мкм. Линия «станция 2 – лазерный деформограф маятникового типа» ориентирована под углом 45° относительно оси деформографов маятникового и классического типов. С учётом этого можно утверждать, что амплитуда сейсмоакустического сигнала в точке регистрации равна не меньше 2,3 · 10–3 мкм.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В соответствии с вышесказанным мы можем утверждать, что чувствительность лазерного деформографа маятникового типа на данной частоте (22 Гц) почти на порядок лучше чувствительности лазерного деформографа классического типа. При этом амплитуда принятого сейсмоакустического сигнала лазерным деформографом классического типа на двух станциях в среднем равна 0,15 и 0,12 от амплитуды принятого лазерным деформографом маятникового типа сейсмоакустического сигнала на частоте излученного гидроакустического сигнала (22 Гц). Такое соотношение может быть получено при скорости распространения сейсмоакустической волны с частотой 22 Гц, находящейся в пределах 1 250–1 300 м / с, вычисленное при использовании уравнения (2). При этом мы считаем, что регистрируемая сейсмоакустическая волна относится к поверхностной волне рэлеевского типа.
Финансирование
Исследования выполнены за счет средств Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема госзадания «Изучение фундаментальных основ возникновения, развития, трансформации и взаимодействия гидроакустических, гидрофизических и геофизических полей в Мировом океане»).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Старовойт О. Е., Феофилактов В. Д., Шульгин Л. Л., Ярошевич М. И. Кварцевый деформограф центральной сейсмологической обсерватории «Обнинск». Известия АН СССР. Физика Земли. 1971;11: 85–94.
Bilham R. G. The location of Earth strain instrumentation. Phil. Trans. Roy. Soc. Lond. A. 1973; 274:429–433.
Латынина Л. А., Кармалеева Р. М. Деформографические измерения. – М.: Наука. 1978. 154 с.
Петрова Л. Н., Линьков Е. М. Спектры длиннопериодных колебаний, предваряющих землетрясения. – Уч. Зам. ЛГУ. Л. 1978;27(392):60–66.
Bilham R. G. The location of Earth strain instrumentation. Phil. Trans. Roy. Soc. Lond. A. 1973; 74: 429–433.
Алешин В. А., Дубров М. Н., Яковлев А. П. Лазерный интерферометр для измерения деформаций земной коры. ДАН СССР. 1980;256(6): 1343–1346.
Долгих Г. И., Копвиллем У. Х., Павлов А. Н. Наблюдение периодов собственных колебаний Земли лазерным деформометром. Известия АН СССР. Физика Земли. 1983; 2:15–20.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Ковалёв С. Н., Корень И. А., Овчаренко В. В., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Регистрация деформационной аномалии цунамигенного землетрясения лазерным деформографом. Доклады Академии наук. 2007;412(1):104–106.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Ковалёв С. Н., Корень И. А., Овчаренко В. В., Чупин В. А., Швец В. А., Яковенко С. В. Деформационный метод определения цунамигенности землетрясений. Доклады Академии наук. 2007;417(1):109–112.
Давыдов А. В., Долгих Г. И. Применение лазерных деформографов в гидроакустике. Акустический журнал. 1995;41(2): 235–239.
Алексеев А. В., Валентин Д. И., Долгих Г. И., Долгих С. Г., Ковалёв С. Н., Корень И. А., Овчаренко В. В., Холодкевич Е. Д., Швец В. А., Яковенко С. В. Регистрация инфрагравитационных волн на границе гидросфера-литосфера береговым лазерным деформографом. Доклады Академии наук. 2003;389(2): 244–246.
Долгих Г. И. Принципы построения однокоординатных лазерных деформографов. Письма в журнал технической физики. 2011;37(5): 24–30.
Долгих Г. И., Долгих С. Г., Пивоваров А. А., Самченко А. Н., Швырев А.Н, Чупин В. А., Яковенко С. В., Ярощук И. О. Излучающая гидроакустическая система на частотах 19–26 Гц. Приборы и техника эксперимента. 2017; 4: 137–141.
информация об авторах
Григорий Иванович Долгих, д. ф.‑ м. н., академик РАН, dolgikh@poi.dvo.ru; Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской Академии наук, Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0002-2806-3834
Станислав Григорьевич Долгих, к. ф.‑ м. н., sdolgikh@poi.dvo.ru; Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева Дальневосточного отделения РАН, Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0001-9828-5929
Владимир Владимирович Овчаренко, к. ф.‑ м. н., ovcharenko@poi.dvo.ru; Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева Дальневосточного отделения РАН, Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0001-7784-2140
Владимир Александрович Чупин, к. ф.‑ м. н., chupin@poi.dvo.ru; Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева ДВО РАН, Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0001-5103-8138
Вячеслав Александрович Швец, к. т. н., vshv@poi.dvo.ru; Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева ДВО РАН, Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0002-4752-6865
Сергей Владимирович Яковенко, к. т. н., ser_mail@poi.dvo.ru; Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичева ДВО РАН, Владивосток, Россия.
ORCID: 0000-0001-8324-3849
Отзывы читателей
