CC BY
34Электронный журнал «Техническая акустика» http://www .ejta.org
2GG9, 7
В. В. Гущин, С. Н. Рубцов
Федеральное государственное научное учреждение «Научно-исследовательский радиофизический институт», Н. Новгород, ул. Б. Печерская, д. 25/12а, e-mail: [email protected]
О «псевдошуме» возникающем при распространении сейсмической волны в гранулированной среде
Получена 21.07.2009, опубликована 13.08.2009
Экспериментально обнаружено явление возникновения шума в гранулированной среде при распространении в ней сейсмической волны. Установлено, что уровень этого шума не зависит от частоты зондирующего сигнала и жестко связан с его амплитудой. Механизм возникновения шума обусловлен взаимным трением гранулированных частиц и в основном определяется трением гранул о поверхность приемника.
Ключевые слова: гранулированная среда, речной песок, псевдошум, трение гранул.
ВВЕДЕНИЕ
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 КБ-45, КБ-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.
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.
F, Гц
0
5000
10000
15000
20000
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 (Б=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.
о.юо
0.050
t, мс
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
а) б)
Рис.З. Осциллограммы высокочастотного (F=11,5 кГц) колебания принятого на глубине G,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 G,G3 м под источником причем его поляризация совпадала с поляризацией излучаемого колебания (Z-поляризация). Фрагмент спектра принятого им сигнала приведен на рис. ба. После этого акселерометр разворачивался на 9G° (X-поляризация). Спектр сигнала принятого в этом случае приведен на рис. 4б. Из рисунков видно, что уровень зондирующего сигнала упал при Х-приеме на 4G дБ в то время как уровень шумовой подложки практически не изменился.
а) А, дБ
0 1 -20 -
-40 -
11100 11200 11300 11400 11500 11600 11700 11800 11900
б) А, дБ
0
-20 -
11100 11200 11300 11400 11500 11600 11700 11800 11900
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 G,G3-G,G4 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 1G 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.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кунин И. А. Теория упругих сред с микроструктурой. М., Наука. 1975. 416 с.
2. Беляева И. Ю., Зайцев В. Ю., Островский Л. А. Нелинейные акустоупругие свойства зернистых сред // Акустический журнал. 1993. Т. 39. №1. С. 25-32.
3. Зайцев В. Ю., Назаров В. Е., Турина В., Гусев В. Э., Кастанде Б. Экспериментальное исследование нелинейных акустических эффектов в зернистых средах // Акустический журнал. 2005. Т. 51, №5. С. 633-644.
4. Лисина С. А., Потапов А. И., Нестеренко В. Ф. Нелинейная гранулированная среда с вращением частиц. Одномерная модель // Акустический журнал. 2001. Т. 47. №5. С. 685-693.
5. Красильников В. А. Звуковые и ультразвуковые волны. М. Физматгиз. 1960.
6. Баженова Е. Д., Вильман А. Н., Есипов И. Б. Флюктуации акустического поля в гранулированной среде // Акустический журнал. 2005. Т. 51. Приложение.
С. 46-52.
