Поиск подземных объектов и геопатогенных зон с помощью акустических сигналов

Поиск подземных объектов и геопатогенных зон
с помощью акустических сигналов
Автор: Митрофанов Сергей Вячеславович
г. Воронеж,
МБОУ СОШ №38, 10 класс.
Научные руководители:
Барсукова Алла Ивановна,
учитель физики МБОУ СОШ №38,
ассистент кафедры ОФРЭП ВГТУ;
канд.пед.наук, Янов Георгий Вячеславович,
доцент кафедры ОФРЭП ВГТУ,
учитель физики МБОУ СОШ №38
г. Москва, 2011
Введение
Для обнаружения подземных объектов в современной технике используются различные
физические методы. Причем для одних объектов подходят одни, а для других - другие. Моя
работа посвящена исследованию акустического метода. Этот метод имеет определенные
преимущества при поиске подземных объектов, таких, как источники воды, пустоты,
геопатогенные зоны.
Теоретическая часть
Метод основан на возбуждении в земле акустических сигналов, приеме ответных сигналов,
их обработке и анализе результатов. Причем колебания, возбуждаемые на поверхности,
позволяют получить информацию о объектах на глубинах до 200-300 м.
Рассмотрим, какие процессы возникают при ударном воздействии на поверхность земли.
Вектор силы при ударе направлен перпендикулярно поверхности земли (см. рис. 1).
Рис. 1
При этом возникает три типа волн: поверхностные, продольные и поперечные.
Продольными волнами
называются волны, в которых колебания частиц почвы
совершаются вдоль направления распространения.
x(t)=x0 + Asin(2*П*f*t), где f — частота, t — время, x0 — начальная координата.
В поперечной волне колебания происходят в направлении, перпендикулярном направлению
распространения волны.
y(t)=y0 + Bsin(2*П*f*t), где f — частота, t — время, y0 — начальная координата.
Поверхностные акустические волны — упругие волны, распространяющиеся вдоль
поверхности твердого тела или вдоль границы с другими средами (Рис. 2).
Рис. 2
На небольших глубинах волна этого типа практически полностью затухает. Волны этого
типа не несут полезной информации и желательно при обработке сигналов уменьшить их
влияние.
Рассмотрим более подробно продольные и поперечные волны. В таблице 1 указаны скорости
распространения для продольных волн в разных средах.
Таблица 1.
Как мы видим из таблицы, скорость распространения продольных волн сильно изменяется
даже
для
одного
материала.
Продольные
волны
применяются
сейсморазведке, однако их применение сильно ограничено
в
традиционной
из-за чрезвычайно сложной
картины множества типов волн, прямых и отраженных сигналов.
Как следует из [Л.6] «Кривая структурного шума у преобразователей поперечных колебаний
проходит на 10 - 12 дБ ниже кривой шума, снятой преобразователями продольных колебаний.
Это можно объяснить тем, что, как известно, при любом направлении возбуждающей
полупространство силы больше энергии источника уходит в объём в виде поперечных волн, а
не продольных. Следует добавить, что волновые размеры локальных отражателей для
поперечных волн почти вдвое больше, чем для продольных. Поэтому можно ожидать для них
лучших отношений сигнал/шум на поперечных волнах.»
При ударе о поверхность земли возникающие поперечные волны, доходя до какой-либо
среды с другой плотностью, отражаются от неё и возвращаются на поверхность. При этом
возникает стоячая волна и появляется резонанс на определенной частоте. Резонанс возникает
на тех частотах, на которых расстояние между слоями равно половине длины волны в этом
материале. Помехи от отражений, поглощение акустических сигналов в почве и влияние
других типов волн также ухудшают точность измерения резонансных частот. Однако спектр
все же более устойчив к помехам и легче поддается визуальному анализу. Это видно, к
примеру, из сравнения сигнала во времени и спектра этого же сигнала. Поперечные волны
при ударном возбуждении почвы распространяются в виде сферических волн, симметричных
относительно точки удара. Это можно использовать для дополнительного ослабления помех.
Таким образом, поперечные волны представляют особый интерес для исследования
почвы акустическим методом.
В реальности в почве присутствуют волны различных типов, что усложняет анализ ответных
сигналов. При расположении в почве каких-то пустот, - картина еще более усложняется, так
как акустические сигналы в них распространяются со скоростью звука в воздухе V=340 м/с.
Таким образом, резонансы в этих объектах возникают на частотах, на которых размеры этих
объектов кратны половине длины волны в воздухе. Однако, анализ расположения на
поверхности точек с одинаковыми резонансными частотами может дать дополнительную
информацию и позволить определить границы пустот в почве.
В общем случае, за счет анализа большого количества информации, которую можно получить
за счет записи ответных сигналов со многих точек на ограниченной территории,
получить достоверную информацию о подземных объектах.
можно
О геопатогенных зонах.
В последнее время мы много читаем и слышим о катастрофах техногенного характера.
Например, такие как Трансвааль парк или обрушение здания Басманного рынка.
Существует мнение, [Л.2] что подобные катастрофы связаны не с ошибками строителей или
проектировщиков, а с тем, что построены эти объекты были в так называемых
«геопатогенных зонах».
Грунт в этих зонах нестабилен и его движение приводит к повреждению и даже разрушению
построенных там объектов. Таким образом, если еще до начала строительства получить
информацию о расположении таких зон, то можно избежать серьезных проблем в будущем.
То есть строить в таких зонах просто нельзя.
Проанализировав ответные акустические сигналы и учитывая то, что граница такой зоны —
это граница между материалами с различными физическими параметрами, можно
обнаружить резонансы, возникающие в слое почвы от поверхности до этой границы.
Если преобразовать записанные ответные сигналы в спектральный вид и для удобства
анализа расположить эти спектры на одном рисунке, становится возможным визуально
представить, как располагаются границы между слоями. Для геопатогенных
зон
является
характерным «воронкообразное» расположение границ и это можно использовать для их
обнаружения.
В центре подобной «воронки» почва имеет особенные свойства и подземные источники воды
в этих местах находятся близко к поверхности земли. Таким образом, анализируя
акустические сигналы, можно искать и источники воды.
Представление слоев земной поверхности
в виде колебательных систем.
В этой работе использовалась одна из моделей земной поверхности, - представление ее в
виде совокупности колебательных систем. Резонансные частоты этих систем связаны с
толщинами слоев грунта с разными физическими параметрами. Несколько слоев приводят к
возникновению на поверхности сигнала с резонансной частотой, соответствующей
суммарной толщине этих слоев от поверхности. Для создания колебаний был выбран
ударный способ. В качестве датчиков использовались микрофоны фирмы Gembird.
Была проделана определенная работа для уменьшения влияния помех и увеличения
информативности ответных акустических сигналов за счет переделки стандартных
микрофонов.
Для определения оптимальных датчиков ответных акустических сигналов
были проведены несколько экспериментов.
Выбор оптимальной конструкции датчика акустических сигналов.
Эксперимент № 1.
Для эксперимента были сделаны 2 полусферы и использовались 2 одинаковых микрофона. В
начале нашего эксперимента мы решили использовать микрофон, подвешенный в воздухе в
центре полусферы. Микрофон был изолирован от окружающего воздушного пространства.
(внутри и снаружи полусфера была покрыта звукопоглощающем материалом). Сама
полусфера плотно ставилась на землю, ударно возбуждался сигнал и ответный сигнал
записывался в файл.
Блок схема измерений:
Ударное воздействие
Audacity
Запись сигнала в
*.wav файл
Возникновение в
слоях почвы
колебаний
Audacity и RMAA6
Вычисление спектра
Однако такая конструкция датчика имеет недостатки:
Прием датчиком
ответных сигналов
Сохранение спектра
в *.png файл
малая чувствительность и
собственные резонансы. Когда микрофон висит внутри полусферы в воздухе, он прочно не
зафиксирован, следовательно, он колеблется. Воздушная полость также имеет собственный
резонанс. Поэтому этот метод установки датчиков был заменен другим.
Эксперимент № 2.
Далее мы решили, что микрофон должен быть соединен с землей не через воздух, а иметь
непосредственный контакт с землей. Было решено использовать металлический штырь, на
который укреплялся микрофон и такой датчик втыкался в грунт. Однако при проверки этой
конструкции оказалось, что и у нее есть свои паразитные резонансы. Существуют материалы,
у которых резонансные явления ослаблены. Это, например, оргстекло. [ Л. 5]. Акселерометр
прочно крепился к пластинке из оргстекла. Но при проверке мы выяснили, что паразитные
резонансы присутствуют и в этом случае. Как видно на рисунках 3,4, присутствуют даже 2
резонанса, один на частоте ~12Гц и второй на частоте ~650Гц. Из этого следует, что данный
способ тоже не подходит.
Рис. 3
Рис. 4
Эксперимент № 3.
Поскольку
чувствительная
мембрана
в
микрофоне
расположена
в
плоскости,
перпендикулярной его оси, то мы пришли к мнению, что микрофон нужно расположить не
параллельно направлению удара, а перпендикулярно. Мы провели эксперимент, который
подтвердил, что чувствительность при колебаниях микрофона вдоль его оси на порядок
ниже, чем при колебаниях под углом 90 градусов. Микрофон располагался непосредственно
в земле и ориентировался на место удара, то есть в положении максимальной
чувствительности для поперечных волн. Это ослабляло влияние помех от других типов волн.
Эксперимент № 4.
Для уменьшения влияния помех и влияния поверхностных волн было решено проверить
использование «дифференциального» микрофона. Датчики располагались на одном
расстоянии от места удара с поворотом на 180 градусов. Записанные каналы программно
вычитались, при этом полезные сигналы складывались, а помехи от поверхностных
уменьшались. Уровень резонансов после этой обработки стал на 5-6 дБ более выражен.
волн
Измерения
Эксперимент 1.
В этом эксперименте мы решили попытаться обнаружить реальные подземные объекты и
убедиться в работоспособности метода. Измерения производились во дворе школы. Около
школы мы надеялись обнаружить подвал разрушенного во время Великой Отечественной
войны дома. Для измерения микрофоны размещались на глубине 10 см в земле на расстоянии
1 м от точки удара. Использовались 2 микрофона, с каждого сигнал записывался в отдельный
канал. На каждом следующем шаге каждый микрофон сдвигался на 1 метр. Всего было
пройдено 19 метров. По каждой точке вычислялся спектр, для удобства визуального анализа
он зеркально отражался и все спектры помещались на одном рисунке. Нижние точки
спектров соответствуют частоте 3 Гц, верхние — частоте 20000 Гц.
Результат измерений около школы можно увидеть на рис. 5, 6 и 7. Спектры на рис 5 и 6
снимались в одних точках и повторяемость результатов показывает их достоверность.
Рис. 5
Рис. 6
Как мы видим из рисунков 5 и 6 в них есть явная аналогия в распределении резонансных
частот по линии измерений. На 7-9 метре есть резонансы на частотах около 30 Гц.
Рис. 7
На рисунке 7 - спектры двух сигналов с микрофонов, удаленных друг от друга на 2 метра.
Значительная разница в уровне сигналов на 25 Гц может быть объяснена тем, что один из
датчиков, возможно, располагался над стеной подвала и резонансные колебания за счет
распространения сигналов в воздухе закрытого подвала через стену попадали к микрофону с
меньшим ослаблением. Сигнал в этой точке записывался несколько раз и результат
повторялся. С учетом того, что скорость звука в воздухе равна 340 м/с, при резонансной
частоте около 25Гц получаем расстояние ~7метров. Вероятно это расстояние между стенами
подвала.
Эксперимент № 2.
Второе место измерения было выбрано на склоне холма над источником родниковой воды.
Измерения
производились
на
одной
высоте,
линия
измерений
располагалась
перпендикулярно линии склона холма. Было пройдено 17 метров. На рисунках 8 и 9
отображен результат измерений.
Рис. 8
Рис. 9
Почва на склоне довольно рыхлая, что приводило к поглощению акустических сигналов.
Однако анализ спектров позволяет увидеть изменение толщины подземного слоя под линией
измерений. В спектрограмме присутствует воронкообразное распределение резонансов.
Такое распределение характерно для мест, в районе которых находятся источники подземных
вод.
Возникает вопрос — как можно отличить изменение резонансных частот, вызванных
пустотами в подземном пространстве от аналогичных изменений, вызванных изменением
толщины слоев почвы. На наш взгляд, эта задача решаема за счет увеличения количества
измеряемых точек и нанесения результатов измерения на общий рисунок. (вид «сверху»)
Анализируя расположение точек, можно определить размеры объекта, его форму и принять
решение о его свойствах.
Заключение
В работе показана возможность получения информации о строении земной поверхности
используя, в отличие от традиционной сейсмологии, резонансные явления поперечных
акустических волн. Метод позволяет без использования дорогостоящей техники получать
важные результаты. Разработана методика применения стандартного компьютерного
оборудования для поиска подземных объектов. Для более эффективного применения метода
необходимо максимально автоматизировать компьютерную обработку результатов, и
увеличить количество записываемых точек.
Список литературы.
1.
ДФМН О.В. Черкезян. В мире мощного звука журнал Квант, 1989г стр.18-25
2.
Н. Остроухов. Кандидат физико-математических наук. Почему рухнул «Трансвааль
парк»? Журнал «Наука и жизнь», №9. – 2006 год.
3.
В.В. Капустин. Применение сейсмических и акустических технологий при
исследовании состояния подземных строительных конструкций. М: Просвещение. –
1990.
4.
Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. М: Просвещение. – 2001.
5.
Гликман А.Г. Физика и практика спектральной сейсморазведки.
6.
Козлов В.Н., Самокрутов А.А., Шевалдыкин В.Г. Ультразвуковая дефектоскопия
бетона эхо-методом. Состояние и перспективы. Дефектоскопия, № 2, 1990, с. 29 — 41.