автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Прогнозирование параметров низкочастотного гидроакустического излучателя

Пермский государственный технический университет

Прогнозирование параметров низкочастотного гидроакустического излучателя

05.04.13 Гидравлические машины и гидропневмоагрегаты

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Квашнин Александр Иванович

Научный руководитель кандидат технических наук доцент Исаев Ю.М.

Пермь -1999

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................4

1. НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ВИБРАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ

АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ В ЖИДКОСТИ..........................6

1.1. Сущность вибрационных методов геофизических

исследований на акваториях.......................................................6

1.2. Сравнительный анализ основных типов гидроакустических излучателей................................................13

1.3. Особенности расчета гидравлических

колебательных систем.................................................................25

1.4. Принцип работы низкочастотных излучателей в широкополосном режиме............................................................30

1.5. Выводы по первой главе...............................................................33

2. ДИНАМИКА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО

ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ..................................35

2 Л. Прогнозирование акустической нагрузки.................................36

2.2. Математическая модель излучателя с электрогидравлическим приводом............................................45

2.3. Оценка чувствительности частотных характеристик излучателей...................................................................................61

2.4. Прогнозирование параметров излучателя на начальном этапе проектирования.................................................................64

2.5. Определение предельных характеристик силовой гидросистемы излучателя...........................................................67

2.6. Прогнозирование параметров излучателя в широком диапазоне низких частот............................................................71

2.7. Выводы по второй главе...............................................................76

-33. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ..............................................................................78

3.1. Методика проведения экспериментальных исследований ... 78

3.1.1. Объект, цели и задачи проведения эксперимента.................... 78

3.1.2. Условия проведения эксперимента...........................................80

3.1.3. Анализ погрешностей измерений..............................................81

3.2. Технические средства обеспечения эксперимента..................82

3.2.2. Описание системы управления..................................................96

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МОДЕЛИ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ....................................................................................101

4.1. Исследование динамических свойств однокаскадного электрогидравлического усилителя........................................101

4.1.1. Экспериментальное исследование параметров электромеханического преобразователя....................................101

4.1.2. Прогнозирование параметров гидроусилителя.......................ПО

4.2. Исследование силовой гидравлической

системы излучателя....................................................................114

4.3. Сравнение результатов теоретического и экспериментального исследований модели излучателя......124

4.4. Методика расчета гидравлического гидроакустического излучателя..............................................126

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................129

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................................133

ВВЕДЕНИЕ

В связи с постоянным сокращением некоторых источников минерального сырья на суше, в первую очередь нефти и газа, перспективы пополнения минеральных ресурсов в ближайшем будущем ученые и экономисты связывают с интенсивным освоением континентального шельфа морей и океанов, включением его богатств в производительные силы общества. Российская Федерация, обладающая обширными шельфовыми зонами, ведет их планомерное исследование и освоение.

Одной из важных проблем в области естественных и технических наук, на решение которой необходимо сосредоточить усилия, является комплексное исследование строения и эволюции земной коры и мирового океана, повышение эффективности и качества подготовки к освоению разведанных запасов полезных ископаемых, ускорение внедрения прогрессивных методов поисков и разведки полезных ископаемых, более широкое использование геофизических методов исследований. При этом необходимо обеспечить техническое переоснащение геологоразведочной службы, создание и внедрение специализированных, высокомеханизированных и автоматизированных средств поиска и разведки полезных ископаемых, в том числе для получения и промышленного освоения природных ресурсов на континентальном шельфе и в мировом океане.

Промышленным разработкам залежей полезных ископаемых всегда предшествует геологическая и геофизическая разведка, причем последняя в морских условиях наиболее эффективна, так как непосредственный отбор пород, подстилающих дно, часто трудоемок, а иногда вообще неосуществим и поэтому предпочтительно применение акустических методов зондирования.

Для морской сейсморазведки, проводимой с целью решения различных задач в существенно различающихся сейсмологических условиях, пока нельзя выделить окончательно разработанного

универсального источника возбуждения акустических колебаний. Однако увеличение уровня принимаемого сигнала и получение информации с возможно больших глубин требует применения излучающих агрегатов большей мощности и с пониженной границей рабочего частотного диапазона.

Требования к габаритам, массе, регулированию параметров, возможности механизации и автоматизации, определяют поиск приводов для гидроакустических излучателей технически и экономически более выгодных по сравнению с используемыми в настоящее время.

Несмотря на важность использования таких источников в геофизической разведке и актуальность совершенствования их конструкций, методы расчета гидроакустических излучателей, предназначенных для работы в низкочастотном диапазоне излучения акустических сигналов, обоснованы в настоящее время недостаточно. Низкочастотные и инфразвуковые источники требуют сравнительного анализа, разработки и совершенствования их математических моделей, проверки возможности изменять в широком диапазоне амплитуду и частоту колебаний исполнительного органа.

-61. НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ВИБРАЦИОННЫЕ ИСТОЧНИКИ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ В ЖИДКОСТИ

1.1. Сущность вибрационных методов геофизических исследований на акваториях

Успешное зондирование морского дна акустическими методами возможно в первую очередь вследствие относительно хорошей прозрачности вод океана для звука. Использование акустических волн различной частоты позволяет определить особенности толщи донных отложений на разной глубине под поверхностью дна. Изучение строения земной коры на больших глубинах возможно только при использовании низкочастотных волн звукового диапазона, а также тому обстоятельству, что звук в разнородных средах распространяется с разной скоростью. Звуковые волны ведут себя подобно световым, подчиняясь законам преломления при прохождении сред с различной оптической плотностью. Общий диапазон частот для наблюдений при этом составляет 1-1000 Герц. Коэффициент затухания Р сигнала определяется зависимостью (91):

/?=0,036/3/2,

где / - частота в кГц, то есть, чем ниже частота, тем меньше затухание излучаемого сигнала. Например, чтобы звук ослаб из-за поглощения в десять раз на частоте 100 Гц, ему надо пройти в морской воде расстояние около 10000 км (91). Поэтому, благодаря очень малому затуханию на низких частотах и повышению мощности излучаемого сигнала, реально возможно увеличение глубины зондирования донных пород, применяя излучатели звуковых и инфразвуковых волн.

Первые исследовательские работы по вибрационной геофизической и поисковой разведке на кошинентальном шельфе и на акваториях в нашей стране и за рубежом начинались с использования в качестве источника

акустической энергии взрывов конденсированных взрывчатых веществ (ВВ) (5, 72,64). В результате короткого и мощного подводного взрыва, возникали первичная и вторичная ударные волны давления, связанные с пульсациями газового пузыря в жидкости и способные распространяться на большие расстояния. При этом, чем больше заряд ВВ, тем значительнее доля низкочастотной составляющей сигнала в спектре возникшей ударной волны, и тем дальше волны распространяются, затухая по акустическому закону. Коэффициент полезного действия взрыва конденсированных ВВ составляет 53%, а полный акустический к.п.д. - 24% (5). Были разработаны методы определения параметров взрыва, таких, например, как интеграл давления по времени, полная энергия взрыва, состав амплитудного и частотного спектров ударной волны, а также приемы обработки полученных практических результатов. Однако, при использовании взрывного метода, возникали трудности, связанные с неуправляемостью параметрами взрыва, наличием сильных помех в зарегистрированном сигнале и выделением из него полезного сигнала. Этот метод имеет высокую стоимость, малопроизводителен, опасен для исследователей, наносит вред ихтиофауне. Поэтому в настоящее время от взрывных методов создания акустических сигналов в жидкости геофизики отказались и перешли к невзрывным методам возбуждения сейсмических волн.

Николаев А.В., анализируя развитие идей Гамбургцева Г.А. в геофизике (80), отмечает, что экспериментальная сейсмология вступила в фазу использования для глубинных зондирований управляемых сейсмических источников, способных посылать в среду строго дозированные, пространственно и частотно организованные порции энергии, отличающиеся от взрывных источников возможностью производить многократные действия для накапливания регистрируемых сигналов с целью получить высокий динамический диапазон при больших удалениях источников.

Среди методов невзрывного возбуждения акустических волн Лугинец А.И.

(61) отмечает вибрационный, как отличающийся новизной и перспективностью, однако связывает его в основном с развитием сухопутных вибрационных установок.

Балашканд М.И. в работе (5) выделяет в современном комплексе поисково-разведочных морских геофизических исследований такие вибрационные методы, как глубинное сейсмическое зондирование и метод преломленных волн с использованием диапазона частот от 3 до 15 Гц, что связано с их меньшим затуханием при прохождении через геологические срезы. На частотах 20-1000 Гц работы ведут методом отраженных волн с изучением глубины разреза в несколько километров. Этот же метод применим для детального исследования верхней части разреза в диапазоне частоты выше 1000 Гц (53,71,74,81, 85).

Сущность вибрационных методов в морской невзрывной геофизике состоит в следующем. Вибрационный излучатель гидроакустических колебаний, работающий в определенном режиме, устанавливается непосредственно на суд не, ведущем геофизические исследования, в подвод ной его части, или буксирующие на тросе в специальном снаряде (рис. 1.1). Возбуждаемые излучателем звуковые волны, распространяясь в воде, достигают морского дна, частично отражаются от него, а частично проникают вглубь залегающих под д ном пород уже гак сейсмические волны продольной и сдвиговой (поперечной) деформации (91). Известно, что эти волны ведут себя подобно световым и, проникая в среды, в которых скорость звука изменяется в соответствии с физико-механическими свойствами пластов, искривляют свой путь или отражаются к границе раздела "порода - вода", а затем излучаются к свободной поверхности жидкости. В результате многократного преломления, отражения и поглощения средой, "вернувшиеся" волны оказываются сильно ослабленными по сравнению с исходными, созданными излучателем. Вблизи раздела "воздух - вода" отраженные волны принимаются специальными гидроакустическими приборами, группируемыми в антенну по несколько штук для повышения чувствительности.

Рис.1.1. Геофизические исследования на акватории с использованием гидроакустических излучателей.

Принципиалъно важным в определении направления и глубины отражения принимаемых гидроакустических волн будет формирование приемников в одну достаточной протяженности по створу измерений "косу", позволяющую определять групповую скорость акустического сигнала. "Коса" буксируется за судном, ведущим исследования, но на достаточном удалении от излучателя в направлении перпендикулярном излучаемому сигналу. Принятые сигналы обрабатываются геофизическими методами с целью выделения составляющей, несущей полезную информацию.

Качественный скачок в развитии вибрационных методов геофизической разведки произошел в результате разработки и внедрения сначала сухопутного, а затем морского комплекса "Вибросейс", основанного на частотных методах.

Источник акустических сигналов в жидкости с управляемыми параметрами колебаний излучающей поверхности создает цут (свил) непрерывных колебаний (волн) квазисинусоидальной формы с линейно изменяющейся частотой (61, 64, 85) (Рис. 1.2). Глубина погружения и длительность свипа выбираются исходя из диапазона частот, в котором ведут наблюдения. Регистрация сигналов начинается с момента включения в работу излучателя и продолжается до получения самых поздних, отраженных сигналов исследуемого разреза морского дна. Полученная сейсмограмма подвергается математической обработке, заключающейся в нахождении автокорреляционной функции исходного сигнала.

Автокорреляционная функция является параметром, определяющим эффективность укорочения сигнала при корреляционной обработке на специальном приборе-корреляторе, роль которого сводится к вычислению и записи на запоминающее устройство этой функции в виде переменного напряжения между свипом и принятым отраженным сигналом при многократном накапливании и позволяющей получить сейсмическую запись высокого качества.

источник акустических \

Рис. 1.2. Блок-схема виброакустического метода геофизических исследований.

Как отмечено в работе (64), успех метода обусловлен корреляционными характеристиками излучаемого сигнала, то есть качественным выделением сигнала на фоне помех. Авторы обзора (51) приводят отношение "сигнал -помеха"

где Ас - величина сигнала, А„ - величина помехи, и - скорость судна, 1рег -время регистрации, 1св - длительность свила, п - количество каналов, с1 -расстояние между каналами, выделяя зависимость отношения "сигнал/помеха" от продолжительности свипа. Этим можно объяснить ограничение свип-сигнала в морских условиях до 10 с по сравнению с длительностью такого же сигнала на суше 100-120 с. Указывается также на относительно высокую информативность метода "Вибросейс".

Показательно, что морская система "Вибросейс", выпускаемая фирмой "Делта" (64), имеет излучающие блоки гидравлического типа. Сигнал-свил хранится в памяти бортового компьютера и непрерывно, в течение времени, определяемого скоростью судна и интервалами между станциями, в процессе работы подается к каскаду управления сервоклапаном, представляющим собой часть электрогидравлического привода излучателя. Анализ системы "Вибросейс" для морских исследований и ее технических характеристик показывает, что по мере развития морских методов вибрационной геофизической разведки возрастает интерес к излучателям, использующим для создания колебаний излучающей поверхности электрогидравлические агрегаты, которые в комплексе с электронной системой задания и обработки сигналов позволят существенно повысить качество геофизической и сейсмической разведок на акваториях и на шельфе.

1.2. Сравнительный анализ основных типов гидроакустических излучателей

Основными узлами гидроагрегатов для создания акустических сигналов в жидкости, определяющими функциональные возможности и качество преобразования подводимой энергии, являются возбудитель колебаний и излучающая система. Поэтому общая эффективность таких гидроагрегатов может быть оценена эффективностью работы преобразователя энергии и эффективностью излучения. Устройства излучения в прикладной гидроакустике принято называть гидроакустическими антеннами (87). Основной узел которых -гидроакустический преобразователь (ГАП). Рассмотрим ГАП необратимого тала.

Анализ основных типов ГАП проведем, используя классификацию излучателей, принятую в работу (2), согласно которой все излучатели разбиты на три группы: импульсного, непрерывно-импульсного и непрерывного действия.

Импульсные источники, к которым следует отнести, в первую очередь электроразрядные, компрессионные и взрывные, создают полезный акустический сигналов результате пульсаций газового пузыря, образующегося при выхлопе в жидкость сжатого газа, подрыве небольшого количества ВВ или газовой смеси в специальной камере, а также в результате газового разряда в жидкости. Они удобны тем, что дают возможность получения широкополосного сигнала на частотах 20-1000 Гц, а диапазон излучаемых частот расширяется с уменьшением импуль