ФИЗИЧЕСКАЯ ^^^^^^^^^^^^^^ АКУСТИКА
534.26+550.341+550.834+621.319
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ИЗГИБНЫХ ВОЛН
НА РЕЧНОМ ЛЬДУ
© 2010 г. Ю. М. Заславский, В. Ю. Заславский
Институт прикладной физики РАН 603950Нижний Новгород, ул. Ульянова 46 Тел.(831)4164764, Факс: (831)4365976 E-mail: zaslav@hydro.appl.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 1.07.09 г.
Обсуждаются результаты натурного эксперимента по регистрации виброакустических сигналов на речном льду, возбуждаемых импульсным источником. На осциллограммах сигналов представлены воздушно-акустические, донно-сейсмические и изгибные волны на льду в виде отдельных волновых цугов, разделенных по времени прихода. По экспериментальным данным выполнены измерения групповой скорости и декремента затухания изгибных волн, а также скорости донно-сейсмиче-ских волн. Теоретическая оценка групповой скорости изгибных волн, проведенная в рамках модели жидкость — тонкая пластина, согласуется с экспериментально измеренной величиной.
УДК
Настоящая работа посвящена результатам экспериментального анализа характеристик изгибных волн, распространяющихся вдоль ледового покрова реки, протекающей в равнинной местности. Контроль толщины и прочности льда составляет одну из важных задач мониторинга ледового покрова на зимних речных переправах. Такой контроль обычно осуществляется с помощью бурения лунок, с использованием которых реализуется прямой контактно-механический метод, позволяющий, в частности, предсказать критическое снижение указанных показателей. Указанное снижение может свидетельствовать о возникновении нарушений сплошности или целостности ледового покрова, которые угрожают безопасности транспорта и пешеходов на переправе. Вероятно, эта же цель может быть достигнута на основе приема и анализа виброакустических сигналов, распространяющихся по речному льду, которые могут быть реализованы при контрольных экспериментах в натурных условиях [1—3]. Информация о разрушении ледового покрова, как целостной структуры, или о снижении несущей способности льда ниже того порога, при котором он еще способен выдерживать нагрузку от транспортных средств, может содержаться, в частности, в характеристиках изгибных волн, бегущих по льду. Для реализации такого мониторинга необходим набор информативных признаков, включающих в себя доверительные интервалы сейсмоакустических параметров. Например, таких как фазовая или групповая скорость волны, или диссипативных параметров — декремента затухания волны, выход за пределы которых явля-
ется сигналом угрозы возникновения упомянутого выше аномального явления.
В работе представлены результаты только первого этапа, задачей которого является получение исходных данных об указанных сейсмоакустиче-ских параметрах, на базе которых возможна выработка информативных признаков, закладываемых в основу мониторинга ледового покрова. Это данные о скорости и о затухании изгибных волн, которые получены как результат анализа экспериментально регистрируемых сигналов, принятых геофонами, установленными на речном льду. Ввиду важности понимания закономерностей, характерных для распространения изгибных волн, выполнены теоретические оценки указанных параметров, основанных на анализе известных из литературы моделей ледового покрова реки [4, 5], а также проведено их сравнение с данными эксперимента. Вопросам взаимодействия нагрузки со льдом посвящены работы ряда авторов [6—8]. Родственными рассматриваемым здесь являются вопросы излучения акустических волн в жидкость пластинами и упругими оболочками, соприкасающимися с ней, и совершающими вынужденные колебания [9—11]. Обратимся к анализу данных натурных экспериментов по определению скорости и затухания изгибных волн на льдине, которым уделяется основное внимание настоящей работы.
Натурные эксперименты проведены по одной из методик, воспроизводящих метод преломленных волн (МПВ), стандартно используемый при сейсмопрофилировании [12]. При этом расположение на поверхности речного льда источника возбуждения и системы приемников должно при-
483
4*
ДОННЫЙ ГРУНТ
Рис. 1. Схема эксперимента.
водить к существенным особенностям в регистрируемых сигналах. В условиях проведения эксперимента на льду такие особенности будут возникать, поскольку наряду с ранее известными волнами, обычными для сухопутных условий, реализуемыми при сейсмическом профилировании на равнинном грунте, возбуждаются и излучаются дополнительные волновые типы. Например, изгибные волны, бегущие по льду, покрывающему водную поверхность и обусловливающие отличие в характере сигналов. В этих условиях ситуация усложняется и интерес представляет вся совокупность упругих и сейсмических волн, возбуждаемых импульсным источником в системе лед-вода-донный грунт.
Эксперименты проведены на речном льду, толщина которого составляла 0.25—0.5 м, а глубина реки вблизи измерительного профиля варьировалась в пределах от 3 м до 5 м (рис. 1). Источник возбуждения, размещаемый на поверхности льда, относится к источникам типа "падающий груз", и эквивалентен действию вертикальной точечной силы (Ш ~ 150—300 Н) с однополярной импульсной зависимостью от времени. Система наблюдения стандартная: продольная, с последовательным удалением пункта возбуждения от точки регистрации вдоль линейного профиля с шагом 5 м. Прием вибросигналов (вертикальная компонента скорости смещения поверхности льда) ведется с помощью сейсмоприемника СВ-20 ТС. Второй канал записи используется как опорный, на который регистрируется контрольный вибросигнал с выхода аналогичного сейсмодатчика, установленного рядом с источником возбуждения. После усиления (К ~ 50 дБ) сигналы подаются на вход
компьютера ноутбук для их регистрации, причем динамический диапазон записи последнего 90— 100 дБ, а частотная полоса — от 10 Гц до 20 кГц. Для выбора наиболее оптимальных по уровню корреляций между воздействиями в предыдущей, и в последующей точках на профиле использовался вибросейсмический сигнал с выхода опорного сейсмодатчика. Степень корреляции воздействий при переходе от точки к точке также контролировалась по сигналу с выхода микрофона, расположенного в той же точке, что и сейсмо-приемник, регистрирующий полезный или информативный сигнал.
Из рис. 2, на котором представлен текущий спектр всего волнового отклика, принятого на дистанции 25 м, видно, что его длительность достигает ~320—350 мс. Скользящее окно при Фурье-анализе состоит из 2048 точек реализации (0.0512 с), достигаемое разрешение по частоте в текущем спектре ~20 Гц. Он показывает, что первым приходит цуг донно-сейсмических волн. Его длительность ~ 10—15 мс, а полоса занимаемых частот простирается от 10 Гц до 1 кГц. В следующем интервале длительностью ~100 мс наблюдается вступление в точку приема воздушно-акустической волны в виде звукового хлопка, спектр которого занимает интервал частот от 10 Гц до 1.2 кГц и даже несколько выше, хотя спектральные компоненты с максимальной амплитудой приходятся на частотный интервал 10...400 Гц. Волновой цуг, соответствующий изгибной волне, приходит последним и длится в течение ~200 мс. К моменту вступления этой волны в текущем спектре имеет место плавное сужение эффективной полосы сначала к 150 Гц, а на финальном
экспериментальный анализ изгибных волн на речном льду
/, Гц 1000
600
200
485
11.0
11.1
11.2
11.3
г, с
Рис. 2. Текущий спектр виброакустического сигнала.
1 г
(а)
1 г
ч
<Ц
£ 0 о
———
1 2
3
-4
5
6
7
0.2 0.3
г, с
0.1
0.2 0.3
г, с
0.4
0.5
Рис. 3. Осциллограммы вибросейсмического сигнала на расстояниях источник-приемник: (а) — 1-й профиль 1—5 м, 2—10 м, ...6—30 м, (б) — 2-й профиль 1—5 м, 2—10 м, ...7—35 м. Амплитудный масштаб инвариантен с ростом дистанции (относительные единицы).
участке реализации спектральные компоненты группируются в частотном интервале 10.30 Гц.
На рис. 3 даны две совокупности осциллограмм вибросейсмического сигнала, зарегистрированные независимо на двух профилях, территориально близких по своему местоположению, принятые на следующих дистанциях источник-приемник: 1-й профиль (рис. 3, а)) — реализация № 1—5 м, реализация № 2—10 м, ... реализация № 6—30 м, 2-й профиль (рис. 3, б)) — реализация № 1—5 м, реализация № 2—10 м, ... реализация №7—35 м. Осциллограммы расположены в виде "строчка под строчкой", что позволяет оценить групповую скорость каждого волнового цуга. Так, воздушно-акустический отклик представлен в ре-
ализациях в виде резкого броска, возникающего сразу после вступления "высокочастотного", малоамплитудного донно-сейсмического сигнала, приходящего первым. Замер скорости распространения воздушно-акустической волны показывает величину в пределах ~330—340 м/с. По мере удаления точки приема от источника длительность воздушно-акустического хлопка увеличивается, по-видимому, за счет рассеяния звука на неровностях ледовой поверхности, но его амплитудный спад удовлетворительно описывается законом ~1/г (г — расстояние между источником и приемником), соответствующим расхождению сферического фронта этой волны в воздушном пространстве.
0
(D
X н О
50 100 150 200 250 300 Время задержки т, мс
Рис. 4. Автокорреляционная функция сигналов, принятых на удалениях от источника: 5 м (1), 10 м (2), 15 м (3), 20 м (4), 25 м (5), 30 м (б), 35 м (7), 40 м (8). Масштаб амплитуд в относительных единицах.
д е
X н о
0 50 100 150 200 250 300 Время задержки т, мс
Рис. 5. Взаимокорреляционная функция сигналов, принятых на удалениях от источника: 5—10 м (1), 10-15 м (2), 15-20 м (3), 20-25 м (4), 25-30 м (5), 3035 м (6), 35-40 м (7). Масштаб амплитуд в относительных единицах.
Волновые фазы, присутствующие на совокупности осциллограмм (см. рис. 3, а)) и соответствующие вступлению изгибной волны в каждую точку на приемном профиле, соединены отрезком наклонной штриховой линии, обозначающей так называемый волновой годограф. Моменты времени задержки, по которым проводится линия годографа и которые соответствуют вступлению изгибной волны, определяются для каждой точки по картине текущего спектра сигнала. По ней визуально определяется область перехода от звукового хлопка к этому типу волны. Изгибная волн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.