RU2439623C1 - Gradiometric seismic receiver - Google Patents
Gradiometric seismic receiver Download PDFInfo
- Publication number
- RU2439623C1 RU2439623C1 RU2010125916/28A RU2010125916A RU2439623C1 RU 2439623 C1 RU2439623 C1 RU 2439623C1 RU 2010125916/28 A RU2010125916/28 A RU 2010125916/28A RU 2010125916 A RU2010125916 A RU 2010125916A RU 2439623 C1 RU2439623 C1 RU 2439623C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pendulum
- relative
- oscillations
- frequency
- inertia
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области сейсмологии и направлено на решение задач оперативного прогноза землетрясений, т.е. определения места эпицентра и времени за несколько часов - сутки до предстоящего события, но может быть также использовано при геофизических исследованиях.The present invention relates to the field of seismology and is aimed at solving the problems of the operational forecast of earthquakes, i.e. determining the location of the epicenter and time in a few hours - a day before the upcoming event, but can also be used in geophysical surveys.
Актуальность проблемы оперативного прогноза землетрясений определяется тем, что на планете ежегодно происходит около 100 разрушительных землетрясений (силой более 5,5 баллов по шкале Рихтера), причем одно из них может быть катастрофическим. Очевидно, что современная сейсмология с этим не справляется, о чем свидетельствуют последствия катаклизмов, происходящих на планете почти каждую неделю. Несмотря на работу тысячи сейсмических станций, размещенных в разных странах и объединенных в единые сети, за всю историю цивилизации практически никогда не было оперативного предупреждения о приближающейся катастрофе.The urgency of the problem of the operational forecast of earthquakes is determined by the fact that about 100 destructive earthquakes occur annually on the planet (with a force of more than 5.5 points on the Richter scale), and one of them can be catastrophic. Obviously, modern seismology does not cope with this, as evidenced by the consequences of cataclysms occurring on the planet almost every week. Despite the work of thousands of seismic stations located in different countries and united into single networks, in the entire history of civilization there has almost never been an operational warning about an approaching disaster.
Одной из причин такой ситуации являются ограниченные возможности стандартной сейсмической аппаратуры, способной фиксировать факт совершившегося события, однако прогностическая задача при этом остается не решенной [Фремд В.М. Инструментальные средства и методы регистрации сильных землетрясений. М., 1978].One of the reasons for this situation is the limited capabilities of standard seismic equipment that can record the fact of an event, however, the prognostic task remains unresolved [V. Fremd. Instruments and methods for recording strong earthquakes. M., 1978].
В сейсмологии известны десятки предвестников землетрясений, отражающих различные физические явления в зоне предстоящего катаклизма: изменения температурных, электростатических, магнитных, гидрогеологических, геохимических и других полей. На использовании этих предвестников основаны многие из известных способов и устройств для предсказания землетрясений (см., например, патенты РФ №№2106001, 2163385, 2170448, 2172968, 2204852, 2205432, 2227311, 2229736, 2248017).Dozens of earthquake precursors are known in seismology, reflecting various physical phenomena in the zone of the upcoming cataclysm: changes in temperature, electrostatic, magnetic, hydrogeological, geochemical and other fields. The use of these precursors is based on many of the known methods and devices for predicting earthquakes (see, for example, RF patents Nos. 2106001, 2163385, 2170448, 2172968, 2204852, 2205432, 2227311, 2229736, 2248017).
Основные недостатки упомянутых изобретений состоят в невозможности их непосредственного применения из-за неадекватности измеряемых величин контролируемому процессу и их функциональной ограниченности по выделяемым параметрам. Это связано с тем, что подавляющее большинство вышеупомянутых признаков подготовки очагов землетрясений являются косвенными указателями, тогда как и теоретические соображения, и экспериментальные данные однозначно указывают на то, что прямые признаки следует искать среди механических явлений. В настоящее время установлено, что при подготовке очага и реализации землетрясения определяющими являются механические деформационные процессы, обнаружение и отслеживание которых в прогностической задаче обеспечивает возможность использования информации о прямых признаках готовящегося катаклизма.The main disadvantages of the mentioned inventions are the impossibility of their direct application due to the inadequacy of the measured values of the controlled process and their functional limitations on the allocated parameters. This is due to the fact that the vast majority of the aforementioned signs of the preparation of earthquake sources are indirect indicators, while both theoretical considerations and experimental data clearly indicate that direct signs should be sought among mechanical phenomena. It has now been established that, during the preparation of the source and the implementation of the earthquake, the determining factors are mechanical deformation processes, the detection and tracking of which in the prognostic task makes it possible to use information about the direct signs of the impending cataclysm.
Некоторые из известных способов и устройств для предсказания землетрясений используют информацию о распространении низкочастотных волн от очага готовящегося катаклизма, которая состоит в изменении спектральных характеристик сейсмического фона в местах установки сейсмометрической аппаратуры при механических процессах подготовки землетрясений (например, патенты - аналоги (патенты РФ №№2181205, 2170447). Однако приведенные аналоги опираются на применение стандартной аппаратуры, не обладающей частотно-селективными свойствами и содержащей в информативных сигналах помехи различного происхождения. Поэтому достоверное предсказание землетрясений этими методами практически невозможно. Кроме того, предвестники в сверхнизкочастотном диапазоне существуют ограниченное время и могут быть пропущены.Some of the known methods and devices for earthquake prediction use information about the propagation of low-frequency waves from the source of the upcoming cataclysm, which consists in changing the spectral characteristics of the seismic background in the places of installation of seismometric equipment during mechanical processes for preparing earthquakes (for example, patents - analogues (RF patents No. 2181205 , 2170447). However, the above analogues rely on the use of standard equipment that does not have frequency-selective properties and contains informative interference signals of different origin. Therefore, a significant earthquake prediction these techniques is virtually impossible. In addition, precursors of a super low frequency range exist for a limited time and may be omitted.
Теоретическая модель механизма подготовки землетрясений основана на дилатантной или близких к ней моделях физических явлений в очагах землетрясений. Суть ее состоит в следующем. Когда напряжения в толще тектонических пород сейсмически опасной зоны достигают предельной величины, в них появляются микротрещины, а имеющиеся полости увеличиваются. Перед землетрясением происходит возрастание пористости пород и равномерное распределение трещин по всей очаговой области и вокруг нее. За несколько часов до магистрального разрыва в очаге будущего землетрясения образуется упорядоченная (в статистическом смысле) система трещин, протяженность которой соответствует длине предстоящего разрыва. При приближении момента землетрясения система трещин переходит в предкритическое состояние (предтрещины) с падением прочности пород и под влиянием слабых внешних возмущений, а также вследствие продолжающегося процесса упорядочивания возбуждается и колеблется как единое целое, излучая сейсмическую энергию. При этом высокочастотная часть энергии поглощается в самом очаге и его окрестностях, а колебания на низких частотах в диапазоне (0,1-5) Гц распространяются по земной коре на тысячи километров. По мере возрастания критичности состояния в очаге будущего землетрясения интенсивность колебаний предтрещины увеличивается, а эмиссия сейсмической энергии ведет к дальнейшей упорядоченности системы трещин и падению прочности пород, что в конце концов приводит к магистральному разрыву. Такая концепция объяснения природы оперативных предвестников полностью подтвердилась в 80-90-х гг. наблюдениями над многочисленными катаклизмами.The theoretical model of the mechanism of earthquake preparation is based on dilatant or close models of physical phenomena in the centers of earthquakes. Its essence is as follows. When the stresses in the thickness of the tectonic rocks of the seismically dangerous zone reach the maximum value, microcracks appear in them, and the existing cavities increase. Before the earthquake, there is an increase in the porosity of the rocks and a uniform distribution of cracks throughout the focal region and around it. A few hours before the main rupture in the center of the future earthquake, an ordered (in the statistical sense) system of cracks is formed, the length of which corresponds to the length of the upcoming rupture. As the earthquake moment approaches, the system of cracks goes into a precritical state (pre-cracks) with a decrease in rock strength and under the influence of weak external perturbations, as well as due to the ongoing ordering process, it is excited and oscillates as a whole, emitting seismic energy. In this case, the high-frequency part of the energy is absorbed in the outbreak itself and its environs, and vibrations at low frequencies in the range (0.1-5) Hz propagate over the earth's crust for thousands of kilometers. As the criticality of the state in the focus of a future earthquake increases, the intensity of the vibrations of the pre-crack increases, and the emission of seismic energy leads to further ordering of the crack system and a decrease in the strength of the rocks, which ultimately leads to a main rupture. This concept of explaining the nature of operational precursors was fully confirmed in the 80-90s. observations of numerous disasters.
Эта модель механизма подготовки землетрясений определяет методический подход к решению прогностической проблемы и выдвигает требования к сейсмической аппаратуре откликаться на изменения интенсивности объемных упругих волн от удаленного очага. Конкретизируя эти требования, можно сформулировать прогностическою задачу как формирование отклика на регулярный цуг упругих волн в низкочастотном спектре от далекого источника при отсутствии реакции прибора как на высокочастотные, так и низкочастотные (но кратковременные) помехи от близких источников тектонического или техногенного происхождения.This model of the earthquake preparation mechanism determines a methodological approach to solving the prognostic problem and puts forward requirements for seismic equipment to respond to changes in the intensity of bulk elastic waves from a remote source. Concretizing these requirements, one can formulate a prognostic task as the formation of a response to a regular train of elastic waves in the low-frequency spectrum from a distant source in the absence of the device’s reaction to both high-frequency and low-frequency (but short-term) interference from close sources of tectonic or technogenic origin.
Для этого сейсмическая аппаратура должна обладать частотно-избирательными свойствами, а также диаграммой направленности подобно радиолокационным антеннам. Сейсмоприемники, используемые в настоящее время и основанные на принципиальных схемах и технических средствах изготовления длиннопериодных маятников или широкополосных акселерометров, обладают векторными свойствами благодаря пространственной ориентации осей чувствительности приборов, но для решения задач оперативного прогноза землетрясений этого недостаточно, так как частотно-селективные свойства у них практически отсутствуют.For this, seismic equipment must have frequency-selective properties, as well as a radiation pattern similar to radar antennas. The seismic receivers currently used and based on circuit diagrams and technical means for manufacturing long-period pendulums or broadband accelerometers have vector properties due to the spatial orientation of the sensitivity axes of devices, but this is not enough for solving problems of operational earthquake prediction, since they have practically frequency-selective properties are absent.
В связи с этим использование в качестве сейсмоприемника высокочувствительного гравитационного вариометра, выполненного по схеме крутильных весов Кулона первого рода, представляется радикальным способом решения проблемы, поскольку указанные требования органически соответствуют его физической природе: его сигнал обладает диаграммой направленности и частотно-избирательными свойствами. Эти свойства гравитационных вариометров при вибрациях основания обусловлены гантельным эффектом, который возникает в приборе при пространственных колебаниях крутильной системы и приводит к моменту закрутки вывешенного коромысла - рабочего тела прибора. При этом резонансное усиление маятниковых колебаний коромысла в системе подвеса определяет частотно-избирательные свойства прибора и его высокую чувствительность к тектонике очага готовящегося землетрясения. К этому следует добавить, что по чувствительности к воздействию инерционных сил тектонического происхождения гравитационные вариометры не уступают лучшим образцам приборов, используемых в сейсмологии.In this regard, the use of a highly sensitive gravitational variometer, made according to the Coulomb torsion scale scheme of the first kind, as a seismic receiver, seems to be a radical way to solve the problem, because these requirements organically correspond to its physical nature: its signal has a radiation pattern and frequency-selective properties. These properties of gravitational variometers during vibration of the base are due to the dumbbell effect that occurs in the device during spatial oscillations of the torsion system and leads to the moment of twisting of the suspended rocker - the working body of the device. In this case, the resonant amplification of the pendulum oscillations of the rocker arm in the suspension system determines the frequency-selective properties of the device and its high sensitivity to the tectonics of the focus of the impending earthquake. It should be added that in sensitivity to the effects of inertial forces of tectonic origin, gravitational variometers are not inferior to the best models of instruments used in seismology.
Близким аналогом является изобретение «Способ оперативного прогноза места готовящегося землетрясения» по патенту РФ №2355000, где описан пример реализации способа с помощью гравитационного вариометра, выполненного по схеме крутильных весов Кулона первого рода. Здесь крутильная система гравитационного вариометра содержит гантельное коромысло, вывешенное на торсионе (тонкой нити) в корпусе прибора, и датчик угла поворота крутильной системы в азимуте. Полезная прогностическая информация содержится в сигналах датчика угла. Недостатком такого сейсмоприемника является негибкая связь крутильной системы по азимутальной координате с корпусом прибора, определяемая упругими свойствами торсиона. В таких конструкциях в случае высокой добротности подвеса возможны автоколебательные процессы, при которых полезная информация искажается, а ее обработка весьма затруднительна. Поэтому конструкции сейсмоприемников на базе гравитационного вариометра выполнены с невысокой добротностью: в примере, приведенном в описании к патенту РФ №2355000, крутильная система находится в воздушной среде. Это является очень важным недостатком, поскольку от добротности подвеса крутильной системы зависит чувствительность прибора.A close analogue is the invention "Method for the operational forecast of the site of an upcoming earthquake" according to the patent of the Russian Federation No. 2355000, which describes an example of the implementation of the method using a gravitational variometer, made according to the scheme of torsion weights Coulomb of the first kind. Here, the torsion system of the gravitational variometer contains a dumbbell rocker hung on a torsion bar (thin thread) in the device body, and a rotation angle sensor of the torsion system in azimuth. Useful predictive information is contained in the signals of the angle sensor. The disadvantage of such a seismic receiver is the inflexibility of the torsion system in azimuthal coordinate with the instrument body, determined by the elastic properties of the torsion bar. In such constructions, in the case of a high Q-factor of the suspension, self-oscillating processes are possible in which useful information is distorted, and its processing is very difficult. Therefore, the design of seismic receivers based on a gravitational variometer is made with low Q: in the example given in the description of the patent of the Russian Federation No. 2355000, the torsion system is in the air. This is a very important drawback, since the sensitivity of the device depends on the quality factor of the suspension of the torsion system.
Прототипом предлагаемого изобретения является гравитационный вариометр [патент РФ №2175773, G01V 7/10, бюллетень №31, 24.11.2001 г.], конструкция которого включает размещенное в герметичном корпусе гантельное коромысло, вывешенное в управляемом магнитном подвесе, электростатические датчики момента, управляющие движением коромысла относительно вертикальной оси по сигналам от оптических датчиков угла. Измерение полезного сигнала в устройстве прототипа производится с помощью автокомпенсационной схемы, формируемой датчиками угла и момента и электронными блоками, определяющими заданные частотные характеристики прибора как замкнутой системы автоматического регулирования. Недостатки прототипа с точки зрения его использования в качестве сейсмоприемника связаны с фактом иного назначения прибора, который применяется для измерения гравитационного момента вследствие пространственной неравномерности гравитационного поля. Крутильная система прототипа выполнена таким образом, что собственные частоты ее колебаний как физического маятника существенно отличаются относительно друг друга вследствие анизотропных свойств тензора инерции вывешенного коромысла. Однако для прогностической задачи требуется совпадение собственных частот маятниковых колебаний относительно обеих горизонтальных осей. В противном случае (как это выполнено в устройстве прототипа) нарушается синхронность вынужденных колебаний маятника, вызываемых упругими колебаниями земной поверхности вследствие сейсмической активности в районе очага предстоящего землетрясения. Нарушение синхронизма маятниковых колебаний в свою очередь приводит к тому, что гантельный эффект выражается в виде совокупности гармоник с разными частотами; при этом полезная прогностическая информация содержится в величине амплитуд этих гармоник. Измерение полезной информации в этом случае весьма проблематично по ряду причин. Во-первых, высокие частоты в автокомпенсационной схеме измерения крутящего момента коромысла по азимутальной координате достаточно эффективно подавляются, поскольку замкнутая система управления является узкополосной из условия обеспечения устойчивости. Во-вторых, при высокой добротности резонансной настройки крутильной системы на частоту прогностического сигнала и близких значениях собственных частот маятника по обеим координатам измерение амплитуды ультранизкочастотного сигнала затруднено искажениями вследствие низкочастотных помех в сигналах прибора и требует большого времени. Последнее противоречит условию постановки задачи оперативного прогноза, т.е. основному назначению прибора в качестве сейсмоприемника.The prototype of the invention is a gravitational variometer [RF patent No. 2175773, G01V 7/10, bulletin No. 31, 11/24/2001], the design of which includes a dumbbell rocker placed in an airtight housing hung in a controlled magnetic suspension, electrostatic torque sensors that control movement rocker arms relative to the vertical axis according to signals from optical angle sensors. The useful signal is measured in the prototype device using an auto-compensation circuit formed by angle and moment sensors and electronic units that determine the specified frequency characteristics of the device as a closed-loop automatic control system. The disadvantages of the prototype from the point of view of its use as a seismic receiver are related to the fact that the instrument is used for another purpose, which is used to measure the gravitational moment due to the spatial unevenness of the gravitational field. The torsion system of the prototype is designed in such a way that the natural frequencies of its vibrations as a physical pendulum differ significantly relative to each other due to the anisotropic properties of the inertia tensor of the suspended beam. However, for the prognostic task, the coincidence of the natural frequencies of the pendulum oscillations with respect to both horizontal axes is required. Otherwise (as is done in the prototype device), the synchronism of the forced oscillations of the pendulum, caused by elastic vibrations of the earth's surface due to seismic activity in the area of the focus of the upcoming earthquake, is violated. Violation of the synchronism of pendulum oscillations, in turn, leads to the fact that the dumbbell effect is expressed as a set of harmonics with different frequencies; useful prognostic information is contained in the magnitude of the amplitudes of these harmonics. Measuring useful information in this case is very problematic for a number of reasons. Firstly, the high frequencies in the auto-compensation scheme for measuring the torque of the beam in the azimuthal coordinate are quite effectively suppressed, since the closed-loop control system is narrow-band from the condition of stability. Secondly, with a high quality factor of the resonance tuning of the torsion system to the frequency of the predictive signal and close values of the natural frequencies of the pendulum in both coordinates, the measurement of the amplitude of the ultra-low-frequency signal is complicated by distortions due to low-frequency noise in the signals of the device and requires a lot of time. The latter contradicts the statement of the operational forecast problem, i.e. the main purpose of the device as a geophones.
Задачей изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей гравитационного вариометра.The objective of the invention is to improve the accuracy and expansion of the functionality of the gravitational variometer.
Согласно изобретению, поставленная задача решается тем, что собственная частота маятника выбором величины смещения его центра тяжести относительно точки приложения равнодействующей силы подвеса установлена в диапазоне 0,1-1 Гц, при этом соотношение между приведенной длиной маятника и максимальным радиусом инерции коромысла выбрано из условия:According to the invention, the problem is solved in that the natural frequency of the pendulum by choosing the displacement of its center of gravity relative to the point of application of the resultant suspension force is set in the range of 0.1-1 Hz, the ratio between the reduced length of the pendulum and the maximum radius of inertia of the rocker is selected from the condition:
где L - приведенная длина маятника;where L is the reduced length of the pendulum;
r - максимальный радиус инерции коромысла относительно главной оси;r is the maximum radius of inertia of the rocker arm relative to the main axis;
D - функциональный параметр прибора, равный добротности колебательной системы маятника относительно горизонтальной оси; а собственная частота системы управления движением коромысла относительно вертикальной оси установлена ниже собственной частоты колебаний маятника по крайней мере на декаду.D is the functional parameter of the device, equal to the quality factor of the oscillatory system of the pendulum relative to the horizontal axis; and the natural frequency of the rocker control system relative to the vertical axis is set below the natural frequency of the pendulum by at least a decade.
Технический результат предлагаемого устройства состоит в том, что при выполнении принципа построения конструкции гравитационного вариометра с учетом приведенных соотношений достигается высокая чувствительность прибора как сейсмоприемника и формирование прогностического сигнала в виде, обеспечивающем его точное измерение и обработку с целью определения координат места и магнитуды предстоящего землетрясения за несколько десятков часов до события.The technical result of the proposed device is that when the principle of constructing the design of the gravitational variometer, taking into account the above ratios, is achieved, the sensitivity of the device as a seismic receiver and the formation of a predictive signal in a form that ensures its accurate measurement and processing in order to determine the coordinates of the location and magnitude of an upcoming earthquake in a few dozens of hours before the event.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлены графические зависимости резонансных характеристик двух маятниковых каналов крутильной системы и на фиг.2 представлена кинематическая схема крутильного маятника.The invention is illustrated by drawings, where figure 1 presents a graphical dependence of the resonance characteristics of the two pendulum channels of the torsion system and figure 2 presents the kinematic diagram of the torsion pendulum.
На фиг.1 обозначен случай, когда резонансные частоты двух маятниковых контуров 1 и 2 различны и представлены амплитудные частотные характеристики W(ω) резонансных контуров с частотами ω1 и ω2.Figure 1 shows the case when the resonant frequencies of the two
На фиг.2 обозначено: 3 - коромысло с двумя массами m на концах; центр тяжести коромысла смещен относительно точки О шарнирного устройства подвеса.Figure 2 indicates: 3 - rocker with two masses m at the ends; the center of gravity of the beam is shifted relative to point O of the hinge device of the suspension.
Вектор 
Подвижная крутильная система при этом является физическим маятником, обладающим тремя степенями свободы: углы α, β - колебания маятника относительно вектора g ускорения силы тяжести и угол γ - вокруг оси, проходящей через центр тяжести коромысла 3 и центр шарнира О (вертикальной оси крутильного маятника).In this case, the moving torsion system is a physical pendulum with three degrees of freedom: the angles α, β are the oscillations of the pendulum relative to the gravity acceleration vector g and the angle γ is around the axis passing through the center of gravity of the rocker arm 3 and the center of the hinge O (vertical axis of the torsion pendulum) .
Устройство предлагаемого градиентометрического сейсмоприемника основано на гантельном эффекте, состоящем в том, что при маятниковых колебаниях крутильной системы относительно горизонтальных осей возникает крутящий момент вокруг ее вертикальной оси. Крутящий момент описывается выражением:The device of the proposed gradiometric seismic receiver is based on the dumbbell effect, consisting in the fact that during pendulum oscillations of the torsion system relative to the horizontal axes, a torque arises around its vertical axis. Torque is described by the expression:
Здесь Jx, Jy - главные моменты инерции гантельного коромысла гравитационного вариометра относительно осей X, Y, одна из которых проходит через центры пробных масс;Here J x , J y are the main moments of inertia of the dumbbell rocker of the gravitational variometer relative to the X, Y axes, one of which passes through the centers of the test masses;
Ωx, Ωy - составляющие угловой скорости колебаний крутильной системы относительно горизонтальных осей, параллельных главным осям инерции коромысла.Ω x , Ω y are the components of the angular velocity of oscillations of the torsion system relative to the horizontal axes parallel to the main axes of inertia of the rocker arm.
Колебания основания вызываются упругими волнами, возникающими в районе очага зарождающегося землетрясения и распространяющимися по земной поверхности на большие расстояния. Эти колебания происходят в низкочастотном спектре - (0,01-10) Гц с интенсивностью, резко возрастающей за несколько десятков часов перед катаклизмом.Oscillations of the base are caused by elastic waves that arise in the region of the source of a nascent earthquake and spread over the earth’s surface over long distances. These oscillations occur in the low-frequency spectrum - (0.01-10) Hz with an intensity that sharply increases several tens of hours before the cataclysm.
Но когда возбуждаются (вследствие сейсмических волн) колебания маятника с частотой ω, то его движение по каждой из угловых координат описывается формулой:But when oscillations of a pendulum with a frequency ω are excited (due to seismic waves), then its motion along each of the angular coordinates is described by the formula:
а скорости угловых колебаний, входящие в формулу (1), соответственно выражениями:and the velocity of angular oscillations included in the formula (1), respectively, by the expressions:
Если вынужденные колебания по обеим координатам происходят синхронно на одной частоте, то имеем:If forced oscillations in both coordinates occur synchronously at the same frequency, then we have:
Тогда согласно (1) получим:Then according to (1) we get:
Но cos2ωt=0,5(1-cos2ωt).But cos 2 ωt = 0.5 (1-cos2ωt).
Таким образом, инерционный крутящий момент вследствие гантельного эффекта содержит постоянную составляющую и переменную с двойной частотой. Обе компоненты содержат полезную информацию, причем переменная компонента - в виде амплитуды второй гармоники. Система управления движением гантели в азимуте является узкополосной автокомпенсационной схемой измерения момента, который формируется в виде управляющего сигнала на входе датчика момента. При этом измерение постоянной составляющей производится с высокой точностью, но переменные компоненты в узкополосном контуре эффективно подавляются, и измерять их при этом весьма проблематично.Thus, the inertial torque due to the dumbbell effect contains a constant component and a variable with a double frequency. Both components contain useful information, and the component variable is in the form of the amplitude of the second harmonic. The dumbbell motion control system in azimuth is a narrow-band self-compensating moment measuring circuit, which is formed as a control signal at the input of the moment sensor. In this case, the DC component is measured with high accuracy, but the variable components in the narrow-band circuit are effectively suppressed, and it is very difficult to measure them.
Для гравитационных вариометров, обычно используемых в геофизических исследованиях, в случае синфазных гармонических колебаний крутильной системы такой момент создает крайне неприятную помеху в выходном сигнале, выражение которой может быть записано в виде ΔГ=ΩxΩy. Произведение компонент Ωx, Ωy определяет влияние на гравитационный вариометр угловых колебаний основания, на котором установлен корпус прибора. Однако в случае применения гравитационного вариометра в качестве сейсмоприемника для прогностических задач этот эффект, напротив, является положительным свойством, на котором основан принцип работы прибора.For gravitational variometers, usually used in geophysical studies, in the case of in-phase harmonic oscillations of the torsion system, such a moment creates an extremely unpleasant obstacle in the output signal, the expression of which can be written in the form ΔГ = Ω x Ω y . The product of the components Ω x , Ω y determines the effect on the gravitational variometer of the angular oscillations of the base on which the device body is mounted. However, in the case of using the gravitational variometer as a seismic receiver for prognostic tasks, this effect, on the contrary, is a positive property on which the principle of operation of the device is based.
Постоянная составляющая сигнала при резонансной настройке маятниковых каналов гравитационного вариометра на одну из частот спектра сейсмических колебаний выражается формулой:The constant component of the signal in the resonant tuning of the pendulum channels of the gravitational variometer to one of the frequencies of the spectrum of seismic vibrations is expressed by the formula:
В этой формуле обозначено:This formula indicates:
Аmax - амплитуда перемещения основания прибора вследствие сейсмических колебаний поверхности Земли;And max - the amplitude of the movement of the base of the device due to seismic vibrations of the Earth's surface;
D - добротность резонансной настройки крутильной системы гравитационного вариометра на частоту маятниковых колебаний;D is the quality factor of the resonant tuning of the torsion system of the gravitational variometer to the frequency of the pendulum oscillations;
ωc - функциональный параметр прибора, определяемый уровнем диссипативных потерь в устройстве подвеса крутильной системы;ω c is the functional parameter of the device, determined by the level of dissipative losses in the suspension device of the torsion system;
φ - угол между направлением вектора перемещения основания и главной осью инерции коромысла X;φ is the angle between the direction of the base displacement vector and the main axis of inertia of the rocker arm X;
g - ускорение силы тяжести.g is the acceleration of gravity.
Из выражения (4) видно, что в сигнале прибора содержится информация о прогностических признаках: направлении на источник колебаний земной поверхности и их интенсивности. При этом уровень сигнала существенно зависит от добротности резонансной настройки маятниковой системы, собственная частота которой определяется расстоянием L от точки подвеса крутильной системы до ее центра тяжести:It can be seen from expression (4) that the signal of the device contains information about prognostic signs: the direction of the source of oscillations of the earth's surface and their intensity. In this case, the signal level substantially depends on the quality factor of the resonant tuning of the pendulum system, the natural frequency of which is determined by the distance L from the suspension point of the torsion system to its center of gravity:
Поэтому (в противоположность геофизическим гравитационным вариометрам) здесь естественно стремление поднять уровень сигнала, а следовательно, и чувствительность прибора путем увеличения добротности резонансной настройки прибора. В экспериментальных установках, решающих задачи прогноза землетрясений, добротность резонансной настройки достигает величин от десятков до нескольких сотен благодаря уменьшению диссипативных потерь в конструкции прибора путем вывешивания крутильной системы в прецизионном подвесе и ее размещением в вакуумной камере. Это противоречит характеристикам всех известных гравитационных вариометров, где свойства крутильной системы соответствуют демпфированным устройствам с большим затуханием собственных колебаний, что связано не только с фактом влияния вибраций на работу прибора (здесь гантельный эффект является весьма негативным свойством), но и с требованиями по производительности приборов при гравиразведке.Therefore (in contrast to geophysical gravity variometers), the natural tendency here is to increase the signal level, and therefore the sensitivity of the device, by increasing the quality factor of the resonant tuning of the device. In experimental installations that solve the problems of earthquake prediction, the quality factor of the resonance tuning reaches values from tens to several hundreds due to the reduction of dissipative losses in the design of the device by hanging the torsion system in a precision suspension and placing it in a vacuum chamber. This contradicts the characteristics of all known gravitational variometers, where the properties of the torsion system correspond to damped devices with a large attenuation of natural vibrations, which is associated not only with the fact that the vibrations influence the device’s operation (here the dumbbell effect is a very negative property), but also with the device performance requirements for gravity exploration.
Если колебания маятника относительно горизонтальных осей происходят на разных частотах, то вместо (2) имеем угловые скорости в виде:If the oscillations of the pendulum relative to the horizontal axes occur at different frequencies, then instead of (2) we have angular velocities in the form:
Очевидно, что произведение (1) гармоник с разными частотами постоянной составляющей не дает, а получаются две гармоники, из которых извлечь полезную информацию весьма сложно. Трудности здесь связаны с измерением амплитуд гармоник, поскольку последние подавляются в контуре управления движением крутильной системы в азимуте. Одна из них - высокочастотная (сумма собственных частот маятника) - подавляется весьма эффективно. Другая гармоника с разностной частотой при близких значениях собственных частот маятника - ультранизкочастотная - искажается низкочастотными трендами, при этом ее измерение требует большого времени, что противоречит постановке задачи создания прибора для оперативного прогноза.Obviously, the product (1) of harmonics with different frequencies of the constant component does not give, and two harmonics are obtained, from which it is very difficult to extract useful information. The difficulties here are related to measuring the amplitudes of harmonics, since the latter are suppressed in the control loop of the movement of the torsion system in azimuth. One of them - high-frequency (the sum of the natural frequencies of the pendulum) - is suppressed very effectively. Another harmonic with a difference frequency at close values of the natural frequencies of the pendulum — ultralow-frequency — is distorted by low-frequency trends, while its measurement requires a lot of time, which contradicts the statement of the problem of creating a device for operational forecasting.
Таким образом, для того чтобы в приборе вырабатывался качественный сигнал, удобный для измерения, необходимо выполнение условий (2) и (3), т.е. обеспечить совпадение частот собственных колебаний маятника по обеим координатам.Thus, in order for the instrument to produce a high-quality signal convenient for measurement, it is necessary to fulfill conditions (2) and (3), i.e. ensure the coincidence of the frequencies of the natural oscillations of the pendulum in both coordinates.
В гравитационном вариометре с гантельным коромыслом это теоретически невозможно вследствие различия его главных моментов инерции. Поэтому крутильная система как физический маятник имеет две разные частоты собственных колебаний согласно формулам:In a gravitational variometer with a dumbbell rocker, this is theoretically impossible due to the difference in its main moments of inertia. Therefore, the torsion system as a physical pendulum has two different frequencies of natural vibrations according to the formulas:
или: 
Здесь m - масса коромысла; ri - радиус инерции коромысла относительно одной из главных осей инерции Х или Y; 
Ширина частотной характеристики резонансного звена определяется формулой:The width of the frequency response of the resonant link is determined by the formula:
Это значит, что в этом частотном диапазоне при вынужденных колебаниях маятника происходит резонансное усиление сигнала с коэффициентом, равным добротности D. Поэтому для формирования качественного сигнала с прогностическими признаками на основе гантельного эффекта требуется, чтобы частотные характеристики обоих каналов маятника совместились в полосе частот (9). Тогда колебания маятника по обеим координатам будут синхронными, а в результате крутящий момент вокруг вертикальной оси маятника формируется в виде постоянного сигнала большой величины аналогично эффекту усиления сигнала при синхронном детектировании.This means that in this frequency range, when the pendulum is forced to oscillate, there is a resonant signal amplification with a coefficient equal to the Q factor D. Therefore, to form a high-quality signal with prognostic signs based on the dumbbell effect, it is necessary that the frequency characteristics of both channels of the pendulum are combined in the frequency band (9) . Then the oscillations of the pendulum in both coordinates will be synchronous, and as a result, the torque around the vertical axis of the pendulum is formed in the form of a constant signal of large magnitude similar to the effect of signal amplification during synchronous detection.
Но поскольку главные моменты инерции гантельного коромысла разные, то разница между собственными частотами колебаний относительно главных осей инерции коромысла в соответствии с (7) и (8) определяется формулой:But since the main moments of inertia of the dumbbell rocker are different, the difference between the natural frequencies of oscillations relative to the main axes of inertia of the rocker in accordance with (7) and (8) is determined by the formula:
Эта разница не должна превышать диапазона, соответствующего выражению (9), тогда оба резонанса совместятся в одной полосе частот, и вынужденные колебания будут синхронными. Из этого следует:This difference should not exceed the range corresponding to expression (9), then both resonances will combine in the same frequency band, and the forced oscillations will be synchronous. Therefore:
В гантельном коромысле 
Тогда в результате колебаний земной поверхности вследствие сейсмической активности в азимутальном контуре формируется крутящий момент в виде постоянного сигнала, измеряемого схемой управления, и согласно (4) несущего информацию с прогностическими параметрами:Then, as a result of vibrations of the earth's surface due to seismic activity in the azimuthal circuit, a torque is generated in the form of a constant signal measured by the control circuit and, according to (4), carries information with prognostic parameters:
Здесь С характеризует магнитуду предстоящего землетрясения; φ - направление (пеленг) от сейсмической станции на место его очага.Here C characterizes the magnitude of the impending earthquake; φ - direction (bearing) from the seismic station to the site of its focus.
Технико-экономические преимущества заявляемого устройства по сравнению с базовым объектом, характеризующим существующий уровень техники, заключается в том, что оно позволяет повысить достоверность прогноза землетрясений вследствие высокой избирательности и чувствительности гравитационных вариометров и оперативно оповестить о готовящемся землетрясении за сутки до катаклизма с указанием места его очага и магнитуды, благодаря чему могут быть проведены необходимые мероприятия по спасению людей и снижению экономического ущерба.The technical and economic advantages of the claimed device in comparison with the basic object characterizing the existing level of technology is that it allows to increase the reliability of the earthquake forecast due to the high selectivity and sensitivity of gravitational variometers and to promptly inform about the impending earthquake the day before the cataclysm indicating the location of its focus and magnitudes, due to which necessary measures can be taken to save people and reduce economic damage.
Claims (1)
где L - приведенная длина маятника;
r - максимальный радиус инерции коромысла относительно главной оси;
D - функциональный параметр прибора, равный добротности колебательной системы маятника относительно горизонтальной оси,
а собственная частота системы управления движением коромысла относительно вертикальной оси установлена ниже собственной частоты колебаний маятника по крайней мере на декаду. Gradientometric seismic receiver containing a torsion pendulum system with a dumbbell rocker mounted in a housing on which the stator elements of torque sensors and angle sensors of the rocker arm control system are located relative to the vertical axis, characterized in that the natural frequency of the pendulum by choosing the offset value of its center of gravity relative to the point of application of the resultant suspension forces are set in the range of 0.1-1 Hz, while the ratio between the reduced length of the pendulum and the maximum the mustache of inertia of the rocker arm is selected from the condition:
where L is the reduced length of the pendulum;
r is the maximum radius of inertia of the rocker arm relative to the main axis;
D is the functional parameter of the device, equal to the quality factor of the oscillatory system of the pendulum relative to the horizontal axis,
and the natural frequency of the rocker control system relative to the vertical axis is set below the natural frequency of the pendulum by at least a decade.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010125916/28A RU2439623C1 (en) | 2010-06-22 | 2010-06-22 | Gradiometric seismic receiver |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010125916/28A RU2439623C1 (en) | 2010-06-22 | 2010-06-22 | Gradiometric seismic receiver |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2439623C1 true RU2439623C1 (en) | 2012-01-10 |
Family
ID=45784275
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010125916/28A RU2439623C1 (en) | 2010-06-22 | 2010-06-22 | Gradiometric seismic receiver |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2439623C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109709600A (en) * | 2019-03-06 | 2019-05-03 | 防灾科技学院 | Reaction type earthquake vibration pickup mechanical pendulum and its design method |
-
2010
- 2010-06-22 RU RU2010125916/28A patent/RU2439623C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109709600A (en) * | 2019-03-06 | 2019-05-03 | 防灾科技学院 | Reaction type earthquake vibration pickup mechanical pendulum and its design method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Nguyen et al. | Environmental noise in advanced LIGO detectors | |
| CN101726752B (en) | Earthquake monitoring system | |
| US8661894B2 (en) | Microgravimeter for geophysical prospecting | |
| Santos et al. | Understanding the fundamentals of earthquake signal sensing networks | |
| RU2439623C1 (en) | Gradiometric seismic receiver | |
| Kislov et al. | Rotational seismology: Review of achievements and outlooks | |
| RU2355000C1 (en) | Real-time method of forecasting place bracing for earthquake | |
| Manukin et al. | A seismometer for observations on Mars | |
| JP6411131B2 (en) | Vibration sensor and vibration sensing system | |
| RU2438151C1 (en) | Gravitational variometre | |
| RU2507546C1 (en) | Method for rapid prediction of earthquakes and apparatus for realising said method | |
| CN106054615B (en) | Vibration isolation method for ultralow-frequency earth-pulse vibration atomic interferometer | |
| Buonocore et al. | Noise Floor Characterization in Accelerometers for Earthquake Monitoring | |
| EA018373B1 (en) | Method for forecasting earthquakes and device therefor | |
| WO2013096997A1 (en) | Earthquake prediction method and device for the implementation thereof | |
| RU2687297C1 (en) | Low-frequency two-component bottom seismic cable | |
| RU2805275C1 (en) | Method for short-term determination of the preparation of a strong seismic event | |
| Bernard et al. | The G-calibration: A new method for an absolute in situ calibration of long-period accelerometers, tested on the Streckeisen instruments of the GEOSCOPE network | |
| Byrnes et al. | Modal vibration testing of the 26m John A. Galt radio telescope | |
| CN103605170A (en) | Detection method of vibroseis vibrator heavy hammer interference vibration and equipment thereof | |
| RU2572465C2 (en) | Method of determining approach of seismic event | |
| Liu et al. | Design and evaluation of a vibration sensor for measurement-while-drilling | |
| Yao et al. | Finite element analysis and design of short period seismometer beam reed | |
| Press | Resonant vibrations of the earth | |
| Acernese et al. | Mechanical monolithic tiltmeter for low frequency measurements |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160623 |