Приемники упругих волн

В наземной сейсморазведке наблюдения ведут в большинстве случаев на свобод- ной поверхности земли. Приход упругих волн к поверхности вызывает ее движение, и это движение необходимо воспринять и преобразовать в изменение электрического на- пряжения. Преобразование механических колебаний в электрическое напряжение осу- ществляют с помощью электродинамического устройства, представляющего собой инертную массу (якорь), подвешенную на пружине, которая, в свою очередь, жестко

в

Рис. 1.14 Внешний вид и устройство сейсмоприемников

а – вертикального; б – горизонтального;

в - устройство вертикадьного сейсмоприемника:

1 – корпус; 2 – электромагнит; 3 – катушка; 4 – штырь; 5 – клеммы.

связана с корпусом приемника. При движении корпуса инертная масса стремится ос- таться в положении покоя, что вызывает растяжение или сжатие пружины. В качестве инертной массы используют цилиндрическую катушку индуктивности, витки которой пронизываются полем постоянного магнита, вмонтированного в корпус приемника. Общий вид и устройство сейсмоприемников приведены на рис.1.14.

Установленный на грунт сейсмоприемник совершает колебания в такт с колеба- ниями грунта, корпус смещается относительно катушки, и за счет этого изменяется магнитный поток, проходящий через ее витки. На зажимах катушки наводится ЭДС, пропорциональная по закону индукции скорости смещения корпуса сейсмоприемника относительно катушки. Поскольку перемещение поверхности есть вектор, можно раз- дельно регистрировать вертикальную и горизонтальную его составляющие. Для этого сейсмоприемники конструируют так, чтобы катушка могла смещаться только по верти- кали или только по горизонтали. Для улучшения контакта сейсмоприемника с почвой на нижнем его торце устанавливают заостренный стержень, заглубляемый в грунт.

Свойства сейсмоприемника как электромеханического преобразователя опреде- ляются его частотной характеристикой и чувствительностью. Частотная характери- стика показывает, как изменяется напряжение на выходе сейсмоприемника в зависи- мости от частоты колебаний почвы, если скорость смещения задается в виде U(t)=U0·sin2πft, где f — частота; U0·—амплитуда скорости смещения (рис.1.15). Значе- ние нижней граничной частоты сейсмоприем-

ника fн зависит от собственной частоты коле- бательной системы инертная масса- — пру- жина f0. По значениям f0 сейсмоприемники разделяют на низкочастотные (5—10 Гц) и среднечастотные (15—30 Гц). Чувствитель- ность сейсмоприемников составляет (0,3—0,7) В/см. Как правило, сейсмоприемники имеют цилиндрическую форму с диаметром около 3 см, высотой примерно 10 см и массой 150 г.

Сейсмоприемники предназначаются для регистрации упругих волн, наблюдаемых од- новременно на различных удалениях от пунк-

та возбуждения. Для того чтобы можно было точно определить истинную разность времен прихода одних и тех же волн к различным пунктам наблюдения, необходимо, чтобы все сейсмоприемники передавали колебания земли без искажения их формы и без временных сдвигов (задержек). Отсюда возникают высокие требования к идентич- ности сейсмоприемников, совпадению их частотных характеристик. От каждого уста- новленного на профиле сейсмоприемника электрическое напряжение подводят к входу сейсмостанции с помощью двух проводов, подсоединяемых к двум клеммам сейсмо-

Рис.1.16 Внешний вид пьезоприемников

а – пьезоприемник ПДС-21, реагирующие на сжатие пьезокерамических цилиндров;

б – пьезоприемник ПДС-7, реагирующие на изгиб пьезокерамических пластин

приемника. Образующийся при использовании сейсмоприемников жгут проводов —

многопроводной кабель — называют сейсмокосой. Длина сейсмокосы может достигать

3 км и более. Частотные характеристики сейсмоприемников определяют лишь их по- тенциальные возможности. Реальный процесс преобразования зависит от условий уста- новки, от силы сцепления сейсмоприемника с грунтом и упругих свойств грунта.

При сейсмической разведке на акваториях сложно или физически невозможно ус- тановить сейсмоприемники на дно. Упругие колебания в жидкости создают в ней избы- точное относительно гидростатического давление. Если поместить в воде пустотелый герметичный цилиндр или шар, то приход волны будет отмечаться сжатием или растя- жением, увеличением или уменьшением давления на его стенки. Из курса физики из- вестно, что существует группа веществ, в которых под действием давления образуются заряды. Такие вещества называются пьезоэлектриками. Если пьезоэлектрик поместить между двумя металлическими поверхностями, образовав конденсатор, то при сжатии или изгибе такого элемента на обкладках конденсатора возникает напряжение. Этот эффект и используют при регистрации упругих волн в жидкостях и газах.

Устройства для приема упругих волн в морской сейсморазведке называют пьезо- приемниками или гидрофонами. Гидрофоны представляют собой, как правило, двой- ные цилиндрические пьезокерамические конденсаторы, реагирующих на всестороннее сжатие (рис.1.16, а), или систему пьезокерамических пластин (рис.1.16, б), реагирую- щих на изгиб при изменении гидростатического давления. Как и сейсмоприемники, гидрофоны имеют две выходные клеммы, соответствующие двум обкладкам конденса- тора. Для того чтобы эти клеммы не оказались электрически соединенными между со- бой в морской воде, гидрофоны помещают в пластмассовые шланги и заливают изоли- рующей жидкостью. Систему, состоящую из шланга, наполненного маслом или ди- зельным топливом, с помещенными внутрь него гидрофонами, называют пьезокосой. Длина пьезокосы, как и сейсмокосы, может достигать 3 км при массе до 6 т. Пьезокосу собирают из секций, число которых равно числу пунктов наблюдения (числу каналов)

— от 24 до 60. При проведении морских сейсморазведочных работ пьезокоса вместе с источником буксируются за судном на заданной глубине. Оптимальная глубина погру- жения источника и пьезокосы составляет 1/4 длины волны преобладающей гармоники сейсмического сигнала. Скорость буксировки составляет, обычно, 5-8 км/час.