Теория и методы защиты широкополосных сейсмометров от воздействий окружающей среды

Кислов, Константин Викторович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Теория и методы защиты широкополосных сейсмометров от воздействий окружающей среды
ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Теория и методы защиты широкополосных сейсмометров от воздействий окружающей среды"

ьн

На правах рукописи

□□3465163

Кислов Константин Викторович

ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СЕЙСМОМЕТРОВ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЙ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Специальность 25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2009

003465163

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Международном институте теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН

Научные руководители: доктор физико-математических наук

Кушнир Александр Федорович, кандидат физико-математических наук

Колесников Юрий Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Левченко Дмитрий Герасимович, кандидат физико-математических наук Марченков Алексей Юрьевич

Ведущая организация: Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Защита диссертации состоится «28» апреля 2009 г. в 11 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 002.118.01 в МИТП РАН по адресу:

117997, Российская Федерация, г.Москва, ул. Профсоюзная 84/32 Телефон: +7 (495) 333-4513

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИТП РАН. Автореферат разослан «18» марта 2009 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в двух экземплярах, заверенных печатью организации. Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 002.118.01

доктор физ.-мат. наук

Шебалин Петр Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Полнота знаний о процессах, происходящих в недрах Земли, о ее строении во многом зависит от качества инструментальных наблюдений в широчайшем частотном диапазоне.

Расширению частотного и динамического диапазонов сейсмометров препятствуют различного вида помехи, как инструментальные, так и передающиеся через грунт. По мере приближения к физически возможному уровню измерений теоретический анализ влияния внешней среды становится все более сложным. Характер этого влияния трудно проследить, он изменчив при переходе от станции к станции и от экземпляра к экземпляру одного и того же средства измерений. Получение зависимостей неизвестного вида от нескольких переменных, возможности исследования которых ограничены, порою вообще неосуществимо. Однако, считая систему сейсмометра суммативной, можно рассматривать помехи по отдельности и пытаться оценить и снизить их влияние.

При использовании лучших современных широкополосных сейсмометров качество данных чаще всего определяется уровнем местного сейсмического шума. При исследовании сейсмического шума и в сейсмически тихих местах значимыми становятся помехи, определяемые воздействиями окружающей среды на прибор. Порог чувствительности зависит от конструкции сейсмометра, его электроники и первичной обработки сигнала. Для получения качественной сейсмологической информации необходимо комплексная их оптимизация. Воздействиям окружающей среды подвергаются, прежде всего, элементы конструкции сейсмометра. Изучению влияния на эти элементы различных внешних и внутренних факторов и посвящена эта работа. Чтобы представить исходный материал для оценки помех максимально широкого круга приборов, разработка моделей и выводы зависимостей проведены в общей форме.

Для удовлетворения требований, предъявляемых к современным широкополосным сейсмометрам (ШПС), необходимо исследование физических процессов генерации помех и применение математических методов их оценки. Сейсмические сигналы должны быть разрешены на уровне фона шума и даже

более глубоко, т.к. сам шум представляет интерес. Это ставит серьезные ограничения на инструментальные помехи системы сейсмометра. Е.М. Линьков1 указывает: «Порог чувствительности таких датчиков должен быть меньше, чем 10'7 - Ю- м. При этом необходим динамический диапазон 80 - 100 дБ. (Отметим, что минимальное перемещение макроскопических тел, которое можно зарегистрировать (превосходящее хаотичное тепловое движение атомов) составляет Ю"12м.)». В. Б. Брагинский2 указывает пороговую чувствительность механического осциллятора на несколько порядков ниже, но делает оговорку, что не рассматривается стабильность температуры и элементов жесткости и т.п.

Изучению влияния окружающей среды на уровень инструментальной помехи посвящены многие работы. В качестве наиболее полных аналитических и экспериментальных исследований, которые могут быть использованы при оценке уровня шума приборов и при новых разработках, надо упомянуть труды A.B. Рыкова. Э. Виланда (Е. Wielandt), В.Д. Феофилактова, Е.М. Линькова. Однако в них, как правило, рассматриваются конкретные приборы или их элементы и отдельные помехогенные факторы. Комплексному анализу путей воздействия окружающей среды на ШПС не уделяется достаточного внимания. Поэтому создание качественного серийного ШПС - еще дело будущего.

В данной работе рассматривается шум сейсмометра как результат влияния внешних и внутренних факторов, т.к. именно этот шум определяет порог чувствительности прибора при регистрации полезного сигнала.

Основными целями работы являются теоретические и экспериментальные исследования ШПС для выявления природы инструментального шума и возможностей его минимизации.

Анализируя каналы генерации помех, в качестве примера будем использовать ШПС SK-1, разработанный, в том числе при участии автора, в МИТП РАН в ходе выполнения работ по проекту МНТЦ. Оговоримся, что SK.-1 не является иллюстрацией применения приведенных в диссертации рекомендаций,

1 Линьков Е.М. Сейсмические явления. - Л.: Изд-во ЛГУ, 1987. - 248 с.

2 См., например,: Брагинский В.Б., МанукинА.Б. Измерение малых сил в физических экспериментам. - М.: Наука, 1974. - 152 с.

т.к. он был сконструирован до выполнения данной работы. Чтобы определить уровень шумов этого сейсмометра была проведена параллельная регистрация с прибором 8Т8-2 на станции Моха в Германии (см. рис.1, кривые 1 и 2). Суть способа заключается в более или менее длительной синхронной регистрации сейсмического сигнала в одном и том же месте с возможно наименьшим естественным фоном двумя максимально идентичными приборами. Когерентная составляющая записей отбрасывается, а остаток служит оценкой для шума, исходя из предположения, что шумовые характеристики обоих приборов близки. Абсолютно уравнять коэффициенты передачи невозможно, т.о. часть когерентной составляющей остается в оценке инструментального шума. Также надо учитывать, что шумы приборов, вызванные одними и теми же колебаниями фи-

Рис.1. Спектральная плотность мощности шума (СПМШ) некоторых широкополосных сейсмометров [м2/с4Гц]. По данным, полученным на станции «Моха» в Германии (проектМНТЦ 15391): 1 -БТ8-25 2 - 8К-1; поданным публикаций3: 3 - С]УЮ-40Т, 4 - СМЗ-ОС, 5 - 8Т8-2, 6 - КСЭШ-Р.

Из рис.1 можно сделать вывод, что амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) сейсмометра 8К-1 близка по форме к АЧХ сейсмометра БТБ-2, отличаясь существенно большей чувствительностью в области длинных периодов. Экспериментальное определение шумовых характеристик приборов ограничивается уровнем микросейсм в месте их установки. Сравнение уровня шума

3 Башилов И.П., Дараган С.К., Кабыченко Н.В. Шумовые параметры сейсмических приборов // Вестник Национального Ядерного Центра Республики Казахстан. Вып. 2,2002, с. 19 - 29.

сейсмометров с Low Earth Seismic Noise Model (LNM) Петерсона (J. Peterson) также представляет собой довольно сложную процедуру и не может быть выполнено в процессе разработки прибора. Таким образом, актуальной является задача теоретического исследования помехогенных факторов и каналов генерации помех.

Чтобы определить диапазон помеховых характеристик ШПС, в диссертации применен, в качестве второго примера, гипотетический усредненный сейсмометр, имеющий конструктивы, максимально отличные от SK-1, но применяемые в некоторых ШПС, таких, как STS-1, STS-2, CMG-40T, СМЗ-ОС, КСЭШ-Р и «АРАЗ», являвшийся прототипом приборов КСЭШ-Р и SK-1.

Для достижения этих целей поставлены и решены следующие задачи:

1. Определение влияния на сейсмометр основных помехогенных факторов (изменений температуры и давления), создание для этого теоретических моделей генерации помех и выполнение их экспериментальных проверок.

2. Выяснение физической природы воздействий других явлений, процессов и эффектов на генерацию помех и оценка этих влияний.

3. Разработка рекомендаций по минимизации инструментальных помех и их экспериментальная проверка.

В качестве методов исследования применялись модельные вычисления с использованием аналитического аппарата теории упругости, а также эксперименты на реальных приборах. Построение модельных зависимостей предпринято в самом общем виде и позволяет рассматривать схемы приборов и методики их защиты до начала детальной разработки собственно прибора. Научная новизна работы состоит в том, что:

1. Впервые в одной работе рассмотрен весь комплекс помехогенных факторов широкополосной сейсмической аппаратуры.

2. Введено понятие «условные коэффициенты термической инерции», определяющие реакцию элементов на изменения внешней температуры, и экспериментально проверены методы их определения. На основании этих коэффициентов получена частотная зависимость от температуры эквивалентного переме-

щения грунта с учетом материалов и размеров элементов прибора, представленная в общем виде.

3. Впервые выведена частотная зависимость кажущегося перемещения грунта от угла начального изгиба крестообразных подвесов маятника сейсмометра.

4. На основании температурных зависимостей силы пружины и размеров элементов вертикального маятника получена уточненная формула смещений грунта, эквивалентных действию температуры. Оптимизируя подбор материалов, можно минимизировать помехи даже без применения элинварных сплавов.

5. Аналитически оценена величина помех на сейсмической записи, вызванных различием в температурных коэффициентах линейного расширения плшы прибора и постамента. Рассмотрена возможность проскальзывания ножек плиты.

6. Предложена и обоснована новая трактовка понятия помехозащищенности, учитывающая возможности первичной обработки сейсмических данных.

7. Впервые методами теории оболочек исследован механизм передачи колебаний внешнего давления в объем герметизированного прибора. Определены деформации плит для различных моделей кожухов приборов.

8. Впервые предпринята попытка объяснения физических механизмов таких тонких воздействий, как влияние влажности, аспирационный эффект, грозовые явления. Проведен расчет частного случая гравитационных помех.

Практическая значимость работы состоит в том, что определены информационные возможности ШПС и дана оценка инструментальных помех различного происхождения.

В работе предпринята попытка физического анализа воздействий окружающей среды и приведены в самом общем виде оценки, пригодные, практически, для любой конструкции. Предложенные методики позволяют также отличать собственно инструментальные помехи от сейсмических шумов. Такая информация необходима для оценки существующих и разработки новых приборов, при определении пригодности сейсмостанций и выработке процедур установки и защиты сейсмометров.

Результаты работы могут быть полезны при прецизионных измерениях и

экспериментах в различных областях знания. Теоретическая значимость также состоит в том, что применение предложенных оценок шумов приборов повысит достоверность данных при изучении сейсмических сигналов.

Защищаемые положения.

1. Собственные шумы широкополосных сейсмометров могут различаться на два и более порядка при небольших отличиях их конструкций. Уровень инструментальных шумов может быть теоретически определен и минимизирован до разработки прибора.

2. На основании комплексного рассмотрения помехогенных факторов и каналов проникновения помех на сейсмическую запись возможно улучшить метрологические характеристики приборов, сделав их пригодными для сверхширокополосных наблюдений. Практические рекомендации применимы ко всему классу сейсмометров.

3. Достоверность сейсмических данных может быть повышена за счет правильной интерпретации сигналов на записи с использованием теоретических оценок влияний окружающей среды на сейсмометр.

Апробация работы. Основные и промежуточные результаты диссертационной работы были представлены на 2-м Международном симпозиуме (2005 г.) "Активный геофизический мониторинг литосферы Земли" (Академгородок, Новосибирск) и на 7-й (2008 г) Международной конференции '(Проблемы Геокосмоса» (Санкт-Петербург).

Методики использованы в МНТП РАН в ходе выполнения проекта Международного научно-технического центра (МНТЦ) при разработке ШПС SK-1.

По теме диссертации опубликованы 9 печатных работ, из них две работы в издании из перечня ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, списка сокращений, четырех глав, заключения, изложенных на 133-х страницах, списка литературы из 183-х наименований и 7-ми приложений. Общий объем - 171 страница, включая 31 рисунок и 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во Введении обоснованы актуальность, цель и задачи исследования, дана общая характеристика работы, указано, в чем состоит новизна результатов, их теоретическая и практическая значимость.

В Первой главе доказана необходимость представления всего частотного спектра колебаний Земли в данных измерений одного прибора и выявлены частотные интервалы, в которых необходимы дальнейшие исследования по снижению уровня инструментальных шумов. Предложены классификации помех, позволяющие с разных позиций взглянуть на проблему шумов сейсмической записи. С точки зрения снижения инструментальных помех сейсмометра наиболее удобной представляется следующая классификация:

1. Шум, генерируемый при применении неверных алгоритмов обработки сигнала, и шум оцифровки данных.

2. Шум, вызванный изменением характеристик прибора (из-за старения элементов датчика и воздействия внешних факторов).

3. Температурные и барические деформации сейсмометра (линейные и угловые), воспринимаемые сейсмодатчиком как колебания Земли.

4. Дополнительные силы, действующие на маятник сейсмометра, вызванные флуктуациями параметров окружающей среды.

5. Неинформативные колебания грунта, в том числе наклоны.

6. Погрешность прибора из-за несоблюдения требований по его установке, условиям эксплуатации и несовершенства этих нормативных документов, электрические наводки в сигнальных цепях и т.п.

Предложена новая трактовка понятия помехозащищенности, учитывающая возможности первичной обработки сейсмических данных. Определены многие процессы, влияющие на уровень шума В(со). Эти процессы могут быть зарегистрированы (термометрами, барометрами, измерением уровня грунтовых вод и др.). Они традиционно считаются помеховыми. SNR (signal-to-noise ratio), характеризующее не просто прибор, а метод, тогда правильнее будет записать так:

+ В2 И

Що)) + ВХсоУ

где использованы функции спектральной плотности мощности: характеристика полезного сейсмического сигнала Х(ю), внутреннего шума прибора Ща>), составляющие сейсмического шума - «определимая» /^(о) и «неопределимая» В2(ы). «Определимую» составляющую шума можно оценить. Такой подход мы считаем тем более правомерным, что в приборе может осуществляться компенсация помехи, передающейся через грунт.

Рассмотрены и экспериментально проверены методы определения степени герметичности кожуха прибора. При оценке передачи давления под кожух следует учитывать: 1) деформацию стенок из-за разницы внешнего и внутреннего давлений и 2) утечку воздуха через прокладки кожуха, а также микропоры и трещины материала. Снижение влияния этих эффектов - довольно простые инженерные задачи. Однако степень защиты прибора, характеристики этого фильтра - параметры, которые необходимо учитывать при разработке прибора.

Разобраны метрологические проблемы широкополосной сейсмометрии. Выявлено сходство инструментальных помех и помех, передающихся через грунт с позиций некоторых методов их подавления. Намечены пути дальнейших исследований.

Вторая глава посвящена разработке методов защиты ШПС от помехо-генных температурных воздействий. Температурные колебания вызывают как движения грунта, так и непосредственно воздействуют на прибор, в той или иной мере влияя почти на все его физические и геометрические характеристики. Рассмотрены основные каналы генерации помех: 1) изменения линейных размеров элементов прибора, воспринимаемые сейсмодатчиком, как колебания Земли или осуществляющие дополнительное силовое воздействие на маятник (изменения в плечах приложения сил, деформации упругих элементов и т.д.); 2) изменение характеристик прибора из-за смещения точек оси качания маятника, крепления пружины вертикального датчика и изменения характеристик электронных компонентов сейсмометра; 3) изменение упругих свойств подве-

сов и пружины вертикального маятника; 4) изгиб основания (плиты) прибора из-за разницы в температурных коэффициентах линейного расширения бетонного постамента и металлической плиты прибора; 5) собственный шум преобразователя перемещений в электрический сигнал, тепловые шумы в электронных цепях прибора, тепловые флуктуации в источниках затухания; 6) шумы, возникающие из-за неравномерности распределения температуры в разных частях (элементах) прибора, в том числе конвективные потоки; 7) шумы, связанные с температурным изменением давления в замкнутом объеме прибора.

Температурные изменения линейных размеров должны быть учтены на стадии разработки прибора. На основании аналитической модели получено эквивалентное им вертикальное перемещение грунта 2экв, нормированное к изменению внешней температуры:

где А - амплитуда колебаний внешней температуры на частоте (р -аг^ А, - сдвиг фазы относительно действительного хода температур, к} = 2л / А, -относительный коэффициент термической инерции у-го элемента, учитывающий изменения внешней температуры; - условный коэффициент термической инерции; Л,- - эффективная длина у-го элемента; а, - его температурный коэффициент линейного расширения; т - количество элементов, изменения длин которых воспринимается прибором как движения грунта.

Чтобы преодолеть основное затруднение, связанное со сложностью аналитического определения коэффициента Ау, была разработана методика его экспериментального определения. Подобная оценка легко может быть получена на макете. Зависимость, рассчитанная для реальных величин, соответствующих ШПС 5 К-1, представлена на рис.2.

В сильно астазированных маятниках смещения точек крепления пружины вертикального маятника, при колебаниях температуры на десятые доли градуса, могут привести к изменениям характеристик прибора, вплоть до потери маят-

( ( т т Ьр^тгр,-

ником устойчивости. В настоящее время, с помощью схем обратных связей строятся передаточные функции, форма которых гораздо менее чувствительна к колебаниям температуры. На основании этих методов была разработана и схема прибора 8К-1. Для проверки критичности передаточной функции сейсмометра к температурным вариациям параметров был проведен компьютерный эксперимент.

1 ° Частота [Гц]

Рис.2. Пример построения передаточной функции помехи, генерируемой температурным изменением линейных размеров, нормированной к амплитуде изменения внешней температуры (для сейсмометра 8К-1).

Параметры, входящие в передаточ1гую функцию, ступенчато менялись в пределах допусков, а затем и сверх допусков, моделируя температурные воздействия и даже полное повреждение элемента. Для этих случаев вычислялась передаточная функция. Рис.3 иллюстрирует выполненный в работе расчет влияния изменения периода собственных колебаний маятника сейсмометра (при изменениях температуры на ±10°) на частотную характеристику прибора. Графики, соответствующие предельным значениям периода собственных колебаний маятника, почти совпадают. Эксперимент показал возможность разработки сейсмометра с устойчивой передаточной функцией, практически независимой от флуктуации температур.

Особого внимания требуют упругие элементы сейсмометров. С температурой значительно меняются не только их размеры, но и модуль упругости. Определена применимость линейной модели затухания при рассмотрении упругих элементов. Эта модель является приемлемым приближением, если основную долю затухания составляет воздушное трение. Обычно же рассеяние энергии в маятнике происходит, во-первых, путем выделения тепла и, во-вторых, за счет структурных перестроек (переходов в зернах поликристаллических металлических материалов, служащих для изготовления упругих элементов). Однако в данной работе использование подобной линейной модели оправдано, т.к. исследование имеет скорее качественный и сравнительный характер.

Рис.3. Изменение передаточной функции сейсмометра 8К-1 при вариациях величины собственного периода маятника.

Путем сравнения ускорения маятника, вызванного перемещением грунта, и ускорения, создаваемого моментом изгибающихся пластин крестообразных подвесов, было получено выражение для смещений грунта, эквивалентных действию температуры на подвесы, (смещения нормированы к углу первоначальной закрутки пластин):

гр0М 48л/А7/

где Ео — модуль упругости материала подвесов при средней температуре, Ь -общая ширина пластинок, И - их толщина, ц - длина свободной (изгибающийся) части, иЕ - термоупругий коэффициент, Л1 и/- амплитуда и частота колебаний температуры подвесов, К - момент инерции маятника сейсмометра, 1$ - его приведенная длина, щ - начальный изгиб пластин крестообразных подвесов [угл. град.].

Эту зависимость, рассчитанную для сейсмометра БК-1, см.на рис.4.

Становится ясно, что величина погрешности установки пластин крестообразных подвесов не должна превышать 0,1 градуса при вариациях температуры во внутреннем объеме прибора 0,01 градуса. Эта инженерная задача может быть решена, например, с помощью применения кассетного метода, когда подвесы собирают и проверяют отдельно и в заарретированном виде устанавливают на прибор.

Частота [Гц]

Рис.4. Пример построения передаточной функции помехи, генерируемой изогнутыми подвесами, отнесенной к амплитуде изменения внешней температуры и углу первоначального изгиба (для сейсмометра 5К-1).

Рассмотрена реакция пружины сейсмометра вертикальных движений на изменение температуры. Необходимо принять во внимание, что изменяются и линейные размеры, ответственные за создание дополнительного момента отклоняющего маятник. Меняется также внешний диаметр самой пружины, ее длина и диаметр проволоки. Было получено выражение для смещения грунта, эквивалентного действию температуры на пружину и элементы конструкции:

— (2а,+аг2+аЕ),

Дг

где g ускорение силы тяжести, а\ и «2 - температурные коэффициенты линейного расширения материала пружины и материала маятника и стоек, «е - термоупругий коэффициент материала пружины.

Эта формула для маятника с пружиной нулевой начальной длины, обычно применяемой в ШПС, показывает, что температурный шум не зависит от конструкции, а зависит лишь от применяемых материалов. В литературе встречаются подобные выражения, где шум также обратно пропорционален квадрату частоты колебаний температуры, но амплитуда имеет совершенно другую величину. Так как «е может принимать как отрицательные, так и положительные значения, получаем, что, варьируя «г, ол и а2 , можно достичь скомпенсиро-ванности положения нуль-пункта сейсмометра по температуре для конкретного конструктивного исполнения.

Рассмотрена возможность появления помех на сейсмической записи из-за различия в температурных коэффициентах линейного расширения плиты прибора и бетонного постамента. Применение аналитического аппарата теории сопротивления материалов позволило определить силы, возникающие в плите, а, следовательно, и рассчитать ее деформацию.

Вертикальные перемещения точек плиты описываются следующим выражением г(х) = у(1а) - у(х). где х - координата на оси, направленной из центра плиты по оси симметрии в сторону ножки, /о - расстояние от центра плиты до ножки. Функция у для прямоугольной плиты равна:

З-Ен ЛЛ/ \ 2 Г.

п 2Е/Н' v ш

а для круглой равна:

ЕИ3Н2

»1

х-алят —+ л/Л -;г -Л ,'<5/, Л ]

где (5/ - изменения температуры, (аил - (А>) - разница температурных коэффициентов линейного расширения материала плиты и бетона, Е и Ец - модули упругости для материалов плиты и ножки, ,/н - момент инерции сечения

ножки, J - момент инерции сечения прямоугольной плиты, И - толщина плиты, Н - длина ножки, И - радиус круглой плиты.

Поскольку наклоны (р являются основным помехогенным фактором для сейсмометров горизонтальных движений, они также были рассчитаны. Вдоль оси максимальных наклонов, совпадающей с осью х (в прежних обозначениях) для прямоугольной плиты имеем:

<Р п:

3 ^^ </ эд / 0 У ч

ЕШ а для круглой:

<Рк =-

ЕИ Н К

Предполагая, что ножки ограничивают габарит рабочей области плиты, можно считать, что при равенстве рабочих площадей размер /о круглой плиты меньше ¡о прямоугольной плиты с отношением -0,8. Построены графики этих зависимостей для реальных конструктивов и условий (см. рис.5.). Принято значение <5/ = 5 О, отражающее реальный ход температур на д линных периодах на многих станциях.

Рис.5. Соотношение параметров деформации круглой (сплошная линия) и прямоугольной (пунктирная линия) плит: уи - прогиб прямоугольной плиты, ук - прогиб круглой плиты, (р п - наклон прямоугольной плиты,

(р к - наклон круглой плоты, /п - габарит рабочей области прямоугольной плиты, /к - рабочий радиус круглой плиты.

Попутно было определено, не может ли изменение температуры привести к проскальзыванию в парах ножка прибора - подпятник - постамент. Выяснено, что для реальных приборов и коэффициентов трения при самых худших усло-

виях для проскальзывания необходимы изменения температуры порядка Ы = 35° (при использовании керамической подставки Л = 23°).

Исследованы причины и следствия конвективных потоков в объеме прибора, экспериментально подтверждена помехогенность подобных потоков. Рассмотрены собственный шум параметрического преобразователя, тепловые шумы в электронных цепях прибора, тепловые флуктуации в источниках затухания. Разработаны рекомендации по снижению температурных шумов.

В Третьей главе производилась оценка влияний изменений атмосферного давления на инструментальные шумы ШПС. Возможны следующие прямые воздействия на прибор: 1) изменение температуры во внутреннем объеме прибора, обусловленное адиабатическим процессом, 2) воздействующее на вертикальный маятник сейсмометра изменение архимедовой силы и 3) деформация корпуса прибора, вызванная разницей внутреннего и внешнего давлений.

Изменения температуры внутри прибора, обусловленные адиабатическим процессом изменения его объема при флуктуациях наружного давления, зависят от способности кожуха противостоять разнице внутреннего и внешнего давлений. Возникающая разница давлений внутри и снаружи прибора деформирует кожух, изменяя его внутренний объем, в результате чего внутреннее давление также меняется, но с некоторой редукцией. Изменение внутреннего давления сокращает эту редукцию, то есть при расчете прогибов элементов кожуха прибора надо принимать во внимание не амплитуду вариаций атмосферного давления, а гораздо меньшую разницу наружного и внутреннего давлений.

Для грубых оценок процесс можно считать адиабатическим на всех частотах. Изменение температуры Д/ при адиабатическом процессе, как известно, составляет: Д/ /г0 =1-1/(1 + ДК/К)(г"1), где АУ- амплитуда вариаций объема, V-внутренний свободный объем, !() - средняя температура прибора, показатель адиабаты для воздуха у = 1,403. Температурные помехи подробно освещены во второй главе. Остается определить изменения внутреннего объема прибора при переменах внешнего давления, что сделано ниже.

Помехи на записи сейсмометра вертикальных движений, вызванные из-

менениями архимедовой силы, также зависят от изменении внутреннего давления, то есть от жесткости кожуха. В работе выведена формула для определения максимально дозволенных вариаций давления во внутреннем объеме прибора:

КР

Ы> = 3,94 ■ Ю"4-,

^ MJsgPr

где Р() - начальное атмосферное давление, К - момент инерции маятника, ¡s -его приведенная длина, М0б - нескомпенсированный момент объема, Т - период колебаний давления, р - плотность воздуха, g - ускорение силы тяжести. Для сейсмометра SK-1 эта величина составляет 6,7 DIO"2 Па. Для другого примера - усредненного ШПС эта величина равна 1,73 DIO"3 Па.

При применении кожухов одинакового объема, но разных конструкций, величина изменений внутреннего объема, а, следовательно, и внутреннего давления, может различаться на несколько порядков. Для каждого конкретного прибора зависимость внутреннего давления от внешнего может быть достаточно просто построена с помощью методов конечных элементов. Однако вывод аналитических зависимостей, даже для частных случаев, сопряжен с применением весьма упрощенных моделей, делающих результат малодостоверным. Тем не менее, такие оценки позволяют определить приблизительный уровень помехи, генерируемой по этому каналу, что полезно на этапах разработки и конструирования приборов.

Виды использующихся кожухов представлены на рис.6.

Наиболее технологичным и имеющим приемлемые характеристики является вариант "в" (см. рис.6). В работе рассмотрены его деформации. Для исследования плоскостей (крышка и плита) применен математический аппарат теории упругости: они рассматриваются, как «тонкие пластинки». Для боковой поверхности кожуха используется теория оболочек. Применимость этих теорий проверена.

Рис.6. Примеры кожухов, применяемых для длиннопериодных сейсмометров: а - прямоугольный параллелепипед (КСЭШ-Р), б - цилиндр - сфера (8Т5-2), в - цилиндр (виЯЛЬР СМС-40Т).

Получены выражения для изменения внутреннего объема прибора. При прогибе пластинки это изменение составит:

Здесь V — внутренний объем цилиндрического колпака, АР - разница внутреннего и внешнего давлений, /к - радиус срединной поверхности оболочки, примерно совпадающий с радиусами пластинок, И - толщина пластинки, Ис - толщина стенки оболочки, и - коэффициент Пуассона материала кожуха, ¿Г - модуль упругости первого рода.

Возьмем несколько завышенную оценку колебаний атмосферного давления на периодах около часа АР = 4 гПа. Рассчитанные перепады давления во внутреннем объеме сейсмометра, отличающиеся для наших примеров более чем на порядок, составляют 0,1 Па для сейсмометра БК-! и 2,3Па для усредненного. То, что у сейсмометра 5К-1 расчетная величина ЛРцр несколько выше дозволенной (Д/'мах)> следует отнести на счет сделанных допущений, т.к. экспериментально такого влияния давления на прибор не выявлено.

Анализ полученных зависимостей показывает, что наибольшего влияния на изменение внутреннего объема следует ожидать от прогиба крышки колпака. Подбирая толщину стенок кожуха и его материал из расчета допустимой по-

а при деформации оболочки:

грешности прибора, возможно получить сейсмометр с необходимыми характеристиками, но не слишком громоздкий и тяжелый. Аналогичным образом можно оценить изменения объемов кожухов и другой формы.

Наибольшие помехи на записи горизонтальных компонент сейсмического сигнала возникают в связи с появлением наклонов, в том числе связанных с из-гибными деформациями плиты прибора. Для определения поля прогибов и перемещений плиты прибора под влиянием изменения атмосферного давления, примененная выше модель "пластинки" становится недостаточной. Были оценены два крайних случая соединения цилиндрического колпака-оболочки с дисковым основанием-пластинкой. По первой модели колпак и основание не влияют друг на друга - то есть на основание прибора воздействует равномерно распределенная нагрузка (разница внешнего и внутреннего давлений), а его края шарнирно опёрты. По второй модели основание жестко соединено с колпаком и при этом сам колпак не деформируется - на основание воздействует такая же нагрузка, а края жестко заделаны.

В реальных конструкциях на деформации плиты сказываются: неравномерность ее толщины, способ крепления колпака и количество крепежных элементов, жесткость соединения, даже конструкция ножек. Реальная картина деформаций теряет осесимметричностъ, а реакция на положительные и отрицательные АР оказывается качественно разной. То или иное взаимовлияние колпака и плиты присутствует обязательно. Если бы эти элементы были просто приложены краями друг к другу, то в результате деформаций, вызванных воздействием разницы внешнего и внутреннего давлений, края взаимно сдвинулись бы из-за разности изменения линейных размеров и угловых движений. Любые причины, препятствующие свободным перемещениям соединенных элементов, вызывают появление краевых сил и краевых моментов. Однако абсолютные значения прогибов (вертикальных перемещений) в отдельных точках находятся в интервале между модельными значениями, а максимальный прогиб оказывается в центре плиты.

По первой модели прогибы описываются выражением:

а по второй:

где цилиндрическая жесткость В =

, г -координата на радиусе.

Наклон, то есть отклонение касательной к срединной линии плиты от горизонтали в точке г диаметрального сечения равен:

Максимальную оценку наклона (несколько завышенную) получим на краю плиты (полагая г = /к), рассчитывая по первой модели:

Отсюда видно, что наименьшие наклоны и прогибы возникают при защемленном крае пластинки. Приближение реальной конструкции к такой модели легко может быть выполнено, например, применением в колпаке краевого утолщения или фланца и креплением колпака к основанию «металл по металлу». Тогда изменение диаметра оболочки колпака и эффект выворачивания краев становится незначительным и плиту с полным правом можно считать «пластинкой с защемленным краем». Оценка показывает, что для этого край колпака должен иметь толщину не меньшую, чем 2/3 толщины плиты, на длине 1/3 толщины плиты от края. Таким образом, при использовании в качестве материала колпака и основания алюминиевого сплава можно уменьшить прогибы и наклоны примерно в 4 раза (от первой модели до второй). Однако такое уменьшение чаще всего недостаточно. В конструкции ШПС 8К-1 применен принцип «резинового кольца» (см. рис.7). Он используется для уменьшения воздействия на прибор изменений атмосферного давления. В этом случае плита сейсмометра не является элементом кожуха и не испытывает воздействия раз-

9 АБ{[ + /и)Г '

АР

ницы внутреннего и внешнего давлений. Расчеты находятся в хорошем соответствии с результатами экспериментов, что подтверждает адекватность

используемых моделей. Таким образом, при использовании рациональной конструкции, шумы, генерируемые по этому каналу, могут быть снижены до необходимого предела посредством применения не очень громоздкого и тяжелого герметизированного кожуха.

Рис.7. Принцип «резинового кольца».

В результате были выведены основные положения, которыми следует ру-

ководствоваться при конструировании кожуха сейсмометра и расположении в нем сейсмодатчиков.

В Четвертой главе рассматриваются явления, влияние которых на уровень инструментального шума ШПС значительно меньше. Определены возможные пути проникновения на запись помех, связанных с изменениями магнитного поля. В качестве каналов генерации этой помехи рассматривалось влияние изменений магнитного поля на катушку магнитоэлектрического преобразователя цепи обратной связи и на упругие элементы маятника при остаточной намагниченности. Величина магнитной помехи зависит от конструкции прибора и изменяется от экземпляра к экземпляру. Несмотря на малую теоретическую проработку вопроса, выяснено, что эффективная защита от изменений магнитного поля может быть достаточно просто осуществлена.

Определено влияние на сейсмометр помеховых вариаций гравитационного поля. Чувствительность сейсмометра к вариациям силы тяжести приводит к тому, что он реагирует на движение вблизи него масс (людей, транспорта, грунтовых вод, снежного покрова и т.д.). Помимо прогибов поверхностного слоя Земли и связанных с этим наклонов, то есть помех, передающихся через грунт, на маятник действует притяжение этих масс. Действительно, согласно закону всемирного тяготения, дополнительное ускорение а, которое будет ис-

пытывать масса сейсмодатчика при появлении на расстоянии Н массы т, составит а = У -—у, где гравитационная постоянная/= 6,6730"" Нм2/кг2. Это ус-II

корение не зависит от массы самого сейсмодатчика, то есть его испытывают приборы всех типов. В качестве примера рассмотрена типичная ситуация - появление сугроба у стены строения сейсмостанции. Оценочная масса сугроба две тонны, прибор расположен на глубине 2м от поверхности. В этом случае дополнительное вертикальное ускорение составит ав - 8,57НО"9 м/с2, а горизонтальное ар = 5,72!10"9 м/с2. В сейсмически тихом месте эти значения превышают фоновый уровень. Помехи подобного плана следует учитывать при оборудовании сейсмостанции, организации работ на ней и при интерпретации полученных сейсмических записей.

По трем различным известным из литературы алгоритмам расчетов было определено помеховое влияние ползучести в материале пружины. Оценки скорости ползучести, проведенные для конкретных условий по разным источникам, отличаются на порядки от г = 2ПО*5 сш до к - 10'7сш. Рассчитанные теоретические значения при сопоставлении с экспериментальными данными подтвердить не удалось. Это может быть связано как с неправильностью оценки величины ползучести, так и с особенностями протекания эксперимента (пропорциональное времени смещение могло быть замаскировано шумами).

Определена возможность появления параметрических колебаний маятника, вызванных поперечными колебаниями цилиндрической пружины. Рассмотрены упрощенные методы анализа явления и даны рекомендации по выбору пружины.

Исследованы возможные последствия грозовых явлений. Проанализированы каналы генерации помех. Рассмотрены способы расчета броуновского шума приборов. Определены основные ошибки сборки и установки приборов, вносящие существенные искажения в данные, намечены пути их исключения из практики.

Определены возможные пути воздействия влажности на сейсмические

приборы. Во-первых, это - снижение сопротивления изоляции кабельных линий на землю. Во-вторых, влажность некоторых материалов значительно изменяет их свойства (удельную теплоемкость и теплопроводность, аспирационные свойства). Становится ясно, что влажность может влиять на генерацию температурной помехи. В-третьих, импульсные помехи могут быть вызваны падением с потолка на прибор капель конденсата. В-четвертых, повышенная влажность вызывает коррозию металлов и может привести к преждевременному выходу из строя сейсмометров. Указаны меры по минимизации помех.

Разработана физическая модель воздействия конвективных потоков воздуха в помещении на сейсмические приборы. По-видимому, основное влияние оказывает изменение коэффициента термической инерции X, который обратно пропорционален квадратному корню скорости V набегающего потока воздуха

Л~ V 2. Рассмотрены меры по защите приборов.

В разделе Заключение в диссертации приводятся основные результаты выполненной работы:

1. Комплексное теоретическое рассмотрение помехогенных факторов и каналов проникновения помех на сейсмическую запись позволяет повысить качество сейсмических данных путем верной их интерпретации и снижения уровня помех разрабатываемых приборов.

2. Выработанные методики теоретической оценки основных помеховых влияний (изменений температуры и давления) и формулы расчета этих влияний показывают, что для широкого диапазона сейсмометров, даже при весьма незначительных отличиях в конструкциях, шумы приборов могут различаться на два и более порядков.

3. Оценка таких помехогенных факторов, как флуктуации магнитного поля, гравитационные вариации и вибрации в месте установки приборов, помехооб-разующие влияния влажности, аспирационного эффекта, грозовых явлений, неупругих деформаций пружины вертикального сейсмометра и броуновский шум показала, что они оказывают значительно меньшее влияние на уровень помех,

но при определенных условиях становятся значимыми.

4. Небольшие, на первый взгляд, ошибки при сборке и установке приборов могут являться причиной повышения уровня шума. В рамках аналитической модели получена частотная зависимость кажущегося перемещения Земли от угла начального изгиба крестообразных подвесов маятника сейсмометра.

5. Результаты экспериментов по установлению долговременной стабильности положения равновесия сейсмометра и их сравнение с данными о ползучести конструкционных материалов показывают, что медленный дрейф нуль-пункта сейсмометра определяется главным образом косвенным температурным влиянием (промерзание грунта, неравномерность его прогрева и охлаждения) и долговременными изменениями атмосферного давления. Влияния деформации ползучести, рассчитанного по существующим методикам, обнаружено не было.

6. Рекомендации по снижению уровня помех позволяют минимизировать помехи на стадии предварительной разработки сейсмометра. Предложены рациональные конструкция кожуха прибора и расположение в нем сейсмодатчи-ков, способы герметизации, вакуумирования, пассивного термостатирования и активной термостабилизации сейсмометра. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований ШПС 8К-1, в котором применены некоторые из рекомендаций по снижению уровня инструментального шума.

В Приложениях приводятся справочные материалы и описания некоторых экспериментов.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кислов К. В. Влажность, как помехогенный фактор в сейсмометрии // Естественные и технические науки.- 2008, № 6(38), с 161-162.

2. Кислов К.В., Гравиров В.В. Шумы упругих элементов сейсмической аппаратуры // Естественные и технические науки,- 2008, № 5(37), с 142 - 148.

3. Гравиров В. В., Кислов К. В., Моргунов В.В Определение остаточной сейсмичности зданий и сооружений. // Активный геофизический мониторинг литосферы Земли. Материалы 2-го Международного симпозиума 12 - 16 сен-

тября 2005 г. Академгородок, Новосибирск. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005, с. 426-428.

4. Гравиров В.В., Кислов К.В."Критичность сейсмометра к вариациям параметров". Электронный журнал "Исследовано в России", 26, стр.301-312, 2008 г. http://zhumal.ape.relarn.ru/articles/2008/026.pdf

5. Гравиров В.В., Кислов К. В., Колесников Ю.А., Серегин В.Н. Использование научно-исследовательского потенциала в области авиационных систем в проблеме мониторинга сейсмичности: создание подспутниковой малоапер-турной группы сейсмических станций для оперативного мониторинга региональной сейсмичности с целью прогноза землетрясений//Итоговый технический отчет по проекту №1539,-М.: МНТЦ. 2003. - 210 с.

6. Кислов К. В., Гравиров В. В. Легкий сейсмометрический стенд для определения АЧХ вертикальных сейсмодатчиков. // Активный геофизический мониторинг литосферы Земли. Материалы 2-го Международного симпозиума 12 - 16 сентября 2005 г. Академгородок, Новосибирск. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005, с. 446-449.

7. Кислов К. В., Гравиров В.В. "Один из путей генерации температурной помехи широкополосного сейсмометра" Электронный журнал "Исследовано в России", 27, с. 313-321, 2008 г. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2008/027.pdf

8. Gravirov, V.V., Kislov, K.V. About reliability of seismic data. 7th International Conference "Problems of Geocosmos". Book of Abstracts. St.Petersburg. 2008., cc.233-234

9. Kolesnikov Yu.A., Kislov K.V., Paquet P., Snissaert M. «Development of new very broad-band seismometer type KSP», Proc. Of Fall AGU Meeting, San Francisco, USA, 1997.

Принято к исполнению 12/03/2009 Исполнено 16/03/2009

Заказ № 40 Тираж 100 экз.

Типография Учреждения Российской академии наук Института физики Земли им. О Ю. Шмидта РАН (ИФЗ РАН), свидетельство о регистрации № ФС77-31201 от 22 февраля 2008 г.

Россия, 123995, ГСП-5, Москва Д-242, ул. Б. Грузинская, д 10, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. E-mail: jrns_ifz@mail.ru

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Кислов, Константин Викторович

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ, ИСПОЛЬЗОВАННЫХ В ТЕКСТЕ РАБОТЫ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ПРОБЛЕМА СЕЙСМОМЕТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ В ШИРОКОЙ ПОЛОСЕ ЧАСТОТ.

1.1. Измерения длиннопериодных сейсмических колебаний и связанные с ними трудности.

1.2. Классификация сейсмических помех и шумов.

1.3. Метрологические проблемы. Амплитуда и спектр полезного сигнала и помех.

1.4. Помехи и их подавление.

1.5. Флуктуации физических полей и шумовые колебания Земли.

Выводы к главе 1.

Глава 2. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И СВЯЗАННЫЕ С НИМИ ПОМЕХИ ПРИ СЕЙСМИЧЕСКОЙ РЕГИСТРАЦИИ.

2.1. Изменения линейных размеров элементов прибора, воспринимаемые сейсмометром, как колебания Земли.

2.2. Изменение характеристик прибора.

2.3. Изменение упругих свойств подвесов и пружины вертикального маятника.

2.3.1. Исследование крестообразных подвесов маятников.

23 2.Исследование влияния температуры на пружину сейсмометра вертикальных движений.

2.4. Влияние разницы в температурных коэффициентах линейного расширения бетонного постамента и металлической плиты прибора на ее изгиб.

2.5. Собственный шум преобразователя перемещения в электрический сигнал, тепловые шумы в электронных цепях прибора, тепловые флуктуации в источниках затухания.

2.6. Шумы, возникающие из-за неравномерности распределения температуры в разных частях (элементах) прибора, в том числе конвективные потоки воздуха в объеме кожуха.

Выводы к главе 2.

Глава 3. ПРЯМОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ФЛУКТУАЦИЙ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ НА ПРИБОР.

3.1. Изменение температуры во внутреннем объеме прибора, обусловленное адиабатическим процессом.

3.2. Воздействие на маятник сейсмометра вертикальных движений изменений архимедовой силы.

3.3. Деформация корпуса прибора, вызванная разницей внутреннего и внешнего давлений.

Выводы к главе 3.

Глава 4. ДРУГИЕ ШУМОВЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПРИБОР И

ИСТОЧНИКИ ПОДОБНЫХ ШУМОВ.

4.1. Магнитные влияния.

4.2. Гравитационные воздействия.

4.3. Неупругие деформации пружины сейсмометра вертикальных движений.

4.4. Воздействие вибраций.

4.5. Влияние грозовых явлений.

4.6. Влажность.

4.7. Аспирационный эффект.

4.8. Броуновское движение.

Выводы к главе 4.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Теория и методы защиты широкополосных сейсмометров от воздействий окружающей среды"

Совершенствование средств получения сейсмических данных и методов их анализа определяется сложностью задач, стоящих перед современными геофизическими исследованиями. Полнота знаний о процессах, происходящих в недрах Земли, о Земле, как о планете в целом, о взаимовлиянии геосфер, о полезных ископаемых во многом зависит от качества инструментальных наблюдений. Многообразие изучаемых явлений предполагает необходимость исследований (в том числе сейсмологических) в широчайшем частотном диапазоне.

Увеличение разрешающей способности сейсмометров, расширение частотного и динамического диапазонов становятся серьезными проблемами. Это обусловлено приближением к физически возможному уровню измерений. На пути повышения чувствительности сейсмометров стоят различного вида длиннопериодные помехи, как инструментальные, так и передающиеся через грунт. Теоретический анализ влияния внешней среды на приборы весьма затруднителен, а его характер неоднозначен, трудно интерпретируем, изменчив при переходе от станции к станции и от экземпляра к экземпляру одного и того же средства измерений. Получение зависимости неизвестного вида от нескольких переменных, возможности исследования которых ограничены, особенно в отношении совместных влияний факторов при изменениях их значений, порою вообще неосуществимо. Эти трудности - следствие системности приборов и более сложных систем их включающих. Однако предел, за которым доминирует эмергентность, еще не достигнут. Считая систему сейсмометра суммативной, можно рассматривать помехи по отдельности и пытаться оценить и снизить их влияние.

Технические требования, предъявляемые к современным широкополосным сейсмометрам (ШПС), обусловливают проведение исследований физических процессов генерации помех и использование математических методов их оценки. Необходимость разрешения сигналов на уровне фона сейсмического шума и разрешения самого шума ставит серьезные ограничения на помехи, которые может генерировать сейсмометр. Е.М. Линьков [52] указывает: «Порог чувствительности таких датчиков должен

7 Я быть меньше, чем 1(Г - Ю- ' м. При этом необходим динамический диапазон 80 100 дБ. (Отметим, что минимальное перемещение макроскопических тел, которое можно зарегистрировать (превосходящее хаотичное тепловое

10 движение атомов) составляет 10" м.)». В. Б. Брагинский [12] указывает пороговую чувствительность механического осциллятора на несколько порядков ниже, однако он делает оговорку, что не рассматриваются стабильность температуры и элементов жесткости и тому подобное.

Аналитическим и экспериментальным исследованиям влияния окружающей среды на уровень инструментальной помехи посвящены многие работы [21, 34, 45, 50 и другие]. В качестве наиболее полных, которые могут быть использованы при оценке уровня шума приборов и при новых разработках, надо упомянуть труды A.B. Рыкова [60, 78, 81], Э. Виланда (Е. Wielandt) [178, 179, 184], В.Д. Феофилактова [60, 98, 99], Е.М. Линькова [55, 56, 57]. Однако в них, как правило, рассматриваются конкретные приборы или их элементы и отдельные помехогенные факторы. Комплексному всестороннему анализу путей воздействия окружающей среды на ШПС не уделяется достаточного внимания. Поэтому создание качественного серийного ШПС — еще дело будущего. Это и определяет актуальность данного диссертационного исследования.

Основными целями работы являются теоретические и экспериментальные исследования широкополосного сейсмометра для выявления природы инструментального шума и возможности его минимизации, определяющего, в конечном счете, частотный и динамический диапазоны прибора. Для достижения этих целей необходимо решить следующие задачи:

3. Разработка рекомендаций по минимизации инструментальных помех и их экспериментальная проверка.

В качестве методов исследования применялись модельные вычисления, сопровождаемые экспериментами на реальных приборах. Использовался аналитический аппарат теории упругости. С помощью такого подхода определялись ранее характеристики шума конкретных приборов. Подобные исследования удобней и проще проводить методами конечных элементов. В данной работе построение модельных зависимостей предпринято в самом общем виде и позволяет рассматривать схемы приборов и методики их защиты до начала детальной разработки собственно прибора.

Научная новизна работы состоит в том, что:

2. Введено понятие «условные коэффициенты термической инерции», представляющее реакцию отдельных элементов на изменения внешней температуры, и экспериментально проверены методы их определения. На основании условных коэффициентов впервые получена частотная зависимость от температуры эквивалентного перемещения грунта с учетом материалов и размеров элементов прибора, представленная в общем виде.

3. В рамках аналитической модели впервые получена частотная зависимость кажущегося перемещения грунта от угла начального изгиба крестообразных подвесов маятника сейсмометра.

4. Комплексное исследование температурных зависимостей силы, развиваемой пружиной, и параметров вертикального маятника позволило получить уточненную формулу для смещений грунта, эквивалентных действию температуры. Оптимизируя подбор материалов, можно минимизировать помехи даже без применения элинварных сплавов.

5. Впервые аналитически в общем виде оценена величина помех на сейсмической записи, вызванных различием в температурных коэффициентах линейного расширения плиты прибора и бетонного постамента. Рассмотрена возможность появления эффекта проскальзывания ножек плиты.

7. Впервые методами теории оболочек исследован механизм передачи колебаний атмосферного давления в объем герметизированного прибора. Определены деформации плит для различных моделей кожухов приборов.

Создание серийного широкополосного прибора процесс еще не завершенный. Ни один из серийно выпускающихся ныне приборов в полной мере не удовлетворяет современным требованиям регистрации сейсмических сигналов. Уровень инструментальных шумов ШПС должен быть как минимум на 15 дБ ниже Low Earth Seismic Noise Model (LNM) в широком частотном

5 9 ттч диапазоне (10" ^ 10 Гц). При этом динамический диапазон (ДД) должен составлять не менее 150 дБ. В настоящее время при разработке приборов не учитывается весь комплекс воздействий окружающей среды, что приводит к повышению инструментального шума и, следовательно, к ухудшению характеристик прибора: уменьшению разрешающей способности, сужению частотного и динамического диапазонов.

В этой работе предпринята попытка физического анализа воздействий окружающей среды и приведены в самом общем виде оценки, пригодные практически для любой конструкции.

Предложенные методы позволяют во многих случаях отличать шумы места установки прибора от собственно инструментальных помех. Такая информация необходима для оценки существующих и разработки новых приборов, при определении пригодности сейсмостанций и выработке процедур установки и защиты сейсмометров.

Результаты работы могут быть полезны при наблюдении тонких эффектов, прецизионных измерениях и экспериментах в различных областях знания. Теоретическая значимость также состоит в том, что применение предложенных оценок шумов приборов повысит достоверность данных при изучении сейсмических сигналов.

Защищаемые положения.

Апробация работы. Основные и промежуточные результаты диссертационной работы были представлены

• на 2-м Международном симпозиуме (2005 г.) "Активный геофизический мониторинг литосферы Земли" (Академгородок, Новосибирск);

• на 7-й (2008 г) Международной конференции «Проблемы Геокосмоса» (Санкт-Петербург)

Результаты работы были частично использованы в МИТИ РАН в ходе выполнения работ по проекту Международного научно-технического центра (МНТЦ) при разработке широкополосного сейсмометра SK-1.

По теме диссертации опубликованы 9 печатных работ, из них две работы в изданиях из перечня ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, списка сокращений, четырех глав, заключения, изложенных на 133-х страницах, списка литературы из 183-х наименований и 7-ми приложений. Общий объем — 171 страница, включая 31 рисунок и 5 таблиц.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Кислов, Константин Викторович

Выводы к главе 4

1. Ошибки сборки и установки приборов могут вносить существенные искажения в данные. Для их исключения из практики приборы должны проходить тщательную проверку после изготовления и после установки. Методики установки и проверок должны быть детально проработаны.

2. Изменения магнитного поля могут вызывать помехи на сейсмической записи, воздействуя на МЭП цепи ОС и на упругие элементы при остаточной намагниченности их материала. Такие помехи могут быть легко минимизированы экранированием или компенсацией.

3. Установлена возможность гравитационного воздействия на сейсмометр. Проведен расчет такого воздействия для конкретного примера.

4. Дрейф нуль-пункта сейсмометра вертикальных движений, обусловленный ползучестью материала пружины, экспериментально идентифицировать не удалось. Это может быть связано как с неправильностью теоретических оценок величины ползучести, так и с особенностями протекания эксперимента (пропорциональное времени смещение могло быть замаскировано шумами). В любом случае эффект ползучести не играет решающей роли в генерации инструментальной помехи ШПС.

5. Расположение приборов в мегаполисах обязывает учитывать наличие высокочастотных техногенных шумов и. следовательно, возможность появления параметрических колебаний. Наиболее простым решением для устранения этой возможности представляется правильный выбор пружины. Во-первых, ее собственные частоты должны быть как можно выше и, во-вторых, не совпадать ни с одной из частот дискретного набора частот промышленных вибраций, известных для каждого конкретного предприятия; отсутствие возбуждений в пружине — лучшая гарантия отсутствия параметрического резонанса самого маятника.

6. Рассмотрены возможные последствия грозовых явлений. На основании анализа каналов генерации помех установлено, что в местах, где наблюдаются сильные грозы, требуется установка дополнительных устройств защиты силовых и кабельных линий (с их подземной прокладкой), защита электронных цепей усиления и ОС.

7. Влияние влажности и ее изменений прямо не сказывается на генерации помехи. Однако изменение влажности изменяет влияние температуры на прибор. Определены возможные пути воздействия влажности на СП и указаны меры по минимизации помех.

8. Определена физика воздействия конвективных потоков воздуха в помещении на СП. Наличие набегающего потока воздуха изменяет КТИ прибора и приводит к неравномерному нагреву (охлаждению) прибора. Этот вид помехи может быть легко минимизирован применением практически герметичных пассивных термостатов.

9. Броуновский шум не является определяющей компонентой инструментального шума ШПС и его рассмотрение при описании приборов является лишь данью традиции.

131

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет результаты разносторонних практических и теоретических исследований широкополосного сейсмометра для выяснения возможности снижения его инструментального шума. Основные результаты состоят в следующем.

3. Оценка таких помехогенных факторов, как флуктуации магнитного поля, гравитационные вариации и вибрации в месте установки приборов, помехообразующие влияния влажности, аспирационного эффекта, грозовых явлений, неупругих деформаций пружины вертикального сейсмометра и броуновский шум показала, что они оказывают значительно меньшее влияние на уровень помех, но при определенных условиях становятся значимыми.

6. Рекомендации по снижению уровня помех позволяют минимизировать помехи на стадии предварительной разработки сейсмометра. Предложены рациональные конструкция кожуха прибора и расположение в нем сейсмодатчиков, способы герметизации, вакуумирования, пассивного термостатирования и активной термостабилизации сейсмометра. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований ШПС 8К-1, в котором применены некоторые из рекомендаций по снижению уровня инструментального шума.

В работе сознательно не дана общая оценка уровня снижения шумов. Сравнение полностью защищенного по предложенным методикам прибора (и даже частично защищенного ШПС 8К-1) с незащищенным сейсмометром естественно даст большую оценку, а сравнение с лучшими современными образцами - более скромную. К тому же уменьшение шума, генерируемого по одному каналу, может привести к его усилению по другому. При конструировании прибора, помимо эксплуатационных и метрологических характеристик, всегда учитываются конструктивные и стоимостные. Таким образом, каждый прибор представляет собой компромисс между желаемым, возможным и осуществимым.

Важнейший резерв повышения разрешающей способности широкополосной сейсмометрии — дальнейшее изучение помех, передающихся через грунт. Необходимость расширения сейсмометрических исследований в область низких и сверхнизких частот ставит перед сейсмометрией ряд не только узкотехнических, но и общеметодологических проблем. Их изучение неизбежно приведет к модернизации технических средств, совершенствованию методик, а также развитию алгоритмов обработки сейсмического сигнала, что в совокупности позволит с наибольшей эффективностью решать задачу получения качественных данных в конкретных сейсмогеологических условиях.

Представленные в диссертации оценки влияния окружающей среды на широкополосные сейсмометры и предложенные методы их защиты позволяют учесть уровни различного рода помех и при разработке прибора прийти к оптимальному решению. Полученные результаты найдут применение для оценки приборов, при конструировании новых инструментов, для определения пригодности сейсмостанции и разработки процедур установки и защиты сейсмометров.

134

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Кислов, Константин Викторович, Москва

1. Аки К., Ричарде П. Количественная сейсмология. Т.1. Пер. с англ. М.: Мир, 1983.-530 с.

2. Александров A.B., Потапов В.Д. Основы теории упругости и пластичности. М.: Высшая школа, 1990. - 400 с.

3. Андреева JI. Е. Упругие элементы приборов. —М.Машиностроение, 1981. — 392 с.

4. Антоновская Г.Н., Шахова Е.В. Инженерно-сейсмометрические обследования территорий с использованием собственных частот колебаний зданий. http://igd.uran.ru/geomech/articles/agn 00l/index.htm

5. Аппаратура и методика сейсмометрических наблюдений в СССР // Под ред. З.И.Арановича, Д.П.Кирноса, В.М.Фремда. -М.: Наука, 1974. 174 с.

6. Арипов И.А. Применение сильнонагруженных упругих шарниров // Сейсмические приборы. Вып. 19. -М.: Наука, 1987, 152. с.

7. Бахчинян А.О., Заргарян Д.Н., Рыков A.B. Широкополосный трехкомпо-нентный скважинный акселерометр С-032 // Сейсмические приборы. Вып. 21. -М.: Наука, 1990, с. 15 19.

8. П.Брагинский В.Б;, МанукинА.Б. Изхмерение хмалых сил в физических экспериментах. М.: Наука, 1974. - 152 с.

9. Брагинский В.Б. Физические эксперименты с пробными телами. — Mi: Наука, 1970.-136 с.

10. Булгаков А.Ю., Велинский В.В., Вьюхин В.Н., Геза Н:И., Саввиных В.С, Иопов«Ю.А., Тани Юг Jli Исследование и разработка цифровой сейсмологической станции с динамическим диапазоном 120 дБ // АВТОМЕТРИЯ: № 1-Новосибирск: СО РАН, 1999, с. 89-93.

11. Вибрации в технике. Справочник. ,Т. 2. М-: Машиностроение; 1979? - 351с.

12. Виноградов С. Hi, Таранцев К. В; Конструирование и расчет элементов? тонкостенных сосудов. — Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2004; — 136 с.

13. Голицын Б., Лекции по сейсмометрии; СПб.: Императорская Академия наук, 1912. -654 с.

14. Горюнов Б.Г., Шнирман Г.Л. Расчет термокомпенсационных углов закрутки подвесных пружинсейсмометров // Сейсмические приборы. Вып. 27. — М;:0ИФЗФА№1997, с; 21:- 23;

15. Горячкин Ю.Н., Иванов В.А., Репетин Л.Н., Хмара Т.В: Сейши в Севастопольской бухте. — Труды УкрНИГМИ:,Вып.,250; 2002,, с. 342 — 3531

16. ГОСТ 8.009-84 НОРМИРУЕМЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ.

17. Гравиров В.В., Кислов К.В. Критичность сейсмометра к вариациям параметров // Электронный журнал "Исследовано в России", 26, стр.301-312, 2008 г. http://zhurnal.ape.relarn.ni/articles/2008/026.pdf

18. Гриняев Ю. В., Чертова Н. В. Описание ползучести в рамках полевой теории дефектов // Прикладная механика и техническая физика Т. 41. № 3. — Новосибирск: СО РАН, с. 177 183.

19. Желанкина Т.С., Кушнир А.Ф., Монахов Ф.И., Писаренко В.Ф., Рукавишникова Т.А. Компенсация помех в многомерных геофизических наблюдениях. II. Моделирование и обработка реальных данных // Вычислительная сейсмология. Вып.14. -М.: Наука, 1982, с. 153 163.

20. Железняк Т.К. Использование гироскопа для борьбы с помехами — наклонами. // Сейсмические приборы. Вып.19. -М.: Наука, 1987, с.157 159.

21. Зайцева H.A., Шляхов В.И. Аэрология. — JI.: Гидрометеоиздат, 1978. — 288 с. 29.3ахаров А.И. Физика прецизионных сплавов с особыми тепловыми свойствами. М.: Металлургия, 1986. 239 с.

22. Кедролеванский В.Н., Стернзат М.С. Метеорологические приборы. — Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1953. 454 с.

23. Кетков Ю.Л., Кетков А.Ю., Шульц М.М. MATLAB 7: программирование, численные методы. — СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 742 с.

24. Кирнос Д.П. Некоторые вопросы инструментальной сейсмологии. — М.: Изд-во АН СССР, 1955. 168 с.

25. Кислов A.B. Климат в прошлом, настоящем и будущем. М:. МАИК «Наука/Интерпериодика», 2001. — 351 с.

26. Кислов К.В. Влажность, как помехогенный фактор в сейсмометрии // Естественные и технические науки.- 2008, № 6 (38), с 161 — 162.

27. Кислов К.В., Гравиров В.В. Один из путей генерации температурной помехи широкополосного сейсмометра // Электронный журнал "Исследовано в России", 27, стр.313-321, 2008 г. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2008/027.pdf

28. Кислов К.В., Гравиров В.В. Шумы упругих элементов сейсмической аппаратуры // Естественные и технические науки.- 2008, № 5 (37), с 142 148.

29. Кислов К.В., Колесников Ю.А., Марченков А.Ю., Старовойт Ю.О. Микробарограф. Авторское свидетельство № 1769172, СССР. Заяв. 17.07.1990, опубл. 15.06.1992.

30. Кислов К.В., Колесников Ю.А., Марченков А.Ю., Старовойт Ю.О., Сейсмический микробарограф // Вычислительная сейсмология: Вып. 24. М.: Наука, 1991, с. 292-299.

31. Колесников Ю.А., Мациевский С.А. Шумы вертикальных длиннопериод-ных сейсмометров и методы их уменьшения // Вычислительная сейсмология. Вып. 12. М.: Наука, 1979, с. 125 - 144.

32. Колесников Ю.А., Токсез М.Н. Применение суммирования для подавления сейсмической помехи ветрового происхождения // Вычислительная сейсмология. Вып.17. -М.: Наука, 1984, с. 177 188.

33. Колесников Ю.А., Токсез М.Н. Применение суммирования для подавления барических помех длиннопериодных сейсмометров // Вычислительная сейсмология. Вып.14.-М.: Наука, 1982, с. 170 182.

34. Колесников Ю.А., Токсез М.Н. Уменьшение чувствительности вертикальных сейсмометров к колебаниям атмосферного давления // Вычислительная сейсмология. Вып. 14. -М.: Наука. 1982, с. 183 188.

35. Кушнир А.Ф., Лапшин В.М. Оптимальная обработка сигналов, принимаемых группой пространственно распределенных датчиков // Вычислительная сейсмология. Вып.17. М.: Наука, 1984, с. 159 - 169.

36. Левченко Д.Г. Методы и средства регистрации широкополосных сейсмических сигналов и возможных предвестников сильных землетрясений на морском дне. Автореферат дисс. . д. техн. н. М., 2007.

37. Линьков Е.М. Петрова Л.Н., Дунаев A.B. Наблюдения длиннопериодных колебаний Земли горизонтальным сейсмометром на антинаклонной платформе // Сейсмические приборы. Вып.21. -М.: Наука, 1990, с. 90 96.

38. Линьков Е.М. Сейсмические явления. Л.: Изд-во ЛГУ, 1987. — 248 с.

39. Линьков Е.М. Супердлиннопериодный горизонтальный сейсмометрический канал // Сейсмические приборы. Вып.23. М.: Наука, 1992, с. 48-53.

40. Линьков Е.М., Типисев С.Я., Буценко В.В. Помехоустойчивость длиннопериодного сейсмографа и анализ его записей // Геофизическая аппаратура. Вып. 75. Л.: Недра, 1982, с. 78 - 87.

41. Марченков А.Ю. Исследование вертикального сейсмометра в полосе частот 0-10гц. Дисс. . канд. физ-мат. н. М., 1995.

42. Марченков А.Ю., Межберг В.Г., Рыков A.B., Уломов И.В. Трехкомпонент-ный велосиметр КМВ // Сейсмические приборы. Вып. 29. М.: Наука, 1997, с. 3-9.

43. Марченков А.Ю., Рыков A.B., Уломов И.В., Феофилактов В.Д. Сравнение сейсмографов STS-1 и КСЭШ-Р на примере Нефтегорского землетрясения (о. Сахалин)// Сейсмические приборы. Вып. 28. -М.: Наука, 1997, с. 51-53.

44. Маслобоев В.А., Ярошевич М.И. Некоторые результаты интерпритации длиннопериодного шума при сейсмической регистрации // Сейсмические приборы. Вып. 12. -М.: Наука, 1979, с. 161 167.

45. Мациевский С.А. Методика анализа передаточной функции сейсмометра STS-1 //Сейсмические приборы. Вып. 24. -М.: Наука, 1993, с.121 129.

46. Монин A.C. Введение в теорию климата. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. — 246 с.

47. Мыш А.Г., Фремд В.М. Анализ распределения максимальной погрешности для новой математической модели частотной характеристики сейсмометра // Сейсмические приборы. Вып.19. М.: Наука, 1987, с. 117 — 122.

48. Некрасов В.Н., Сергеев C.B. Сравнение характеристик индукционного, емкостного и пьезоэлектрического преобразовательных элементов сейсмо-приемников. // Сейсмические приборы. Вып.21. -М.: Наука, 1990, с. 181-184.

49. Петрова Л. Н. Колебания земли с периодами 9—57 минут в фоновом сейсмическом процессе и направление потока энергии в области собственного колебания 0S2 // Физика Земли. 2008, № 1, с. 31 - 43.

50. Пирогов E.H., Гольцев В.Ю. Сопротивление материалов: Конспект лекций. -М.: Айрис-пресс, 2003. 176 с.

51. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в трех томах. Том 1 / Под ред. д-ра техн. наук проф. И.А. Биргера и чл.-кор. АН Латвийской ССР Я.Г.Пановко. М.: Изд-во «Машиностроение», 1988. - 831 с.

52. Разоренов A.A. Об инженерных методах расчета упругого симметричного шарнира на двух крестообразно расположенных плоских пружинах // Сейсмические приборы. Вып.16. -М.: Наука, 1984, с. 88 101.

53. РМГ 29-99 ГСИ. Метрология. Основные термины и определения.

54. Русаненко В.В., Еднерал А.Ф., Леденева О.Н. Элинварные и механические свойства мартенситно-аустенитных сплавов // Металловедение и термическая обработка. №7. М.: Машиностроение, 1996, с. 27 - 30.

55. Рыжов A.B. Способы уменьшения зависимости параметров электродинамических сейсмоприемников от температуры // Прикладная геофизика. Вып. 129. М.: Недра, 1995, с. 64 - 69.

56. Рыков A.B. Астазирование сейсмометра с помощью отрицательной обратной связи // Сейсмические приборы. Вып. 14. -М.: Наука, 1981, с. 3 — 5.

57. Рыков A.B. Задачи метрологии широкополосной сейсмической аппаратуры // Сейсмические приборы. Вып. 27. — М.: ОИФЗ РАН, 1997, с. 66 76.

58. Рыков A.B. Моделирование сейсмометра. -М.: Изд-во ОИФЗ РАН, 1996. -109 с.

59. Рыков A.B. Представление электронного сейсмометра с помощью собственных частот // Сейсмические приборы. Вып. 27. -М.: ОИФЗ РАН, 1997, с. 39-42.

60. Рыков A.B. Сейсмометр и колебания Земли // Физика Земли. 1992, N 2, с.76 - 80.

61. Рыков A.B., Башилов И.П. Сверхширокополосный цифровой комплект сейсмометров // Сейсмические приборы. Вып. 27. М.: ОИФЗ РАН, 1997, с. 3 - 6.

62. Рыков A.B., Марченков А.Ю. Моделирование сейсмометра в области его неустойчивости // Сейсмические приборы. Вып. 24. М.: Наука, 1993, с. 90-95.

63. Рыков A.B., Марченков А.Ю. Сейсмометр с обратными связями на примере сейсмометра Виланда // Сейсмические приборы. Вып. 23. М.: Наука, 1992,с. 54-58.

64. Рыкунов JI.H., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В.В. Лунно-солнечная приливная периодичность в линиях спектров временных вариаций высокочастотных микросейсм // Доклады АН СССР. Т. 252. М.: Наука, 1980, № 3, с. 577 - 580.

65. Садиков Ф.С., Косарев Г.Л. Строение Земли по дисперсии поверхностных сейсмических волн. Ташкент: Изд-во «Фан» УзССР, 1981. — 102 с.

66. Санина И.А., Ушаков А.Л., Волосов С.Г. и др. Опыт регистрации сейсмических событий малоапертурной сейсмической антенной «Михнево» // VIII Геофизические чтения им. В. В. Федынского. Тезисы докладов. — М.: Научный мир, 2006, с. 98.

67. Сафонов M.B. Конвективная диффузия и шумы в молекулярно-электрон-ных структурах. Автореферат дисс. . канд. физ.-мат. н. — Долгопрудный, 2007.

68. Смирнов Ю.Н. Об одной возможности изучения переходного режима от линейного к нелинейному при параметрическом резонансе. // Доклады АН СССР. Т. 174.-М.: Наука, 1967, N 5, с. 1057 1059.

69. Смирнов Ю.Н., Марченков А.Ю. О параметрических колебаниях сейсмического датчика // Сейсмические приборы. Вып. 24. М.: Наука, 1993, с. 86 — 90.

70. Табулевич В.Н., Черных E.H., Потапов В.А., Дреннова H.H. Влияние штормовых вибраций на землетрясения // Природа. 2002, № 10, с. 12-16.

71. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов. Т.2. Более сложные вопросы теории и задачи. М.: Наука, 1965. - 480 с.

72. Тимошенко С.П., Гере Дж. Механика материалов. М.: Мир, 1976. - 669 с.

73. Токмаков В.А. Погрешности сейсмометра // Сейсмические приборы. Вып. 20.-М.: Наука, 1988, с.135-139.

74. Трифонов Н.В. Вопросы построения чувствительной сейсмометрической аппаратуры. // Сейсмические приборы. Вып.20. — М.: Наука, 1988, с. 3 9.

75. Трифонов Н.В., Чистяков В.А. Особенности проектирования сейсмометров с обратными связями // Сейсмические приборы. Вып.21. — М.: Наука, 1990, с. 85 90.

76. Урдуханов Р.И., Хаврошкин О.Б., Цыплаков В.В. Способ защиты геофизической аппаратуры от окружающей среды. Авторское свидетельство RU №2110816, кл. С1, 05.10.1998.

77. Феофилактов В.Д. Помехи в длиннопериодной сейсмометрии. М.: Наука, 1977.-100 с.

78. Феофилактов В.Д. Шумы вертикальных сейсмометров. — М.: Наука, 1972. — 69 с.

79. Фурсов А.Н. Сейсмометр с коррекцией установки на почве // Сейсмические приборы. Вып. 18. -М.,1986, с. 49 51.

80. Фурсов А.Н., Токмаков В.А. Самоустанавливающийся трехкомпонентный сейсмометр // Сейсмические приборы. Вып.15. — М.: Наука, 1983, с. 45 — 49

81. Хаттон JL, Уэрдингтон М., Мейкин Дж. Пер. с англ. Обработка сейсмических данных. Теория и практика. М.: «Мир», 1989. — 216 с.

82. Чистяков В.А. Устройство для определения азимутальной ориентации сейсмометра. Авторское свидетельство RU №2233459, кл. С2, 11.01.2002.

83. Шерифф Р., Гелдарт JL. Сейсморазведка: В 2-х т. Т 1. Пер. с англ. — М.: Мир, 1987, 448 с.

84. Шерифф Р., Гелдарт JL. Сейсморазведка: В 2-х т. Т 2. Пер. с англ.— М.: Мир, 1987, 400 с.

85. Шнирман Г.Л. Астазирование маятников. М.: Наука, 1992. - 165 с.

86. Aster R.C., McNamara D.E. and Bromirski P.D. Multidecadal Climate-induced Variability in Microseisms // Seimological Research Letters. 2008, 79(2), pp. 194-202.

87. Avery H. Operating and Installation Manual for the CUSP-3C Seismic Datalogger. Rev 1.1 Canterbury Seismic Instruments 2005 New Zealand. 102 p. http://csi.net.nz/documents/CUSP-3C-Manual-l.pdf

88. Beauduin P., Lognonne P., Montagner J., Cacho S., Karczewski J., and Morand M. The effects of atmospheric pressure changes on seismic signals, or how to improve the quality of a station // BSSA. 1996, Vol. 86, pp. 1760 - 1799.

89. Bendat J.S., and Piersol A.G. Random data: analysis and measurement procedures. New York: John Wiley and Sons, 1971. - 407 p.

90. Berrino G., Riccardi U. Far-field Gravity and Tilt Signals by Large Earthquakes: Real or Instrumental Effects? // Pure & applied geophysics. 2004, Vol. 161, № 7, pp. 1379 - 1397(19).

91. Bormann P. Conversion and comparability of data presentations on seismic background noise // Journal of Seismology. 1998, Vol. 2, № 1, pp. 37 - 45(9).

92. Boroschek R.L. and Legrand D. Tilt Motion Effects on the Double-Time Integration of Linear Accelerometers: An Experimental Approach // BSSA. 2006, Vol. 96(6), pp. 2072 - 2089.

93. Crawford W.C. and Webb S.C. Identifying and Removing Tilt Noise from Low-Frequency (<0.1 Hz) Seafloor Vertical Seismic Data // BSSA. 2000, Vol. 90, pp. 952-963.

94. Dimitriu P. and Theodulidis N. Comparison of Site Response from Ambient Noise, Weak and Strong Motion. International Conference on Earthquake Engineering to mark 40 Years of IZIIS Skopje. 27 August - 1 September 2005. Skopje - Ohrid. T2-29

95. Doi K., Higashi T & Nakagawa I. An effect of pressure changes on the time changes of gravity observed by a superconducting gravity meter. J. Geodetic Soc. Japan, 1991,37,1, pp. 1-12.

96. Douze E.J., Sorrells G.G. Prediction of Pressure-Generated Earth Motion Using Optimum Filters // BSSA. 1975, Vol. 65(3), pp. 637 - 650.

97. Forbriger Th. Reducing magnetic field induced noise in broad -band seismic recordings // Geophysical Journal International.- 2007, Vol.169, №1, pp. 240-259(19).

98. Given H.K. Variations in broadband seismic noise at IRIS/IDA stations in the USSR with implications for event detection // BSSA.- 1990, Vol.80, pp. 2072-2088.

99. Graizer V.M. Effect of tilt on strong motion data processing // Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Volume 25, Issue 3, April 2005, pp. 197 204.

100. Graizer V.M. Tilts in Strong Ground Motion // BSSA.- 2006, Vol. 96(6), pp. 2090-2102.

101. Gravirov V.V., Kislov K.V. About reliability of seismic data // 7th International Conference "Problems of Geocosmos". Book of Abstracts. St.Petersburg. 2008, pp. 233 234.

102. Hanka W. Which Parameters influence the Very Long Period Performance of a Seismological Station? Examples from the GEOFON Network. 2000. http://geofon.gfz-potsdam.de/geofon//agupub/welcome.html

103. Harmon N., Forsyth D., and Webb S. Using Ambient Seismic Noise to Determine Short-Period Phase Velocities and Shallow Shear Velocities in Young Oceanic Lithosphere // BSSA.- 2007,Vol. 97, pp. 2009 2023.

104. Holcomb L.G. A Numerical Study of Some Potential Sources of Error in Side-by-Side Seismometer Evaluations / USGS, Open-File Report 90-406, 1990. 40 p.

105. Holcomb L.G., Hutt C.R. Test and Evaluation of the GURAPL Systems CMG-3S Broadband Borehole Deployable Seismometer System / ASL. Open-File Report 91-282, Albuquerque, New Mexico. 1991.-25 p.

106. Igel H., Cochard A., Wassermann J., Flaws A., Schreiber U., Velikoseltsev A., Pham Dinh N. Broad-band observations of earthquake-induced rotational ground motions // Geophysical Journal International.- 2006, Vol. 168, № 1, pp. 182-196(15).

107. Johnston M.J.S. Review of electric and magnetic fields accompanying seismic and volcanic activity // Geophysical Surveys. 1997, Vol.18, pp. 441 - 475.

108. Kobayashi N., Nishida K. Continuous excitation of planetary free oscillations by atmospheric disturbances // Nature. 1998. Vol. 395, pp. 357 360.

109. Kolesnikov Yu.A., Kislov K.V., Paquet P., Snissaert M. Development of new very broad-band seismometer type KSP // Proc. Of Fall AGU Meeting. San Francisco, USA, 1997.

110. Koutsoukos E.Th. and Melis N.S. Broadening the Response of Short-Period Sensors: An Application to the Sprengnether S-7000 Seismometer // BSSA. — 2007, Vol. 97, pp. 1212-1220.

111. MacMillan D. S. & Gipson J.M. Atmospheric pressure loading parameters from very long baseline interferometry observations // Journal of Geophysical Research. 1994, 99, B9, pp. 18081 - 18087.

112. McNamara D.E. and Buland R.P. Ambient Noise Levels in the Continental United States // BSSA. 2004, Vol. 94(4), pp. 1517 - 1527.

113. Mitronovas W. Temperature effects on long-period seismographs: an accurate method to determine the transfer function// BSSA.- 1976, Vol.66, pp. 1405-1412.

114. Otake Y., Araya A., and Hidano K. Seismometer using a vertical long natural-period rotational pendulum with magnetic levitation// Review of Scientific Instruments. 2005, Vol.76, 054501

115. Peters R.D. "Damping Theory", Ch. 20, 21 Vibration and Shock Handbook, ed. Clarence de Silva, CRC Press (2005).

116. Peters R.D. Compound Pendulum to Monitor Hurricanes and Tropical Storms. Physics Department Mercer University Macon, Georgia 31207. arXiv:physics/0610092vl physics.geo-ph. 12 Oct 2006

117. Peters R.D. Correlation measurements of Atmospheric Pressure variations and Seismicity during Hurricane Dennis. Physics Department Mercer University Macon, Georgia. arXiv:phy sics/0507137vl physics.geo-ph. 18 Jul 2005

118. Peters R.D. Earth oscillations induced by hurricane Katrina. Department of Physics Mercer University Macon, Georgia. arXiv:physics/0604190v 1 physics.geo-ph. 24 Apr 2006

119. Peters R.D. Friction at the mesoscale // Contemporary Physics. 2004, Vol. 45, No. 6, pp. 475 - 490.

120. Peters R.D. Hurricane Excitation of Earth Eigenmodes. Mercer University Physics June 2005. arXiv:phvsics/0506162vl physics.geo-ph. 20 Jun 2005

121. Peters R.D. Hurricanes and Earth Hum. Department of Physics Mercer University Macon, Georgia. arXiv:physics/0509103vl physics.geo-ph. 13 Sep 2005

122. Peters R.D. Measurement of Earth's free-oscillations with a pendulum. arXiv:phvsics/0605162vl physics.geo-ph. 18 May 2006

123. Peters R.D. Modernized conventional Pendulum Seismometer. Department of Physics Mercer University Macon, Georgia. arXiv:physics/0508028vl physics.geo-ph. 3 Aug 2005.

124. Peterson J. and Hutt C. IRIS/USGS plan for upgrading the Global Seismographic Network / USGS, Open-File Report 89-471, 1989. -10 p.

125. Peterson J. Observations and Modeling of Seismic Background Noise / USGS, Open File Report 93-322, 1993. 94 p.

126. Peterson J., Hutt C.R., Holcomb L.G. Test and Calibration of the Seismic Research Observatory / ASL, Open-File Report 80-187, Albuquerque, New Mexico, 1980.-86 p.

127. Pillet R., Virieux J. The effects of seismic rotations on inertial sensors // Geophysical Journal International. 2007, Vol. 171, № 3, pp. 1314 - 1323(10).

128. Rhie J., Romanowicz B. Excitation of Earth's continuous free oscillations by atmosphere-ocean-seafloor coupling // Nature. 2004, Vol. 431, pp. 552 — 556. http://seismo.berkeley.edu/annual report/ar0304/node31 .html

129. Rodgers P.W. Frequency Limits for Seismometers as Determined from Signal-to Noise Ratios Part 2. The feedback seismometer // BSSA. 1992, Vol. 82(2), pp. 1099-1123.

130. Rodgers P.W. Frequency Limits for Seismometers as Determined from Signal-to Noise Ratios Part 1. The Electromagnetic Seismometer // BSSA. 1992, Vol. 82(2), pp.1071-1098.

131. Rouit G. Crawford W. Analysis of'background' free oscillations and how to improve resolution by subtracting the atmospheric pressure' signal // Physics of the Earth and Planetaiy Interiors. 2000, Vol. 121, № 3, pp. 325 - 338(14).

132. Ruscak S., Singer L., Using Histogram Techniques to Measure A/D Converter Noise // Analog Dialogue. 1995, Vol. 29-2, pp. 7 - 8.

133. Sleeman R., van Wettum A., and Trampert J. Three-Channel Correlation Analysis: A New Technique to Measure Instrumental Noise of Digitizers and Seismic Sensors // BSSA. 2006, Vol. 96, pp. 258 - 271.

134. Sorrels G.G. A preliminary investigation into the relationship between long-period seismic noise and local fluctuations in the atmospheric pressure field // Geophysical Journal of the Royal Astronomical Society. 1971, Vol.26, pp. 71-82.

135. Standard for Seismometer Testing, A Progress Report, USGS ASL, Albuquerque, New Mexico, USA, 1990. 79 p.

136. Tarbeyev Yu.V., Krivtsov Ye.P., Sinelnikov A.Ye. and Yankovsky A.A. A new method for absolute calibration of high-sensitivity accelerometers and other graviinertial devices // BSSA. 1994, Vol. 84(2), pp. 438 - 443.

137. Torre T.L.de la and Sheehan A.F. Broadband Seismic Noise Analysis of the Himalayan Nepal Tibet Seismic Experiment // BSSA. 2005, Vol. 95, pp. 1202 -1208.

138. Trnkoczy A. & Standley I.M. Transfer Function of Kinemetrics Instruments. S-Plane Representations. Application Note №39. 2006. Website: www.kinemetrics.com

139. Uhrhammer R. and Karavas B. Guidelines for Installing Broadband Seismic Instrumentation, -http://seismo.berkeley.edu/bdsn/instrumentation/guidelines.html

140. Usher M.J. & Guralp C. The design of miniature wideband seismometers // Journal of Geophysics. 1978, Vol. 48, pp. 281 - 292.

141. Usher M.J., Buckner I.W. & Burch R.F. A miniature wideband horizontal-component feedback seismometer // Journal of Physics E: Scientific Instruments. -1977, Vol. 10, pp. 1253 1260.

142. Usher M.J., Burch R.F. and Guralp C.M., Wide-band Feedback Seismometers // Physics of the Earth and Planetary Interiors. 1979, Vol. 18, pp. 38 - 50.

143. Vidrih R., Sincic P. and Godec M. New aproach in seismic network design. International Conference on Earthquake Engineering to mark 40 Years of IZIIS -Skopje. 27 August 1 September. Skopje - Ohrid, T8-15.

144. Widmer-Schnidrig R. and Kurrle D. Evaluation of Installation Methods for Streckeisen STS-2 Seismometers. 2006. http://klops.geophvs.iini-stuttgart.de/~widmer/DGG2006poster.pdf

145. Wieland E., Stein J.M. A digital very-broad-band seismograph // Annales Geophysicae. Ser. B. 1986, Vol. 4, № 3, pp. 227 - 232.

146. Wieland E., Streckeisen G. The leaf-spring seismometer design and performance // BSSA. - 1982, Vol. 72, pp. 2349 - 2367.

147. Wielandt E. Seismic Sensors and their Calibration. http://www.iclahr.com/science/psn/wielandt/NMSQP06.doc

148. Wielandt E., 1973. Noise in electronic seismograph systems // Zeitschrift fiir Geophysik, 1973, Band 39, 597 602.

149. Withers M.M., Aster R.C., Young C.J., and Chael E.P. High-frequency analysis of seismic background noise as a function of wind speed and shallow depth //BSSA.-1996, Vol. 86(5),pp. 1507- 1515.

150. Young C.J., Chael E.P., Zagar D.A., and Carter J.A. Variations in noise and signal levels in a pair of deep boreholes near Amarillo, Texas // BSSA. -1994, Vol 84(5), pp. 1593-1607.

151. Ziolkowski A. Prediction and suppression of long-period nonpropagating seismic noise // BSSA. 1973, Vol. 63(3). pp. 937 - 958.

152. Zumberge M., Berger J., Otero J., Wielandt E. Experiments with a Seismometer Incorporating Fiber Optics (SIFO) Scripps Institution of Oceanography. http://gravity.ucsd.edu/research/SIFO/

153. Ziirn W., Widmer R. On Noise Reduction in Vertical Seismic Records Below 2 mHz Using Local Barometric Pressure // Geophysical Research Letters. — 1995, Vol. 22, №. 24, pp. 3537 3540.

154. ZtirnW., ExB J., Steffen H., Kroner C., Jahr T., Westerhaus M. On reduction of long-period horizontal seismic noise using local barometric pressure // Geophysical Journal International. 2007, Vol. 171, № 2, pp. 780 - 796(17).

Информация о работе

Кислов, Константин Викторович
кандидата физико-математических наук
Москва, 2009
ВАК 25.00.10

Диссертация

Теория и методы защиты широкополосных сейсмометров от воздействий окружающей среды - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы