4.15. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ ГЕОФОН

Общие замечания

Колебания грунта, на котором ведется строительство зданий, передаются фундаментам и корпусу здания, вызывая нежелательные вибрации. Осадка и образование трещин в горных породах в районе горных выработок вызывают колебания — микросейсмические шумы, которые можно использовать для

обнаружения этих трещин и осадок. Очаги землетрясений при подземных взрывах можно обнаруживать, регистрируя колебания скального грунта. Наконец, регистрируя взрывы специальных зарядов в горных породах, можно вести сейсморазведку ископаемых. Во всех этих случаях регистрация колебаний производится с помощью электроакустических приборов, называемых геофонами. Для работы на больших дистанциях используются весьма низкочастотные инфразвуковые геофоны — сейсмометры.

Основной отличительной чертой колебаний грунтов и пород является то, что в них, как во всяком упругом теле, могут распространяться волны двух типов: волны сжатия (продольные) и волны сдвига (поперечные).

На границах между разнородными слоями могут образоваться поверхностные волны, амплитуда которых резко убывает по мере удаления от границы. Направление движения частиц породы в волнах сжатия совпадает с направлением распространения. В сдвиговых оно перпендикулярно направлению распространения, а в поверхностных имеет составляющие, направленные как вдоль, так и перпендикулярно к направлению распространения. Для того чтобы установить характер волны, следует регистрировать векторную величину, характеризующую колебание, — ускорение, скорость или смещение. Все геофоны являются приемниками этих элементов движения.

При регистрации смещений, скоростей и ускорений возникает вопрос о системе отсчета (координат), относительно которой следует вести измерения. Геофон должен регистрировать элементы движения относительно «неподвижной» земли. Однако опереть основание прибора о такую неподвижную землю невозможно, так как именно колебания земли следует измерять. Во всех геофонах для этой цели используется инерция массивной части, подвешиваемой на пружинах к корпусу прибора. При колебаниях грунта корпус движется вместе с ним, а (подвешенная на пружинах масса стремится сохранить свое положение. Движение корпуса относительно массы измеряется с помощью электромеханического преобразователя.

Для регистрации смещений могут использоваться электростатические преобразователи. С этой целью одна обкладка плоского конденсатора, составляющего преобразователь, помещается на подвешенной массе, а вторая — на основании. Для регистрации скорости смещения используется электродинамический преобразователь. Роль подвешенной массы играет в этом случае подвижная катушка преобразователя, а основанием является магнитная система. Возможна и такая модификация, при которой массивной подвижной частью является магнитная система, а катушка скреплена с корпусом (см. рис. 4.54). Для измерения ускорений удобно использовать пьезоэлектрический преобразователь. В этом (случае чувствительный пьезоэлемент заменяет собой пружинный подвес:

Рис. 4 54 Геофоны: а — приемник смещения с емкостным преобразователем, б - приемник скорости колебаний с подвижной катушкой; в — пьезоприемник ускорений; г - приемник скорости с подвижной магнитной системой

его деформация под действием ускорений массивной части регистрируется благодаря пьезоэффекту.

Для полной характеристики сейсмических колебаний следует знать направление распространения волны и направление вектора колебаний (смещений, или скорости, или ускорения). Если расположение и вид источника колебаний известны, направление распространения и, как правило, характер волны (продольная, поперечная или поверхностная) также заранее известны. Тогда можно ограничиться измерением одной компоненты вектора смещений. В других случаях полезно бывает измерять три компоненты смещения — вертикальную и две взаимно перпендикулярные горизонтальные, чтобы определить поляризацию и характер колебаний. Для этой цели приходится применять трехкомпонентные геофоны, являющиеся, по существу, комбинацией трех систем. Колебания каждой из них могут происходить только в одном из трех взаимно перпендикулярных направлений. Геофон выдает три электрических сигнала, пропорциональных соответствующим составляющим колебаний. Для определения направления прихода волн применяют целую систему геофонов — групповую электроакустическую сейсмическую антенну.