Приборы и техника эксперимента, 2020, № 4, стр. 138-144
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МЕТОДА КРЕПЛЕНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СЕЙСМИЧЕСКОЙ КОСЫ ПРИ БУКСИРОВКЕ НА ПАРАМЕТРЫ ЕЕ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА
А. А. Власов a, *, М. Ю. Плотников a, В. С. Лавров a, С. С. Киселев a, А. С. Алейник a
a Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий,
механики и оптики (Университет ИТМО)
197101 С.-Петербург, Кронверкский просп., 49, Россия
* E-mail: salusnetklim@yandex.ru
Поступила в редакцию 03.03.2020
После доработки 13.03.2020
Принята к публикации 14.03.2020
Аннотация
Исследуется зависимость плотности шума в сигнале волоконно-оптической буксируемой косы в полосе частот 10 Гц−1 кГц от скорости буксировки в диапазоне от 1 до 5 узлов, от коэффициента относительного удлинения ее эластичной секции, ее типа, а также от типа крепления эластичной секции к буксируемому телу. Кроме того, получена зависимость величины растягивающей нагрузки на исследуемую косу от скорости буксировки. Приведены полученные в ходе натурных испытаний экспериментальные данные по уровню шумов косы и их анализ. Достигнутое снижение уровня шумов буксировки при применении эластичной секции составило до трех раз в диапазоне частот от 180 до 600 Гц в зависимости от типа эластичной секции при креплении эластичной секции к силовому элементу буксируемого тела и до двух раз во всем исследуемом диапазоне частот.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время буксируемые сейсмические косы широко применяются в качестве приемников зондирующего акустического сигнала при геофизических исследованиях и сейсмической разведке полезных ископаемых в области континентального шельфа [1].
Буксировка сейсмической косы приводит к воздействию специфических для данного процесса шумовых факторов, следствием чего является повышение уровня шума в сигналах с гидрофонов сейсмической косы. Обзор тематики шумовых воздействий при буксировке и борьбы с ними представлен в работе [1].
Данная работа посвящена исследованию влияния метода крепления волоконно-оптической сейсмической косы к судну-буксиру при буксировке на параметры ее выходного сигнала. Одним из наиболее значительных шумовых факторов, действующих на сейсмическую косу, являются рывковые воздействия судна-буксира. Основной причиной возникновения данного вида шумовых воздействий является неравномерность скорости хода судна-буксира, особенно при движении по волнам с переменной ветровой нагрузкой. Проявляются данные воздействия в виде изменения величины натяжения при буксировке сейсмической косы, что приводит к соответствующему изменению скорости движения чувствительной части с гидрофонами, изменению ее длины, а также попутному увеличению шумов обтекания (так как их интенсивность зависит также и от скорости буксировки) [1–3].
Шумовые воздействия данного типа относительно низкочастотны (единицы и десятки герц), что обусловлено большой массой и инертностью судна, а также волновой обстановкой на море. Как правило, для снижения влияния данных воздействий буксируемое тело прикрепляется к судну через эластичную секцию, выполненную из упругого материала и расходующую энергию рывка на изменение длины (упругую деформацию растяжения) самой секции без передачи к чувствительной части.
В данной работе исследуется зависимость уровня шумов в сигнале волоконно-оптической сейсмической косы от относительного коэффициента удлинения эластичной секции, а также от способа соединения эластичной секции с телом буксируемой косы – закрепления к внешней оболочке и закрепления к силовому элементу волоконно-оптического кабеля при помощи специально разработанной врезной секции. Представлено техническое решение, обеспечивающее приемлемые параметры.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследование влияния метода крепления волоконно-оптической сейсмической косы при буксировке на параметры ее выходного сигнала проводилось в ходе натурных испытаний опытного образца, разработанного НИЦ Световодной фотоники Университета ИТМО. Состав бортового оборудования, структура чувствительной части и особенности обработки сигналов разработанной волоконно-оптической косы подробно рассматриваются в работах [4–6].
В ходе данной работы проводилась оценка уровня шумов в выходном сигнале сейсмической косы при различных значениях скоростей буксировки в зависимости от значения коэффициента относительного удлинения эластичной секции, а также от способа прикрепления эластичной секции к буксируемому телу. Схема осуществления буксировки представлена на рис. 1.
Таблица 1.
Варианты эластичной секции | Скорость буксировки, узлов | ||||
---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
№ 1 (стальной трос 6/8 PVC) | >105 | >105 | >105 | >105 | >105 |
№ 2 (веревка “Коломна”) | 397 | 929 | 1312 | 1615 | 1994 |
№ 3 (витая веревка) | 397 | 877 | 1117 | 1468 | 1671 |
№ 4 (веревка Beal Booster III) | 397 | 526 | 656 | 807 | 824 |
Для экспериментальной проверки было изготовлено четыре образца эластичных секций, отличающихся значением относительного коэффициента удлинения. Первый образец представляет собой участок стального троса с защитным слоем из ПВХ 6/8 PVC, соответствующий варианту буксировки без эластичной секции ввиду пренебрежимо малого коэффициента относительного удлинения стального троса при нагрузках, не превышающих 20% его прочности на разрыв. Второй образец представляет собой веревку из полиамидных нитей “Коломна” с внешним диаметром 11 мм производства АО “Канат”, третий образец – веревку из свитых синтетических волокон с внешним диаметром 9 мм, четвертый – веревку из полиамидных нитей Beal Booster III с внешним диаметром 9.8 мм. Длина эластичных секций при буксировке составляла ~10 м.
Схемы прикрепления эластичных секций к судну-буксиру и к буксируемому телу представлены на рис. 2. Контроль натяжения буксируемого тела осуществлялся при помощи включенного в разрыв эластичной секции металлорезистивного тензометрического датчика сжатия-растяжения 00STC-001T-G0-00F, прием и обработка сигналов которого осуществлялась блоком ОВЕН МВ110-224.1ТД. В ходе данной работы закрепление эластичной секции к буксируемому телу осуществлялось двумя вариантами – при помощи самозатягивающейся накладной петли (так называемый “китайский палец”) и разработанной врезной секции, обеспечивающей жесткую связь с силовым элементом волоконно-оптического кабеля.
В ходе эксперимента проводилась оценка уровня шума в выходном сигнале волоконно-оптической сейсмической косы во время ее буксировки со скоростями 1–5 узлов. Оценка усредненного по 16 каналам буксируемой косы уровня шума проводилась в диапазоне частот от 10 Гц до 1 кГц. Данный частотный диапазон обусловлен особенностями проведения геофизических исследований в инженерной сейсморазведке.
На первом этапе эксперимента буксировка осуществлялась с применением эластичной секции по варианту № 1 с креплением к буксируемому кабелю при помощи накладной самозатягивающейся петли (“китайский палец”, рис. 2в) в диапазоне скоростей буксировки от 1 до 5 узлов. На втором этапе эксперимента буксировка осуществлялась при постоянной скорости 4 узла с применением эластичных секций по вариантам № 1–№ 4 с креплением к буксируемому кабелю при помощи накладной самозатягивающейся петли. На третьем этапе эксперимента буксировка осуществлялась при постоянной скорости 4 узла с применением эластичных секций по вариантам № 1–№ 4 прикреплением к буксируемому кабелю при помощи врезной крепежной секции для обеспечения связи с силовым элементом кабеля (рис. 2б). Скорость 4 узла была выбрана как наиболее оптимальная по временному разрешению сканирования при изысканиях, ввиду чего она наиболее часто применяется в инженерной сейсморазведке.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Перед проведением натурных испытаний по буксировке волоконно-оптической сейсмической косы было проведено исследование зависимости величин удельных коэффициентов относительного удлинения изготовленных эластичных секций от приложенной растягивающей нагрузки. Результаты данного исследования представлены на рис. 3. Исследование проводилось в соответствии с ГОСТ-Р ЕН1891-2012 (ISO EN1891).
Далее, с помощью опроса тензометрического датчика была получена экспериментальная зависимость растягивающей нагрузки [кг] от скорости буксировки $\vartheta $ [узл.], она может быть описана следующим выражением (при достоверности аппроксимации ${{R}^{2}} = 0.9984$):
Сопоставляя данные графиков на рис. 3 и формулы (1), можно оценить коэффициент жесткости эластичных секций при различных скоростях буксировки [7]:
где k, Н/м – коэффициент жесткости; FТ, Н – сила приложенной растягивающей нагрузки; Δl, м – изменение длины эластичной секции под воздействием растягивающей нагрузки; ε, отн. ед. – коэффициент относительного удлинения эластичной секции; l, м – длина эластичной секции.Экспериментальные данные, полученные на первом этапе эксперимента (буксировка с секцией по варианту № 1 при разных скоростях, крепление при помощи накладной петли (рис. 2в)), представлены на рис. 4. Видно, что уровень шумов в области нижних частот до 200 Гц растет с повышением скорости буксировки от 2 до 20 раз, в то время как в диапазоне частот от 200 до 1000 Гц увеличение скорости буксировки ведет к снижению уровня шума от 2 до 10 раз. Данный эффект можно объяснить тем, что при увеличении скорости буксировки растет уровень приложенной растягивающей нагрузки, приводя к натяжению буксируемой косы и снижая ее провисание и связанные с этим изгибные колебания. Рост уровня шумов в области частот до 200 Гц объясняется ростом интенсивности рывков судна-буксира при увеличении скорости его движения. Результаты данного этапа эксперимента с вариантом эластичной секции № 1 при креплении через накидную петлю является опорным при сравнении данных, полученных на дальнейших этапах.
Экспериментальные данные, полученные на втором этапе эксперимента (буксировка при скорости 4 узла с эластичными секциями по вариантам № 1–№ 4 при их креплении к буксируемому телу при помощи самозатягивающейся накладной петли (рис. 2в)), представлены на рис. 5. Видно, что уровень шумов снижается в диапазоне частот от 180 до 600 Гц до 3 раз при использовании варианта эластичной секции № 3 (витая веревка из синтетических нитей). В низкочастотной области до 100 Гц уровень шумов при всех вариантах эластичных секций примерно одинаков. Использование варианта эластичной секции № 4 привело к появлению в спектре шумов паразитных гармонических составляющих на частотах около 366 и 727 Гц. По всей видимости, причиной колебаний на данных частотах являются возникшие при буксировке автоколебания эластичной секции [8]:
где m – номер гармоники; d, м – диаметр поперечного сечения эластичной секции; ρ, кг/м3 – плотность материала эластичной секции. Согласно техническим данным плотность материала ρ веревки Beal Booster III составляет ~825 кг/м3.Экспериментальные данные, полученные на третьем этапе эксперимента (буксировка при скорости 4 узла с эластичными секциями по вариантам № 1–№ 4 при их креплении к силовому элементу буксируемого тела при помощи врезной крепежной секции (рис. 2б)), представлены на рис. 6. Видно, что уровень шумов снижается при использовании варианта эластичной секции № 3 в 1.5 раза в диапазоне частот от 300 до 400 Гц по сравнению с другими вариантами эластичных секций. Использование варианта № 2 дает снижение уровня шумов буксировки в 1.5 раза в диапазоне частот от 700 до 1000 Гц и в области нижних частот до 20 Гц.
Сравнительный анализ экспериментальных данных для варианта эластичной секции № 3 при креплении с помощью накладной самозатягивающейся петли (рис. 2в) и при креплении к силовому элементу буксируемого тела с помощью врезной крепежной секции (рис. 2б) представлен на рис. 7. Видно, что использование этого варианта позволяет добиться снижения уровня шумов в области нижних частот до 170 Гц в 1.5–2 раза. В диапазоне частот от 200 до 400 Гц использование подобного варианта крепления приводит к увеличению уровня шумов в 1–5 раз. В диапазоне частот от 700 до 900 Гц достигается снижение уровня шумов на величину до 2 раз.
Помимо усредненного уровня собственных шумов на этом этапе измерений была также проведена оценка разброса по уровню шумов между каналами волоконно-оптической буксируемой сейсмической косы в зависимости от частоты. Расчет производился по следующей формуле [9]:
(4)
$STD(f) = \frac{{\sqrt {\frac{1}{N}\sum\limits_{k = 1}^N {{{{({{S}_{i}}(f) - \overline {S(f)} )}}^{2}}} } }}{{\overline {S(f)} }} \times 100\% ,$Видно, что использование варианта крепления за силовой элемент при помощи врезной крепежной секции (рис. 2б) позволяет добиться снижения среднеквадратичного отклонения (с.к.о.) уровня шумов по каналам волоконно-оптической косы при ее буксировке в 2 раза. Аналогичная картина снижения с.к.о. шумов буксировки по каналам косы наблюдается для остальных вариантов эластичных секций.
По всей видимости, данные эффекты обусловлены тем, что при креплении эластичной секции к внешней оболочке буксируемого тела при помощи накладной самозатягивающейся петли под воздействием растягивающей нагрузки при буксировке внешняя оболочка и силовой элемент имеют возможность движения друг относительно друга, что увеличивает помеховые воздействия на чувствительные элементы, причем неравномерно по длине буксируемой косы. При креплении же к силовому элементу при помощи врезной крепежной секции возможность такого движения блокируется, что благоприятно сказывается на общем уровне шумов в выходном сигнале волоконно-оптической буксируемой сейсмической косы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе данной работы было проведено исследование влияния метода крепления волоконно-оптической сейсмической косы при буксировке на параметры ее выходного сигнала. Во время натурных испытаний косы были получены экспериментальные зависимости уровня растягивающей нагрузки от скорости буксировки, уровня шумов в сигнале косы от скорости буксировки, от типа и коэффициента относительного удлинения эластичной секции, а также от типа крепления эластичной секции к буксируемому телу.
Показано, что использование различных вариантов эластичных секций для буксировки сейсмической косы дает снижение уровня шумов в ее сигнале, но этот эффект существенно зависит от частоты и от параметров эластичной секции. Так, уровень шумов снижается в диапазоне частот от 180 до 600 Гц при использовании эластичной секции из витых синтетических нитей (вариант № 3) до 3 раз. В области нижних частот до 100 Гц уровень шумов для всех вариантов эластичных секций примерно одинаков. Таким образом, для более выраженного эффекта снижения уровня шумов необходимы детальный расчет и подбор параметров эластичной секции.
Использование варианта крепления эластичной секции к буксируемому телу за силовой элемент при помощи врезной крепежной секции позволяет добиться снижения уровня шумов в области нижних частот до 170 Гц на величину порядка 1.5–2 раз. В диапазоне частот от 200 до 400 Гц использование подобного варианта закрепления приводит либо к увеличению уровня шумов в 1.5–3 раза (для эластичной секции из витых синтетических нитей), либо к снижению в 1.5–2 раза для остальных вариантов эластичных секций. В диапазоне частот от 700 до 900 Гц достигается снижение уровня шумов на величину порядка 2 раз.
Кроме того, использование варианта крепления за силовой элемент позволяет добиться снижения с.к.о. уровня шумов по каналам волоконно-оптической сейсмической буксируемой косы в 2 раза. Таким образом, закрепление за силовой элемент оптического кабеля при буксировке позволяет добиться снижения общего уровня шумов и с.к.о. по каналам, однако такой подход также требует детального расчета и подбора параметров эластичной секции.
Список литературы
Vlasov A.A., Aleynik A.S., Plotnikov M.Yu., Dmitriev A.A., Varzhel S.V. // Scientific and Technical J. Information Technologies, Mechanics and Optics. 2019. V. 19. № 4. P. 574 (in Russian). https://doi.org/10.17586/2226-1494-2019-19-4-574-585
Andrews Jr D.E. Pat. 5062085 USA. 1991.
Макаренков А.П., Воскобойник В.А. Гидродинамические шумы и вибрации гибкой протяженной буксируемой антенны // Актуальные аспекты физико-механических исследований. Акустика и волны / Под ред. В.В. Мелешко, В.Н. Олейник. Киев: Наукова думка, 2007. С. 208–217.
Plotnikov M.Y., Lavrov V.S., Dmitraschenko P.Y., Kulikov A.V., Meshkovsky I.K // IEEE Sensors J. 2019. V. 19. № 9. P. 3376. https://doi.org/10.1109/JSEN.2019.2894323
Plotnikov M.J., Kulikov A.V., Strigalev V.E., Meshkovs-ky I.K. // Advances in Optical Technologies. 2014. V. 2014. https://doi.org/10.1155/2014/815108
Nikitenko A.N., Plotnikov M.Y., Volkov A.V., Mekhrengin M.V., Kireenkov A.Y. // IEEE Sensors J. 2018. V. 18. № 5. P. 1985. https://doi.org/10.1109/JSEN.2018.2792540
Ляв А. Математическая теория упругости. М.: Рипол Классик, 2013.
Ларин А.А. Зарождение математической физики и теории колебаний континуальных систем в “Споре о струне” // Вестник Национального технического университета “Харьковский политехнический институт”. История науки и техники. 2008. Т. 8. С. 89–97.
Ивченко Г.И., Медведев Ю.И. Введение в математическую статистику. М.: ЛКИ, 2010.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Приборы и техника эксперимента