Инструментальные методы расширения амплитудно-частотной характеристики геофона

Инструментальные методы расширения
амплитудно-частотной характеристики геофона

Институт динамики геосфер им. академика М.А. Садовского РАН, г. Москва, Россия

Автор для переписки: А.Н. Беседина, e-mail: besedina.a@gmail.com

Для решения различных инженерных задач часто требуется регистрация сигналов в диапазоне 0.1–2000 Гц. Нижняя граница этого диапазона выходит за пределы рабочей полосы геофонов. В данной работе рассмотрено расширение частотных характеристик геофона двумя способами: путем перемножения передаточных функций и путем введения отрицательного сопротивления. Оценены пределы применимости этих методов. Верхний предел скорости, регистрируемой геофоном, определяется зазором, в котором катушка смещается относительно рамки датчика. Нижний предел зависит от общего инструментального шума измерительного канала, основной вклад в который вносят броуновский шум механической колебательной системы и шум измерительной схемы. Прототип устройства был построен на основе перемножения передаточных функций. С помощью лабораторных измерений на вибрационном столе и записей микросейсмического шума было показано, что модифицированный геофон работает как датчик скорости с собственной частотой 2 Гц. Это значение зависит от микросейсмических условий места размещения измерительной системы. При регистрации сейсмичности с помощью модифицированного геофона удалось зарегистрировать массовые взрывы в камерах шахты и карьерные взрывы в диапазоне частот до 2 Гц. Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать вывод, что модифицированный геофон можно использовать для мониторинга локальной и региональной сейсмичности в качестве аналога короткопериодных сейсмометров.

Ключевые слова: геофон, амплитудно-частотная характеристика, инструментальная схема, отрицательное сопротивление, затухание, передаточная функция

Цитируйте эту статью как: Беседина А.Н., Кабыченко Н.В., Павлов Д.В., Волосов С.Г. Инструментальные методы расширения амплитудно-частотной характеристики геофона // Сейсмические приборы. 2019. Т. 55, № 3. C.5–23. https://doi.org/10.21455/si2019.3-1

Приборная реализация корректирующего устройства выполнена в рамках государственного задания № 0146-2019-0006 (А.Н. Беседина, С.Г. Волосов, Н.В. Кабыченко). Теоретическая разработка схем коррекции с помощью введения отрицательного сопротивления и оценка пределов применимости корректирующих схем проводились при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проект № 18-05-00923 (А.Н. Беседина). Проведение измерений и обработка данных регистрации выполнены при поддержке Российского научного фонда проект № 16-17-00095 (Д.В. Павлов).

Абрахамс Дж., Каверли Дж. Анализ электрических цепей методом графов. М.: Мир, 1967. 176 с.

Взрывы и землетрясения на территории Европейской части России / Под ред. В.В. Адушкина, А.А. Маловичко. М.: ГЕОС, 2013. 384 с.

Adushkin V.V., Rodionov V.N., Turuntaev S.B., Yudin A.E. Seismicity in the oil field // Oilfield Review. 2000. V. 12, N 2. P.2–17.

Adushkin V.V., Ovchinnikov V.M., Sanina I.A., Riznichenko O.Yu. Mikhnevo: from seismic station No. 1 to a modern geophysical observatory // Izvestiya Phys. Solid Earth. 2016. V. 52, N 1. P.105–116. doi: 10.1134/S1069351315060014

Aki K., Richards P.G. Quantitative seismology: Theory and methods. V. 1, 2. W.H. Freeman and Co, 1980.

Al-Alaoui M.A. Low-frequency differentiators and integrators for biomedical and seismic signals // Circuits and systems I: fundamental theory and applications, IEEE Transactions on. 2001. V. 48, N 8. P.1006–1011.

Arosio D., Longoni L., Papini M., Zanzi L. Seismic characterization of an abandoned mine site // Acta Geophysica. 2013. V. 61, N 3. P.611–623. http://dx.doi.org/10.2478/s11600-012-0090-0

Azwina I.N., Saadb R., Nordianac M. Applying the Seismic Refraction Tomography for Site Characterization // APCBEE Procedia. 2013. V. 5. P.227–231.

Besedina A.N., Kabychenko N.V., Kocharyan G.G., Pavlov D.V. Correction of frequency characteristics of seismic sensors and noise of corresponding measuring channels // Seismic Instruments. 2012. V. 48, N 1. P.51–56.

Besedina A.N., Kabychenko N.V. Rationale for applying short-period sensors with extended frequency response for recording strong earthquakes // Seismic Instruments. 2017. V. 53, N 1. P.19–27. https://doi.org/10.3103/S0747923917010029

Boulaenko M.E. Novel tools for research and education in seismology. MS Thesis University of Bergen, Bergen, Norway. 2002.

Craig M.S., Ronald L. Genter Geophone array formation and semblance evaluation // Geophysics. 2006. V. 71, N 1. P.Q1–Q8.

Cortes D.M., Caldwell J., González C. Single Geophone versus Geophone Array: A field study performed in Colombia // SEG 2015. http://toc.proceedings.com/28319webtoc.pdf

Dai K., Li X., Lu C., You Q., Huang Z., Wu H.F. A Low-Cost Energy-Efficient Cableless Geophone Unit for Passive Surface Wave Surveys // Sensors. 2015. V. 15, N 10. P.24698–24715. https://doi.org/ 10.3390/s151024698

Etgen J., Gray S., Yu Z. An overview of depth imaging in exploration geophysics // Geophysics. 2009. V. 74, N 6. P.8016–8033. https://doi.org/10.1190/1.3223188

Havenith H.-B., Strom A., Jongmans D., Abdrakhmatov A., Delvaux D., Tréfois P. Seismic triggering of landslides, Part A: Field evidence from the Northern Tien Shan // Nat. Hazards Earth Syst. Sci. 2003. V. 3. P.135–149. https://doi.org/10.5194/nhess-3-135-2003

Havskov J., Alguacil G. Instrumentation in Earthquake Seismology // Modern Approaches in Geophysics. Springer Academic Publishers, 2002. 313 p.

Hokstad K., Mittet R., Landro M. Elastic reverse time migration of marine walkaway vertical seismic profiling data // Geophysics. 1998. V. 63, N 5. P.1685. https://doi.org/10.1190/1.1444464

Kabychenko N.V., Besedina A.N., Volosov S.G., Korolev S.A., Kocharyan G.G. Short-Period Seismometers in Seismology // Seismic Instruments. 2018. V. 54, N 1. P.28–42.

Maghsoudi A., Kalantari B. Monitoring Instrumentation in Underground Structures // Open Journal of Civil Engineering. 2014. V. 4. P.135–146.

Muthuswamy B., Blain T., Sundqvist K. A Synthetic Inductor Implementation of Chua's Circuit. Electrical Engineering and Computer Sciences University of California at Berkeley, Technical Report No. UCB/EECS-2009-20, 2009.

Nurhandoko B.E.B., Matsuoka T., Watanabe T., Ashida Y. Land seismic refraction tomography using homogeneous velocity as initial model // SEG Technical Program Expanded Abstracts. 1999. P.1481–1484.

Rodgers P.W. Frequency limits for seismometers as determined from signal-to- noise rations. Part 1. The electromagnetic seismometer // Bull. Seismol. Soc. Amer. 1992. V. 82. P.1071–1098.

Savazzi S. Ultra-wide band sensor networks in oil and gas explorations // IEEE Communications Magazine. 2013. V. 51, N 4. P.150–160.

Scherbaum F. Of Zeros and Poles. Fundamentals of Digital Seismology // Modern Approaches in Geophysics. Kluwer Academic Publishers, 1996. 256 p.

Werner M.J. On the fluctuations of seismicity and uncertainties in earthquake catalogs: implications and methods for hypothesis testing: Ph. D. thesis. Los Angeles: Univ. of Calif., 2007. 308 p.

БЕСЕДИНА Алина Николаевна – кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Институт динамики геосфер им. академика М.А. Садовского РАН. 119334, Москва, Ленинский просп., д. 38, корп. 1. E-mail: besedina.a@gmail.com

КАБЫЧЕНКО Николай Васильевич – кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт динамики геосфер им. академика М.А. Садовского РАН. 119334, Москва, Ленинский просп., д. 38, корп. 1. E-mail: n.kabychenko@mail.ru

ПАВЛОВ Дмитрий Вячеславович – кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Институт динамики геосфер им. академика М.А. Садовского РАН. 119334, Москва, Ленинский просп., д. 38, корп. 1. E-mail: dpav123@mail.ru

ВОЛОСОВ Сергей Георгиевич – кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт динамики геосфер им. академика М.А. Садовского РАН. 119334, Москва, Ленинский просп., д. 38, корп. 1. E-mail: volosovc@mail.ru

English Translation: Seismic Instruments, ISSN: 0747-9239 (Print) 1934-7871 (Online),

Sadovsky Institute of Geospheres Dynamics, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

Abstract. Solving engineering problems often requires the recording of signals in the 0.1–2000 Hz range. The low limit of this range is beyond typical frequency ranges of geophones, which are usually inexpensive and easily installed. Here we attempted to extend geophone frequency characteristics by multiplying the transfer functions or overdamping by negative impedance. The limits of applicability of these methods were estimated. The upper limit of the velocity recorded by a geophone is determined by the gap in which the coil shifts relative to the sensor frame. The lower limit is dependent on the total hardware noise.The Brownian noise of a mechanical oscillatory system and the noise of the measuring scheme of the channel are the principal contributors to the hardware noise. A prototype device was constructedon the base of multiplying the transfer functions. Using laboratory measurements on a shaking table and microseismic noise records, we found that the modified geophone works as a sensor with a naturalfrequency of 2 Hz. This value depends on the microseismic characteristics of the site where the device is installed. Field experiments were held near an active mine, and we were able to detect mine bursts and career explosions in the frequency range down to 2 Hz. Therefore, we conclude that the modified geophone fits the requirements for monitoring local and regional seismicity as an analog of a short-period seismometer.

Keywords: geophone, amplitude-frequency characteristic, instrumental diagram, negative resistance, attenuation, transfer function

BESEDINA Alina Nikolaevna – Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Senior Researcher, Sadovsky Institute of Geospheres Dynamics of Russian Academy of Sciences. 119334, Moscow, Leninsky Prospect, 38, bldg. 1. E-mail: besedina.a@gmail.com

KABYCHENKO Nikolay Vasilievich – Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, Senior Researcher, Sadovsky Institute of Geospheres Dynamics of Russian Academy of Sciences. 119334, Moscow, Leninsky Prospect, 38, bldg. 1. E-mail: n.kabychenko@mail.ru

PAVLOV Dmitry Vyacheslavovich – Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Leading Researcher, Sadovsky Institute of Geospheres Dynamics of Russian Academy of Sciences. 119334, Moscow, Leninsky Prospect, 38, bldg. 1. E-mail: dpav123@mail.ru

VOLOSOV Sergey Georgievich – Candidate of Technical Sciences, Senior Researcher, Sadovsky Institute of Geospheres Dynamics of Russian Academy of Sciences. 119334, Moscow, Leninsky Prospect, 38, bldg. 1. E-mail: volosovc@mail.ru

Cite this article as: Besedina A.N., Kabychenko N.V., Pavlov D.V., Volosov S.G. Instrumental schemes for extending geophone frequency characteristics, Seismicheskie Pribory, 2019, Vol. 55, no. 3, pp. 5–23. (in Russian). https://doi.org/10.21455/si2019.3-1

English translation of the article will be published in Seismic Instruments, ISSN: 0747-9239 (Print) 1934-7871 (Online), https://link.springer.com/journal/11990), 2020, Volume 56.

СЕЙСМИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ. 2019. Том 55. № 3. C.5–23. https://doi.org/10.21455/si2019.3-1