Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблема сейсмометрических измерений в широкой полосе частот 13
1.1. Измерения длиннопериодных сейсмических колебаний и связанные с ними трудности 13
1.2. Классификация сейсмических помех и шумов 16
1.3. Метрологические проблемы. Амплитуда и спектр полезного сигнала и помех 22
1.4. Помехи и их подавление 31
1.5. Флуктуации физических полей и шумовые колебания Земли 38
Выводы к главе 1 43
Глава 2. Температурные колебания и связанные с ними помехипри сейсмической регистрации 45
2.1. Изменения линейных размеров элементов прибора, воспринимаемые сейсмометром, как колебания Земли 52
2.2. Изменение характеристик прибора 56
2.3. Изменение упругих свойств подвесов и пружины вертикального маятника 59
2.3.1. Исследование крестообразных подвесов маятников 61
23 2.Исследование влияния температуры на пружину сейсмометра вертикальных движений 64
2.4. Влияние разницы в температурных коэффициентах линейного расширения бетонного постамента и металлической плиты прибора на ее изгиб 67
2.5. Собственный шум преобразователя перемещения в электрический сигнал, тепловые шумы в электронных цепях прибора, тепловые флуктуации в источниках затухания 83
2.6. Шумы, возникающие из-за неравномерности распределения температуры в разных частях (элементах) прибора, в том числе конвективные потоки воздуха в объеме кожуха 87
Выводы к главе 2 89
Глава 3. Прямое воздействие флуктуации атмосферного давления на прибор 91
3.1. Изменение температуры во внутреннем объеме прибора, обусловленное адиабатическим процессом 92
3.2. Воздействие на маятник сейсмометра вертикальных движений изменений архимедовой силы 93
3.3. Деформация корпуса прибора, вызванная разницей внутреннего и внешнего давлений 103
Выводы к главе 3 107
Глава 4. Другие шумовые воздействия на прибор и источники подобных шумов 109
4.1. Магнитные влияния 110
4.2. Гравитационные воздействия 112
4.3. Неупругие деформации пружины сейсмометра вертикальных движений 115
4.4. Воздействие вибраций 118
4.5. Влияние грозовых явлений 122
4.6. Влажность 124
4.7. Аспирационный эффект 127
4.8. Броуновское движение 128
Выводы к главе 4 129
Заключение 131
Список литературы 134
Приложение
- Метрологические проблемы. Амплитуда и спектр полезного сигнала и помех
- Изменение упругих свойств подвесов и пружины вертикального маятника
- Воздействие на маятник сейсмометра вертикальных движений изменений архимедовой силы
- Неупругие деформации пружины сейсмометра вертикальных движений
Введение к работе
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
8 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 быть меньше, чем 10"7 - 10"8м. При этом необходим динамический диапазон 80 — 100 дБ. (Отметим, что минимальное перемещение макроскопических тел, которое можно зарегистрировать (превосходящее хаотичное тепловое 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 А.В. 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:
Определение влияния на сейсмометр основных помехогенных факторов (изменений температуры и давления), создание для этого теоретических моделей генерации помех и выполнение их экспериментальных проверок.
Выяснение физической природы воздействий других явлений, процессов и эффектов на генерацию помех и оценка этих влияний.
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:
Впервые в одной работе рассмотрен весь комплекс помехогенных факторов широкополосной сейсмической аппаратуры.
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.
В рамках аналитической модели впервые получена частотная зависимость кажущегося перемещения грунта от угла начального изгиба крестообразных подвесов маятника сейсмометра.
Комплексное исследование температурных зависимостей силы, развиваемой пружиной, и параметров вертикального маятника позволило получить
10 уточненную формулу для смещений грунта, эквивалентных действию температуры. Оптимизируя подбор материалов, можно минимизировать помехи даже без применения элинварных сплавов.
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.
Предложена и обоснована новая трактовка понятия помехозащищенности, учитывающая возможности первичной обработки сейсмических данных.
Впервые методами теории оболочек исследован механизм передачи колебаний атмосферного давления в объем герметизированного прибора. Определены деформации плит для различных моделей кожухов приборов.
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.
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 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.
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.
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);
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.
Метрологические проблемы. Амплитуда и спектр полезного сигнала и помех
Метрологическое обеспечение сейсмометрических наблюдений может быть охарактеризовано следующей проблематикой. Использование теоретических методов анализа влияния факторов внешней среды на погрешности средств измерений затруднительно. Характер влияния нестабилен, трудно интерпретируем, изменчив при переходе от станции к станции и от экземпляра к экземпляру одного и того же средства измерений. Надо отметить и методологическую сложность получения зависимостей неизвестного вида от нескольких переменных, возможности исследования поведения которых весьма ограничены и мало достоверны, особенно в отношении совместных влияний факторов при изменении их значений. Указанные трудности — есть следствие системности как самих приборов, так и более сложных систем их включающих. Однако тот предел за которым доминирует эмергентность еще не достигнут. Считая систему сейсмометра суммативной, можно не только по отдельности рассматривать помехогенерирующие факторы и минимизировать их влияние, но и попытаться добиться взаимной компенсации помех [74].
Осложняется задача тем, что при постоянных попытках улучшить данные, представление о том, какими должны быть идеальные записи, весьма расплывчаты. В определении того, какие сигналы должны быть скомпенсированы, отфильтрованы или исключены при первичной обработке, приходится в значительной мере полагаться на интуицию.
Формально в сейсмологии и сейсмометрии метрологическая ситуация столь же парадоксальна — одни и те же процессы колебания земной поверхности в зависимости от частотного диапазона, поставленной задачи или просто по традиции могут измеряться в единицах смещения, скорости или ускорения. Например, для расчетов конструкций на сейсмостойкость используется, как правило, ускорение колебаний грунтов. Для энергетических оценок, для оценок напряжений и деформаций - скорость колебаний. Исследование сверхдлиннопериодных колебаний оказывается удобнее проводить, используя единицы изменения силы тяжести. Так приливные движения с амплитудой 0,07 м соответствуют возмущению силы тяжести около или, по-другому, 20 мкГал.
В качестве средства измерения СП должны быть оценены по величине собственного шума [138]. Любая подобная оценка производится в конечном счете для того, чтобы ее результаты могли быть в последующем использованы. В связи с этим, они должны быть представлены в удобном для сравнительного анализа виде [91]. Однако и здесь нет необходимого единообразия. В качестве выходного сигнала сейсмометрической системы могут использоваться напряжение, ток или разряды оцифровки. В связи с этим для оценки шума места установки аппаратуры, шума, вносимого изменениями физических полей и собственного шума прибора могут применяться все эти как входные, так и выходные единицы измерений. Помимо этого, есть и другие способы сравнения уровня шумов. В научной литературе приводятся спектральные шумовые характеристики сейсмических датчиков с использованием различных способов определения: кривые спектральной плотности мощности шумов (СПМШ) по ускорению, спектральные кривые ускорения для среднеквадратичной, пик или пик-пик амплитуды, полученных с применением 1/6-декадных или 1/2 октавных фильтров, спектральные кривые для скорости или перемещения. В качестве масштабных единиц используются децибелы или десятичный логарифм амплитуды спектра регистрируемой функции, представленные как зависимость от частоты, периода (или логарифма периода) в секундах. Это обстоятельство делает почти невозможным сопоставление приборов. Наиболее распространенной сейчас "становится кривая СПМШ ускорения в децибелах, примененная для LNM Петерсона (J.Peterson) [150, 156]. LNM сконструирована на основе изучения шумовых характеристик наиболее тихих, в сейсмическом смысле, местах сейсмостанций Lajitas (Техас), Deep Springs (Калифорния) и Каркаралинск (Казахстан). Кривая суммирует самые низкие наблюдаемые вертикальные сейсмические шумовые уровни во всем частотном диапазоне сейсмических явлений [136]. Это чрезвычайно полезно для оценки качества сейсмических станций, для определения возможности распознавания слабых сигналов и для разработки сейсмических датчиков. Пример применения модели приведен на рис. 4.
Построение такой оценки очень удобно для определения степени загрубления приборов. Естественно, почти все сейсмостанций имеют уровень шума выше LNM, причем некоторые из них во много раз. На большинстве станций превышение шумом уровня LNM в 10 раз на коротких периодах может рассматриваться как очень хороший показатель. Морские микросейсмы в диапазоне от 1 и 20 секунд имеют большой сезонный ход и могут достигать уровня, превосходящего LNM на 50 дБ. Длиннопериодные помехи на записи горизонтального сейсмометра могут даже на «тихой» станции из-за влияния наклонов достигать громадных величин, и станции, горизонтальный шум которых в интервале от 100 до 300 секунд не превышает вертикальный более чем на 20 дБ, могут рассматриваться как хорошие.
Тем не менее, при методических исследованиях и для решения конструкторских задач диаграмма СПМШ не столь удобна. Подобные представления шума трудно интерпретируемы и при поиске источника помех.
Пример применения модели LNM при определениях уровня шума станции Нью-Йорк1. Для станции определены уровни шумов по компонентам Z, N, Е суточных и сезонных измерений (наверху слева и справа), сравнение шума компонент (внизу). Нижние штриховые линии на графиках соответствуют модели LNM.
Суть способа получения кривых СПМШ для сейсмодатчиков заключается в более или менее длительной синхронной регистрации сейсмического ПОЛЯ в одном и том же месте с возможно наименьшим естественным фоном двумя максимально идентичными приборами. Когерентная составляющая записей выбрасывается, а остаток служит оценкой сверху для шума, исходя из предположения, что шумовые характеристики обоих приборов одинаковые. Так как абсолютно уравнять коэффициенты передачи невозможно, то часть когерентной составляющей остается в оценке инструментального шума. Также надо учитывать, что шумы приборов, вызванные одними и теми же колебаниями физических полей, частично взаимно сокращаются. СПМШ ШПС приведены на рис. 5.
Изменение упругих свойств подвесов и пружины вертикального маятника
Как указывалось ранее, влияние на флуктуации температуры внутри объема прибора не обусловливаются исключительно изменениями внешней температуры. Поэтому целесообразно исследовать температурный шум на записи, генерируемый элементами, расположенными под колпаком прибора, именно как функцию внутренней температуры. Отдельно следует рассматривать законы изменения этой температуры. В данном случае нужно пользоваться не условными КТИ (см. п.2.1.), отражающими влияние внешней температуры, а «настоящими» коэффициентами.
Как отмечает большинство авторов [45 и др.], главными помехогене-рирующими факторами являются температурные изменения свойств упругих элементов. С температурой меняется их модуль упругости и геометрические размеры.
Механические осцилляторы редко полностью соответствуют линейным моделям затухания. Линейная модель является неплохим приближением, если основную долю затухания составляет воздушное трение. На практике же обычно рассеяние энергии в маятнике происходит, во-первых, путем выделения тепла и, во-вторых, посредством структурных перестроек. Классическая тепловая модель затухания (термоупругое демпфирование) хорошо описывает ситуацию при высоких частотах колебаний, в то время как структурные изменения оказывают более заметное влияние при низких частотах [141]. Демпфирование, основанное на структурных изменениях, нелинейно по своей природе, и это лишает смысла (особенно на низких частотах) использование обычных инструментов для оценки шума сейсмометра. Так, например, минимальный шум сейсмометров обьино рассчитывается на основе оценки броуновского шума.
Проблема с пружиной сейсмометра вертикальных движений также состоит в том, что закон Гука учитывает лишь пару потенциальная -кинетическая энергии и не полностью описывает состояние пружины. Реально в выражении для потенциальной энергии [145] присутствуют члены, не описываемые элементарной теорией, а более корректное описание этих явлений еще недостаточно разработано.
Особенно остро проблема проявляется при использовании маятников малой массы (micro-electromechanical-systems - MEMS-технология). Элементарная теория просто не работает. При рассмотрении малых масс переход от непрерывного затухания к дискретному становится все более необходимым. Лишь в крупных системах (как оценивается в [37] при массе маятника более 50 г) большое число статистических данных дает повод для применения плавного гауссовского распределения. Но это не касается небольших систем, работающих на малых энергиях.
Потенциальная параболическая функция размывается наложением возможных состояний, характеризующих переходы в зернах поликристаллических металлических материалов, служащих для изготовления упругих элементов маятников [5].
Оценивая шум, создаваемый упругими элементами сейсмометра с помощью элементарной теории закона Гука, мы заранее обрекаем себя как минимум на десятипроцентную ошибку. Однако, учитывая скорее качественный и сравнительный подходы исследования, мы можем на данном этапе не принимать в расчет возникающие здесь неточности. Более подробно помехогенные свойства упругих элементов (имеются в виду помехи не только температурного происхождения - см. п.п.4.3. и 4.4.) описаны нами в [39]
Воздействие на маятник сейсмометра вертикальных движений изменений архимедовой силы
Любой сейсмометр вертикальных движений, собранный по традиционной схеме (в том числе речь идет о приборах с наклонным расположением маятника), представляет собой колеблющуюся вокруг оси систему, имеющую справа и слева от нее разные объемы. Таким образом, существует нескомпенсированный момент объема МОЕ = V\R\ — V2R2, где V\ и V2 — суммарные объемы деталей маятника, расположенных с разных сторон оси вращения, R\ и — расстояния от «центров масс» этих объемов до оси.
Архимедова сила выталкивания создает в результате этого момент на оси маятника МА = pgMoz, где р — плотность воздуха, g — ускорение силы тяжести. При начальном атмосферном давлении Ро этот момент компенсируется моментами упругих элементов и силы тяжести. Вариации давления во внутреннем объеме прибора ЛРпр вызывают появление дополнительного переменного момента на маятнике АМд = Л/ М)Б- При малых ЛРПР / Ро, изменение плотности можно представить как Ар = /?ЛРпр/ Р0.
Пользуясь этими соотношениями, можно определить величину допустимого нескомпенсированного момента объема М0ъ маятника или предельную величину вариации давления- внутри прибора ЛРПР, которые не вызывают заметных помех на записи. Если принять допустимую приведенную ко входу прибора погрешность на длинных периодах 10"5 м, то для дозволенных вариаций давления во внутреннем объеме прибора [52] (считая их гармоническим процессом) имеем: где К — момент инерции маятника, /s — его приведенная длина, Т — период колебаний давления. Оценим порядок ЛРМАХ Для наших примеров (см. Приложение 6) при изменении давления с периодом 3600 секунд. Некомпенсированный момент объема для сейсмометров SK-1 и «усредненного» будет 2,82 10"6 м4 и 8 10"5 м4 соответственно. Значения остальных параметров возьмем из Приложения 3. В таком случае вариации давления во внутреннем объеме прибора ЛРПР не должны превышать 6,7 - 10"2 Па и 1,73 10"3 Па для тех же примеров.
Рассмотрим, удовлетворяют ли сейсмометры современных конструкций этим требованиям. Возникающая при флуктуациях атмосферного давления разница давлений снаружи прибора и в его внутреннем объеме деформирует кожух, изменяя его внутренний объем, в результате чего внутреннее давление также флуктуирует, но с некоторой редукцией (инерциальными эффектами, то есть смещением фаз внутренних и внешних флуктуации давления, в данном рассмотрении можно пренебречь ввиду их малости). Надо учитывать, что изменение внутреннего давления сокращает эту редукцию, то есть при расчете прогибов элементов кожуха прибора необходимо принимать во внимание не просто амплитуду вариаций атмосферного давления, а действительную, гораздо меньшую разницу наружного и внутреннего давлений.
Амплитудные колебания внутреннего давления можно рассчитывать по формуле (50). При теоретическом рассмотрении полезно помнить, что наихудшим вариантом (имеющим место быть на высоких частотах) является адиабатический процесс, так как при нем вариации давления АРПР в у раз больше где у — показатель адиабаты для воздуха.
Для каждого конкретного прибора зависимость АРПР от колебаний внешнего давления АР 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 заранее определить приблизительный уровень помехи, генерируемой по этому каналу.
Снижение влияния изменений архимедовой силы успешно может быть решено без значительных увеличений веса и габаритов кожуха прибора. Однако при применении кожухов одинакового объема, но разных конструкций, величина изменений внутреннего объема, а, следовательно, и внутреннего давления, может различаться на несколько порядков.
Остановимся на сравнении этих конструкций чуть подробнее. Так как придумать какую-либо другую плиту прибора, кроме плоской, затруднительно, рассматривать будем форму колпака. С точки зрения изменения внутреннего объема под действием разницы внутреннего и внешнего давлений наилучшим будет, естественно, колпак в виде полусферы. Однако из-за нетехнологичности и неудобства компоновки такие колпаки не находят применения. Виды использующихся кожухов представлены на рис. 19.
Наибольший прогиб под действием распределенной силы (давления) испытывает плоскость, поэтому самым лучшим является вариант «б», а сочетающим высокую технологичность и приемлемые характеристики -вариант «в». Рекомендации по параметрам цилиндрического колпака с плоским верхом, я думаю, будут представлять некоторый интерес. В Теории упругости (см., например, [68]) для расчета плоских конструкционных элементов, удовлетворяющих условию где h - толщина элемента, а /к - наименьший размер основания, применяют термин «тонкие пластинки».
Неупругие деформации пружины сейсмометра вертикальных движений
В настоящее время, в связи с применением датчиков смещения в сейсмометрах и расширением рабочей полосы частот в сторону низких частот до тысячных герца и далее, вопросы компенсации дрейфа нуль-пункта сейсмометра вышли на первый план, что среди геофизических приборов было характерно ранее в основном для гравиметров. По [104], причины дрейфа могут быть отнесены к четырем группам: 1) воздействия температуры, 2) воздействия атмосферного давления, 3) наклоны, 4) ползучесть пружины. Надо различать внешние по отношению к прибору помехи и свойства самого устройства сейсмометра, вытекающие из особенностей его конструкции. В дрейфе нуля маятника вертикальных движений основная роль, по-видимому, принадлежит пружине. При изменениях ее параметров возникают существенные помехи на сейсмической записи во всем рассматриваемом нами частотном диапазоне, і правда, в разной степени.
При длительном нагружении появляется новый фактор воздействия на материал - время. В условиях длительного статического нагружения (а с точки зрения воздействия на материал рабочее растяжение пружины можно считать статическим нагружением) появляются такие эффекты, как ползучесть металла и релаксация напряжений, непосредственно связанная с ползучестью.
Ползучесть — это деформация, накапливающаяся с течением времени. Практически в любом материале проявляется свойство ползучести. В отличие от нечувствительной к скорости деформации пластичности, при ползучести нет поверхностей текучести и, таким образом, нет пластического упрочнения или разупрочнения.
При постоянной нагрузке деформации изменяются с течением времени (рис. 24). Существует первоначальная упругая деформация (%), после чего деформация медленно увеличивается даже при постоянном напряжении. Ползучесть обычно рассматривают как сочетание трех фаз или периодов (см. рис. 24а). В течение первичной фазы ползучести (0 є Є\) упрочнение материала приводит к уменьшению скорости течения, которая первоначально очень высока. В течение вторичной фазы {є\ є Єї) скорость течения почти постоянна. В течение третичной фазы ( є R) скорость деформации увеличивается. Реальные зависимости деформации от времени [67] могут быть сопоставлены с теоретической кривой с большим трудом (см. рис. 246, где приведены диаграммы испытаний одинаковых образцов материала при различном нагружении). Практическое - значение для нас имеет поведение материала на установившейся стадии. Рис. 24. Кривые ползучести (зависимость деформации є от времени т); а — теоретическая кривая (три фазы ползучести), б — реальные кривые ползучести, в - развитие процесса по различным сценариям, 0 — упругая деформация, Єї — &2 — участок линейной деформации, sR -деформация разрушения.
Современное состояние знаний не позволяет теоретически надежно предсказать характеристики поведения материала в условиях длительного статического нагружения. Корреляция между свойствами материала при ползучести и его механическими характеристиками, по-видимому, мала или вовсе отсутствует [67]. Поэтому трудно прогнозировать поведение материала при ползучести в ожидаемых эксплуатационных условиях. В последних исследованиях [25] установлен факт неустойчивости стационарной скорости ползучести, который подразумевает возможность развития процесса по различным сценариям (см. рис. 24в).
Считается, что ползучесть может происходить при любых ненулевых значениях нагрузок и температур. Однако данных о ползучести при низких температурах и напряжениях в 2-3 раза меньших предела текучести весьма мало. Моделирование свойств материала пружины может быть проведено с помощью программы ANSYS [114]. В ней, по эмпирическим данным, экстраполируемым на конкретные случаи, подбираются коэффициенты степенной функции для скорости ползучести є = BaN, где а — напряжение в материале, В - коэффициент ползучести, a JV - показатель ползучести. Зависимость скорости ползучести от средней температуры эксплуатации пружины определяется аналогично с помощью выражения є = Се т, где С и у — коэффициенты, Т — абсолютная температура. Для низкотемпературной и высокотемпературной ползучести подбираются разные коэффициенты. При этом можно считать, что до температуры, составляющей температуры плавления (то есть примерно до 150С для элинвара), ползучесть практически не зависит от температуры. Этим снимается сомнение в целесообразности применения активного термостатирования, требующего повышения температуры в объеме прибора на 10 - - 15 , по сравнению с помещением. Но оценки скорости ползучести, проведенные для вышеуказанных условий по разным источникам, отличаются на порядки. Так, согласно [5], для элинварнои пружины имеем оценку Ю сги1, по [114] значение скорости ползучести составляет 10"7сш, результат эксперимента, описанного в [55] представляет значение 2-Ю 5 сш. Приняв последнее (максимальное) значение за отправную точку, рассчитаем ЭПГ для усредненного сейсмометра и сейсмометра SK-1 (см. Приложение 6). Удлинение пружины в результате ползучести может быть представлено таким образом: Az = 2,78-10 є z т, где є — скорость ползучести [cm], z - рабочая длина пружины [м], т - время [с]. При подобном изменении длины пружины дрейф нуль-пункта сейсмометра может быть выражен gcN следующим соотношением: Ag = 2,78-10" —є zr, где m - масса маятника, г — плечо силы тяжести маятника относительно оси его вращения, N — плечо приложения силы пружины, с — жесткость пружины, z - рабочая длина пружины. Подставляя конкретные величины, получаем для усредненного сейсмометра и для сейсмометра SK-1 (см. Приложение 6) 2,3-10"4-т мкГал и 8,7-10 -7 мкГал соответственно (напомним, что время г дано в секундах).
В работе [55] описан эксперимент по определению ползучести пружины сейсмометра, продолжавшийся 400 суток. На приборе, конструкция пружины которого и нагружение близки к конструкции и нагружению пружины усредненного сейсмометра, получена оценка 7,5 мкГал/сутки, что соответствует 8,68-10"5-т мкГал. Для проверки значений ползучести и ее влияния на поведение нуль-пункта сейсмометра был проведен аналогичный эксперимент на приборе SK-1 (см. Приложение 4). Дрейф нуль-пункта сейсмометра, обусловленный ползучестью, который по расчетам должен был быть на полпорядка больше, идентифицировать не удалось. Это может быть связано как с неправильностью оценки величины ползучести, так и с особенностями протекания эксперимента (пропорциональное времени смещение могло бать замаскировано шумами).
