Виброщуп контроля плотности грунта морского дна
VIBRO PROBE FOR MONITORING SEABED DENSITY

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для изучения поведения участков грунта с нарушенной и измененной плотностью в том числе на морском дне и на дне других водоемов.
Известны наиболее часто применяемые конструкции датчиков напряжений в грунтах с гибкой мембраной, мембранный датчик с жесткой шайбой, поршневой и типа «грибок» (см. статью из Интернета «Измерение напряжений в грунтах» http://helpiks.org/1-116363.html).
Недостатком данного технического решения является то, что эти конструкции датчиков реагируют не только на давление со стороны грунта, но и на гидростатическое давление воды, это существенно ограничивает технологические возможности по определению плотности грунта на дне водоемов.
Известен «Способ обнаружения и распознавания неоднородностей в поверхностном слое грунта (варианты) и виброщуп для его реализации» (см. патент RU 2275657 от 24.09.2004 г., кл. МПК: G01V 1/155) - взятый за прототип. Виброщуп, содержащий генератор тестового сигнала, усилитель мощности, виброисточник, сейсмоприемник, устройство спектрального анализа сигнала сейсмоприемника и систему распознавания, причем сейсмоприемник установлен на виброисточнике и жестко соединен с ним, а на выходе усилителя мощности установлен регулятор уровня сигнала с возможностью линейного изменения уровня сигнала на виброисточнике в течение цикла измерений, причем в качестве генератора тестового сигнала установлен генератор белого шума, а виброисточник снабжен тремя точками контакта с грунтом.
Недостатком данного технического решения, является то, что эта конструкция виброщупа имеет ограниченные технологические возможности по контролю плотности глубокозалегающих слоев грунта дна водоемов.
Задача настоящего изобретения заключается в расширении технологических возможностей по определению плотности грунта на более глубокие слои грунта дна водоемов и увеличение объема контролируемого грунта, при этом не реагируя на гидростатическое давление воды.
Поставленная задача достигается тем, что виброщуп контроля плотности грунта морского дна, содержащий генератор тестового сигнала, соединенный с усилителем мощности и виброисточником, сейсмоприемник, соединенный с устройством спектрального анализа сигнала сейсмоприемника. Виброисточник выполнен из двух, например, металлических прямоугольных пластин, длина и ширина которых определена объемом контролируемого грунта, и расположенных относительно друг друга в виде составной балки с возможностью совершения стержневых изгибных колебаний. Причем поверхность контакта пластин шлифованная с чистотой не менее Rz 40 имеет поперечные вырезы, распределенные периодически по всей длине пластин, а внешняя поверхность пластин покрыта резиновой прокладкой. На конце одной пластины установлен преобразователь электрического сигнала, соединенный с усилителем мощности и генератором тестового сигнала, а на конце второй пластины установлен сейсмоприемник, соединенный с устройством спектрального анализа сигнала сейсмоприемника.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
- на фиг. 1 общий вид сбоку расположения в грунте пластин виброисточника виброщупа контроля плотности грунта морского дна, продольный разрез;
- на фиг. 2 схема физического процесса, происходящего в пластинах виброисточника виброщупа контроля плотности грунта морского дна при малой нагрузке, вид сбоку, продольный разрез;
- на фиг. 3 схема физического процесса, происходящего в пластинах виброисточника виброщупа контроля плотности грунта морского дна при большой нагрузке, вид сбоку, продольный разрез.
Виброщуп контроля плотности грунта морского дна, содержит генератор тестового сигнала 1, соединенный с усилителем мощности 2 и виброисточником, сейсмоприемник 3, соединенный с устройством спектрального анализа сигнала сейсмоприемника 4. Виброисточник выполнен из двух, например, металлических прямоугольных пластин 5 и 6, длина и ширина которых определена объемом контролируемого грунта 7, и расположенных относительно друг друга в виде составной балки с возможностью совершения стержневых изгибных колебаний. Причем поверхность контакта 8 пластин 5 и 6 шлифованная с чистотой не менее Rz 40 имеет поперечные вырезы 9, распределенные периодически по всей длине пластин 5 и 6, а внешняя поверхность 10 пластин 5 и 6 покрыта резиновой прокладкой 11. На конце одной пластины 5 установлен преобразователь электрического сигнала 12, соединенный с усилителем мощности 2 и генератором тестового сигнала 1, а на конце второй пластины 6 установлен сейсмоприемник 3, соединенный с устройством спектрального анализа сигнала сейсмоприемника 4.
Виброщуп контроля плотности грунта морского дна работает следующим образом:
Генератором тестового сигнала 1 возбуждают, а усилителем мощности 2 усиливают электрические колебания с частотой равной частоте собственных механических стержневых изгибных колебаний составной балки, состоящей из пластин 5 и 6, плотно прижатых друг к другу, на фиг. 2 и 3 показана часть продольного разреза пластин 5 и 6. Преобразователь электрического сигнала 12, установленный на конце пластины 5, преобразует электрические колебания в механические и возбуждает механические изгибные колебания составной балки. При этом точки пучности, обозначенные буквой «А», обеих пластин 5 и 6 не перемещаются относительно друг друга потому, что в них отсутствуют напряжения сдвига. С другой стороны, в узловых точках, обозначенных буквой «Б», напряжения сдвига имеют максимальную величину, на фиг. 2 и 3 векторы сдвига обозначены буквой V. При отсутствии давления на внешнюю поверхность пластин 10, напряжения сдвига, при изгибных колебаниях, вызывают периодическое скольжение поверхностей контакта 8 пластин 5 и 6, относительно друг друга. При этом зона трения скольжения простирается вплоть до точек пучности. Скольжение поверхностей контакта 8 пластин 5 и 6, относительно друг друга максимально в узловых точках «Б» и при приближении к точкам пучности «А», равномерно уменьшается до нуля. На фиг. 2 точки «А» находятся в середине коротких отрезков, обозначенных толстой линией, эти отрезки обозначают участки в которых отсутствует скольжение пластин 5 и 6 относительно друг друга. Это зона трения покоя. При приложении равномерно распределенной силы (давления) на внешнюю поверхность пластин 10, она обозначена буквой «D» на фиг. 3, пластины 5 и 6 прижимаются друг к другу, т.е. возникает нормальная сила, вызывающая силу трения, что приводит к уменьшению зоны трения скольжения. Чем больше сила давления «D», тем меньше зона трения скольжения и, соответственно, растет зона трения покоя. С увеличением давления зона трения покоя распространяется симметрично в обе стороны от точки пучности «А». В зоне трения покоя обе пластины 5 и 6 деформируются, как «одно целое». Уменьшение зоны трения скольжения уменьшает количество рассеиваемой энергии, что в свою очередь уменьшает площадь петли гистерезиса и демпфирующую составляющую колебательного процесса и способствует увеличению амплитуды собственных колебаний составной балки. На фиг. 3 показан предельный случай, когда вся поверхность контакта 8 пластин 5 и 6 является зоной трения покоя, она показано сплошной толстой линией. Это соответствует максимальному измеряемому значению давления, дальнейшее повышение давления больше не повышает амплитуду собственных колебаний составной балки. Изменение амплитуды собственных колебаний составной балки фиксирует сейсмоприемник 3 электрический сигнал с которого поступает на устройство спектрального анализа сигнала сейсмоприемника 4. Устройство спектрального анализа сейсмоприемника 4 фиксирует величину амплитуды электрического сигнала на данной частоте, которая идентична давлению на внешнюю поверхность пластин 10 со стороны контролируемого грунта 7. При этом гидростатическое давление воды не фиксируется потому, что давление воды проникает в область поверхности контакта 8 пластин 5 и 6.
Экспериментальные исследования виброщупа показали, что при наличии в пластинах 5 и 6 поперечных вырезов 9, распределенных периодически по всей длине пластин 5 и 6, расширяет технологические возможности контроля плотности грунта, а именно позволяет увеличить длину, ширину и толщину пластин 5 и 6 и тем самым увеличить объем контролируемого грунта.
Предполагаемое изобретение позволит расширить технологические возможности по контролю плотности грунта дна водоемов на более глубокие слои грунта дна и увеличить объем контролируемого грунта, при этом не реагируя на гидростатическое давление воды.