АКУСТИЧЕСКИЙ ОБНАРУЖИТЕЛЬ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА ЗВУКА В ГРУНТЕ

Техническое решение относится к горному делу, а именно к технике контроля направленного горизонтального бурения, и может быть использовано для определения местоположения работающей в грунте пневмоударной машины.
Известно устройство для непрерывного определения местоположения бурового инструмента по заявке на получение патента РФ №93003423/03, кл. E21B 47/022, опубл. БИ №18, 1995 г., включающее приемные блоки, которые дополнительно снабжены тремя преобразователями колебательной скорости, блоками ориентации по крену и дифференту, блоками ввода начальных относительных координат по углу азимута и по дальности, предварительными усилителями, полосовыми фильтрами и тремя блоками умножения, а число приемных блоков ограничено лишь двумя.
Недостатки данного устройства - размещение его отдельных блоков на буровой установке и передача информации на поверхность земли по проводному каналу связи, что снижает надежность устройства.
Наиболее близким устройством по технической сущности и совокупности существенных признаков является устройство, реализованное в способе определения угла отклонения пневмопробойника от заданной траектории по патенту РФ №2338876, кл. E02P 5/18, G01V 3/08, опубл. в БИ №32, 2008 г., включающее передатчик, передающую антенну в виде несимметричного вибратора, состоящего из: пневмопробойника, диска из диэлектрика, диска из проводящего материала, первую приемную антенну, вторую приемную антенну, развязывающее устройство, приемник, устройство сравнения, индикатор. При этом выход передатчика соединен с диском из проводящего материала и с пневмопробойником. В передающей антенне пневмопробойник соединен с диском из диэлектрика, который соединен с диском из проводящего материла. Выходы первой приемной антенны и второй приемной антенны соединены со входами развязывающего устройства, выход которого соединен со входом приемника, соединенного со входом устройства сравнения, а выход устройства сравнения соединен с индикатором.
Недостатки указанного устройства заключаются в изменении конструкции машины для формирования направленного электромагнитного излучения, что снижает надежность устройства при воздействии на него ударно-вращательных нагрузок, сложность настройки приемного устройства за счет использования СВЧ диапазона электромагнитных волн и ограниченная дальность и точность действия устройства за счет большого коэффициента поглощения электромагнитных волн в грунте.
Техническая задача акустического обнаружителя горизонтального местоположения источника звука в грунте (далее - устройство) заключается в упрощении его настройки, так как передающее устройство работает в низкочастотной области, повышении его дальности и точности за счет обеспечения достаточного уровня сигнала на выходе умножителя. Надежность устройства повышается за счет отсутствия вмешательства в конструкцию пневмоударной машины, что в совокупности расширяет возможности применения указанного устройства в условиях сооружения длинных подземных переходов при воздействии на рабочий орган пневмоударной машины больших ударно-вращательных нагрузок. А расширение возможностей использования устройства при статических технологиях сооружения подземных переходов происходит за счет использования в качестве источника звука любого акустического излучателя.
Поставленная техническая задача решается тем, что в акустический обнаружитель горизонтального местоположения источника звука в грунте, содержащий передающее устройство, приемное устройство и устройство сравнения, согласно техническому решению дополнительно введены умножитель, пиковый детектор, устройство согласования и устройство обработки информации. При этом приемное устройство содержит первый и второй каналы, соединенные выходами с двумя соответствующими входами умножителя, выход которого соединен со входом пикового детектора, соединенного со входом устройства согласования, которое выходом соединено с первым входом устройства обработки информации. Первый и второй выходы приемного устройства соединены с соответствующими входами устройства сравнения, выходом соединенного со вторым входом устройства обработки информации.
Указанная совокупность признаков позволяет обеспечить достаточный уровень принимаемого сигнала на выходе умножителя для однозначного определения местоположения источника звука, например, работающей пневмоударной машины в горизонтальной плоскости, что повышает точность и дальность устройства. За счет использования низкочастотного сигнала передающего устройства упрощается настройка приемного устройства. В случае использования в качестве передающего устройства иного источника звука (акустического излучателя) расширяются возможности использования устройства при статических технологиях сооружения подземных переходов.
Целесообразно в качестве передающего устройства использовать совершающую ударное воздействие на грунт пневмоударную машину. Это исключит вмешательства в ее конструкцию, то есть повысит надежность устройства, и расширит возможности использования устройства при ударных технологиях сооружения скважин, а также увеличит его дальность за счет формирования акустического сигнала большой мощности.
Целесообразно, чтобы первый канал приемного устройства состоял из последовательно соединенных первого акустоэлектрического преобразователя и первого усилителя низкой частоты, а второй канал приемного устройства - из последовательно соединенных второго акустоэлектрического преобразователя и второго усилителя низкой частоты. Применение узконаправленных акустоэлектрических преобразователей повысит точность способа.
Сущность технического решения поясняется примером реализации устройства и чертежами фиг.1, 2, где на фиг.1 изображена структурная схема устройства; на фиг.2 - практически измеренная диаграмма распределения акустической мощности, создаваемой движением пневмоударной машины в грунте в горизонтальной плоскости.
Структурная схема устройства состоит (см. фиг.1) из передающего устройства 1, приемного устройства, содержащего два канала: первый канал состоит из последовательно соединенных первого акустоэлектрического преобразователя 2 и первого усилителя 3 низкой частоты, а второй канал - из последовательно соединенных второго акустоэлектрического преобразователя 4 и второго усилителя 5 низкой частоты, а также устройства сравнения 6, умножителя 7, пикового детектора 8, устройства 9 согласования, устройства 10 обработки информации. Выходы усилителей 3 и 5 низкой частоты (выходы первого и второго канала приемного устройства) соединены с двумя соответствующими входами умножителя 7, соединенного выходом со входом пикового детектора 8, выход которого соединен со входом устройства 9 согласования, которое выходом соединено с первым входом устройства 10 обработки информации. Выходы усилителей 3 и 5 низкой частоты (первый и второй выходы приемного устройства) соединены с соответствующими двумя входами устройства 6 сравнения, соединенного выходом со вторым входом устройства 10 обработки информации.
Устройство работает следующим образом. В качестве передающего устройства 1 (фиг.1) используют совершающую ударное воздействие на грунт пневмоударную машину для формирования потока акустической мощности, обеспечивающей достаточную интенсивность сигнала на входе акустоэлектрических преобразователей 2 и 4, которые закрепляют на штанге на фиксированном расстоянии друг от друга. Оператор перемещает штангу в горизонтальной плоскости вдоль и перпендикулярно оси движения пневмоударной машины и фиксирует максимальный уровень сигнала на устройстве 10 обработки информации, таким образом определяя местоположение передающего устройства 1 в горизонтальной плоскости.
1
2
1
2
Передающее устройство 1 - пневмоударная машина движется по заданной траектории, при этом частота ее ударов составляет единицы Герц. Акустоэлектрические преобразователи 2 и 4 преобразуют акустическую мощность, создаваемую передающим устройством 1 - пневмоударной машиной, совершающей ударное воздействие на грунт, в электрический сигнал, уровень которого зависит от расстояния между каждым акустоэлектрическим преобразователем 2 и 4 и передающим устройством 1, а также от свойств среды и ее неоднородности. При этом на выходе акустоэлектрических преобразователей 2 и 4 выделяют одинаковые по амплитуде напряжения сигналы (например, это точки со значением напряжения U и U на фиг.2), пропорциональные сигналу, создаваемому передающим устройством 1. Далее амплитуды электрических сигналов усиливают с помощью усилителей 3 и 5 низкой частоты на частоте, равной частоте основной гармоники спектра сигнала передающего устройства 1, и подают на вход умножителя 7. На выходе умножителя 7 получают максимальное значение выходного напряжения, уровень которого отслеживают с помощью пикового детектора 8. Устройство 9 согласования предназначено для прохождения сигнала с выхода пикового детектора 8 на вход устройства 10 обработки информации, где отображают измеренное максимальное значение амплитуды выходного сигнала. Одновременно сигналы с выходов усилителей 3 и 5 низкой частоты подают на вход устройства 6 сравнения. На выходе устройства 6 сравнения получают разность амплитуд выходных напряжений с усилителей 3 и 5 низкой частоты, которая при перемещении передающего устройства 1 - пневмоударной машины по заданной траектории теоретически равна нулю: U-U=0.
3
4
вых
ус
3
4
ус
вых
вых
При отклонении передающего устройства 1 от заданной траектории в горизонтальной плоскости происходит уменьшение амплитуды сигнала на выходе умножителя 7, а на вход акустоэлектрических преобразователей 2 и 4 поступают разные значения мощностей, которые эквивалентны амплитудам выходных напряжений, например U и U на фиг.2. На выходе устройства 6 сравнения выделяют сигнал: ΔU=К·(U-U), где К - коэффициент усиления усилителя 3 или 5 низкой частоты. По уровню ΔU судят об угле отклонения передающего устройства 1 - пневмоударной машины в горизонтальной плоскости, а по знаку ΔU определяют направление отклонения машины - вправо или влево. В результате на устройстве 10 обработки информации постоянно присутствует информация о максимальном значении сигнала, создаваемого движением пневмоударной машины в грунте, и результат разности напряжений с каждого выхода приемного устройства, по которой судят о местоположении машины и об ее отклонении вправо или влево в горизонтальной плоскости.
1
2
3
4
1
2
В случае, если возникает неоднозначность в определении максимального значения сигнала на выходе умножителя 7, соответствующего размещению акустоэлектрических преобразователей 2 и 4 непосредственно над центром удара, т.е., например, когда: U·U=U·U, необходимо с помощью устройства 6 сравнения выполнять сравнение сигналов с выходов двух приемных каналов, и об однозначности в определении местоположения пневмоударной машины можно судить только если: U-U=0.
Экспериментально установлено, что при использовании акустического сигнала, создаваемого движущейся в грунте пневмоударной машиной, можно определять ее местоположение и отклонение от заданной траектории вправо или влево в горизонтальной плоскости с точностью до 10 см (см. фиг.2).
В качестве передающего устройства 1 может быть использована не только пневмоударная машина, например, при статических технологиях сооружения подземного перехода можно использовать в качестве передающего устройства 1 любой акустический излучатель.