Математическая модель электродинамического сейсмоприёмника
Аннотация
Электродинамические сейсмоприёмники применяют в сейсморазведке, сейсмологии, охранных системах. Устройства, имеющие схожую конструкцию, можно использовать в качестве генератора в устройствах для аккумулирования энергии, системах активного управления вибрацией, для обнаружения незначительно заглубленных объектов, в том числе мин. В процессе производства сейсмоприёмников для контроля качества и постоянства характеристик необходимо измерять их амплитудно-частотную характеристику на вибростенде.
Рассмотрена математическая модель сейсмоприёмника, разработанного АО «НИИИ» (г. Балашиха, Московская область), установленного на вибростенд. Приведена конструктивная схема сейсмоприёмника с описанием последовательности его функционирования.
Для составления итоговой математической модели взят подход разделения электромеханической системы на ряд подсистем с последующим их объединением в итоговую модель. Представлено подробное описание электрической, магнитной и механической подсистем. Перечислены допущения, использованные при составлении итоговой математической модели функционирования сейсмоприёмника на вибростенде. Составлена система уравнений, описывающая взаимодействие подсистем. Дано подробное описание итоговой математической модели и каждого элемента и интерфейса, входящего в ее состав.
Для оценки разработанной математической модели выполнено сравнение результатов, полученных при расчете по модели, с результатами экспериментальной отработки двух опытных образцов в рабочем диапазоне сейсмоприёмника от 10 до 100 Гц. Для наглядности сравнение полученных результатов сделано графически. В результате сравнения выявлено, что расхождение результатов не превышает 5% по амплитуде выходного сигнала. С точки зрения практической реализации, созданную математическую модель можно применять при проектировании новых сейсмоприёмников с другими параметрами, например, с иной собственной частотой или большим значением выходного сигнала, также она может служить для построения более сложных математических моделей, содержащих в своем составе сейсмоприёмник.
Проведенное исследование стало основой для разработки более сложной математической модели сейсмоприёмника с двумя собственными частотами в рабочем диапазоне.
Литература
2. Belyakov A. Instruments for Measuring Noise Inside the Earth // Intern. J. Geophysics and Geochemistry. 2017. V. 4(6). Pp. 97—102.
3. Чистова Г.К. Модели и методы обработки сейсмических сигналов в системах распознавания. Пенза: Изд-во ПГУ, 2003.
4. Виноградов А.Е., Кухальский Н.Г. Расчет ЭДС на выходе индукционного сейсмоприемника при воздействии сейсмической волны Рэлея // Вестник БНТУ. 2008. № 4. С. 56—59.
5. Pakhomov A., Sicignano A., Sandy M., Goldburt T. Single and Three Axis Geophone: Footstep Detection with Bearing Estimation, Localization and Tracking // Unattended Ground Sensor Technol. and Appl. 2003. V. 5090. Pp. 155—161.
6. Аверьянов А.В., Глебова Г.М. Определение координат движущегося объекта сосредоточенной сейсмической системой наблюдения // Автометрия. 2014. № 4. С. 67—73.
7. Dal Bo L., Gardonio P. Energy Harvesting with Electromagnetic and Piezoelectric Seismic Transducers: Unified Theory and Experimental Validation // J. Sound and Vibration. 2018. V. 433. Pp. 385—424.
8. Glynne-Jones P., Tudor M.J., Beeby S.P., White N.M. An Electromagnetic, Vibration-powered Generator for Intelligent Sensor Systems // Sensors and Actuators. 2004. V. 110. Pp. 344—349.
9. Elliott S.J., Zilletti M. Scaling of Electromagnetic Transducers for Shunt Damping and Energy Harvesting // J. Sound and Vibration. 2014. V. 333. Pp. 2185—2195.
10. Loussert G. Magnetic Actuators for Active Powertrain Vibration Control // SAE Techn. Paper. Warrendale: SAE, 2017.
11. Muggleton J.M., Brennan M.J., Rogers C.D.F. Point Vibration Measurements for the Detection of Shallow-buried Objects // Tunnelling and Underground Space Technol. 2014. V. 39. Pp. 27—33.
12. Korman M.S., Duong D. V., Kalsbeck A.E. Electrodynamic Soil Plate Oscillator: Modeling Nonlinear Mesoscopic Elastic Behavior and Hysteresis in Nonlinear Acoustic Landmine Detection // AIP Conference Proc. 2015. Pp. 1—8.
13. Рыжов A.B. Электродинамические сейсмоприёмники. Тверь: Изд-во ГЕРС, 2009.
14. Пат. № 178065 РФ. Электродинамический сейсмоприемник с повышенной механической стойкостью / Н.Ю. Гаврюшин, И.А. Кандидатов, А.В. Попов // Бюл. изобрет. 2018. № 9.
15. Основы теории электрических аппаратов. СПб.: Лань, 2015.
16. COMSOL Multiphysics® [Офиц. сайт] www.comsol.com (дата обращения 19.08.2020).
17. AC/DC Module User's Guide. Stockholm: COMSOL Multiphysics®, 2017.
18. Иродов И.Е. Деривативное электронное издание на основе печатного издания: Электромагнетизм. Основные законы. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014.
19. Gavryushin N., Dergachev P., Kurbatov P. Mathematical Model of the Electrodynamic Seismic Sensor with Two Mechanic Oscillation Circuits // Proc. 27th Intern. Workshop Electric Drives: MPEI Department of Electric Drives 90th Anniversary. М.: MPEI, 2020. Pp. 1—5.
20. Gavryushin N., Dergachev P., Kurbatov P. Design of the Electrodynamic Seismic Sensor with Two Mechanic Oscillation Circuits // Proc. Intern. Youth Conf. Radio Electronics, Electrical and Power Eng. М.: MPEI, 2020. Pp. 1—5.
---
Для цитирования: Гаврюшин Н.Ю., Дергачев П.А., Курбатов П.А. Математическая модель электродинамического сейсмоприёмника // Вестник МЭИ. 2021. № 3. С. 33—40. DOI: 10.24160/1993-6982-2021-3-33-40.
#
1. Bashilov I.P. e. a. A New-generation Borehole Electrodynamic Seismometer for Seismological Research. J. Volcanology and Seismology. 2018;12:150—154.
2. Belyakov A. Instruments for Measuring Noise Inside the Earth. Intern. J. Geophysics and Geochemistry. 2017;4(6):97—102.
3. Chistova G.K. Modeli i Metody Obrabotki Seysmicheskikh Signalov v Sistemakh Raspoznavaniya. Penza: Izd-vo PGU, 2003. (in Russian).
4. Vinogradov A.E., Kukhal'skiy N.G. Raschet EDS na Vykhode Induktsionnogo Seysmopriemnika pri Vozdeystvii Seysmicheskoy Volny Releya. Vestnik BNTU. 2008;4:56—59. (in Russian).
5. Pakhomov A., Sicignano A., Sandy M., Goldburt T. Single and Three Axis Geophone: Footstep Detection with Bearing Estimation, Localization and Tracking. Unattended Ground Sensor Technol. and Appl. 2003;5090:155—161.
6. Aver'yanov A.V., Glebova G.M. Opredelenie Koordinat Dvizhushchegosya Ob′ekta Sosredotochennoy Seysmicheskoy Sistemoy Nablyudeniya. Avtometriya. 2014;4;67—73. (in Russian).
7. Dal Bo L., Gardonio P. Energy Harvesting with Electromagnetic and Piezoelectric Seismic Transducers: Unified Theory and Experimental Validation. J. Sound and Vibration. 2018;433:385—424.
8. Glynne-Jones P., Tudor M.J., Beeby S.P., White N.M. An Electromagnetic, Vibration-powered Generator for Intelligent Sensor Systems. Sensors and Actuators. 2004;110:344—349.
9. Elliott S.J., Zilletti M. Scaling of Electromagnetic Transducers for Shunt Damping and Energy Harvesting. J. Sound and Vibration. 2014;333:2185—2195.
10. Loussert G. Magnetic Actuators for Active Powertrain Vibration Control. SAE Techn. Paper. Warrendale: SAE, 2017.
11. Muggleton J.M., Brennan M.J., Rogers C.D.F. Point Vibration Measurements for the Detection of Shallow-buried Objects. Tunnelling and Underground Space Technol. 2014;39:27—33.
12. Korman M.S., Duong D. V., Kalsbeck A.E. Electrodynamic Soil Plate Oscillator: Modeling Nonlinear Mesoscopic Elastic Behavior and Hysteresis in Nonlinear Acoustic Landmine Detection. AIP Conference Proc. 2015:1—8.
13. Ryzhov A.B. Elektrodinamicheskie Seysmopriemniki. Tver': Izd-vo GERS, 2009. (in Russian).
14. Pat. № 178065 RF. Elektrodinamicheskiy Seysmopriemnik s Povyshennoy Mekhanicheskoy Stoykost'yu. N.Yu. Gavryushin, I.A. Kandidatov, A.V. Popov. Byul. Izobret. 2018. № 9. (in Russian).
15. Osnovy Teorii Elektricheskikh Apparatov. SPb.: Lan', 2015. (in Russian).
16. COMSOL Multiphysics® [Ofits. Sayt] www.comsol.com (Data Obrashcheniya 19.08.2020).
17. AC/DC Module User's Guide. Stockholm: COMSOL Multiphysics®, 2017.
18. Irodov I.E. Derivativnoe Elektronnoe Izdanie na Osnove Pechatnogo Izdaniya: Elektromagnetizm. Osnovnye Zakony. M.: BINOM. Laboratoriya Znaniy, 2014. (in Russian).
19. Gavryushin N., Dergachev P., Kurbatov P. Mathematical Model of the Electrodynamic Seismic Sensor with Two Mechanic Oscillation Circuits. Proc. 27th Intern. Workshop Electric Drives: MPEI Department of Electric Drives 90th Anniversary. M.: MPEI, 2020:1—5.
20. Gavryushin N., Dergachev P., Kurbatov P. Design of the Electrodynamic Seismic Sensor with Two Mechanic Oscillation Circuits. Proc. Intern. Youth Conf. Radio Electronics, Electrical and Power Eng. M.: MPEI, 2020:1—5.
---
For citation: Gavryushin N.Yu., Dergachev P.A., Kurbatov P.A. The Mathematical Model of an Electrodynamic Geophone. Bulletin of MPEI. 2021;3:33—40. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2021-3-33-40
