冲击力对地震检波器模态影响的研究

　　1　引　言

　　地震检波器的模态是复杂的,表现在[1]:其一,检波器的模态是成对出现的,不只一个模态;其二,它的模态还会发生变化—滑动。因此,研究检波器的模态及其变化规律对检波器参数的准确标定和设计加工都很有必要。此外,在工作状态下施加大小不同的冲击力,研究检波器的模态参数的变化对提高地震勘探的准确性尤为重要[2]。本文依据实测的不同大小冲击力作用下的地震检波器的响应,进行有关模态分析和讨论。

　　2　地震检波器的模态模型和测量方案

　　文献[1]给出了地震检波器的模态对(mode-pair)模型,并且指出,检波器的模态会因为外界因素的变化而滑动,典型的如与温度的变化有关,而且预言还与它所经受冲击力大小有关。在实际地震勘探中,检波器用来检测地质分层对人工地震信号的回波,而回波幅度不可避免地有大有小。在不同大小冲击力作用下,地震检波器回模态及其变化规律是本文研究的重点。

　　在模态对模型下,一只检波器受到直流阶跃电信号激励时的输出可表示为

式中f0为主模态(较低频率模态)频率;P为模态距离,即较高频率模态(副模态)与主模态的频率之比;

　　A1、A2分别为主、副模态的幅度;Bt为阻尼(系数)。因为检波器是一种特殊的机电系统,它的两个模态共用一个阻尼电路,故只有一个阻尼系数。A1/(A1+A2)可定义为模态纯度。

　　由于地震检波器对机械振动非常敏感,一般要求在隔离振动台上完成对它的准确测量。考虑到在冲击力作用下检波器的运动线圈会偏离平衡位置,产生机械振荡,从而有电压信号输出[3],故将检波器垂直固定在隔离振动台上,对其施加如式(2)表示的直流阶跃电信号,同样会使检波器的运动线圈偏离平衡位置。

　　由于阶跃电流的幅度与冲击力的大小成正比,通过调整激励电流的幅度I0便可模拟不同大小的冲击力。图1为不同冲击力作用下,检波器模态测量框图.

　　在图1中,T1、T2是检波器的两个输出端子,激励信号i(t)由GT-7型可编程地震检波器测试仪[4]提供,分析仪为带24位A/D输入的计算机虚拟仪器,采样率可达100 kbps,量化误差不超过±0·002mV。分析仪对采集到的测量数据利用式(1)进行Levenberg-Marquardt非线性最小二乘法[5]拟合,从而得到被测检波器的模态参数,拟合偏差限定在10-3~10-4量级。对地震勘探而言,关心的要点是检波器响应曲线的峰位坐标,故本文重点讨论与之相应的模态参数,包括阻尼、自然频率和模态距离。

　　3　测量数据的分析

　　图2和图3是两只自然频率标称值为28Hz的地震检波器在不同阶跃电流(等同于不同冲击外力)作用下的响应曲线。选择阶跃电流大小时,要兼顾到最小电流时检波器能正常工作,最大电流时不至于使检波器发生“撞顶”失真。经过试验发现对这种28Hz的地震检波器,激励电流在1~5mA范围比较合适。在图2和图3中,曲线I1、I2、I3分别对应的电流为1·221 7、3·362 2和4·919 1mA。