Localization of Acoustic Emission Sources According to the Data of a Distributed System of Combined Receivers

Abstract

Акустико-эмиссионный метод является одним из эффективных методов неразрушающего контроля напряженно-деформированного состояния пород. При этом источником сигнала служат сами исследуемые породы. Сигналы геоакустического излучения представляют собой комбинацию импульсов различной амплитуды, длительности (порядка 30-100 мс) и частоты заполнения (до 10 кГц), с крутым фронтом и плавным спадом. Частота следования импульсов варьируется от единиц в минуту до нескольких сотен в секунду в зависимости от напряженно-деформированного состояния пород. В статье представлены результаты эксперимента по определению расстояния до источников высокочастотного акустического излучения, генерируемого в приповерхностных осадочных породах. Регистрация таких сигналов осуществлялась с помощью установленной в естественном водоеме распределенной системы, состоящей из двух комбинированных приемников и одного всенаправленного приемника звукового давления. Использование комбинированных приемников дает возможность восстановить пространственно-временное распределение вектора колебательной скорости частиц среды в волне, используя векторно-фазовые методы, и определить направление на источник сигнала. Локализация источников излучения осуществлялась двумя способами: триангуляцией и по разнице времени прихода сигналов с разнесенных приемников. Измерены координаты более чем 40 источников акустического излучения, построено их пространственное распределение. Погрешность измерений составила менее 0.5 м. В работе представлены направления для дальнейшего развития исследования для повышения точности локализации источников излучения. Настоящая статья является расширенной и переработанной версией одноименного доклада, представленного авторами на XIII международной конференции «Солнечно-земные связи и физика предвестников землетрясений» (25 – 29 сентября 2023, с. Паратунка, Камчатский край). The article relates to the field of non-destructive testing of the stress-strain state of rocks in seismically active regions using the acoustic-emission method. The studied rocks are the source of the signal. Long-term studies in Kamchatka show that geoacoustic emission signals are a combination of pulses of various amplitudes, duration (about 30-100 ms) and fill frequency (up to 10 kHz), with a steep front and a smooth decline. The pulse repetition rate varies from units per minute to several hundred per second, depending on the stress-strain state of the rocks. The article presents the results of an experiment to determine the distance to sources of high-frequency acoustic radiation generated in near-surface sedimentary rocks. An underwater distributed acoustic system installed in Mikizha lake in Kamchatka is used to record signals. Two combined receivers are used as sensors, recording sound pressure and three of its gradients, and one sound pressure receiver. The direction to the source of the geoacoustic signal recorded by each receiver is determined by vector-phase methods. After that, radiation sources are localized in two ways: by triangulation and by the difference in the arrival time of signals from spaced receivers (empirical implementation of the difference-range-measuring method). The features of the application of the methods are described, taking into account the design features of the registration system. During the experiment, the coordinates of more than 40 sources of geoacoustic emission were measured, and their spatial distribution was plotted. The measurement error was less than 0.5 m. The paper presents directions for further development of research to improve the accuracy of emission sources localization. This article is an expanded and revised version of the report of the same name, presented by the authors at the XIII international conference “Solar-terrestrial relations and physics of earthquake precursors” (September 25 – 29, 2023, Paratunka, Kamchatka).