Принципы регистрации и измерения инфразвука
Инфразвуковые колебания, характеризующиеся частотой ниже порога
слышимости человека (20 Гц), требуют для своей регистрации
специализированных методов и аппаратуры. В отличие от звукового
диапазона, инфразвук обладает большой длиной волны и способен
распространяться на значительные расстояния с минимальным затуханием.
Однако именно эти особенности затрудняют его измерение: слабые
амплитуды, влияние фоновых шумов, необходимость высокой чувствительности
оборудования.
Регистрация инфразвука осуществляется с помощью чувствительных
преобразователей давления, способных зафиксировать медленные колебания в
атмосфере, гидросфере или твёрдых телах. Применяются микрофоны с
расширенной полосой пропускания, инфразвуковые барометры,
пьезоэлектрические и емкостные датчики, а также оптоволоконные
сенсоры.
Аппаратура для
регистрации инфразвука
Микрофоны инфразвукового
диапазона
Микрофоны, работающие в области инфразвука, представляют собой
конденсаторные или пьезоэлектрические устройства с высокой
чувствительностью к малым колебаниям давления. Особо эффективны:
- Лабораторные конденсаторные микрофоны с очень малой
собственной частотой;
- Инерционные микрофоны, измеряющие перемещение массы
относительно корпуса при воздействии инфразвуковой волны;
- Микрофоны с электростатической компенсацией
давления, использующие дифференциальный принцип измерения.
Барометры с высокой
чувствительностью
Барометры, предназначенные для регистрации инфразвука, измеряют не
абсолютное атмосферное давление, а его мгновенные флуктуации. Чаще всего
используются цифровые барометры с высокой временной дискретизацией
(порядка 100 отсчётов в секунду и выше). Важную роль играют:
- Цифровые микробарометры, работающие на принципе
дифференциального давления;
- Оптоволоконные барометры, способные улавливать
малейшие деформации, вызванные прохождением инфразвуковой волны.
Геофизические и
гидроакустические датчики
В твёрдой земле и воде инфразвук фиксируется другими средствами:
- Сейсмометры, воспринимающие низкочастотные упругие
волны в земной коре;
- Гидрофоны, улавливающие акустические колебания в
водной среде на частотах ниже 20 Гц;
- Инфразвуковые акселерометры, регистрирующие
ускорения, вызванные инфразвуковыми волнами.
Методы снижения шумов
и усиления сигнала
Одной из важнейших задач при регистрации инфразвука является борьба с
паразитными шумами. Преобладающими источниками помех являются ветровые
колебания, механические вибрации, локальные атмосферные возмущения.
Ветровая защита
Применяются специализированные ветрозащитные конструкции:
- Пористые сферы и решётки, сглаживающие колебания
давления от ветра;
- Инфразвуковые фильтры, устроенные в виде трубчатых
лабиринтов;
- Сетевые ветрозащиты — несколько микрофонов,
объединённых трубками и расположенных по окружности, что позволяет
исключить несогласованные сигналы.
Сигнальная обработка
После регистрации сигнал подвергается цифровой фильтрации, усилению,
анализу спектра и корреляционной обработке. Используются:
- Фильтры нижних частот с малой частотой среза (до
0.01 Гц);
- БИХ-фильтры с узкой полосой пропускания, выделяющие
устойчивые инфразвуковые компоненты;
- Когерентный анализ, выявляющий совместно
распространяющиеся волны;
- Методика стэкинга, суммирующая сигналы с разных
каналов для повышения отношения сигнал/шум.
Принципы калибровки
и поверки оборудования
Измерения инфразвука требуют регулярной калибровки применяемой
аппаратуры. Основными методами поверки являются:
- Акустическая калибровка с использованием
инфразвукового генератора, создающего контролируемое давление в
герметичной камере;
- Эталонные барокамеры, в которых задаются точные
колебания давления;
- Сравнительные измерения, при которых оборудование
тестируется на известных естественных источниках (например, на фоне
инфразвука, создаваемого морским прибойным фронтом).
Калибровка проводится как в лабораторных условиях, так и на месте
эксплуатации, особенно в составе стационарных инфразвуковых станций.
Сетевые и
пространственные методы регистрации
Для локализации и идентификации инфразвуковых источников используется
массивная регистрация — многоканальные сети микрофонов и барометров,
расположенные на значительном удалении друг от друга. Такие системы
позволяют:
- Вычислять направление на источник по временной задержке прихода
сигнала;
- Определять скорость распространения инфразвуковых волн;
- Строить карты распространения с учётом метеорологических
условий.
Наиболее известной является глобальная сеть IMS
(International Monitoring System), созданная для регистрации
ядерных испытаний, включающая десятки инфразвуковых станций по всему
миру.
Характеристики записей
и анализ сигналов
Инфразвуковой сигнал отличается значительной протяжённостью во
времени (от десятков секунд до нескольких минут) и сложной структурой.
Основными характеристиками являются:
- Амплитуда колебаний давления, выраженная в паскалях
или микропаскалях;
- Спектральная плотность мощности, отражающая вклад
различных частот;
- Форма волны во времени — наличие затухающей или
периодической структуры;
- Когерентность сигналов между каналами, указывающая
на наличие общего источника.
Применяются спектрограммы, вейвлет-анализ, автокорреляционные функции
и пространственно-временные диаграммы для выявления структуры сигнала и
его происхождения.
Применение данных
инфразвуковой регистрации
Измерение инфразвука используется в самых разных научных и прикладных
целях:
- Мониторинг естественных процессов: вулканов,
землетрясений, метеоритов, лавин, цунами;
- Обнаружение искусственных взрывов, в том числе
ядерных;
- Исследование атмосферной акустики и вертикальной
структуры атмосферы;
- Контроль за деятельностью промышленных объектов,
включая вентиляционные системы, двигатели, насосные установки;
- Медицинские и биофизические исследования, изучающие реакцию живых
организмов на инфразвук.
Долгосрочные инфразвуковые записи также используются в климатологии и
геофизике как индикаторы глобальных процессов в атмосфере и
литосфере.