В предыдущей статье мы рассмотрели основные инструменты по обработке сигнала во временной области и затронули алгоритм обработки сигнала для получения осциллограммы необходимой формы.
В этой статье мы рассмотрим частотную область сейсмоакустического сигнала и разберем, что к чему.
Рис. 1. Вид экрана при работе с сигналом в частотной области.
Обработка сигнала в частотной области, по мнению автора статьи, является уже высшим пилотажем в сейсмоакустике.
Если в разделе «Анализ во временной области» мы работали с осциллограммой (сигнал время/глубина), то в разделе «Обработка в частотной области» - это переход в спектр сигнала (сигнал по частоте).
Прибор применяет преобразование Фурье – автоматически разлагает сложный сигнал на отдельные частоты и показывает их в виде графика Амплитуда/Частота.
Анализ в частотной области не заменяет анализ во временной области, а дополняет его. Сначала необходимо проанализировать осциллограмму время/глубина, найти подозрительные участки, а уже затем переключиться на анализ частотной области, чтобы подтвердить или опровергнуть возможные подозрения на наличие дефекта.
Для работы в частотной области есть следующие инструменты: начальная и конечная частота; количество пиков; порог амплитуды.
Рис. 2. Инструменты обработки сигнала в частотной области.
Начальная/конечная частота: частота, с которой начинается/оканчивается поиск пиков на графике (в Гц);
Количество пиков: количество пиков, которое необходимо найти;
Порог амплитуды: минимальное значение амплитуды, при котором пик будет учитываться. Пики с амплитудой ниже этого порога не включаются в результаты поиска;
Поиск: при нажатии кнопки «Поиск» запускается процедура поиска пиков, после чего отображаются интервалы между соседними пиками.
В общем случае есть некоторые базовые моменты, на которые стоит обратить внимание:
Физика прохождения сейсмоакустического сигнала через бетон сваи такова: сплошный (бездефектный) бетон пропускает низкие частоты, а дефекты «поглощают низы» и усиливают высокие.
Анализ отношения «низ/верх».
Необходимо обратить внимание на то, какой частоты стало больше после прохода волны. Если сигнал потерял низкие частоты (значения частот ушли вверх) – это говорит о резком изменении сечения (сужение, пустота).
Отличие дефекта от контрастной геологической границы.
На осциллограмме дефект и граница между грунтами дают отражения. В частотной области отражение от границы грунтов дает низкие частоты, в то время как отражение от дефекта смещает спектр вверх.
Слепые зоны.
Иногда отражение от дефекта сливается с начальным импульсом (в пределах 1-2 м от оголовка). В частотной области эти зоны видны по изменению спектрального состава даже без четкого пика на графике.
Рассмотрим несколько примеров.
Пример 1.
Укажем интересующий нас диапазон частот и количество пиков и расшифруем полученные результаты для бездефектной сваи.
Рис. 3. Осциллограмма и спектр сигнала для сваи без дефекта.
Анализ в частотной области при следующих настройках: начальная частота – 0 Гц; конечная частота – 2400 Гц; порог амплитуды – 1; число пиков – 5.
Fm=23 Гц – это измеренная доминирующая частота сигнала (пик, который прибор посчитал самым мощным).
F0=23 Гц – расчетная частота, т.е. та, которую прибор ожидает увидеть, исходя из введённых параметров длины и скорости.
Совпадение Fm и F0 – признак того, что волна прошла через всю сваю и вернулась от пяты без искажений.
Примечание 1: Совпадением стоит считать такие значения Fm и F0, если расхождение между Fm и F0 не превышает 15%.
Пик на 23 Гц – указывает на длину сваи. Чем ниже частота, тем длиннее свая. Если бы частота была выше (например, 50 Гц) – это указывало бы на укороченную сваю или дефект.
Примечание 2: Слишком низкие частоты (менее 15 Гц) почти всегда являются артефактом (ошибкой).
Отсутствие сильных высокочастотных пиков (более 1000 Гц) – хороший знак. Если бы в этой области были мощные выбросы, то это означало бы наличие мелких дефектов или неоднородность бетона.
Пики на 117, 234, 351, 468 Гц – это кратные отражения – волна «гуляет» туда-сюда внутри сваи. Для бездефектной сваи это нормально.
F3-F2 = 234-117 = F4-F3 = 351-234 = F5-F4 = 468-351 = 117 Гц – частота, соответствующая глубине 17,95 м, что соответствует длине сваи при ее проектном значении 18,0 м.
F1=23, F2=117, F3=234, F4=351, F5=468 Гц – ровный ряд гармоник – своего рода «музыкальный» спектр целого стержня. Все пики кратны основному тону.
Разности (F2-F1=94, F3-F2=117, F4-F3=117, F5-F4=117 Гц) почти одинаковые – это подтверждает, что свая работает как однородный «волновод».
Примечание 3: Небольшое отклонение (94 Гц) является нормальным разбросом для бетона.
В качестве вывода по анализу спектра сигнала можно указать следующее: частотный анализ подтверждает достижение волной проектной глубины (17,95 м). Отношение Fm/F0=1,0. Гармоничный ряд стабилен. Дефектов не выявлено.
Пример 2.
Рис. 4. Осциллограмма и спектр сигнала для сваи с дефектом.
Анализ в частотной области при следующих настройках: начальная частота – 0 Гц; конечная частота – 2400 Гц; порог амплитуды – 1; число пиков – 5.
Рассмотрим классический случай дефектной сваи. Взглянем на графики - здесь осциллограмма и частотный анализ совпадают и рисуют одну и ту же проблему.
В целом вывод таков: свая не прошла контроль. Выявлен локальный дефект в теле сваи на глубине около 10 метров (половина длины). Волна не дошла до проектной пяты (21 м), отразившись от препятствия.
Fm=187 Гц, F0=23 Гц (не совпадают) – волна отразилась от дефекта, а не от пяты.
Первая гармоника F1 = 93 Гц – это отражение от глубины 10,7 м.
Н1 = 21,28 м (расчет по F2-F1 (94 Гц)) – это первое кратное отражение, оно указывает на глубину 10,64 м (половина от 21,28 м).
Пик осциллограммы на 21,0 м – ложный пик, т.к. частотный анализ говорит, что это не пята, а кратное отражение от дефекта, расположенного выше.
Рассчитаем место расположения дефекта по формуле:
Глубина дефекта = V / (2 × Fдефекта)
При этом:
F1 = 93 Гц - первая значимая частота после фона;
V = 4000 м/с – заданная стержневая скорость для сваи;
Глубина дефекта = 4000 / (2 × 93) ≈ 21.5 м? Это совпадает с H1 = 21.28 м. Но это не глубина до дефекта!
При частотном анализе F1 соответствует отражению от дефекта, а не от пяты. То есть дефект находится на глубине ≈ 10.6–10.8 м (половина от 21.28 м). Почему? Потому что волна проходит путь туда-обратно до дефекта и возвращается. Время двойного пробега = 2L/V. Частота = V/(2L). Отсюда L = V/(2F).
Уточненный расчет будет таким:
F = 93 Гц → L = 4000 / (2 × 93) ≈ 21.5 м — это двойной путь до дефекта и обратно.
Реальная глубина дефекта = 21.5 / 2 ≈ 10.75 м.
Что же за пик на осциллограмме на глубине 21,00 м?
Осциллограмма показывает время прихода сигнала. Если волна отразилась от дефекта на 10,75 м, пришла на датчик, а затем снова отразилась от головы сваи и пошла вниз — она может создать ложный пик на глубине, соответствующей двойному пробегу (дефект → голова → дефект → датчик). Это дает кажущуюся глубину ~21 м.
Подтверждение: В спектре вы видите F2=187 Гц, F3=257 Гц — это гармоники, кратные 93 Гц (с погрешностью). Это классический «резонанс короткого стержня» — свая ведет себя так, как будто ее длина в 2 раза меньше (≈10,5 м).
Сделаем заключение: выявлено аномальное отражение на глубине ~10,7 м. Частотный анализ показывает доминирующую частоту 93 Гц, что соответствует укороченной длине сваи (10.7 м). Отражение от проектной пяты (21.0 м) отсутствует. Предполагается наличие дефекта типа трещины, пустоты или резкого изменения сечения на указанной глубине.
Пример 3.
Рис. 5. Осциллограмма и спектр сигнала для сваи с дефектом.
Анализ в частотной области при следующих настройках: начальная частота – 0 Гц; конечная частота – 2400 Гц; порог амплитуды – 1; число пиков – 5.
Для этой сваи прибор не может однозначно определить частоту - сигнал неустойчив, показывает явный разброс гармоник, что тоже говорит о проблеме.
Заключение по первому приближению: характер спектра указывает на локальное изменение сечения или неоднородность бетона в теле сваи. Результат нестабильный — это признак дефекта, а не помехи.
F2-F1 = 117 Гц - шаг между 1-й и 2-й гармоникой соответствует глубине ~17.1 м (4000 / (2 × 117) ≈ 17.09 м).
F3-F2 = 94 Гц - шаг между 2-й и 3-й гармоникой соответствует глубине ~21.28 м (4000 / (2 × 94) ≈ 21.28 м).
F4-F3 = 70 Гц - шаг между 3-й и 4-й гармоникой соответствует глубине ~28.57 м (4000 / (2 × 70) ≈ 28.57 м).
Разброс от 70 Гц до 117 Гц — это ненормально для бездефектной сваи. Для бездефектной сваи все шаги должны быть равны одному числу (с допуском на отклонение). Здесь же «шаг» меняется — это может быть признаком: неоднородности бетона, наличия нескольких дефектов на разных глубинах, переменного сечения (свая сужается или расширяется).
Вывод можно сформулировать следующим образом: по результатам частотного анализа выявлена нестабильность гармонического ряда: шаг между гармониками варьируется от 70 до 117 Гц, что свидетельствует о наличии локальных неоднородностей в теле сваи. При этом отражение от проектной пяты (21.00 м) на осциллограмме не является достоверным, так как не подтверждается стабильным частотным откликом. Свая требует дополнительного контроля (бурение, шурфовка на глубину до 12 м) для уточнения состояния.
Анализ сейсмоакустического сигнала в спектральной области является важной составляющей в методике сейсмоакустического контроля сплошности бетона свай. Имея под рукой прибор и программное обеспечение с необходимыми инструментами обработки сигнала, можно с большой степенью достоверности проводить сейсмоакустический контроль свай.
Приборы серий МИТ КИК и программное обеспечение позволяют получить сигнал необходимой формы и полноценно проанализировать его на наличие дефектов даже буровых свай.