طراحي و ساخت سامانه تصويربرداري صوتي از تأسيسات زيرزميني

The Design and Construction of an Acoustic Imaging System for Imaging Underground Facilities

از تأسيسات مخفي زيرزميني براي كاربرد­هاي مختلف استفاده مي­شود. در نتيجه وجود سامانه­هاي تصويربردار كه اقدام به كشف اين تأسيسات كند يكي از نيازمندي­ها مي­باشد. در اين مقاله تصويربرداري به­وسيله انتشار امواج مكانيكي در خاك بررسي مي­شود. مي­توان غالب تأسيسات زيرزميني را محفظه­هاي هوا فرض كرد كه در ميانه خاك قرار گرفته­اند. هوا و خاك تفاوت فاحشي در ميزان مقاومت صوتي دارند، بنابراين تأسيسات زيرزميني مي­توانند سيگنال بازتابي بزرگي را توليد كند چرا كه دامنه سيگنال بازتابي به تفاوت مقاومت دو ماده وابسته است. سامانه­هاي لرزه­نگاري و تست غيرمخرب بتن نيز از فرايند انتشار امواج مكانيكي در ماده بهره مي­گيرند، هرچند سامانه­هاي لرزه­نگاري، عملكرد موفقي براي كشف داشته­اند اما نياز به چند ده متر فضا براي چيدمان تجهيزات و پيچيدگي حمل ­و نقل از مشكلات آنها است. آنها براي فضاي شهري نامناسب هستند چرا كه ذاتاً براي تشخيص منابع آب در عمق چند صد متري خاك طراحي و ساخته شده­اند. از طرفي تجهيزاتي مانند سامانه آزمون غيرمخرب بتن، هر چند داراي ابعاد كوچكي هستند، اما عمق نفوذ پاييني و براي اين موضوع عملاً كاربردي ندارند. سامانه­هاي لرزه­نگاري و تست غيرمخرب بتن به ترتيب در محدوده فرو صوت و فراصوت عمل مي­كنند، در اين طرح تحقيقاتي، فركانس كاري مابين دو سامانه نامبرده انتخاب مي­شود، با اين ايده مي­توان به تجهيزاتي با ابعاد كوچك‌تر از سامانه لرزه­نگاري رسيد، درحالي‌كه عمق تصويربرداري بهتر از سامانه­هاي تست غيرمخرب است. اين تحقيق در مطالعه موردي خود توانسته از فضاي خالي احداث شده در زيرزمين (به‌صورت استوانه­اي با قطر 1 متر و در عمق 4 متري سطح زمين) تصويربرداري كند. دقت مكان­يابي وابسته به دانستن سرعت انتشار صوت در ماده است. از آنجا كه روابط دقيقي براي سرعت انتشار صوت در هوا وجود دارد قطر استوانه با دقت حدود 4 درصد تخمين زده شد ولي به دليل ابهام در ميزان سرعت انتشار صوت در خاك (عدم امكان اندازه­گيري در اين طرح تحقيقاتي) از اعداد موجود در مراجع مختلف استفاده شد كه دقت 4 الي 20 درصد را نتيجه مي­دهد.

As underground hidden facilities are used for various applications, imaging systems are required for the detection and recognition of these facilities. In this paper, imaging by mechanical wave propagation in the soil is investigated. Most underground facilities can be considered as air chambers located in the middle of the soil. Air and soil have a large difference in acoustic impedance, so underground facilities can produce a large reflective signal because the amplitude of the reflected signal depends on the difference in impedance of the two materials. Seismic and non-destructive concrete testing systems also use the process of propagation of mechanical waves in the material. Although seismic systems have been successful in the detection issue, they require several meters of space for equipment layout, and transportation complexity is also one of their problems. They are unsuitable for urban space because they are inherently designed to detect water sources at depths of several hundred meters. On the other hand, while the non-destructive concrete testing system equipment have suitable dimensions, they have low penetration depth which is impractical for this purpose. Seismic and non-destructive testing systems of concrete operate in the range of subsonic and ultrasonic waves, respectively. This research project proposes the idea that by choosing a n operating frequency between the two mentioned ranges, it is possible to obtain equipment with the appropriate dimensions for imaging underground facilities. In this project we managed to image an underground constructed cylindrical cavity with the diameter of 1 meter and the depth of 4 meters. The accuracy of this method depends on the sound propagation speed in the material. Since there are accurate relationships for the propagation speed of sound in air, the diameter of the cylinder was estimated with an accuracy of about 4%, but with the measurement of propagation speed being infeasible in this project, leading to the ambiguity in the value of propagation speed of sound in soil, the values cited in several reference sites were used, giving the accuracy of 4 to 20%.