طراحی و ساخت سامانه تصویربرداری صوتی از تأسیسات زیرزمینی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، دانشگاه جامع حسین (ع)، تهران، ایران

2 کارشناسی ارشد، دانشگاه جامع امام حسین (ع)، تهران، ایران

3 استادیار، دانشگاه جامع امام حسین (ع)، تهران، ایران

چکیده

از تأسیسات مخفی زیرزمینی برای کاربرد­های مختلف استفاده می­شود. در نتیجه وجود سامانه­های تصویربردار که اقدام به کشف این تأسیسات کند یکی از نیازمندی­ها می­باشد. در این مقاله تصویربرداری به­وسیله انتشار امواج مکانیکی در خاک بررسی می­شود. می­توان غالب تأسیسات زیرزمینی را محفظه­های هوا فرض کرد که در میانه خاک قرار گرفته­اند. هوا و خاک تفاوت فاحشی در میزان مقاومت صوتی دارند، بنابراین تأسیسات زیرزمینی می­توانند سیگنال بازتابی بزرگی را تولید کند چرا که دامنه سیگنال بازتابی به تفاوت مقاومت دو ماده وابسته است. سامانه­های لرزه­نگاری و تست غیرمخرب بتن نیز از فرایند انتشار امواج مکانیکی در ماده بهره می­گیرند، هرچند سامانه­های لرزه­نگاری، عملکرد موفقی برای کشف داشته­اند اما نیاز به چند ده متر فضا برای چیدمان تجهیزات و پیچیدگی حمل ­و نقل از مشکلات آنها است. آنها برای فضای شهری نامناسب هستند چرا که ذاتاً برای تشخیص منابع آب در عمق چند صد متری خاک طراحی و ساخته شده­اند. از طرفی تجهیزاتی مانند سامانه آزمون غیرمخرب بتن، هر چند دارای ابعاد کوچکی هستند، اما عمق نفوذ پایینی و برای این موضوع عملاً کاربردی ندارند. سامانه­های لرزه­نگاری و تست غیرمخرب بتن به ترتیب در محدوده فرو صوت و فراصوت عمل می­کنند، در این طرح تحقیقاتی، فرکانس کاری مابین دو سامانه نامبرده انتخاب می­شود، با این ایده می­توان به تجهیزاتی با ابعاد کوچک‌تر از سامانه لرزه­نگاری رسید، درحالی‌که عمق تصویربرداری بهتر از سامانه­های تست غیرمخرب است. این تحقیق در مطالعه موردی خود توانسته از فضای خالی احداث شده در زیرزمین (به‌صورت استوانه­ای با قطر 1 متر و در عمق 4 متری سطح زمین) تصویربرداری کند. دقت مکان­یابی وابسته به دانستن سرعت انتشار صوت در ماده است. از آنجا که روابط دقیقی برای سرعت انتشار صوت در هوا وجود دارد قطر استوانه با دقت حدود 4 درصد تخمین زده شد ولی به دلیل ابهام در میزان سرعت انتشار صوت در خاک (عدم امکان اندازه­گیری در این طرح تحقیقاتی) از اعداد موجود در مراجع مختلف استفاده شد که دقت 4 الی 20 درصد را نتیجه می­دهد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

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

نویسندگان [English]

  • Masoud Ardini 1
  • Ali Tamimi 2
  • Hamid Reza Khodadadi 3
  • Abbas Bashiri 2
  • Yahya Bayrami 2
1 M.Sc., Hossein University, Tehran, Iran
2 M.Sc., Imam Hossein University, Tehran, Iran
3 Assistant Professor, Imam Hossein University, Tehran, Iran
چکیده [English]

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 an 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%.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Acoustic Impedance
  • Acoustic Imaging
  • Correlation Function
[1]  S. D. Sloan, S. L. Peterie, R. D. Miller, J. Ivanov, J. T. Schwenk, and  J. R. McKenna, “Detecting clandestine tunnels using near-surface seismic techniques,” GEOPHYSICS,  vol. 80, no. 5, pp. 127–135, 2015. 
[2]  A.  Ahmadpour,  R.  Ahmadi, and A. K. Rouhani, “Detection of Cylindrical Objects Using the GPR Method Based on Numerical Forward Modeling: A Case Study of the Buried Qanat,” J. Radar, vol. 5, no. 3, pp. 37–50, 2017.
[3]  S. L. Walters, R. D. Miller, and  J. Xia, “Near surface tunnel detection using diffracted Pwaves: A feasibility study,” in SEG Technical Program Expanded Abstracts 2007, pp. 1128–1132, Jan. 2007.
[4]  S. D. Sloan et al., “Tunnel detection using near-surface seismic methods,” in SEG Technical Program Expanded Abstracts 2012, pp. 1–5, 2012.
[5]  G. Riddle, “Detection of Clandestine Tunnels using Seismic Refraction and Electrical Resistivity Tomography,” University of Alberta, 2012.
[6]  S. L. Peterie, R. D. Miller, J. Ivanov, and S. D. Sloan, “Shallow tunnel detection using SH-wave diffraction imaging,” GEOPHYSICS, vol. 85, no. 2, pp. 29–37, 2020.
[7]  Y. Wang et al., “Tunnel detection at Yuma Proving Ground, Arizona, USA — Part 1: 2D full-waveform inversion experiment,” GEOPHYSICS, vol. 84, no. 1, pp. 95–105, 2019.
[8]  D. H. Kim, U. Y. Kim, S. P. Lee, H. Y. Lee, and J. S. Lee, “Experimental studies of a geological measuring system for tunnel with ultrasonic transducer,” Geotech. Asp. Undergr. Constr. Soft Gr., pp. 536–537, 2009.
[9]  N. Dube, Introduction to Phased Array Ultrasonic Technology Applications. ‎ R/D Tech, 2004.
[10]      M. Moayeni and A. Y. Saadi, Non-destructive testing of ultrasonic method (ultrasonic). Atra, 2012.
[11]      T. Bourbié, O. Coussy, and B. Zinszner, Acoustics of Porous Media. CRC Press;, 1988.
[12]       R. J. Urick, Principles of Underwater Sound, 3rd ed. CA: Peninsula Publishing, 1983.
[13]       M. L. Oelze, W. D. O’Brien, and R. G. Darmody, “Measurement of Attenuation and Speed of Sound in Soils,” Soil Sci. Soc. Am. J., vol. 66, no. 3, pp. 788–796, 2002.
[14] Z. Shao, L. Shi, Z. Shao, and J. Cai, “Design and application of a small size SAFT imaging system for concrete structure,” Rev. Sci. Instrum., vol. 82, no. 7, p. 073708, 2011.