КОМПЬЮТЕРНАЯ ДЕКРЕПИТАЦИЯ.
С незначительными изменениями и дополнениями.
В работе предложен нетрадиционный подход к получению результатов измерения методом акустической декрепитации. Методика получения результатов основывается на выделении отдельных классов помех и сигналов с последующим их распознаванием и вычитанием из совокупности звуков. Такие действия над сигналом позволяют: существенно повысить точность метода, решать задачи по стандартизации условий измерений и предложить новые направления в исследовании минералов.
In work is offered nontraditional approach to getting the results of measurement by the method acoustic decrepitation. Strategy of getting the results is upon on the separation of individual classes of hindrances and signals with following their perceive and subtraction from the collection of sounds. Such actions on the signal allow: creature raise accuracy of method, decide problems on standardizations of conditions of measurements and offer new directions in mineral study.
Метод декрепитации появился еще в 1949 году и с тех пор исследователи не пришли к однозначной трактовке результатов, ни к единым стандартам проведения самого анализа. Совокупность этих и прочих причин привела к потере интереса среди большинства геологов к этому методу, хотя он оказывается весьма эффективным при поиске по ореолам пропаривания слепых рудных тел.
Достижения в компьютерных технологиях сегодняшнего уровня позволили предложить новый подход к старому методу. В работе приводятся данные и описание метода, которые позволяют подтвердить или опровергнуть некоторые утверждения авторов, статей посвященных стандартизации метода. Описание механизма изучения позволит в дальнейшем объяснить целый ряд явлений происходящих в минералах и включениях при нагревании, а главное геологи смогут получать более точную информацию о температурной зональности изучаемого объекта.
С 1953 года методика и оборудование не претерпели принципиальных изменений, и представляет собой некую конструкцию, состоящую из: печки, где нагревается проба, микрофона для прослушивания микровзрывов ГЖВ, усилителя, термопарного измерителя температуры и счетчика регистратора.
При нагреве пробы регистрируется число взрывов и температура, после чего по этим данным строят график. Главным недостатком прибора является то, что он не различает собственно взрывы и помехи связанные с термическими явлениями в минералах. Аппаратурные помехи здесь не рассматриваются, предполагается высочайшее качество аппаратуры.
Среди таких помех можно выделить три группы.
В известных разработках (А.Д. Хотеев [1]) по методу декрепитации главный упор сделан на применение селективных фильтров в аналоговых цепях, но как показали мои опыты, они практически не спасают от таких шумов (позже в личной беседе с автором было выяснено их применение, но из статьи очевиден первый вариант).
Мною было предложено две модели, которые позволяют достаточно четко разделить все упоминающиеся шумы на два класса.
К первому классу относятся большинство звуков связанных с жестким соударением. Поскольку зерна и осколки имеют некую массу, жесткость и объем, то при соударении они будут колебаться на некоторых частотах являющимися резонансными. В случае если их целостность не нарушена, их резонансная частота будет постоянной, а амплитуда будет уменьшаться в соответствии с законом затухающего колебания.
Модель второго класса включает в себя большее число гармоник связанных с ростом и образованием трещин. Эта модель гораздо более тонкая и явления, происходящие в ней, полностью не раскрыты, и она включает в себя собственно взрывы ГЖВ и трещины термического расширения, возможно и помехи возникающие при фазовых переходах. Поскольку на сегодня не известен четкий критерий разделения звуков связанных с трещинными процессами на большее число классов, в объеме данной работы будем считать второй класс полезным сигналом, так как разрыв минерала содержащего ГЖВ сопровождается схожими явлениями.
Рассмотрим некое включение в центре сферы. При температуре Т происходит зарождение плоской трещины радиусом r. Теперь рассмотрим процесс роста трещины. В момент времени t1 радиус трещины будет r1, в следующий момент времени радиус будет r2 и так далее. При зарождении трещины возникает гармоническое колебание на резонансной частоте равной f(r), в момент времени t1 частота равна f(r1), в момент времени t2 частота равна f(r2) и так далее.
В результате построения математических моделей по вышеизложенным принципам можно построить трехмерную функцию амплитуды от частоты и от времени для каждого класса. Общим для этих поверхностей, будет резкий подъем до максимального значения и пологий спуск, если смотреть со стороны оси времени. Частотная ширина и положение по частоте таких поверхностей будет определяться геометрией зерна и количеством соударений или новообразованных трещин в конкретный момент времени.
Различия будут заключаться в разной ориентации направления падения горба поверхностей. Для первого класса это направление будет параллельным относительно оси времени, для второго класса это направление будет направлено в сторону возрастания времени и уменьшения частоты.
Важным моментом данного критерия является полная независимость положения поверхности относительно осей, так как для их определения используется их морфология, а не их конкретное положение.
Очевидно, вручную такой анализ провести практически не возможно, и единственным решением остается использовать компьютерные методы сбора и обработки сигналов, что и было сделано.
Для проведения опыта использовался компьютер типа IBM с процессором 486-120, оперативной памятью 16 мегабайт, винчестером емкостью 2.5 гигабайта и шестнадцатибитной звуковой картой фирмы Creativ. Программы создавались с помощью DELPHI 3 и работали в среде WINDOWS 95 OSR. По моим наблюдениям, к сожалению, эта минимально возможная конфигурация, которую имеет смысл применять только для эксперимента.
Сигнал с микрофона усиливался высококачественным усилителем и через звуковую карточку поступал в ЭВМ с частотой дискретизации 44100 герц (П. Шкритек [2]), где производилась его обработка. После выделения частотных составляющих производилось построение поверхности в программе SURFER ver 6.0 и контрольные поверхности строились в ручную. Момент декрепитации подсекался визуально и на графике сравнивался с моделями.
На основе сравнения реального сигнала с приведенными выше моделями был сделан вывод о правильности первой модели и некоторых недоработках во второй модели. Поверхность для второго класса получилась более сложной, но она отличается от поверхности первого класса, что позволяет использовать первую модель для отделения помехи от остальной совокупности звуковых явлений.
После более детального изучения поверхностей оказалось, что применение аналоговых узкополосных фильтров не дает реального повышения точности, потому что распределение частот для первого и второго класса не является постоянным. Из-за этого получается, что фильтр может пропустить сигнал первого класса и не пропустить сигнал второго класса. Поскольку к моменту публикации алгоритм распознавания поверхности не отработан, приводятся графики двух сигналов из разных классов снятых с реальных образцов.
Кроме того, количество сигналов относимых к первому классу во время опыта получилось несколько больше, чем сигналов второго класса.
В предложенной методике нет необходимости в применении ждущего мультивибратора, который вносит некоторую ошибку в результаты в виде мертвого времени. Построение поверхности позволяет разделять смещенные во времени и, или по частоте пики и подсчитывать звуки второго класса с некоторым смещением заведомо меньше мертвого времени.
Важно отметить, что применение современной техники позволяет сохранять непосредственно измеренный сигнал и произвести его повторный пересчет, так как захочет это исследователь и подобрать уникальные настройки под каждую пробу.
На основе выше изложенного можно говорить о новом направлении в исследовании минералообразующих сред, принципиально ином способе интерпретации полученных данных, с помощью которого можно решать более точно не только сугубо геологические задачи, но и задачи связанные со стандартизацией условий измерения.
В предложенной методике удалось обнаружить следующие недостатки.
Неприятности выявленные после публикации.
При проведении испытаний на фракциях 0,25-0,5 мм выявился следующий недостаток. Нет четкого разделения сигнала в области частот более 5 кГц. Объясняется это особенностью АЦП и небольшим временным интервалом для преобразования Фурье [например Дж. Бендат, А. Пирсол. Измерение и а нализ случайных процессов. Москва. "Мир", 1974. и др.]. Наиболее эффективное решение данной проблемы- это значительно увеличить частоту дискретизации АЦП, что приводит к резкому удорожанию аппаратуры.
Литература.
Copyright ©1999 Levin