پژوهشگران به رهیافت جدیدی دست یافتهاند که میتوان با بهرهگیری از آن در آزمونهای آکوستیک آزمایشگاهی، اثرات ناخواستهی بوجود آمده بواسطهی انعکاس امواج آکوستیکی از مرزهای ابزار آزمایشگاهی را حذف کرد.

ژئوفیزیکدانان برای تصویربرداری از سطوح زیرین زمین تا ۵۰ کیلومتر معمولاً از فناوری تصویربرداری بر پایهی اصول زلزلهشناسی استفاده میکنند. این آزمایشهای مربوط به زلزله (که بسیار شبیه به ماوراء صوتی در پزشکی است) شامل اندازهگیری پراکندگی امواج آکوستیک از زیرِ زمین است. برای مثال در یک آزمایش زمینلرزهای دریایی، آرایهای از تفنگهای هوایی، سیگنالی آکوستیک را ایجاد میکنند که در آب و زیر سطح زمین منتشر میشود. یک کشتی که با کابلهایی به طول کیلومترها بکسل میکند و سپس امواج پراکنده از زیرسطحی را ثبت میکند که با استفاده از آن میتوان هندسهی زیرسطح زمین را بازسازی کرد (شکل یک).

شکل ۱) طرحی از یک سفر زیردریایی. منبعی (S) روی محفظهای سیگنالی آکوستیکی ایجاد میکند که در آب و به درون زیر سطح زمین منتشر میشود. کشتی کابلهایی به طول چندین کیلومتر را با حسگرهایی که امواج بازتابیده از زیرسطحی را ثبت میکند میکشد. زمان بندی، دامنه و فرکانس امواج بازتابیده اطلاعاتی در مورد ساختار زمین و زیرسطحیاش بدست میدهد.

روشهای زلزلهشناسی در طول دهههای گذشته به شکل پیوستهای بهبود یافتهاند [1] و هرچند غالباً با کاربردهایی برای جستجوی هیدروکربن به پیش رفتهاند اما با اهداف علمی همچون مطالعهی پوستهی زمین نیز پیشرفتهایی داشتهاند. با این حال بازسازی هندسهی زیر سطح زمین از اندازهگیریهای آکوستیکی یک فرآیند ذاتاً پیچیده باقی مانده است. پژوهشگران برای آزمایش مدلهای انتشار امواج زلزله و فناوریهای بازسازی، تمایل داشتهاند تا آزمایشهای کنترلشده و در مقیاس کوچک آزمایشگاهی را به انجام برسانند. با این وجود برخلاف آزمایشهایی که در محیط باز انجام میشود، طرحهای آزمایشگاهی با دیوارههای دستگاه آزمایشگاهی محدود میشوند. اکنون، تئودور بکر ( Theodor Becker) از موسسهی فناوری فدرال سوئیس (ETH) در زوریخ و همکارانش به صورت تجربی رهیافتی موسوم به انتشار همهجانبهی موج (immersive wave propagation) را به اثبات رساندهاند. این رهیافت قادر است به شکل موثری مرزها را شفاف ساخته، بازتابهای ناخواسته را حذف کرده و محفظهی آزمایش را طوری بسازد که گویی در مقیاس بزرگتر قرار دارد [2]. هرچند این کار برای یک کانال یکبعدی به اثبات رسیده است، رهیافت این پژوهشگران به زودی قابل تعمیم به ترکیببندیهای دوبعدی و سه بعدی خواهد بود.

در میان چالشهای بسیاری که در مقابل آزمایشهای زلزلهشناسی وجود دارد، دو چالش بویژه رعبآوراند. اولاً برای مدلسازی یکبعدی و اهداف تصویربرداری فرض برآن است که پوستهی زمین را میتوان یک محیط کشسان در نظر گرفت که میرایی آن قابل اغماض است. این فرض در بسیاری از موارد عملی معتبر نیست. چالش دوم از این حقیقت ناشی میشود که بازسازی تصویری، یک مسئلهی معکوس است: یعنی از مجموعهای از اندازهگیریهای موج آکوستیکی، توپولوژی که چنان امواجی را تولید کرده است بازسازی میشوند. برای آنکه این مسئله بخوبی مطرح شود بایستی تعداد کافی از اندازهگیریها انجام شود تا پارامترهای بسیار زیادی که برای توصیف ساختار زیرسطحیِ پیچیده لازم است، بدست آیند. حتی اگر یک نقشهبرداری زلزلهشناختی سه بعدی در ابعاد ۲۰۰ کیلومتر در ۲۰۰ کیلومتر انجام شود و ترابایتها داده جمع آوری شود، پارامترهای سطح را نمیتوان به شکل کاملی بدست آورد.

آزمونهای آزمایشگاهی با طرحی کنترلشده و بهینهسازی استراتژیهای داده، به محققان در مقابله با این چالشها و برای مطالعهی اثرات میرایی کمک کند. با این حال چینشهای آزمایشگاهی محدودیتهای مهمی دارند. مقیاس آنها ضرورتاً باید هزاران برابر کوچکتر از ساختارهای در مقیاس کیلومتر زمین باشد. آزمایشها باید در یک محفظه انجام شوند که معمولاً مخزنی با اندازهی محدود است. بازتابهای آکوستیک پیچیده و چندگانه از دیوارههای این مخزن مقایسهی دادههای میدانی را با دادههای آزمایشگاهی دشوار میسازد. سیستمی که در آن مرزها شفاف ساخته میشوند مشکل انعکاس را حذف کرده و به شکل موثری اندازهی مخزن را افزایش میدهد. یک راهحل شهودی برای این مسئله استفاده از لایههای جاذبی است که امواج بازتاب شده در مرزها را میرا سازد. با این حال چنان روشهایی به طور کامل قادر به حل این مشکل نیستند بیشتر به خاطر اینکه جاذبهای کاملی وجود ندارند که به ازای گسترهی وسیعی از فرکانسهای آکوستیک بکار روند.

پژوهشگران برای غلبه بر محدودیتهای جاذبهای انفعالی (Passive) به شکل نظری به جستجوی روشهای پرداختهاند که شامل منابع فعال (Active) هستند و بازتابها را بواسطهی تداخلهای مخرب خنثی میکنند. یک پیشنهاد بدوی توسط رون میتت (Rune Mittet) در سال ۱۹۹۴ ارائه شد. میتت با استفاده از مدلسازی عددی نشان داده است که اگر میدان موجی در سطحی که توسط حجم یک آزمایش زلزلهشناسی احاطه شده است ثبت شود خواهیم دید که یک ترکیب صحیح از منابع تکقطبی و چندقطبی در سطح قادر است یک میدان موجی کشسان اختیاری را در درون حجم بازتولید کند (شکل ۲). بر اساس این نتیجهگیری، دیگرِ پژوهشگران نشان دادهاند که این فرآیند بازتولید را میتوان برای ایجاد میدانی بکار برد که دقیقاً اثر بازتاب در مرزها را خنثی کرده [4-6] و منجر به روش انتشار موج همهجانبه میشود.

شکل ۲) نموداری که اختلاف بین میدان موجی فرودی که در منطقه‌ی آزمایش و بازسازی آن منتشر می‌شود را نشان می‌دهد که توسط میتت محاسبه شده است. میدان موجی بازسازی شده با امواج آکوستیک برپایه‌ی اندازه‌گیری‌های میدان موجی اصلی در مرزهای آزمایش (نشان داده شده با خطوط بریده) تولید می‌شوند. اختلاف بین میدان ورودی و بازسازی شده در درون منطقه‌ی آزمایش به صفر نردیک می‌شود.

اکنون بکر (Becker) و همکارانش این ایدههای نظری را به آزمایشی فیزیکی مبدل کردهاند. این تیم از منابع فعال و تکقطبیهایی که در مرزها و با رایانه کنترل میشوند استفاده کردهاند. در اصل، هم منابع تکقطبی و هم دوقطبی برای خنثیسازی کامل پراکندگیهای مرزی نیاز است اما مهندسی منابع دوقطبی آکوستیک چالشبرانگیز است. بکر و همکارانش سهم منبع دوقطبی را با وارد کردن لایهای مرزی که ضریب انعکاس موثر وابسته به فرکانس دارد جابجا کردهاند. این رهیافت مشابه اتاقکهای فعال بدون پژواک است که اخیراً توسعه یافتهاند [7] که در آنها از منابع خنثیکنندهی نویز برای حذف پژواک ناشی از دیوارهها بهره برده شده است. اتاقکهای فعال عملکرد بهتری - بویژه در گسترهی فرکانس پایین ۷۰ هرتزی- نسبت به اتاقکهای منفعل دارند (که بر اساس پوشش جاذب روی دیوارههاست).

این تیم برای اولین بار اصل انتشار موج همهجانبه را با انجام آزمایشهایی در لولهی صوتی یکبعدی به دارازی ۱۴۵ سانتیمتر که با هوا پر شده است را به اثبات رساندهاند. آنها امواج آکوستیکی را با یک اسپیکر در یک انتهای لوله و قرار دادن منایع همهجانبه در انتهای دیگر لوله ایجاد کردهاند. روش انتشار موج همهجانبه نیازمند مشخصهیابی در نقطهای در طول لوله و میدانهای موجی داخلی و بیرونی در زمان واقعی است. نویسندگان این پژوهش این کار را با اندازهگیری میدان فشار و گرادیان آن با استفاده از میکروفنهایی به فاصلهی ۲۱ سانتیمتری از منبع انجام دادهاند. نتایج این تحقیق نشان میدهد که طرح انتشار موج همهجانیه به کاهشی بیشتر از ۹۵ درصد در انرژی بازتابی از مرزها (در گسترهی فرکانسی سه اکتاو ۰/۶ – ۶/۵ کیلوهرتز) منجر میشود.

این پژوهشگران انتشار موج همهجانبه را در یک ترکیببندی یک بعدی و برای گسترهی باریکی از فرکانسها حدود ۲ کیلوهرتز به اثبات رساندهاند. برای تعمیم آن به گسترهی فرکانسی پهنتر و به سهبعد، پژوهشگران لازم است به چندین پرسش پاسخ دهند: تعداد بهینه از حسگرها برای طرح سه بعدی چنتاست؟ چقدر باید از هم فاصله داشته باشند و آیا آنها باهمدیگر تداخل خواهند داشت؟ این ساختار چگونه اثر حسگری میدان موج را پشتیبانی خواهد کرد؟ آیا منابع تکقطبی انرژی لازم در فرکانسهای پایین را برای این طرح تامین خواهند کرد؟ برخلاف این چالشها معتقدیم که این فناوری آکوستیکی جدید امکانات جدیدی برای آزمایشها و کاهش چشمگیر شکاف میان آزمایشهای میدانی و آزمایشهای انجام یافته در آزمایشگاه را کاهش دهد.

این پژوهش در مجلهی فیزیکال ریویو اکس انتشار یافته است.

مراجع:

1. M. Landrø and L. Amundsen, Introduction to Exploration Geophysics with Recent Advances (Bivrost, Trondheim, 2018); https://bivrostgeo.no/wp-content/uploads/2018/04/IEGRA-92-preview-red.pdf.
2. T. S. Becker et al., “Immersive Wave Propagation Experimentation: Physical Implementation and One-Dimensional Acoustic Results,” Phys. Rev. X 8, 031011 (2018).
3. R. Mittet, “Implementation of the Kirchhoff Integral for Elastic Waves in Staggered‐Grid Modeling Schemes,” Geophys. 59, 1894 (1994).
4. D.-J. van Manen, J. O. A. Robertsson, and A. Curtis, “Exact Wave Field Simulation for Finite-Volume Scattering Problems,” J. Acoust. Soc. Am. 122, EL115 (2007).
5. M. Vasmel, J. O. A. Robertsson, D.-J. van Manen, and A. Curtis, “Immersive Experimentation in a Wave Propagation Laboratory,” J. Acoust. Soc. Am. 134, EL492 (2013).
6. F. Broggini, M. Vasmel, J. O. A. Robertsson, and D.-J. van Manen, “Immersive Boundary Conditions: Theory, Implementation, and Examples,” Geophys. 82, T97 (2017).
7. D. Habault, E. Friot, Ph. Herzog, and C. Pinhede, “Active Control in an Anechoic Room: Theory and First Simulations,” Acta Acust. united Ac. 103, 369 (2017).

منبع:

Acoustic Experiments without Borders