Способ определения фазового углаакустического импеданса пород

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1111 S l l 1 77

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 09.01.79 (21) 2741666/18-25 с присоединением заявки № (23) Приоритет (43) Опубликовано 07.03.81. Бюллетень № 9 (45) Дата опубликования описания 07.03.81 (51) M Кл.з

G 01Ч 1/38

Государственный комитет (53) УДК 550.83(088.8) по делам изобретений и открытий

1

E. Ф. Дубров и 7К. М. Булатова (72) Авторы изобретения (71) Заявитель

Научно-производственное объединение «Геофйзика» (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАЗОВОГО УГЛА

АКУСТИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА ПОРОД

2кht

7 нч

Изобретение относится к геоакустическим и сейсмическим методам разведки и предназначается для определения физических свойств горных пород, например пород дна водоемов (морей и рек).

Известен способ определения фазового угла акустического импеданса образцов, пород, реализуемый в специальных трубах, «трубках Кундта» (1).

Недостатком этого способа является необходимость извлечения из породы образца, который при этом изменяет свои физические свойства, что приводит к большим ошибкам в измерениях, особенно для пород дна, не имеющих жесткого скелета, обводненных или газонасыщенных (т. е. 2-х и

3-х фазных пород) . Кроме того, способ, с учетом необходимости отбора образцов, имеет малую производительность. 20

Известен также способ определения фазового угла акустического импеданса пород, основанный на излучении непрерывных акустических колебаний и определении расстояния между максимумами и миниму- 25 мами акустического давления в образовавшейся при этом стоячей волне. В этом способе измеряют линейные размеры длины волны, изменяющиеся в зависимости от фазового угла импеданса пород (2). 30

Недостатком способа является то, что при измерениях излучатель и приемник должны быть неподвижны и расположены строго определенно относительно исследуемой породы, например дна водоема. Это исключает его использование с плавающих или движущихся объектов и приводит к необходимости создания систем, фиксированных относительно исследуемой породы (дна водоема), практически — в виде устанавливаемой на дно системы или разнесенных систем, закрепляемых относительно дна.

Целью изобретения является упрощение процесса измерений.

Поставленная цель достигается тем, что излучают синхронно импульсы акустических колебаний в диапазоне до 16000 Гц и на частоте в пять или более раз большей, измеряют разность времен прихода указанных колебаний и по ее величине определяют фазовый угол акустического импеданса пород по формуле где At — разность времен прихода импульсов двух частот;

Тнч — период колебаний низкой частоты.

8111

Конкретные величины низкой и высокой частот выбираются исходя из требуемой точности определения фазового угла, Низкие частоты на практике должны лежать в области инфразвуковых частот (0,1 — 50 Гц) или звуковых частот (50—

16000 Гц), а при этом высокая частота должна в 5 и более раз быть больше низкой частоты.

Однако и при меньших соотношениях возможно определять фазовый угол, но с меньшей точностью.

На чертеже представлена схема определения фазового угла акустического импеданса для случая нормального падения акустического луча на границу раздела 1 среды (например, воды) и 2 среды (например, дна).

Измерения при углах падения, отличных от нормального, производятся по той же 20 схеме, но излучатель колебаний и приемник разнесены в пространстве, оставаясь в пределах первой среды.

Способ осуществляют следующим образом. 25

В некоторый момент времени одновременно или синхронизированно с помощью излучателя И генерируют акустический импульс низкой и высокой частот, причем низкая частота лежит в области инфразвуко- 30 вых частот (0,1 — 5,0 Гц) или звуковых частот (50 — 16000 Гц). При этом высокая частота должны в 5 или более раз быть больше низкой частоты. Излучение может быть направленным или ненаправленным. При 35 направленном излучении максимумы характеристик направленности должны быть ориентированы в пространстве в одном направлении.

Производят отсчет времени от момента 4о излучения для импульсов высокой и низкой частот.

Измеряют разность времен для двух частот и определяют фазовый угол 0 по формуле 45

2я тн,, где Л1 = 1цч — 4ч — p23HocTb Времен; Тпч— период колебаний на низкой частоте. 50

Исследование физической сущности формирования сигнала, отраженного от второй среды (например, дна), позволило установить, что формирование сигнала начинается в первой среде вблизи границы раздела 55 сред (за счет изменения упругости первой среды вблизи границы раздела сред (за счет изменения упругости первой среды присутствием второй среды) и завершается во второй среде с глубиной проникновения 60 в нее сигнала на часть длины волны, соответствующую фазовому углу 0 акустического импеданса, связанного с физическими характеристиками первой и второй сред. Следовательно, отражение происходит не от 65

77

4 физической границы раздела сред, а от мнимой границы для низкой частоты отстоящей от физической на фазовый угол 0 акустического импеданса.

Фазовый угол H для горных пород не зависит или практически не зависит от частоты, поэтому его величина в градусах или долях л на высоких и низких частотах одинакова, но соответствующие равным фазовым углам доли длин волны будут свои для каждой частоты и проникновение колебаний во вторую среду на низких частотах будет большим, чем на высоких.

Соответственно время распространения сигнала от излучателя И до границы раздела и обратно к приемнику П для низких частот будет больше, чем для высоких. Исходя из этого по разнице этих времен

4, — 4, = At определяем фазовый угол акустического импеданса.

Расчеты показывают, что присутствующая при этом ошибка за счет проникновения высокочастотных колебаний во вторую среду уже при соотношении f„= 100 f„, не оказывает существенного влияния при реально достигнутых точностях измерения интервалов времени и вступлений сигналов в геоакустику и сейсморазведке.

Например, при f„ = 100 Гц на газонасыщенных илах получаем At = 0,005 с и фазовый угол акустического импеданса 180, а на частоте 10 кГц тот же фазовый угол соответствует временному сдвигу в

0,00005 с = 50 мкС, за счет уменьшения периода колебаний в 100 раз. Эта величина и является максимальной ошибкой (1О О) в определении фазового угла предлагаемым способом, связанной с допущением о формировании отраженной волны на высокой частоте непосредственно на физической границе раздела сред.

При увеличении соотношения частот эта ошибка уменьшается. Так, например, по измерениям на тонкозернистых песках в устье

Невы на f,„16 кГц при фазовом угле

36 абсолютная ошибка составляет 6 мкС, что по отношению к частоте 100 Гц, на которой при фазовом угле 36 At составляет

0,001 с, получаем ошибку 0,6%.

Данный способ определения фазового угла акустического импеданса пород имеет следующие преимущества по сравнению с известными.

Измерительная система (излучатель-приемник) может не иметь жесткой привязки в пространстве по отношению к излучаемой границе раздела сред (пород), взаимное расположение излучателя и приемника не играет роли, определение фазового угла возможно осуществлять с любых, в том числе движущихся объектов, упрощается процесс измерений за счет того, что измеряются интервалы времени, а не расстояния между максимумами и минимумами акустического давления стоячей волны, повы811177

Формула изобретения среда

Сосгавитсль Э. Волконский

Редактор О. Филиппова Текред А. Камьпнникова

Корректор Н. Федорова

Заказ 352/6 Изд. Мв 171 Тираж 749 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений п открытий

113035, Москва, 5К-35, Раушская наб., д. 4, 5

Типография, пр. Сапунова, 2 шается точность измерений, так как современной измерительной технике доступно измерение временных интервалов с большей точностью, чем максимумов и минимумов акустического давления.

Способ определения фазового угла акустического импеданса пород путем излучения и приема акустических сигналов, о тличающийся тем, что, с целью упрощения процесса измерений, излучают синхронные импульсы акустических колебаний в диапазоне частот до 16000 Гц и на частоте в пять и более раз большей, измеряют разность времен прихода указанных колебаний и по ее величине определяют фазовый угол акустического импеданса пород по формуле

2вЫ

7нч где At — разность времен прихода импульсов двух частот;

Т„,— период колебаний низкой частоты.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Скучик Е. Основы акустики. М., изд.

15 ИЛ, т. 2, 1959, с. 24 — 26.

2. Станкевич А. П. Акустика моря. Л., «Судостроение», 1966, с. 126 — 129 (прототип).