1
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.
Известен также способ определения фазового угла акустического импеданса пород, основанный на излучении непрерывных акустических колебаний и определении расстояния между максимумами и минимумами 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.
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
Ir.
в:
А/ - разность времен прихода
импульсов двух частот; Тпч - период колебаний низкой частоты. Конкретные величины низкой и высокой частот выбираются исходя из требуемой точности определения фазового угла. Низкие частоты на практике должны лежать в области инфразвуковых частот 5 (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 меньщих соотнощениях Ю возможно определять фазовый угол, но с меньшей точностью. На чертеже представлена схема определения фазового угла акустического импеданса для случая нормального падения 15 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 разнесеиы в пространстве, оставаясь в пределах первой среды. Способ осуществляют следующим образом. В некоторый момент времени одновременно или синхронизироваино с помощью излучателя И генерируют акустический имиульс 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. Нри 35 направленном излучении максимумы характеристик направленности доллшы быть ориентированы в пространстве в одном направлений, Производят отсчет времени от момента 40 излучения для импульсов высокой и низкой частот. Измеряют разность времен для двух частот и определяют фазовый угол в по формуле- А/, где А/ 14 - /вч - разность времен; Г„ч- 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 6 акустического импеданса, связанного с физическими характеристиками первой и второй сред. Следовательно, отражение происходит не от 65 25 45 физической границы раздела сред, а от мнимой границы для низкой частоты отстоящей от физической на фазовый угол в акустического импеданса. Фазовый угол в для горных пород не зависит или практически не зависит от частоты, поэтому его величина в градусах или долях я 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 нч - вч A/f определяем фазовый угол акустического импеданса. Расчеты показывают, что присутствующая при этом ошибка за счет проникновения высокочастотных колебаний во вторую среду уже при соотношении /вч ЮО/нч не оказывает существенного влияния при реально достигнутых точностях измерения интервалов времени и вступлений сигналов в геоакустику и сейсморазведке. Например, при /нч 100 Гц на газонасыщенных илах получаем А/ 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 (1%) 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 /вч 16 кГц при фазовом угле 36° абсолютная ошибка составляет 6 мкС, что по отношению к частоте 100 Гц, на которой при фазовом, угле 36° А/ 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-приемпик) 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, повышается точность измерений, так как современной измерительной технике доступно измерение временных интервалов с большей точностью, чем максимумов и минимумов акустического давления.
Формула изобретения
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
с, 2яДг
нч
где Д - разность времен прихода импульсов двух частот;
УНЧ - период колебаний низкой частоты.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1.Скучик Е. Основы акустики. М., изд. ИЛ, т. 2, 1959, с. 24-26.
2.Станкевич А. П. Акустика моря. Л., «Судостроение, 1966, с. 126-129 (прототип).
