Способ определения фазового углаакустического импеданса пород

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 11 11 ВИ 177 Союз Советских Социалистических Республик(45) Дата опубликования описания 07.03.81 сударственнык комит СССР делам изобретен) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАЗОВОГО УГЛ АКУСТИЧЕСКОГО ИМПЕДАНСА ПОРОДИзобретение относится сейсмическим методам азначается для опред ойств горных пород н доемов (морей и ре ). к геоакустическим разведки и предления физических апример пород дна Л 1 - разнос пульсо- период ты.мен прихода имастот;ний низкой частову леба Известен способ определения фазовогоугла акустического импеданса образцов,пород, реализуемый в специальных трубах,трубках Кундта 11,10Недостатком этого способа является необходимость извлечения из породы образца, который при этом изменяет свои физические свойства, что приводит к большимошибкам в измерениях, особенно для пород 15дна, не имеющих жесткого скелета, обводненных или газонасыщенных (т. е. 2-х и3-х фазных пород). Кроме того, способ, сучетом необходимости отбора образцов,имеет малую производительность. 20Известен также способ определения фазового угла акустического импеданса пород, основанный на излучении непрерывных акустических колебаний и определениирасстояния между максимумами и минимумами акустического давления в образовавшейся при этом стоячей волне. В этом способе измеряют линейные размеры длиныволны, 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 формуле81113Конкретные величины низкой и высокойчастот выбираются исходя из требуемойточности 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 частотадолжна в 5 и более раз быть больше низкой частоты.Однако и при меньших соотношениях 1 Овозможно определять фазовый угол, но сменьшей точностью.На чертеже представлена схема определения фазового угла акустического импеданса для случая нормального падения 15акустического луча на границу раздела 1среды (например, воды) и 2 среды (например, дна).Измерения при углах падения, отличныхот нормального, производятся по той же 20схеме, но излучатель колебаний и приемник разнесены в пространстве, оставаясь впределах первой среды,Способ осуществляют следующим образом. 25В некоторый момент времени одновременно или синхронизированно с помощьюизлучателя И генерируют акустический импульс низкой и высокой частот, причем низкая частота лежит в области инфразвуковых 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 бытьнаправленным или ненаправленным. При 35направленном излучении максимумы характеристик направленности должны бытьориентированы в пространстве в одном направлении.Производят отсчет времени от момента 40излучения для импульсов высокой и низкойчастот.Измеряют разность времен для двух частот и определяют фазовый угол О по формуле 452 яТгде Л 1 = 1, - 1,; - разность времен; Т, - период колебаний на низкой частоте. 50Исследование 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 О акустического импеданса, связанного с физическими характеристиками первой и второй сред. Следовательно, отражение происходит не от 65 774физической границы раздела сред, а от мнимой границы для низкой частоты отстоящей от физической на фазовый угол О акустического импеданса.Фазовый угол 6 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 1 НЧ - 1 = Л 1 определяем фазовый угол акустического импеданса.Расчеты показывают, что присутствующая при этом ошибка за счет проникновения высокочастотных колебаний во вторую среду уже при соотношении = 100 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 М = 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 ,= 16 кГц при фазовом угле Зб абсолютная ошибка составляет 6 мкС, что по отношению к частоте 100 Гц, на которой при фазовом угле 36 Л 1 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, повы81171 Формула изобретения гавитсль Э. Волконский Текред А. Камышников Коррек филиппова. Федоров едакт Заказ 352/6 Изд.171 Тираж 749 Подписно НПО Поиск Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4,5апунова, 2 ипография, п 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 породпо формуле2 вЫ17 нч где Л 1 - разность времен прихода импульсов двух частот; Тн, - период колебаний низкой частоты. ю Источники информации,принятые во внимание при экспертизе