專利名稱：聲波探測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及聲波探測裝置，尤其是涉及聲波探測裝置的隔聲體。
背景技術(shù)：
聲波探測裝置一般由發(fā)射器、接收器、隔聲體以及電子線路部分組成。隔聲體是連 接發(fā)射器與接收器的機械結(jié)構(gòu)。隔聲體的設(shè)計既要考慮機械連接的強度要求，更要考慮對 于聲波的隔聲效果。對于隔聲效果的評價有兩個物理量聲衰減強度以及聲延遲量。聲衰 減強度是指聲波的某一分量在特定頻率下的能量衰減大小，用分貝(dB)量度。聲延遲量是 指聲波在隔聲體上傳播的快慢，用慢度(S/M)量度。聲波探測裝置的隔聲體上有兩處要進 行重點的隔聲設(shè)計和處理。一處是隔聲體的外殼。因為發(fā)射換能器發(fā)射的聲波能量通過硅 油與皮囊的耦合傳遞到探測地層，外殼會將發(fā)射的能量通過外殼剛體直接傳遞到接收換能 器，由于外殼材料本身的聲學(xué)特性(傳播慢度較小，傳播衰減較小)，所以這種直接傳播的 聲振動對于測量有非常嚴(yán)重的影響。另外一處是隔聲體的軸，該軸是直接連接發(fā)射換能器 與接收換能器的機械結(jié)構(gòu)，聲振動不通過耦合直接就從軸傳遞到了接收換能器，因此對于 接收精度也有比較大的影響。圖2示出了傳統(tǒng)的聲波探測裝置的隔聲體外殼的展開圖。如圖所示，傳統(tǒng)的隔聲 體的外殼1上均勻分布有多個槽2，該槽2的形狀為矩形，該矩形的各相對邊互相平行，并 且在從聲波發(fā)射器到聲波接收器的聲波傳播方向上的任意兩層相鄰槽之間的間距A和B相寸。圖3示出了傳統(tǒng)的聲波探測裝置的隔聲體軸的展開圖。如圖所示，傳統(tǒng)的隔聲體 軸3上均勻分布有多個槽4，該槽4的形狀為矩形，該矩形的各相對邊互相平行，并且在上述 聲波傳播方向上的任意兩層相鄰槽之間的間距Al、Bl相等，通常在該軸的外表面還包覆有
一層橡膠層。由上述外殼和軸構(gòu)成的傳統(tǒng)聲波探測裝置的隔聲體存在著隔聲效果不理想的問 題，因此直接導(dǎo)致聲波探測裝置的精度不能令人滿意。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種具有改良性能的聲波探測裝置，尤其是提供了一種在聲波探測 裝置內(nèi)部的具有改良性能的隔聲體。當(dāng)本發(fā)明的隔聲體具有與傳統(tǒng)隔聲體相同的長度時， 其隔聲效果優(yōu)于傳統(tǒng)隔聲體的隔聲效果，而當(dāng)本發(fā)明的隔聲體具有與傳統(tǒng)隔聲體相同的隔 聲效果時，其長度短于傳統(tǒng)隔聲體的長度。此外，本發(fā)明的隔聲體還可以選擇頻率進行隔 聲，從而大大拓寬了隔聲體的應(yīng)用范圍。本發(fā)明的聲波探測裝置包括發(fā)射器、接收器和隔聲體，其中所述隔聲體位于所述 發(fā)射器和所述接收器之間，所述隔聲體至少具有外殼和內(nèi)軸，其特征在于所述外殼上具有 多個槽，在從所述發(fā)射器到所述接收器的聲波傳播方向上的各相鄰槽之間的間距按照準(zhǔn)周 期的方式分布。
4
本發(fā)明還提供了一種聲波探測裝置，其包括發(fā)射器、接收器和隔聲體，其中所述隔 聲體位于所述發(fā)射探頭器和所述接收探頭器之間，所述隔聲體具有軸，其特征在于所述軸 上具有多個槽，在從所述發(fā)射器到所述接收器的聲波傳播方向上的各相鄰槽之間的間距按 照準(zhǔn)周期的方式分布。


圖1示出了聲波沿垂直方向穿過中間層的物理特性示意圖；圖2示出了傳統(tǒng)聲波探測裝置的隔聲體外殼的展開圖；圖3示出了傳統(tǒng)的聲波探測裝置的隔聲體軸的展開圖；圖4示出了按照Fibonacci序列得到的準(zhǔn)周期隔聲系統(tǒng)的示意圖；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明實施例一的聲波探測裝置隔聲體外殼的展開圖；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明實施例二的隔聲體軸的展開圖；圖7示出了根據(jù)本發(fā)明實施例三的隔聲體外殼的展開圖；圖8示出了根據(jù)本發(fā)明實施例四的隔聲體軸的展開圖；圖9示出了根據(jù)本發(fā)明實施例五的隔聲體外殼的展開圖；圖10示出了根據(jù)本發(fā)明實施例六的隔聲體軸的展開圖；圖11示出了根據(jù)本發(fā)明實施例七的隔聲體外殼的剖視圖；圖12示出了根據(jù)本發(fā)明實施例八的隔聲體軸的剖視圖；圖13示出了根據(jù)本發(fā)明實施例九的隔聲體軸的剖視圖；圖14示出了根據(jù)本發(fā)明實施例十的隔聲體軸的剖視圖；圖15示出了根據(jù)本發(fā)明實施例十一的隔聲體軸的剖視圖；圖16示出了根據(jù)本發(fā)明實施例十二的隔聲體軸的剖視圖；圖17示出了根據(jù)本發(fā)明的套設(shè)有非平行且準(zhǔn)周期墊片的軸的正視圖；圖18示出了刻槽層數(shù)(泥漿介質(zhì)層數(shù))N = 4(層)的情況下，準(zhǔn)周期隔聲體對于 不同頻率的聲波信號的隔聲效果；圖19示出了刻槽層數(shù)(泥漿介質(zhì)層數(shù))N = 20(層)的情況下，準(zhǔn)周期隔聲體對 于不同頻率的聲波信號的隔聲效果；圖20示出了刻槽層數(shù)(泥漿介質(zhì)層數(shù))N= 100(層)的情況下，準(zhǔn)周期隔聲體對 于不同頻率的聲波信號的隔聲效果。圖21示出了聲頻率為5000Hz的情況下，具有不同刻槽層數(shù)N的準(zhǔn)周期隔聲體的 隔聲效果；圖22示出了聲頻率為8000Hz的情況下，具有不同刻槽層數(shù)N的準(zhǔn)周期隔聲體的 隔聲效果；圖23示出了聲頻率為13000Hz的情況下，具有不同刻槽層數(shù)N的準(zhǔn)周期隔聲體的 隔聲效果；圖24示出了聲頻率為16000Hz的情況下，具有不同刻槽層數(shù)N的準(zhǔn)周期隔聲體的 隔聲效果；圖25示出了刻槽層數(shù)(泥漿介質(zhì)層數(shù))N= 20(層)的情況下，準(zhǔn)周期與周期隔 聲體對于不同頻率聲波信號的隔聲效果對比5
圖26示出了聲頻率為8000Hz的情況下，準(zhǔn)周期、周期隔聲體在不同刻槽層數(shù)N的 情況下的隔聲效果對比圖；圖27示出了聲頻率為13000Hz的情況下，準(zhǔn)周期、周期隔聲體在不同刻槽層數(shù)N 的情況下的隔聲效果對比圖；圖28為反映實驗真實數(shù)據(jù)的圖；圖29也為反映實驗真實數(shù)據(jù)的圖。
具體實施例方式在殼體或軸上刻槽是設(shè)計隔聲體的基本途徑。這些基本途徑的物理模型就是聲波 穿過不同介質(zhì)的中間層。本說明書將首先分析聲波穿過中間層的物理特性。如圖1所示，設(shè)有一厚度為D、特性阻抗為Z2 = P 2v2的中間層媒質(zhì)置于特性阻抗 SZ1= P1V1的無限媒質(zhì)中，其中P為媒質(zhì)的密度，ν為媒質(zhì)中的聲速。當(dāng)一列平面聲波 (Pl，V1)垂直入射到中間層界面上時，一部分發(fā)生反射回到中間層左面的媒質(zhì)中，即形成了 反射波(P^ Vlr)；另一部分透入中間層、記為(p2t，v2t)。當(dāng)聲波(p2t，v2t)行進到中間層的 另一界面上時，由于特性阻抗的改變，又會有一部分反射回中間層中，記為(p&，vj，其余 部分就透入中間層右面的Z1 = P1V1媒質(zhì)中去，記為(Pt，vt) 0由于這里的中間層右面的 媒質(zhì)延伸到無限遠(yuǎn)，所以透射波(Pt，vt)不會再發(fā)生反射，上述P為聲壓。中間層左面的媒質(zhì)中的聲場就是(Pl，V1)與(Py Vlr)的疊加，中間層中的聲 場就是(P2t，V2t)與(p&，V2r)的疊加，中間層右面的媒質(zhì)中的聲場就僅為(pt，Vt) 0使 用中間層左右邊界的聲學(xué)條件來確定反射及透射的大小，可以得到聲強透射系數(shù)
、—4 COS2 k2D + (Z12 +Z21)2 Sin2Ar2D
ZZ及反射聲強巧=l"tIO式中，Z12 = -1 -Z21 =-J-^k2 = ω/ν，其中ω為頻率、ν為
Z1Z2
聲速，k2為波數(shù)。這一結(jié)果表明，聲波通過中間層時的反射波及透射波的大小不僅與兩種 媒質(zhì)的特性阻抗Z1, Z2有關(guān)，而且還同中間層的厚度與其中傳播的波長之比有關(guān)
v2 A2Α.當(dāng)k2D << 1，此時Cosk2D ^ 1，Sink2D ^ 0，可得、 1。這表明，當(dāng)聲波波長 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中間層厚度時，聲波幾乎全透射。B.當(dāng) k2D = ηπ (η = 1，2，3，· ·.)，此時 Cosk2D ^ Lsink2D ^ 0,可得、 1。這
表明，當(dāng)中間層厚度為半波長整數(shù)倍時，聲波幾乎全透射。C.當(dāng)、乃=(2"-1)^,(11=1，2，3，...)，21<<22，此時{1 0。這表明，當(dāng)中間
層厚度為i波長奇數(shù)倍時，聲波幾乎完全不能透過，中間層隔斷了聲波。 4如果平面聲波的傳播方向不是垂直于中間層，而是與分界面的法線有一個夾角也 就是斜入射，那么這種情況下聲波反射及透射的大小的處理方法原則上與垂直入射時完 全一樣，不同的只是現(xiàn)在要應(yīng)用沿空間任意方向傳播的平面波表示式P = PaeJ(Mt-kx cosa^ky s@_kxc;°SY)，該式中P為聲壓，Pa為聲壓的幅度標(biāo)量部分，α、β、Y確定空間傳播的方向， 并且各列波的聲壓與法向質(zhì)點速度間的關(guān)系也應(yīng)該用一般表示式 在上式中，vx, vy, Vz為空間任意一點質(zhì)點速度沿X、Y、Z三個坐標(biāo)方向的分量。通過與垂直入射時類似的方式即可求得斜入射時反射聲壓及透射聲壓的大小關(guān)系。這里不必再作繁瑣的推導(dǎo)，我們只需注意一下聲波在兩種無限延伸媒質(zhì)的分
界面上垂直入射時和斜入射時的兩種結(jié)果=
，在上式
中
稱為法向聲阻抗率；tp為聲壓透射系數(shù)，rp為聲壓反射系數(shù)，
tv為聲速透射系數(shù)，rv為聲速反射系數(shù)。它們的區(qū)別只在于斜入射時的法向聲阻抗 率Zs代替了垂直入射時的聲阻抗率Z，所以現(xiàn)在也可以根據(jù)垂直入射于中間層的結(jié)果
簡單地用法
向聲阻抗率Zs代替原式中的聲阻抗率Z，并用波矢量在X方向的分量M = k, cos 4代替原式 中的波數(shù)k2，其中θ 2t為波矢量與χ方向的夾角，這樣就直接得到聲波斜入射于中間層上時 的聲壓透射系數(shù)tD及聲強透射系數(shù)、為
上式中
為中間層中的折射角此外，通常的刻槽方案均采用如圖2和圖3所示的均分的方案。而通過近年來的 研究發(fā)現(xiàn)，波在介質(zhì)中的傳播是有很多特殊特性的。當(dāng)波在隨機介質(zhì)中傳播時，會出現(xiàn)一些 特殊現(xiàn)象。其中波在準(zhǔn)周期系統(tǒng)中的傳播對于隔聲體設(shè)計具有非常重要的作用。準(zhǔn)周期系統(tǒng)是介于周期系統(tǒng)與完全隨機系統(tǒng)之間的中間結(jié)構(gòu)，雖然是非周期的， 但其具有確定性的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)其特有的性質(zhì)。如M. Kohmoto等人發(fā)現(xiàn)的一維Fibonacci準(zhǔn)
7晶體的電子能譜和某些電子波函數(shù)是分形結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)能在頻域上形成非周期的選擇 性。本說明書中使用數(shù)學(xué)方法對這種現(xiàn)象進行了分析和計算，同時給出了仿真的結(jié)果。為了方便數(shù)學(xué)表達(dá)，更準(zhǔn)確的體現(xiàn)準(zhǔn)周期系統(tǒng)在聲波隔聲中的特性，本說明書中 選擇的一維準(zhǔn)周期系統(tǒng)是由鋼(殼體)與泥漿兩種介質(zhì)在X方向上間隔組成的。鋼和泥漿 兩種介質(zhì)在垂直于X方向的平面內(nèi)是均勻各向同性的，僅在X方向上表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)上的不同。Fibonacci序列是典型的一維準(zhǔn)周期系統(tǒng)，它的生成方式是由單個元素(A)開 始，按照下面的替換方式展開A —AB B-A0在隔聲體的設(shè)計方案中，A和B代表了鋼介質(zhì) 層的不同厚度。將等厚的泥漿介質(zhì)放入相鄰的兩層鋼體之間，這樣就得到了按照Fibonacci 序列的準(zhǔn)周期隔聲系統(tǒng)。如圖4所示，其中SA、Sb分別代表厚度為A和B的鋼介質(zhì)層，W代 表厚度為d的泥漿層。在任意介質(zhì)中，聲波傳播可以用該方程表述 其中m是介質(zhì)的標(biāo)記(在本實例中為厚鋼、薄鋼或者泥漿層)，pm(x)為聲波在m介 質(zhì)中的壓力場，Lm和Rm的值分別由左右邊界條件決定，km為m層介質(zhì)中的波數(shù)，因為各個介 質(zhì)中聲速不同，所以對應(yīng)的波數(shù)也不相同。在任意介質(zhì)中的聲波速度場可以用壓力場的一階導(dǎo)數(shù)表示 式中PmCm分別為介質(zhì)m的密度和相速度。 為了方便表述，在鋼體介質(zhì)中令風(fēng)
在泥漿體中令 在介質(zhì)不連續(xù)的位置，壓力場Pm(X)和速度場Vm(X)是連續(xù)的。所以得到Wj (Xj) = H-1S (Xj)，Sj^1 (Xj) = HWj (Xj)式中j表示χ軸上的第j個介質(zhì)層。上式(壓力場與速度場是連續(xù)的)表達(dá)了在 第j個介質(zhì)層左右界面上的邊界條件。
在每一個介質(zhì)層的內(nèi)部有W1(X11) = Uwff(x1r) S1(X11) =UsS(x1r)
其中 這樣，就可以用傳播矩陣模擬聲振動傳播的過程Sj^1 (Xj) = HUwF1UsSj (xj+1) = MjS (xJ+1)該式反映了聲振動從第j-Ι層介質(zhì)(鋼體)中傳播到第j+Ι層介質(zhì)(鋼體)時的 傳播規(guī)律。通過對傳播矩陣M的分析，可以得到聲振動傳播的透射與反射規(guī)律。
上文中已經(jīng)詳細(xì)地闡述了本發(fā)明的理論依據(jù)，接下來將結(jié)合各附圖來具體描述本 發(fā)明的實施方案。實施例一本實施例是對隔聲體的外殼進行改進，該外殼的設(shè)置方式如圖5所示。在圖5中，附圖標(biāo)記1表示隔聲體的外殼，在該外殼1上刻有多個槽2’，該槽2’的 形狀為變形三角形(槽寬例如是5mm)，在從聲波發(fā)射器到聲波接收器的聲波傳播方向(例 如圖5中的水平方向)上的任意兩層相鄰槽2’之間的間距A、B是相等的(例如IOmm或 16mm)，所述間距為在上述聲波傳播方向上的任意兩層相鄰槽中，從相對而言更接近聲波 發(fā)射器的一層槽的最遠(yuǎn)離聲波發(fā)射器的一端到另一層槽的最接近聲波發(fā)射器的一端之間 的距離。上述槽2’的形狀并不限于變形三角形，還可以采用其他形狀，例如梯形等，只要該 形狀可以使得在上述聲波傳播方向上該槽不具有相互平行的表面即可。這里需要說明的是，在本實施例中的外殼上刻制的多個槽即構(gòu)成了該外殼的多個 中間層，而槽內(nèi)的空氣即構(gòu)成該中間層的媒質(zhì)。在從聲波發(fā)射器到聲波接收器的聲波傳播 過程中，平面聲波將穿過各個作為中間層的槽。由于本實施例中的各個槽在聲波傳播方向 上不具有相互平行的表面，即各個作為中間層的槽的聲波入射面與聲波出射面不平行，所 以會產(chǎn)生優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的隔聲效果。此外，當(dāng)本實施例的隔聲體用于聲波測井裝置的井下探測裝置中時，在鉆井過程 中產(chǎn)生的泥漿會充填各個槽，那么此時泥漿便構(gòu)成了中間層媒質(zhì)。當(dāng)然，技術(shù)人員還可以根 據(jù)實際設(shè)計需要選擇用橡膠、樹脂、鉛塊等其他材料來充填各個槽，以構(gòu)造各種不同媒質(zhì)的 中間層。本實施例通過對外殼上槽的設(shè)置方式進行改進，而使得從聲波發(fā)射器傳播到聲波 接收器的平面聲波以與作為中間層的所述槽的聲波入射面的法線呈一夾角(優(yōu)選為銳角) 的方式入射到所述槽中，從而可以改善隔聲體的隔聲能力，繼而使得聲波探測裝置的測量 結(jié)果更加精確。實施例二 本實施例是對隔聲體的軸進行改進，該軸的設(shè)置方式如圖6所示。在圖6中，附圖標(biāo)記3表示隔聲體的軸，在該軸3上刻有多個槽4’，該槽4’的形狀 為變形三角形(槽寬例如是5mm)，在上述聲波傳播方向上的任意兩層相鄰槽4’之間的間 距Al、Bl是相等的(例如IOmm或16mm)，所述間距為在上述聲波傳播方向上的任意兩層 相鄰槽中，從相對而言更接近聲波發(fā)射器的一層槽的最遠(yuǎn)離聲波發(fā)射器的一端到另一層槽 的最接近聲波發(fā)射器的一端之間的距離。此處槽4’的形狀也并不限于變形三角形，還可以采用其他形狀，例如梯形等，只要 該形狀可以使得在所述聲波傳播方向上該槽不具有相互平行的表面即可。與實施例一同理，在本實施例中的軸上刻制的多個槽也構(gòu)成了該軸的多個以空氣 為媒質(zhì)的中間層，該作為中間層的槽在上述聲波傳播方向上的聲波入射面與聲波出射面不 平行；優(yōu)選地，該作為中間層的內(nèi)也可以填充硅油、橡膠、樹脂、鉛塊等其他材料，以進一步 改善隔聲效果。本實施例通過對軸上槽的設(shè)置方式進行改進，而使得從聲波發(fā)射器傳播到聲波接
9收器的平面聲波以與作為中間層的所述槽的聲波入射面的法線呈一夾角(優(yōu)選為銳角)的 方式入射到所述槽中，從而也可以改善隔聲體的隔聲能力，繼而也使得聲波探測裝置的測 量結(jié)果更加精確。實施例三本實施例是對隔聲體外殼上槽的分布方式進行準(zhǔn)周期性改進，也就是說，將如圖2 所示的具有以等間距分布的槽的外殼改進為具有其間距按準(zhǔn)周期方式分布的槽的外殼，具 體改進方式如圖7所示。在圖7中，附圖標(biāo)記1表示隔聲體的外殼，在該外殼1上刻有多個槽21，該槽21的 形狀為矩形(槽寬例如是5mm)，在上述聲波傳播方向上的任意兩層相鄰槽21之間的間距 A’、B’是不相等的，并且各間距按照準(zhǔn)周期的方式(例如Fibonacci、m0rse等)進行分布， 所述間距為在上述聲波傳播方向上的任意兩層相鄰槽中，從相對而言更接近聲波發(fā)射器 的一層槽的最遠(yuǎn)離聲波發(fā)射器的一端到另一層槽的最接近聲波發(fā)射器的一端之間的距離。本實施例通過對外殼上槽的設(shè)置方式進行準(zhǔn)周期性改進，而使得改進后的隔聲體 可以選擇頻率進行隔聲，從而顯著地改善了隔聲體的隔聲能力，并拓寬了隔聲體的應(yīng)用范 圍。實施例四本實施例是對隔聲體軸上槽的分布方式進行準(zhǔn)周期性改進，也就是說，將如圖3 所示的具有以等間距分布的槽的軸改進為具有其間距按準(zhǔn)周期方式分布的槽的軸，具體改 進方式如圖8所示。在圖8中，附圖標(biāo)記3表示隔聲體的軸，在該軸3上刻有多個槽41，該槽41的形狀 為矩形(槽寬例如是5mm)，在上述聲波傳播方向上的任意兩層相鄰槽41之間的間距Al’、 ΒΓ是不相等的，并且各間距按照準(zhǔn)周期的方式(例如Fibonacci、m0rse等)進行分布，所 述間距為在上述聲波傳播方向上的任意兩層相鄰槽中，從相對而言更接近聲波發(fā)射器的 一層槽的最遠(yuǎn)離聲波發(fā)射器的一端到另一層槽的最接近聲波發(fā)射器的一端之間的距離。本實施例通過對軸上槽的設(shè)置方式進行準(zhǔn)周期性改進，而使得改進后的隔聲體可 以選擇頻率進行隔聲，從而顯著地改善了隔聲體的隔聲能力，并拓寬了隔聲體的應(yīng)用范圍。實施例五本實施例是對隔聲體外殼上槽的形狀和各相鄰槽之間的間距均進行改進，也就是 說，將如圖2所示的具有呈矩形形狀且以等間距分布的槽的外殼改進為具有呈變形三角形 形狀且以準(zhǔn)周期性間距分布的槽的外殼，具體改進方式如圖9所示。在圖9中，附圖標(biāo)記1表示隔聲體的外殼，在該外殼1上刻有多個槽22，該槽22的 形狀為變形三角形(槽寬例如是5mm)，在上述聲波傳播方向上的任意兩層相鄰槽22之間的 間距A2、B2是不相等的，并且各間距按照準(zhǔn)周期的方式(例如Fib0nacci、m0rse等)進行 分布。如前所述，槽22的形狀并不限于變形三角形，還可以采用其他形狀，例如梯形等， 只要該形狀可以使得在所述聲波傳播方向上該槽不具有相互平行的表面即可。本實施例通過對外殼上槽的設(shè)置方式進行改進，使得不僅可以改善隔聲體的隔聲 能力，而且還使得改進后的隔聲體可以選擇頻率進行隔聲，從而拓寬了隔聲體的應(yīng)用范圍。實施例六
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本實施例是對隔聲體軸上槽的形狀和各相鄰槽之間的間距均進行了改進，也就是 說，將如圖3所示的具有呈矩形形狀且以等間距分布的槽的軸改進為具有呈變形三角形形 狀且以準(zhǔn)周期性間距分布的槽的軸，具體改進方式如圖10所示。在圖10中，附圖標(biāo)記3表示隔聲體的軸，在該軸3上刻有多個槽42，該槽42的形 狀為變形三角形(槽寬例如是5mm)，在上述聲波傳播方向上的任意兩層相鄰槽42之間的間 距A3、B3是不相等的，并且各間距按照準(zhǔn)周期的方式(例如Fibonacci、morse等)進行分布。同樣，槽42的形狀并不限于變形三角形，還可以采用其他形狀，例如梯形等，只要 該形狀可以使得在所述聲波傳播方向上該槽不具有相互平行的表面即可。本實施例通過對軸上槽的設(shè)置方式進行改進，而使得不僅可以改善隔聲體的隔聲 能力，而且還使得改進后的隔聲體可以選擇頻率進行隔聲，從而拓寬了隔聲體的應(yīng)用范圍。實施例七實施例一至六是通過以上述特定方式在外殼和/或軸上刻槽來在外殼和/或軸上 形成多個其聲波入射面與聲波出射面不平行的中間層，從而使得從聲波發(fā)射器傳播到聲波 接收器的平面聲波以與所述中間層的聲波入射面的法線呈一夾角(優(yōu)選為銳角)的方式入 射到所述中間層中，繼而改善隔聲效果。而本實施例則是通過另一種方式來在外殼上設(shè)置 其聲波入射面與聲波出射面不平行的中間層。本實施例中的外殼不是一體成形，而是由多個子殼體構(gòu)成。如圖11所示，外殼1由三個子殼體11、12、13構(gòu)成，其中子殼體12即為中間層，其 具有聲波入射面Sin和聲波出射面S。ut，該聲波入射面Sin和聲波出射面s。ut彼此不平行，并 且作為中間層的子殼體12的材質(zhì)與和其相鄰的子殼體11和13的材質(zhì)均不相同，而子殼體 11和13的材質(zhì)可以相同，也可以不同，也就是說，只要相鄰的兩個子殼體的材質(zhì)不同即可； 例如，子殼體12可由橡膠構(gòu)成，而子殼體11和13可均由鋼材構(gòu)成。雖然本實施例中只示出了由三個子殼體構(gòu)成的外殼，但是本發(fā)明并不限于此。本 領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實際設(shè)計需要選擇多于三個的子殼體來構(gòu)成外殼，此時，除了位于 首尾位置的兩個子殼體之外的其他子殼體可以視為多個中間層，并且相鄰的子殼體的材質(zhì) 不相同。另外，構(gòu)成各中間層的各子殼體的聲波入射面和聲波出射面之間互不平行，所述聲 波入射面和/或聲波出射面可以是平面，也可以是凹面、凸面或凹凸面。各子殼體之間可以 采用粘接、鉚接等連接方式連為一體。綜上所述，本實施例通過對外殼的構(gòu)造方式進行改進，即使得外殼在上述聲波傳 播方向上具有至少一個其聲波入射面和聲波出射面不平行的中間層，而使平面聲波以與所 述中間層的聲波入射面的法線呈一夾角(優(yōu)選為銳角)的方式入射到所述中間層中，從而 也可以改善隔聲體的隔聲能力，繼而也使得聲波探測裝置的測量結(jié)果更加精確。實施例八本實施例是以與實施例七類似的方式對隔聲體的軸進行改進。如圖12所示，軸3由三個子軸體31、32、33構(gòu)成，其中子軸體32即為中間層，其具 有彼此不平行的聲波入射面Sin和聲波出射面S。ut。作為中間層的子軸體32的材質(zhì)與和其 相鄰的子軸體31和33的材質(zhì)均不相同，而子軸體31和33的材質(zhì)可以相同，也可以不同， 也就是說，只要相鄰的兩個子軸體的材質(zhì)不同即可；例如，子軸體32可由橡膠構(gòu)成，而子軸
11體31和33可均由鋼材構(gòu)成。與實施例七同理，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實際設(shè)計需要選擇多于三個的子軸體 來構(gòu)成軸，此時，除了位于首尾位置的兩個子軸體之外的其他子軸體可以視為多個中間層， 并且相鄰的子軸體的材質(zhì)不相同。另外，構(gòu)成各中間層的各子軸體的聲波入射面和聲波出 射面之間也互不平行，所述聲波入射面和/或聲波出射面可以是平面，也可以是凹面、凸面 或凹凸面。各子軸體可以采用粘接、鉚接等連接方式連為一體。綜上所述，本實施例通過對軸的構(gòu)造方式進行改進，即使得軸在上述聲波傳播方 向上具有至少一個其聲波入射面和聲波出射面不平行的中間層，從而使得平面聲波以與所 述中間層的聲波入射面的法線呈一夾角(優(yōu)選為銳角)的方式入射到所述中間層中，以改 善隔聲體的隔聲能力。實施例九本實施例是對實施例二、四、六、八中所述軸進行進一步改進。如圖13所示，附圖 標(biāo)記6為軸，在軸6的外表面套設(shè)有多個墊片5，該多個墊片5彼此平行設(shè)置，且多個墊片5 的厚度均相同，各相鄰墊片之間的間距也均相同。所述墊片5的形狀可以是圓形、方形、多邊形、鋸齒形或其他適合的形狀，墊片5的 材質(zhì)可以是橡膠、鉛塊、樹脂等材料，只要其聲阻抗足夠大即可。由于金屬銅的熱流衰減系數(shù)為445，比鐵(18. 8)的熱流衰減大20多倍，所以考慮 到強度與價格，可以使用銅作為上述軸的材料，但是軸的材料并不限于銅，其可以根據(jù)實際 設(shè)計需要采用任何適合的材質(zhì)。本實施例通過將傳統(tǒng)的在軸的外表面上整體覆蓋一層橡膠的設(shè)置方式改為在軸 的外表面上均勻套設(shè)多個隔聲墊片的方式，使得改進后的隔聲體的隔聲性能得到了提高。實施例十本實施例是對實施例九中所述軸上套設(shè)的墊片進行進一步改進。如圖14所示，在 柱狀軸6的外表面上也套設(shè)有多個厚度、間隔均相同的墊片5。與實施例九不同的是，本實 施例中最接近聲波發(fā)射器的一個墊片的形狀有所變化，即，在該墊片的聲波入射端的中心 區(qū)域具有圓錐形凹槽8。通過設(shè)置該圓錐形凹槽8使得從聲波發(fā)射器傳播到聲波接收器的 平面聲波以與具有該凹槽8的墊片的聲波入射面的法線呈一夾角(優(yōu)選為銳角)的方式入 射到具有該凹槽8的墊片中，從而也可以改善隔聲能力。此外，該凹槽8的形狀并不限于圓錐形，其還可以是其他形狀，只要該形狀可以使 得在所述聲波傳播方向上，具有該凹槽的墊片不具有相互平行的表面即可。實施例i^一 本實施例也是對實施例九中所述軸上套設(shè)的墊片進行進一步改進。如圖15所示， 在軸6的外表面上也套設(shè)有平行設(shè)置的多個墊片5’。與實施例九不同的是，本實施例中的 各個墊片5’的厚度互不相同(C興D)，各相鄰墊片之間的間距也不相同(A4興B4)，并且各 墊片的厚度按照準(zhǔn)周期方式(例如Fibcmacci、m0rse等)分布，各相鄰墊片之間的間距也 按照準(zhǔn)周期方式分布。當(dāng)然，也可以只讓墊片的厚度按照準(zhǔn)周期方式分布，或者是只讓相鄰 墊片之間的間距按照準(zhǔn)周期方式分布。本實施例通過對軸上套設(shè)的墊片的設(shè)置方式進行準(zhǔn)周期性改進，而使得改進后的 隔聲體也可以選擇頻率進行隔聲。
12
實施例十二本實施例還是對實施例九中所述軸上套設(shè)的墊片進行進一步改進。在本實施例 中，如圖16所示，多個墊片5’的厚度和/或間距按照準(zhǔn)周期方式分布。此外，最接近聲波發(fā) 射器的一個墊片的形狀也有所變化，即，在該墊片的聲波入射端的中心區(qū)域具有圓錐形凹 槽8’，從而使得聲波以與具有凹槽8的墊片的聲波入射面的法線呈一夾角(優(yōu)選為銳角) 的方式入射到具有凹槽8的墊片中，從而也可以改善隔聲體的隔聲能力。同樣，該凹槽的形狀也并不限于圓錐形，其還可以采用其他形狀，只要該形狀可以 使得在所述聲波傳播方向上，具有該凹槽的墊片不具有相互平行的表面即可。附圖17示出了套設(shè)墊片的軸的正視圖，通過該圖可以更加明了上述實施例九、 十、十一、十二的技術(shù)方案。在該圖中，附圖標(biāo)記5表示墊片，附圖標(biāo)記6表示軸，附圖標(biāo)記 7表示聚四氟管，其位于各墊片5之間用于固定墊片5。本圖中所示的只是本發(fā)明的優(yōu)選方 案，本發(fā)明并不局限與此。例如，上述墊片5之間的管7還可以采用鉛等其他材料，或者是 可以省去管7，而改由其他方式來固定墊片5，比如采用螺釘鉚接或粘接等方式。上文中已經(jīng)詳細(xì)地說明了本發(fā)明的各個實施例，然而需要強調(diào)的是，本發(fā)明的隔 聲體并不必然要包括外殼和軸，其可以僅具有軸，而在軸外面不再設(shè)置外殼；并且軸可以是 空心的也可以是實心的。此外，由于外殼與軸是兩個相對獨立的單元，其二者之間并沒有必 然的聯(lián)系，因此當(dāng)采用外殼加軸的方案來構(gòu)建隔聲體時，本發(fā)明的隔聲體可以是上述各外 殼和各軸的任意組合，例如實施例一所述的外殼加實施例二、四、六、八一十二之一所述的 軸、實施例二所述的軸加實施例一、三、五或七所述的軸，或者是實施例一、三、五或七所述 的外殼加傳統(tǒng)的軸、實施例二、四、六、八-十二之一所述的軸加傳統(tǒng)的外殼等等。接下來將結(jié)合各具體仿真實驗來說明仿真結(jié)果在仿真實驗中，我們使用的參數(shù)如下Vs = 5300m/s P s = 7800kg/m3vw = 2100m/s P s = 1350kg/m3A = 18mm, B = 27mm, d = 6mm ；因為是研究隔聲體設(shè)計的問題，所以仿真的結(jié)果集中體現(xiàn)在透射率的計算上。對 于Fibonacci的準(zhǔn)周期序列，著重驗證以下幾個結(jié)果1)準(zhǔn)周期序列對于不同頻率信號的選擇性；2)不同層數(shù)的隔聲體對于不同頻率的選擇性；圖18、19、20分別示出了刻槽層數(shù)(泥漿介質(zhì)層數(shù))N = 4、20、100 (層)的情況下，
隔聲體對于聲波信號的衰減特性。圖21、22、23分別示出了聲頻率為5000Hz、8000Hz、13000Hz的情況下，具有不同刻
槽層數(shù)N的準(zhǔn)周期隔聲體的隔聲效果。圖24示出了聲頻率為16000Hz的情況下，具有不同刻槽層數(shù)N的準(zhǔn)周期隔聲體的
隔聲效果。從上述附圖中，可以很明顯的看到，按照準(zhǔn)周期序列設(shè)計的隔聲體對于不同的頻 率表現(xiàn)出了不同的性質(zhì)。在低頻段(5kHz)時，準(zhǔn)周期序列與等間隔序列表現(xiàn)出了同樣的 特性。隨著頻率的增加，隔聲特性出現(xiàn)了周期變化(8000Hz)，而當(dāng)頻率大于一定數(shù)值時 (13000Hz)，隔聲體對于聲振動的衰減與層數(shù)N的關(guān)系成線性增長，這說明準(zhǔn)周期系統(tǒng)對于頻率的通過表現(xiàn)出選擇性。在這里，通過直接對比相同情況下的周期與非周期系統(tǒng)的結(jié)果，可以更加直觀的 看出兩種系統(tǒng)的區(qū)別1)對于不同頻率信號的選擇性；2)不同層數(shù)的隔聲體對于不同頻率的選擇性；仿真參數(shù)與非周期系統(tǒng)相同，即Vs = 5300m/s P s = 7800kg/m3vw = 2100m/s P s = 1350kg/m3A = 20mm, d = 6mm ；與準(zhǔn)周期系統(tǒng)不同的是，周期系統(tǒng)中介質(zhì)A只有一種間隔20mm。圖25示出了在刻槽層數(shù)(泥漿介質(zhì)層數(shù))N = 20(層)的情況下，準(zhǔn)周期與周期 隔聲體對于不同頻率聲波信號的隔聲效果對比圖。其中線R為周期系統(tǒng)的隔聲特征，線B 為準(zhǔn)周期系統(tǒng)的特征。圖26示出了在聲頻率為8000Hz的情況下，準(zhǔn)周期、周期隔聲體在不同刻槽層數(shù)N 的情況下的隔聲效果對比圖。周期系統(tǒng)的隔聲特性隨層數(shù)N的變化呈周期變化，而準(zhǔn)周期 系統(tǒng)具有一定的波動性。這種波動性在一定的頻率下會發(fā)生突變，見圖26。圖27示出了在聲頻率為13000Hz的情況下，準(zhǔn)周期、周期隔聲體在不同刻槽層數(shù) N的情況下的隔聲效果對比圖。隨著層數(shù)的增加，準(zhǔn)周期系統(tǒng)的隔聲特性在不斷增加，而周 期系統(tǒng)依然是周期重復(fù)。這種頻率的選擇性是準(zhǔn)周期系統(tǒng)的一個非常重要的特征。仿真的結(jié)果表明(不考慮材料對聲振動的衰減)，單純增加隔聲體的層數(shù)不能增 加衰減系數(shù)，只能得到更多的衰減點。而使用準(zhǔn)周期系統(tǒng)，就可以很好的解決這個問題?？?以充分利用上述選擇性對特定的頻率進行過濾。圖28和29示出了反映實驗真實數(shù)據(jù)的圖，其中線G為低頻傳感器，線Rl為高頻傳 感器，可以看到，本發(fā)明所采用的新的技術(shù)方案在隔聲的頻率選擇性上有非常明顯的優(yōu)勢， 在同等隔聲長度的條件下，本發(fā)明的技術(shù)方案比傳統(tǒng)方案提高隔聲效果40%。此外還需要說明的是，上文中所述的外殼和軸或者是由軸單獨構(gòu)成的隔聲體結(jié)構(gòu) 只是一些類型的隔聲體結(jié)構(gòu)，而隔聲體并不僅限于上述結(jié)構(gòu)，任何在發(fā)射器與接收器之間 的機械結(jié)構(gòu)都可以稱為隔聲體(例如由多個具有不同彈性系數(shù)的彈簧連接構(gòu)成的隔聲 體，或者是由多個棒材或軸承或其他類似機械結(jié)構(gòu)連接構(gòu)成的隔聲體，其中相鄰的棒材或 軸承或其他類似機械結(jié)構(gòu)由不同材料制成，并且上述連接方式可以為粘接、鉚接或螺紋連 接)，也都可以使用本發(fā)明所述的技術(shù)方案來改善其隔聲性能。雖然已經(jīng)結(jié)合特定實施例詳細(xì)地描述了本發(fā)明，但是應(yīng)該理解的是，前述實施例 僅僅是作為示例，而并不是為了限制本發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)其已有的專業(yè)知識可以 容易地想象到這些實施例的其他的變形和修改，其可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情 況下對本發(fā)明做出這些變形和修改，以獲得本發(fā)明的部分或所有優(yōu)點。
權(quán)利要求
一種聲波探測裝置，其包括發(fā)射器、接收器和隔聲體，其中所述隔聲體位于所述發(fā)射器和所述接收器之間，所述隔聲體至少具有外殼和軸，其特征在于所述外殼上具有多個槽，在從所述發(fā)射器到所述接收器的聲波傳播方向上的各相鄰槽之間的間距按照準(zhǔn)周期的方式分布。
2.如權(quán)利要求1所述的聲波探測裝置，其特征在于，所述軸上也刻有槽，在所述聲波傳 播方向上的任意兩層相鄰槽之間的間距也按照準(zhǔn)周期的方式分布。
3.如權(quán)利要求1或2所述的聲波探測裝置，其特征在于，所述外殼和/或軸上的所述槽 在所述聲波傳播方向上具有聲波入射面和聲波出射面，所述聲波入射面和所述聲波出射面 互不平行。
4.如權(quán)利要求1或2所述的聲波探測裝置，其特征在于，所述外殼和/或軸上的所述槽 的形狀為矩形、變形三角形或梯形。
5.如權(quán)利要求1-4之一所述的聲波探測裝置，其特征在于，所述外殼和/或軸上的槽中 填充有泥漿、硅油、橡膠、樹脂或鉛塊。
6.如權(quán)利要求1所述的聲波探測裝置，其特征在于，所述軸在所述聲波傳播方向上由 至少三個子軸體構(gòu)成，相鄰子軸體的材質(zhì)不同。
7.如權(quán)利要求6所述的聲波探測裝置，其特征在于，除了位于首尾位置的子軸體之外 的其他子軸體在所述聲波傳播方向上具有聲波入射面和聲波出射面，所述聲波入射面和所 述聲波出射面互不平行。
8.如權(quán)利要求1-7之一所述的聲波探測裝置，其特征在于，所述軸的外表面套設(shè)有多 個墊片。
9.如權(quán)利要求8所述的聲波探測裝置，其特征在于，所述多個墊片以平行方式設(shè)置。
10.如權(quán)利要求8所述的聲波探測裝置，其特征在于，最接近所述發(fā)射器的墊片的聲波 入射端的中心區(qū)域具有凹槽，從而使得具有所述凹槽的所述墊片在所述聲波傳播方向上不 具有相互平行的表面。
11.如權(quán)利要求10所述的聲波探測裝置，其特征在于，所述凹槽為圓錐形。
12.如權(quán)利要求8-11之一所述的聲波探測裝置，其特征在于，所述多個墊片的厚度和/ 或各相鄰墊片之間的間距按照周期方式分布。
13.如權(quán)利要求8-11之一所述的聲波探測裝置，其特征在于，所述多個墊片的厚度和/ 或各相鄰墊片之間的間距按照準(zhǔn)周期方式分布。
14.如權(quán)利要求1、2或13所述的聲波探測裝置，其特征在于，所述準(zhǔn)周期方式為 Fibonacci 或 morse 方式。
15.如權(quán)利要求6所述的聲波探測裝置，其特征在于，所述至少三個子軸體為至少三個 具有不同彈性系數(shù)的彈簧、至少三個棒材或至少三個軸承。
16.如權(quán)利要求6或15所述的聲波探測裝置，其特征在于，所述至少三個子軸體之間的 連接方式為粘接、鉚接或螺紋連接。
17.如權(quán)利要求1-16之一所述的聲波探測裝置，其特征在于，所述聲波探測裝置為聲 波測井裝置中的井下探測裝置。
18.—種聲波探測裝置，其包括發(fā)射器、接收器和隔聲體，其中所述隔聲體位于所述發(fā) 射器和所述接收器之間，所述隔聲體具有軸，其特征在于所述軸上具有多個槽，在從所述發(fā)射器到所述接收器的聲波傳播方向上的各相鄰槽之間的間距按照準(zhǔn)周期的方式分布。
19.如權(quán)利要求18所述的聲波探測裝置，其特征在于，所述隔聲體還具有外殼，所述外 殼在所述聲波傳播方向上由至少三個子殼體構(gòu)成，相鄰子殼體的材質(zhì)不同。
20.如權(quán)利要求19所述的聲波探測裝置，其特征在于，除了位于首尾位置的子殼體之 外的其他子殼體在所述聲波傳播方向上具有聲波入射面和聲波出射面，所述聲波入射面和 所述聲波出射面互不平行。
21.如權(quán)利要求20所述的聲波探測裝置，其特征在于，所述至少三個子殼體之間采用 粘接或鉚接的連接方式。
22.如權(quán)利要求18所述的聲波探測裝置，其特征在于，所述隔聲體還具有外殼，所述外 殼上也刻有槽。
23.如權(quán)利要求18或22所述的聲波探測裝置，其特征在于，所述軸和/或外殼上的所 述槽在所述聲波傳播方向上具有互不平行的聲波入射面和聲波出射面。
24.如權(quán)利要求18或22所述的聲波探測裝置，其特征在于，所述槽的形狀為矩形、變形 三角形或梯形。
25.如權(quán)利要求18-24之一所述的聲波探測裝置，其特征在于，所述軸的外表面套設(shè)有 多個墊片。
26.如權(quán)利要求25所述的聲波探測裝置，其特征在于，所述多個墊片以平行方式設(shè)置。
27.如權(quán)利要求25所述的聲波探測裝置，其特征在于，最接近所述發(fā)射器的墊片的聲 波入射端的中心區(qū)域具有凹槽，從而使得具有所述凹槽的所述墊片在所述聲波傳播方向上 不具有相互平行的表面。
28.如權(quán)利要求27所述的聲波探測裝置，其特征在于，所述凹槽為圓錐形。
29.如權(quán)利要求26-28之一所述的聲波探測裝置，其特征在于，所述多個墊片的厚度和 /或各相鄰墊片之間的間距按照周期方式分布。
30.如權(quán)利要求26-28之一所述的聲波探測裝置，其特征在于，所述多個墊片的厚度和 /或各相鄰墊片之間的間距按照準(zhǔn)周期方式分布。
31.如權(quán)利要求18或30所述的聲波探測裝置，其特征在于，所述準(zhǔn)周期方式為 Fibonacci 或 morse 方式。
32.如權(quán)利要求25-31之一所述的聲波探測裝置，其特征在于，所述墊片的形狀是圓 形、方形、多邊形或鋸齒形。
33.如權(quán)利要求18-32之一所述的聲波探測裝置，其特征在于，所述聲波探測裝置為聲 波測井裝置中的井下探測裝置。
34.如權(quán)利要求24-31之一所述的聲波探測裝置，其特征在于，在所述各個墊片之間設(shè) 置有用于固定所述墊片的管。
35.如權(quán)利要求34所述的聲波探測裝置，其特征在于，所述管的材質(zhì)為聚四氟或鉛。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種聲波探測裝置，其包括發(fā)射器、接收器、隔聲體，其中所述隔聲體位于所述發(fā)射器和所述接收器之間，所述隔聲體具有外殼和軸，其特征在于所述外殼和/或軸上刻有多個槽，在聲波傳播方向上的任意兩層相鄰槽之間的間距按照準(zhǔn)周期的方式分布。
文檔編號E21B47/14GK101900828SQ200910085550
公開日2010年12月1日 申請日期2009年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月25日
發(fā)明者楊秦山 申請人:中國石油集團長城鉆探工程有限公司