超声波衰减

本文引入一种显示声波在固体或液体中传播过程的新方法。
另外，井间地震技术作为油气田勘探开发领域的一项新技术已越来越受
到人们的重视。井间地震是井间地震学的重要组成部分
【22】
，它是一种在一
口井中激发，在另外一口或多口井中接收的地震勘探方法，该方法具有能量
传播距离短，接近探测目标，避开低速地层等特点，能够采集到高频率与高
5.2井间地震管波的实验观测.....................................38
5.3井间地震管波的传播机制.....................................43
5.4井间地震管波的削弱.........................................44
入射还是横波平面波入射，声脉冲碰到圆柱孔时都观测到爬波。其速度小于
体波速度，横波激发的爬波比纵波激发的爬波衰减慢。声脉冲在带状裂缝的
散射是声波在裂缝平直部分的散射和两个棱边反复散射的叠加。另外，还对
兰姆波的形成、传播、散射过程及声波在固体直角棱边的散射进行了实验观
测。
诸国桢先生也对固体中的声波传播进行了大量的研究。超声脉冲沿两种
发表论文和参加科研情况说明..........................................55
致谢......................................................................56
第一章绪论
不同介质构成的固-固界面传播
速度慢，声速和只与介质的参数有关，不依赖于声波的频率。对于平面
波，由
c
c
s
c
cs
c >c
c
c
s
c
c
c
s
c
ϕ标志的波通常称为纵波，由ψ标志的波通常称为横波，后面我们所
要讨论的声波即为平面波。
ρ
2
2
λ+
c
c=
μ
(2-8)
2
ρ
μ
=
s
c
4第一章绪论
1.1引言
超声波具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为
第三章超声在固体和液体中传播过程的显示方法........................18
3.1常用的声波显示方法概述.....................................18
3.2声波在固体和液体中传播过程的显示方法.......................18
3.3不同声波模型的实验观测.....................................21
摘要
本文对超声在固体中的传播特性进行了实验研究，引入显示声波在固体与液
体中传播过程的新方法，实现了非透明固体中声传播过程的实验观测。实验记录
了声波在铝板和有机玻璃板中的传播过程，直观地呈现了声波在含有障碍物以及
存在外加应力时的传播特征。在固体中传播的声波遇到障碍物时将会发生反射与
透射，形成直达波与反射波叠加的声场。由测量的声场分布图可以比较有效地区
信噪比的数据。20世纪70年代初油气勘探开发领域引入了井间地震技术，
1972年，美国《地球物理》杂志首次报道了井间地震技术在油田的试验情况，
试验所用设备简单，成像效果不好，没有引起广泛的关注。20世纪80年代
初井间地震技术发展到模型实验、方法研究和野外采集试验阶段。随着层析
成像技术成功引入，大大提高了井间地震成像的质量。由此形成了井间地震
的波动方程：
(25)
1
2
2
2
2
−
∂
∂
∇=
ct
c
ϕ
ϕ
(26)
1
2
2
2
2
−
∂
∂
=
ct
s
ψ
∇ψ
式中，
(2-7)
式(2-5)、(2-6)即为标准的波动方程，和是两种波的声速，。由此
可知：在无限大介质中有两种声波以各自独立的速度传播，一种是纵波，传
播速度为，一种是横波，传播速度为；纵波的传播速度快，横波的传播
【2】
。同年，Mason和McSkimin报道了金属中由于散射和漫射导
致的声能量的损失
【3】
。1954年，应崇福与Rohn Truell对超声波在真空锻炼和
内部氧化的稀释铜合金单晶中的衰减
【4】
。1956年应崇福与Rohn Truell首次对
无限大各向同性的弹性固体中遇到球形障碍物的散射进行了理论计算
1体中声波基础理论及相关计算
由u =∇ϕ+∇×ψ可知：
xyz
u
yzx
∂
∂
−
∂
∂
+
∂
∂
=
ϕψψ
（2-9）
yzx
u
xz
y
∂
∂
−
∂
∂
+
∂
∂
=
ϕψψ
（2-10）
zxy
u
xyz
∂
∂
−
∂
∂
+
∂
∂
=
ϕψψ
（2-11）
=0
∂
∂
y
对于二维问题，选择（x, z）平面直角坐标系，因此。利用胡克定
【18】
时，实验记录到两组波脉冲——快波组和
慢波组，其中快波组包括快速层中的纵波脉冲及其产生的三种头波，慢波组
包括慢速层中的纵波脉冲及其产生的两种头波。诸国桢先生也用动态光弹法
对声波在流体饱和多孔介质及其与流体、固体介质界面的反射与折射
【19】
进
行了实验观察。用阴影法
【20】
记录了低频超声脉冲受埋在沙中圆柱体、类圆
2.1无限大固体中声波传播的基本方程..............................4
2.2面波深度的计算..............................................5
2.3换能器背衬的原理及设计.....................................10
波遇到圆柱孔和存在一维应力作用时的声传播过程进行了实验观测。
另外，井间地震技术是一种新型物探方法，广泛应用于水文工程无损检
测、市政工程基低地质调查、矿产资源勘探等领域。但是，在井间地震记录
中常常含很强的管波，影响有效信号的提取，为此本文对管波的传播机制进
行了实验研究。
3体中声波基础理论及相关计算
第二章固体中声波基础理论及相关计算
( )
( )
2(23)
2
2
=+∇∇⋅−∇×∇×−
∂
∂
uu
t
u
ρλμμ
式中，ρ表示固体的密度。利用亥姆霍兹（Helmholtz）定理即任何矢量u都
可以分解为两部分：
u=∇ϕ+∇×ψ(2-4)
式中∇⋅ψ =0，ϕ是个标量，ψ是个矢量。
( )
∇u =∇∇⋅u−∇×∇×u
2
利用公式可将波动方程(2-3)式分解为下面两个独立
为此科学家们作了大量的研究。在20世纪40年代后期，Mason等人对超声
脉冲在固体中的传播与衰减进行了实验研究。1947年，Mason和McSkimin实
验测量了高频声波在金属（铝）和玻璃中的散射与衰减
【1】
。1948年，Roth
报道了一个利用脉冲技术测量超声波辐射的吸收和速度，声波频率范围从5
到100 MHz
井间地震技术这种勘探方法记录的数据中常常含有效信号的提取，因此，本文对井间地震管波的传
播机制进行了实验研究，为能在纪录数据之前削弱管波提供理论依据。
第一章绪论.........................................................1
射线而定向传播的特点。因此，超声波的穿透本领很大，尤其是在阳光不透
明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著
反射形成反射回波，因此，超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等
方面，在工业方面超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。
无论是探伤还是测厚，我们都必须首先了解超声波在固体中的传播特征,
柱体散射的散射波
【21】
，记录到纵波爬波和横波爬波。
上述研究工作都是采用光学玻璃这种透明介质作为实验对象，认为均匀
的和各向同性的非透明固体中的声传播过程与光学玻璃中的传播过程是类同
的，对于一般的金属或非金属等非透明固体材料中的声传播过程则无法通过
实验进行观测。为了能够通过实验直接观测到非透明固体中的声传播过程，
研究的热潮，研制开发了多种类型的设备，如功率可控震源、高效压电震源、
多级三分量检波器串等，在处理方法技术上井间地震层析成像和反射成像等
都取得长足进步。国内也开始了理论研究和数值模拟等工作。90年代开始，
井间地震技术进入初步的工业应用阶段。国内在这一阶段开展了许多工作，
在设备研发、数值模拟、野外数据采集、层析成像等多方面进行了探索，取
声波透射系数与换能器背衬参数之间的关系。
引入一种显示声波在固体或液体中传播过程的新方法，利用该方法对有
机玻璃板和铝板中声波的传播过程进行了实验观测，实现了非透明固体中声
波的实验观测。利用实验记录的边界波形图和不同时刻的声场分布图，用几
何方法与STC方法对固体中横波的传播速度进行了测量。同时，对铝板中声
得了一定发展
【23】
。
1995年Rector预言井间地震技术的未来是光明的，没有哪一项技术能够
像井间地震一样，可以获得有关目标层位的如此高分辨率、高精度的图像
【24】
。1997年Williams等人指出，要描述远离钻井的储层特征，井间地震数据是
唯一空间连续且具有特高分辨率的方法
【25】
。井间地震技术具有良好的前景，
1.1引言........................................................1
1.2本文的主要工作..............................................2
第二章固体中声波基础理论及相关计算.................................4
第四章固体和液体中的声场及其分析..................................25
4.1横波速度测量...............................................25
4.2声波通过圆柱孔时散射声场的实验研究.........................29
分出直达波与反射波。对施加一维应力作用后声波在铝板中的传播特征进行了实
验观测，发现波阵面有一定的变形，沿应力方向波阵面发生畸变，曲率变小（传
播速度随着应力的增大而增大所引起）。由液-固边界波形图和声场分布图出发,
利用几何计算方法可以对声波在固体中的传播速度进行计算。利用STC方法对
液-固边界波形进行处理，可得到相对精确的声速值。
【5】
，标
志着固体中超声波散射研究的开始，计算给出了散射波的表达式和总的散射
能量。1977年Hall将用于显示固体中应力波传播的光弹法推广用来显示透明
固体中的超声波
【6】
。1982年Tittmann和Cohen利用脉冲平面波入射对钛合金
中球形空腔的散射进行了测试
【7】
，发现空腔除了散射纵波外还有散射横波，
这表现了固体中声波传播的主要规律之一。
20世纪80年代开始，应崇福等人对固体中超声的散射问题作了大量的
实验与理论研究，同时引用和发展了动态光弹法
【8】
显示超声的技术，对透明
固体内的超声传播过程进行了实验观测
【9-17】
。先后对圆柱形孔、带状裂缝及
固体尖角等类型的散射体进行了理论计算和实验观测，不论采用纵波平面波
4.3应力作用下声场的实验观测...................................34
第五章井间地震管波的实验观测......................................38
5.1引言.......................................................38
5.5小结.......................................................48
第六章结论........................................................49
参考文献............................................................51
2.1无限大固体中声波传播的基本方程
【26-28】
在各向同性弹性固体中，应力向量T与应变向量S之间遵从下列方程式：
T = λ SI+2μS(2-1)
式中，λ是拉梅系数，μ是刚性模量，I是并向量恒等运算符。应变向量与
粒子的位移矢量满足下列关系：
()
2
1
S =∇u+u∇(2-2)
在固体中满足这些关系的波动方程可表示为：
但是在井间地震资料中常含有管波，因此本文为了削弱管波对井间地震管波
的传播机制进行了实验观测。
1.2本文的主要工作
2第一章绪论
本文通过阅读大量国内外文献了解了超声在固体中传播的现状。本文首
先从超声在固体中传播的基础理论出发，对面波深度与换能器背衬参数进行
了数值计算。理论上研究了面波深度与声源频率、介质密度等参数的关系及