CN101900828B - 声波探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种声波探测装置，其包括发射器、接收器、隔声体，其中所述隔声体位于所述发射器和所述接收器之间，所述隔声体具有外壳和轴，其特征在于：所述外壳和/或轴上刻有多个槽，在声波传播方向上的任意两层相邻槽之间的间距按照准周期的方式分布。

Description

声波探测装置

技术领域

本申请涉及声波探测装置，尤其是涉及声波探测装置的隔声体。

背景技术

声波探测装置一般由发射器、接收器、隔声体以及电子线路部分组成。隔声体是连接发射器与接收器的机械结构。隔声体的设计既要考虑机械连接的强度要求，更要考虑对于声波的隔声效果。对于隔声效果的评价有两个物理量：声衰减强度以及声延迟量。声衰减强度是指声波的某一分量在特定频率下的能量衰减大小，用分贝(dB)量度。声延迟量是指声波在隔声体上传播的快慢，用慢度(S/M)量度。声波探测装置的隔声体上有两处要进行重点的隔声设计和处理。一处是隔声体的外壳。因为发射换能器发射的声波能量通过硅油与皮囊的耦合传递到探测地层，外壳会将发射的能量通过外壳刚体直接传递到接收换能器，由于外壳材料本身的声学特性(传播慢度较小，传播衰减较小)，所以这种直接传播的声振动对于测量有非常严重的影响。另外一处是隔声体的轴，该轴是直接连接发射换能器与接收换能器的机械结构，声振动不通过耦合直接就从轴传递到了接收换能器，因此对于接收精度也有比较大的影响。

图2示出了传统的声波探测装置的隔声体外壳的展开图。如图所示，传统的隔声体的外壳1上均匀分布有多个槽2，该槽2的形状为矩形，该矩形的各相对边互相平行，并且在从声波发射器到声波接收器的声波传播方向上的任意两层相邻槽之间的间距A和B相等。

图3示出了传统的声波探测装置的隔声体轴的展开图。如图所示，传统的隔声体轴3上均匀分布有多个槽4，该槽4的形状为矩形，该矩形的各相对边互相平行，并且在上述声波传播方向上的任意两层相邻槽之间的间距A1、B1相等，通常在该轴的外表面还包覆有一层橡胶层。

由上述外壳和轴构成的传统声波探测装置的隔声体存在着隔声效果不理想的问题，因此直接导致声波探测装置的精度不能令人满意。

发明内容

本发明提供了一种具有改良性能的声波探测装置，尤其是提供了一种在声波探测装置内部的具有改良性能的隔声体。当本发明的隔声体具有与传统隔声体相同的长度时，其隔声效果优于传统隔声体的隔声效果，而当本发明的隔声体具有与传统隔声体相同的隔声效果时，其长度短于传统隔声体的长度。此外，本发明的隔声体还可以选择频率进行隔声，从而大大拓宽了隔声体的应用范围。

本发明的声波探测装置包括发射器、接收器和隔声体，其中所述隔声体位于所述发射器和所述接收器之间，所述隔声体至少具有外壳和内轴，其特征在于：所述外壳上具有多个槽，在从所述发射器到所述接收器的声波传播方向上的各相邻槽之间的间距按照准周期的方式分布。

本发明还提供了一种声波探测装置，其包括发射器、接收器和隔声体，其中所述隔声体位于所述发射探头器和所述接收探头器之间，所述隔声体具有轴，其特征在于：所述轴上具有多个槽，在从所述发射器到所述接收器的声波传播方向上的各相邻槽之间的间距按照准周期的方式分布。

附图说明

图1示出了声波沿垂直方向穿过中间层的物理特性示意图；

图2示出了传统声波探测装置的隔声体外壳的展开图；

图3示出了传统的声波探测装置的隔声体轴的展开图；

图4示出了按照Fibonacci序列得到的准周期隔声系统的示意图；

图5示出了根据本发明实施例一的声波探测装置隔声体外壳的展开图；

图6示出了根据本发明实施例二的隔声体轴的展开图；

图7示出了根据本发明实施例三的隔声体外壳的展开图；

图8示出了根据本发明实施例四的隔声体轴的展开图；

图9示出了根据本发明实施例五的隔声体外壳的展开图；

图10示出了根据本发明实施例六的隔声体轴的展开图；

图11示出了根据本发明实施例七的隔声体外壳的剖视图；

图12示出了根据本发明实施例八的隔声体轴的剖视图；

图13示出了根据本发明实施例九的隔声体轴的剖视图；

图14示出了根据本发明实施例十的隔声体轴的剖视图；

图15示出了根据本发明实施例十一的隔声体轴的剖视图；

图16示出了根据本发明实施例十二的隔声体轴的剖视图；

图17示出了根据本发明的套设有非平行且准周期垫片的轴的正视图；

图18示出了刻槽层数(泥浆介质层数)N＝4(层)的情况下，准周期隔声体对于不同频率的声波信号的隔声效果；

图19示出了刻槽层数(泥浆介质层数)N＝20(层)的情况下，准周期隔声体对于不同频率的声波信号的隔声效果；

图20示出了刻槽层数(泥浆介质层数)N＝100(层)的情况下，准周期隔声体对于不同频率的声波信号的隔声效果。

图21示出了声频率为5000Hz的情况下，具有不同刻槽层数N的准周期隔声体的隔声效果；

图22示出了声频率为8000Hz的情况下，具有不同刻槽层数N的准周期隔声体的隔声效果；

图23示出了声频率为13000Hz的情况下，具有不同刻槽层数N的准周期隔声体的隔声效果；

图24示出了声频率为16000Hz的情况下，具有不同刻槽层数N的准周期隔声体的隔声效果；

图25示出了刻槽层数(泥浆介质层数)N＝20(层)的情况下，准周期与周期隔声体对于不同频率声波信号的隔声效果对比图；

图26示出了声频率为8000Hz的情况下，准周期、周期隔声体在不同刻槽层数N的情况下的隔声效果对比图；

图27示出了声频率为13000Hz的情况下，准周期、周期隔声体在不同刻槽层数N的情况下的隔声效果对比图；

图28为反映实验真实数据的图；

图29也为反映实验真实数据的图。

具体实施方式

在壳体或轴上刻槽是设计隔声体的基本途径。这些基本途径的物理模型就是声波穿过不同介质的中间层。本说明书将首先分析声波穿过中间层的物理特性。

如图1所示，设有一厚度为D、特性阻抗为Z₂＝ρ₂v₂的中间层媒质置于特性阻抗为Z₁＝ρ₁v₁的无限媒质中，其中ρ为媒质的密度，v为媒质中的声速。当一列平面声波(p₁，v₁)垂直入射到中间层界面上时，一部分发生反射回到中间层左面的媒质中，即形成了反射波(p_1r，v_1r)；另一部分透入中间层、记为(p_2t，v_2t)。当声波(p_2t，v_2t)行进到中间层的另一界面上时，由于特性阻抗的改变，又会有一部分反射回中间层中，记为(p_2r，v_2r)，其余部分就透入中间层右面的Z₁＝ρ₁v₁媒质中去，记为(p_t，v_t)。由于这里的中间层右面的媒质延伸到无限远，所以透射波(p_t，v_t)不会再发生反射，上述p为声压。

中间层左面的媒质中的声场就是(p₁，v₁)与(p_1r，v_1r)的叠加，中间层中的声场就是(p_2t，v_2t)与(p_2r，v_2r)的叠加，中间层右面的媒质中的声场就仅为(p_t，v_t)。使用中间层左右边界的声学条件来确定反射及透射的大小，可以得到声强透射系数 $t_I=\frac{4}{4{\cos }^2{k}_{2}D+{(Z_{12}+Z_{21})}^2{\sin }^2{k}_{2}D}$ 及反射声强r_I＝1-t_I。式中， $Z_{12}=\frac{Z_2}{Z_1},$ $Z_{21}=\frac{Z_1}{Z_2},$ k₂＝ω/v，其中ω为频率、v为声速，k₂为波数。

这一结果表明，声波通过中间层时的反射波及透射波的大小不仅与两种媒质的特性阻抗Z₁，Z₂有关，而且还同中间层的厚度与其中传播的波长之比有关 $(k_{2}D=\frac{\mathrm{\ω}}{v_2}D=\frac{2\mathrm{\πD}}{{\mathrm{\λ}}_2}).$

A.当k₂D＜＜1，此时cosk₂D≈1，sink₂D≈0，可得t_I≈1。这表明，当声波波长远远大于中间层厚度时，声波几乎全透射。

B.当k₂D＝nπ(n＝1，2，3，...)，此时cosk₂D≈1，sink₂D≈0，可得t_I≈1。这表明，当中间层厚度为半波长整数倍时，声波几乎全透射。

C.当 $k_{2}D=(2n-1)\frac{\mathrm{\π}}{2},$ (n＝1，2，3，...)，Z₁＜＜Z₂，此时t_I≈0。这表明，当中间层厚度为波长奇数倍时，声波几乎完全不能透过，中间层隔断了声波。

如果平面声波的传播方向不是垂直于中间层，而是与分界面的法线有一个夹角也就是斜入射，那么这种情况下声波反射及透射的大小的处理方法原则上与垂直入射时完全一样，不同的只是现在要应用沿空间任意方向传播的平面波表示式P＝P_ae^{j(ωt-kx cosα-ky cosβ-kx cosγ)}，该式中P为声压，Pa为声压的幅度标量部分，α、β、γ确定空间传播的方向，并且各列波的声压与法向质点速度间的关系也应该用一般表示式：

$v_x=-\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_0}\∫\frac{\∂p}{\∂x}\mathrm{dt}=\frac{\cos \mathrm{\α}}{{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0}p$

$v_y=-\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_0}\∫\frac{\∂p}{\∂y}\mathrm{dt}=\frac{\cos \mathrm{\β}}{{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0}p$

$v_z=-\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_0}\∫\frac{\∂p}{\∂z}\mathrm{dt}=\frac{\cos \mathrm{\γ}}{{\mathrm{\ρ}}_0{c}_0}p$

在上式中，v_x，v_y，v_z为空间任意一点质点速度沿X、Y、Z三个坐标方向的分量。

通过与垂直入射时类似的方式即可求得斜入射时反射声压及透射声压的大小关系。

这里不必再作繁琐的推导，我们只需注意一下声波在两种无限延伸媒质的分界面上垂直入射时和斜入射时的两种结果： $r_p=\frac{Z_2-Z_1}{Z_2+Z_1},$ $r_v=\frac{Z_1-Z_2}{Z_2+Z_1},$ $t_p=\frac{{2Z}_2}{Z_2+Z_1},$ $t_v=\frac{{2Z}_1}{Z_2+Z_1}$ 及 $r_p=\frac{z_{s2}-z_{s1}}{z_{s2}+z_{s1}},$ $r_v=\frac{z_{s1}-z_{s2}}{z_{s2}+z_{s1}},$ $t_p=\frac{{2z}_{s2}}{z_{s2}+z_{s1}},$ $t_v=\frac{{2z}_{s1}}{z_{s2}+z_{s1}},$ 在上式中， $z_{s1}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_1{c}_1}{\cos \mathrm{\θ}},$ $z_{s2}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_2{c}_2}{\cos \mathrm{\θ}}$ 称为法向声阻抗率；t_p为声压透射系数，r_p为声压反射系数，t_v为声速透射系数，r_v为声速反射系数。它们的区别只在于斜入射时的法向声阻抗率Z_s代替了垂直入射时的声阻抗率Z，所以现在也可以根据垂直入射于中间层的结果 $t_p=\frac{2}{{[4{\cos }^2{k}_{2}x+{(\frac{z_2}{z_1}+\frac{z_1}{z_2})}^2{\sin }^2{k}_{2}x]}^{1/2}}$ 及 $t_I=\frac{4}{[4{\cos }^2{k}_{2}x+{(\frac{z_2}{z_1}+\frac{z_1}{z_2})}^2{\sin }^2{k}_{2}x]},$ 简单地用法向声阻抗率Z_s代替原式中的声阻抗率Z，并用波矢量在x方向的分量 $k_2^t=k_2\cos {\mathrm{\θ}}_{2t}$ 代替原式中的波数k₂，其中θ_2t为波矢量与x方向的夹角，这样就直接得到声波斜入射于中间层上时的声压透射系数t_p及声强透射系数t_I为：

$\left.\begin{array}{c}{t}_p=\frac{p_{\mathrm{ta}}}{p_{\mathrm{ia}}}=\frac{2}{{[4{\cos }^2{k}_2^{\′}D+{(\frac{z_2}{z_1}+\frac{z_1}{z_2})}^2{\sin }^2{k}_2^{\′}D]}^{{1/2}^{\′}}}\\ t_I=\frac{I_t}{I_i}=\frac{4}{{[4{\cos }^2{k}_2^{\′}D+{(\frac{z_2}{z_1}+\frac{z_1}{z_2})}^2{\sin }^2{k}_2^{\′}D]}^{\′}}\end{array}\right\}$

上式中 $Z_2=\frac{{\mathrm{\ρ}}_2{c}_2}{\cos {\mathrm{\θ}}_2},$ $Z_1=\frac{{\mathrm{\ρ}}_1{c}_1}{\cos {\mathrm{\θ}}_1},$ 其中θ₁与θ₂为中间层中的折射角。

此外，通常的刻槽方案均采用如图2和图3所示的均分的方案。而通过近年来的研究发现，波在介质中的传播是有很多特殊特性的。当波在随机介质中传播时，会出现一些特殊现象。其中波在准周期系统中的传播对于隔声体设计具有非常重要的作用。

准周期系统是介于周期系统与完全随机系统之间的中间结构，虽然是非周期的，但其具有确定性的结构，表现其特有的性质。如：M.Kohmoto等人发现的一维Fibonacci准晶体的电子能谱和某些电子波函数是分形结构。这种结构能在频域上形成非周期的选择性。本说明书中使用数学方法对这种现象进行了分析和计算，同时给出了仿真的结果。

为了方便数学表达，更准确的体现准周期系统在声波隔声中的特性，本说明书中选择的一维准周期系统是由钢(壳体)与泥浆两种介质在X方向上间隔组成的。钢和泥浆两种介质在垂直于x方向的平面内是均匀各向同性的，仅在x方向上表现出结构上的不同。

Fibonacci序列是典型的一维准周期系统，它的生成方式是：由单个元素(A)开始，按照下面的替换方式展开A→ABB→A。在隔声体的设计方案中，A和B代表了钢介质层的不同厚度。将等厚的泥浆介质放入相邻的两层钢体之间，这样就得到了按照Fibonacci序列的准周期隔声系统。如图4所示，其中S_A、S_B分别代表厚度为A和B的钢介质层，W代表厚度为d的泥浆层。

在任意介质中，声波传播可以用该方程表述：

$p_m=\left(x\right)=L_m{e}^{{\mathrm{ik}}_{m}x}+R_m{e}^{-{\mathrm{ik}}_{m}x}$

其中m是介质的标记(在本实例中为厚钢、薄钢或者泥浆层)，p_m(x)为声波在m介质中的压力场，L_m和R_m的值分别由左右边界条件决定，k_m为m层介质中的波数，因为各个介质中声速不同，所以对应的波数也不相同。

在任意介质中的声波速度场可以用压力场的一阶导数表示：

$v_m\left(x\right)=\frac{1}{\mathrm{iw}{\mathrm{\ρ}}_m}{p}_m^{\′}\left(x\right)=\frac{1}{{\mathrm{\ρ}}_m{c}_m}[L_m{e}^{{\mathrm{ik}}_{m}x}-R_m{e}^{-{\mathrm{ik}}_{m}x}]$

式中ρ_mc_m分别为介质m的密度和相速度。

为了方便表述，在钢体介质中令 $S\left(x\right)=\left(\begin{array}{c}{S}^L\left(x\right)\\ S^R\left(x\right)\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{L}_S{e}^{{\mathrm{ik}}_{S}x}\\ R_S{e}^{-{\mathrm{ik}}_{S}x}\end{array}\right)$ 在泥浆体中令 $W\left(x\right)=\left(\begin{array}{c}{W}^L\left(x\right)\\ W^R\left(x\right)\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{L}_w{e}^{{\mathrm{ik}}_{w}x}\\ R_w{e}^{-{\mathrm{ik}}_{w}x}\end{array}\right)$

在介质不连续的位置，压力场p_m(x)和速度场v_m(x)是连续的。所以得到：

W_j(x_j)＝H^-1S(x_j)，S_j-1(x_j)＝HW_j(x_j)

式中j表示x轴上的第j个介质层。上式(压力场与速度场是连续的)表达了在第j个介质层左右界面上的边界条件。

$H=Z^{-1/2}\left(\begin{array}{cc}\cosh \mathrm{\α}& \sinh \mathrm{\α}\\ \sinh \mathrm{\α}& \cosh \mathrm{\α}\end{array}\right),$ $Z=\frac{{\mathrm{\ρ}}_w{c}_w}{{\mathrm{\ρ}}_S{c}_S},$ $\mathrm{\α}=\frac{1}{2}\ln Z$

在每一个介质层的内部有

W_j(x_jl)＝U_wW(x_jr)S_j(x_jl)＝U_sS(x_jr)

其中

$U_w\left(d\right)=\left(\begin{array}{cc}{e}^{-{\mathrm{ik}}_{w}d}& 0\\ 0& e^{{\mathrm{ik}}_{w}d}\end{array}\right),$ $U_s\left(A\right)=\left(\begin{array}{cc}{e}^{-{\mathrm{ik}}_{s}A}& 0\\ 0& e^{{\mathrm{ik}}_{s}A}\end{array}\right),$ $U_s\left(B\right)=\left(\begin{array}{cc}{e}^{-{\mathrm{ik}}_{s}B}& 0\\ 0& e^{{\mathrm{ik}}_{s}B}\end{array}\right)$

这样，就可以用传播矩阵模拟声振动传播的过程：

S_j-1(x_j)＝HU_wH^-1U_sS_j(x_j+1)＝M_jS(x_j+1)

该式反映了声振动从第j-1层介质(钢体)中传播到第j+1层介质(钢体)时的传播规律。通过对传播矩阵M的分析，可以得到声振动传播的透射与反射规律。

上文中已经详细地阐述了本发明的理论依据，接下来将结合各附图来具体描述本发明的实施方案。

实施例一：

本实施例是对隔声体的外壳进行改进，该外壳的设置方式如图5所示。

在图5中，附图标记1表示隔声体的外壳，在该外壳1上刻有多个槽2’，该槽2’的形状为变形三角形(槽宽例如是5mm)，在从声波发射器到声波接收器的声波传播方向(例如图5中的水平方向)上的任意两层相邻槽2’之间的间距A、B是相等的(例如10mm或16mm)，所述间距为：在上述声波传播方向上的任意两层相邻槽中，从相对而言更接近声波发射器的一层槽的最远离声波发射器的一端到另一层槽的最接近声波发射器的一端之间的距离。

上述槽2’的形状并不限于变形三角形，还可以采用其他形状，例如梯形等，只要该形状可以使得在上述声波传播方向上该槽不具有相互平行的表面即可。

这里需要说明的是，在本实施例中的外壳上刻制的多个槽即构成了该外壳的多个中间层，而槽内的空气即构成该中间层的媒质。在从声波发射器到声波接收器的声波传播过程中，平面声波将穿过各个作为中间层的槽。由于本实施例中的各个槽在声波传播方向上不具有相互平行的表面，即各个作为中间层的槽的声波入射面与声波出射面不平行，所以会产生优于现有技术的隔声效果。

此外，当本实施例的隔声体用于声波测井装置的井下探测装置中时，在钻井过程中产生的泥浆会充填各个槽，那么此时泥浆便构成了中间层媒质。当然，技术人员还可以根据实际设计需要选择用橡胶、树脂、铅块等其他材料来充填各个槽，以构造各种不同媒质的中间层。

本实施例通过对外壳上槽的设置方式进行改进，而使得从声波发射器传播到声波接收器的平面声波以与作为中间层的所述槽的声波入射面的法线呈一夹角(优选为锐角)的方式入射到所述槽中，从而可以改善隔声体的隔声能力，继而使得声波探测装置的测量结果更加精确。

实施例二：

本实施例是对隔声体的轴进行改进，该轴的设置方式如图6所示。

在图6中，附图标记3表示隔声体的轴，在该轴3上刻有多个槽4’，该槽4’的形状为变形三角形(槽宽例如是5mm)，在上述声波传播方向上的任意两层相邻槽4’之间的间距A1、B1是相等的(例如10mm或16mm)，所述间距为：在上述声波传播方向上的任意两层相邻槽中，从相对而言更接近声波发射器的一层槽的最远离声波发射器的一端到另一层槽的最接近声波发射器的一端之间的距离。

此处槽4’的形状也并不限于变形三角形，还可以采用其他形状，例如梯形等，只要该形状可以使得在所述声波传播方向上该槽不具有相互平行的表面即可。

与实施例一同理，在本实施例中的轴上刻制的多个槽也构成了该轴的多个以空气为媒质的中间层，该作为中间层的槽在上述声波传播方向上的声波入射面与声波出射面不平行；优选地，该作为中间层的内也可以填充硅油、橡胶、树脂、铅块等其他材料，以进一步改善隔声效果。

本实施例通过对轴上槽的设置方式进行改进，而使得从声波发射器传播到声波接收器的平面声波以与作为中间层的所述槽的声波入射面的法线呈一夹角(优选为锐角)的方式入射到所述槽中，从而也可以改善隔声体的隔声能力，继而也使得声波探测装置的测量结果更加精确。

实施例三：

本实施例是对隔声体外壳上槽的分布方式进行准周期性改进，也就是说，将如图2所示的具有以等间距分布的槽的外壳改进为具有其间距按准周期方式分布的槽的外壳，具体改进方式如图7所示。

在图7中，附图标记1表示隔声体的外壳，在该外壳1上刻有多个槽21，该槽21的形状为矩形(槽宽例如是5mm)，在上述声波传播方向上的任意两层相邻槽21之间的间距A’、B’是不相等的，并且各间距按照准周期的方式(例如Fibonacci、morse等)进行分布，所述间距为：在上述声波传播方向上的任意两层相邻槽中，从相对而言更接近声波发射器的一层槽的最远离声波发射器的一端到另一层槽的最接近声波发射器的一端之间的距离。

本实施例通过对外壳上槽的设置方式进行准周期性改进，而使得改进后的隔声体可以选择频率进行隔声，从而显著地改善了隔声体的隔声能力，并拓宽了隔声体的应用范围。

实施例四：

本实施例是对隔声体轴上槽的分布方式进行准周期性改进，也就是说，将如图3所示的具有以等间距分布的槽的轴改进为具有其间距按准周期方式分布的槽的轴，具体改进方式如图8所示。

在图8中，附图标记3表示隔声体的轴，在该轴3上刻有多个槽41，该槽41的形状为矩形(槽宽例如是5mm)，在上述声波传播方向上的任意两层相邻槽41之间的间距A1’、B1’是不相等的，并且各间距按照准周期的方式(例如Fibonacci、morse等)进行分布，所述间距为：在上述声波传播方向上的任意两层相邻槽中，从相对而言更接近声波发射器的一层槽的最远离声波发射器的一端到另一层槽的最接近声波发射器的一端之间的距离。

本实施例通过对轴上槽的设置方式进行准周期性改进，而使得改进后的隔声体可以选择频率进行隔声，从而显著地改善了隔声体的隔声能力，并拓宽了隔声体的应用范围。

实施例五：

本实施例是对隔声体外壳上槽的形状和各相邻槽之间的间距均进行改进，也就是说，将如图2所示的具有呈矩形形状且以等间距分布的槽的外壳改进为具有呈变形三角形形状且以准周期性间距分布的槽的外壳，具体改进方式如图9所示。

在图9中，附图标记1表示隔声体的外壳，在该外壳1上刻有多个槽22，该槽22的形状为变形三角形(槽宽例如是5mm)，在上述声波传播方向上的任意两层相邻槽22之间的间距A2、B2是不相等的，并且各间距按照准周期的方式(例如Fibonacci、morse等)进行分布。

如前所述，槽22的形状并不限于变形三角形，还可以采用其他形状，例如梯形等，只要该形状可以使得在所述声波传播方向上该槽不具有相互平行的表面即可。

本实施例通过对外壳上槽的设置方式进行改进，使得不仅可以改善隔声体的隔声能力，而且还使得改进后的隔声体可以选择频率进行隔声，从而拓宽了隔声体的应用范围。

实施例六：

本实施例是对隔声体轴上槽的形状和各相邻槽之间的间距均进行了改进，也就是说，将如图3所示的具有呈矩形形状且以等间距分布的槽的轴改进为具有呈变形三角形形状且以准周期性间距分布的槽的轴，具体改进方式如图10所示。

在图10中，附图标记3表示隔声体的轴，在该轴3上刻有多个槽42，该槽42的形状为变形三角形(槽宽例如是5mm)，在上述声波传播方向上的任意两层相邻槽42之间的间距A3、B3是不相等的，并且各间距按照准周期的方式(例如Fibonacci、morse等)进行分布。

同样，槽42的形状并不限于变形三角形，还可以采用其他形状，例如梯形等，只要该形状可以使得在所述声波传播方向上该槽不具有相互平行的表面即可。

本实施例通过对轴上槽的设置方式进行改进，而使得不仅可以改善隔声体的隔声能力，而且还使得改进后的隔声体可以选择频率进行隔声，从而拓宽了隔声体的应用范围。

实施例七

实施例一至六是通过以上述特定方式在外壳和/或轴上刻槽来在外壳和/或轴上形成多个其声波入射面与声波出射面不平行的中间层，从而使得从声波发射器传播到声波接收器的平面声波以与所述中间层的声波入射面的法线呈一夹角(优选为锐角)的方式入射到所述中间层中，继而改善隔声效果。而本实施例则是通过另一种方式来在外壳上设置其声波入射面与声波出射面不平行的中间层。

本实施例中的外壳不是一体成形，而是由多个子壳体构成。

如图11所示，外壳1由三个子壳体11、12、13构成，其中子壳体12即为中间层，其具有声波入射面S_in和声波出射面S_out，该声波入射面S_in和声波出射面S_out彼此不平行，并且作为中间层的子壳体12的材质与和其相邻的子壳体11和13的材质均不相同，而子壳体11和13的材质可以相同，也可以不同，也就是说，只要相邻的两个子壳体的材质不同即可；例如，子壳体12可由橡胶构成，而子壳体11和13可均由钢材构成。

虽然本实施例中只示出了由三个子壳体构成的外壳，但是本发明并不限于此。本领域技术人员可以根据实际设计需要选择多于三个的子壳体来构成外壳，此时，除了位于首尾位置的两个子壳体之外的其他子壳体可以视为多个中间层，并且相邻的子壳体的材质不相同。另外，构成各中间层的各子壳体的声波入射面和声波出射面之间互不平行，所述声波入射面和/或声波出射面可以是平面，也可以是凹面、凸面或凹凸面。各子壳体之间可以采用粘接、铆接等连接方式连为一体。

综上所述，本实施例通过对外壳的构造方式进行改进，即使得外壳在上述声波传播方向上具有至少一个其声波入射面和声波出射面不平行的中间层，而使平面声波以与所述中间层的声波入射面的法线呈一夹角(优选为锐角)的方式入射到所述中间层中，从而也可以改善隔声体的隔声能力，继而也使得声波探测装置的测量结果更加精确。

实施例八：

本实施例是以与实施例七类似的方式对隔声体的轴进行改进。

如图12所示，轴3由三个子轴体31、32、33构成，其中子轴体32即为中间层，其具有彼此不平行的声波入射面S_in和声波出射面S_out。作为中间层的子轴体32的材质与和其相邻的子轴体31和33的材质均不相同，而子轴体31和33的材质可以相同，也可以不同，也就是说，只要相邻的两个子轴体的材质不同即可；例如，子轴体32可由橡胶构成，而子轴体31和33可均由钢材构成。

与实施例七同理，本领域技术人员可以根据实际设计需要选择多于三个的子轴体来构成轴，此时，除了位于首尾位置的两个子轴体之外的其他子轴体可以视为多个中间层，并且相邻的子轴体的材质不相同。另外，构成各中间层的各子轴体的声波入射面和声波出射面之间也互不平行，所述声波入射面和/或声波出射面可以是平面，也可以是凹面、凸面或凹凸面。各子轴体可以采用粘接、铆接等连接方式连为一体。

综上所述，本实施例通过对轴的构造方式进行改进，即使得轴在上述声波传播方向上具有至少一个其声波入射面和声波出射面不平行的中间层，从而使得平面声波以与所述中间层的声波入射面的法线呈一夹角(优选为锐角)的方式入射到所述中间层中，以改善隔声体的隔声能力。

实施例九：

本实施例是对实施例二、四、六、八中所述轴进行进一步改进。如图13所示，附图标记6为轴，在轴6的外表面套设有多个垫片5，该多个垫片5彼此平行设置，且多个垫片5的厚度均相同，各相邻垫片之间的间距也均相同。

所述垫片5的形状可以是圆形、方形、多边形、锯齿形或其他适合的形状，垫片5的材质可以是橡胶、铅块、树脂等材料，只要其声阻抗足够大即可。

由于金属铜的热流衰减系数为445，比铁(18.8)的热流衰减大20多倍，所以考虑到强度与价格，可以使用铜作为上述轴的材料，但是轴的材料并不限于铜，其可以根据实际设计需要采用任何适合的材质。

本实施例通过将传统的在轴的外表面上整体覆盖一层橡胶的设置方式改为在轴的外表面上均匀套设多个隔声垫片的方式，使得改进后的隔声体的隔声性能得到了提高。

实施例十：

本实施例是对实施例九中所述轴上套设的垫片进行进一步改进。如图14所示，在柱状轴6的外表面上也套设有多个厚度、间隔均相同的垫片5。与实施例九不同的是，本实施例中最接近声波发射器的一个垫片的形状有所变化，即，在该垫片的声波入射端的中心区域具有圆锥形凹槽8。通过设置该圆锥形凹槽8使得从声波发射器传播到声波接收器的平面声波以与具有该凹槽8的垫片的声波入射面的法线呈一夹角(优选为锐角)的方式入射到具有该凹槽8的垫片中，从而也可以改善隔声能力。

此外，该凹槽8的形状并不限于圆锥形，其还可以是其他形状，只要该形状可以使得在所述声波传播方向上，具有该凹槽的垫片不具有相互平行的表面即可。

实施例十一：

本实施例也是对实施例九中所述轴上套设的垫片进行进一步改进。如图15所示，在轴6的外表面上也套设有平行设置的多个垫片5’。与实施例九不同的是，本实施例中的各个垫片5’的厚度互不相同(C≠D)，各相邻垫片之间的间距也不相同(A4≠B4)，并且各垫片的厚度按照准周期方式(例如Fibonacci、morse等)分布，各相邻垫片之间的间距也按照准周期方式分布。当然，也可以只让垫片的厚度按照准周期方式分布，或者是只让相邻垫片之间的间距按照准周期方式分布。

本实施例通过对轴上套设的垫片的设置方式进行准周期性改进，而使得改进后的隔声体也可以选择频率进行隔声。

实施例十二：

本实施例还是对实施例九中所述轴上套设的垫片进行进一步改进。在本实施例中，如图16所示，多个垫片5’的厚度和/或间距按照准周期方式分布。此外，最接近声波发射器的一个垫片的形状也有所变化，即，在该垫片的声波入射端的中心区域具有圆锥形凹槽8’，从而使得声波以与具有凹槽8的垫片的声波入射面的法线呈一夹角(优选为锐角)的方式入射到具有凹槽8的垫片中，从而也可以改善隔声体的隔声能力。

同样，该凹槽的形状也并不限于圆锥形，其还可以采用其他形状，只要该形状可以使得在所述声波传播方向上，具有该凹槽的垫片不具有相互平行的表面即可。

附图17示出了套设垫片的轴的正视图，通过该图可以更加明了上述实施例九、十、十一、十二的技术方案。在该图中，附图标记5表示垫片，附图标记6表示轴，附图标记7表示聚四氟管，其位于各垫片5之间用于固定垫片5。本图中所示的只是本发明的优选方案，本发明并不局限与此。例如，上述垫片5之间的管7还可以采用铅等其他材料，或者是可以省去管7，而改由其他方式来固定垫片5，比如采用螺钉铆接或粘接等方式。

上文中已经详细地说明了本发明的各个实施例，然而需要强调的是，本发明的隔声体并不必然要包括外壳和轴，其可以仅具有轴，而在轴外面不再设置外壳；并且轴可以是空心的也可以是实心的。此外，由于外壳与轴是两个相对独立的单元，其二者之间并没有必然的联系，因此当采用外壳加轴的方案来构建隔声体时，本发明的隔声体可以是上述各外壳和各轴的任意组合，例如实施例一所述的外壳加实施例二、四、六、八-十二之一所述的轴、实施例二所述的轴加实施例一、三、五或七所述的轴，或者是实施例一、三、五或七所述的外壳加传统的轴、实施例二、四、六、八-十二之一所述的轴加传统的外壳等等。

接下来将结合各具体仿真实验来说明仿真结果：

在仿真实验中，我们使用的参数如下：

v_s＝5300m/s    ρ_s＝7800kg/m³

v_w＝2100m/s    ρ_s＝1350kg/m³

A＝18mm，B＝27mm，d＝6mm；

因为是研究隔声体设计的问题，所以仿真的结果集中体现在透射率的计算上。对于Fibonacci的准周期序列，着重验证以下几个结果：

1)准周期序列对于不同频率信号的选择性；

2)不同层数的隔声体对于不同频率的选择性；

图18、19、20分别示出了刻槽层数(泥浆介质层数)N＝4、20、100(层)的情况下，隔声体对于声波信号的衰减特性。

图21、22、23分别示出了声频率为5000Hz、8000Hz、13000Hz的情况下，具有不同刻槽层数N的准周期隔声体的隔声效果。

图24示出了声频率为16000Hz的情况下，具有不同刻槽层数N的准周期隔声体的隔声效果。

从上述附图中，可以很明显的看到，按照准周期序列设计的隔声体对于不同的频率表现出了不同的性质。在低频段(5kHz)时，准周期序列与等间隔序列表现出了同样的特性。随着频率的增加，隔声特性出现了周期变化(8000Hz)，而当频率大于一定数值时(13000Hz)，隔声体对于声振动的衰减与层数N的关系成线性增长，这说明准周期系统对于频率的通过表现出选择性。

在这里，通过直接对比相同情况下的周期与非周期系统的结果，可以更加直观的看出两种系统的区别

1)对于不同频率信号的选择性；

2)不同层数的隔声体对于不同频率的选择性；

仿真参数与非周期系统相同，即：

v_s＝5300m/s  ρ_s＝7800kg/m³

v_w＝2100m/s  ρ_s＝1350kg/m³

A＝20mm，d＝6mm；

与准周期系统不同的是，周期系统中介质A只有一种间隔20mm。

图25示出了在刻槽层数(泥浆介质层数)N＝20(层)的情况下，准周期与周期隔声体对于不同频率声波信号的隔声效果对比图。其中线R为周期系统的隔声特征，线B为准周期系统的特征。

图26示出了在声频率为8000Hz的情况下，准周期、周期隔声体在不同刻槽层数N的情况下的隔声效果对比图。周期系统的隔声特性随层数N的变化呈周期变化，而准周期系统具有一定的波动性。这种波动性在一定的频率下会发生突变，见图26。

图27示出了在声频率为13000Hz的情况下，准周期、周期隔声体在不同刻槽层数N的情况下的隔声效果对比图。随着层数的增加，准周期系统的隔声特性在不断增加，而周期系统依然是周期重复。这种频率的选择性是准周期系统的一个非常重要的特征。

仿真的结果表明(不考虑材料对声振动的衰减)，单纯增加隔声体的层数不能增加衰减系数，只能得到更多的衰减点。而使用准周期系统，就可以很好的解决这个问题。可以充分利用上述选择性对特定的频率进行过滤。

图28和29示出了反映实验真实数据的图，其中线G为低频传感器，线R1为高频传感器，可以看到，本发明所采用的新的技术方案在隔声的频率选择性上有非常明显的优势，在同等隔声长度的条件下，本发明的技术方案比传统方案提高隔声效果40％。

此外还需要说明的是，上文中所述的外壳和轴或者是由轴单独构成的隔声体结构只是一些类型的隔声体结构，而隔声体并不仅限于上述结构，任何在发射器与接收器之间的机械结构都可以称为隔声体(例如：由多个具有不同弹性系数的弹簧连接构成的隔声体，或者是由多个棒材或轴承或其他类似机械结构连接构成的隔声体，其中相邻的棒材或轴承或其他类似机械结构由不同材料制成，并且上述连接方式可以为粘接、铆接或螺纹连接)，也都可以使用本发明所述的技术方案来改善其隔声性能。

虽然已经结合特定实施例详细地描述了本发明，但是应该理解的是，前述实施例仅仅是作为示例，而并不是为了限制本发明。本领域技术人员根据其已有的专业知识可以容易地想象到这些实施例的其他的变形和修改，其可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明做出这些变形和修改，以获得本发明的部分或所有优点。

Claims (30)

1.一种声波探测装置，其包括发射器、接收器和隔声体，其中所述隔声体位于所述发射器和所述接收器之间，所述隔声体至少具有外壳和轴，其特征在于：所述外壳上具有多个槽，在从所述发射器到所述接收器的声波传播方向上的各相邻槽之间的间距按照准周期的方式分布；所述轴上也刻有槽，所述外壳和/或轴上的所述槽的形状为变形三角形或梯形，所述外壳和/或轴上的所述槽在所述声波传播方向上具有声波入射面和声波出射面，所述声波入射面和所述声波出射面互不平行。

2.如权利要求1所述的声波探测装置，其特征在于，所述轴上的任意两层相邻槽之间的间距也按照准周期的方式分布，其中所述任意两层相邻槽在所述声波传播方向上分布。

3.如权利要求1或2所述的声波探测装置，其特征在于，所述外壳和/或轴上的槽中填充有泥浆、硅油、橡胶、树脂或铅块。

4.如权利要求1所述的声波探测装置，其特征在于，所述轴在所述声波传播方向上由至少三个子轴体构成，相邻子轴体的材质不同。

5.如权利要求4所述的声波探测装置，其特征在于，除了位于首尾位置的子轴体之外的其他子轴体在所述声波传播方向上具有声波入射面和声波出射面，所述其他子轴体上的声波入射面和声波出射面互不平行。

6.如权利要求1所述的声波探测装置，其特征在于，所述轴的外表面套设有多个垫片。

7.如权利要求6所述的声波探测装置，其特征在于，所述多个垫片以平行方式设置。

8.如权利要求6所述的声波探测装置，其特征在于，最接近所述发射器的垫片的声波入射端的中心区域具有凹槽，从而使得具有所述凹槽的所述垫片在所述声波传播方向上不具有相互平行的表面。

9.如权利要求8所述的声波探测装置，其特征在于，所述凹槽为圆锥形。

10.如权利要求6-9之一所述的声波探测装置，其特征在于，所述多个垫片的厚度和/或各相邻垫片之间的间距按照周期方式分布。

11.如权利要求6-9之一所述的声波探测装置，其特征在于，所述多个垫片的厚度和/或各相邻垫片之间的间距按照准周期方式分布。

12.如权利要求1或2所述的声波探测装置，其特征在于，所述准周期方式为Fibonacci或morse方式。

13.如权利要求4所述的声波探测装置，其特征在于，所述至少三个子轴体为至少三个具有不同弹性系数的弹簧、至少三个棒材或至少三个轴承。

14.如权利要求4或13所述的声波探测装置，其特征在于，所述至少三个子轴体之间的连接方式为粘接、铆接或螺纹连接。

15.如权利要求1所述的声波探测装置，其特征在于，所述声波探测装置为声波测井装置中的井下探测装置。

16.一种声波探测装置，其包括发射器、接收器和隔声体，其中所述隔声体位于所述发射器和所述接收器之间，所述隔声体具有轴，其特征在于：所述轴上具有多个槽，在从所述发射器到所述接收器的声波传播方向上的各相邻槽之间的间距按照准周期的方式分布；所述隔声体还具有外壳，所述外壳上也刻有槽；所述轴和/或外壳上的所述槽的形状为变形三角形或梯形，所述轴和/或外壳上的所述槽在所述声波传播方向上具有互不平行的声波入射面和声波出射面。

17.如权利要求16所述的声波探测装置，其特征在于，所述外壳在所述声波传播方向上由至少三个子壳体构成，相邻子壳体的材质不同。

18.如权利要求17所述的声波探测装置，其特征在于，除了位于首尾位置的子壳体之外的其他子壳体在所述声波传播方向上具有声波入射面和声波出射面，所述其他子壳体上的声波入射面和声波出射面互不平行。

19.如权利要求18所述的声波探测装置，其特征在于，所述至少三个子壳体之间采用粘接或铆接的连接方式。

20.如权利要求16-19之一所述的声波探测装置，其特征在于，所述轴的外表面套设有多个垫片。

21.如权利要求20所述的声波探测装置，其特征在于，所述多个垫片以平行方式设置。

22.如权利要求20所述的声波探测装置，其特征在于，最接近所述发射器的垫片的声波入射端的中心区域具有凹槽，从而使得具有所述凹槽的所述垫片在所述声波传播方向上不具有相互平行的表面。

23.如权利要求22所述的声波探测装置，其特征在于，所述凹槽为圆锥形。

24.如权利要求21-23之一所述的声波探测装置，其特征在于，所述多个垫片的厚度和/或各相邻垫片之间的间距按照周期方式分布。

25.如权利要求21-23之一所述的声波探测装置，其特征在于，所述多个垫片的厚度和/或各相邻垫片之间的间距按照准周期方式分布。

26.如权利要求16所述的声波探测装置，其特征在于，所述准周期方式为Fibonacci或morse方式。

27.如权利要求20所述的声波探测装置，其特征在于，所述垫片的形状是圆形、多边形或锯齿形。

28.如权利要求16所述的声波探测装置，其特征在于，所述声波探测装置为声波测井装置中的井下探测装置。

29.如权利要求20所述的声波探测装置，其特征在于，在各个垫片之间设置有用于固定所述垫片的管。

30.如权利要求29所述的声波探测装置，其特征在于，所述管的材质为聚四氟或铅。