CN104142326A - 一种衰减系数检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种衰减系数检测方法，该方法包括：振幅检测步骤，基于激光测振原理，分别检测具有预设几何形状的被测样品和衰减系数已知的标准样品的样品振幅数据；衰减系数确定步骤，根据被测样品和标准样品的样品振幅数据，计算被测样品的衰减系数。本方法采用非接触式的激光测振技术，避免了现有的衰减系数检测方法中由于耦合层的变化而引起的超声波幅度以及频率变化所带来的测量误差，得到的衰减系数结果更加准确、可靠。

Description

一种衰减系数检测方法

技术领域

本发明涉及地球物理技术领域，具体地说，涉及一种衰减系数检测方法。 

背景技术

当电磁波进入岩石时，由于涡流的热能损耗，将使电磁波的振幅随进入距离的增加而衰减，这种现象又称为岩石对电磁波的吸收作用。岩石衰减系数则用于衡量岩石对电磁波的衰减程度，它也可以叫做岩石吸收系数。 

随着油气勘探的深入，地震资料的处理和解释也随着越来越精细。作为用于表示岩石特性的重要参数，岩石的衰减系数对岩石所处环境变化的反应要比波速灵敏得多。所以岩石衰减系数的检测对于油气勘探的进一步发展有着重要作用。 

现有的岩石衰减系数检测方法是利用超声波探头来分别测量岩石各平面的平面振幅和与待测岩石具有相同几何形状的标准样品各平面的平面振幅。超声波探头在进行测量的时候需要进行接触式测量。为了排除超声波探头与被测物体之间的空气，以使超声波能够有效地传入被测物体从而达到检测目的，就需要用到耦合剂。而在检测的过程中，耦合剂在被测物体表面所形成的耦合层会产生变化，这会使得检测到的超声波幅值及频率响应产生畸变，从而导致最终检测结果的不准确。 

基于上述情况，亟需一种能够准确检测衰减系数的方法。 

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种衰减系数检测方法，所述方法包括： 

振幅检测步骤，基于激光测振原理，分别检测具有预设几何形状的被测样品和衰减系数已知的标准样品的样品振幅数据； 

衰减系数确定步骤，根据所述被测样品和标准样品的样品振幅数据，计算所述被测样品的衰减系数。 

根据本发明的一个实施例，所述振幅检测步骤包括： 

利用电磁脉冲发生器分别向标准样品和待测样品发射预设电磁脉冲，以使所述标准样品和待测样品产生振动； 

利用激光测振仪分别对所述标准样品和待测样品的振动进行检测，得到所述标准样品和待测样品的样品振幅数据。 

根据本发明的一个实施例，利用激光测振仪根据预设扫描网格参数检测所述标准样品和待测样品的样品振幅数据。 

根据本发明的一个实施例，所述预设扫描网格参数包括以下所列项中的至少一项： 

网格形状、网格点间隔、扫描次数。 

根据本发明的一个实施例，在所述振幅检测步骤中， 

利用激光测振仪分别获取网格点位置处所述标准样品和待测样品的网格振幅数据； 

根据所述网格振幅数据，确定所述标准样品和待测样品的样品振幅数据。 

根据本发明的一个实施例，将所述标准样品和待测样品的在网格点的中心点位置处的网格振幅数据，分别作为所述标准样品和待测样品的样品振幅数据。 

根据本发明的一个实施例，所述衰减系数确定步骤包括： 

根据所述标准样品和待测样品的样品振幅数据，分别获取所述标准样品和待测样品的初至波数据； 

分别对所述标准样品和待测样品的初至波数据进行傅里叶变换，得到所述标准样品和待测样品的频谱振幅数据； 

根据所述标准样品和待测样品的频谱振幅数据，采用频谱振幅比法计算所述待测样品的衰减系数。 

根据本发明的一个实施例，所述标准样品和待测样品的频谱振幅数据分别以如下公式表示： 

$A_1\left(f\right)=G_1\left(x\right)\·e^{-{\mathrm{\α}}_1\·x}\·e^{(2\mathrm{\ηft}-k_{1}x)}$

$A_2\left(f\right)=G_2\left(x\right)\·e^{-{\mathrm{\α}}_2\·x}\·e^{(2\mathrm{\ηft}-k_{2}x)}$

其中，f表示波的频率，A₁(f)和A₂(f)分别表示标准样品和待测样品的频谱振幅数据，x表示传播距离，G₁(x)和G₂(x)表示标准样品和待测样品的几何因子，α₁和α₂分别表示标准样品和待测样品的衰减系数，k₁和k₂分别表示标准样品和待测样品的波数，η表示阻尼系数，t表示波传播的时间。 

根据本发明的一个实施例，所述采用频率振幅比法计算所述待测样品的衰减系数的步骤包括： 

1)计算所述标准样品与待测样品的频谱振幅比： 

$\ln \frac{A_1\left(f\right)}{A_2\left(f\right)}=({\mathrm{\γ}}_2-{\mathrm{\γ}}_1)\·x\·f+\ln \frac{G_1\left(x\right)}{G_2\left(x\right)}$

α₁＝γ₁·f 

α₂＝γ₂·f 

其中，γ₁和γ₂分别表示标准样品和待测样品中波的传播系数； 

2)计算以波的频率f为自变量的直线的斜率，根据斜率和所述标准样品的衰减系数α₁和传播距离x计算所述待测样品的衰减系数α₂。 

根据本发明的一个实施例，所述标准样品包括纯铝样品。 

本提供的衰减系数检测方法采用非接触式的激光测振技术，首先分别测量衰减系数已知的标准样品和待测样品的振动数据，随后根据振动数据采用频谱振幅比法计算得到待测样品的衰减系数。本方法避免了现有的衰减系数检测方法中由于耦合层的变化而引起的超声波幅度以及频率变化所带来的测量误差，从而保证了检测结果的准确性和可靠性。 

同时，由于激光测振技术中使用的激光束的直径很小，所以采用激光测振技术能够在较高的空间分辨率下对被测样品的不同部位的衰减系数进行测量，提高了本方法的实用性。 

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。 

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍： 

图1是根据本发明的一个实施例的衰减系数检测系统的结构图； 

图2是根据本发明的一个实施例的衰减系数检测方法的流程图； 

图3是根据本发明的一个实施例的扫描网格的示意图； 

图4是根据本发明的一个实施例的标准样品的样品振幅曲线图； 

图5是根据本发明的一个实施例的待测样品的样品振幅曲线图； 

图6是根据本发明的一个实施例的标准样品的初至波曲线图； 

图7是根据本发明的一个实施例的待测样品的初至波曲线图。 

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。 

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。 

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。 

现有的岩石衰减系数检测方法通常采用的是接触式测量，在接触式测量中需要用到耦合剂。而耦合剂形成的耦合层在衰减系数测量的过程中会产生变化，从而导致测量结果与实际值之间存在较大偏差。 

此外，在现有的岩石衰减系数测量方法中还使用电磁声换能器(Electro-Magnetic Acoustic Transducer，简称为EMAT)、空气超声换能器或是电容换能器(ESAT)来实现衰减系数的非接触式测量。因为换能器与试件表面的距离对于换能器的换能效率有着十分重要的影响，所以这些换能器在使用时要求换能器与试件表面的距离不能太大(通常要求小于1mm)。但是当试件的温度超过500℃后，上述换能器则无法接近试件的表面，反则将会对换能器造成损害，致使换能器与试件表面之间无法达到正常测量的距离要求。 

所以本发明通过对现有岩石衰减系数检测方法的分析，提出了一种基于激光测振技术的衰减系数检测方法。 

根据多普勒效应，当波源向着接收器移动时，波源和接收器之间传递的波将发生变化，波长缩短、频率升高；反之，当波源背着接收器移动时，波源和接收 器之间传递的波长变长、频率降低。发生多普勒效应的波可以是声波，也可以是电磁波。本发明便是利用激光多普勒效应，来测量标准样品和待测样品的振动情况。 

从激光测振原理上讲，激光测振仪中所使用的光学技术具有快速扫描的特点。利用棱镜、反射镜或者电光装置，可以方便地进行全方位快速扫描。基于这一特点，采用全光学型的激光测振系统便能够对时间进行快速扫描。其中，与现有的测振系统所使用的压电换能器的扫描速度相比，激光测振仪的扫描上限速度要高得多，该上限速度仅受激光脉冲的重复频率以及数据采样频率的限制。 

从理论上讲，用于测量试件振动情况的激光束可以聚到很小(约微米量级)。因此利用激光测振技术能够获得很高的空间分辨率。在实际应用中，激光测振仪能够很容易地将接收到的激光束的直径聚焦到10μm以下。但是对于照射到试件表面的激光束而言，直径聚焦到10μm以下的激光束势必导致试件表面形成等离子体，从而严重损伤试件表面。所以一般来讲，照射到试件表面的激光束的直径一般为几百微米。 

与现有的测振系统所使用的压电晶体探头相比，激光测振仪的空间分辨率明显较高。而较高的空间分辨率不仅对于试件的缺陷定位和尺寸度量十分有利，还有利于精确测量试件的振动情况。 

同时，激光测振仪可以近似做到点测量，激光测振仪照射到试件表面的光源非常接近点源，这与得到理论解的假设条件相一致。所以利用激光测振仪测量得到的试件的振动情况也将更为准确。 

此外，采用激光测振技术来测量试件的振动情况时，激光测振仪的激光测振探头及其光学元件可以距离试件几十厘米之远，在需要时甚至可以达到数十米之远。所以激光测振技术不仅是一种非接触式测量技术，而且还是一种远距离遥测式的测量技术。这种特性能够使得激光测振技术具有更加广泛的应用范围，例如采用激光测振技术测量处于毒、高压、有放射性等恶劣环境下的试件的振动情况等。 

图1示出了本实施例所使用的衰减系数检测系统的结构图。 

如图1所示，本实施例所用的激光测振系统包括电磁脉冲发生器101、激光测振仪102和衰减系数分析装置103。被测物100放置在电磁脉冲发生器101和激光测振仪102之间，电磁脉冲发生器101向被测物100表面发射电磁脉冲，使 得被测物产生振动。激光测振仪102能够通过多普勒激光测振原理测量得到被测物100的振动数据，并将震动数据传输到衰减系数分析装置103中。衰减系数分析装置103能够根据接收到的被测物100的振动数据对被测物100的衰减系数进行分析。 

图2示出了本实施例提供的衰减系数检测方法的流程图，以下结合图1所示的衰减系数检测系统的结构图，来对本发明的目的、原理以及优点作进一步地阐述。 

如图2所示，为了避免标准样品和被测样品因几何形状不同而导致的衰减系数检测结果不准确的问题，本实施例在步骤S201中将标准样品和待测样品切割为预设几何形状，其中标准样品的衰减系数已知。具体地，标准样品选用纯铝样品，在步骤S201中将纯铝样品和待测样品切割为直径50mm、长度100mm的圆柱体。需要说明的是，在本发明的其他实施例中，标准样品还可以采用衰减系数已知的其他样品，同时预设几何形状还可以为其他合理形状，例如长方体、正方体等，本发明不限于此。 

本实施例中，还采用游标卡尺测量切割得到的标准样品和待测样品的几何形状是否要求，如果不满足则重新执行步骤S201，以确保得到满足要求的标准样品和待测样品，从而减小因样品几何形状不同而引入的检测误差。 

在步骤S202中，将标准样品放置到衰减系数检测系统上，具体地为电磁脉冲发生器101与激光测振仪102之间。其中，标准样品的两个端面分别与电磁脉冲发生器和多普勒测振仪的激光探头正对。利用电磁脉冲发生器101向标准样品表面发射预设电磁脉冲。发射到标准样品表面的电磁脉冲能够使得标准样品产生震动。 

在步骤S203中，利用激光测振仪102检测标准样品的振动情况，从而得到标准样品的样品振幅数据。 

本实施例中，在进行标准样品振动情况的检测时，利用激光测振仪102根据预设网格参数来对标准样品进行扫描，从而得到标准样品表面各个网格点的网格振幅数据。其中，预设网格参数包括网格形状、网格点间隔和扫描次数中的至少一项。为了使得设置的网格更加精确，本实施例中的预设网格参数包括网格形状、网格点间隔和扫描次数三个参数。网格形状和网格点间隔根据被测样品表面区域形状和大小来确定，而扫描次数能够影响信号的信噪比和扫描时间，其根据实验 需求进行确定。需要说明的是，在本发明的其他实施例中，预设网格参数还可以包括其他合理参数，本发明不限于此。 

图3示出了本实施例中所设置的网格的形状。从图3中可以看出，本实施例中设置的网格形状为方形，在网格的横向包含有5条扫描线，网格的纵向也包含有5条扫描线。各个扫面线的交叉点即为网格点，其中网格点A_mn表示第m行第n列的网格点。例如，A₁₁表示第1行第1列的网格点，网格点A₁₂表示第1行第2列的网格点。 

本实施例在得到各个网格点的网格振幅数据后，将各个网格点中中心点处的网格振幅数据作为标准样品的样品振幅数据，即将网格点A₃₃的网格振幅数据作为标准样品的样品振幅数据。其中，标准样品的样品振幅数据如图4所示。 

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，还可以根据各个网格点的网格振幅数据，采用其他合理数据来作为标准样品的振幅数据，例如将各个网格点的网格振幅数据的平均值作为标准样品的振幅数据，本发明不限于此。 

再次如图2所示，测量得到标准样品的样品振幅数据后，本实施例在步骤S204中将标准样品取下，并换上待测样品，重复上述步骤S202和步骤S203，得到待测样品的样品振幅数据。其中。待测样品的样品振幅数据如图5所示。 

从图4和图5中可以看出，步骤S203和步骤S204所得到的标准样品和待测样品的样品振幅数据中的部分数据与初始数据的差别较小，这些数据对于分析衰减系数的作用不明显。所以为了减小所需要分析的数据量，提高分析结果的准确性，本实施例在步骤S205中，分别从标准样品和待测样品的样品数据中截取出初至波的完整波形数据。 

在步骤S206中分别对标准样品和待测样品的初至波数据进行傅里叶变换，得到相应的频谱振幅数据。本实施例中得到的标准样品和待测样品的频谱振幅数据分别如图6和图7所示，同时它们也可以用如下所示的函数式进行表示： 

$A_1\left(f\right)=G_1\left(x\right)\·e^{-{\mathrm{\α}}_1\·x}\·e^{(2\mathrm{\ηft}-k_{1}x)}---\left(1\right)$

$A_2\left(f\right)=G_2\left(x\right)\·e^{-{\mathrm{\α}}_2\·x}\·e^{(2\mathrm{\ηft}-k_{2}x)}---\left(2\right)$

其中，f表示波的频率，A₁(f)和A₂(f)分别表示标准样品和待测样品的频谱振幅数据，x表示传播距离，G₁(x)和G₂(x)表示标准样品和待测样品的几何因子，α₁和α₂分别表示标准样品和待测样品的衰减系数，k₁和k₂分别表示标准样品和待测样品的波数，t表示波传播的时间。 

本实施例中，由于标准样品和待测样品的几何形状相同，而且测量标准样品和待测样品的振动数据所使用的测量系统相同，所以几何因子G₁(x)和G₂(x)与波的频率f无关，而是与样品的几何扩散和界面折射反射等作用有关。 

其中，标准样品和待测样品的波数k₁和k₂分别根据如下公式计算得到： 

$k_i=\frac{2\mathrm{\πf}}{V_i}---\left(3\right)$

其中，i取值为1或2，V₁和V₂分别表示标准样品和待测样品的波速。 

标准样品和待测样品的衰减系数α₁和α₂均与波的频率有关，可以表示为： 

${\mathrm{\α}}_i=\frac{\mathrm{\πf}}{Q_i\·V_i}---\left(4\right)$

其中，Q₁和Q₂分别表示标准样品和待测样品的品质因子，品质因子分别根据如下公式计算得到： $Q_i=\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\γ}}_i\·V_i}---\left(5\right)$

其中，γ₁和γ₂分别表示标准样品和待测样品中波的传播系数。 

联合公式(4)和公式(5)，可以得到： 

α_i＝γ_i·f   (6) 

在步骤S207中，根据标准样品和待测样品的频谱振幅数据的比值计算得到待测样品的衰减系数。 

首先联合公式(1)、公式(2)以及公式(6)可以得到： 

$\frac{A_1\left(f\right)}{A_2\left(f\right)}=\frac{G_1\left(x\right)}{G_2\left(x\right)}\·e^{-({\mathrm{\α}}_1-{\mathrm{\α}}_2)\·x}---\left(7\right)$

对于公式(7)，有： 

$\ln \frac{A_1\left(f\right)}{A_2\left(f\right)}=({\mathrm{\γ}}_2-{\mathrm{\γ}}_1)\·x\·f+\ln \frac{G_1\left(x\right)}{G_2\left(x\right)}---\left(8\right)$

由公式(8)可以看出，标准样品与待测样品比值的对数为一条随频率f变化的直线，该直线的斜率为(γ₂-γ₁)·x。根据标准样品的衰减系数α₂和波的频率f可以求得标准样品的γ₁(对于纯铝样品，品质因子Q₁为5000，所以可以认为其γ₁约为零)。由于传播距离x已知，所以根据直线的斜率即可以计算得到待测样品的γ₂。 

最后根据公式(6)即可计算得到待测样品的衰减系数。 

综上所述，本提供的衰减系数检测方法采用非接触式的激光测振技术，通过分别测量衰减系数已知的标准样品和待测样品的振动数据，根据振动数据采用频谱振幅比法计算得到待测样品的衰减系数。本方法避免了现有的衰减系数检测方法中由于耦合层的变化而引起的超声波幅度以及频率变化所带来的测量误差。 

同时，由于激光测振技术中使用的激光束的直径很小，所以采用激光测振技术能够在较高的空间分辨率下对被测样品的不同部位的衰减系数进行测量，提高了本方法的实用性。 

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。 

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。 

为了方便，在此使用的多个项目、结构单元、组成单元和/或材料可出现在共同列表中。然而，这些列表应解释为该列表中的每个元素分别识别为单独唯一的成员。因此，在没有反面说明的情况下，该列表中没有一个成员可仅基于它们出现在共同列表中便被解释为相同列表的任何其它成员的实际等同物。另外，在此还可以连同针对各元件的替代一起来参照本发明的各种实施例和示例。应当理解的是，这些实施例、示例和替代并不解释为彼此的等同物，而被认为是本发明的单独自主的代表。 

此外，所描述的特征、结构或特性可以任何其他合适的方式结合到一个或多个实施例中。在下面的描述中，提供一些具体的细节，例如长度、宽度、形状等，以提供对本发明的实施例的全面理解。然而，相关领域的技术人员将明白，本发明无需上述一个或多个具体的细节便可实现，或者也可采用其它方法、组件、材料等实现。在其它示例中，周知的结构、材料或操作并未详细示出或描述以免模糊本发明的各个方面。 

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权 利要求书来限定。 

Claims (10)

1.一种衰减系数检测方法，其特征在于，所述方法包括： 

振幅检测步骤，基于激光测振原理，分别检测具有预设几何形状的被测样品和衰减系数已知的标准样品的样品振幅数据； 

衰减系数确定步骤，根据所述被测样品和标准样品的样品振幅数据，计算所述被测样品的衰减系数。 

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述振幅检测步骤包括： 

利用电磁脉冲发生器分别向标准样品和待测样品发射预设电磁脉冲，以使所述标准样品和待测样品产生振动； 

利用激光测振仪分别对所述标准样品和待测样品的振动进行检测，得到所述标准样品和待测样品的样品振幅数据。 

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，利用激光测振仪根据预设扫描网格参数检测所述标准样品和待测样品的样品振幅数据。 

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预设扫描网格参数包括以下所列项中的至少一项： 

网格形状、网格点间隔、扫描次数。 

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述振幅检测步骤中， 

利用激光测振仪分别获取网格点位置处所述标准样品和待测样品的网格振幅数据； 

根据所述网格振幅数据，确定所述标准样品和待测样品的样品振幅数据。 

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，将所述标准样品和待测样品的在网格点的中心点位置处的网格振幅数据，分别作为所述标准样品和待测样品的样品振幅数据。 

7.如权利要求1～6中任一项所述的方法，其特征在于，所述衰减系数确定步骤包括： 

根据所述标准样品和待测样品的样品振幅数据，分别获取所述标准样品和待测样品的初至波数据； 

分别对所述标准样品和待测样品的初至波数据进行傅里叶变换，得到所述标准样品和待测样品的频谱振幅数据； 

根据所述标准样品和待测样品的频谱振幅数据，采用频谱振幅比法计算所述待测样品的衰减系数。 

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述标准样品和待测样品的频谱振幅数据分别以如下公式表示： 

其中，f表示波的频率，A₁(f)和A₂(f)分别表示标准样品和待测样品的频谱振幅数据，x表示传播距离，G₁(x)和G₂(x)表示标准样品和待测样品的几何因子，α₁和α₂分别表示标准样品和待测样品的衰减系数，k₁和k₂分别表示标准样品和待测样品的波数，η表示阻尼系数，t表示波传播的时间。 

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述采用频率振幅比法计算所述待测样品的衰减系数的步骤包括： 

1)计算所述标准样品与待测样品的频谱振幅比： 

α₁＝γ₁·f 

α₂＝γ₂·f 

其中，γ₁和γ₂分别表示标准样品和待测样品中波的传播系数； 

2)计算以波的频率f为自变量的直线的斜率，根据斜率和所述标准样品的衰减系数α₁和传播距离x计算所述待测样品的衰减系数α₂。 

10.如权利要求1～9中任一项所述的方法，其特征在于，所述标准样品包括纯铝样品。