CN107889537A - 用于声学透镜的基本人造单元 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于操纵声波的单元，所述单元包括多个辐条，所述多个辐条从毂辐射开来；以及多个同心地布置的叶片。每个叶片由至少一个辐条支撑并且由多个沿周向分布的指状物形成。每个指状物连接到至少一个辐条。
Description
发明领域
本公开涉及声学传感器以及制造这类声学传感器并将其用于包括声学测井工具的各种工具的方法。
发明背景
用于研究地下特征的井下声学测井工具可以包括一个或多个声学发射器或源以及多个声学接收器。这些工具还可以包括可以用作发射器和接收器的收发器。在任一种情况下，发射器将声能发射到井筒周围的地下环境中。由与井筒、井结构和/或地层相关联的界面反射声学信号。所反射的声学信号由测井工具中的接收器检测并且经过处理来提供对井筒、井结构和/或地层的一个或多个性质的估计。本公开提供利用透镜来操纵这类声波的声学和振动传感器。
发明内容
在各方面，本公开提供一种用于操纵声波的单元。单元可以包括多个辐条，所述多个辐条从毂辐射开来。每个辐条可以具有多个接合点，并且多个指状物可以围绕毂沿周向分布。至少一个指状物连接在各自的接合点处。
仍然在其他方面，本公开提供一种声学工具。声学工具可以包括换能器，所述换能器被配置用来产生和检测声波；以及透镜。透镜可以与声源间隔开来。透镜可以具有由多个边缘限定的平坦表面。声波经由至少一个边缘进入透镜并且沿着平行于平坦表面的轴线行进。透镜可以包括至少一个透镜元件，所述至少一个透镜元件具有多个辐条，所述多个辐条从毂辐射开来。每个辐条可以包括多个指状物，所述多个指状物围绕毂沿周向分布。毂和多个辐条可以是平行于平坦表面布置的平坦构件。
为了可以更好地理解本公开的以下具体实施方式以及为了可以了解它们对本领域的贡献，对本公开的示例特征进行了相当广泛地概括。
附图简述
为了详细理解本公开，应结合附图对以下实施方案的具体实施方式进行参考，其中相同元件具有相同编号，其中：
图1是根据本公开的实施方案的示例性圆形单元的示意图；
图2是根据本公开的实施方案的示例性八边形单元的示意图；
图3是根据本公开的实施方案的使用具有突起的指状物的示例性单元的示意图；
图4是在图2的实施方案进行保角映射之后所得的示例性八边形单元的示意图；
图5示出包括根据本公开的实施方案制得的单元的透镜；
图6示出使用根据本公开制得的单元且设置在穿过地球地层的钻孔中的声学工具；并且
图7是利用图4的保角映射对图3实施方案的声场强度进行的模拟的曲线图。
具体实施方式
超材料的特性来源于以聚集作用发生来影响超出自然范围的材料性质的形成的共振的基本动力机制。在声学超材料的特定情况下，这些特性直接开始于以下两个基本材料参数的频率响应行为：有效质量密度和有效体积模量。尤其是在反共振的接近度内存在特定类型的共振过渡区的情况下，这两个材料参数可以呈现负属性以及甚至各向异性行为。这些各向异性和负性质在某些频带内会产生广泛范围的频谱特征，包括负折射和超透镜作用(hyperlensing)，这可以开拓在平坦透镜中实现射束聚焦和放大的可能性。操作诸如聚焦和放大通常会被称为操纵声波。
可能会在非常窄的频谱带宽内出现因频带内晶胞共振而引起的负指数性质，所述非常窄的频谱带宽的范围是晶胞的共振特性以及基质和/或背景流体的性质的结果。为了在较宽频率范围内影响这些负性质，基本单元中的多个相容共振必须相长地耦合。这可以通过本公开的超材料晶胞设计来实现。
有若干个因素决定特定晶胞设计是否会对传播波的分散特性产生以下程度的影响：展现出超透镜作用所必需的各向异性和负指数性质行为。一个特别相关的因素是传输系数谱中共振的聚集作用的产生，所述共振将耦合来在感兴趣的频率范围内形成宽带波操纵。因聚集作用而形成的频带是否会产生各向异性和负指数响应会随着共振耦合的其他性质的变化而变化。对于晶胞设计展现行为的程度，明显的声学阻抗失配、吸收损失和/或明显的体积模量大小是主要影响因素，因为这些影响因素中的任一个都能使频带中的超透镜效应失效。根据本公开的单元可以被称为超级透镜或超透镜(取决于其特性)中的基本部件。
参考图1，示出了根据本公开的用于操纵声波的示例性超材料单元10。一般而言，单元10是类似于压板和盘的构件。单元10具有平行的两个相对的平坦表面。如图所示，可视平坦表面13与纸张平行。介于两个表面之间的距离或厚度可以是在25微米至1毫米的范围内。封住单元10的圆圈的直径可以是在800微米至5毫米的范围内。这些尺寸通常被选择用来允许诸如共振的现象以对单元10的行为产生重大影响并且在感兴趣的特定频率范围内影响波操纵。本公开的单元，诸如单元10可以由金属或非金属形成。合适的金属包括但不限于：铂、钨、金以及另类的选项诸如铱，其中声波操纵的重要材料性质是金属的质量密度。
单元10的一个非限制性实施方案可以包括毂12；多个辐条14，所述多个辐条从毂12辐射开来；以及多个同心地布置的叶片16。
毂12充当辐条14的中心支撑结构。在所示的实施方案中，毂12由四个分开的区段形成，说明性区段标记有编号18。毂12可以是圆形的或具有任何其他合适的几何形状。另外，虽然示出了四个区段18，但是毂12可以形成为单一整体或者具有两个或更多个区段18。每个区段18物理地连接到一个或多个辐条14。
辐条14提供用于支撑叶片16的结构。说明性辐条标记有编号20。辐条20可以形成为细长杆，所述细长杆具有一个或多个颈部22。颈部22是辐条20的截面区域小于紧邻截面区域的部段。因此，辐条20在颈部22处更具柔性并且在颈部22处可能比在沿着辐条20的其他位置处更容易弯曲、扭曲或以其他方式变形。在一种布置中，颈部22紧邻介于辐条20与叶片16之间的每个接合点24并在其径向内侧形成。另外，颈部22可以紧接地处于介于辐条20与毂12之间的接合点26的径向外侧。
叶片16中的每一个可以包括沿周向分布的指状物28的阵列，所述指状物以圆圈的形式布置。每个指状物28从接合点24悬伸出来。虽然在每个接合点24处以横向于辐条20的取向示出了两个指状物28，但是可以使用更多或更少的指状物28以及不同的取向。指状物28可以是包括一个或多个放大部段30的弯曲构件。放大部段30具有大于指状物28的紧邻部段的质量。增加的质量通过向放大部段30提供大于指状物28的其他部段的宽度来形成。因此，沿着指状物28的长度可以存在不对称的质量分布。为了使指状物28交错开来，针对每个接连的辐条14，使指状物28的径向位置错开来。因此，一个辐条14的指状物28可以径向地嵌套在邻近辐条14的两个指状物28之间。虽然示出了六个叶片16，但是可以使用更多或更少的叶片16。
图1的单元10具有四个区段11a-d。每个区段11a-d具有从毂区段18辐射开来的两个辐条14。每个辐条14具有三组指状物28。每组具有两个指状物28。指状物28沿周向分布来形成六个叶片14。应注意到，四个区段11a-d在结构上是彼此独立的。虽然已经单独描述了构成每个区段11a-d的元件，但是应理解，与从离散部件组装而成相反，每个区段11a-d可以制造为单一整体。还应注意到，虽然展示了四个区段，但是单元10可以使用更少或更多数目的区段。
单元10内的共振和反共振受到各个结构特征经由上述基质或背景流体介质实现的相互作用的影响。因此，特征，诸如辐条14、叶片16、指状物28和放大部段30的数目、大小、形状和取向会对何处发生共振和反共振以及共振和反共振发生到何种程度，以及它们在影响对入射声波的操纵和控制的过程中如何互补或使对方无效产生影响。
参考图2，示出了用于操纵声波的单元40的另一个实施方案。单元40的大体形状和尺寸类似于单元10(图1)的形状和尺寸。单元40可以包括毂42；多个辐条44，所述多个辐条从毂42辐射开来；以及多个同心地布置的叶片46。单元40在许多方面类似于图1的单元10。以下论述单元40的变化。
像先前一样，辐条44提供用于支撑叶片46的结构。说明性辐条标记有编号50。在这个实施方案中，辐条50可以形成为细长杆，所述细长杆不包括任何减小的截面区域。另外，叶片46可以包括沿周向分布的指状物52的阵列，其中每个指状物52从接合点54悬伸出来。在这种布置中，指状物52是包括一个或多个放大部段56的直构件。
在图2中，叶片46被布置为多个同心多边形。在所示的布置中，叶片46中的每一个具有八边形形状。然而，可以使用其他多边形形状。像先前一样，指状物52通过针对每个接连的辐条44使指状物52的径向位置错开来而实现交错布置。图2的单元40具有四个区段，所述四个区段以与图1的单元10相同的方式进行配置。然而，可以使用任何数目的区段。
参考图3，示出了用于操纵声波的单元70的另一个实施方案。按照先前论述的方式，每个叶片74的指状物72从辐条74悬伸出来。在这个实施方案中，指状物72具有突起78，所述突起横向于指状物72定向。突起78中的每一个可以是相对于彼此能够独立地移动的接片或杆状元件。所谓移动，它意指弯曲、扭曲、振动等。虽然突起78被示出对着毂80径向向内突出，但是应了解到，指状物72可以被布置成使突起78径向向外突出，或两者兼有。
为了影响单元70的共振行为，每个叶片76内以及介于叶片76之间的突起78的形状、大小、数目和取向可以发生变化。因此，例如，突起78沿着指状物72可以具有不同的大小，并且指状物72中的每一个可以具有不同数目的突起78。
另外，根据本公开的单元如图1-3所示不需要是对称的或准各向同性的。
本公开的某些实施方案可以将各向异性结合到形状因数中以影响带宽以及由单元形成的负指数共振带宽的超透镜效应。在一种方法中，保角映射各向异性可以通过调用几何整形变换来应用，所述几何整形变换维持Helmholtz波方程的不变式；例如，Joukowsky保角映射变换。例如，变换可以通过以下关系来描述：
其中原始单元坐标为：
Z＝x+iy
并且经过变换(整形)的单元坐标为：
ξ＝u+iv
Joukowsky保角映射可以将图2的可以外接半径为R的圆的八边形单元边界变换为经过整形的单元几何形状，所述单元几何形状可以外接形状因数为S＝a/b的椭圆，其中a和b是分别与x和y轴线共线的椭圆尺寸。原始叶片间单元几何形状的所有其余坐标都根据同一个形状因数S来变换。因此，八边形叶片间单元的Joukowsky变换为：
这些方程式可以用于利用单元形状的形状因数为S＝2各向异性的保角Joukowsky变换来对先前图2所示的准各向同性单元的截面的2D几何[x，y]坐标进行变换。图4中示出了所得的各向异性单元90。S＝2各向异性仅仅是一个说明性值。保角映射的一个特征是至少两个指状物的厚度沿着单元放置所处的平面非线性地变化。例如，指状物92、94和96的厚度是不同的并且差异在数学上是非线性的。厚度的比较可以通过选择相同特征(例如，放大部段)并沿着相同轴线测量沿着相同位置的距离来完成。例如，边缘93、95和97可以用作对指状物的经过变换的部段的厚度的度量物。保角映射还可以应用于图1和图3的单元或根据本公开的其他单元配置。
参考图5，示出了具有多个单元102的透镜100。虽然单元102被展示为图2的相同形状的单元，但是透镜100可以包括根据本公开的任何单元配置。单元102边缘对边缘地布置并且具有彼此共平面地对准的平坦表面；例如，每个单元具有与纸张平行的平坦表面。声波104主要经由边缘106进入透镜100。声波104在与放置所有单元102所沿的平面平行的方向上行进穿过透镜100。透镜100的单元102操纵声波104，使得经过操纵的波108从透镜100的边缘110离开。在一个非限制性实施方案中，衬底101可以用作单元102中的每一个从中突出的支撑物。例如，单元102可以从衬底101生长出来，使得单元102和衬底101是整体。例如，衬底101可以是晶片或板材。单元102和构成每个单元102的结构独立的特征可以悬伸方式从衬底101突出来。
参考图6，示出了根据本公开的声学工具120的一个实施方案。工具120包括换能器122和透镜100。可以通过合适的传送装置(未示出)沿着地球地层126中钻出的钻孔124传送工具120。传送装置可以是非刚性载体，诸如钢缆、易缆(e-line)、钢丝或连续油管；刚性载体，诸如钻杆、下入工具或自动装置。在一种操作模式下，换能器122产生声波128，所述声波由透镜100操纵并且被引向地层126。反射波130从地层返回并且进入透镜100。在由透镜100操纵之后，波120进入换能器122并且被处理。在另一种操作模式下，工具120在无源状态下操作并且接收由一个或多个外部源产生的声学信号。
现参考图7，示出了利用如图4所示的保角映射变换而从如图3所示的八边形形状的超材料超透镜输出的声强度场的曲线图160。声场归因于入射面声波(从顶部传播而来)，所述声波以257kHz振荡。左侧垂直轴线162是距离超透镜的输出表面的距离。这个模拟证实声场聚焦164以约22％的放大率发生在距离超透镜的输出表面大约55mm处。标有编号166的区域是具有相对较低强度的场的部分。
虽然在烃生产井的背景下论述了本公开，但是应理解，本公开可以用在任何钻孔环境(例如，水井或地热井)中。另外，实施方案可以用在地面处或水域中使用的声学工具中。
本公开可以有不同形式的实施方案。附图中所示和本文详细描述的是本公开的特定实施方案，应理解，本公开应被视作是本公开的原理的示例并且不意在将本公开限于本文所示和所述的那些。虽然前述公开内容涉及本公开的一种模式实施方案，但是各种修改对于本领域技术人员而言将是显而易见的。所有变化意在包含于前述公开内容。
Claims (15)
1.一种用于操纵和引导声波的单元，所述单元包括：毂(12)和多个辐条(14)，所述多个辐条从所述毂(12)辐射开来，其中每个辐条具有多个接合点(24)，所述单元的特征在于：
-多个指状物(28)，所述多个指状物围绕所述毂(12)沿周向分布，其中所述多个指状物(28)中的至少一个指状物连接在各自的接合点处，其中所述多个指状物(28)具有由多个边缘(106、110)限定的平坦表面，所述多个指状物(28)被定向以使所述声波经由所述多个边缘(106、110)中的至少一个进入所述多个指状物(28)并且沿着平行于所述平坦表面的轴线行进。
2.如权利要求1所述的单元，其中所述多个指状物(28)被进一步分布以形成多个同心叶片(16)。
3.如权利要求2所述的单元，其中每个辐条包括多个颈状部分，每个颈状部分紧邻每个接合点。
4.如权利要求2所述的单元，其中所述叶片(16)被成形为以下各项中的一项：(i)圆形，以及(ii)多边形。
5.如权利要求1所述的单元，其中所述多个指状物(28)中的每一个包括放大部分。
6.如权利要求1所述的单元，其中所述毂(12)由多个结构独立的部段形成，其中每个部段具有一组所述多个辐条(14)，并且其中每组所述多个辐条(14)在结构上是彼此独立的。
7.如权利要求1所述的单元，其中所述毂(12)和所述多个辐条(14)沿着平面对准。
8.如权利要求8所述的单元，其中所述多个指状物(28)中的至少两个指状物(28)的厚度沿着所述平面非线性地变化。
9.如权利要求1所述的单元，其中多对指状物(28)沿着每个辐条在相反方向上分支。
10.如权利要求1所述的单元，其中放大部分形成于每对指状物(28)中的每个指状物的远端处。
11.如权利要求1所述的单元，其中每个指状物包括至少一个径向定向的突起。
12.如权利要求1所述的单元，其中：
-所述毂(12)、所述多个辐条(14)和所述多个指状物(28)被划分以形成多个结构独立的单元区段；
-所述多个指状物(28)在径向上错开以相互嵌套；并且
-所述毂(12)、所述多个辐条(14)和所述多个指状物(28)全部沿着同一个平面放置。
13.一种声学工具，所述声学工具的特征在于：
-换能器，所述换能器被配置用来产生和检测声波；以及
-透镜，所述透镜与声源间隔开来；所述透镜具有由多个边缘(106、110)限定的平坦表面，其中所述声波经由所述多个边缘(106、110)中的至少一个进入所述透镜并且沿着平行于所述平坦表面的轴线行进；所述透镜包括至少一个透镜元件，所述至少一个透镜元件具有：
-毂(12)；
-多个辐条(14)，所述多个辐条从所述毂(12)辐射开来，其中每个辐条包括多个指状物(28)，所述多个指状物(28)围绕所述毂(12)沿周向分布，
其中所述毂(12)和所述多个辐条(14)是平行于所述平坦表面布置的平坦构件。
14.如权利要求12所述的工具，其中所述透镜包括多个共平面的透镜元件。
15.一种操纵声波的方法，所述方法的特征在于：
对透镜进行安置以接收所述声波，所述透镜包括：
-毂(12)；
-多个辐条(14)，所述多个辐条从所述毂(12)辐射开来，其中每个辐条具有多个接合点(24)；以及
-多个指状物(28)，所述多个指状物围绕所述毂(12)沿周向分布，其中所述多个指状物(28)中的至少一个指状物连接在各自的接合点处；
将所述声波接收到所述透镜的第一边缘中；
在平行于所述透镜的某一面的方向上将所述声波传送穿过所述透镜；以及
从所述透镜的第二边缘引导所述声波，所述第二边缘处于与所述第一透镜相对的一侧。
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