JP2015531073A - 音響ビームを生成するための音響源 - Google Patents

Abstract

音響ビームを生成する音響源は、筐体、当該筐体内に間隔を空けて配置された複数の圧電層、及び、前記複数の圧電層の間に充填された非線形媒体を備える。前記複数の圧電層のそれぞれが、音響波を生成するように構成される。非線形媒体及び複数の圧電層は、整合インピーダンスを有し、前記複数の圧電層のそれぞれによって生成される音響波の、残りの当該複数の層における伝送が改善される。

Description

［関連出願への相互参照」
本出願は、２０１２年８月２１日に出願された米国仮出願第６１／６９１，６０２号、及び、２０１３年３月１５日に出願された米国出願第１３／８３６，７１８号明細書に基づき、その優先権を主張する。上記出願の内容の全ては、参照により本明細書に組み込まれる。

［米国政府の権利］
本発明は、米国エネルギー省によって認められた共同研究開発契約（ＣＲＡＤＡ）の契約番号ＤＥ−ＡＣ５２−０６ＮＡ２５３９６に基づく米国政府の支援を得てなされた。米国政府は本発明について所定の権利を有する。

本発明は、ボアホール周辺の岩石層の音響探査に関し、特に、線形の物質又は非線形の物質と結合された坑井内の単一のトランスデューサ又はトランスデューサのアレイを含む音響源の組み合わせを使用して、音響ビームを生成し、ボアホールからの音響ビームを探査ツールとしてボアホール周辺の岩石層及び物質の特性を調査することに関する。

地下構造物を音波で測定する場合、実際の音波源の周波数帯域により制限を受ける。高周波数信号では相対的に到達距離が短く、低周波数信号では照準を合わせるのが難しく、ボアホール内で望ましくない信号が生成されてしまう、従来のトランスデューサを用いて約１５ｋＨｚ〜１２０ｋＨｚの範囲の音波周波数の音響コリメートビーム信号をボアホールから生成し、ボアホール周囲の岩石層を調査することは容易ではない。従来の音波音響源は、ビームの広がりが大きく、周波数が低くなるに従って、ビームの広がりも大きくなる。ビームの広がりはまた、トランスデューサの直径にも依存し、トランスデューサの直径はボアホールの大きさによって制限される。特定の周波数において、鋭い指向性を持ってステアリングするためには、多くの条件が満たされなければならない。例えば、音源アレイが長いこと、全トランスデューサがボアホール周辺の岩石層と一様に結合していること、岩石層の音響速度に関する情報がわかっていることが必要である。ボアホール環境における内在的な物理的制約、工学的実現可能性、又は、操作条件のために、特に、音響源信号の周波数帯域が広い場合には、これらの条件は実現されないことが多い。

典型的なモノポール及びダイポールのボアホール音響検層では、約８ｋＨｚ未満の周波数レンジが、掘削孔付近の音速を測定するのに使用されている。しかしながら、このような相対的に低い周波数では、方位角方向の分解能が相対的に低くなる。受信機に戻ってくる信号の方向を検出する更なる受信機を使用することにより、このような欠点を克服しようと試みる幾つかの特許が存在する（例えば、米国特許第５，５４４，１２７号広報参照。本広報は、参照により本明細書に組み込まれる）。ボアホール音波を、反射イメージング、屈折イメージング、フラクチャ（ｆｒａｃｔｕｒｅ）検出及び浸透率の測定に適用することも提案されている（例えば、米国特許第５，０８１，６１１号広報、米国特許第４，８３１，６００号広報、米国特許第４，８１７，０５９号広報及び米国特許第４，７９７，８５９号広報参照）。上記のような従来技術の全てにおいて、信号源が十分な方位指向性及び望ましい周波数帯域を有さないことから、使用される方位角方向分解能が不足している。

セメント評価の場合には、数百キロヘルツ（例えば、約８０ｋＨｚから約１２０ｋＨｚの間の低い超音波周波数レンジ、及び、約２００ｋＨｚ周辺の超音波周波数レンジ）の超音波を使用して、ケーシング背後のセメントの隙間の検出が行われている。方位分解能が良好となる２００ｋＨｚ周辺の周波数であっても、当該周波数付近における検出可能距離は非常に限定されている。すなわち、セメントと岩石層との間の構造及びチャネルの背後を調査可能な透過深度が、周波数２００ｋＨｚ付近の周波数の超音波源では限定される。従来のセメント評価検層では、３０ｋＨｚの周波数が使用されており、より深く調査を行うことができる。しかしながら、従来のセメント評価検層では、波長がボアホールの半径の大きさに近く、その結果、ボアホールのモードが、ボアホール全体を励振してしまう。その結果、セメント・ボンドの詳細な方位方向の情報を得ることが難しくなる。この欠点を克服するべく、複数の発信源（７０ｋＨｚから１２０ｋＨｚの範囲の周波数を発信）及び複数の受信機を、セクターボンドツール（ＳＢＴ）システムにおいて使用している。しかしながら、複数の発信源及び複数の受信機を使用したとしても、従来のＳＢＴシステムでは、発信源の方位角方向の指向性が十分でないことから、セメントと岩石層との間の小さなチャネルの存在を有効に検出することができず、従来技術の典型的なセメント評価検層の欠点を解決することができない。

本発明の一態様は、ボアホール付近のセメントボンド又は岩石層構造を調査する方法を提供することである。方法は、音響源により音響波を生成する段階と、ボアホール付近の目標の位置に向けて、一の又は複数の傾斜及び方位角方向に前記音響波を向ける段階と、前記目標の位置における物質によって反射された前記音響波、回折された前記音響波、若しくは、表面波伝播又はこれらの組み合わせ、から発生した音響信号を、一の又は複数の受信機で受信する段階と、前記ボアホール周辺の前記物質の特徴を把握するべく、受信した前記音響信号を分析する段階とを備える。

本発明の別の態様は、ボアホール付近のセメントボンド又は岩石層構造を調査するシステムを提供することである。システムは、音響波を生成し、当該音響波をボアホール付近の所望の位置を目指して一の又は複数の方位角へと向けるように構成された音響源を備える。システムは更に、音響信号を受信するように構成された一の又は複数の受信機を備え、当該音響信号は所望の位置における物質によって音響波が反射若しくは屈折したもの、又は、当該音響波の表面波伝播から発生している。システムは更に、受信した信号にデータ処理を行って、受信した音響信号を分析して、ボアホールの周辺の物質の特徴を把握するように構成されたプロセッサを備える。

本発明の別の側面によれば、音響ビームを生成するための音響源が提供される。音響源は、筐体、当該筐体内に間隔を空けて配置された複数の圧電層、及び、前記複数の圧電層の間に充填された非線形媒体を備える。複数の圧電層のそれぞれは、電気信号によって励起されると音響波を生成する。非線形媒体及び複数の圧電層は、音響整合インピーダンスを有することから、複数の圧電層のそれぞれによって生成される音響波が残りの当該複数の層で伝送されるのを改善することができる。

本発明の更なる別の側面として、円筒形状の支持部材と、当該円筒形状の支持部材の表面に配置される複数の受信機要素とを含む音響検出器を提供する。複数の受信機要素は、複数の方位角方向において、音響波を検出するように構成される。

本発明の上記及び上記以外の目的、特徴、及び性質、並びに、関連する構成要素の動作方法及び機能、そして製造における各部分の組み合わせと経済性については、添付図面を参照しつつ以下の詳細な説明と添付の特許請求の範囲を検討することによってさらに明らかになる。これらはいずれも本明細書の一部を構成する。本明細書において、同様の参照符号は種々の図における対応部分を表している。添付図面は例示及び説明のためのものであり、本発明の発明特定事項の定義として用いることは意図されていない。本明細書及び特許請求の範囲における用法によれば、単数形の「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」には複数のものへの言及が含まれる。ただし、文脈によって別に解すべきことが明白な場合はこの限りでない。

本発明の一実施形態に係る、ボアホール付近の構造物及び／物質の特性を明らかにするべく、コリメートされた音響ビームを生成するシステムの模式図である。 本発明の一実施形態に係る、ボアホール付近の構造物及び／物質の特性を明らかにするべく、コリメートされた音響ビームを生成するシステムの模式図である。

本発明の一実施形態に係る、コリメートされた音響ビームを生成するのに使用されるポリフッ化ビニリデン（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｄｉｆｌｕｏｒｉｄｅ：ＰＶＤＦ）膜の音響源のエンドファイア・アレイ（ｅｎｄ−ｆｉｒｅ ａｒｒａｙ）の模式図である。 本発明の一実施形態に係る、コリメートされた音響ビームを生成するのに使用されるポリフッ化ビニリデン膜の音響源のエンドファイア・アレイの模式図である。

励起電気信号に遅延を適用していない場合の、ＰＶＤＦ膜音響源のエンドファイア・アレイによって出力される信号を示している。 励起電気信号に適切な遅延を適用した場合の、ＰＶＤＦ膜音響源のエンドファイア・アレイによって出力される信号を示している。

本発明の様々な実施形態に係る、受信機の略図である。 本発明の様々な実施形態に係る、受信機の略図である。 本発明の様々な実施形態に係る、受信機の略図である。

本発明の一実施形態に係る、音響測定システムの模式図である。

本発明の一実施形態に係る、音響源から発信されるパラメトリックアレイビームパルス信号の特性を示した図である。

周波数領域の信号を取得するべく行った、図４Ａの音響ビーム信号の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を示している。

本発明の一実施形態に係る、伝播時間及び方位角の関数として、収集されたデータを表したものである。

本発明の一実施形態に係る、円筒形状の構造の表面に設けられる受信機要素の直線アレイを有する受信機を使用した実験装置を模式的に示した図である。

本発明の別の実施形態に係る、図５に示すようなデータと同様な実験装置であるが、線形信号の到達を除去するべく信号処理を行った後に得られた反射データを示した図である。

本発明の一の実施形態に係る、線形信号の到達を除去するべく信号処理を行った後に得られたデータを、伝播時間と受信機の数の関数として示した図である。

本発明の別の実施形態に係る、受信機２４の方向を固定して（すなわち、受信機を回転させない）、ミラーを方位角方向に回転させた別の実験を示した図である。

本発明の別の実施形態に係る、音響実験装置を示しており、当該実験装置の縦断面図である。 本発明の別の実施形態に係る、音響実験装置を示しており、当該実験装置の上面図である。

本発明の一実施形態に係る、方位方向又は方位角約３２０度において測定されたデータのプロットである。 本発明の一実施形態に係る、方位方向又は方位角約９０度において測定されたデータのプロットである。 本発明の一実施形態に係る、方位方向又は方位角約１６５度において測定されたデータのプロットである。

本発明の実施形態に係る、様々なボアホールの状態の場合の、周波数範囲１５ｋＨｚから１２０ｋＨｚの音響測定の合成波のプロットを示している。 本発明の実施形態に係る、様々なボアホールの状態の場合の、周波数範囲１５ｋＨｚから１２０ｋＨｚの音響測定の合成波のプロットを示している。 本発明の実施形態に係る、様々なボアホールの状態の場合の、周波数範囲１５ｋＨｚから１２０ｋＨｚの音響測定の合成波のプロットを示している。

本発明の実施形態に係る、シミュレーションした周波数チャープ伝播データ、及び、同じデータの時間周波数解析を示した図である。 本発明の実施形態に係る、シミュレーションした周波数チャープ伝播データ、及び、同じデータの時間周波数解析を示した図である。 本発明の実施形態に係る、シミュレーションした周波数チャープ伝播データ、及び、同じデータの時間周波数解析を示した図である。

本発明の一実施形態に係る、ボアホール内に設けられた音響測定システムを示した図である。

本発明の別の実施形態に係る、ボアホール内に設けられた音響測定システムを示した図である。

本発明の更なる別の実施形態に係る、ボアホール内に設けられた音響測定システムを示した図である。

本発明の一実施形態に係る、方法を実装するコンピュータシステムを示した模式図である。

図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の一実施形態に係る、ボアホール付近の構造物及び／物質の特性を明らかにするべく、コリメートされた音響ビームを生成するシステムの模式図である。システム１０は、第１周波数及び第２周波数で信号を生成するように構成された一の又は複数の電気信号生成器１２を備える。これらの信号は、信号のパワーを増幅する一の又は複数の信号増幅器１４に送信される。信号増幅器１４によって変更された信号は、一の又は複数のトランスデューサ１６に送信される。トランスデューサ１６は、第１周波数及び第２周波数の音響波を生成するように構成される。音響波は非線形物質１７に送信される。非線形物質１７は、波動混合プロセスによって第１周波数の波と第２周波数の波とを混合し、第３周波数を有するコリメートされた音響ビーム１８を生成する。一実施形態において、コリメートされた音響ビーム１８は、約１５ｋＨｚから約１２０ｋＨｚの範囲の周波数を有することができる。この周波数範囲は、例えば、異なるトランスデューサ及び異なる一次周波数を使用することにより、拡大することができる。コリメートされた音響ビーム１８は、連続した音響信号であってもよいし、一の又は複数の音響パルス（例えば、連なった複数の音響パルス）を含んでもよい。

非線形物質１７は、液体、複数の液体の混合物、固体、固いケーシングに埋め込まれた粒状物質、埋め込まれたマイクロスフェア、音響メタマテリアル又はエマルジョンであってもよい。このような非線形物質の非制限的な例として、フロリナート（登録商標）ＦＣ−４３が挙げられる。フロリナートは、相対的に音速が小さく（６４６ｍ／ｓ）、音響非線形性が高い（β〜７．６）ことから選ばれることがある。ボアホール内の動作条件に応じて、適した低音速、高非線形結合、吸収長、衝撃波長、温度及び圧力の動作範囲を有する、及び、これら以外の動作仕様要件を満たす非線形混合媒質として、その他の非線形物質を用いることも可能である。また、非線形物質の長さは、非常に小さくてもよく、用いられる物質の種類によって、周波数の範囲が約１５ｋＨｚから約１２０ｋＨｚの間の場合、５ｃｍから２メートルの範囲である。非線形物質は、例えば、円筒状のコンテナのような筐体に設けることができる。非線形物質で満たされた筐体の軸を、ボアホールの軸と並列にすることにより、非線形物質によって出力された差分周波数音響ビームが軸に沿って伝播するようにすることができる。

非線形の性質は、非線形混合現象によって生じるＰ波の特性を解析することにより記述することができる。非線形混合現象においては、２つの異なる周波数ｆ₁及びｆ₂の２つの入射波が混合されて、ｆ₂−ｆ₁、ｆ₂＋ｆ₁、２ｆ₁、及び２ｆ₂等の倍音周波数及び相互変調周波数である第３周波数成分が生成される。本発明の一態様において、非線形共線混合現象は、坑井内の非線形物質内で発生するように設計される。一般的に、差分周波数ｆ₂−ｆ₁となる第３の波のみが、本出願の対象となる。高い周波数は、短い距離しか伝播できず、非線形物質において吸収される傾向がある。幾つかの実施形態において、この第３の波又はコリメートビームは、約１５ｋＨｚから約１２０ｋＨｚの間の周波数を有する。しかしながら、これよりも広い周波数レンジ及び高い周波数についても、本発明の範囲内である。一実施形態において、第３の波の周波数帯域は、２つの一次周波数ｆ₁及びｆ₂によって決まり、ここで２つの一次周波数のうちの一方（例えば、周波数ｆ₁）は、固定され、他方の周波数（例えば、周波数ｆ₂）は、時間軸において非常に速くスイープされる（例えば、チャープする）。従って、例えば、高周波数（例えば、周波数ｆ₁）の数周期のトーンバーストと、その周波数ｆ₁付近の周波数チャープとを混合することにより、広帯域信号を得ることができる。これ以外にも、所望の時間応答性及び周波数応答を生成するべく、様々な信号を混合することが可能である。例えば、小型のパラメトリックアレイ信号源をプログラムして、フロリナートが満たされたチャンバ内で２つの高周波数ガウシアンパルスを混合させることにより、約１５ｋＨｚから約１２０ｋＨｚの間の周波数範囲を有するガウシアンパルスを生成することができる。その結果生成される周波数ｆ₂−ｆ₁のビームパルスは、伝播媒質中を伝播する音響粒子（固体物理学における光子と同様）として振舞う。鋭いパルスを使用することにより、相互相関のような任意の種類の信号処理を行うことなく、生のデータで測定を行うことができ、測定のスピードアップが図れる。ボアホールケーシング周辺の特徴をイメージ化するための、パラメトリックアレイ信号源の評価を行う実験測定システムについて、次のパラグラフで説明する。

一実施形態において、トランスデューサ１６及び混合物質１７を、図１Ｃに示すようなポリフッ化ビニリデン（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅ ｄｉｆｌｕｏｒｉｄｅ：ＰＶＤＦ）膜の音響源３０のエンドファイア・アレイで置き換えることができる。ＰＶＤＦ膜音響源３０のエンドファイアは、互いに間隔を空けて設けられた複数の圧電（ＰＺＴ）層３２（例えば、ＰＶＤＦ膜）を備える。ＰＶＤＦは、圧電セラミックを超える即時の利点を提供する。ＰＶＤＦは、高い物理的減衰及び複素誘電率を有する。したがって、ＰＶＤＦで構成されたトランスデューサは、非常に広い帯域幅を有し、短期間の圧力波を生成することができ、圧電セラミックよりも低い動作中心周波数（従って減衰が最小になる）において、良好な空間イメージング分解能を提供できる。加えて、ＰＶＤＦの音響インピーダンス（Ｚ）（Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｐｅｃｉａｌｔｉｅｓ社、ペンシルベニア州、ノリスタウン）は、約１．４８ＭＲａｙｌｓである水の音響インピーダンスに対して、およそ２．７ＭＲａｙｌｓである。ＰＺＴ層を使用する場合、非線形混合物又は媒体１７を取り除いて、所望の動作周波数レンジ（例えば、約１ｋＨｚから約１２０ｋＨｚの間）において良好な透過特性及び低い音響吸収を有する任意の流体に置き換えてもよい。ＰＶＤＦ膜３２を、筐体３４（例えば、シリンダ）内に搭載することができる。ＰＶＤＦ膜を使用したエンドファイア・アレイ音響源３０について記載したが、その他の圧電膜を使用可能であることは明らかである。図１Ｃに示した筐体３４は、円形の底面を有する円筒形状を有するように描かれているが、筐体３４は、円筒形状を有してもよいし、任意の底面（例えば、多角形の底面）の形状に合った形状を有してもよい。音響源は更に、圧電層（例えば、ＰＶＤＦ膜）間を満たす非線形媒体を含む。一実施形態において、筐体３４は、ＰＶＤＦ膜３２の音響インピーダンスにほぼ整合する音響インピーダンスを有する流体のような媒質で満たされる。一実施形態において、流体は、例えば、ＰＶＤＦ膜３２の音響インピーダンスがほぼ水の音響インピーダンスに整合することから、水であってもよい。別の実施形態では、水を、フロリナート（例えば、ＦＣ−４３）に置き換えてもよい。ＰＶＤＦとフロリナートとの間のインピーダンス不整合は僅かに変化するが、水の場合の１４８０ｍ／ｓと比較して液体中の音速は大幅に小さくなり、ＦＣ−４３中では６４０ｍ／ｓとなる。しかしながら、フロリナートＦＣ−４３は、華氏３９０度を超える温度で分解する。フロリナート中における音速が小さいことから、水を使用した場合と比較して、フロリナートを使用すると音響源のサイズをほぼ３分の１にすることができる。一実施形態において、エンドファイア・アレイ源３０は更に、筐体３４の第１端部に設けられた音響吸収材３１及び筐体３４の第１端部の反対側の第２端部に設けられたプレート３３を有する。一実施形態において、プレート３３は、音響ビームコリメーション又は集束等の操作を提供するべく、音響レンズとして形成される。ＰＶＤＦ膜は、１ｋＨｚから１００ＭＨｚの非常に広帯域の音響源を提供する。加えて、一実施形態において、筐体３４の側壁に、防音体３５を積層して、ＰＶＤＦ膜によって生成された音響波が、側壁から反射するのを防いでもよい。

ＰＶＤＦ膜音響源３０に基づくエンドファイア・アレイは、一つのトランスデューサを使用した従来のパラメトリックアレイよりも、強力な音響波を出力することができる。複数の圧電層（例えば、ＰＶＤＦ膜）のそれぞれが、音響波を生成するように構成される。非線形媒体及び複数の圧電層は、整合インピーダンスを有することから、複数の圧電層のそれぞれによって生成される音響波が残りの当該複数の層で伝送されるのを改善することができる。

一実施形態において、例えば、図１Ｄに示すように、発電機１２のような発電機を設けて、複数の圧電層のうちの少なくとも一つの圧電層を電気的に励起して、音響波パルスを生成することができる。例えば、電気信号生成器１２を、複数の圧電膜３２（例えば、ＰＶＤＦ）を電気的に励起するように構成して、時間的に分離した複数の音響波パルスを生成させて、連なった複数の音響パルスを形成することができる。電気信号生成器１２は、ガウシアンパルス、及び、時間的に遅延した次々と発生するパルスに加えて、幅広い種類の信号波形（トーンバースト、周波数チャープ、方形波、及び、三角波形等）を生成するように構成することができる。時間的遅延τを、音響パルスが一の層から他の層へと伝播するのに掛かる時間と等しい時間に調整して、次の層がまさに励起されるタイミングで音響パルスが到着するようにすることができる。あるいは、時間的遅延τを、２つの連続するＰＶＤＦ膜３２間の分離距離ｄを、当該連続するＰＶＤＦ膜３２間の媒質中の音速ｃで割った値にほぼ等しくなるように調整することができる。したがって、例えば、第１パルスを生成するべく、時間ｔ＝０で第１膜３２Ａを励起し、遅延時間τだけ遅らせた時間ｔにおいて第２膜３２Ｂを励起して第２パルスを生成することができ、遅延時間２τだけ遅らせた時間ｔにおいて第３膜３２Ｃを励起して、第３パルスを生成するといったようにすることができる。このような態様で、第１膜３２Ａによって生成された第１パルスが、第２パルスが第２層３２Ｂにおいて生成されるとほぼ同時に、第２膜３２Ｂに到達する。同様に、第１パルス及び第２パルスが、第３パルスが第３層３２Ｃで生成されるのとほぼ同時に、第３層３２Ｃに到達する、といったようにできる。ＰＶＤＦ膜３２のそれぞれに対して、筐体３４中のＰＶＤＦ膜３２の一に従った適切な遅延を、遅延生成器から供給することができる。ＰＶＤＦ膜３２のそれぞれを、振幅を適切に調整及び整形した遅延電気信号によって励起することもできる。この方法の目的は、前に位置する層又は膜の全てからの音響パルスが、最後の層が励起される時点に当該最後の層に到達するようにすることであり、この場合、全ての波が足し合わせられて、一つの強力なパルスが生成される。例えば、Ｎ個の層が存在する場合、最後の層から発せられる信号は、層及び媒質における信号の損失を差し引いた後でも、各層によって生成されるパワーのおよそＮ倍となる。全ての層が等しい間隔で配置される場合が単純であるが、必ずしも等しい間隔で配置される必要はない。実際には、様々な層を、任意の位置に配置することができ、層間の間隔が異なっていてもよい。遅延時間は、様々な層の間の間隔を考慮して、適切に選択することができる。固定された周波数を用いる線形フェーズドアレイを用いる場合であっても、ＰＶＤＦ膜３２間の遅延を適切に調整させることにより実装可能である。

一実施形態では、ＰＶＤＦ膜のそれぞれを、５００ｋＨｚトーンバーストにより励起した。必要に応じて、５０ｋＨｚから１ＭＨｚの周波数を使用してもよい。１００ＭＨｚを超えてカットオフ周波数は存在せず、これらの膜が浸漬されている液体中の音の吸収によって主に限定されている。図１Ｅ及び図１Ｆには、実験データがプロットされている。図１Ｅには、電気的遅延を使用しない場合の、４つのＰＶＤＦ発信機全てからの信号が示されている。この場合、受信機からの距離に基づいて、各信号が受信器に到達した。一方、図１Ｆには、適切な時間遅延が使用された場合が示されており、全ての信号が、最後の受信機に同時に到達した。この場合、受信機によって検出された信号は、大きく重畳された信号となっている。

平らに広げられたＰＶＤＦ膜の代わりに僅かにカーブしたＰＶＤＦ膜を使用することにより、エンドファイア音響源の効率を向上させることができる。一実施形態において、ＰＶＤＦ膜のそれぞれに、薄いプラスチックワイヤ（又は金属ワイヤ）で形成したプラスチックの十字型を取り付けて、膜の表面を対称に僅かにカーブさせることができる。ＰＶＤＦ膜のそれぞれは、当該膜を励起するべく設けられている電気接続の反対側に薄い電極の層を有している。膜３２のアレイは、ワイヤフレームに作りこまれ他の値、シリンダ内に挿入される。出口孔を通じてケーブルを、シリンダの吸収体側に引き出す。

例えば、実際のオペレーションでは、第１ＰＶＤＦ膜３２Ａを第１音響パルスを生成するように構成し、第２ＰＶＤＦ膜３２Ｂを第１パルスを基準として遅延した第２音響パルスを生成するように構成し、第３ＰＶＤＦ膜を３２Ｂを第２音響パルスを基準として遅延した第３音響パルスを生成するように構成してもよい。第３ＰＶＤＦ膜３２Ｃを、第１音響パルス及び第２音響パルスに対してトランスペアレントとなるように構成することができる。第２ＰＶＤＦ膜３２Ｂを、第１音響パルスに対してトランスペアレントとなるように構成することができる。第１、第２及び第３音響パルスが足し合わせられた結果、ＰＶＤＦ膜音響源３０は、第１、第２及び第３音響パルスを含む信号を出力することができる。これは、出力音響ビームのパワーを制御する能力を提供するだけでなく、個々のパルスのエネルギー及び様々なパルス間の遅延を制御する能力を提供する。この例では、ＰＶＤＦ膜音響源３０が、３つのＰＶＤＦ膜を有するとして説明がなされた。しかしながら、任意の数のＰＶＤＦ膜を使用することができる。一実施形態において、筐体３４は、音吸収材（図示せず）によって囲まれており、音響エネルギーが筐体３４側に散乱するのを防いでいる。

別の実施形態において、ＰＶＤＦ膜３２のそれぞれによって生成される音波は、フロントディスク３３に同時に到達して、その威力が加算されたものとなる。ＰＶＤＦ膜のそれぞれは、約１５ｋＨｚから１２０ｋＨｚの間の信号帯域幅を有する電気パルス（ガウシアン形状）によって励起される。しかしながら、ＰＶＤＦは、膜の動作周波数内の任意の周波数レンジにおいて励起されて、音響波を生成することができる。このように、各要素又はＰＶＤＦ膜３２によって生成された音パルスの全てが、フロントエレメント３３に同時に到達し、足し合わされて、液体中及び膜中での僅かな透過損失を差し引いた後でも、各要素が出力するパワーのＮ倍に近い強力な信号を生成することができる。このような周波数において、液体中の損失は僅かである。

一実施形態において、音響コリメートビーム１８は、音響ビームガイド２０によって特定の方向に誘導される。一実施形態において、音響源（トランスデューサ１６及び非線形材料１７又は音響源３０）及び音響ビームガイド又はステアリングデバイス２０が、筐体２２内に設けられる。音響ビームガイド２０は、例えば、音響反射器若しくは音響レンズ、又は、これら両方の組み合わせである。音響反射器は、ビームが伝搬する周辺媒質とは異なる音響インピーダンスを有する物質である。かかる音響反射器の一例は金属プレートである。一実施形態において、音響レンズは、特定の焦点及び方向に音響コリメートビームを集束するように構成され、例えば凹面形状を有してもよい。フレネルミラー配置を音響ビームガイドとして用いることができる。音響ビームガイド２０を、当該音響ビームガイド２０に結合された一の又は複数のアクチュエータ（図示せず）を使用して、特定の方向へと回転又は傾けることができる。これに代えて、幾つかの実施形態においては、音響ビームガイド２０を省略して、コリメートビーム１８が筐体２２の軸方向に沿って伝搬するようにすることもできる。例えば、筐体２２を、プラスチック又はその他の好適な材料で形成することができる。一実施形態において、筐体２２は、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、円形の底面を有する円筒形状又は管材の形状にすることができる。しかしながら、筐体２２をその他の形状を有するようにしてもよく、例えば、多角形の底面（例えば、正方形、矩形、六角形、五角形等）を有する筒形状であってもよい。一実施形態において、筐体２２は、液体（例えば、水）で満たされてもよい。

図１４Ａには、本発明の実施形態に係る、ボアホール内に設けられた音響測定システムが示されている。コリメートビーム１８は、ボアホール１１内のケーシング１９Ａの背後のセメントシース又は岩石層のような対象物若しくはターゲット、又は、図１４Ａに示すように、ボアホール１１に近い岩石層１３内の対象物１９Ｂ（例えば、割れ、ひび、空洞等）に向かって特定の方向にステアリングすることができる。例えば、対象物１９Ａのような、層、材質又は構造の不均質性が存在すると、屈折又は表面波伝播２１Ａが生成されて、これが音響波２１Ｂとして散乱されて、受信機２４によって検出される。同様に、フラクチャ又は割れ目１９Ｂのような岩石層１３内の不均質性は、音響ビーム１８を反射又は散乱させ、反射された音響波２１は、受信機２４によって検出することができる。音響ビーム１８は、例えば、屈折及び表面伝播波である弾性波を生成することができ、当該弾性波は、岩石層１３との境界及びボアホールと岩石層１３との境界に沿って伝播する。反射、散乱した波又は表面波及びその他の種類の波が、受信機２４によって受信される。

図１４Ｂには、本発明の別の実施形態に係る、ボアホール内に設けられた音響測定システムが示されている。この実施形態において、音響源１６、３０によって出力される音響ビーム１８はステアリングデバイス２０を使用して下方向に、概してボアホール１１の軸１５の方向に向けられてもよい。この場合、音響ビーム又は音響波１８を使用して、まだ掘削されていない岩石層１３を調査することができ、ドリルビットに先じて調査することができる。これは、例えば、掘削を行っている間に実行することができる。音響ビーム１８が岩石層１３に向かって概して下向きに向けられると、対象物１９Ｃ（例えば、岩石構造内の岩石層）が、音響ビームエネルギー１８の一部を反射して、受信機２４がそれを検出することができる。対象物１９Ｃの位置又は音響源１６、３０からの距離は、受信した音響波２１Ｄに基づいて決定することができる。

同様に、層１９Ｃの傾き量は、音響ビーム１８の傾き（例えば、ボアホールの軸１５を基準とした傾き）及び受信した音響波２１Ｄに基づいて決定することができる。図１４Ｃには、層１９Ｃがボアホール１１又はボアホール軸１５を基準として傾いている状況が示されている。この場合、源３０の正面に配置されたビームステアリングデバイス２０（傾斜可能音響ミラー又はプリズム等）を使用して、音響ビーム１８を、層１９Ｃの方向を含む任意の方向に向けることができる。ステアリングデバイス２０が垂直方向に配置されると、源からの音ビームが大きな障害物なく透過させることができる。層１９Ｃがある角度で傾けられると、音響ビーム１８は層１９Ｃによって反射されず、その結果、反射音響信号が受信機２４によって検出されなくなる。一方、音響ビーム１８の向きが層１９Ｃに対してほぼ垂直又は法線方向となるようにステアリングデバイス２０が回転又は傾けられると、音響信号２１Ｄが傾けられた層２１Ｄによって反射されて、受信機２４によって検出することができる。ステアリングデバイスを傾ける又は上向きにすることに加えて、方位角方向に向けることにより、ドリルビットの先に存在するものを完全に描き出すことができる。

図１Ｂに示すように、受信機２４を筐体２２内に設けることができる。しかしながら、受信機２４は、筐体２２とは別個に設けてもよく、受信機２４及び源１６が独立して動けるようにしてもよい。受信機２４は、反射した、散乱した、回折した波２１、又は、その他の状態の波を受信できるように構成されてもよい。一実施形態において、音響吸収体２３を、音響ビームガイド２０と受信機２４との間に配置して、例えば、反射されていない音響波又はビームガイド２０によって向けられた音響波が、受信機２４に到達するのを防ぐことができる。一実施形態において、筐体２２内に受信機２４を配置することにより、筐体２２を移動させる間に、すなわち、源１６及び受信機２４並びに筐体２２等が一つの装置９として一体的にボアホール１１に沿って移動させる間に（図１４参照）、受信機２４は、反射された又は散乱された波２１を受信することができる。しかしながら、別の実施形態において、音響源（例えば、混合物質１７を有する音響源１６又は音響源３０）と受信機２４とが、ボアホール１３に沿って独立して移動可能としてもよい。反射された音響波２１は受信機２４によって検出され、分析のために処理装置２６に送信可能な電気信号へと変換される。処理装置２６としては、岩石層若しくは材質又はボアホールを囲む構造の特徴を得るための適切なソフトウェア、例えば、ボアホール１１の周辺の岩石層又は材質の２Ｄ又は３Ｄ画像を生成する機能を含むソフトウェアを備えたコンピュータが考えられる。

ある実施形態では、トランスデューサ１６（又はエンドファイア音響源３０）、非線形材料１７、ステアリングデバイス２０及び受信機２４を含む装置全体９を、ボアホール１１の長さに沿って、ボアホール付近の特定の構造を画像化する又はボアホールケーシングの構造を調査するべく上下に移動させてもよい。しかしながら、別の実施形態において、音響源（例えば、混合物質１７を有する音響源１６又は音響源３０）とステアリングデバイス２０とが、受信機２４とは独立して（例えば、受信機を固定させて）移動可能としてもよい。さらに、受信機２４を含むと含まないとに関わらず装置全体９を、ボアホール１１の軸１５を中心に回転させて、ボアホール１１の周りの方位角方向における岩石層、構造及び材質等のイメージングをおこなってもよい。

図２Ａは、本発明の一実施形態に係る、受信機２４の概略図である。受信機２４は、複数の受信機要素４０を含む。これら受信機要素４０は、ＰＶＤＦ膜のアレイであってもよい。一実施形態において、膜の両側に電極を適切に蒸着させて（又は、全面に予め蒸着された金属電極をエッチングすることにより電極を形成）、隣接する要素間に間隙を設けることにより、アレイを、一つのＰＶＤＦシートから生成することができる。これらの電極はそれぞれ、圧電受信機要素として機能する。典型的なアレイの要素のサイズは、約１ｃｍ×１ｃｍであるが、実験の必要に応じた解決策に応じて、任意のサイズとすることができる。一実施形態において、電気接続のために、電線を膜又はＰＶＤＦシート上に敷設することができる。そして、電極が設けられたシート全体を、電極のショート及び保護を目的として、材料の非常に薄いシート（例えば、マイラー（Ｍｙｌａｒ）（登録商標））で覆ってもよい。したがって、図２Ｂに示すように、線形アレイを巻きつけて、音響吸収材（例えば、発泡体）の周りに円形状になるようにして、３６０°の範囲をカバーする円形アレイを形成することができる。受信機要素４０を、音響吸収材（例えば、音響吸収発泡体、スポンジ、又は、様々なタイプのシリコンゴム）４２の表面４２Ｓに設ける。図２Ｃは、本発明の別の実施形態に係る、受信機２４の概略図である。この実施形態では、ＰＶＤＦ膜の大きなシートを使用して、トランスデューサ要素４０の２次元配列（すなわち、マトリックス配列）のアレイを形成することができる。トランスデューサ４０のアレイを円筒形状に巻きつけて、円筒形状の軸に沿った垂直方向の受信可能範囲に加えて、円筒形状の軸周り３６０°受信可能範囲を提供するアレイを形成することができる。このような態様によれば、受信機アレイをボアホール内で方位角方向に物理的に回転させる必要がなくなる。この場合、ＰＶＤＦ層の異なる鉛直方向の列又は行、又は、ＰＶＤＦ膜の２次元アレイ内のＰＶＤＦ膜一次元アレイを電子的に選択して、音響信号を検出することができる。典型的には、実際には、最初に所定の位置で全てのＰＶＤＦ要素をスキャンして、任意の信号がやってくる方向を判定した後、適切な鉛直方向アレイを使用して当該信号を追跡することができる。信号マルチプレクサ装置を使用して、この種の電気的スキャンを実行することができ、次いで検出した信号を増幅及びデジタル化することができる。図２Ｂ及び図２Ｃに示すように、音響吸収材４２は、底面が円形である円筒形状を有している。しかしながら、音響吸収材４２は、底面が多角形又は楕円形のようなその他の形状を有する筒形状のような所望の形状を有してもよい。吸収材４２の表面４２Ｓ上に受信機要素４０を搭載することにより、受信機要素４０は、受信機要素４０の前側から音響信号を受信し、受信機要素４０の後ろ側からは受信しない。

図３は、本発明の一実施形態に係る、実験室における測定システム、又は、ボアホール環境に配置した時に測定システムを試験する実験装置の模式図である。実験装置では、音響源（例えば、混合物質１７を有する音響源１６又は音響源３０）、ビームステアリングデバイス２０及び受信機２４を含む筐体２２が、セメントケーシングを有するボアホール１１を模した筒（例えば、セメントバレル）２９の軸方向ボアホール１１Ａ内に位置する。音響測定システム９は、音響源（例えば、混合物質１７を有する音響源１６又は音響源３０）、ミラーシステム２０及び受信機２４を備える。一実施形態において、音響源（例えば、混合物質１７を有する音響源１６又は音響源３０）、非線形媒体１７、ミラーシステム２０及び受信機２４は、筐体２２内に配置される。一実施形態において、受信機２４は、前側からの音響信号のみを受信するように構成される。受信機２４は、後ろ側からの信号を遮断するように（すなわち、受信機２４の後ろ側で発生した信号は、吸収体４２によって吸収される）構成されている。一実施形態において、受信機２４は、音響源（例えば、混合物質１７を有する音響源１６又は音響源３０）と共に移動するように構成される。別の実施形態において、受信機２４は、音響源（例えば、混合物質１７を有する音響源１６又は音響源３０）とは独立して移動するように構成されてもよい。測定システムの有効性を試験するべく、以下に詳細に説明するように、筒２９（例えば、コンクリート又はセメントの筒）の外周面又は外面に溝２５を設ける。

一実施形態において、音響源（例えば、混合物質１７を有する音響源１６又は音響源３０）からのビーム方向、すなわち、音響ビーム１８と受信信号２１とが同じ面に位置するように、音響源（例えば、混合物質１７を有する音響源１６又は音響源３０）及び受信機２４が構成される。一実施形態において、音響源（例えば、混合物質１７を有する音響源１６又は音響源３０）及び受信機２４の両方が、０°から３６０°の範囲で方位角方向に回転される。しかしながら、別の実施形態では、ミラー２０のみが回転され、音響源（例えば、混合物質１７を有する音響源１６又は音響源３０）及び受信機２４は固定される。受信機要素４０が円筒の表面に設けられる円筒形状を有する受信機２４とすることにより、受信機２４は、受信機２４を移動又は回転させることなく、０°〜３６０°の角度で音響信号を検出することができる。同様に、所望の方位フィールド角をスキャンするために、音響源（例えば、混合物質１７を有する音響源１６又は音響源３０）の向きを再設定する必要はない。方位フィールド角は、単純にステアリングデバイス（例えば、ミラー２０）を回転させることによりスキャンすることができる。音響源（例えば、混合物質１７を有する音響源１６又は音響源３０）から出射する音響ビームは、ビームステアリングデバイス（例えば、ミラー）２０によって反射されて、音響ビーム１８としてセメントバレル２９の内壁に向かうように方向付けられる。音響ビーム１８は、バレル２９の材料、バレル２９の外側の材料、筐体２２とバレル２９との間の境界等と相互作用して、反射、屈折若しくは表面波、又は、これらの任意の組み合わせが生成される。第１のシナリオでは、ミラー２０で反射された後、音響ビームは、バレル２９（例えば、セメント筒）の材料若しくは岩石層、又は、これらの両方によって反射されてもよい。そして、反射された音響信号が、受信機２４によって検出されてもよい。このシナリオは、一般的に、反射モードと称される。第２のシナリオにおいて、ミラー２０で反射された後、音響ビームは、セメントバレル２９と岩石層との間の境界において、当該バレル２９（例えば、セメントバレル）の材料によって屈折されてもよい。そして、屈折された音響信号が、受信機２４によって検出されてもよい。このシナリオは、一般的に、屈折モードと称される。第３のシナリオにおいて、ミラー２０で反射された後、音響信号は、ボアホールの表面とバレル２９（現場配置の場合には岩石層）のセメントとの境界において、又は、セメント（又は岩石層）内の境界面境界において、表面波を生成してもよい。表面波は、受信機２４で検出可能な戻り信号を発する。このシナリオは、一般的に、表面波モードと称される。

図４Ａには、本発明の一実施形態に係る、実験室内の実験設備のボアホール内に設けられたパラメトリック音響源によって発せられるビームパルス信号の特定が示されている。 バレル２９の外表面上の音響ビーム信号パターン４５を、レーザードップラー振動計を使用して時間の関数（時間領域）として測定する。信号４５の波形が、図４Ａに示されている。図４Ｂは、周波数領域の信号を取得するべく行った、音響ビーム信号４５の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を示している。信号４５の周波数帯域幅は、約１５ｋＨｚから約１２０ｋＨｚの間の広い周波数大域を示すＦＦＴから抽出できる。

音響源（例えば、混合物質１７を有する音響源１６又は音響源３０）の固有の特性を、様々な受信要素又はモジュール４０と組み合わせて、方位角方向ボアホール音響測定、ボアホールからの３次元（３Ｄ）反射イメージング、３Ｄ屈折イメージング、３Ｄフラクチャ検出、浸透性の３Ｄマッピング、及び、セメントバレルと岩石層との間のチャネルの３Ｄマッピングを実行する測定システムを構成することができる。

ビームパルスの指向性が高いことから、上記したように既存のボアホール音響測定システムの欠点の多くを解決することができる。以下に記載するように、システムは、良好な傾き方向制御及び方位角方向分解能を有する。一実施形態において、方位角方向分解能は、約５°から約１５°の間であり、例えば、約１０°である。このような新しい能力により、ボアホール音響測定を完全な３Ｄ測定（第３次元は、方位角になる）が可能となる。

図５には、本発明の一実施形態に係る、図３に示した実験装置を使用した実験において、伝播時間及び、受信機要素と音響ビーム源との間の距離の関数として収集されたデータが示されている。この実験において、ビーム源は、一の方位角及び一の傾斜角度における岩石層に向けられ、受信機要素４０を有する線形受信機２４が、図６に示すように、同じ方位角においてソースビームとして戻り信号を検出するように向けられる。源、ミラー及び受信機のアセンブリ全体を、１０°ずつ方位角方向に回転させて、１０°ずつ方位角がインクリメントされる都度、戻り音響信号データを全ての受信機要素について記録する。図５には、パネル１からパネル５まで（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４及びＰ５）の５枚のパネルが示されている。一回の方位角の測定について表示されるデータ（すなわち、方位角）に、各パネルが対応している。つまり、１０°毎異なる方位角（すなわち、０°、１０°、２０°等）のそれぞれに、異なるパネル（Ｐ１からＰ５）が対応している。各パネルのｙ軸は、様々な受信機要素４０において検出された信号の到着時間を表す。各パネルのｘ軸は、鉛直方向受信機要素から源までの距離に対応している。表示のグレースケールは、受信した音響信号の振幅に対応している。各パネルには、複数のデータ点５８が示されている。これらのデータ点５８はそれぞれ、受信機２４の複数の受信機要素４０の一つによって検出された一つの信号に対応している。本例では、受信機２４には、１２個の受信機要素４０が設けられている。したがって、１２個のデータ点が受信機２４によって検出されて、各点は、１２個の受信機要素４０のうちの一つによって検出された信号に対応する。１２個のデータ点はそれぞれ、１２個の受信機要素４０のそれぞれに到達した信号に対応して異なる到達時刻を有する。図５に示すように、第１線形信号の到達５０は、音波検層で一般的に測定されるＰ波圧縮屈折波に対応する。第２線形信号の到達５２及び第３線形信号の到達５４は、レーリー波、スタンレー波又はラム波のような表面波に対応する。バレル外周部におけるセメント／空気境界面からの反射による信号の到達は、５６に示されている。

図７は、図５Ａに示すようなデータと同様な実験装置であるが、線形的な到達を除去するべく信号処理を行った後に得られた反射データを示した図である。３６個のパネルＰ１〜Ｐ３６が存在し、各パネルは方位角に対応し、３６個のパネルは、０°から１８０°の範囲に対応している。例えば、パネルＰ１は、方位角０°に対応する。ｙ軸は、受信機２４における到達時刻を表す。各パネルのｙ軸は、様々な受信機要素４０において検出された信号の到着時間を表す。各パネルのｘ軸は、受信機要素から源までの鉛直方向距離に対応している。表示のグレースケールは、受信した音響信号の振幅に対応している。各パネル内、すなわち、各方位角レンジ内において、双曲線状の曲線５９が見られる。各曲線５９は、受信機２４における一つの信号受信機要素４０によって検出される信号のデータに対応している。一連の波形６０及び６２は、セメントバレル２９の境界又は外周からの反射に対応し、波形６４は、溝２５の表面からの（セメントと空気との境界面おける）反射に対応している。図からわかるように、溝２５の表面で反射された波は、バレル２９の円筒表面で反射された波よりも早く受信機２４に到達している。更に、溝２５の位置は、方位角測定方法及び本明細書に記載するシステムを使用して確かめることができる。本方法によれば、ボアホール内のケーシング又はボアホールの境界面及び岩石層等の構造内の欠陥を検出することを可能とするような良好な方位角方向の分解能を達成できる。例えば、図７から分かるように、溝２５を、特定の方位角で、又は、構造的な欠陥、フラクチャ等の構造の位置又は場所の判定を可能とする方位角範囲内において、特定することができる。

図８には、異なる配列で同じ実験を行った結果のデータ表示である。図８には、１２個のパネル（Ｐ１からＰ１２）が存在する。各パネル（Ｐ１、Ｐ２、…、Ｐ１２）は、受信機２４における１２個の受信機要素４０のうちの一つによって検出される信号のデータに対応する。各パネル（例えば、パネルＰ１）において、ｘ軸は、方位角（０°〜３６０°の範囲の）を表す。ｙ軸は、受信機２４の１２個の受信機要素４０のそれぞれにおける到着時刻を表す。表示のグレースケールは、受信した音響信号の振幅に対応している。図８から分かるように、溝２５による反射は、検出要素４０の一部（例えば、パネルＰ１からＰ４）によって検出され、その他の検出器要素（例えば、パネルＰ９からＰ１２）によっては検出されない。加えて、図から分かるように、例えば、パネルＰ１については、９０°付近の方位角に対応するパネルの中央部分で明確に溝２５が捉えられる。特定の受信機要素４０（パネルＰ１からＰ４）により溝２５が検出されるがその他の受信機要素４０（パネル９からＰ１２）では検出されない理由は、音響ビーム１８が特定の仰角広がりを有するため、特定の検出器要素４０によって選択的に反射されるためである。したがって、溝２５によって散乱、反射、回折された音響波の外側に位置する検出器要素４０（パネルＰ９からＰ１２に対応）は、溝２５によって反射、回折、散乱されたビームを検出することができない。しかしながら、受信機２４を鉛直方向に移動させて、受信機２４内のその他の受信機要素４０が、溝２５によって反射、回折又は散乱された信号を検出可能にできることは明らかである。この場合、例えば、溝の傾きが変更されると、パネルＰ６からＰ１０において溝を見ることができる。したがって、本測定システムは、方位角方向における構造の位置を決定することが可能であるだけでなく、仰角方向においても位置を決定することができる。

更に、仰角方向の情報は、構造（例えば、溝２５）の向きを判定するのに利用できる。例えば、先の段落で記載した実験室内の実験において、溝２５は、セメントバレル２９のボアホールの軸に平行に配置されている。しかしながら、溝２５を斜めに配置させる、すなわち、ボアホールの軸に対して角度を持って配置させることができ、この場合、溝２５の向きに依存する仰角情報が異なってくる。実際には、ボアホール軸に対する構造（例えば、溝２５）の角度方向に応じて、溝２５によって反射、回折されたビームを、望ましくは特定の受信機要素４０の方向に向けることができる。その結果、溝２５を、異なるパネル（例えば、パネルＰ７及びＰ８）のプロットデータ又は画像において見ることができる。どのパネルにおいて溝２５が検出されるかを判定することにより、溝２５の傾斜角度を推測することが可能である。

図９は、受信機２４の方向を固定して（すなわち、受信機は回転しない）、ミラーを方位角方向に０°から３６０°の間で２０°きざみで回転させた別の実験を示した図である。１９個のパネルが表示されており、各パネルは、２０°きざみで、０°から３６０°の方位角の何れかで記録された信号のデータに対応する。ｙ軸は、受信機２４の受信機要素４０のそれぞれにおける到着時刻を表す。各パネルのｘ軸は、受信機要素と源までの鉛直方向距離に対応している。表示のグレースケールは、受信した音響信号の振幅に対応している。ビームの向きと受信機の受信方向とが揃えられた時に、線形信号到達の最大エネルギーを伴う良好な方位角方向分解能が得られることをデータが示している。これは、伝播経路が方位角方向に大きく拡がっておらず、むしろ狭くなっていることを示している。

図１０Ａ及び図１０Ｂには、本発明の別の実施形態に係る音響波の実験装置が示されている。図１０Ａには実験装置の縦断面図が示されており、図１０Ｂには実験装置の上面図が示されている。実験装置は、図３に概略的に示した実験装置と多くの点で同じである。セメントバレル２２は、内側ケーシング１００の軸方向に設けられたスチールと並べられている。パイプ又チューブ１０２は、セメントバレル２２内に埋め込まれている。溝２５はまた、セメントバレル２２の外表面に切り込みとして又は彫られている。デタッチメントフォイル１０４（例えば、アルミ箔）が、筐体２２内に設けられている。この実施形態において、デタッチメントフォイル１０４は、内側ケーシング１００と接触するように配置される。セメントバレル２２のケーシング１００内には、音響源１６、３０、非線形材料１７、ミラー２０及び受信機２４が設けられる。図１０Ｂに示すように、方位角方向を示すように軸が描かれている（２つの軸の向きは任意である）。溝２５が、方位角約２３０°〜約２８０°の間に位置している。パイプ又はチューブ１０２は、方位角約８０°〜約１００°の間に位置している。デタッチメントフォイル（ｄｅｔａｃｈｍｅｎｔ ｆｏｉｌ）（例えば、アルミ箔）が、方位角約１４０°〜約１９０°の間に位置している。

図１１Ａから図１１Ｃには、本発明の一実施形態に係る、様々な方位方向又は方位角において測定されたデータのプロットが示されており、それぞれ約３２０°、約９０°及び約１６５°において測定されたデータのプロットである。約３２０°の方位角又は方位角方向（図１１Ａ）は、内側ケーシング１００の後ろに含有物が存在しない、すなわち、セメントバレルの壁のみしか存在以内領域における、音響ビームの向きに対応する。約９０°の方位角又は方位角方向（図１１Ｂ）は、チューブ（例えば、プラスチックのパイプ）１０２が含まれる領域における音響ビームの向きに対応する。約１６５°の方位角又は方位角方向（図１１Ｃ）は、デタッチメントフォイル（例えば、アルミ箔）１０４が設けられる領域における音響ビームの向きに対応する。このプロットにおいて、ｙ軸は、音響波が受信機２４によって受信されるのにかかる時間に対応しており、各パネルにおけるｘ軸は、源から受信機要素までの鉛直距離に対応する。各プロットにおける様々な曲線は、受信機２４における様々な受信機要素４０が受信した音響信号に対応する。本例では、受信機２４には１２個の受信機要素４０が設けられている。しかしながら、任意の数の受信機要素を使用することができる。ｘ軸に最も近い曲線は、第１番目の受信機要素によって検出された信号に対応し、ｘ軸から最も離れた曲線は、第１２番目の受信機要素によって検出された信号に対応する。第１受信機要素は、音響源１６、３０に最も近い受信機要素であり、第１２受信機要素は、音響源１６、３０から最も離れた受信機要素である。

図１１Ａに示すように、内側ケーシング１００の背後に含有物がない場合、表面波はボアホールに沿った距離に応じて減衰する、すなわち、第１受信機要素から第１２受信機要素に向かって減衰する。ケーシング１００の後ろに、デタッチメント又はデタッチメントフォイル１０４が存在する場合には、図１１Ｃに示すように、表面波の振幅は大きく、スチールパイプがセメントと接触することによる減衰がないことから、予想よりもゆっくり減衰する（すなわち、アルミ箔がボアホールに沿ってより遠くへと音響波を搬送する）。図１１Ｂに示すように、パイプ１０２に対応する方位角において、表面波の振幅はより大きくなり、よりゆっくりと減衰する。表面波に加えて、最初のＰ波の到着のすぐ後ろに高速線形信号の到着が記録されており、パイプ１０２の壁に沿って更なる波動モードが伝播したことを示している。この測定データは、スチールケーシングの後ろの岩石層の方位角方向の情報を、ボアホール音響測定システムを使用して線形到着から収集できることを明確に示している。

ミラー２０の方位角方向を変更することにより音響源ビームの方位角方向の向きを変更できることに加えて、ミラー２０の傾きを変更することにより、音響源ビームを任意の鉛直方向に沿って送信させることができる。これにより、音響源ビームを様々な傾き及び様々な方位角方向へと投影させることができ、反射境界、屈折境界、及び、岩石層における様々な方向のフラクチャを調査することができる。そしてデータが、様々な従来の方法を使用して分析される。方位角方向の分解能と共に、屈折波の到達を分析することにより、屈折解析による速度の３Ｄイメージングを提供することができる。これにより、ボアホール付近の変化の特徴及び貯留層のスキンの特徴を良好に把握することができる。

一実施形態において、測定データは、広帯域ビームパルスを使用して収集される。このようにすれば、広い周波数帯域を有する情報を相対的に速く収集することができる。実際には、このような場合、チャーピングによって周波数掃引する必要はない。更に、一実施形態において、例えば、約１５ｋＨｚから約１２０ｋＨｚである帯域幅の全体をカバーするように、複数の音響源を使用する必要はない。例えば、約１５ｋＨｚから約１２０ｋＨｚの広帯域を有する音響パルスを用いることにより、セメントとボアホール内の岩石層との間のセメントボンドについての情報を得ることが可能な測定を行うことができる。

このような測定システムを、ボアホールにおけるセメントケーシング又はスチールケーシングの評価に使用することができる。音響ビームパルスとスチールケーシングとが相互作用した時にスチールケーシングを伝播するガイド波のシミュレーションを、特定の幾何学的条件で実行する。このシミュレーションにおいて、２５ｍｍの層厚を有するセメントを、スチールケーシングとベレア砂岩との間に使用した。ベレア砂岩は無限に存在するとみなす。また、ボアホールが水で満たされているものとし、ボアホールの軸に沿ってエネルギーシンクが存在すると仮定する。シミュレーションは、英国、インペリアル大学のＤＩＳＰＥＲＳＥソフトウェアパッケージを使用して行われた。

図１２Ａから図１２Ｃには、様々な条件の場合の、２０〜１２０ｋＨｚの周波数レンジにおける音響シミュレーションのプロットが示されている。これらのプロットにおけるデータは、ボアホールが水で満たされている例において取得されたものである。各データセットは、異なる条件下で生成されたものであるが、何れの場合においても、受信機が、軸方向におけるスチールケーシング上の励起点から１２インチ（約３０．４８ｃｍ）の距離に配置されている。これらのデータは、音響パルス（周波数チャープ）の伝播特性が、１００マイクロ秒の期間を有し、周波数スパンが２０〜１２０ｋＨｚであり、ガウシアンエンベロープを有することを示している。左側のグラフには、受信された音響信号の振幅が時間の関数として示されており、右側のグラフには、音響信号の周波数領域への高速フーリエ変換が示されており、振幅が周波数の関数としてプロットされている。図１２Ａは、水−スチール−コンクリート−水の場合であって、コンクリートとベレア砂岩との間に空隙が存在する場合のデータがプロットされている。図１２Ｂは、水−スチール−コンクリート−水−ベレア砂岩の場合であって、コンクリートとベレア砂岩との間に水の隙間（例えば、１ｍｍの隙間）が存在する場合のデータがプロットされている。図１２Ｃは、水−スチール−コンクリート−ベレア砂岩の場合であって、水−スチール−コンクリート−ベレア砂岩のそれぞれが互いに物理的に接触している場合のデータがプロットされている。

図１２Ａから図１２Ｃに示されるプロットには、信号の特性に大きな違いが見られる。コンクリートがベレア砂岩と良好に接触している場合には、波のエネルギーがスチールを通じてベレア砂岩へと消散されて、観察される振幅は小さくなる（図１２Ｃ参照）。コンクリートとベレア砂岩との間にデタッチメント又は間隙が存在すると、信号レベルが高くなる（図１２Ａ及び図１２Ｂ参照）。

右側に示した信号の振幅対周波数の第２のプロットは、受信した信号の周波数成分を示している。コンクリートとベレア砂岩とが良好に接触している場合、高周波数は減衰される（図１２Ｃ参照）。加えて、図１２Ｂに示されるように、コンクリートとベレア砂岩との間に水が存在すると、初期段階でエネルギーが閉じ込められて、周波数成分も狭くなる。図１２Ａに示すように、コンクリートとベレア砂岩とが良好に接触している場合、主要信号の到着の大幅な遅延に合わせて、信号が広がった形態となる。様々なシナリオ間の違いは、これらのプロットで十分理解できる。シミュレーションされたデータは、上記で説明した測定方法又はシステムが、ボアホールケーシングの周辺のセメントの評価に十分有効であることを示している。

図１２Ａ〜図１２Ｃには、コンクリートと当該コンクリート背部のべレア砂岩層とを参照して、ボアホールケーシングの信頼性について様々な条件の下で、伝播する信号の周波数成分を示している。したがって、異なる時間にどの強さでどの周波数が伝播しているかをこれらの図から判断することはできない。図１２Ａ〜図１２Ｃに示される情報の別の見方としては、短時間フーリエ変換（ＳＴＦＴ）法を用いた時間周波数解析（ｊｏｉｎｔ ｔｉｍｅ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎａｌｙｓｉｓ）をベースとすることが挙げられる。この方法では、信号の周波数成分が時間の関数として与えられるため、伝播する間の特定の時間に優勢である周波数を知ることが可能となる。上記のように、データのＳＴＦＴ解析により、図１２Ａ〜図１２Ｃによって提供される情報を向上させ、有力な分析方法を導入することができる。

図１３Ａ〜図１３Ｃには、元のシミュレーションした周波数チャープ伝播データ、及び、同じデータの時間周波数解析が示されている。右側に示されたプロットはそれぞれ、図１２Ａ〜図１２Ｃを参照して上記で説明した条件のそれぞれの場合の３Ｄ時間−周波数情報を表している。ｘ軸は時間に対応しており、ｙ軸は周波数に対応しており、ｚ軸又は縦軸は振幅に対応している。図１３Ａでは、３Ｄプロットに示すように、コンクリートが残りのシステムから切り離されており岩石層が見られない場所において、波のエネルギーは３つの異なる速度で伝播しており、０．１秒の時間間隔で３つのピークが見られる。また、０．１秒後には、波が相対的に速く到達している。図１３Ｂでは、３Ｄプロットに示すように、セメントと岩石層との間の１ｍｍの間隙に水が満たされている。この場合の音響波の伝播特性は、図１３Ａに示した音響波の伝播特性とは全く異なっている。実際には、全てのエネルギーが一団となって、ケーシング及びセメントを相対的に速く伝播し、これら２つの部分が分離されているかのように伝播は岩石層の影響を受けていない。図１３Ｃには、全ての層（スチールケーシング、セメント及び岩石層）が密に結合している場合が示されている。図１３Ｃの３Ｄプロットに示すように、岩石層の存在は、波の伝播に大きな負荷の影響をもたらし、波の伝播が大幅に遅延して、主要エネルギーピークが、およそ０．５秒遅れて到達する。上記の３つの例では、層間のデタッチメント又は結合をどのようにこの種の解析及び測定によって検出することができるかについて示した。

加えて、ボアホール音響測定において方位角方向の分解能を提供することにより、岩石層の特性把握を改善することができ、ひいては生産技術システムを向上させることができる。更に、ボアホール音響測定において方位角方向の分解能を提供することにより、ボアホールの信頼性を評価することができ、それによって掘削の全体的な安全性を改善することが可能となる。加えて、ボアホール測定における方位角方向にける分解能は、ボアホール周囲の応力を測定することが可能となり、その結果、ボアホールの完成方法を改善することができる。

更に、ボアホール音響測定システム及び上記に記載の方法は、岩石層のイメージングに使用することができ、実際には、本発明の測定システム及び方法によれば、相対的に良好な鉛直方向の分解能を有するがボアホールから１フィート未満（約３３ｃｍ）未満の探索を可能とする従来の音響探索ツールと、シュルンベルジュ社のボアホール音響反射探索（ＢＡＲＳ）のようなボアホールから数十フィートにおける岩石層を調査できるが鉛直方向分解能及び方位角方向分解能が低い長距離音響イメージングツールとの間のギャップを埋めることができる。例えば、本発明の音響測定方法及びシステムを、様々な用途にて利用できると考えられる。例えば、以下のようなものが挙げられる。
１．貯留層、層序、フラクチャ、断層、小空洞の方位角最大分解能での３Ｄイメージング（ボアホールから、例えば、１０フィートといった、数フィートまで）。
２．方位角の完全な決定を伴う、岩石層の圧縮速度ＶＰ及びせん断速度ＶＳの測定。
３．屈折波及びラム波の分析からボアホール周辺の地質工学的特性を３Ｄ解析することにより、侵食領域及びボアホール損傷の特徴把握を改善することができる。
４．屈折解析を使用したボアホール付近の岩石層の速度の３Ｄイメージング。
５．線形物質の反射の到達から作成するフラクチャの３Ｄマッピング。
６．貯留槽の浸透性及び貯留槽のプロダクションスキン（ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｓｋｉｎ）の３Ｄマッピング。
７．約１０ｋＨｚから約３０ｋＨｚの低い周波数レンジにおける、位相符号ガウシアンパルスを使用して、例えば、岩石層を深く貫通する音響ビームを集束させ、バックグラウンドノイズとは区別する。

例えば、一実施形態において、上記の測定システムを使用した複数の方位角における、ボアホール近傍の岩石層の圧縮速度及び／又はせん断速度の測定は、ボアホール付近における応力についての有益な情報を提供することができ、したがって、ボアホール付近における岩石情報を伴う、フラクチャであろうと思われる位置の予測及び／又は破壊伝播の判定又は予測を行うことができる。相対的に大きな速度変化を有する岩石層は、相対的に固結度が低いか、岩石層内の応力が低いことが知られている。いずれの場合においても、ボアホールが崩壊する可能性があることを示していると考えられる。上記で説明した音響測定システムによれば、ボアホール周辺の岩石層内の方位角及び／又は仰角の関数としての速度の情報を提供することができる。方位角及び仰角の関数としての速度を使用することにより、様々な応力エリア及び／又はフラクチャ、断層等の方位角及び／又は傾斜角度を求めることができ、最終的には、ボアホール周辺の地球の応力フィールドの異方性についての情報を提供できる。加えて、方位角及び仰角の関数として取得したデータを使用して、フラクチャ又は断層の位置を３次元でマッピング（３Ｄマッピング）することができる。

上記の測定システム及び方法は、ボアホールが貫通した地下のような地下構造物の流体浸透性、例えば、岩石層におけるフラクチャによる浸透性を含む流体浸透性をマッピングするのに使用することができる。例えば、ボアホール付近の岩石層内の様々な点における速度（圧縮速度、せん断速度又は表面波、又は、これら速度の組み合わせ）を測定することにより、上記のようなマッピングを実行できる。測定した速度に基づいて、周知の様々なモデルを使用して浸透性を導き出すことができる。

一実施形態において、上記の方法を、コンピュータが実行可能な一連の命令として実装することができる。本明細書において、「コンピュータ」という言葉は、パーソナルコンピュータ（例えば、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、若しくは、任意のその他のハンドヘルドコンピュータデバイス）、メインフレームコンピュータ（例えば、ＩＢＭメインフレーム）、スーパーコンピュータ（例えば、ＣＲＡＹコンピュータ）、又は、分散コンピューティング環境における複数のネットワーク接続されたコンピュータを含む、任意の種類のコンピュータシステム又はデバイスを包含する。

例えば、方法を、ハードディスク、ＣＤＲＯＭ、光ディスク、ＤＶＤ、光磁気ディスク、ＲＡＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、磁気又は光学カード、フラッシュカード（例えば、ＵＳＢフラッシュカード）、ＰＣＭＣＩＡメモリカード、スマートカード又はその他の媒体のようなコンピュータ可読媒体に格納することができるソフトウェアプログラムアプリケーションとして実装してもよい。

これに代えて、ソフトウェアプログラム物品の一部又は全体を、リモートコンピュータ又はサーバから、例えば、インターネット、ＡＴＭネットワーク、広域ネットワーク（ＷＡＮ）又はローカルエリアネットワーク等のネットワークを介して、ダウンロードすることができる。

これに代えて、コンピュータプログラム物品（例えば、ソフトウェア物品）として方法を実装する代わりに又は実装することに加えて、例えば、方法を実装するように設計された特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）のようなハードウェアとして実装することもできる。

図１５には、本発明の一実施形態に係る、方法を実装するコンピュータシステム１３０の模式図が示されている。図１５に示すように、コンピュータシステム１３０は、プロセッサ（例えば、一の又は複数のプロセッサ）１３２、及び、プロセッサ１３２と接続されたメモリ１３４を備える。コンピュータシステム１３０は更に、データを入力するための入力装置１３６（例えば、キーボード、マウス等）、及び、計算結果を表示するのに使用されるディスプレイ装置のような出力装置１３８を備える。コンピュータシステム１３０を、様々なモジュールを制御するように構成してもよく、例えば、信号生成器１２を制御する制御モジュール１４０、ミラー２０のステアリングを制御する制御モジュール１４２、及び、測定データを取得する取得装置２６を制御するように構成されてもよい。測定データを、後で可視化又は処理等を行うために、記憶装置（例えば、フラッシュドライブ）に格納してもよい。

一実施形態において、ボアホール付近の構造を調査するためのシステムが提供される。システムは、音響波を生成し、当該音響波をボアホール付近の所望の位置を目指して一の又は複数の方位角へと向けるように構成された音響源を備える。システムは更に、音響信号を受信するように構成された一の又は複数の受信機を備え、当該音響信号は所望の位置における物質によって音響波が反射又は屈折したものから発生している。システムは更に、受信した信号にデータ処理を行って、受信した音響信号を分析して、ボアホールの周辺の物質の特徴を把握するように構成されたプロセッサを備える。

現時点で最も実用的であり好ましいと考えられる態様に基づいて、本発明を例示のために詳細に説明したが、このような詳細な説明は例示のみを目的としたものである。本発明は開示された実施形態に限定されるものではなく、むしろ添付された特許請求の範囲の趣旨及び範囲に入る変形や均等な配置も本発明に含められることが意図されている。例えば、本発明においては、あらゆる実施形態の一又は複数の特徴を他の実施形態の一又は複数の特徴と可能な限り結合することができる。

更に、当業者であれば数多くの変形及び変更が想到でき、本発明を上気した構造及びオペレーションに限定することを意図していない。したがって、全ての公的な変形及び均等物が、本発明の精神及び範囲に含まれるとみなされるべきである。

Claims (15)

1. 音響ビームを生成するための音響源であって、
   筐体と、
   前記筐体内に、互いに間隔を空けて配置された複数の圧電層と、
   前記複数の圧電層の間を満たす非線形媒体と、を備え、
   前記複数の圧電層のそれぞれが、音響波を生成するように構成され、
   前記非線形媒体及び前記複数の圧電層は、整合インピーダンスを有し、前記複数の圧電層のそれぞれによって生成される音響波の、残りの当該複数の層における伝送が改善される、音響源。
2. 前記筐体は、円筒形状を有し、
   前記複数の圧電層は、前記円筒形状の長さ方向に沿って間隔を空けて配置されている、請求項１に記載の音響源。
3. 前記円筒形状は、底面が円形又は多角形である、請求項２に記載の音響源。
4. 前記非線形媒体は、流体を含む請求項１に記載の音響源。
5. 前記流体は、水を含む請求項４に記載の音響源。
6. 前記圧電層は、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）膜を含む、請求項１記載の音響源。
7. 前記複数の圧電層のうちの少なくとも一つの圧電層を電気的に励起して、音響波パルスを生成するように構成された発電機を更に備える請求項１に記載の音響源。
8. 前記複数の圧電層を電気的に励起して、時間的に分離した複数の音響波パルスを生成して、連なった複数の音響波パルスを形成するように構成さえれた発電機を更に備える請求項１に記載の音響源。
9. 前記音響源の出力における個々の音響波パルスのパワーの合計にほぼ等しいパワーを有する一つの音響ビームを生成するように、前記時間的に分離した複数の音響波パルスのタイミングが設定されている、請求項８に記載の音響源。
10. 前記筐体の第１端部に設けられる音響吸収材と、
    前記筐体の前記第１端部とは反対側の第２端部に設けられるプレートとを更に備え、
    前記プレートは、前記音響波を所望の音響波長域で実質的に伝送する物質から選択されて形成される、請求項１に記載の音響源。
11. 前記筐体の側壁には、防音体が積層されて、前記音響波が当該側壁において反射するのを防ぐ、請求項１０に記載の音響源。
12. 前記プレートは、音響ビームを得る又は前記音響波を集束するべく、コリメートされる、請求項１０に記載の音響源。
13. 前記圧電層は、前記筐体内において等間隔で配置されている、請求項１に記載の音響源。
14. 前記筐体、前記複数の圧電層及び前記非線形媒体は、音響ビームを生成するように構成される、請求項１に記載の音響源。
    
15. 前記音響波の周波数は、約１５ｋＨｚから約１２０ｋＨｚの範囲である、請求項１に記載の音響源。