JPH065301B2 - モノパルス発振器を有する多チャンネルデジタル音波検層装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、坑井内の水中で使用するモノパルス発振器
を有する多チャンネルデジタル音波検層装置に関するも
のである。

〔従来の技術〕

発振器および受振器を備えている坑井内装置を坑井内の
水中に吊り降ろして使用する音波検層装置は、坑井内で
地中の弾性波速度すなわちＰ波（圧縮波），Ｓ波（せん
断波），ストンリイ波（擬似レイリイ波）およびチュー
ブ波等の速度を測定し、その測定値から地層の弾性的性
質を調査するために用いられる。

従来、この種の音波検層装置としては、ソニックログ装
置が知られており、このソニックログ装置における坑井
内装置（ゾンデ）は、ソニック振源として音波を放射す
る共振型の磁わい或いは電わい発振器を備え、その発振
器に電気エネルギーが瞬間的に入力されると、その発振
器が一定のエンベロープをもった立上がりと減衰とを伴
う固有共振周波数で一定時間発振し、坑井内水中に音波
を放射する。

そして放射された音波は、坑井内水を経由して坑井の側
壁や地層内を伝播し、前記発振器から一定の距離をおい
て設けられた１ないし２箇の受振器により受振される。

〔発明が解決しようとする課題〕

前記従来のソニックログ装置の場合は、弾性波のうち、
最も速い速度で伝播するＰ波の初動の検出に重点がおか
れるので、発振器が効率の良い固有共振周波数で発振す
るように構成されている。

またソニック振源として機械的Ｑの小さい振動子を使用
しても、５〜６山の振動が持続し、かつ固有振動である
ので波形をコントロールすることは極めて困難である。

このため前記従来のソニックログ装置の場合は、主とし
て次に述べる理由によって、遅く到着する波の直接的な
解析には適していない。

発振器から放射された音波振動は坑井の側壁に衝突して
分解され、分割された第１波は坑井内水を伝播して受振
器に到達し、分割された第２波は坑井の側壁を伝播して
屈折波となって受振器に到達する。また分割された第３
波は、坑井の側壁を通過して地層の中に進み、その地層
の不連続部分に衝突すると反射波が発生し、その反射波
は地層中を進んだのち受振器により検出される。したが
って、発振器から離れた位置にある受振器には、様々な
振動や非線型信号の合成信号が入ることになる。

前記従来のソニックログ装置の場合は、第８図に示すよ
うに、受振器に到着する第１波の振動が充分減衰しない
ように、第２波の振動が受振器に到着するので、第２波
に限らず後族波（Ｓ波，ストンリイ波など）の到着時刻
を精度よく検出することができない。また当然のことと
して、後続波の波形が著しく歪められて記録されるの
で、波形の周波数解析は意味をもたないものとなり、そ
のため地層中の音波の減衰量を算出するのは極めて困難
である。

この発明は、狭いパルス巾で周波数帯域の広い単純な波
形のモノパルスを放射するモノパルス発振器と、上下方
向に間隔をおいて配置された多数の受振器と、各受振器
に直列に接続された完全差動型増巾器，ハイパスフィル
ター，ローパスフィルター，主増巾器からなるアナログ
部と、Ａ／Ｄ変換スタッキング処理装置と、収録装置と
を組合わせることにより、歪が少なくかつ波列の分離解
析の容易な弾性波情報を収録できるモノパルス発振器を
有する多チャンネルデジタル音波検層装置を提供するこ
とを目的とするものである。

〔課題を解決するたの手段〕

前記目的を達成するために、この発明のモノパルス発振
器を有する多チャンネルデジタル音波検出装置において
は、坑井１内の水中に吊り降ろされる音波検層用坑井内
装置２が、上下方向に間隔をおいて配置された多数の受
振器３からなる受振器列と、その受振器列の上部または
下部の何れかの一方に配置されたモノパルス発振器とを
備え、前記各受振器３に、それぞれ前記坑井内装置２に
おけるエレクトロニクス部１０に設けられた完全差動型
増巾器６とハイパスフィルター７およびローパスフィル
ター８と主増巾器９とが直列に接続され、各主増巾器９
の出力部は、Ａ／Ｄ変換スタッキング処理装置１１の入
力部に接続され、そのＡ／Ｄ変換スタッキング処理装置
１１は音波検層用地上装置１２における収録装置１３に
接続されている。

また坑井径の変化や孔壁付近のゆるみによる走時変化を
補正するために、多数の受振器３からなる受振器列の上
部に上部モノパルス発振器４を設けると共に、前記受振
器列の下部に下部モノパルス発振器５を設ける。

〔作 用〕

モノパルス発振器から放射された単純波形，すなわち一
つのピーク（山，第７図参照）のみ、あるいは一つのト
ラフ（谷）のみで構成され、それ以後は極めて速やかに
振動の収れんするモノパルス波は、受振器列を構成する
多数の受振器３により受振され、各受信器３により受振
された信号は、それぞれ低雑音の完全差動型増巾器６，
ハイパスフィルター７，ローパスフィルター８および主
増巾器９からなるアナログ部２１により処理されたの
ち、Ａ／Ｄ変換スタッキング処理装置１１によりアナロ
グデジタル変換されると共に、デジタルスタッキングさ
れ、次いでこの結果は、前記Ａ／Ｄ変換スタッキング処
理装置１１の中央処理装置２６，トランスミッタ３１を
介してノイズや歪みの少ない受振波形データが音波検層
用地上装置１２の収録装置１３に伝送されて収録され
る。

〔実施例〕

次にこの発明を図示の例によって詳細に説明する。

第１図および第２図はこの発明の一実施例に係るモノパ
ルス発振器を有する多チャンネルデジタル音波検層装置
を示すものであって、地上のウインチ１４から繰り出さ
れた電気ケーブル１５が、坑井１の上方に設けられたシ
ーブ１６に巻掛けられ、そのシーブ１６から垂下してい
る電気ケーブル１５の端部に音波検層用坑井内装置２が
連結され、かつその坑井内装置２は電気ケーブル１５に
より坑井１内に吊り降ろされて坑井内水１７に浸漬さ
れ、さらに前記坑井内装置２は発振・受振部１８とその
上部に配置されたエレクトロニクス部１０とを備えてい
る。

６〜１２箇（図示の場合は６箇）の広帯域ハイドロフォ
ンからなる受振器３が、上下方向に２５cmの間隔で直列
に配置されて、受振器列が構成され、その受振器列の上
部および下部に、それぞれモノパルス発生回路１９によ
り駆動される上部モノパルス発振器４および下部モノパ
ルス発振器５が配置され、さらに前記各受振器３はゴム
チューブ内のオイル中に配置されると共にそのゴムチュ
ーブ密封され、また前記上部モノパルス発振器４および
下部モノパルス発振器５は、坑井内水１７と接触するよ
うに配置され、前記発振器列とモノパルス発生回路１９
により駆動される上部モノパルス発振器４および下部モ
ノパルス発振器５とそれらを収容して保持する外筒とに
より音波検層用坑井内装置２が構成されている。

前記上部モノパルス発振器４および下部モノパルス発振
器５から、波形が単純でパルス巾が狭くかつ周波数帯域
が広い非共振形のモノパルス波が放射される。またモノ
パルス波の波形をコントロールすることができる。

モノパルス発振器を受振器列の上部および下部に配置す
る理由は、上部モノパルス発振器４および下部モノパル
ス発振器５を交互に発振して、各受信器についての上下
（正逆）両方向の走時を測定し、坑井径変化や、坑井堀
さくによるゆるみ層での走時変化を補正するためであ
り、上部モノパルス発振器４および下部モノパルス発振
器５の何れを駆動するかは、音波検層用地上装置１２の
コントローラ２０によって行なう。

各受振器３の出力部に、それぞれ高インピーダンスの完
全差動型増巾器６と、ハイパスフィルター７と、低域通
貨型で減衰特性の急峻な楕円関数フィルターからなるロ
ーパスフィルター８と、主増巾器９とが順次直列に接続
され、前記ハイパスフィルター７のカットオフ周波数お
よび主増巾器９のゲインを音波検層用地上装置１２のコ
ントローラ２０により調節することができる。また前記
完全差動型増巾器６，ハイパスフィルター７，ローパス
フィルター８および主増巾器９からなるアナログ部２１
は全て低ノイズ広帯域素子により構成され、各チャンネ
ル間の位相特性が等しくなるように調整されている。

１箇のＡ／Ｄ変換器に３チャンネルのアナログ信号を入
力するためのマルチプレクサからなる切換器２２は３つ
の主増巾器９の出力部に接続され、かつ前記切換器２２
には、高速のサンプルホールドおよびＡ／Ｄ変換器２３
の入力部が接続され、これによって６チャンネルの波形
入力が３チャンネルずつ並列にアナログ・デジタル変換
される。

前記サンプルホールドおよびＡ／Ｄ変換器２３に、デー
タラッチ２４およびメモリー（ＲＡＭ）２５を介して中
央処理装置（ＣＰＵ）２６が接続され、その中央処理装
置２６に、アドレスデコーダ２７，メモリー（ＲＯＭ）
２８，メモリー（ＲＡＭ）２９およびコントロール回路
３０が接続されると共に、通信用インターフェースのト
ランスミッタ３１およびレシーバ３２が接続され、かつ
データラッチ２４の入力部およびメモリー２５の出力部
はバス切替器３３を介して接続され、さらに前記コント
ロール回路３０は切替器２２，サンプルホールドおよび
Ａ／Ｄ変換器２３，データラッチ24およびメモリー２５
に接続されている。

データインプット・データアウトプット(DI/D0)３４
は、コントロール回路３０，中央処理装置26，モノパル
ス発生回路１９，ハイパスフィルター７，ローパスフィ
ルター８および主増巾器９に接続されている。

前記切替器２２にサンプルホールドおよびＡ／Ｄ変換器
２３，データラッチ２４，メモリー２５を介して接続さ
れている中央処理装置２６と、その中央処理装置２６に
接続されているアドレスデコーダ２７，メモリー２８，
メモリー２９，コントロール回路３０，トランスミッタ
３１およびレシーバ３２と、前記バス切替器３３および
データインプット・データアウトプット３４とにより、
Ａ／Ｄ変換スタッキング処理装置１１が構成され、前記
アナログ部２１とＡ／Ｄ変換スタッキング処理装置１１
と坑井内装置用電源３５とそれらを収容する外筒とによ
りエレクトロニクス部１０が構成されている。

前記電気ケーブル１５とシーブ１６の回転検出器４２と
は、電源を有する坑井内装置用インターフェースユニッ
ト４３に接続され、前記回転検出器４２は、電気ケーブ
ル１５の垂直部分の上下方向の移動量を検出して、その
検出信号をインターフェースユニット４３を介して音波
検層用地上装置１２における収録制御装置４４に対し深
度情報として入力する。前記収録制御装置４４に波形表
示用ブラウン管を有する表示装置４５と波形記録用サー
マルプリンタ４６とが接続されて、収録装置１３が構成
され、かつ前記収録制御装置４４にキーボードを有する
コントローラ２０が接続されている。

第３図はこの発明において使用できるモノパルス発生回
路の一例を示すものであって、ワンショト・マルチ・バ
イブレータＯＭ₁〜ＯＭ₃からなる波形発生回路３６が、
加算器３７およびローパスフィルター３８を介して、発
振制御回路３９を有する高電圧出力増巾器４０の入力側
に接続され、その高電圧出力増巾器４０の出力側に制動
抵抗41を介して上部モノパルス発振器４および下部モノ
パルス発振器５が接続され、回路定数を調整することに
より、上部モノパルス発振器４および下部モノパルス発
振器５に所望のモノパルスを水中で発生させることがで
きる。

なお波形発生回路３６としては、ワンショット・マルチ
・バイブレータに代えて、メモリー（ＲＯＭ）による関
数発生回路を使用することができる。

次に前記実施例のモノパルス発振器を有する多チャンネ
ルデジタル音波検層装置の作用について説明する。

第４図および第５図は本装置の作動状況を図解したもの
であり、第４図は下部発振器で発振した場合の弾性波の
伝播状況，第５図は上部発振器で発振した場合の弾性波
の伝播状況である。波動の伝播現象は、上部モノパルス
発振器を用いた場合と下部モノパルス発振器を用いた場
合と等価であるので、以下では第４図の下部モノパルス
発振器を用いた場合について説明する。

第４図に示すように下部モノパルス発振器５から放射さ
れた音波は、坑井１の側壁４７に衝突して、一部は屈折
Ｐ波，一部は変換Ｓ波、一部は坑井の水柱を振動させる
チューブ波となり、また一部はストンリイ波となる。地
層４８中を伝播する屈折Ｐ波は再び屈折して坑井内水１
７を通り各受振器３により受振される。その伝播経路を
符号４９で示す。

側壁面で発生した変換Ｓ波は、屈折Ｐ波と同じく地層４
８中を伝播し、再び坑井側壁でＰ波に変換されて各受振
器３で受振される。またこれら屈折Ｐ波，変換Ｓ波の一
部５０Ａは、地層４８中を斜め上向きに伝播し、断裂あ
るいは速度境界面５１に衝突して反射波５０Ｂとなり、
その反射波は地層４８および坑井内水１７を伝播して受
振器３により受振される。

また下部モノパルス発振器付近で発生したチューブ波
は、坑井内の水柱１７を伝播し、またストンリイ波は坑
井側壁付近をある種の表面波として伝播し各受振器３で
受振される。

広帯域ハイドロフォンからなる各受振器３は広い周波数
領域の地層特性を受振し、その受振器３により受振され
た受振波は完全差動型増巾器６に入力されて増巾され
る。この完全差動型増巾器６によって同相ノイズが除去
されると共に信号成分のみが増巾される。

完全差動型増巾器６により増巾された受振波における信
号帯域外の低周波はハイパスフィルター７によりカット
され、次いでハイパルフィルター７を通過した受振波に
おけるＡ／Ｄ変換時に障害になる折返し歪みは、前記ロ
ーパスフィルター８により除去され、そのローパスフィ
ルター８を通過した受振波は、主増巾器９により増巾さ
れる。

各主増巾器９により増巾された受振波は、切換器２２を
経てサンプルホールドおよびＡ／Ｄ変換器２３に送られ
て、同時にデジタル化される。またサンプルホールドお
よびＡ／Ｄ変換器２３に接続されたデータラッチ２４
は、スタッキング動作すなわち信号／雑音比（ＳＮ比）
を改善する目的で何回も同一信号を加算することによっ
てノイズに埋れた信号の中から所望の信号成分を抽出す
る動作を行なうために、既に入力されているデータとメ
モリー（ＲＡＭ）２５から読み出したデータとを加え合
わせる。

バス切替器３３は中央処理装置２６がメモリー２５を使
用するかデータラッチ２４を使用するかの切替えを行な
う。スタッキングされたデータは中央処理装置２６によ
り読み出され、その中央処理装置２６のデジタルデータ
は、通信用インターフェースのトランスミッタ３１を介
して、RS-422の規格に従ったフォーマットで、音波検層
用地上装置１２の収録制御装置４４に坑井内装置用イン
ターフェースユニット４３を経由して伝達される。また
通信用インターフェースのレシーバ３２は、RS-422の規
格で音波検層用地上装置１２の収録制御装置４４から送
られてくるコマンドを受けて中央処理装置２６に伝達す
る。

中央処理装置２６は、音波検層用坑井内装置２全体を制
御すると共に、その坑井内装置２と収録制御装置４４と
の通信を制御し、かつアドレスデコーダ２７はメモリー
２５およびメモリー２８のアドレスを制御し、さらにデ
ータインプット・データアウトプット（ＤＩ／ＤＯ）３
４は、ハイパスフィルター７，ローパスフィルター８お
よび主増巾器９の定数の切替えを制御し、またコントロ
ール回路３０はアナログ信号をデジタルデータに変換す
る動作のタイミングを制御する。

前記中央処理装置２６は、音波検層用地上装置１２にお
けるコントローラ２０からの指令の解読，坑井内装置２
内の回路の制御，演算，信号処理，双方向通信の制御な
どを行なう。また音波検層用地上装置１２における収録
制御装置４４によってモニターした結果、データの質が
不適当である場合は、ゲイン設定およびデジタルスタッ
キングを行ない、最良のデータを再伝送する。

第６図は、この発明の音波検奏装置における下部モノパ
ルス発振器５を発振させ、下記の条件で測定を行なった
記録例を示すものであって、６箇の受振器Ｒ₁〜Ｒ₆によ
り受振された波形が記録紙５４に記録されている。

(1) 坑井内装置２の深度：３８ｍ (2) サンプリングレート：５マイクロセコンド (3) スタッキング加算回数：１６ (4) 記録長：１ｋワード (5) ハイパスフィルター７：３kHz (6) ローパスフィルター８：５０kHz (7) 主増巾器９のゲイン：最上段チャンネル＝３，他
のチャンネル＝４ 第７図はこの発明の音波検層装置におけるモノパルス発
振器の発振波５５および受振器３による受振波５６の波
形を示している。また第８図は従来の音波検層装置にお
ける発振器から放射されて受振器により受振された共振
波形を示している。両波形とも発振器を水中において発
振させ、これを広帯域ハイドロフォンで検出したもの
で、この発明の音波検層装置における波形が従来の音波
検層装置における波形に比べて単純で検層に適している
ことがわかる。

この発明を実施する場合、広帯域の受振器３としてＤＣ
〜５０kHzのものを使用し、かつその受信器３を３０cm
以下の間隔，好ましくは２５cm以下の間隔で配置する。
またハイパスフィルター７としては、遮断周波数を３kH
zおよび１０kHzに切換えることができるものを使用し、
ローパスフィルター８としては、遮断周波数を２０kHz
および４０kHzに切換えることができるものを使用す
る。

前記実施例の場合は、完全差動型増巾器６の出力部にハ
イパスフィルター７およびローパスフィルター８を順次
直列に接続しているが、これと逆に、完全差動型増巾器
６の出力部にローパスフィルターおよびハイパスフィル
ター７を順次直列に接続してもよい。

受振器列の上部に複数箇の上部モノパルス発振器４を設
けてもよく、また受振器列の下部に複数箇の下部モノパ
ルス発振器５を設けてもよい。

〔発明の効果〕

この発明は前述のように構成されているので、以下に記
載するような効果を奏する。

上下方向に間隔をおいて配置された多数の受振器３から
なる受振器列の上部または下部の何れか一方に、波形が
単純で直ちに減衰する性質を有するモノパルス波を発振
するモノパルス発振器を設け、そのモノパルス発振器か
ら放射された音波を各受振器３により受振し、各受振器
３により受振された信号を、それぞれ低雑音の完全差動
型増巾器６，ハイパスフィルター７，ローパスフィルタ
ー８および主増巾器９からなるアナログ部２１により処
理したのち、Ａ／Ｄ変換スタッキング処理装置１１によ
りアナログ→デジタル変換して、ノイズや歪の少ない受
振波形データの最良の状態で音波検層用地上装置１２の
収録装置１３に伝送することができ、しかもモノパルス
発振器から放射されるモノパルスは、パルス巾が狭くか
つ周波数帯域が広い非共振形であると共に波形をコント
ロールすることができ、そのため伝播速度の異なるＰ
波，Ｓ波，ストンリイ波や伝播経路の異なる反射波，回
析波等の各波群を、容易に分離すると共に正確に収録し
て、各波群についての速度解析や減衰量の測定などを容
易にかつ精度よく行うことができる。

また受振器列の上部および下部に設けた上部モノパルス
発振器４および下部モノパルス発振器５を交互に発振さ
せることにより、坑井径の変化や境界層による反射波の
経路を補正することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図はこの発明の一実施例を示すもので
あって、第１図はモノパルス発振器を有する多チャンネ
ルデジタル音波検層装置の概略図、第２図は音波検層用
坑井内装置の系統図、第３図はモノパルス発生回路の一
例を示す図、第４図は下部モノパルス発振器から放射さ
れた音波の伝播受振茎路を示す図、第５図は上部モノパ
ルス発振器から放射された音波の伝播受信経路を示す
図、第６図は記録紙に記録された波形を示す図である。
第７図は発振されたモノパルス波形および受振されたモ
ノパルス波形を示す図、第８図は従来の音波検層装置に
おける発振器から放射されて受振器により受振された共
振波形を示す図である。 図において、１は坑井、２は音波検層用坑井内装置、３
は受振器、４は上部モノパルス発振器、５は下部モノパ
ルス発振器、６は完全差動型増巾器、７はハイパスフィ
ルター、８はローパスフィルター、９は主増巾器、１０
はエレクトロニクス部、１１はＡ／Ｄ変換スタッキング
処理装置、12は音波検層用地上装置、１３は収録装置、
１４はウインチ、１５は電気ケーブル、１６はシーブ、
１７は坑井内水、１８は発振・受振部、１９はモノパル
ス発生回路、２０はコントローラ、２１はアナログ部、
２２は切換器、２３はサンプルホールドおよびＡ／Ｄ変
換器、２４はデータラッチ、２５はメモリー、２６は中
央処理装置、２７はアドレスデコーダ、２８および２９
はメモリー、30はコントロール回路、３４はデータイン
プット・データアウトプット、３６は波形発生回路、４
２は回転検出器、４４は収録制御装置、４５は表示装
置、４６は波形記録用サーマルプリンタ、４８は地層、
５１は断裂、５４は記録紙である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】坑井１内の水中に吊り降ろされる音波検層
   用坑井内装置２が、上下方向に間隔をおいて配置された
   多数の受振器３からなる受振器列と、その受振器列の上
   部または下部の何れか一方に配置されたモノパルス発振
   器とを備え、前記各受振器３に、それぞれ前記坑井内装
   置２におけるエレクトロニクス部１０に設けられた完全
   差動型増巾器６とハイパスフィルター７およびローパス
   フィルター８と主増巾器９とが直列に接続され、各主増
   巾器９の出力部は、Ａ／Ｄ変換スタッキング処理装置１
   １の入力部に接続され、そのＡ／Ｄ変換スタッキング処
   理装置１１は音波検層用地上装置12における収録装置１
   ３に接続されているモノパルス発振器を有する多チャン
   ネルデジタル音波検層装置。
2. 【請求項２】多数の受振器３からなる受振器列の上部に
   上部モノパルス発振器４が配置され、前記受振器列の下
   部に下部モノパルス発振器５が配置されている請求項１
   記載のモノパルス発振器を有する多チャンネルデジタル
   音波検層装置。