各向异性介质中横波测试技术实验研究

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1、第４３卷第５期石油物探Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．５２００４年９月ＧＥＯＰＨＹＳＩＣＡＬＰＲＯＳＰＥＣＴＩＮＧＦＯＲＰＥＴＲＯＬＥＵＭＳｅｐ．，２００４文章编号：１０００１４４１（２００４）０５０４２７０６各向异性介质中横波测试技术实验研究魏建新１，２，王椿镛２（１．石油大学ＣＮＰＣ物探重点实验室，北京１０００８３；２．中国地震局地球物理研究所，北京１０００８４）摘要：依据发射和接收横波换能器偏振的转动方式，归纳总结了各向异性样品的３种测试方法，并通过相同的实验条件和各向异性样品详细分析了各种测试记录的特征。认为各向异性介质横波传播特性

2、的研究，应有针对性地选择观测方法：用垂直偏振旋转法测试介质的各向异性结构方向，用平行偏振旋转法测量快、慢横波的波至时间。相对旋转偏振法则是垂直偏振旋转法和平行偏振旋转法的综合。同时，使用窄脉冲横波换能器，并对其偏振特征进行校正，以及借助辅助测试可以大大提高测试精度。关键词：各向异性介质；横波换能器；偏振；测试方法中图分类号：Ｐ６３１．５２文献标识码：Ａ在实验室用横波来观测各向异性介质特性的只有使用振动周期短的换能器；第２个要求是因为研究已有１０多年了，相应地提出多种不同的测试在各向异性介质中或多或少地存在着不均匀性，如［１］方法。Ｒａ

3、ｉ等人（１９８７）最早提出交叉尼科耳果测试时有纵振动模式存在，将影响对快、慢横波（ＣｒｏｓｓＮｉｃｏｌｓ）法，观测到了岩石的横波分裂现象；的时间拾取。图１给出了横波换能器在各向异性Ｙａｌｅｔ等人（１９８７）［２］用消声法预测裂缝的方向；介质中得到的较为理想的波形，其振动周期只有［３］［４］Ｈｓｏｎｄｅｒｇｅｌｄ等（１９９２）和魏建新（１９９３）使用１．５个，且横波波至前的纵波信号很弱。旋转法研究快慢横波随方位变化的过程。这些方法主要关心横波在各向异性介质中的一些现象和2.0结果，较少涉及方法本身和其对结果的影响。V/0然而，对横波在

4、各向异性介质中传播特性进行A深入研究时发现，横波测试技术对实验结果的影响-2.0较大，尤其是在作一些定量分析时必须有严格的实02550验条件和正确的测试技术，才能得到可靠的实验结t/s(a)果。例如用横波的偏振方向来确定岩石裂隙方向时，必须正确地校正换能器的偏振方向，以及用特6.0定的测试方法；当样品各向异性或尺度较小时，不2.0V可能明显地分辨出横波分裂时差，有时甚至会误把/0A-2.0横波的初至时间认错。为此，有必要对各向异性介质中的横波测试技术作进一步的研究。-6.002550t/s１剪切横波换能器性能和校正(b)图１各向异性介

5、质中较理想的横波波形（ａ）有机玻璃；（ｂ）铝块１．１剪切横波换能器的波形要求实验室使用的发射和接收横波换能器是用剪１．２横波换能器偏振特性校正切压电晶片作激活元件的，在各向异性介质测试中原则上，横波换能器的偏振特性与光的偏振特对横波换能器有２点特殊的要求：①激发为尖脉冲性一样，随着２个换能器偏振方向的改变，得到的横波波形，接收为宽频带特性；②保证横波换能器有较纯的振动模式。第１个要求是因为大多数岩收稿日期：２００３１１０９；改回日期：２００４０１２３。作者简介：魏建新（１９５８—），男，高级工程师，博士在读，主要从事石都表现为弱各向异

6、性，而实验室内测试的样品尺地震物理模拟、岩石物理学、超声检测和超声换能器等方面的研究寸比较小（几ｃｍ），快、慢横波的时差不大，为在适工作和实验地球物理等教学工作。当的偏振角或方位角能同时分辨出横波分裂现象，基金项目：ＣＮＰＣ物探重点实验室开放基金（ＧＰＫＬ０２０５）资助。·４２８·石油物探第４３卷波形振幅是偏振夹角的正弦函数。但是，一般的横能器前的保护层中传播时引起的，当保护层有一定波换能器达不到这个要求，所以在横波测试时必须厚度时，剪切压电晶片中的纵振动模式（幅度较横对换能器进行校正，标出偏振能量最强的正方向，波小）先于横波到达，将

7、影响横波波形的起跳点，压以及信号振幅随偏振夹角的变化量。电式横波换能器中始终伴有纵振动模式，可选择合校正是在无负载或各向同性介质上进行的，由适的耦合方式来压制其大小，但不会彻底消除。偏振的矢量分析可知，当发射和接收横波换能器同轴相对放置测试时，接收到的横波幅值大小随偏振角呈“８”字型变化（图２ｂ）。两者的偏振方向重合2.0时，振幅最大，垂直时振幅几乎为零。图２ａ为按角V/0度（１０°间隔）显示的实测波形；图２ｂ是波形振幅A值，其中实线为理论值，可由三角函数犃（θ）＝-2.0犃０ｓｉｎθ给出，星号是实测值，可见两者基本一致。对于不同的换

8、能器，图２ｂ中的实测值和理论值会010［５，６］t/s有较大的误差，其原因与换能器本身的性能、(a)换能器和样品之间的耦合等因素有关。90˚4.0V/0A180˚0˚(360˚)-4.0010t/s270˚(b)