水与流体饱和孔隙介质界面上非镜面反射声场的实验研究

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1、第44卷第1期2001年1月Vol44.No.1Jan.f2001［中图分类号］P315地球物理学报CHINESEJOIIRNAl・OFGEOPHYSICS［文章蝙号］0001-5733(2001)01-0083一10水与流体饱和孔隙介质界面上非镜面反射声场的实验研究诸国桢朱喜福郭宏智（清华大学物理系.北京101X）84,中国科学院岀学所声场声伯息国家啦点实骑室，北京［摘要］用光学法和发射■接收法研究了氷与流体饱和孔隙介质界面上声波的非邃面反射声场.测嚴了入射角8、为16—80°范围内的反射系数R,记录了已在Rayleigh®临界角8：附近±4°范围

2、内两束反射波的反射角、波束位移波形和频谱.实验发现在乞附近土4°范围内•观察到厲两束反射波A和8.其中波束B沿界面有波束位移△、实验测出△随厲堆犬而减小、并非在时最大.（2）反射角等于3、的波束的频谱很接近于入射波的频谱•反射角等于2的波束的频i普相对于入射•波有频i普的负偏移（3）波束.4的相位与发射换能器直达波的相位一致，波束8的相位与波束人相反.［关键词］流体饱和孔隙介质、非镜面反射，波束位移，频谱的负偏移.1引言Biot⑴在1956年从理论上研究了流体饱和孔隙介质（FSPM）中的弹性波，并预言其中存在第二种纵波（慢纵波）.直到1980年才山P

3、lona在流体饱和的人工孔隙介质2中用发射-接收法观测到Biot预言的慢纵波■以后在空气饱和的孔隙介质和天然岩石中6工也用同样的方法观测到慢纵波.嚴近我们用光学法更为直接地验证了FSPM中慢纵波的存在①.Biot理论被实验強证后•以此为華础的研究逐渐埴加.山于声波在FSPM界面的反射任石油勘探、声波测井中具有应用此•受到了科研工作者的关注⑹.1982年,Feng等⑺运用Biot理论研究脉冲线源在流体与FSPM界面上的丙波传播模式（包括Rayleigh波xStoneley波、腹Rayleigh波、Stoneley波）.1989年，文献18］运用Biot

4、理论计算了平面波在流体与FSPM界面髙频声波的能朮反射系数、折射系数随入射角度变化的曲线•并进行了实验验证•实验结果和理论计算一致.宙于他们的FSPM样品中的Rayleigh波速度VR小于水中声速•所以非镜面反射现象没有出现.对于液体和均匀固体界面的声波反射.通常固体的Rayleigh波速度比液体中的声速【收榷日期］2000-05-29收到.2000-08^12收到燐定稠［墓金项目］国家自然科学基金项目（496M237）.［作者简介］诸国^,1927年生，1952年漕华大学猜理系毕业，留枝从教与研究「主要从舉声学实的，在液品中发现了一种新讥械，吱及其

5、机理＜?!充E-nwi:zgzdnijy^majl.tsuighua.edu.cn大•当冇限宽度的声波波束以临界角4附近入射到液■固界面上时，反射声束会偏离几何声学预计的位世，这种现象称为非镜面反射.在二甲苯和铝的界面上发现了反射声束的波束位移⑼.文献［10］中的实验观察到在入射角接近临界角久时•液•固界面的反射声束有两束.文献［11］从理论上研究了非镜面反射现象•通过对反射系数的极点附近Laurent展开■得到了非镜面反射波声场的解析表达式，解释了当时的实验.后来▼文献［12］在不对反射系数取近似的情况下•用数值积分方法计算了非镜面反射波的声场，校

6、好地解释了非镜面反射的主要实验现象.文献［13］报道了非镜面反射波的频潸的负频移的研究.文献［14］报道了波束位移4利入射角Q的关系.由于在&附近更大的范围内进行实验，发现虫是伉的递减函数•而经典文献［M］中在d,=0c时为极值.目前•对均匀固体界面的非镜面反射的研究已有多年历史.但对于液体和FSPM界面的反射■当VR>时(Ur为Rayleigh波速度•匕为流体中的声波速度)•类似于均匀固体界面的非镜面反射现象也是很值得研究的，但至今无实验报道.文献［15］研究了孔隙介质界面的平面波反射系数的极点和零点，可以看成是这方面理论研究的准备工作.至今尚未见

7、到关于FSPM痒品界面的非镜面反射的实验研究报道.由于石油和天然气储存于地下砂岩中.我们的研究结果对于岩性勘探和声波测井具有一定的参考价值.■2样品参数的测量和Rayleigh波速度2.1祥品及其Biot弹性常数测・实验中所用的FSPM样品是直径为150—300阿】的颗粒烧结而成的人工多孔样品.样品的厚度h、直径d、孔隙度0、框架材料的密度仇和固体框架的密度仇等参数可以通过实验直接测量得到•曲折度a是根据公式a=(1+07)/2计算得到的〔曲.样品中的快纵波速度、横波速度匕、慢纵波速度是利用Pbw方法测竜的工.Bioi的4个弹性常数可以用UN及K『来

8、表达•其中表示框架材料的体弹模量，K"表示固体框架的体弹模SLN表示固体框架的切变模蛾为水的体弹模审.实验样