何材料的最高声学非线性。非线性介质允许谐波产生以及混频，其中两个高频在介质中进 行混频以产生和频与差频。图13中示出了这个过程的机制。将由双通道任意波发生器24 生成的称为主频的两个高频匕和f2施加到相同源换能器12(图8和图16)。高频束以共 线方式从换能器辐射，其改进了混频过程的效率。随着束传播通过泡状物流体，它们混频， 并且流体的每一点都充当不同频率的新的虚拟源。随着束继续传播，强度减小，因为散射 和虚拟源的强度也减小。使用扬声器的符号在图13中示出虚拟源。源辐射并干涉以产生 类似于端射TV天线的端射阵列。这个虚拟天线辐射差频束。这个束的方向性取决于虚拟 阵列的长度。长度越长，由此得到的差频束就变得越准直，但超过特定长度（Rayleigh长 度）就不会有额外增益。如果流体是高吸收性的，那么吸收长度会确定混频长度。差频束形 成的理论可以在PeterJ.Westervelt的"ParametricAcousticArray"（J.Acoust.Soc. America，35, 535(1963))中找到。在是动态条件的泡状物流体的当前情形下，混频长度小， 并且差频束在所有方向上扩散，优选地是流动方向。如果主频中的一个主频落入泡状物频 率区中，混频效率就显著增大。即使离开泡状物谐振频率，泡状物介质也是声学上强非线性 的。
[0073] 应提到，并非总是必须要混频两个分离频率，而可以简单地以调幅信号激发源换 能器。波形发生器24可以提供该信号，在该情形下，仅单个输出用于激发源换能器12。声 学非线性的泡状物流体解调AM信号，以产生低频包络，其是混频类型的，因为调幅信号是 具有代表低频的两个边带的载波频率。这些边带和载波混频以产生差频。可以使用用于调 幅的多个方法，例如单边带（SSB)调制或载波抑制、双边带等，它们同样好地完成了当前要 求。在图14中示意性示出了调制方法，其中，f。是高频载波，以及是调制信号，混频的结 果是差频。如上所述，出于高效率，可以在泡状物谐振频率内选择载波频率。
[0074] 如上所述，混频实施例于此利用由以突发模式工作的函数发生器24产生的两个 频率信号26a和26b，并且在使用功率放大器18放大后同时被施加到源换能器12,如图15 所示的。换能器还可以是以下图16所示的配置。由于使用高频（大于或等于越300kHz) 主频，存在通过管道壁的有效声传输来引入信号。将主频（主频中的至少一个主频）与厚 度壁谐振频率相匹配以使得通过壁的声传输最大是有利的。同样如上所述，也可以使用调 幅方案。由换能器14接收的信号在换能器14中转换为电信号40,其随后在送往DSP电路 36之前，由信号放大器30放大并由A/D转换器34数字化。DSP对信号进行低通滤波，以去 除任何高频含量（content)，并执行发射信号与接收信号的相关联，以便提供在源换能器附 近的泡状物云中生成的低差频行进到接收器换能器所花费时间的准确测量。由于泡状物处 于动态条件下，接收信号中存在明显的振幅波动。即使在信号完全埋没在噪声中时，施加到 发射器的信号（从施加的两个主频得到的差频）与放大的接收信号的相关联在明显噪声存 在的情况下提供了高信噪比，并辨别出时间延迟（传播时间）。由于已知了发射器与接收 器之间的垂直距离，由时间延迟和距离来确定声速。应指出，在非线性介质中混频可以生成 在低频范围中的宽频率范围。例如，借助相同的高频发射器换能器可以生成从约100Hz到 约35kHz范围的频率。接收器换能器可以是在期望的低频下具有灵敏度的任何低频检测设 备，包括话筒。频率啁嗽和固定频率（差频）都可以用于这个测量，并且通过调整通过双通 道函数发生器施加到发射器的频率易于调整频率。
[0075] 在沿运送泡状物流体的管道的轴的垂直定向上进行测量是有利的，以使得在一个 水平位置进行激发，并且接收器布置于在激发源上方移位的垂直位置。以此方式，为了更为 准确，声音传播通过泡状物流体并探测更大的体积（管道部分的整个内体积）。图16示出 了管道上的两个换能器部署：图16a是非侵入式的，以及图16b是与管道内部的流体直接连 通的换能器的示意图。源换能器和接收器换能器示出为垂直分开。图16b中所示的实现方 式是有利的，因为其允许将低频信号直接引入液体中，而无需激励管道。
[0076] 图17示出了作为用于泡状物谐振频率以下的多个泡状物大小的体积分数的函数 的泡状物流体中声速的理论建模的预测。如可以从图17观察到的，实际频率效果很小，所 有数据都重叠。对于半径在10到100μm之间变化的泡状物大小，在约100Hz与约25kHz 之间预期了此特性。曲线中随泡状物大小的微弱变化实际上极小，并且当前装置的仪器精 度约为5%，而工业要求约为10%精度。尽管如通过简单伍德模型预测的，在低频下，声速 实际上与泡状物大小无关，但更复杂的理论模型确实显示了微弱的变化。相反，声衰减受到 泡状物大小影响，如图18所示的。因此，也借助图16中所示的系统测量声衰减。如果声激 发级保持固定，那么接收信号的振幅就提供对由于传播通过管道中流体而引起的声衰减的 测量。同样，这个测量略微存在噪声，并且需要信号平均和信号平滑以获得高质量测量。在 DSP中进行这种信号处理。由于易于测量信号衰减，声速和衰减的组合可以提供气体体积分 数的准确确定。应提到，气体体积分数的测量应与流态（flowregime)(例如有泡状物的， 节涌流的（slug)等）无关，并应提供具有大于5%精度的气体体积分数。
[0077]用于生成低频激发的另一个方法是以其结构谐振频率中的一个结构谐振频率来 激发管道，如由Sinha的用于测量液体密度的美国专利No. 8, 166, 801所示的。该筒管 (spool)(使用的管道部分）较重且具有厚壁，使得结构的谐振显示出平均效果和移位，但 没有分裂。泡状物的存在改变了管道中泡状物流体的有效密度，并且因此，这个方法提供 了对流体的重量的直接测量以及相应的气体体积分数（GVF)。校准直接进行并需要两个测 量结果：当管道是空的时与当它完全填充了液体时相比的一组结构谐振频谱（小于或等于 约30kHz)。可以通过根据那两个端点的线性插值估计在之间的任何情况（任意量的气体 存在）。这个方案可以用于节涌流以及当没有明确定义的泡状物而有大量气体时的其它流 情形。测量的响应时间取决于所选的特定结构谐振频率。例如，5kHz谐振频率会提供约 200μS的响应时间，这是极为迅速的。测量的灵敏度也取决于所选的谐振频率。相比于较 高频率，较低的频率提供较低的灵敏度。
[0078] C.iWt频测量：
[0079]对于三相测量，油-水混合物的组分是重要的。对于气体体积分数（小于或等于 约60% )，泡状物谐振频率区以上的高频良好地传送通过大范围流速并已经测量为高达每 天8000桶流体的流量的泡状物流体。于此，测量可以在跨图8中所示的管道的水平方向上 进行。由于流动流体包含迅速流过管道的泡状物，如果测量进行得足够迅速（小于或等于 约100μs)，并且路径长度不很大（例如，管道直径3英寸），那么液体在测量持续时间期间 移动小于2_，并且全部泡状物以直线排列以及由此遮掩声传输的可能性就小。此外，由于 有限的换能器大小，声束的尺寸比典型泡状物的大小大得多（例如，直径2cm相比于泡状物 的〈0. 1_)。在管道的该直径区域中的泡状物存在问题，因为声束典型的较窄，并沿管道的 直径前进。因此，如果快速进行声传输测量，并迅速重复以获得平均值，那么对于气体体积 分数小于或等于约60% (实验上用原油-水混合物和气体来确定），可以确定主流体混合 物的声速。在那些场合，当声传输下降到设定为阈值的平均值以下时，可以忽略那些测量结 果。实际上，这有效且可靠。当气体体积分数增大约60%左右时，以上方法失败。但对于许 多井，这个方法提供了对于液体（两相）组分的良好的测量。结合相关联和频率去啁嗽技 术，具有重复率高达1000的每秒采样率和在约500kHz与约5MHz之间（大大超过泡状物频 率范围）的测量结果的频率啁嗽激发提供了声速的准确确定。一旦确定了混合物的声速， 就可以极为准确地根据系统校准来确定实际油-水组分，系统校准包括在相关温度范围上 单个成分（油和水）的声速和密度测量。这个校准在商品化仪器中分别进行。典型地，液 体的样本获自油井，随后将该样本进行离心以将油与工艺用水分离。随后针对声速和密度 校准这些分离的成分。根据等式3的修改形式，可以将组分估计到好于约1%的精度。
[0080] 可以用于较高气体体积分数的过程是操纵泡状物并使用来自管道中心区的声辐 射压力将它们从测量区移开，以使得声束在其路径中没有泡状物。图19a示出了这个方法。 在管道腔（在此示出为中空的压电谐振器）中建立环形驻波，以及在该波中生成的声学力 迫使泡状物移动到压强波腹。低于泡状物谐振频率的低频（小于或等于约25kHz)对于此 过程是有效的。如果选择适当的频率，该频率取决于圆柱体（管道）的几何形状和流体中 的声速，那么泡状物会从管道中心区移动为更接近壁。由于声速可以改变，驻波（腔谐振） 可以改变，用于自动改变频率以保持腔谐振的反馈电路是有益的。尽管泡状物已经移动到 靠近壁的较小区域，但声束必须通过这层泡状物，除非改变了管道对称性，如下将描述的。
[0081] 图19a是方法的示意图，该方法使用由以管的呼吸模式频率的圆柱形压电管生成 的声辐射压力，声辐射压力用于移动水/石油混合物中携带的泡状物，以使得腔谐振移位。 所示的是圆柱形压电换能器42,气体-液体