同步声源的制作方法

专利名称：同步声源的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于产生地震波的装置，更具体地说该装置用于在地表下，在环绕一个测井的构造中产生地震波。
在勘探地下构造中的油、气和其它矿藏的过程中，地震波(即体波或P波与S波)被用来测绘地下地质结构和地层特征。地震波还可用于促进油、气的生产，这种地震波用来使油或气的承载构造振动，借此增强油或气在该构造中的运动(例如参阅美国专利3952800)。
使用一个或多个测井的几种典型的地震勘探技术包括垂直地震剖面测定法(VSP)、反垂直地震剖面测定法(RVSP)以及横井地震剖面测定法。在采用VSP的情况下，地震能源例如爆炸装药、表面振动器和其它能源被放在地表面，若干地震探测元件(地声仪或水下测声仪)被放在测井中。RVSP法包含沿地表旋转一系列地声仪，而能源例如炸药、振动器或气动枪械放置在用于产生声信号的测井中。横井地震剖面测定法包含将一系列地声仪或水下测声仪放置在一个测井中，而能源放置在邻近的测井中。在这些技术中的每一个之中，利用能源产生的声信号穿透环绕该测井的构造并且由地下岩层反射到位于在地表或在邻近的测井中的各地声仪。此外，各地声仪或水下测声仪可以放置在容有震源的井(即源井)中，以便探测例如从邻近该测井的各实体诸如盐丘所反射的能量。这种成像可以被称为单井(反射)剖面测定法。
所反射的声波信号提供了地下构造的地质和地球物理的声学图像。地下岩层以及特别是油气储层的这些声学图像能够利用各种已知的技术如反射地震成像或层析X射线摄影成像来构成。反射地震成像技术使在不同构造之间的界面成像，而层析X射线摄影成像技术则提供关于构造中各种速度的信息，这些信息能够用来帮助识别油、气或其它矿藏的存在。
可是出现一个问题，在大地中的一些延伸分布的距离范围内都需要地震信息。现时，没有一种商业上可利用的井下地震源所具有的水平有效范围可靠地超过1500英尺。然而，在大多数产油田，典型的油井至少相隔3000英尺。因而，现行的井下地下震源装置仅能应用到一个很小百分比的、油井紧密配置的油田。
大多数井下地震源在范围超过1500英尺的情况下不能可靠地工作，因为该信号(包含P波和S波)对背景噪声的比率低，这又依次使对反映构造特征的声学图像质量恶化。产生低信噪比的主要原因在于，由井下声源所产生的能量的一大部分一般情况是在充满测井的液体中传播管波，而不是产生所希望的P波和S波。
当由声源来的压力脉冲在液体中产生时引起管波通过在测井中所容有的液体进行传播。大部分的管波能量通过液体传播。好像它们沿着测井运动。由于液体-固体的摩擦力作用，管波被衰减到某一程度，但是在一般情况下，这些力对管波的衰减影响仅是轻微的。因此，一般情况下管波以相对恒定的速度，在它们的幅值仅有少量衰减的情况下，通过充满井壳的液体传播相当大的距离。因为管波的存在及其有效传播，我们可以说，测井是一个有效声波导。放置在这样一个波导中的井下地震源引导它的大部分能量来产生被导向的波(即管波)而不是体波。就对管波产生的能量损耗以及其次的在环绕容有地震源的测井放置的接收器处产生的噪声而论，这是一个主要的缺点。
一种试图提高信噪比的装置已经在Kennedy等人的美国专利4671379中公开，其通过产生压力驻波以及借此防止在管波形成过程中的能量损耗。Kennedy等人的装置在测井的选择部分振荡该测井液体，以便在液体内部建立所需频率的谐振压力驻波。因而，通过利用两个可动的气囊(bladder)，它们的间隔距离从大约15至大约100英尺是变化的，使该驻波被容纳在测井的选择部分。因此这个装置具有几个实际上的缺陷。首先当地震源在一个45秒时间周期范围内扫描所需频率范围(即20-100赫)时，该气囊必须移动一个相当大的距离(例如高达大约50英尺)。因此，该装置不能可靠地工作，这是因为井下运动部件暴露于含有磨料的颗粒和岩屑的钻井液中。其次，各气囊不得不受到从地表延伸到井下的空气软管的压力，从操作使用的观点看这是低效和不便的。第三，因为各气囊不能很快运动，该装置的最小频率范围扫描周期大约是45秒。众所周知，对于陆地表面振动源而言，一般是通过利用在每次扫描为3到10秒范围内的一系列较短的扫描而产生较好的数据。
另外类型的试图提高信噪比的装置是用于将管波变换为体波的井下装置。这种管波变换装置由Winbow等人在美国专利4993001中所公开。该装置是放置在井下的一个收缩的阻塞障碍物。当管波由于受到阻塞而被迫挤压时，另外的声压会在测井壁上产生，导致形成体波。然而，这种方案的一个缺点是需要很高能量的管波，随着管波进入测井和冲击测井端部时，导致形成强的背景噪声。
相对于此在美国专利4893001中所介绍的另一种井下装置是由Winbow等人在美国专利5268537号中所公开的宽带谐振波井下地震源。该装置用于部分地或完全地阻塞测井并产生一个充满液体的测井谐振腔。在谐振腔内的流体受到振荡以便产生一个压力驻波，该波经过测井幅射进入周围的地质构造中。然而，这种装置在高频(即大于大约1500赫)时功能最有效。众所周知，较低的频率(低于大约1000赫)对于常规的反射地震成像和层折X射线摄影成像作业来说是较好的。
因此，需要一种用于在一个测井中产生地震信号的、有效可靠的装置，其具有提高了的P波和S波对背景噪声的比率以及借此得到一个提高了的信噪比。
根据本发明提供一种用于在测井中产生地震波的装置，所述装置具有第一和第二纵向隔开的端部，所述装置包括a)至少一个用于在所述测井中产生声压波的、具有一定输入阻抗的中间声源，每一个所述声压波具有对应的声压幅值和声流，所述中间声源位于在所述纵向两端部之间;b)分别位于在所述第一和第二纵向端部的第一和第二端部装置，适用于在接近所述第一和第二纵向端部处产生至少一个局部的声压零位，其中至少一个端部装置是无源的;c)在所述两纵向端之间、至少一个内部的“声容器”(acoustic Capacitor)，每一个所述内部的声容器具有可变的内部声容器输入阻抗;以及d)用于使所述中间声源声压波与所述内部声容器输入阻抗同步的装置，以便使所述中间声源的输入阻抗显著地达到最大。
本发明的装置还包括使所述中间声源的工作与所述第一和第二端部装置的工作同步的装置，以便使得所述中间声源的至少一部分的声压波的所述声压幅值，在接近所述第一和第二纵向端部处基本上变为零，借此使所述中间声源的至少一部分声压波不会经过所述测井在所述纵向端部之外进行传播。
根据本发明的一个实施例，所述第一和第二端部装置中的每一个都是一个端部声源，用于产生端部声源声压波，该波与所述中间声源声压波产生明显破坏性干扰，借此产生所述局部的声压零位。
根据本发明的另一个实施例，所述第一和第二端部装置中的每一个都是一个端部声容器或谐振器，其具有或者一个可变的声容器或者谐振器输入阻抗(即，一个有源声容器或谐振器)或者半可变输入阻抗(即，一个无源声容器或谐振器)，用于产生所述局部声压零位。
根据本发明的另外替换实施例，所述第一端部装置是一个用于产生端部声源声压波的端部声源，该波与所述中间声源声压波产生明显破坏性干扰，借此使得邻近所述第一纵向端部处产生所述局部声压零位;以及所述第二端部装置是一个声容器或谐振器，其具有可变的端部声容器或谐振器输入阻抗，用于在邻近所述第二纵向端部处产生所述局部声压零位。
本发明装置的其它实施例包括附加的声容器或谐振器，其使得在各频率范围内，声源有效地工作。
为了更完整地理解，下面参阅附图详细介绍本发明。各附图介绍的仅是本发明装置的一种应用和4个实施例。这些附图不应认为是对本发明的限定，可以引入到其它等效的有效实施例中以及引入同步声源的常规应用中。下面是每个附图的简要说明。


图1示意介绍包含位于测井中的3个声源的本发明装置的第一实施例。
图2示意介绍包含位于测井中的一个声源和两个声容器或谐振器的本发明装置的第二实施例。
图3示意介绍包含位于测井中的三个声源和两个声容器或谐振器的本发明装置的第三实施例。
图4示意介绍包含位于测井中的一个声源和四个声容器或谐振器的本发明装置的第四实施例。
图5(现有技术)示意介绍了适用于本发明装置的典型声源。
图6(现有技术)介绍一个可适用于本发明装置的简单声容器。
图7(现有技术)介绍一个可适用于本发明装置的赫姆霍兹(Helmholtz)谐振器。
图8A以绘图方式介绍角θ与θ的余切值的相互关系，区间为θ从0到3π。
图8B以绘图方式介绍角θ与θ的正切值的相互关系，区间为θ从0到3π。
图8C以绘图方式介绍声容器谐振腔的有效长度l1与该声容器的声容C之间的关系。
图8D以绘图方式介绍赫姆霍兹谐振器的端部小室的有效长度l1与该谐振器的声容C之间的关系。
图9以绘图方式介绍在一个测井的最佳部分中管波的声压幅值和声流Ic和I1/2(即流体流动速率)之间的相互关系，Ic和I1/2由一个同步声源装置的三个声源所产生的。
图10以绘图方式介绍除去同步声源装置的两端部以外的测井各个区域中管波的声压幅值与端部声容器谐振腔的有效长度之间的相互关系。
图11以绘图方式介绍由一个同步声源装置所占用的测井的范围内的管波的声压幅值与内部声容器谐振腔的有效长度之间的相互关系。
如上所述，在油和气勘探中，对反VSP法、横井成像或单井成像法需要一种更有效的井下地震源，以及需要一种能够用于通过使含油构造振动提高油采收率的声源。一般情况是一个井下声源悬挂在测井流体中并产生适合于该应用场合的、低于大约1000赫兹的信号。
如上所述，特别是在频率低在于大约1000赫的情况下，测井构成为一个有效的声波导。因此，当在测井中的一定体积的液体由于声源输出的作用而被位移时，由声源所幅射的大部分能量以管波的形式传播。这种现象称为管波优势度。例如，在100赫频率下工作的常规声源幅射的能量主要以管波形式。这种管波的能量比供给形成P波和S波的能量大1000倍。因此，在G.A.Winbow的论文中非常详细地讨论了管波优势度，论文名称为“在开通和壳封的测井中的地震源”，地球物理学，56页数1040-1050，1991.6。
本发明装置显著地降低或排除了管波优势度的影响作用，借此提高了由该装置以P波和S波形式幅射的能量。此外，通过增加处在或者邻近该装置的中央区域的声源所感受的输入阻抗(即在环绕声源的媒体中的声压与由该声源产生的声流的比值)，它的P和S波输出可以在各个频率范围内得到提高。通过在围绕该装置每端产生很低的或近于零的声压区，使管波优势度影响被控制，同时，由于增加阻抗以及处在或邻近环绕该装置中心的区域中的声压，在一个频率范围内产生增强的P和S波输出。在4个解释性实施例的范围中将讨论用于降低管波优势度影响以及增加处在或接近装置的喘部分所感受的阻抗的装置。
因为本发明装置能够利用各种典型的熟知的以及本领域一般熟练的技术人员所能利用的元件来组装，对用于连结各元件的以使各元件同步协调工作的装置将作一般介绍;随着下面对各实施例作更完整的介绍，该特殊装置将会变得易懂。在需要理解或实践本发明的场合将提供对特殊元件的详细介绍。此外，在使用本发明装置中的成本考虑、测井环境以及意图目的都将会限定一特定装置，该装置在构成特定实施例中可能是最有实际价值的。因此，本发明装置的所有实施例都仅示意地表示。
此外，为了简化说明，在测井环境中，一般存在的某些特征，例如从地表到装置的线路连接，用于组装装置各种元件的器械箱式测井流体仅作相对介绍而未示出。例如图1-4中的各元件正常都会包含在一个下降在线路端部上的器械内部(未表示)通过它提供电源和控制信号。另一方面，该器械能够通过一个光缆或螺旋导管(未表示)进行控制。
除非另有所指，一般用于介绍电路的所有参数术语，例如电流、阻抗、电抗、电感、电容和电阻将用在本文中，赋予声学的含意。这些术语的声学含意，将在下面对各实施例的综述中被评述。本文提供的每一个实施例介绍仅是示于说明的目的并不是对本发明的限定，因为当本技术领域的普通熟练的人员遵循下面的详细介绍时，其它的综合和变化方案将变得很明显。
在图1中介绍的第一实施例20包含一组声源22、24、26，它们用于在由中间声源24所幅射的能量与由第一和第二端部声源22、26所幅射能量之间产生破坏性的干扰作用。通过使由各声源22、24、26所发射的能量的相位和幅值同步，管波优势度影响能够被降低或排除，使得在装置20的每一端部及其以外处(即区域A和C)产生声压零位。这意指在测井10的介于端部声源22、26之间的区域(即区域B)内建立一个或多个驻波。因此，由中间声源24所发射的能量并没有以主要在井壁14内传播的管波的形式被浪费。而是在该实施例中，由各声源22、24、26所发射的能量基本上以P波和S波的形式供给地下构造11，该能量仅在某一条件确定的离散的谐振频率点处才达到最大、该条件为端部声源的分开距离等于管波半波长的奇数倍。这样一个系统通常称为“半波谐振腔”。
图2所示的第二实施例30包含一个中间声源24和第一和第二端部声容器32a、36a或者谐振器72a、76a，它们用于在装置30的每一端处产生一个近于零的声阻抗条件。这样一种近于零的声阻抗条件提供了另一种用于减轻管波优势度影响的方法。当在装置的每一端的声阻抗为零或近于零时，在装置30的每一端部和其以外处产生一个声压零位。因此，通过维持这样一种近于零的阻抗条件，基本上防止了管波传播进入测井的在端部声容器32a、36a或谐振器72a、76a之外的区域。如在第一实施例中的情况一样，基本上以P波和S波形式供给地下构造11的、由中间声源24所发射的能量仅在那些指定频率下才达到最大，在该频率下该系统构成一个半波谐振腔。
因为装置的第一和第二实施例20、30两者都只在那些频率下能够增加P波和S波输出，在该频率下系统构成为一个半波谐振腔，为了对非谐振频率同样有效，对每一装置都需要附加声容。这种附加的声容以内部声容器32b、36b或谐振器72b、76b的形式(参阅图3和图4)连接，这使得每个装置能够在一些频率的范围内基本上幅射P波和S波，无论该频率范围包含或不包含半波谐振频率。
因此，在图3上所示的第三实施例40包含一组如在第一实施例期间所介绍的同步声源22、24、26，并带有分别位于在每个端部声源22、26与中间声源24之间的每一个内部声容器32b、36b或谐振器72b、76b。每一个声容器32b、36b或谐振器72b、76b能够被调谐，以便产生一个特定的电容范围，其用于对中间声源24产生一大的阻抗，下文还将介绍。
图4所示的第四实施例50包含中间声源24和第一及第二端部声容器32a、36a或者谐振器72a、76a，如在第二实施例期间所介绍的，这个实施例还在一些频率范围内形成一个大的声阻抗，因为每一个内部声容器32b、36b或谐振器72b、76b都能被调谐，以便产生一个特定的电容范围，用来对中间声源24形成一个大的声阻抗。
为便于介绍本发明装置，将根据公知的电路参数解释装置的各种元件以及它们的工作，这些电路参数能够模拟声学参数。
概念上，声压P类似于电压，声流I类似于电流。声流测量为每个单位时间的流体流动的体积，为了方便经常称为流体流动速率。声阻抗Z被类似于电阻抗，声阻抗是测量一种对抗作用，即当施加一个声压时，声系统提供给声流通道的对抗作用(参阅McGraw-Hill，科学和技术大百科全书，第7版第1卷页)。因此，当流体流动速率或声流很小时，由该系统所具有的对抗作用产生高的声压，那么该声系统就具有高的声阻抗。
在定量术语中，声阻抗是声压P对声流I的比值。
Z＝P/I (1)因此，工作在高声压但具有低流体流动速率的声系统将具有相当高的Z值。此外在Z为零的地点，系统中的声压也为零。
声阻抗也像电阻抗一样，包含实部R和虚部ix，其中i=-1]]>。
Z＝R+ix (2)声阻抗的实部或声阻项等于声系统的幅射声阻RRad和它的内声阻RInt之和。
R＝RRad+RInt(3)在产生P波和S波时所产生的能量损耗形成幅射声阻，而内声阻与各种耗散损耗相关联，这些耗散损耗例如为流体摩擦力或流体通过约束通道的反动所引起。
声阻抗的虚部包括声系统的总声抗X。系统的总声抗可以是正的或负的。例如对于一个声感器声抗是正的。一个声感器的声抗在频率f下等于l(2πf)，其中l是声源的声感。然而，对于一个声容器，声抗是负的。一个声容器在频率f的声抗等于-1/(2πfc)，其中c是声容器的声容量。
声感l像声质量一样在本技术领域中也是公知的(参阅McGraw-Hill，科学和技术大百科全书，第7版，第1卷第68页)。声质量或声感与利用一个力来加速一定质量的流体相关联，该力使流体位移而没有明显地压缩该流体。声容C像声顺一样在本技术领域中也是公知的(参阅McGraw-Hill，科学和技术大百科全书，第7版，第1卷第68页)。声顺或声容与用一个力压缩一定体积的流体相关连，该力没有使该流体体积的重心产生明显的平均位移。
在一个声系统中的某一点的声抗无论为正或为负或被消除都将取决于该系统的一个或几个声源的声感l的幅度和存在或不存在一个或多个声容器以及每个声容器的声容C的大小。假如一个声容器与一个声感器并行配置，总的声抗X的倒数用声感和声容的倒数值之和来表示。
1/(ix)＝〔1/(i2πfl)〕+i2πfc (4a)波的振荡可以利用它的角频率ω来说明。ω＝2πf，其中f是波的频率(即每秒的振荡数)。因此，方程(4a)能够简化如下。
1/(ix)＝〔1/(iωl)〕+iπωc (4b)由系统中某一声源提供的、能产生P波和S波的功率是在该点的系统的声阻抗与由该声源所提供的声流的绝对值平方的积。
WSrc＝Z×｜I｜2(5a)或WSrc＝(R+ix)×｜I｜2(5b)WSrc是系统中某一声源所产生的总的声功率或能量，其中实部R｜I｜2是由系统实际消耗的总功率(即内部能量损耗RInt和外部幅射RRad之和)。虚部ix｜I｜2表示流入或流出该系统的功率，而不是从该系统向外幅射掉或耗耗掉的功率(参阅古典电动力学，第2版，1975，作者为J·D·Jackson，John Wiley，第244页)。还应注意，与R相比较X的数值很大意味着，声源工作是很低效的，因为较多的功率或能量仅仅是流入和流出该系统，而不是被消耗用来产生P波和S波。
声能流动的速率或声功率实际上按P波和S波形式幅射进入环绕声源的地下构造的部分，它与环绕该声源的声压P0相关，所示如下。
WRad＝｜P0｜2×〔R/(R2+X2)〕 (5c)在方程5c成立的地方，在装置的每一端处和其以外声压零位的产生是利用(1)在每一端部的声容器32a、36a或谐振器72a、72b(如在图2所示的实施例中)或者(2)在每一端部的声源22、26(如在图1所示的实施例中)或者(3)在一端部的声容器32a、36a或谐振器72a、72b以及在另一端部的声源22、26。方程5c的第2项R/(R2+X2)也可以称为地下构造的声导纳AF。由方程5c我们可以看出幅射进入地下构造的声功率的幅值与环绕该声源的声压P0的平方或正比。由方程1我们知道，P0直接和由声源侧看的声阻抗Z0成正比。
P0＝Z0×I0因此，我们可以看出，只要环绕中心的声阻抗Z0是足够大，即使声流是很小，穿过地下构造辐射的声功率WRad也可以达到很大。
本发明的一个目的是在或接近装置20、30、40、50的每一端部提供一个零或近于零的声阻抗。通过在装置的每一端部处或者利用同步声源22、26或者利用声容器32a、36a或谐振器72a、76a，可以实现这一点。
首先，我们讨论关于这样一种情况的一些相互关系，其中声源22、26位于在装置的每一端部(参阅图1)。如上所述，在由中间声源24和端部声源22、26所辐射的管波之间建立一种破坏性干扰作用，通过在装置的每一端部产生零或近于零的声阻抗来控制管波的优势度。由中间声源24所产生的所有管波的完全破坏性的干扰在这种场合下发生，(1)由第一和第二端部声源22、26所产生的管波的声压幅值的总和等于由中间声源24所产生的管波的声压幅值，以及(2)端部声源管波与中间声源管波的相位偏出180°(即由中间声源24辐射的波的峰值与端部声源22、26所幅射的波的谷值同时发生)。
这种破坏性的干扰条件利用如下关系式，按照每个声源的声流来表达。
I1×sinθ1＝I2×sinθ2(6a)[I1×sin(θ1+θ2)]+(I0×sinθ2)＝0 (6b)[I2×sin(θ1+θ2)]+(I0×sinθ1)＝0 (6c)在方程组6a-6c中，θn＝ωDn/VT，其中n识别具有第一和第二端部声源22、26的装置的端部，即n分别等于1和2;Dn是介于中间声源24和每个端部声源22、26之间的距离;ω是由端部声源22、26所产生的管波的角频率;VT是由每个端部声源所产生的管波的速度;I0是由中间声源24所产生的流体流动速率;I1和I2分别是由第一和第二端部声源22、26所产生的流体流动速率。
由方程6a和ω的表达式我们可以看出，假如在每一端部声源22、26和中间声源24之间距离基本上相等，则D1＝D2＝D1/2，那么θ1＝θ2＝θ1/2并因此I1＝I2＝I1/2。因此，无论是方程6b或是6c都能通过对θ1和θ2代入θ1/2来简化，以便产生一个用于说明零声阻抗条件的单一表达式，其中端部声源22、26基本上与中间声源等距离。
I0+〔2I1/2×cos(ωD1/2/VT)〕＝0 (6d)尽管控制管波优势度影响，假如没有内部的声容加到该系统由中间声源24所发射的能量仅在一些谐振频率处对于给定的声流将达到最大。管波的谐振频率对应于管波波长，该波长大约是介于装置的第一端部和第二端部之间的距离长度的2倍。接着下面对于用于减轻管波优势度影响的声容的讨论，将考虑声容怎样被用来克服这一谐振频率的限制。
常用于介绍位于装置的每一端部的声容器32a、36a或谐振器72a、76a功能的相互关系下面将予讨论(参阅图2)。Zc指图6所描述类型的声容器32、36的输入声阻抗，下面更详细地介绍。ZR指图7所描述类型的声谐振器72、76的输入阻抗，下面也详细地介绍。介绍谐振器输入阻抗的相互关系比对声容器输入阻抗介绍更复杂，因此，在讨论声容器输入阻抗之后将再考虑。
一个简单的声容器输入阻抗与声容器C有关，表示如下。
ZC＝1/iωC (7a)ZC由如下方程决定。
ZC＝-i(ρflu×VT/SC)×Cotθ (7b)在方程式7b中，θ＝(l×ω/VT)，其中l是该声容器谐振腔34的有效长度;ω是由声容器所接收的，在声容器内的管波的角频率;VT是管波的速度，而ρflu是在声容器34中的流体的密度，SC是声容器谐振腔34的流体容纳部分的横截面积。
由方程7b我们可以看出，随着θ的数值接近π/2输入阻抗ZC如何接近零值。在图8中以绘图方式描述了在θ值与θ的余切之间周期性的相对关系，其中，对于π/2的奇数倍，θ的余切等于零。因此，在这种情况下，调节谐振腔的有效长度l，以便形成θ等于或大约等于π/2的奇数倍，不过最好为1倍π/2，得到一个谐振腔(即ZC＝0)。这样，在这种情况下声谐振腔的长度为11.25英尺，我们能够确定产生谐振条件的频率f。通过利用θ＝π/2的零输入阻抗条件和令θ等于方程式7b的余切项，形成π/2＝(ω×l)/VT。回顾ω＝2πf，可以解零阻抗的表达式，以便f用l和VT来表达。
f＝VT/(4×l) (7c)因此，对于l＝11.25英尺和VT＝4500英尺/秒，得到谐振频率为100赫。
声容器谐振腔34的有效长度l可以随ω变化而变化，维持θ基本上等于π/2并借此在或接近装置的端部维持一个近于零的声阻抗条件。然而，尽管减轻了管波优势度影响，基本上不等于谐振频率的各频率将不能有效地产生P波和S波。谐振频率与装置的两端部之间的距离的相关关系，与上面讨论的包含两个端部声源22、26的情况一样采用相同的方式。因此，对于具有声容器32a、36a的一个装置，谐振频率还与管波波长相对应，其大约是介于装置的第一端和第二端之间距离长度的大约两倍。
正如从上述实例所看到，为控制由某些地震源特有地产生的管波频率所需的声容器谐振腔34的长度是十分大的。从工程或应用领域的观点出发，这种数量极或其以上的尺寸可能带来某些限制。
图7介绍另外一种类型的用于产生声容的一个实例，称为赫姆霍兹谐振器72、76。这样谐振器72、76提供一种更紧凑的声容器的形式，它可以适用于本发明装置需要声容器的所有实施例之中。虽然，谐振器72、76的工作原理基本上相似于声容器32、36，在谐振器72、76的输入阻抗与第一谐振器谐振腔34的有效长度之间的关系比图6所标识的相对关系更复杂。尽管如此，第一谐振器谐振腔34a的有效长度能够用于控制谐振器72、76的输入阻抗ZR，并借此控制由具有各谐振器的本发明装置所产生的声压P和声抗X。
下面将介绍谐振器72、76的特殊应用。谐振器72、76的相同的基本设计可以被整体地或部分地与同步声源30、40或50的各种实施例相结合加以采用。在图6标识的声容器和图7的谐振器之间的基本区别是设计到声容器中的缩颈部分38。具有一个或多个流体流动缩颈部分的声容器其功能像串联的声容和声感，并构成为一个一般称为赫姆霍兹谐振器的谐振器72、76。这一缩颈部分大为降低了用于产生近于零的阻抗条件所需的第一谐振器谐振腔34a的长度。第一谐振器谐振腔34a的有效长度l1与谐振器72、76的输入阻γ抗ZR的相对关系表示如下。
ZR＝ ([(a2a3)-(a1a3t1t2)-(a1a2t1t3)-(a22t2t3)])/(i[(a1a2a3t1)+(a22a3t2)+(a2a32t3)-(a1a32t1t2t3)]) (8)在方程式8中，an＝Sn/(ρflu·VT)，tn＝tanθn，及θn＝ωln/VT，其中n分别为识别第一谐振器谐振腔34a，缩颈部分38和第二谐振器谐振腔34b的下标数码1、2或3，Sn是所示谐振腔或缩颈部分的容纳流体部分的横截面积，ρflu在谐振器中的流体密度，VT是管波速度，ω是由谐振器所接收的管波的角频率，以及ln是标识的谐振腔34a、34b或缩颈部分38的有效长度。
对零输入阻抗条件(即ZR＝0)在一些频率范围内解方程式8，VT＝4500英尺/秒，并且其中l1＝l2＝l3，S1/S3，S2/S1＝1/16，谐振器的总长度大约为与图6中所示的相同的声容器32、36的一半长度。
赫姆霍兹谐振器72a、76a位于在装置的一端，与具有相似位置的声容器32a、36a一样，将保证中间声源24将仅对一个谐振频率基本上幅射P波和S波，还与介于装置两端部之间的距离长度的大约两倍的波长相对应。从在环绕中间声源24处产生大的输入阻抗的角度，下面将讨论通过利用附加的声容来克服上述谐振频率限制的问题。
本发明的第二个目的是中间声源24的区域内产生一个大的输入阻抗，以便在一些非谐振频率点使由其幅射的能量对一指定的声流达到最大。实现这一点可以通过引入新的或附加的声容，其与声系统的，彼此串联的声感和声阻相关联。如图3和图4所描述的，可以以内部声容器32b、36b或内部谐振器72b、76b的形式引进并联的声容，其位置介于中间声源24和每个端部声源22、26之间(图3)，或者介于中间声源24和每个端部声容器32a、36a或端部谐振器72a、76a之间(图4)。
在这样的构成方式下，系统的总的声抗X包含声感项ωl和声容项-1/ωC两者。在这种情况下，声或电系统的各元件处于并联状态，系统的各种声阻和阻抗的倒数之和等于总阻抗的倒数。因此，由中间声源24所感受的输入阻抗Z0可以表示如下。
1/Z0＝〔1/(R+iωl)〕+iωc (9a)这个关系式能够用代数方法进行计算以便在Z0、l、R和C间建立一个复数关系式。
ZO＝ ([R/(R2+ω2L2)]-iω[C-(L/(R2+ω2L2))])/(ω2[C-(L/(R2+ω2L2))]2+R2/(R2+ω2L2)2) (9b)声压幅值与Z0的模即｜Z0｜成比例，通过根据l、R和C得到｜Z0｜2的表达式，｜Z0｜可以由方程式9b导出，｜Z0｜2的表示在方程式9c。
｜ZO｜2＝1/ω2［C-(L/(R2+ω2L2))]2+［R2/(R2+ω2L2)2］］ (9c)其中声容C被选择以满足如下关系式，我们从方程式9c看出，从方程式9b消除Z0的虚部(即声抗X)，｜Z0｜2是最大的。
C＝l/(R2+ω2l2) (9d)本领域普通技术人员将把该式作为声感l和内部声容C之间的条件，探井流体(未示出)与中间声源24和内部声容器32b、36b或谐振器72b、76b发生谐振必须满足这一条件，当满足该条件时，我们知道，由中间声源24所感受到的输入阻抗Z0基本上达到最大。
当Z0的虚部消除时，方程式9b可以简化成如下的表达式。
Z0＝R+(ω2l2/R) (9e)因此，方程式9d和9e表明，在这种情况下，恰当地选择声容C的大小，并与具有与声感l相串联的声阻R的声系统的这部分并联接入C，那么在中间声源24区域中的总的输入阻抗Z0对于该声系统变为实数。如在上面电/声模拟部分所述，实际上一般R比ωl要小得多，因此Z0变成为不仅是实数性的而且数值上很大。该声源声感l的值可以根据下式计算出来，该式可以从声学工程领域中的技术人员所熟知的基本声学原理而导出。
在式9f中，ls是端部声容器32a、36a或端部谐振器72a、76a的通孔之间的距离(即，图4中区域B的长度)，Ss是探井外部的截面积，Vs是探井流体中管波的速度，ρs是探井流体的密度。下标“s”加到式9f中的参数上，以清楚地将探井流体与内部声容器32b、36b或谐振器中的流体(它可包括不同的流体，诸如液体(例如油)或气体(例如，氮或氦)的密度、声速和截面积。
忽略由摩擦，流体粘度和能量辐射造成的损耗后，式9f近似度较高。
当Z0的幅值大时，相对小的流动速率或声流I可以在测井10中的环绕中间声源24的区域产生大的声压。利用在环绕装置的中心处的大的声压，对于给定的声流按照全频率幅射的能量达到最大。因此，通过利用内部声容器32b、36b或内部谐振器72b、76b，上面讨论的谐振频率限制的问题被克服了。
通过研究方程式9e，应用内部声容器来使Z0以及借此使P0和WRad到最大的问题就变得明白了。如上所述，ωl一般比R大得多，因此项ω2l2/R比ωl要大得多。在这种情况下，内部声容以并联式连接到彼此串联的声阻和声感上，从而得到方程式9e。将这种情况与方程2的情况进行比较，方程2的情况是没有加入内部声容的，并且其中X＝ωl，这样Z0＝R+iωl，我们看到了通过引进内部声容，Z0怎样能够变得明显地大，甚至是当环绕该中心处的声流I0可能是很小的情况下。
在声容器谐振腔的有效长度l和内部声容C之间的关系可以按照如下所述建立，该内部声容与声阻和声感相并联。回顾Zc＝1/iωC并对C解方程式7a，使得C＝(SC/ω·ρfluVT)×tanθ，然后将这个表达式与方程9d等量代换，对于简单地内部声容器32b、36b，我们得到如下的θ表达式(θ即l×ω/VT)。
tanθ＝(ωρfluVTL)/SC［R2+ω2L2］(9g)因此方程9g的右手侧的数值是一个实数，大于或等于零，我们知道，θ以及l可以被选择以满足方程9f。图8B示出的是θ的正切值与θ值之间已知的周期性的关系。因此，θ的值可以在nπ和(n+1/2)π之间，其中n＝任意整数，但最好介于零和π/2之间。
对大于或小于半波谐振频率fR的频率，用有效长度为l的声容器谐振腔34(参见图6)可以维持探井流体(未示出)和内部声容器32b、36b或谐振器72b、76b之间的谐振条件，对由中间声源24产生的每一管波的频率f，l都能满足式9f。从前述讨论可知，当端部声容器32a、36a或端部谐振器72a、76a之间的距离等于管波波长一半的奇数倍时，就产生“半波谐振腔”。因此，半波谐振频率fR对应于由中间声源24产生的管波的波长，其中管波波长一半的奇数倍近似等于端部声容器32a、36a或端部谐振器72a、76a之间的距离(即，图4中区域B的长度)。因此，在fR频率下不需要内部声容。当中间声源24产生的管波的频率f等于fR时，无需内部声容来在探井流体和中间声源24中产生谐振效果。然而，当f小于或大于fR时，需内部声容以产生谐振效果。如下详述，大大低于fR的频率(即f＜＜fR)将相应地需要更大的声容C。由于C受到所用器械的直径和长度的限制，存在一个最小频率fmin，在该频率下，本发明装置能维持式9d下的谐振条件并保证装置高效工作。
可以改变内部声容器32b、36b或谐振器72b、76b的有效长度，以利用用于改变声容器谐振腔34的有效长度的两个方法中的一个来维持谐振条件。每一方法均可在高至约2fR的频率范围中维持谐振条件。例如，采用此后称为跳变法(jump method)的一种方法，对某一起始频率fmin和第一谐振频率fR之间的频率，l的范围可从某一预定的长度X到零，对于fR和最终频率fmax之间的频率，l的范围可从y到y-x。y值可大于x并等于Vc/2fR，其中VC是声容器中管波的速度。X值对应于在fmin下产生谐振条件所需的最小声容Cmax，y-x值对应于在fmax下产生谐振条件所需的最小负声容-Cmax。应注意，如果忽略能耗，fmax可近似等于2fR-fmin。然而，为方便起见，我们将所选频率范围的最终频率称为fmax。
可选择地，采用此后称为连续法(continuous method)的第二种方法，对fmin和fR之间的频率l的范围可以从(y+x)到y，对fR和fmax之间的频率，l的范围可从y到y-x。
从式9d可以导出若干频率值，在该频率下可得到探井流体(未示出)和内部声容器32b、36b或谐振器72b、76b之间的谐振条件，使由中间声源24感受的输入阻抗Z0基本达到最大值必须满足式9d所建立的条件。与声阻项R2比，声感项的平方ω2l2非常大，所以声阻项近似为零。因而，式9d可近似简化为C、l和ω之间的下述关系式，要产生的谐振条件必须满足该式。
C＝l/ω2l2(10a)式10a可改写为ω2lC＝1 (10b)或者(ωl)(ωC)＝1 (10c)声感项ωl的值可从式9f得到，而声容项ωC的值可从式7a和7b得到。因此，每项均可写为正切函数，因而示出如何利用声容器谐振腔34的有效长度来维持谐振条件。
在式10d中，下标“s”表示本发明装置相关的参数值，而下标“c”表示与内部声容器32b、36b或谐振器72b、76b相关的参数值。然而，为了与图6和7一致，对内部声容器32b、36b或谐振器72b、76b，l1分别为声容器谐振腔34或34a的有效长度。因而，ls是端部声容器32a、36a或端部谐振器72a、76a的通孔之间的距离(即，图4中区域B的长度)，Ss是探井的截面积(环状围绕器械)，Vs是探井流体中管波的速度，ρs是探井流体的密度，l是声容器谐振腔34或34a的有效长度，Sc是声容器谐振腔34的截面积，Vc是声容器谐振腔34中管波的速度，ρc是声容器谐振腔34中流体的密度。为下面讨论方便起见，表达式ωls/Vs用角θs表示，而表达式ωl1/Vc用角θc表示。如式10d所指示的，当中间声源24产生的管波频率小于或大于fR时，可以很容易地改变l1以维持谐振条件。
参照图8C且知道ω＝2πf，我们可明白内部声容器32b、36b或谐振器72b、76b的声容C如何随l1的改变而变化，对这样的声容器或谐振器维持谐振条件。图8c以图示出了lc和C之间的周期性关系，类似于图8B所示的正切函数。沿图8C示出的曲线上的每一点限定了一个声容C和声容器谐振腔34相应的有效长度l1，其将维持探井流体(未示出)和内部声容器32b、36b或谐振器72b、76b间的谐振条件。曲线的第一、二、三支线的竖直边界对应的点处θc分别为零，π/2，π，3π/2。在每一奇数支线(即，第一和第三支线)的起始点得到相应于半波谐振频率的每一l1值。
应注意，图8C的曲线是单一频率的。在中间声源24产生的管波频率范围内的每一频率都有类似的C-lc曲线，但曲线的紧缩度不同(即，曲线的斜率有大有小)，其取决于管波的频率。然而，每一曲线将有共同的交接点，此处C等于零，l1等于零、y、2y、……ny，而y＝Vc/2f，n等于任何整数。所以，对所选定的工作带宽中的每一频率，不同斜率的曲线将产生维持谐振所需的唯一C值。因而，能产生C的谐振值的相应lC值可从与所选带宽中的各个管波频率f相关的每一C-l1曲线上得到。
如前所述，可改变内部声容器32b、36b或谐振器72b、76b的有效长度，以用跳变法或连续法维持谐振条件。若忽略能耗，每一方法维持的谐振条件的频率范围可高达某一预定的最终频率fmax，它约等于2fR-fmin。这一近似两倍的带宽是通过增加内部声容器32b、36b或谐振器72b、76b的声容器谐振腔34的最大长度来实现的。例如，利用最大内部谐振腔长度等于X的内部声容器32b、36b或谐振器72b、76b时，中间声源24的有效带宽范围是50-250Hz，然后将最大内部谐振腔长度增加到y或y+x，将使fmax达到约450Hz。
在跳变法的情况下，中间声源24产生的频率范围从小于fR的某一频率(即，fmin)到fR，从fR到fmax。为维持fmin到fR频率范围中的谐振条件，有效长度l1应从某一预定的起始长度l1减小到零。l1的减小量使维持fmin与fR间的谐振条件所需的C值相应减小。l1的这一减小与内部声容器32b、36b或谐振器72b、76b的声容C的相应减小出现在图8C所示曲线的第一支线中。由于由内部声容器32b、36b或谐振器72b、76b的声容是正的，这一支线作为容性的。对fR到fmax的频率范围来说，l1将向上“跳变”或增加到某一预定长度y，以产生在fR下，θc等于π时产生谐振所需的声容C＝0。该有效长度而所逐渐减小到一个中间长度，稍大于X，该长度对应于在fmax下且θc稍大于π/2时产生谐振的声容C。由于从内部声容器32b、36b或谐振器72b、76b得到的声容为负，因此第二支线作为感性的。
在连续方法的情况下，中间声源24产生的频率范围也从小于fR(即，fmin)的某一频率直到fR，从fR到fmax。然而，对应于fmin的l1会以更大的值x+y开始。因而，当f从fmin增大到fR时，为维持fmin和fR间的谐振条件，l1逐渐减小，C值也相应地减小。然而，参照图8C我们知道，对l1值等于y＝Vc/2fR而不是零时，可观察到fR。由于从内部声容器32b、36b或谐振器72b、76b得到的声容为正，所以第三支线也作为容性的。为维持从fR到fmax频率范围内的谐振条件，l1应从y继续逐渐减小到y-x，以使C相应地减小到在fmax下，θc刚好大于π/2时产生谐振的一个C值。此外，fR到fmax间的谐振条件用负声容来维持，因而，落入图8C中感性支线之下。
上面讨论的工作原理假定内部声容器32/36是象图6所示的简单声容器。声学工程领域中的技术人员知道，若采用如图7所示的赫姆霍兹谐振器72/76提供内部声容，能进行类似的但更复杂的分析。如前所述，赫姆霍兹谐振器72/76能提供与简单声容器32/36相同的声容，但其尺寸小于简单声容器32/36。
注意式8给出了典型赫姆霍兹谐振器的声输出阻抗ZR。这一表达式可以近似简化并按an和ln项重写，其中n代表下标1、2或3，分别指第一谐振器谐振腔34a、缩颈38和第二谐振器谐振腔34b。
从上面式8知道，tn＝tanθn＝ωln/VT，an＝Sn/(ρfluVT)其中Sn是指定谐振腔或缩颈的含流体部分的截面积，ρflu是谐振器中流体的密度，VT是谐振器中传播的管波的速度。此外，下标1、2或3分别指第一谐振器谐振腔34a、缩颈38、或第二谐振器谐振腔34b。
内部谐振器72b、76b可“调谐”，即可以通过改变谐振器的第一谐振腔34a的有效长度l1来调节C，如图7所示。图8D示出了由内部谐振器72b、76b产生的作为l1函数的声容的变化情况。从式11和图8D我们知道，当选择l1等于l10满足式a2＝a1t1t2时，C将非常大;当选择l1等于l20满足a2(t1+t3)＝a1t1t2t3时，C将等于零。
在第一容性支线下，稍小于l10的一个长度将对应于第一谐振器谐振腔34a的长度，其在某一最小频率fmin下维持谐振。此外，当t1＝0，即l1＝0时，谐振器的声容近似由ωc＝a1t3给出。这一点标为沿图8D中内部声容轴的A点。当第一谐振器谐振腔34a的长度移向零时，将得到在某一小于fR的频率fs下的谐振。然而，当l1接近零时，用覆盖谐振器谐振腔31的阀(未示出)调节赫姆霍兹谐振器72、76可使对应于l1＝0的谐振频率增大到fR。第一容性支线中的虚线示出了这种调节的曲线。通过这种调节，当l1从零变到l10时，赫姆霍兹谐振器能产生任何所需的声容。
如图8D中曲线所示，第一谐振器谐振腔34a的长度l1可在l10到l20这一相对窄的范围内连续变化，使谐振器产生任何所需的感性阻抗。对赫姆霍兹谐振器72、76来说，这是很重要的优点。
赫姆霍兹谐振器72、76的总长度lr可用下式计算。
在式12中，Vr是在内部谐振器72b、76b中传播的管波的速度，a2和a1的定义如上。最好，a2/a1的值远远小于1。然而，a2/a1的最佳比值由本申请而定。缩颈38的直径非常小时会产生相当大的摩擦损耗(参见M.J.lighthill的流体中的波第135页，剑桥大学出版社，1978)，而缩颈38的直径大时不会使内部谐振器72b、76b得到强声感。
谐振器72、76中的流体可以是气、油或水。水是最好的流体，这是因为其动粘滞度低，因而使谐振器72、76中的摩擦损耗相对较低。
总之，我们能够理解，根据θ方程式7b和8分别确定声容器的输入阻抗Zc、谐振器的输入阻抗ZR、θ量包含该声容器谐振腔34或第一谐振器谐振腔34a的有效长度因素。为了控制管波优势度的影响，方程式7b或8可以被用来确定为了在或者接近装置的端部产生近于零的阻抗以及声压零位所需的声容器或谐振器谐振腔有效长度。另一方面，方程式6a-6c可以用来确定两个声源22、26离开中间声源24的所需定位距离，以便通过破坏性的干扰控制管波优势度的影响。
下面的系列关系式用于说明在谐振频率和非谐振频率下所辐射的能量对于一给定的声流怎样可以达到最大，在这种情况下，中间声源24感受大的输入阻抗、方程式5c利用环绕震源的声压P0，确定以P波和S波形式向地下构造11中辐射的功率WRad，而方程式5d将P0和靠近声源处所看到的阻抗Z0联系起来。方程式9a根据声容C确定Z0，该声容C与被此串联的声阻R和声感l的组合相并联。方程式7a根据声容(确定声容器输入阻抗Zc，并因此可以用来将对Zc的另一个表达式(方程式7b)和用于确定Z0的声容项(在方程式9a)联系起来，ZC是根据该声容器谐振腔34的有效长度l来确定的。回顾P0＝Z0×I0(方程式5d)，我们可以看到，为了在环绕声源的中心处使声压P0最大所需的声容器谐振腔34的有效长度，可以由来自中间声源24的一个给定的声流I0来确定。
上面讨论的各关系式对于上面简要介绍的各种类型的实施例最适用。然而，在确定用于使装置的能效达最大的具体装置的时候，本领域的熟练技术人员都知道，另外的实施例可能得到不同的结果或需要不同的表达式。例如，上面使用的某些表达式的形式将在下述情况下变化，如在使用不同类型的声容器/谐振器的情况下，或在声容器/谐振器包含气体或气体和液体的混合而不是液体的情况下。尽管如此，上面概述的基本工作原理将保持不变。
此外，端部声容器32a、36a或谐振器72a、76a或内部声容器32b、36b谐振器72b、76b，它们的容量可以变化调节或“调谐”于各管波频率范围内，以便生成为了产生相对声压的或者最大值或最小值的所希望的声阻抗，这些装置对实施本发明并不是实质性的。例如，在仅对一个固定的谐振频率要求辐射能量，那么调谐能力可能就不是必须有的。此外，内部声容器32b、36b或谐振器72b、76b的声容C可以不使用可动的内部活塞33来“调谐”以使P0达到最大。
在说明工作原理时已经讨论了将声容C与声感L并联。然而，很显然，对那些声学工程领域中的技术人员来说，同样的原理都可以应用，其中声容C与声感l串联。C与L串联设置会出现不同的数学关系。然而，将声容与声感串联设置也能围绕每一端部声容器32a、36a或谐振器72a、76a产生零阻抗条件，并且/或维持谐振条件。按机械术语来说，并联设置通过通路使管波传入并环绕本发明装置，而串联设置仅提供一个单一通路使管波传入本发明装置。
这些和其它未予详细讨论的实施例，在本文没有介绍的特殊应用中可能提供某些好处。然而，上面讨论的和下文更详细讨论的装置的各实施例，构成了对发明人实施本发明来说是现时所知的最好方式。
下面将讨论在图1和图2中所描述的头两个实施例，它们利用第一和第二端部声源22、26或者端部声容器32a、36a或谐振器72a、76a，以便减轻上面讨论的管波优势度影响。接着是两个在图3和图4中所描述的实施例，它们另外还有或者内部声容器32b、36b或谐振器72b、76b，下文将予介绍。这两个实施例介绍了P波和S波输出怎样在一些频率即无论是谐振频率或非谐振频率的范围内达到最大并借此消除了谐振频率限制的影响。通过参阅图9、10和11、这些装置和其它显而易见的但未予介绍的装置的工作、各实施例将更容易理解，这些图使得在测井10的标识区中的声压幅值或者与纯声流I0+〔2I1/2×cos(ωD1/2/VT〕(图9)或者与声容器谐振腔34的有效长度(图10和11)建立联系。通过讨论图5所示的声源22、24、26，在图6所示的声容器32、36和在图7所示的赫姆霍兹谐振器72、76，开始对工作方式的实际介绍。
图5示意介绍适用于本发明装置的典型的声源22、24、26，它们或者作为中间声源24，或者作为端部声源22、26。一个声源可以是任何使在液体产生体积位移的装置，例如一个由液压或机电装置驱动的活塞。
典型的声源22、24、26由阀门组件60和声源缸体56组成。阀门组件60使液压油定向流入声源缸体56，以便活塞57、轴58和外部平板59往复运动。当所容活塞57和轴58往复运动时，借此使在环绕声源22、24、26的流体(未表示)中产生一体积位移。油(未表示)充满阀门组件60和声源缸体56的空余空间。
随着油通过供油孔51c进入液压缸缸体56并依次经过返回孔51a或51b而排出缸体56，引起外部平板59的往复动作。阀门组件60分别经过第一和第二缸体孔55a和55b与声源缸体的第一和第二小室56a和56b都连通。利用一个电螺线管线圈53使控制阀门轴52往复运动，该螺线管线圈依次使传动活塞54b和54c经过缸体孔55a和55b往复运动。当产生这种移动时，如图所示油进入一个缸体小室56b，这些油压迫并向对面小室56a推动缸体活塞57，如图所示。缸体活塞57朝着对面小室56a推动缸体活塞57，如图所示。缸体活塞57朝着对面小室56的移动迫使油经过其相应的缸体孔55a和返回孔51a排出缸体小室56a。当电螺线管线圈53向缸体孔56a和56b的反向侧吸引传动活塞54b和54c时，沿相反的方向重复这一油流循环。每一油流循环的连续重复产生缸体活塞57和外部平板59相应的往复动作。电螺线管线圈53连接到用于使中间声源24与端部声源22、26或控制器28(仅表示在图1和图3)同步的控制器23a(表示在图1-4)，控制器28用于在端部声源22、26之间维持相等的声流。
另外一种合适的声源由一个伺服控制的液压阀门驱动的活塞，例如由Moog(Buffalo·纽约)、E-Systems(盐湖市、犹他州)或MTS(Eden Prairie、明尼苏达州)所制造的那些。没有介绍但是适用于本发明装置的声源的其它实例包括压电晶体振荡器(例如参阅美国专利4525645和4996674)、磁致伸缩振荡器(例如参阅美国专利4682308)或者机电致动器(例如参阅美国专利4834210)。
正如前面指出的，由声源所产生的管波的速度VT在其传播过程中一般是恒定的。因此，在大多数应用场合，一般不需要单独测量VT。然而，在测井没有加固套的情况下，管波的速度可能明显改变。在这样一种情况下，将需要利用例如一种低频(即大约1千赫)单极声测井仪单独测量管波的速度。对应于这一被测速度的电信号然后可以引到适当的控制器23a、23b或28(表示在图1-4中)，下面更完整地介绍。
下面介绍端部和内部声容器32a、32b、36a、36b(一般为32、36)，应当指出，下面介绍的各实例并不是打算进行限定而是提供用说明的目的。假如能与内部声源24良好地协同工作，其它未介绍的声容器装置也可以工作，具有相同效果。最简单的固定频率的声容器的实例是一定长度的中孔管，一端开通另一端封闭。
然而如方程式7b所指出的，一个声容器输入阻抗ZC随声容器32、36所接收的管波的角频率ω的变化而变化，除非容器谐振腔34的有效长度l是变化的，来维持ZC在预期的数值上。如下面将要讨论的，将ZC维持在预定幅度上对于下两点是必不可少的，(1)产生一个零或近于零的阻抗条件并借此控制管波优势度影响以及(2)产生适当的声容C，其用于对中间声源24产生一个大的输入阻抗并借此对一给定声流使幅射效率达到最大。因此，为了产生一个最佳地震信号，在希望在某一频率范围产生P波和S波的情况下，一个可调谐的声容器32、36是较好的。然而，本申请装置确定的经济因素和性能要求倾向于采用一个或多个无源端部声容器32a、36a或谐振器72a、76a。无源声容器或谐振器指声容器32a、36a或谐振器72a、76a仅有单一的预置且预定的输入阻抗，其不随来自中间声源24的管波频率的变化而改变。
简单的可调谐声容器32、36的一个实例表示在图6。这种声容32、36最好由一定长度的中空管构成，其两端封闭。如图所示，一个或多个孔31位于在靠近管的一端的侧面上，以便使在声容器32、36内部的流体(未表示)和测井10中的流体产生声联系。能够将孔31定位在最接近中间声源24的管端的另一种方式来表示。该孔31对流体流动提供一个交流通道，借此形成一个与系统的声感和声阻相并联的声容。在某些应用中，可能希望使在声容32、36内的流体与在测井10中的流体保持分离。在这些情况下，每一个孔31可以用一个柔性膜片(未表示)来覆盖，这就使得能够建立声的联系而又防止了在声容器32、36中的流体与测井10中的流体相混合。
声容器32、36最好是可“调谐”的，这是通过利用一个其位置决定了该声容器谐振腔34的有效长度l的可调节活塞33。利用一个螺纹型驱动轴35可以使活塞33纵向沿着声容器的中心轴线37移动。最好，驱动轴35适合于沿声容器的中心轴线37在前后两个方向上来调节活塞33的位置。驱动轴35连接到一个驱动装置上，例如电动机39，该驱动装置连接到并响应于一个用于控制声容器谐振腔34的有效长度的控制器23a、23b(在图2-4上示意表示)，控制器23a、23b响应于各种声压信号信息。
如上所述，端部和中间的赫姆霍兹谐振器72a、72b、76a、76b(总称为72、76)提供一种向本发明的装置引入声容的更紧凑的装置。此外，像使用声容器32、36一样，对谐振器的输入阻抗ZR的控制和维持对控制管波优势度影响或消除谐振频率限制来说是关键性的。因此，谐振器72、76最好设计成是可调谐的，像在对声容器32、36介绍一样采用相同的方式，使得谐振器72、76能够与中间声源24的幅射管波的频率范围相适应。然而仅第一谐振器谐振腔34a的有效长度被控制，以便响应于由控制器23a、23b所接收的声压信号信息。
本发明装置最好使用“可调谐”声容器32、36或谐振器72、76，用于控制管波优势度影响。然而，在某些工作环境下，可能希望利用不可调谐的或无源声容器32、36或谐振器72、76，用于控制管波优势度影响。这种无源声容器32、36或谐振器72、76在所选频率范围中的多个频率下能产生声压零位，因而在该范围中的多个频率下大大减小了管波优势度影响，此外，可调谐声容器32、36或谐振器72、76仍然能与无源声容器32、36或谐振器72、76联合使用，以消除谐振频率限制作用或维持在所选范围中的每一频率下的谐振条件。
然而，无源声容器32、36或谐振器72、76将在一定的声压波频下产生很高的阻抗。从描述工作原理时式7b我们知道，输入阻抗ZC与θ的余切值成正比。注意θ＝(l×ω/VT)，ω＝2πf，VT＝λ×f，因此，θ可以按在声容器32、36或谐振器72、76中传播声压波的波长λ来表示。所以，θ也等于(l×2π/λ)。因而，若内部声容器32b、36b或谐振器72b、76b中的声容器谐振腔34的有效长度等于任意的λ的整数倍或整数倍的一半，θ将变成π的整数倍(即，π，2π，3π，…nπ)。π或任何其它π的整数倍的余切值是无穷大。因而，在所选的若干频率下，ZC非常大，声压波在声容器32、36或谐振器72、76周围找到一条低阻通路。在这些频率下，器械在探井中停止产生谐振振荡，辐射的能量大大下降。
在某些运行条件下，提供一种冷却装置(未表示)例如循环的冷却液体可能是可取的，以便降低在声容器32、36或谐振器72、76的长期运行期间可能产生的热效应。这样一种热效应可能使声容器32、36或谐振器72、76的性能下降，这是由于它们的元器件的热变质的结果造成的。
下面介绍本发明的第一实施例20的工作，其利用一组3个声源22、24、26来控制管波优势度影响。首先参阅图9，该曲线图对声压幅值和声流之间的相互关系提供绘图表示，是在一固定的管波频率下控制管波优势度影响情况下得到的。纵轴表示在测井10的区域A或C的管波的声压幅值，在该区域采用第一和第二端部声源22、26以便与中间声源24的输出产生破坏性的干扰效应。横轴表示对于在方程式6d中所标识的声流项的和I0+〔2I1/2×cos(ωD1/2/VT)〕的正值和负值的范围，我们称其为纯声流。在测井10范围内的声压P和其中传播的管波的声压幅值成正比。因此，当声压幅值接近于零时，那么在测井中的该特定区域内的声压也为零。
如图9中的曲线图所表示的，在测井10的区域A或C中的管波的声压幅值，在纯声流近于零的情况下也将得到一个近于零的数值。理论上，假如得到一个纯声流的零值，那么在区域A和C中的管波的声压幅值应当变为零，因此由同步声源20所产生的管波应当被完全消除。然而在实际上，声压幅值的零值一般并不可能得到，这是由于在环绕声源22、24、26的密封处的泄漏影响或者在由每一个声源22、24、26所产生的管波的角频率ω下控制器误差存在轻微的差别。因此，一般在测井10的区域A和C中维持的是不希望存在的声压幅值的某一最小值。然而，这并不明显损害本发明声源的功用。
通过使声源22、24、26各自的流体流动速率(即声流)同步，以便使在测井范围A和C中的声压幅值处在或接近图9曲线图中的最低点，由同步声源20所产生的管波在进入范围A和C之前基本上被消除。因此，由同步声源20所产生的管波的仅一小部分在测井的范围A和C中传播。当一组声源22、24、26配合工作产生一个处在或接近该最低值的综合声流时，管波优势度影响基本上被消除。
下面回过来参阅图1，讨论第一和第二端部声源22、26和位于其间的中间声源24怎样配合工作，以便消除管波优势度影响并借此为位于地表12(或在邻近测井的区域，未表示)的地声仪15产生在一些谐振频率下的增强的声信号。最好，中间声源等距离地位于二个端部声源22、26之间，但是也可以在二端部声源之间的任何一点处。此外，在某些应用场合下，可能希望使用多个中间声源24。然而为了简化对第一实施例的讨论，将讨论仅利用一个中间声源24和两个端部声源22、26的应用场合。
倘若各声源能够以一个或多个频率幅射声波并适合于容纳各工作声源的测井壁14，各声源22、24、26的特定结构和动作对同步声源20的工作来说并不是关键的。最好，中间声源24可适用于使它的能量输出能由伺服机构16a来监测和控制，而端部声源22、26可适用于至少一个控制器28，各控制器基本上与各自的流体流动速率相匹配。
配置在测井壁14中的、图1所示的伺服机构16a由第一控制器23a、声压传感器21a和联系线路25a所组成，联系线路25a用于将每一个声压传感器21a连接到第一控制器23a和中间声源24。最好每一个声压传感器21a位置分别邻近区域B的每一端，但是不应当放在区域B中。能够适用于本发明装置的典型的声压传感器21a是水中地震检波器，而一个微处理器将是一个适合的控制器23a，其用于接收由每一个声压传感器21a转换成电信号的声压信号信息。
带有联系线路29的任选的第二控制器28可以用来保证每个端部声源22、26各自的流体流动速率或声流I1、I2基本上维持恒定的数值。第二控制器28使每个端部声源22、26的流动速率同步，最好是通过经过延伸于控制器和每个声源22、26之间的联系线路29发送它的控制信号。另一方面，如果每一端部声源22、26是予编程的，使得它们各自的输出声流I1、I2在幅值上和相位上基本相等，则控制器28及其联系线路29可以被省去。
中间声源24的流体流动速率或声流I0由控制器23a来维持，以便在一些管波频率的范围内，在测井的区域A和C产生的声压P为零或近于零。然而，没有任何内部声容，仅仅某些谐振频率将会使对某一选择的声流，由中间声源24发射的能量达到最大。控制器23a响应于对由声压传感器21a经过联系线路25a向其传送的声压信号信息。利用这种信息控制23a经过联系线路27a校正中间声源24的流体流动速率I0，以便将声压幅值维持在或者接近与图9所示曲线相似的声压幅值/声流曲线的最低值。
另一方面，倘若控制器23a对流体流动速率，即对于所产生的管波的每一个频率由每一个端部声源22、26所产生的I1、I2和方程式6d的余弦项ωD1/2/VT是预编程的，那么声压传感器21a和联系线路25a可以省去。借此，控制器23a可以调节中间声源24的流体流动速率I0，以便维持方程式6d为零值或近于零值。然而，采用伺服机构16a是可取的，因为它能连续地补偿各种运行偏差(例如流体泄漏、频率差异等)。
每一个端部声源22、26最好与中间声源24基本等距离。然而，同步声源20可以工作在每个端部声源22、26与中间声源24不等距离的情况下。然而，在这样的工作条件下，端部声源22、26与中间声源24必须协同工作，以便同时满足方程6a-6c，基本上消除管波优势度影响。
如图1所指出的，区域B的长度是由第一端部声源22的外侧端部与第二端部声源26的距离所决定的。对于同步声源20或下文要讨论的同步声源的其它实施例的性能来说，端部声源22、26与中间声源24的距离不是决定性的。这一距离是按照同步声源作为一个点声源的需要来确定的。因此，区域B的长度最好取中间声源24所产生的管波波长的1/2，以便同步声源20工作在基波谐振频率或该频率的奇数倍。对于同步声源20来说这种情况是所希望的，即其工作在若干频率的一个范围内，假如端部声源22、26被纵向移动，使得根据由中间声源24所产生的管波波长，区域B或者伸长或者缩短，谐振频率的条件仍能维持。然而，最好是将内部声容以并联方式接入，以克服谐振频率限制问题。下面将在第三实施例的范围内，讨论将内部声容与声源22、24、26的耦接。
控制器23a和28可以是任何数量的，商业上可得到的以微处理机为基础的器件，这点对本技术领域的熟练人员是很容易明了的。因此，这些控制器本文将不进一步介绍。
在图2中表示配置在测井壁14中的同步声源的第二实施例30。该实施例包含一对端部声容器32a、36a或者最好是端部谐振器72a、76a和位于其间的中间声源24，它们协同工作以便基本上消除管波优势度影响，并借此在一些谐振频率下，为位于在地表12(或在环绕测井的区域中，未表示)的地声仪15产生增强的声信号。为了便于讨论，在下文在需要端部声容的慰问下，将仅介绍端部谐振器72a、72b，尽管端部声容器32a、36a可能是同样等效的。因此，设计两种类型的声容形成器件，专用于附加的说明中。
中间声源24最好与每个端部谐振器72a、76a等距离配置，不过也可以放在端部谐振器72a、76a之间的任何一点。此外，在某些应用场合下，可能希望使用多个中间声源24。然而，为了简化对第二实施例的讨论，将讨论仅使用一个中间声源和两个端部谐振器72a、76a的应用场合。
端部谐振器72a、76a减少或消除了管波优势度影响是通过产生一个零或近于零的阻抗条件，并因此，在环绕同步声源30的每个端部处和其以外产生一个声压零位。通过参照上述方程和7b，可以更好地理解零阻抗状态对在测井10中由于管波出现所引起的声压的影响。回顾在声阻抗Z和声压P之间的、由方程1表示的关系式，我们知道，P的数值和Z成正比。那么，当对于端部谐振器72a、76a的输入阻抗ZR或者对端部声容器32a、36a的输入阻抗ZC接近零时，从环绕同步声源30的每个端部处和其以外所观察的对应声压也接近零。例如，通过分析方程7b我们知道，在(l×ω/VT)的余切等于零的情况下，声容器的输入阻抗ZC将等于零。对于π/2或它的任何奇数倍(即，3π/2、5π/2等)余切项将等于零。
通过参阅图8，θ的余切与θ(即l×ω/VT)的关系曲线图，以作图方式说明了对于处在或围绕π/2的数值或者对π/2的奇数倍的数值，该余切项怎样为零或近于零。此外，管波的速度VT对于任何具有加固套管的给定的测井来说是近于恒定的(即几乎与地下构造P波和S波速度以及构造密度是无关的)。对于通过水或钻井液体传播的管波，VT一般是大约4500英尺/秒。因此，对于每一个管波角频率ω，可以调节声容器的有效长度l，以便实现余切项(l×ω/VT)等于或大约等于π/2或其奇数倍，借此产生一个零或近于零的输入阻抗条件。因此，在所有频率范围内，管波优势度影响被控制。然而从先前的讨论回顾;只有一个具有对应波长为装置长度的两倍的预定ω将产生一个谐振频率。因此，仅在所选择的一些谐振频率下，对于一给定的声流的幅射功率将达到最大。
图10对在测井10中的区域A和C的、具有固定的角频率ω的管波的声压幅值(沿纵轴绘制)对一端部声容器的有效长度l(沿X轴绘制)的关系曲线以绘图方式说明。如曲线图所指出的，该曲线具有一个最低点，其Y座标近于零。那么对该最低点的相应X座标是一个有效长度，其对于余切项(l×ω/VT)产生一个大约为π/2的数值。如在第一实施例讨论期间所述，只有理想的元器件和工作条件方能得到理论上的零管波声压幅值。然而，在实际上，端部声容器32a、36a或端部谐振器72a、76a的缸壁弹性以及流体泄漏现象都能干扰获得一个零输入阻抗ZC或ZR，以及因此产生的零声压幅值。因此，在图10中描述的曲线表示了在区域A和C，管波的最小声压幅值近于零但不是零。
因为在测井10中的一指定点的声压幅值与在该点的阻抗成正比，因此，最小声压幅值可以利用一个近于零的阻抗来维持。正如上面所指示的，这个近于零的阻抗最好通过改变声容器谐振腔34的有效长度，以便使(l×ω/VT)的数值接近或大约等于π/2来维持。在具有一个端部谐振器72a、76a的情况下，输入阻抗ZR接近于零，其时方程8的分子接近零。这样一个装置是较好的，其用于监测围绕装置的端部的声压，作为是在该区域内的阻抗指示器，并借此控制第一谐振器谐振腔34a的长度。
反过来参阅图2，伺服机构16a提供一种具有同步功能的装置，它能使端部谐振器72a、76a或端部声容器32a、36a与中间声源24同步，以便在区域A和C产生一个近于零的声压幅值。该伺服机构16a包含声压传感器21a、控制器23a和联系线路25a，该机构最好用于对每一个端部声容器32a、36a维持一个近于零的输入阻抗ZC，对每一个端部谐振器72a、76a维持一个近于零的输入阻抗ZR。
控制器23a响应于由声压传感器21a经过联系线路25a发送到控制器23a的声压信号信息，控制声容器谐振腔34或第一谐振器34a的有效长度。当在区域A或C中的管波的声压幅值增加超过某一相对最低点或环绕这个最低点的一个区域时，如在图10中所标志的，控制器23a调节声容器谐振腔34或第一谐振器谐振腔34a的有效长度，以便恢复最低声压状态。这种由伺服机构16a所进行的连续监测和控制可以在由中间声源24所产生的管波频率的范围内进行。
另一方面，伺服机构可以被省去，每一个端部声容器32a、36a或谐振器72a、76a能够对由中间声源24所产生的管波的每一个角频率和扫描速率预编程，按照该扫描速率产生角频率。因为VT是近于恒定的(即大约4500英尺/秒)以及管波角频率ω可以被预定，每一个端部声容器谐振腔32a、36a的有效长度l可以预编程，以便产生一个近于零的输入阻抗条件。理论上，这种预编程技术也应当对于在测井10中的区域A和C的管波维持一个相对最小的声压幅值。然而，在同步声源30的使用寿命范围内，各种运行偏差将会出现，例如声容器泄漏和缸壁弹性作用随时间变得更明显。例如，当这些因素变得更明显时，在方程7b中所表达的相对关系精确度会下降并因此使得在声容器谐振腔34或第一谐振器谐振腔34a的有效长度与输入阻抗ZC或ZR之间的校正的可靠程度会下降，因此，利用端部声容器32a、36a或谐振器72a、76a的同步声源最好是利用能控制这样一些器件的伺服机构16a来组装。
下面转过来讨论克服谐振频率限制问题，我们分析同步声源的第三和第四实施例40和50，它们分别配置在测井壁14中并由图3和图4描述。关于控制管波优势度影响，这些实施例40和50中的每一个工作情况基本上分别与在第一和第二实施例20和30所介绍的相应对应物相同。第三和第四实施例40和50，另外使用内部声容器32b、36b或者最好是内部谐振器72b、76b，它们与中间声源24协同工作，以便基本上克服频率限制问题。这样的声容器32b、36b或谐振器72b、76b借此能使装置40或50，在非谐振频率以及谐振频率下为地声仪15产生增强的声信号，各地声仪15位于地表12上，邻近测井的至少一处(未表示)或者在包含该装置40或50的测井中。
因此，对于第三和第四实施例工作的如下介绍将集中在将内部声容引入到同步声源40、50。这种内部声容以内部声容器32b、36b或者最好是内部谐振器72b、76b的形式引入，以便产生一个由中间声源24所感受的大输入阻抗Z0。这一大的输入阻抗因此使得中间声源24，对一给定的声流，在非谐振频率以及谐振频率下将它的能量输出达到最大。中间声源24最好其位置与每个内部谐振器72b、76b等距离，不过也可以位于内部谐振器72b、76b之间的任何一点上。此外，在某些应用场合下，可能希望使用多个中间声源24或者仅使用单个的内部谐振器72b或76b。然而，为了简化讨论，将仅利用一个中间声源和两个内部谐振器72b、76b来讨论第三和第四实施例。
如先前所讨论的，谐振器72a、72b、76a、76b(如图7所示)是较好的，因为它们比简单的声容器32a、32b、36a、36b(如图6所示)更紧凑。除了论及如在图10和图11所示的声容器谐振腔34的有限长度以外，下面介绍一般将仅涉及谐振器72a、72b、76a、76b。此外，声容器32a、32b、36a、36b和本技术领域中的熟练人员所公知的其它声容器也可以用于构成基本上具有等同效果的同步声源40、50。
从方程9a、9c和9e，我们知道，通过与相互串联的声阻和声感以并联方式接入一个内部声容，由中间声源24所感受的输入阻抗或Z0变得很大。此外，由方程5d我们知道，在由中间声源24侧所看的声压P0和Z0之间存在直接的关系。因此，内部谐振器72b、76b通过监测围绕中间声源24的声压和利用所检测的声压而能够进行控制，以便控制用于产生为使P0最大所需的声容C的第一谐振器谐振腔34a的有效长度。另一方面，在第一谐振器谐振腔34的有效长度为固定的情况下，介于中间声源24和内部谐振器72b、76b之间的距离可以进行控制，以便产生一个对于一给定的声流使P0达到最大所需的声容。
图11提供了在测井10的区域B中具有固定角频率ω的管波的声压幅值(在纵轴上表示)对内部声容器谐振腔34的有效长度l(在横轴上表示)的关系曲线的图形说明。如该曲线图所表示的，该曲线具有一个对应于在区域B中的声压幅值的最大值点，在该点声容器谐振腔34或第一谐振器谐振腔34a的有效长度产生一个对于一给定的声流的、由中间声源24所感受的最大输入阻抗Z0。从上面关于工作原理的讨论使我们回想起，当声容C接近该项l(R2+ω2l2)的数值时，声抗X接近于零(见方程9d)。因此，在下面讨论的实施例中，当对于给定的声流，Z0达到最大时，方程5c的声抗项X近于零。
图3示意地表示内部谐振器72b、76b怎样围绕中间声源24配置，用以提供一个内部声容C，其与相互串联的声感和声阻相并联，以便产生一个近于零的声抗X。由于孔31的存在(见图6和图7)提供一个并联的声容，孔31提供第二个流体流动通道。因此，流体可以同时流动通过围绕该声容器的环形区域并进入内部谐振器72b、76b。
如上面所指出的，在这些优选实施例中，当Z0达到最大，声抗X理论上为零。然而，由于声容器或谐振器泄漏和缸壁弹性问题，要得到一个零阻抗是很难办到的。
在实际上，对于一给定的声流，维持最大阻抗Z0最好是通过利用一个伺服机构16b来控制第一和第二内部谐振器72b、76b。如上面所讨论的，伺服机构16b由两个声压传感器21b，位于在其间的控制器23b和用于将控制器23b与每个内部谐振器72b、76b连接的联系线路25b所组成，用于控制内部谐振器72b、76b的伺服机构16b的元器件在结构上基本上相似于在第一和第二实施例中用于如上所述的伺服机构16a的那些元器件。然而，伺服机构16b是编程控制的，以便对内部谐振器72b、76b进行控制，对于一给定的声流使Z0达到最大，而伺服机构16a被编程，以便或者控制中间声源24或者控制端部谐振器72a、76a，减少管波优势度影响。伺服机构16a和16b以及它们各自的声元件最好彼此独立地工作，使得管波优势度影响和Z0可以独立地进行控制。
参阅图3，声压传感器21b位于在测井10的区域B中，最好靠近它的中心。每一个声压传感器21b分别位于在中间声源24和内部谐振器72b、76b之间。此外，每一个内部谐振器72b、76b必须位于在中间声源24和一个端部声源22、26之间。每一个内部谐振器72b、76b最好与中间声源24基本上等距离。然而，同步声源40、50可以与每个内部谐振器72b、76b一起运行，而谐振器与中间声源24具有不同的距离。
每个内部谐振器72b、76b响应于由控制器23b经过联系线路25b所发送的控制信号。由控制器23b所产生的控制信号其产生是响应于由在测井10的区域B中的声压传感器21b所探测的声压所形成的信号。
正如上面所讨论的，我们知道，当在测井10的区域B中，对于一给定声流的声压幅值为最大时，Z0和P0达到最大。当声压传感器21b在测井10的区域B中探测到一个降低的声压，相应的信号经过联系线路25b发送到控制器16b。响应于来自声压传感器21b的信号，控制器23b发出一些信号到每一个内部谐振器72b、76b，用于调节每个谐振器的第一谐振器谐振腔34的有效长度l1。来自控制器23b的这些信号调节第一谐振器谐振腔的有效长度l1，以便根据方程9d产生一个声容，根据方程9e产生Z0。因此，当声压传感器21b探测到在区域B中的声压的下降值时，控制器23b提供适当的信号，用于调节第一谐振器谐振腔的长度，并借此调节每个内部谐振器72b、76b的声容，以便对于一给定的声流将Z0以及因此将P0维持在其最大值。
在第三和第四实施例的情况下，使P0最大保证了中间声源24能够使所幅射的能量，对于给定的声流，对于非谐振的以及谐振的频率都达到最大。同时，管波优势度影响被控制，在第三实施例中是通过控制中间声源24的声流以及使该声流与端部声源22、26的声流同步，以便形成破坏性的干扰作用，正如在第一实施例中所介绍的。在第四实施例的情况下，管波优势度影响被控制是通过将每个端部谐振器72a、76a的输入阻抗ZR维持为零或近于零。如在第二实施例中所讨论的。
尽管不是优选的，就像在第一和第二实施例中所讨论的，没有某些元器件，本发明也可运行。例如，同步声源的第三和第四实施例40和50，没有伺服机构16a、16b、控制器28和联系线路29也可以运行。在这样一种情况下，内部谐振器72b、76b、中间声源24和端部声源22、26或端部谐振器72a、76a对声源24产生的每一个频率是预编程的，以便产生为使Z0达到最大所需要的内部声容和所需的声流I0或输入阻抗ZR，用来控制管波优势度影响。
如在描述工作原理时所讨论的，通过控制声容器谐振腔34的有铲长度l，能维持探井流体(未示出)和内部声容器32b、36b或谐振器72b、76b间的谐振条件。从该讨论可知，有两种方法能用来使中间声源24产生的频率带宽达到最大跳变法和连续法。这两种方法都适用于采用内部声容维持在由某一起始频率fmin和某一最终频率所限定的带宽中的所有频率下的谐振条件的本发明装置的任何实施例，其中fmin小于半波谐振频率fR，fmax大于fR。
为使讨论简单，在工作描述中将采用简单内部声容器32b、36b。如前在讨论图8C时所述，在跳变法的情况下，l1的范围从某一预定长度X到零，每一l1对应于带宽的第一部分中的某一频率f，fmin≤f≥fR。而后l1的值增大到某一预定长度Y，Y大于X并且其范围从Y到Y-X，每一l1对应于带宽的第二部分中的某一频率f，其中fR≤f≥fmax。
回到图6，可调活塞33置于声容器谐振腔34中的一点上，以使l1＝X，其提供声容Cmax，用于产生在fmin下的谐振条件。当中间声源24上升到更高的频率时，可调活塞33逐渐移向孔31以逐渐产生较小的正声容，维持每一频率下的谐振条件。当中间声源24达到半波谐振频率fR时，每一内部声容器32b、36b产生的内部声容和l1为零。达到fR后，可调活塞“跳”回某一距离以产生l1＝Y＝VC/2fR，其中VC是声容器34中管波的速度。可调活塞33再一次逐渐移向孔31，以逐渐产生较大的负声容，维持在高达fmax的每一频率下的谐振条件。当l1＝Y-X时，内部声容器32b、36b将产生所需的声容-Cmax，维持在fmax下的谐振条件。
回到图8C，注意在连续法的情况下，l1的范围从某一预定长度Y+X到Y。每一l1对应于在带宽第一部分中的某一频率f，其中fmin≤f≥fR。在带宽的第二部分，fR≤f≥fmax，每一l1分别对应y到y-x中的一个长度。
回到图6，可调活塞33置于声容器谐振腔34中的一点上，使l1＝Y+X，其提供的声容Cmax用于产生在fmin下的谐振条件。当中间声源24上升到更高的频率时，可调活塞33逐渐移向孔31，以逐渐产生较小的正声容，维持在每一频率下的谐振条件。当中间声源24达到半波谐振频率fR时，每一内部声容器32b、36b产生的内部声容为零且l1＝Y。在达到fR后，可调活塞33继续逐渐移向孔31，以逐渐产生较大的负声容，维持在高达fmax的每一频率下的谐振条件。当l1＝y-x时，内部声容器32b、36b将产生所需的声容-Cmax，维持在fmax下的谐振条件。如前所述，声感是正的虚数阻抗，声容是负的虚数阻抗。因而，我们可以说，声感是负声容。为了方便起见，我们将这样的声感作为负声容。
图3和4中的伺服机构16b用来使可调活塞33的运动与中间声源24产生的频率同步，以维持在fmax和fmin间所有带宽频率下的谐振条件。伺服机构工作的详细说明参见第3和第4实施例中的讨论。
下表提供了利用连续法或跳变法改变声容以产生谐振声容，在不同的带宽范围内，声容器谐振腔34产生在fmin＝50Hz下的谐振条件所需的最大长度。注意，VC是声容器谐振腔34中管波的速度，随该谐振腔中所含流体的组分而变。此外，通过优化赫姆霍兹谐振器72、76的设计，该谐振器的总长度能够为简单声容器谐振腔34所需最大长度的二分之一至四分之一。赫姆霍兹谐振器的紧凑程度取决于谐振器72、76的特殊设计。
用于声容器中各种流体的最大有效长度与50Hz的最小频率

应注意，可能需要一个辅助箱附于器械上，作为内部声容器32b、36b的延伸部分，以减小它们的整体长度，在本发明装置的紧凑性非常重要的地方满足一定的探井限制。然而，这并不需要用于赫姆霍兹谐振器的设计。
对本发明的优选实施例和实施方式已经作了介绍。应当理解，上述仅是说明性的，不脱离如下权利要求书限定的本发明的实际保护范围的其它装置和技术都可以被采用。另外，在各优选实施例中所使用的各元器件可以进行综合以产生另外的实施例。例如，同步声源的第五实施例(未表示)可以利用一个端部声源22或26(如图1和图3所示)以及一个端部声谐振器72a或76a(如图2和图4所示)来构成。此外，这样一个第五实施例还可以包括一个或多个内部声谐振器72b、76b(如图3和图4所示)。因此，这样一个实施例，在一端通过在中间声源之间建立一个破坏性的干扰条件，在另一端通过建立一个近于零的阻抗条件，产生一个近于零的声压零位。
权利要求
1.一种用于在测井中产生地震波的装置，所述装置具有纵向隔开的第一和第二端部，所述装置包括a)至少一个中间声源，其具有输入阻抗，用于在所述测井中产生声压波，每一个所述声压波具有对应的声压幅值和声流，所述中间声源位于在所述纵向端部之间；b)第一和第二端部装置，其位置分别位于在所述第一和第二纵向端部，并且，适合于在接近所述第一和第二纵向端部处，产生至少一个局部的声压零位；c)至少一个内部声容器，其介于所述纵向端部之间，每个所述的内部声容器具有一个可变的内部声容器输入阻抗；以及d)同步装置，用于使所述中间声源的声压波与所述内部声容器的输入阻抗同步，使得所述中间声源输入阻抗显著地达到最大。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述内部声容器是赫姆霍兹谐振器。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于还包括同步装置，用于使所述中间声源的工作与所述第一和第二端部装置的工作同步，使得在邻近所述第一和第二纵向端部处，所述至少一部分的中间声源声压波的所述声压幅值基本上等于零，借此使至少一部分的所述中间声源声压波不会通过所述测井在所述纵向端部以外传播。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在邻近所述第一和第二纵向端部处，基本上所有的所述中间声源声压波的声压幅值大约为零，借此使基本上所有的所述中间声源声压波不会通过所述测井在所述纵向端部以外传播。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一和第二端部装置中的每一个都是端部声容器，用于产生所述局部声压零位。
6.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一和第二端部装置中的每一个都是端部声容器，用于产生所述局部声压零位。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于所述每一个端部声容器是一个赫姆霍兹谐振器，具有可变的声容器输入阻抗。
8.如权利要求3所述的装置，其特征在于所述第一和第二端部装置中的每一个是一个端部声源，用于产生一些与所述中间声源声压波产生显著的破坏性的干扰的端部声源声压波，借此产生所述局部声压零位。
9.如权利要求3所述的装置，其特征在于所述第一端部装置是一个端部声源，用于产生一些与所述中间声源声压波产生显著的破坏性的干扰的端部声源声压波，借此在接近所述第一纵向端处产生所述局部声压零位，以及所述第二端部装置是一个端部声容器，用于在邻近所述第二纵向端部处产生所述局部声压零位。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于所述端部声容器是一个赫姆霍兹谐振器，其有可变声容器输入阻抗。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于对于在高达约两倍于所述中间声源与所述内部声容器间的谐振频率的频率范围内的每一波长，所述中间声源输入阻抗都基本上达到最大值。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于至少一个端部装置是无源的。
13.如权利要求11所述的装置，其特征在于所述第一和第二端部装置的每一个是无源声容器，用于产生所述局部声压零位。
14.如权利要求12所述的装置，其特征在于还包括用于使所述中间声源的工作与所述第一装置的工作同步的装置，其中，a)所述第一端部装置是端部声源，用于产生端部声源声压波，该声压波与所述中间声源声压波产生破坏性干扰，因而在所述第一纵向端部附近产生所述局部声压零位;b)所述第二端部装置是无源声容器，用于在所述第二纵向端部附近产生所述局部声压零位。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于所述无源声容器是赫姆霍兹谐振器。
16.如权利要求12所述的装置，其特征在于在高达约两倍于所述中间声源和所述内部声容器间的谐振频率的频率范围内，中间声源输入阻抗基本上达到最大值。
17.如权利要求12所述的装置，还包括用于使所述中间声源的工作与所述第一和第二端部装置的工作同步的装置，以便使所述中间声源声压波的至少一部分的所述声压幅值在所述第一和第二纵向端部处基本上为零，因而至少所述中间声源声压波的一部分不通过所述探井在所述纵向端部以外传播，并且对高达约两倍于所述中间声源和所述内部声容器间的谐振频率的频率范围内的每一波长，所述中间声源输入阻抗基本上达到最大值。
全文摘要
一种用于产生高信噪比地震波的装置。通过在环绕具有一个中间声源的装置的第一端周围和其以外处产生近于零的声压条件，在基波谐振频率和其倍频下产生被增强的信号。这种近于零的声压条件的建立最好是通过或者(1)利用两个端部声源与位于其间的第三声源的声输出产生破坏性的干扰作用，或者(2)利用两个有源或无源端部声容器或谐振器，在装置的每一端部产生近于零的阻抗条件。
文档编号G01V1/02GK1100492SQ94115000
公开日1995年3月22日 申请日期1994年8月5日 优先权日1993年8月6日
发明者格瑞哈姆·A·威博 申请人:埃克森生产研究公司