RU2744717C1

RU2744717C1 - Acoustic borehole radiator

Info

Publication number: RU2744717C1
Application number: RU2020102171A
Authority: RU
Inventors: Сергей Александрович Турко
Original assignee: Сергей Александрович Турко
Priority date: 2020-01-20
Filing date: 2020-01-20
Publication date: 2021-03-15

Abstract

FIELD: geophysics; applied acoustics.SUBSTANCE: acoustic borehole radiator belongs to the field of geophysics and applied acoustics and can be used for cross-well acoustic transmission, obtaining information about the internal structure of a rock mass in the inter-well space when inspecting buildings and structures. An acoustic borehole radiator has a part (1) of an acoustic borehole radiator, which is run down into the well, an N-position switch (2), a power amplifier (3), a null element (4), a frequency divider (5) with a division ratio of N/2, the first key (6), the second key (7), a controlled inverter (8), a 2n-1- bit cyclic shift register (9), a two-input adder (10), a trigger (11), multipliers (12).EFFECT: technical result consists in increasing the accuracy of assessing the internal structure of the rock mass in the inter-well space when examining buildings and structures in the course of inter-well acoustic transmission.1 cl, 10 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области геофизики и прикладной акустики и может быть использовано для межскважинного акустического просвечивания, получения информации о внутреннем строении массива пород в межскважинном пространстве, при обследовании зданий и сооружений.The invention relates to the field of geophysics and applied acoustics and can be used for cross-well acoustic transmission, obtaining information about the internal structure of the rock mass in the cross-well space, when inspecting buildings and structures.

Известен акустический скважинный излучатель, содержащий активные модули в виде пьезопакетов с торцевыми накладками, стянутыми центральными шпильками, размещенные по оси жесткого герметичного цилиндрического корпуса, заполненного электроизоляционной жидкостью и звукопрозрачного, по крайней мере, в области промежутков между модулями, пружинные элементы, механически скрепляющие между собой торцы соседних модулей и торцы концевых модулей с торцевыми крышками корпуса, при этом гибкость каждого пружинного элемента более чем на порядок превышает гибкость объема электроизоляционной жидкости в промежутке между активными модулями, и источник питания, электрически соединенный с излучателем, N по числу пьезопакетов акустически мягких цилиндрических экранов, размещенных между боковой поверхностью пьезопакетов и внутренней поверхностью жесткого герметичного цилиндрического корпуса, торцевые накладки выполнены частотопонижающими таким образом, что эффективная скорость звука, определяющая частоту продольного резонанса в пьезопакетах с торцевыми накладками, составляет (1,2-1,3)С, где С - скорость звука во внешней рабочей среде, расстояние между торцевыми накладками соседних модулей и торцами концевых модулей и торцевыми крышками корпуса составляет (0,2-0,25)λ, где λ - длина волны акустического излучения во внешней рабочей среде, а источник питания подключен к излучателю посредством усилителя мощности, который выполнен с симметричным выходом и снабжен N-позиционным коммутатором, создающим тип фазовой манипуляции напряжения, описываемый N функциями Уолша, первые N входов-выходов которого соединены с электрическими входами-выходами N-пьезопакетов, а второй симметричный выход усилителя мощности соединен с симметричным вторым входом Аппозиционного коммутатора, причем N позициям коммутатора соответствуют N законов фазовой манипуляции звукового давления в (N+1) звукопрозрачных промежутках жесткого герметичного цилиндрического корпуса, а расстояние между центрами звукопрозрачных промежутков равно (0,8-0,85)λ (см. патент на изобретение №2276475 «Акустический скважинный излучатель», опубликовано 10.05.2006, по заявке 2004129032/28 от 04.10.2004, кл. H04R 1/44).Known acoustic borehole emitter containing active modules in the form of piezo packets with end plates tightened by central pins, placed along the axis of a rigid sealed cylindrical body filled with an electrically insulating liquid and sound-transparent, at least in the area of gaps between the modules, spring elements mechanically fastening together the ends of adjacent modules and the ends of end modules with end caps of the housing, while the flexibility of each spring element is more than an order of magnitude greater than the flexibility of the volume of the insulating liquid in the gap between the active modules, and the power source electrically connected to the emitter, N according to the number of piezo packets of acoustically soft cylindrical screens placed between the lateral surface of the piezo packets and the inner surface of the rigid sealed cylindrical body, the end plates are frequency-reducing in such a way that the effective speed of sound, which determines the frequency of the resonance in piezo packets with end plates is (1.2-1.3) C, where C is the speed of sound in the external working environment, the distance between the end plates of adjacent modules and the ends of the end modules and the end covers of the case is (0.2- 0.25) λ, where λ is the wavelength of acoustic radiation in the external working environment, and the power source is connected to the emitter by means of a power amplifier, which is made with a balanced output and is equipped with an N-position switch that creates a type of voltage phase shift keying described by N Walsh functions , the first N inputs-outputs of which are connected to the electrical inputs-outputs of N-piezo packets, and the second symmetrical output of the power amplifier is connected to the symmetrical second input of the App position switch, and N positions of the switch correspond to N laws of phase manipulation of sound pressure in (N + 1) sound-transparent intervals rigid sealed cylindrical body, and the distance between the centers of the sound-transparent gaps is equal to (0.8-0.85) λ (see. patent for invention No. 2276475 "Acoustic borehole radiator", published on 05/10/2006, by application 2004129032/28 dated 10/04/2004, class. H04R 1/44).

Недостатком данного акустического скважинного излучателя является низкая точность оценки внутреннего строения массива пород в межскважинном пространстве, при обследовании зданий и сооружений в ходе межскважинного акустического просвечивания. Низкая точность обусловлена использованием излучаемых акустических сигналов с фазовой манипуляцией напряжения, описываемых N функциями Уолша, обладающих плохими автокорреляционными свойствами.The disadvantage of this acoustic borehole transducer is the low accuracy of assessing the internal structure of the rock mass in the inter-well space, when inspecting buildings and structures in the course of cross-well acoustic transmission. Low accuracy is due to the use of emitted acoustic signals with phase shift keying of voltage, described by N Walsh functions, which have poor autocorrelation properties.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является акустический скважинный излучатель, содержащий активные модули в виде пьезопакетов с торцевыми накладками, стянутыми центральными шпильками, размещенные по оси жесткого герметичного цилиндрического корпуса, заполненного электроизоляционной жидкостью и звукопрозрачного, по крайней мере, в области промежутков между модулями, пружинные элементы, механически скрепляющие между собой торцы соседних модулей и торцы концевых модулей с торцевыми крышками корпуса, при этом гибкость каждого пружинного элемента более чем на порядок превышает гибкость объема электроизоляционной жидкости в промежутке между активными модулями, и источник питания, электрически соединенный с излучателем, N по числу пьезопакетов акустически мягких цилиндрических экранов, размещенных между боковой поверхностью пьезопакетов и внутренней поверхностью жесткого герметичного цилиндрического корпуса, торцевые накладки выполнены частотопонижающими таким образом, что эффективная скорость звука, определяющая частоту продольного резонанса в пьезопакетах с торцевыми накладками, составляет (1,2-1,3)С, где С - скорость звука во внешней рабочей среде, расстояние между торцевыми накладками соседних модулей и торцами концевых модулей и торцевыми крышками корпуса составляет (0,2-0,25)λ, где λ - длина волны акустического излучения во внешней рабочей среде, источник питания подключен к излучателю посредством усилителя мощности, который выполнен с симметричным выходом и снабжен Аппозиционным коммутатором, создающим тип фазовой манипуляции напряжения, описываемый N функциями Уолша, второй симметричный выход усилителя мощности соединен с симметричным вторым входом Аппозиционного коммутатора, а расстояние между центрами (N+1) звукопрозрачных промежутков жесткого герметичного цилиндрического корпуса равно (0,8-0,85)λ, нуль-орган, делитель частоты с коэффициентом деления N, N - разрядный двоичный счетчик, N - разрядный регистр сдвига и N управляемых инверторов, причем N выходов коммутатора соединены с информационными входами соответствующих управляемых инверторов, выходы которых подключены к электрическим входам соответствующих пьезопакетов, последний выход Аппозиционного коммутатора (функции Уолша на выходах коммутатора упорядочены по числу знакоперемен) подключен к входу нуль-органа, выход которого соединен со сдвигающим входом N - разрядного регистра сдвига и входом делителя частоты с коэффициентом деления N, выход делителя частоты с коэффициентом деления N подключен к управляющему входу записи N - разрядного регистра сдвига и счетному входу N - разрядного двоичного счетчика, информационные выходы разрядов N - разрядного двоичного счетчика подключены к соответствующим информационным входам N - разрядного регистра сдвига, выход старшего разряда N - разрядного регистра сдвига подключен к управляющим входам всех управляемых инверторов (см. патент на изобретение №2453677 «Акустический скважинный излучатель», опубликовано 20.06.2012, бюл. №17, по заявке 2011104839/28 от 09.02.2011, кл. Е21В 28/00).The closest in technical essence to the proposed invention is an acoustic borehole emitter containing active modules in the form of piezo packets with end plates tightened by central pins, located along the axis of a rigid sealed cylindrical body filled with an electrically insulating liquid and sound-transparent, at least in the area of gaps between the modules , spring elements that mechanically fasten together the ends of adjacent modules and the ends of end modules with end caps of the housing, while the flexibility of each spring element is more than an order of magnitude greater than the flexibility of the volume of electrical insulating liquid in the gap between the active modules, and a power source electrically connected to the emitter, N according to the number of piezo packets of acoustically soft cylindrical screens located between the lateral surface of the piezo packets and the inner surface of a rigid sealed cylindrical body, the end plates are frequency-reducing so in such a way that the effective speed of sound, which determines the frequency of longitudinal resonance in piezo packets with end plates, is (1.2-1.3) C, where C is the speed of sound in the external working environment, the distance between the end plates of adjacent modules and the ends of the end modules and end caps of the housing is (0.2-0.25) λ, where λ is the wavelength of acoustic radiation in the external working environment, the power source is connected to the emitter by means of a power amplifier, which is made with a symmetrical output and is equipped with an App position switch that creates a type of phase voltage manipulation described by N Walsh functions, the second symmetrical output of the power amplifier is connected to the symmetrical second input of the App position switch, and the distance between the centers (N + 1) of the sound-transparent spaces of the rigid sealed cylindrical body is equal to (0.8-0.85) λ, zero- organ, frequency divider with division factor N, N - bit binary counter, N - bit shift register and N controlled inverters, and the N outputs of the switch are connected to the information inputs of the corresponding controlled inverters, the outputs of which are connected to the electrical inputs of the corresponding piezo packets, the last output of the Appositional switch (the Walsh functions at the outputs of the switch are ordered according to the number of alternating signs) is connected to the input of the zero-organ, the output of which is connected to the shifting the input of the N - bit shift register and the input of the frequency divider with the division factor N, the output of the frequency divider with the division factor N is connected to the control input of the record of the N - bit shift register and the counting input of the N - bit binary counter, the information outputs of the bits of the N - bit binary counter are connected to the corresponding information inputs of the N - bit shift register, the output of the most significant bit of the N - bit shift register is connected to the control inputs of all controlled inverters (see. patent for invention No. 2453677 "Acoustic borehole radiator", published on 20.06.2012, bull. No. 17, by application 2011104839/28 dated 09.02.2011, cl. E21B 28/00).

Недостатком данного акустического скважинного излучателя является низкая точность оценки внутреннего строения массива пород в межскважинном пространстве, при обследовании зданий и сооружений в ходе межскважинного акустического просвечивания. Низкая точность обусловлена применением 2^N систем из N различных (не повторяющихся) акустических сигналов, описываемых законами фазовой манипуляции, построенных на базе функций Уолша, без возможности выбора и использования сигналов с хорошими автокорреляционными свойствами.The disadvantage of this acoustic borehole transducer is the low accuracy of assessing the internal structure of the rock mass in the inter-well space, when inspecting buildings and structures in the course of cross-well acoustic transmission. Low accuracy is due to the use of 2 ^N systems from N different (non-repeating) acoustic signals described by phase shift keying laws, built on the basis of Walsh functions, without the possibility of choosing and using signals with good autocorrelation properties.

Целью изобретения является повышение точности оценки внутреннего строения массива пород в межскважинном пространстве, при обследовании зданий и сооружений в ходе межскважинного акустического просвечивания посредством использования сигналов, обладающих хорошими автокорреляционными свойствами.The aim of the invention is to improve the accuracy of assessing the internal structure of the rock mass in the inter-well space, when inspecting buildings and structures in the course of cross-well acoustic transmission through the use of signals with good autocorrelation properties.

Поставленная цель достигается тем, что в известный акустический скважинный излучатель, содержащий активные модули в виде пьезопакетов с торцевыми накладками, стянутыми центральными шпильками, размещенные по оси жесткого герметичного цилиндрического корпуса, заполненного электроизоляционной жидкостью и звукопрозрачного, по крайней мере, в области промежутков между модулями, пружинные элементы, механически скрепляющие между собой торцы соседних модулей и торцы концевых модулей с торцевыми крышками корпуса, при этом гибкость каждого пружинного элемента более чем на порядок превышает гибкость объема электроизоляционной жидкости в промежутке между активными модулями, и источник питания, электрически соединенный с излучателем, N по числу пьезопакетов акустически мягких цилиндрических экранов, размещенных между боковой поверхностью пьезопакетов и внутренней поверхностью жесткого герметичного цилиндрического корпуса, торцевые накладки выполнены частотопонижающими таким образом, что эффективная скорость звука, определяющая частоту продольного резонанса в пьезопакетах с торцевыми накладками, составляет (1,2-1,3)С, где С - скорость звука во внешней рабочей среде, расстояние между торцевыми накладками соседних модулей и торцами концевых модулей и торцевыми крышками корпуса составляет (0,2-0,25)λ, где λ - длина волны акустического излучения во внешней рабочей среде, источник питания подключен к излучателю посредством усилителя мощности, который выполнен с симметричным выходом и снабжен N-позиционным коммутатором, создающим тип фазовой манипуляции напряжения, описываемый N функциями Уолша, второй симметричный выход усилителя мощности соединен с симметричным вторым входом N-позиционного коммутатора, а расстояние между центрами (N+1) звукопрозрачных промежутков жесткого герметичного цилиндрического корпуса равно (0,8-0,85)λ, нуль-орган, делитель частоты, управляемый инвертор, причем 2ⁿ-й (последний) выход N-позиционного коммутатора (где N=2ⁿ - количество функций Уолша на выходах N-позиционного коммутатора, упорядоченных по числу знакоперемен) подключен к входу нуль-органа, выход которого соединен с входом делителя частоты, введены триггер, первый ключ, второй ключ, двухвходовый сумматор, 2^n-1 - разрядный циклический регистр сдвига и 2ⁿ умножителей, причем выход нуль-органа соединен со сдвигающим входом 2^n-1 - разрядного циклического регистра сдвига, выход делителя частоты соединен с счетным входом триггера, прямой выход которого подключен к управляющему входу первого ключа, инверсный выход триггера подключен к управляющему входу второго ключа, выходы первого и второго ключей соединены с соответствующими информационными входами двухвходового сумматора, выход двухвходового сумматора подключен к информационному входу управляемого инвертора, управляющий вход которого соединен с выходом старшего разряда 2^n-1 - разрядного циклического регистра сдвига, (2^n-1-2)-й выход Аппозиционного коммутатора подключен к информационному входу первого ключа, (2^n-1-4)-й выход N-позиционного коммутатора подключен к информационному входу второго ключа, выход управляемого инвертора подключен к первым входам умножителей группы из 2ⁿ умножителей, вторые входы i-x умножителей (где

- порядковые номера умножителей) подключены к i-м выходам N-позиционного коммутатора, выходы умножителей подключены к электрическим входам соответствующих пьезопакетов.This goal is achieved by the fact that in a known acoustic borehole transducer containing active modules in the form of piezo packets with end plates tightened by central pins, located along the axis of a rigid sealed cylindrical body filled with an electrically insulating liquid and sound-transparent, at least in the area of gaps between the modules, spring elements that mechanically fasten together the ends of adjacent modules and the ends of end modules with the end caps of the housing, while the flexibility of each spring element is more than an order of magnitude greater than the flexibility of the volume of electrical insulating liquid in the gap between the active modules, and a power source electrically connected to the emitter, N by the number of piezo packets of acoustically soft cylindrical screens placed between the lateral surface of the piezo packets and the inner surface of the rigid sealed cylindrical body, the end plates are frequency-reducing in such a way that the effective the speed of sound, which determines the frequency of longitudinal resonance in piezo packets with end plates, is (1.2-1.3) C, where C is the speed of sound in the external working environment, the distance between the end plates of adjacent modules and the ends of the end modules and the end covers of the case is (0.2-0.25) λ, where λ is the wavelength of acoustic radiation in the external working environment, the power source is connected to the emitter by means of a power amplifier, which is made with a symmetrical output and is equipped with an N-position switch that creates a type of voltage phase shift keying, described by N Walsh functions, the second symmetrical output of the power amplifier is connected to the symmetrical second input of the N-position switch, and the distance between the centers (N + 1) of the sound-transparent gaps of the rigid sealed cylindrical body is (0.8-0.85) λ, zero-organ , a frequency divider, controlled by an inverter, and the 2 ⁿ -th (last) output of the N-position switch (where N = 2 ⁿ is the number of Walsh functions at the outputs N-position switch, ordered by the number of alternating signs) is connected to the input of the zero-organ, the output of which is connected to the input of the frequency divider, a trigger, the first key, the second key, a two-input adder, 2 ^n-1 -bit cyclic shift register and 2 ⁿ multipliers are introduced , and the output of the zero-organ is connected to the shift input 2 ^n-1 - bit cyclic shift register, the output of the frequency divider is connected to the counting input of the trigger, the direct output of which is connected to the control input of the first key, the inverse output of the trigger is connected to the control input of the second key, the outputs of the first and second keys are connected to the corresponding information inputs of the two-input adder, the output of the two-input adder is connected to the information input of the controlled inverter, the control input of which is connected to the output of the most significant bit 2 ^n-1 - bit cyclic shift register, (2 ^n-1 -2) -th the output of the App position switch is connected to the information input of the first key, (2 ^n-1 -4) -th out One of the N-position switch is connected to the information input of the second key, the output of the controlled inverter is connected to the first inputs of multipliers of a group of 2 ⁿ multipliers, the second inputs of ix multipliers (where

- serial numbers of the multipliers) are connected to the i-th outputs of the N-position switch, the outputs of the multipliers are connected to the electrical inputs of the corresponding piezo packets.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого акустического скважинного излучателя. На фиг. 2 приведена схематическая конструкция опускаемой в скважину части акустического скважинного излучателя. На фиг. 3 представлен фрагмент опускаемой в скважину части излучателя с активным модулем, пружинными элементами и звукопрозрачным окном. На фиг. 4 представлены временные диаграммы, иллюстрирующие процесс формирования функции S(10,θ) в предлагаемом акустическом скважинном излучателе, на фиг. 5 представлены временные диаграммы системы функций Уолша, на фиг. 6 и фиг. 7 представлены автокорреляционные функции сигналов Уолша, на фиг. 8 представлены временные диаграммы системы функций в предлагаемом акустическом скважинном излучателе, на фиг. 9 и фиг. 10 представлены автокорреляционные функции сигналов в предлагаемом акустическом скважинном излучателе.FIG. 1 shows a block diagram of the proposed acoustic borehole transmitter. FIG. 2 shows a schematic design of a part of an acoustic borehole transmitter lowered into the borehole. FIG. 3 shows a fragment of a part of the transmitter lowered into the borehole with an active module, spring elements and a sound-transparent window. FIG. 4 shows time diagrams illustrating the process of generating the function S (10, θ) in the proposed acoustic borehole transmitter; FIG. 5 is a timing diagram of the Walsh function system; FIG. 6 and FIG. 7 shows the autocorrelation functions of the Walsh signals, FIG. 8 shows the timing diagrams of the system of functions in the proposed acoustic borehole transmitter, FIG. 9 and FIG. 10 shows the autocorrelation functions of signals in the proposed acoustic borehole transmitter.

Акустический скважинный излучатель (фиг. 1) содержит опускаемую в скважину часть 1 акустического скважинного излучателя, N-позиционный коммутатор 2, усилитель мощности 3, нуль-орган 4, делитель 5 частоты с коэффициентом деления N/2, первый ключ 6, второй ключ 7, управляемый инвертор 8, 2^n-1 - разрядный циклический регистр 9 сдвига, двухвходовый сумматор 10, триггер 11, умножители 12.An acoustic borehole transmitter (Fig. 1) contains a part 1 of an acoustic borehole transmitter lowered into the borehole, an N-position switch 2, a power amplifier 3, a null organ 4, a frequency divider 5 with a division ratio N / 2, the first key 6, the second key 7 controlled by inverter 8, 2 ^n-1 - bit cyclic shift register 9, two-input adder 10, flip-flop 11, multipliers 12.

Опускаемая в скважину часть 1 акустического скважинного излучателя (фиг. 2) и входящие в состав части 1 акустического скважинного излучателя фрагменты с активным модулем, пружинными элементами и звукопрозрачным окном (фиг. 3) содержат активные модули, выполненные в виде пьезопакетов 13. Каждый активный модуль состоит из одинаковых пьезокерамических шайб 14, склеенных через металлические электроды 15. На торцах активной части модуля имеются металлические излучающие накладки 16. Модуль вдоль оси сжат с определенным усилием центральной металлической стягивающей армирующей шпилькой 17, повышающей его механическую прочность. Шпилька 17 размещена внутри пьезопакета с минимальным зазором. Активные модули соосно размещены в металлическом корпусе 18, имеющем звукопрозрачные окна 9 Модули акустически развязаны от корпуса с помощью резиновых развязок 20, а с помощью гибких колец 21, обеспечивающих жесткую фиксацию относительного размещения модулей в корпусе 18, они образуют механически связанную цепочку. Металлические электроды каждого активного модуля электрически соединены между собой проводами 22. Первое и последнее гибкие кольца механически соединены с крышками корпуса 23. Корпус 14 герметизирован резиновыми заглушками 24, заполнен электроизоляционной жидкостью 25 и снабжен компенсатором 26. Компенсатор механически защищен колпаком 27. Между боковой поверхностью каждого пьезопакета и внутренней поверхностью корпуса 18 размещены акустически мягкие цилиндрические экраны 28, изготовленные, например, из жесткого пенопласта.Part 1 of the acoustic borehole transmitter lowered into the borehole (Fig. 2) and the fragments with an active module, spring elements and a sound-transparent window (Fig. 3) included in part 1 of the acoustic borehole transmitter (Fig. 3) contain active modules made in the form of piezo packets 13. Each active module consists of identical piezoceramic washers 14 glued through metal electrodes 15. At the ends of the active part of the module there are metal emitting plates 16. The module is compressed along the axis with a certain force by the central metal tightening reinforcing pin 17, which increases its mechanical strength. The hairpin 17 is placed inside the piezo package with a minimum gap. The active modules are coaxially placed in a metal case 18, which has sound-transparent windows 9.The modules are acoustically decoupled from the case by means of rubber isolators 20, and with the help of flexible rings 21, which provide a rigid fixation of the relative placement of the modules in the case 18, they form a mechanically connected chain. The metal electrodes of each active module are electrically connected to each other by wires 22. The first and last flexible rings are mechanically connected to the housing covers 23. The housing 14 is sealed with rubber plugs 24, filled with an electrically insulating liquid 25 and equipped with a compensator 26. The compensator is mechanically protected by a cap 27. Between the lateral surface of each of the piezoelectric package and the inner surface of the housing 18 are acoustically soft cylindrical screens 28, made, for example, of rigid foam.

Как и в прототипе (см. патент на изобретение №2453677 «Акустический скважинный излучатель», опубликовано 20.06.2012, бюл. №17, по заявке 2011104839/28 от 09.02.2011, кл. Е21В 28/00), при выборе расстояния между звукопрозрачными промежутками, равного (0,8-0,85)λ, где λ - длина волны акустического излучения в рабочей среде, коэффициент осевой концентрации акустического скважинного излучателя, определяющий эффективность направленного излучения, становится максимальным.As in the prototype (see patent for invention No. 2453677 "Acoustic borehole radiator", published on June 20, 2012, bulletin No. 17, by application 2011104839/28 dated 02/09/2011, class E21B 28/00), when choosing the distance between sound-transparent intervals equal to (0.8-0.85) λ, where λ is the wavelength of acoustic radiation in the working medium, the coefficient of axial concentration of the acoustic borehole transducer, which determines the efficiency of directional radiation, becomes maximum.

Как и в прототипе (см. патент на изобретение №2453677 «Акустический скважинный излучатель», опубликовано 20.06.2012, бюл. №17, по заявке 2011104839/28 от 09.02.2011, кл. Е21В 28/00), для реализации акустического скважинного излучателя с такими размерами необходимо также существенно снизить эффективную скорость звука, определяющую частоту продольного резонанса пьезопакета с торцевыми накладками, используя их в качестве частотопонижающих. Так, например, если торцевые накладки изготовлены из стали, а их суммарная толщина составляет (0,2-0,25) от толщины пьезопакета, то эффективная скорость звука составит (1,2-1,3)С, где С - скорость звука в рабочей среде, например в морской воде, при этом величина звукопрозрачного промежутка между торцевыми накладками должна составлять (0,2-0,25)λ.As in the prototype (see patent for invention No. 2453677 "Acoustic borehole transmitter", published on 20.06.2012, bul. No. 17, by application 2011104839/28 dated 09.02.2011, class E21B 28/00), for the implementation of an acoustic borehole of a radiator with such dimensions, it is also necessary to significantly reduce the effective speed of sound, which determines the frequency of the longitudinal resonance of the piezo package with end plates, using them as frequency-reducing ones. So, for example, if the end plates are made of steel, and their total thickness is (0.2-0.25) of the thickness of the piezo package, then the effective speed of sound will be (1.2-1.3) C, where C is the speed of sound in a working environment, for example, in sea water, while the size of the sound-transparent gap between the end plates should be (0.2-0.25) λ.

Межскважинное акустическое просвечивание (МАП) позволяет получать информацию о внутреннем строении массива пород в межскважинном пространстве (см. Применение сейсмоакустических методов в гидрогеологии и инженерной геологии. / Министерство геологии СССР; Всесоюзный научно-исследовательский институт гидрогеологии и инженерной геологии. Под ред. Н.Н. Горяинова. - М.: Недра, 1992. - 264 с., на странице 118, четвертый абзац сверху).Interwell acoustic transmission (MAP) allows obtaining information about the internal structure of the rock mass in the interwell space (see Application of seismoacoustic methods in hydrogeology and engineering geology. / Ministry of Geology of the USSR; All-Union Research Institute of Hydrogeology and Engineering Geology. Ed. By N.N. Goryainova. - M .: Nedra, 1992. - 264 p., On page 118, fourth paragraph from the top).

Межскважинное акустическое просвечивание (МАП) или межскважинное прозвучивание (МП) основано на возбуждение упругих колебаний в одной скважине и регистрации их в другой. Метод предназначен для изучения сейсмоакустических параметров прозвучивания среды в плоскости между двумя скважинами. Информационные параметры МП подразделяются на кинематические, используемые для определений фазовой скорости волн и траектории их лучей, и динамические, используемые для определения коэффициента поглощения энергии упругих волн в среде.Inter-well acoustic transmission (MAP) or inter-well sounding (MP) is based on the excitation of elastic vibrations in one well and their registration in another. The method is designed to study the seismic acoustic parameters of sounding of the medium in the plane between two wells. The informational parameters of the MF are subdivided into kinematic, used to determine the phase velocity of waves and the trajectory of their rays, and dynamic, used to determine the coefficient of absorption of the energy of elastic waves in the medium.

Аппаратура ряда МП импульсного и тонального режимов излучения предназначена для поиска и разведки рудных тел между гидронаполненными скважинами, находящимся друг от друга на расстоянии 200-300 м. Применение аппаратуры позволяет реконструировать слепые и выклинивающиеся рудные тела, коррелировать рудные подсечения, обнаруживать трещеноватости, разрывные нарушения, карсты, талики и линзы погребенного льда.The equipment of a series of MPs of pulsed and tonal radiation modes is intended for the search and exploration of ore bodies between water-filled wells located at a distance of 200-300 m from each other. The use of the equipment makes it possible to reconstruct blind and wedge-out ore bodies, correlate ore undercutting, detect fractures, ruptures, karsts, taliks and lenses of buried ice.

Межскважинное прозвучивание следует начинать по схеме синхронного перемещения по первой скважине опускаемой части излучающего акустического скважинного излучателя и приемного снаряда по второй скважине с целью получения представления о прозвучиваемом разрезе и выявления аномальных зон в исследуемом интервале глубин. Оконтуривание этих зон проводится по схеме, при которой опускаемая часть акустического скважинного излучателя устанавливается неподвижно в одной скважине, а приемник перемещается вдоль другой. Стоянка неподвижного скважинного зонда располагается выше или ниже предполагаемой неоднородности в местах сравнительного хорошего прохождения звука. Рекомендуется оставлять неподвижным скважинный звукоприемник и перемещать опускаемую часть акустического скважинного излучателя, поскольку при этом достигается наиболее высокая производительность труда. При корреляции наклонно залегающих рудных тел и определении физико-механических свойств горных пород и руд целесообразно синхронное перемещение со сдвигом опускаемой части акустического скважинного излучателя и звукоприемника по глубине (см. Методы рудной геофизики, Л., 1968; Разведка сульфидных месторождений с использованием скважинных геофизических и геохимических методов. Методическое руководство, Л., 1971; Скважинная рудная геофизика, Л., 1971; Скважинная и шахтная рудная геофизика, Справочник геофизика. Под редакцией доктора геолого-минералогических наук В.В. Бродового. - М.: Недра, 1989).Cross-well sounding should start according to the scheme of synchronous movement of the lowered part of the emitting acoustic borehole transmitter and the receiving string along the second well along the first well in order to get an idea of the sounding section and identify anomalous zones in the investigated depth interval. The contouring of these zones is carried out according to a scheme in which the descending part of the acoustic borehole transmitter is fixed stationary in one borehole, and the receiver moves along the other. The stationary wellbore station is located above or below the assumed discontinuity at relatively good sound transmission locations. It is recommended to leave the borehole sound receiver stationary and move the descending part of the acoustic borehole transmitter, since this achieves the highest labor productivity. When correlating obliquely lying ore bodies and determining the physical and mechanical properties of rocks and ores, it is advisable to synchronously move with a shift of the descending part of the acoustic borehole transmitter and sound receiver in depth (see Methods of ore geophysics, L., 1968; Exploration of sulfide deposits using borehole geophysical and geochemical methods. Methodical guide, L., 1971; Borehole ore geophysics, L., 1971; Borehole and mine ore geophysics, Handbook of geophysics. Edited by Doctor of Geological and Mineralogical Sciences VV Brodovoy. - M .: Nedra, 1989) ...

Межскважинное прозвучивание, часто осуществляется на частотах 100-3000 Гц, которые намного ниже частот акустического каротажа. Приемник содержит датчики давления и устройства корреляционной обработки принимаемых сигналов (см. Выделение невыработанных нефтяных пластов в эксплуатационных скважинах и проницаемых интервалов в разведочных скважинах по данным сейсмоакустических исследований / Ю.В Коноплев и др. // НТВ «Каротажник». Выпуск 50. - Тверь.: ГЕРС, 1998, С 54-63).Interwell sounding is often carried out at frequencies of 100-3000 Hz, which are much lower than the frequencies of acoustic logging. The receiver contains pressure sensors and devices for correlation processing of received signals (see. Identification of undeveloped oil reservoirs in production wells and permeable intervals in exploration wells according to seismic acoustic studies / Yu.V. Konoplev et al. // NTV Karotazhnik. Issue 50. - Tver .: GERS, 1998, S 54-63).

Широко известно об успешном применении межскважинного акустического просвечивания при изучении выработанных нефтяных пластов (см. Выделение невыработанных нефтяных пластов в эксплуатационных скважинах и проницаемых интервалов в разведочных скважинах по данным сейсмоакустических исследований / Ю.В Коноплев и др. // НТВ «Каротажник». Выпуск 50. - Тверь.: ГЕРС, 1998, С 54-63), обнаружении полостей выщелачивания твердых полезных ископаемых на участках гидродобычи, выделении в нефтяных залежах участков с пониженными скоростями упругих волн, образовавшихся в результате закачки в пласты углекислого газа (см. Kazaratos Spyros К., Marion Bruce P. Log-scale seismic for reservoir characterization // SEG Int. Expo, and 66th Annual Meet., Denver. 1996, November 10-15. V. 2. P.).It is widely known about the successful use of cross-well acoustic transmission in the study of depleted oil formations (see. Identification of undeveloped oil formations in production wells and permeable intervals in exploration wells according to seismic acoustic studies / Yu.V. Konoplev et al. // NTV Karotazhnik. Issue 50 - Tver .: GERS, 1998, S 54-63), the detection of leaching cavities of solid minerals in the areas of hydraulic production, the allocation of areas in oil deposits with reduced velocities of elastic waves formed as a result of the injection of carbon dioxide into the reservoirs (see Kazaratos Spyros K ., Marion Bruce P. Log-scale seismic for reservoir characterization // SEG Int. Expo, and 66th Annual Meet., Denver. 1996, November 10-15. V. 2.P.).

Использование акустических скважинных излучателей основано на исследовании динамических и кинематических характеристик упругих колебаний в среде, создаваемых искусственными источниками возбуждения. Предпосылкой их применения является различие скоростей распространения упругих волн и характеристик их поглощения, обусловленное составом, свойствами и состоянием грунтов. Приемник содержит в своем составе устройства корреляционной обработки принимаемых сигналов.The use of acoustic borehole transducers is based on the study of the dynamic and kinematic characteristics of elastic vibrations in a medium created by artificial sources of excitation. The prerequisite for their application is the difference in the velocities of propagation of elastic waves and the characteristics of their absorption, due to the composition, properties and state of soils. The receiver contains a device for correlation processing of received signals.

Акустические скважинные излучатели применяются также в случае межскважинного акустического просвечивания при обследовании зданий и сооружений. Физической основой использования акустических методов является зависимость акустических свойств от упругих, деформационных, прочностных свойств и трещиноватости естественных и искусственных грунтов (бетона, грунтоцемента, ледогрунта и др.). Преимущество скважинных методов заключается в возможности максимально приблизиться к объекту исследований и исключить потерю информации в поверхностном слое земли (см. Архипов А.Г. Диагностика состояния грунтов основания и фундаментов обследуемых зданий и сооружений методом межскважинного прозвучивания. Материалы VII международной научно-практической конференции «Обследование зданий и сооружений: проблемы и пути их решения», 13-14 октября 2016 года. - СПб. Издательство Политехнического университета, 2017. - 310 с, страница 21, третий абзац сверху).Acoustic borehole transducers are also used in the case of cross-borehole acoustic transmission during inspection of buildings and structures. The physical basis for the use of acoustic methods is the dependence of acoustic properties on the elastic, deformation, strength properties and fracturing of natural and artificial soils (concrete, soil cement, ice soil, etc.). The advantage of downhole methods lies in the ability to get as close as possible to the object of research and to exclude the loss of information in the surface layer of the earth (see A.G. Arkhipov. Diagnostics of the condition of the basement and foundations of the surveyed buildings and structures by the method of cross-well sounding. Materials of the VII International Scientific and Practical Conference "Survey buildings and structures: problems and solutions ", October 13-14, 2016. - St. Petersburg Polytechnic University Publishing House, 2017. - 310 p., page 21, third paragraph from the top).

Измерительная система состоит из приемников упругих волн или вибропреобразователей (скважинного приемника, содержащего в своем составе устройства корреляционной обработки принимаемых сигналов), кабелей и комплекса программно-аппаратных средств (КПАС) на базе персонального компьютера (см. Архипов А.Г. Диагностика состояния грунтов основания и фундаментов обследуемых зданий и сооружений методом межскважинного прозвучивания. Материалы VII международной научно-практической конференции «Обследование зданий и сооружений: проблемы и пути их решения», 13-14 октября 2016 года. - СПб. Издательство Политехнического университета, 2017. - 310 с., страница 23, первый и второй абзацы снизу).The measuring system consists of receivers of elastic waves or vibration transducers (a borehole receiver containing a device for correlation processing of received signals), cables and a complex of software and hardware (KPAS) based on a personal computer (see A.G. Arkhipov, Diagnostics of the state of foundation soils and foundations of the surveyed buildings and structures by the cross-well sounding method Materials of the VII International Scientific and Practical Conference "Inspection of Buildings and Structures: Problems and Ways to Solve them", October 13-14, 2016. - St. Petersburg Polytechnic University Publishing House, 2017. - 310 p. , page 23, first and second paragraphs from the bottom).

При межскважинном акустическом просвечивании оценку строения и свойств горных пород осуществляют по скорости и затуханию упругих волн, распространяющихся в пространстве между скважинами. Наряду с такими факторами, как литологический состав пород, их пористость, газонасыщенность, текстурно-структурные особенности, существенное влияние на кинематические и динамические параметры упругих волн, регистрируемых при межскважинном акустическом просвечивании, оказывают мощности пластов, соотношение скоростей в них и во вмещающих породах, параметры неоднородностей. Кроме того, характеристики направленности приемника и излучателя в значительной степени обусловлены наличием скважины. Максимумы этих характеристик приходятся на направления, перпендикулярные к ее оси (см. Горбачев Ю.И. Геофизические исследования скважин: Учебник для вузов / Под ред. Е.В. Каруса. - М.: Недра, 1990. - 398 с., страница 187, второй абзац сверху).In cross-well acoustic transmission, the assessment of the structure and properties of rocks is carried out by the speed and attenuation of elastic waves propagating in the space between the wells. Along with such factors as the lithological composition of rocks, their porosity, gas saturation, textural and structural features, a significant influence on the kinematic and dynamic parameters of elastic waves recorded during interwell acoustic transmission is exerted by the thickness of the reservoirs, the ratio of velocities in them and in the enclosing rocks, parameters inhomogeneities. In addition, the directional characteristics of the receiver and transmitter are largely due to the presence of the borehole. The maxima of these characteristics fall on the directions perpendicular to its axis (see Gorbachev Yu.I. Geophysical surveys of wells: Textbook for universities / Ed. By E.V. Karus. - M .: Nedra, 1990. - 398 p., Page 187, second paragraph from the top).

Известно, что при применении акустических скважинных излучателей в составе устройств для межскважинного акустического просвечивания функция автокорреляции излучаемых акустических сигналов с фазовой манипуляцией напряжения (описываемых законами фазовой манипуляции), представляет наибольший интерес. Для устранения маскирующего действия близких по дальности объектов (целей) нужно уменьшать остатки (боковые пики функций автокорреляции излучаемых сигналов) (см. Вакман Д.Е., Седлецкий P.M. Вопросы синтеза радиолокационных сигналов. - М.: Советское радио, 1973, стр. 48, четвертый абзац сверху). То есть более высокую точность обеспечивает использование излучаемых акустических сигналов с фазовой манипуляцией напряжения, обладающих малыми боковыми пиками функций автокорреляции.It is known that when acoustic borehole transducers are used as part of devices for cross-borehole acoustic transmission, the autocorrelation function of emitted acoustic signals with phase shift keying (described by the laws of phase shift keying) is of greatest interest. To eliminate the masking effect of objects (targets) close in range, it is necessary to reduce the residuals (lateral peaks of the autocorrelation functions of emitted signals) (see Wackman D.E., Sedletsky PM Issues of synthesis of radar signals. - M .: Soviet radio, 1973, p. 48 , fourth paragraph from the top). That is, a higher accuracy is provided by the use of emitted acoustic signals with phase shift keying of voltage, which have small side peaks of the autocorrelation functions.

Кроме того, для получения наименьшей вероятности установления ложной синхронизации (ошибки при анализе принятого сигнала), а следовательно, повышения точности измерений при межскважинном акустическом просвечивании, необходимо использовать сигналы с малыми боковыми пиками функций автокорреляции (см. Диксон Р.К. Широкополосные системы. - М.: Связь, 1979, стр. 64, первый абзац снизу).In addition, to obtain the lowest probability of establishing false synchronization (errors in the analysis of the received signal), and, consequently, to increase the measurement accuracy during cross-well acoustic transmission, it is necessary to use signals with small lateral peaks of the autocorrelation functions (see Dixon R.K. Broadband systems. - M .: Svyaz, 1979, p. 64, first paragraph below).

Известно, что автокорреляционная функция сигнала S(t) определяется выражением:It is known that the autocorrelation function of the signal S (t) is determined by the expression:

где τ - величина временного сдвига сигнала.where τ is the value of the time shift of the signal.

Из выражения (1) видно, что R(τ) характеризует степень связи (корреляции) сигнала S(t) с его копией, сдвинутой на величину τ по оси времени.From expression (1) it can be seen that R (τ) characterizes the degree of connection (correlation) of the signal S (t) with its copy shifted by the value of τ along the time axis.

Ясно, что функция R(τ) достигает максимума при τ=0, так как любой сигнал полностью коррелирован с самим собой.It is clear that the function R (τ) reaches its maximum at τ = 0, since any signal is completely correlated with itself.

При этом:Wherein:

то есть максимальное значение автокорреляционной функции равно энергии сигнала (см. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Советское радио, 1971, стр. 68).that is, the maximum value of the autocorrelation function is equal to the signal energy (see IS Gonorovsky, Radio engineering circuits and signals. - M .: Soviet radio, 1971, p. 68).

Для случая сигналов, пронормированных по энергии с учетом Е=1, автокорреляционная функция сигнала состоит из центрального пика с амплитудой 1, размещенного на интервале (-τ₀, τ₀) и боковых пиков, распределенных на интервалах (-Т, -τ₀) и (τ₀, Т). Амплитуды боковых пиков принимают различные значения, но у сигналов с хорошими корреляционными свойствами они малы, то есть существенно меньше амплитуды центрального пика, равной 1 (см. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985, стр. 30).For the case of signals normalized in terms of energy taking into account E = 1, the autocorrelation function of the signal consists of a central peak with an amplitude of 1 located in the interval (-τ ₀ , τ ₀ ) and side peaks distributed in the intervals (-Т, -τ ₀ ) and (τ ₀ , T). The amplitudes of the side peaks take on different values, but for signals with good correlation properties they are small, that is, significantly less than the amplitude of the central peak, equal to 1 (see Varakin L.E. Communication systems with noise-like signals. - M .: Radio and communication, 1985 , p. 30).

Значения боковых пиков функции автокорреляции, которые обычно меньше основного, зависят от реально используемой кодовой последовательности (излучаемого акустического сигнала с фазовой манипуляцией напряжения). При возникновении таких боковых пиков функции корреляции способность приемника в составе устройства для межскважинного акустического просвечивания к установлению надежной синхронизации (точному анализу принятого сигнала) ухудшается, так как в этом случае он должен различать основной и максимальный боковой пики функции корреляции (см. Диксон Р.К. Широкополосные системы. - М.: Связь, 1979, стр. 67).The values of the side peaks of the autocorrelation function, which are usually less than the main one, depend on the actual code sequence used (the emitted acoustic signal with voltage phase shift keying). When such lateral peaks of the correlation function occur, the ability of the receiver as part of a device for cross-well acoustic transmission to establish reliable synchronization (accurate analysis of the received signal) deteriorates, since in this case it must distinguish between the main and maximum lateral peaks of the correlation function (see Dixon R.K. . Broadband systems. - M .: Svyaz, 1979, p. 67).

Корреляционные свойства кодовой последовательности, описывающей излучаемый акустический сигнал с фазовой манипуляцией напряжения, характеризует показатель различимости (ПР), определяемый как разность значений функции автокорреляции, соответствующих основному и максимальному боковому пикам. Очевидно, чем больше ПР, тем лучше кодовая последовательность (см. Диксон Р.К. Широкополосные системы. - М.: Связь, 1979, стр. 65, а также стр. 66, рис. 3.11), тем выше точность использующего ее устройства для межскважинного акустического просвечивания.The correlation properties of the code sequence describing the emitted acoustic signal with phase shift keying of voltage is characterized by the distinguishability index (PR), defined as the difference in the values of the autocorrelation function corresponding to the main and maximum lateral peaks. Obviously, the more PR, the better the code sequence (see Dixon R.K. Broadband systems. - M .: Svyaz, 1979, p. 65, and also p. 66, Fig. 3.11), the higher the accuracy of the device using it for cross-well acoustic transmission.

Таким образом, наиболее важной проблемой является отыскание сигналов с малыми остатками корреляционной функции излучаемого акустического сигнала с фазовой манипуляцией напряжения (см. Вакман Д.Е., Седлецкий P.M. Вопросы синтеза радиолокационных сигналов. - М.: Советское радио, 1973, стр. 279, первый абзац снизу).Thus, the most important problem is finding signals with small residuals of the correlation function of the emitted acoustic signal with phase shift keying of voltage (see Wackman D.E., Sedletsky PM Issues of synthesis of radar signals. - M .: Soviet radio, 1973, p. 279, first paragraph below).

К сожалению, прототип (см. патент на изобретение №2453677 «Акустический скважинный излучатель», опубликовано 20.06.2012, бюл. №17, по заявке 2011104839/28 от 09.02.2011, кл. Е21В 28/00) обеспечивает низкую точность оценки внутреннего строения массива пород в межскважинном пространстве, при обследовании зданий и сооружений в ходе межскважинного акустического просвечивания. Низкая точность обусловлена применением 2^N систем из N различных (не повторяющихся) акустических сигналов, описываемых законами фазовой манипуляции, построенных на базе функций Уолша, имеющих плохие автокорреляционные свойства. При этом возможность выбора из этих 2^N систем, каждая из которых включает в себя N различных (не повторяющихся) акустических сигналов, одной системы с хорошими автокорреляционными свойствами, к сожалению исключается, что не позволяет использовать устройство с целью межскважинного акустического просвечивания.Unfortunately, the prototype (see patent for invention No. 2453677 "Acoustic borehole radiator", published on 20.06.2012, bul. No. 17, by application 2011104839/28 dated 09.02.2011, class E21B 28/00) provides a low accuracy of the internal the structure of the rock mass in the inter-well space, when inspecting buildings and structures in the course of inter-well acoustic transmission. The low accuracy is due to the use of 2 ^N systems from N different (non-repeating) acoustic signals described by phase shift keying laws, built on the basis of Walsh functions, which have poor autocorrelation properties. At the same time, the possibility of choosing from these 2 ^N systems, each of which includes N different (non-repetitive) acoustic signals, of one system with good autocorrelation properties, is unfortunately excluded, which does not allow the device to be used for cross-well acoustic transmission.

В аналоге (см. патент на изобретение №2276475 «Акустический скважинный излучатель», опубликовано 10.05.2006, по заявке 2004129032/28 от 04.10.2004, кл. H04R 1/44) используются излучаемые акустические сигналы с фазовой манипуляцией напряжения, описываемые N функциями Уолша, обладающими плохими автокорреляционными свойствами. Вследствие этого точность оценки внутреннего строения массива пород в межскважинном пространстве, при обследовании зданий и сооружений в ходе межскважинного акустического просвечивания является низкой.In the analogue (see patent for invention No. 2276475 "Acoustic borehole emitter", published on May 10, 2006, on application 2004129032/28 dated October 4, 2004, class H04R 1/44), emitted acoustic signals with voltage phase shift keying described by N functions are used Walsh, which have poor autocorrelation properties. As a result, the accuracy of assessing the internal structure of the rock mass in the inter-well space, when inspecting buildings and structures during inter-well acoustic transmission, is low.

Для излучаемых акустических сигналов, использующих функции Уолша и использующих дискретные ортогональные функции S(i,θ), предлагаемые в данном изобретении, были рассчитаны автокорреляционные функции, максимальные боковые пики автокорреляционных функций сигналов и показатели различимости (ПР).For the emitted acoustic signals using Walsh functions and using the discrete orthogonal functions S (i, θ) of the present invention, autocorrelation functions, maximum lateral peaks of the signal autocorrelation functions, and distinguishability indices (RIs) were calculated.

Результаты расчетов для случая 2ⁿ=16 представлены в таблице 1.The calculation results for case 2 ⁿ = 16 are presented in Table 1.

По результатам, представленным в таблице 1, видно, что излучаемые акустические сигналы с фазовой манипуляцией напряжения, описываемые N дискретными ортогональными функциями S(i,θ) в предлагаемом акустическом скважинном излучателе имеют максимальный боковой пик автокорреляционной функции R(τ)_max меньше в 1,875 раз, чем излучаемые акустические сигналы, использующие функции Уолша. При этом показатель различимости (ПР) у них больше, чем у излучаемых акустических сигналов, использующих функции Уолша, в 8 раз, что значительно повышает точность оценки внутреннего строения массива пород в межскважинном пространстве, при обследовании зданий и сооружений в ходе межскважинного акустического просвечивания.According to the results presented in Table 1, it can be seen that the emitted acoustic signals with phase shift keying of voltage, described by N discrete orthogonal functions S (i, θ) in the proposed acoustic borehole transmitter have a maximum lateral peak of the autocorrelation function R (τ) _max less than 1.875 times than the emitted acoustic signals using Walsh functions. At the same time, the distinguishability index (PR) of them is 8 times higher than that of the emitted acoustic signals using the Walsh functions, which significantly increases the accuracy of assessing the internal structure of the rock mass in the interwell space, when inspecting buildings and structures during interwell acoustic transmission.

Акустический скважинный излучатель работает следующим образом.An acoustic borehole transmitter works as follows.

Перед началом работы акустического скважинного излучателя в (2^n-1-3) -м разряде циклического регистра 9 сдвига записана единица, триггер 11 находится в исходном единичном состоянии.Before the start of operation of the acoustic borehole transmitter in the (2 ^n-1 -3) -th bit of the cyclic shift register 9, a unit is written, the trigger 11 is in its initial single state.

Опускаемая в скважину часть 1 акустического скважинного излучателя (фиг. 1), соединенная многожильным кабелем с выходами умножителей 12 (фиг. 1), погружается примерно в середину объема рабочей среды, подлежащей воздействию излучаемых акустических сигналов.The part 1 of the acoustic borehole transmitter (Fig. 1), lowered into the well, connected by a multicore cable with the outputs of the multipliers 12 (Fig. 1), is immersed approximately in the middle of the volume of the working medium subject to the emitted acoustic signals.

На информационных выходах N-позиционного коммутатора 2 создается тип фазовой манипуляции напряжения, описываемый N функциями Уолша Wal(i,θ), аналогично тому, как это делается в прототипе (см. патент на изобретение №2453677 «Акустический скважинный излучатель», опубликовано 20.06.2012, бюл. №17, по заявке 2011104839/28 от 09.02.2011, кл. Е21В 28/00).At the information outputs of the N-position switch 2, a voltage phase shift keying type is created, described by the N Walsh functions Wal (i, θ), in the same way as in the prototype (see patent for invention No. 2453677 "Acoustic borehole transmitter", published on 20.06. 2012, bul. No. 17, by application 2011104839/28 dated 09.02.2011, class Е21В 28/00).

Функции Уолша обладают плохими автокорреляционными свойствами, следовательно для повышения точности необходимо воспользоваться функциями с улучшенными автокорреляционными свойствами. Это становится возможным с использованием дополнительных элементов, вводимых в состав акустического скважинного модулятора - первого ключа 6, второго ключа 7, 2^n-1 - разрядного циклического регистра 9 сдвига, двухвходового сумматора 10, триггера 11, умножителей 12.Walsh functions have poor autocorrelation properties, therefore, to improve accuracy, it is necessary to use functions with improved autocorrelation properties. This becomes possible with the use of additional elements introduced into the composition of the acoustic downhole modulator - the first key 6, the second key 7, 2 ^n-1 - bit cyclic shift register 9, two-input adder 10, trigger 11, multipliers 12.

В начале работы акустического скважинного излучателя потенциалы с прямого и инверсного выходов триггера 11 поступают на управляющие входы ключей 6 и 7. Таким образом, первый ключ 6 открыт, а второй ключ 7 закрыт.At the beginning of the operation of the acoustic borehole transmitter, the potentials from the direct and inverse outputs of the trigger 11 are fed to the control inputs of keys 6 and 7. Thus, the first key 6 is open, and the second key 7 is closed.

Подробное описание устройства триггера 11, являющегося обычным Т-триггером, представлено в известном источнике (см. Основы дискретной техники АСУ и связи. Под общей редакцией Гриненко Г.Ф. - Л.: ВИКИ им. А.Ф. Можайского, 1980, с. 240, рис. 6.22, рис. 6.23).A detailed description of the trigger device 11, which is a conventional T-flip-flop, is presented in a well-known source (see. Fundamentals of discrete ACS and communication technology. Edited by Grinenko G.F. - L .: VIKI named after A.F. Mozhaisky, 1980, p. .240, fig.6.22, fig.6.23).

С началом формирования функций Уолша Wal(i,θ) на выходах Аппозиционного коммутатора 2, они поступают на вторые входы умножителей 12. Функция Уолша Wal(2ⁿ-1,θ), представляющая собой сигнал типа меандр, поступающая с 2ⁿ-го (последнего) выхода Аппозиционного коммутатора 2, подается также на вход нуль-органа 4, на выходе которого в результате формируется последовательность импульсов с периодом, равным длительности одного элемента функции Уолша (фиг. 2, а).With the beginning of the formation of the Walsh functions Wal (i, θ) at the outputs of the Apposition switch 2, they arrive at the second inputs of the multipliers 12. The Walsh function Wal (2 ⁿ -1, θ), which is a square wave signal coming from the 2 ⁿ th ( the last) the output of the App position switch 2 is also fed to the input of the null-organ 4, at the output of which a sequence of pulses is formed as a result with a period equal to the duration of one element of the Walsh function (Fig. 2, a).

Нуль-орган 4 формирует на своем выходе короткий импульс в моменты времени, когда сигнал на его входе меняет знак с «+» на «-» или с «-» на «+», в данном случае это происходит столько раз, сколько раз меняет свое значение функция Уолша Wal(2ⁿ-1,θ).The zero-organ 4 forms a short pulse at its output at the moments of time when the signal at its input changes its sign from "+" to "-" or from "-" to "+", in this case it happens as many times as it changes its value is the Walsh function Wal (2 ⁿ -1, θ).

Подробное описание устройства нуль-органа 4 представлено в известном источнике (см. Основы дискретной техники АСУ и связи. Под общей редакцией Гриненко Г.Ф. - Л.: ВИКИ им. А.Ф. Можайского, 1980, с. 209-215).A detailed description of the zero-organ device 4 is presented in a well-known source (see. Fundamentals of discrete ACS and communication technology. Edited by Grinenko G.F. - L .: VIKI named after A.F. Mozhaisky, 1980, p. 209-215) ...

Импульсы с выхода нуль-органа 4 поступают на вход делителя 5 частоты и сдвигающий вход 2^n-1 - разрядного циклического регистра 9 сдвига. Делитель 5 частоты имеет коэффициент деления N/2, вследствие чего импульс на его выходе формируется в средней части длительности функций Уолша (фиг. 2, б).The pulses from the output of the zero-organ 4 are fed to the input of the frequency divider 5 and the shift input 2 of the ^n-1 - bit cyclic shift register 9. The frequency divider 5 has a division ratio N / 2, as a result of which a pulse at its output is formed in the middle part of the duration of the Walsh functions (Fig. 2, b).

Функция Уолша Wal(5,θ) (фиг. 2, в) с (2^n-1-2)-го выхода N-позиционного коммутатора 2 (то есть, для случая 2ⁿ=16 с шестого выхода Аппозиционного коммутатора 2) через открытый ключ 6 (фиг. 2, д) поступает на первый вход двухвходового сумматора 10, а с его выхода - на информационный вход управляемого инвертора 8.The Walsh function Wal (5, θ) (Fig. 2, c) from the (2 ^n-1 -2) th output of the N-position switch 2 (that is, for the case 2 ⁿ = 16 from the sixth output of the App position switch 2) through public key 6 (Fig. 2, e) is fed to the first input of the two-input adder 10, and from its output - to the information input of the controlled inverter 8.

В момент формирования импульса на выходе делителя 5 частоты, имеющего коэффициент деления N/2 (фиг. 2, б), состояние триггера 11 меняется на противоположное. Импульс с выхода делителя 5 частоты изменяет состояние триггера 11, а следовательно, и состояние ключей 6 и 7.At the moment of pulse formation at the output of the frequency divider 5, having a division ratio N / 2 (Fig. 2, b), the state of the trigger 11 is reversed. The pulse from the output of the frequency divider 5 changes the state of the trigger 11, and, consequently, the state of the keys 6 and 7.

Делитель 5 частоты формирует на своем выходе короткий импульс в моменты времени, которые соответствуют середине периода определения функций Уолша (фиг. 2, б).The frequency divider 5 generates at its output a short pulse at times that correspond to the middle of the period for determining the Walsh functions (Fig. 2, b).

Импульс, поступающий с выхода делителя 5 частоты приводит к тому, что ключ 6 оказывается закрытым, а ключ 7 открытым, и функция Уолша Wal(11,θ) (фиг. 2, г) с (2ⁿ-4)-го выхода N-позиционного коммутатора 2 (то есть, для случая 2ⁿ=16 с двенадцатого выхода N-позиционного коммутатора 2) через открытый ключ 7 (фиг. 2, е) поступает на второй вход двухвходового сумматора 10, а с его выхода - на информационный вход управляемого инвертора 8.The pulse coming from the output of the frequency divider 5 leads to the fact that the key 6 is closed, and the key 7 is open, and the Walsh function Wal (11, θ) (Fig. 2, d) from the (2 ⁿ -4) th output N -position switch 2 (that is, for the case 2 ⁿ = 16 from the twelfth output of the N-position switch 2) through the open key 7 (Fig. 2, e) is fed to the second input of the two-input adder 10, and from its output to the information input controlled inverter 8.

На выходе двухвходового сумматора 10 формируется сигнал, представленный на фиг. 2, ж.At the output of the two-input adder 10, the signal shown in FIG. 2, g.

С поступлением третьего импульса с выхода нуль-органа 4 на сдвигающий вход 2^n-1 - разрядного циклического регистра 9 сдвига, на выходе старшего разряда 2^n-1 - разрядного циклического регистра 9 сдвига формируется единица (фиг. 2, з), которая была записана в (2^n-1-3)-м разряде.With the arrival of the third pulse from the output of the zero organ 4 to the shift input 2 ^n-1 - bit cyclic shift register 9, at the output of the most significant bit 2 ^n-1 - bit cyclic shift register 9, a unit is formed (Fig. 2, h), which was written in the (2 ^n-1 -3) -th digit.

Эта единица поступает на управляющий вход управляемого инвертора 8, вследствие чего третий элемент сигнала, формируемого на выходе двухвходового сумматора 10 и поступающего на информационный вход управляемого инвертора 8, оказывается инвертированным. Поскольку 2^n-1 - разрядный циклический регистр 9 сдвига замкнут в кольцо цепью обратной связи и имеет 2^n-1 - разрядов, то с указанного момента времени через 2^n-1 тактов работы на выходе циклического регистра 9 сдвига опять сформируется единица (фиг. 2, з), и соответствующий элемент сигнала, поступающего с выхода двухвходового сумматора 10 на информационный вход управляемого инвертора 8, также окажется инвертированным.This unit is fed to the control input of the controlled inverter 8, as a result of which the third element of the signal generated at the output of the two-input adder 10 and supplied to the information input of the controlled inverter 8 is inverted. Since 2 ^n-1 - bit cyclic shift register 9 is closed in a ring by a feedback circuit and has 2 ^n-1 - bits, then from the specified time point after 2 ^n-1 clock cycles at the output of the cyclic shift register 9 a unit will be formed again (Fig. 2, h), and the corresponding element of the signal coming from the output of the two-input adder 10 to the information input of the controlled inverter 8 will also be inverted.

Сигнал на выходе управляемого инвертора 8 (фиг. 2, и) представляет собой функцию, отличную по структуре от функций Уолша.The signal at the output of the controlled inverter 8 (Fig. 2, i) is a function that differs in structure from the Walsh functions.

Сигнал, формируемый на выходе управляемого инвертора 8, умножается в умножителях 12 на функции Уолша Wal(i,θ). В результате этого на выходах умножителей 12 формируется система дискретных ортогональных функций S(i,θ), отличных по структуре от функций Уолша, и имеющих значительно улучшенные автокорреляционные свойства.The signal generated at the output of the controlled inverter 8 is multiplied in multipliers 12 by the Walsh function Wal (i, θ). As a result, a system of discrete orthogonal functions S (i, θ) is formed at the outputs of the multipliers 12, which differ in structure from the Walsh functions and have significantly improved autocorrelation properties.

На фиг. 4 представлены временные диаграммы, иллюстрирующие процесс формирования функции S(10,θ) в предлагаемом акустическом скважинном излучателе.FIG. 4 shows time diagrams illustrating the process of forming the function S (10, θ) in the proposed acoustic borehole transmitter.

На диаграммах указано временное состояние:The diagrams indicate the temporary state:

а) выхода нуль-органа 4;a) the output of the null-organ 4;

б) выхода делителя 5 частоты;b) the output of the frequency divider 5;

в) шестого выхода N-позиционного коммутатора 2, на котором формируется функция Wal(5,θ);c) the sixth output of the N-position switch 2, on which the function Wal (5, θ) is formed;

г) двенадцатого выхода N-позиционного коммутатора 2, на котором формируется функция Wal(11,θ);d) the twelfth output of the N-position switch 2, on which the function Wal (11, θ) is formed;

д) выхода первого ключа 6;e) the exit of the first key 6;

е) выхода второго ключа 7;f) the exit of the second key 7;

ж) выхода двухвходового сумматора 10;g) the output of the two-input adder 10;

з) выхода старшего разряда 2^n-1 - разрядного циклического регистра 9 сдвига;h) the output of the most significant bit 2 ^n-1 - bit cyclic shift register 9;

и) выхода управляемого инвертора 8;i) the output of the controlled inverter 8;

й) одиннадцатого выхода N-позиционного коммутатора 2, на котором формируется функция Wal(10,θ);j) the eleventh output of the N-position switch 2, on which the function Wal (10, θ) is formed;

к) выхода одиннадцатого умножителя 12, на котором формируется функция S(10,θ).j) the output of the eleventh multiplier 12, on which the function S (10, θ) is formed.

На фиг. 5 представлены временные диаграммы системы функций Уолша используемых в прототипе и аналоге, на фиг. 6 и фиг. 7 представлены автокорреляционные функции сигналов Уолша, на фиг. 8 представлены временные диаграммы системы функций S(i,θ) в предлагаемом акустическом скважинном излучателе, на фиг. 9 и фиг. 10 представлены автокорреляционные функции сигналов S(i,θ) в предлагаемом акустическом скважинном излучателе.FIG. 5 shows the timing diagrams of the system of Walsh functions used in the prototype and analogue, FIG. 6 and FIG. 7 shows the autocorrelation functions of the Walsh signals, FIG. 8 shows the timing diagrams of the system of functions S (i, θ) in the proposed acoustic borehole transmitter, FIG. 9 and FIG. 10 shows the autocorrelation functions of the signals S (i, θ) in the proposed acoustic borehole transmitter.

Функции Уолша на информационных выходах N-позиционного коммутатора 2 упорядочены по числу знакоперемен.The Walsh functions at the information outputs of the N-position switch 2 are ordered according to the number of alternating signs.

В ортогональности функций S(i,θ), формируемых в предлагаемом акустическом скважинном излучателе, можно убедиться путем перемножения любых функций системы S(i,θ) и интегрирования результата перемножения за время Т (где Т - период определения функций).The orthogonality of the functions S (i, θ) formed in the proposed acoustic borehole transmitter can be verified by multiplying any functions of the system S (i, θ) and integrating the result of the multiplication over time T (where T is the period of determining the functions).

Таким образом, излучаемые акустические сигналы с фазовой манипуляцией напряжения, описываемые N дискретными ортогональными функциями S(i,θ) в предлагаемом акустическом скважинном излучателе имеют максимальный боковой пик автокорреляционной функции R(τ)_max меньше в 1,875 раз, чем излучаемые акустические сигналы, использующие функции Уолша. При этом показатель различимости (ПР) у них больше, чем у излучаемых акустических сигналов, использующих функции Уолша, в 8 раз, что значительно повышает точность оценки внутреннего строения массива пород в межскважинном пространстве, при обследовании зданий и сооружений в ходе межскважинного акустического просвечивания.Thus, the emitted acoustic signals with phase shift keying of voltage, described by N discrete orthogonal functions S (i, θ) in the proposed acoustic borehole transmitter have the maximum lateral peak of the autocorrelation function R (τ) _max 1.875 times less than the emitted acoustic signals using the functions Walsh. At the same time, the distinguishability index (PR) of them is 8 times higher than that of the emitted acoustic signals using the Walsh functions, which significantly increases the accuracy of assessing the internal structure of the rock mass in the interwell space, when inspecting buildings and structures during interwell acoustic transmission.

Claims

Acoustic borehole emitter containing active modules in the form of piezo packets with end plates tightened by central pins, located along the axis of a rigid sealed cylindrical body filled with an electrically insulating liquid and sound-transparent, at least in the area of gaps between the modules, spring elements that mechanically fasten the ends together adjacent modules and ends of end modules with end caps of the housing, while the flexibility of each spring element is more than an order of magnitude greater than the flexibility of the volume of the electrically insulating liquid in the gap between the active modules, and the power source electrically connected to the emitter, N by the number of piezo packets of acoustically soft cylindrical screens placed between the lateral surface of the piezo packets and the inner surface of a rigid sealed cylindrical body, the end plates are made frequency-lowering in such a way that the effective speed of sound, which determines the frequency of the longitudinal p resonance in piezo packets with end caps is (1.2-1.3) C, where C is the speed of sound in the external working environment, the distance between the end plates of adjacent modules and the ends of the end modules and the end caps of the case is (0.2-0 , 25) λ, where λ is the wavelength of acoustic radiation in the external working environment, the power source is connected to the emitter by means of a power amplifier, which is made with a symmetrical output and is equipped with an N-position switch that creates a type of voltage phase shift keying described by N Walsh functions, the second the symmetrical output of the power amplifier is connected to the symmetrical second input of the App position switch, and the distance between the centers (N + 1) of the sound-transparent spaces of the rigid sealed cylindrical body is equal to (0.8-0.85) λ, zero-organ, frequency divider, controlled inverter, and 2 ⁿ -th (last) output of the Apposition switch (where N = 2 ⁿ is the number of Walsh functions at the outputs of the N-position switch, ordered by the number alternating sign) is connected to the input of the null-organ, the output of which is connected to the input of the frequency divider, a trigger, the first key, the second key, a two-input adder, 2 ^n-1 - bit cyclic shift register and 2 ⁿ multipliers are introduced, and the output of the null organ is connected to shift input 2 ^n-1 - bit cyclic shift register, the output of the frequency divider is connected to the counting input of the trigger, the direct output of which is connected to the control input of the first key, the inverse output of the trigger is connected to the control input of the second key, the outputs of the first and second keys are connected to the corresponding information the inputs of the two-input adder, the output of the two-input adder is connected to the information input of the controlled inverter, the control input of which is connected to the output of the most significant bit 2 ^n-1 - bit cyclic shift register, the (2 ^n-1 -2) -th output of the N-position switch is connected to the information the input of the first key, the (2 ^n-1 -4) th output of the N-position switch is connected to the information to the input of the second key, the output of the controlled inverter is connected to the first inputs of the multipliers of a group of 2 ⁿ multipliers, the second inputs of the i-th multipliers (where

- serial numbers of multipliers) are connected to the i-th outputs of the N-position switch, the outputs of the multipliers are connected to the electrical inputs of the corresponding piezo packets.