基于流固界面波的多孔介质孔隙率的检测装置及方法
专利汇可以提供基于流固界面波的多孔介质孔隙率的检测装置及方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开的是一种基于流固界面波的多孔介质孔隙率检测装置及检测方法。由界面波激励换能器产生界面波，界面波沿界面传播，由滑台调节 角 度便于 水 听器 接收不同倾斜角度的斜面上界面波，接收到的界面波由 信号 放大器 信号放大到PC上位机模 块 处理，利用本发明公开的 算法 提取出True界面波 波速 与多孔介质孔隙率之间的关系，并显示反演得到多孔介质孔隙度。本发明提出的检测方法由于True‑界面波对多孔介质孔隙度敏感的特性，可大大提高检测的 精度 和可靠性。，下面是基于流固界面波的多孔介质孔隙率的检测装置及方法专利的具体信息内容。
1.一种基于流固界面波的多孔介质孔隙度检测装置，其特征在于，包括：
界面波实验装置，用于提供界面波实验环境，完成界面波的多点测量或阵列接收，数据采集；
界面波激发模块，用于激发界面波实验装置内的界面波；
信号接收模块，用于直接在水中接收界面波信号，同时测量声场中声压和质量振速的各正交分量，能完整反映声场信息；
PC上位机模块，用于接收信号接收模块传送来的信号并进行分析和处理；
计算显示模块，对PC上位机模块反馈的信号进行计算，并将结果以数据或图形形式进行显示；
所述界面波激发模块和信号接收模块设置在界面波实验装置上，所述界面波激发模块和信号接收模块均与PC上位机模块相连接，所述PC上位机模块连接计算显示模块；
所述界面波实验装置包括实验水槽、设置在实验水槽上的滑杆、滑杆角度调节架和设置在滑杆上并可在滑杆上滑动的接收模块滑动杆；所述滑杆一端设有用于测量滑杆角度的编码器，所述编码器连接PC上位机模块，所述滑杆一端通过编码器活动安装在实验水槽上，其另一端与所述滑杆角度调节架滑动连接，在所述实验水槽内放置有固体介质，所述固体介质上设置所述的界面波激发模块；所述接收模块滑动杆一端滑动连接在滑杆上，其另一端安装所述的信号接收模块。
2.根据权利要求1所述的多孔介质孔隙度检测装置，其特征在于，所述滑杆角度调节架包括底座、设置在底座上的支撑杆、可在支撑杆上上下滑动的升降杆以及设置在升降杆上的滑套，所述滑套滑动连接滑杆，所述升降杆通过滑块与支撑杆滑动连接。
3.根据权利要求1所述的多孔介质孔隙度检测装置，其特征在于，所述界面波激发模块采用的是换能器，所述换能器通过楔形块安装在固体介质上。
4.根据权利要求1所述的多孔介质孔隙度检测装置，其特征在于，所述信号接收模块采用的是矢量水听器。
5.根据权利要求4所述的多孔介质孔隙度检测装置，其特征在于，所述接收模块滑动杆一端通过滑动块安装在滑杆上，所述滑动块设置有控制滑块运动的步进电机，所述步进电机连接上位机，所述滑杆采用的是螺纹滑杆，所述滑动块上设置有与螺纹滑杆上螺纹啮合的齿轮，所述齿轮连接步进电机。
6.根据权利要求1所述的多孔介质孔隙度检测装置，其特征在于，所述计算显示模块包括对信号进行计算的计算模块以及将计算结果进行显示的显示模块，所述计算模块包含用于初始化参数的数据初始化模块和用于计算多孔介质孔隙度的算法模块。
7.根据权利要求1所述的多孔介质孔隙度检测装置的检测方法，其特征是，其方法为：
(一)根据位移与势函数的关系和应力与势函数的关系以及流固界面的边界条件推导出流固界面波的特征方程；
(二)通过流固界面波的特征方程进行分析，得出True界面波声速与多孔介质孔隙度的关系，进而得出True界面波声速与多孔介质孔隙度的波形图，多孔介质孔隙度衰减的波形图；
(三)通过实际测量得到流体-多孔介质界面波的时域信号，基于多孔介质孔隙度与True界面波声速以及对True界面波衰减的关系及波形图分析反演得到多孔介质孔隙度；
步骤(一)中，流固界面波的特征方程的推导过程如下：
(1)对半无限大流体饱和多孔介质，引入位移势函数φs、φf、ψs、ψf分别为固相纵波函数、液相纵波势函数势函数、固相横波势函数、液相横波势函数，且纵波势函数、横波势函数分别满足式(1)、(2)；
其中，ω为角频率，P，Q，R为Biot定义的孔隙介质弹性常数，P＝A+2N，A、N分别为孔隙介质拉梅常数；系数R是保持总体积恒定的情况下，一定体积的流体进入骨架时对流体产生的压力大小；系数Q是固体和液体体积改变的耦合系数； 分别是约翰逊改进后
的固体有效密度、流体有效密度和固液两相惯性耦合密度；多孔介质中固体骨架的应力与孔隙流体应力分别为 与 界面上方流体声压与力源之和为
(2)对式(1)、(2)二维傅里叶变换，可求得其频率-波数域上孔隙介质的固相纵波 和液相纵波 固相横波势函数 液相横波势函数 如式所示：
式中Bs_fl为固相快纵波系数、Cs_sl为固相慢纵波系数、Bf_fl为液相快纵波系数、Cf_sl为液相慢纵波系数、Ds_t为固相横波系数、Df_t为液相横波系数；
(3)且将式(3)、(4)分别带入式(1)、(2)可得：
Bf_fl＝n1Bs_fl，Cf_sl＝n2Cs_sl，Df_t＝n3Ds_t
n1、n2和n3是快纵波、慢纵波和横波的液相参与系数；
cfl、csl、ct分别为孔隙介质快纵波、
慢纵波、横波波速，且cfl＝sfl-1、csl＝ssl-1、ct＝st-1，其中sfl、ssl、st分别是快纵波、慢纵波、横波的复慢度；
式中， 表示于渗流运动之惯性力和阻力相关的等效密度，
ρa是单位体积孔隙介质中流体的附加质量，ρa＝(a∞-1)ρfβ，
ρf表示流体的密度，η为粘滞系数、K0为静态渗透率；a∞是质量耦合系数，是相对于固相骨架加速运动的理想流体的视质量系数，其近似公式为a∞＝(1+β-1)/2；H、M、C可用孔隙介质拉梅常数N、固体基质体积模量Ks、流体体积模量Kf、骨架体积模量Kb和多孔介质孔隙度β表示：
C＝αM、
Ks、Kf通过实验确定，Kb、N由复合介质的等效弹性模量自洽公式计算得出。
8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，步骤(一)中，得出True界面波声速与多孔介质孔隙度的关系如下：
当平面波在流体—多孔介质固体界面即y＝0传播时，应满足以下边界条件：
1)界面处法向应力连续；表示多孔介质中固体骨架的应力与孔隙流体应力之和等于界面上方流体声压与力源之和；
式中， 表示孔隙介质固相骨架法向应力、 为孔隙流体法向应力、 为界面上
方流体声压与力源之和，其表达式见下式:
式中， 为孔隙介质固相法向位移、 为孔隙介质液相法向位移， 为流体侧法
向位移， 为孔隙介质固相剪切位移，μ为孔隙介质的切变模量；
2)界面处切向应力连续；由于流体测的剪切应力为零，故该条件可简化为固体骨架的剪切应力为零；
表示孔隙介质固相剪切应力、其表达式为
3)界面处介质体积守恒；表示多孔介质中固体骨架位移量与孔隙流体位移量的和等于界面上方流体位移量
β为多孔介质孔隙度， 为孔隙介质固相法向位移、 为孔隙介质液相法向位移、
为流体侧法向位移，其表达式分别为 其
中流体侧势函数为
4)界面处流体体积守恒；表征的是界面上下方流体相互运动产的声压变换与多孔介质中流固作用的位移相对均衡；
表示界面处流体的相对流动速率是由上下压力交换引起的；其中β为多孔介质孔隙度，T表示流动阻抗；
根据两种极限模式：T＝0,即pL1＝pf2，对应着饱和流体多孔介质开孔情况，空隙内流体可自由与界面上方流体进行交换；T＝∞，对应着饱和流体多孔介质闭孔情况，由于pL1、pf2不为无穷，则μf2＝μs2；
利用势函数关系求得介质位移、应力，结合边界条件，整理可得到频率方程如下：
Det(M)＝0
其中M为：
上述方程式中， cL为流体纵波波速，k为波数；该频率方程能反映出True
界面波与多孔介质孔隙度的关系，根据测量的时域信号就可对多孔介质孔隙度进行反演。
基于流固界面波的多孔介质孔隙率的检测装置及方法
技术领域
背景技术
发明内容
为粘滞系数、K0为静态渗透率；a∞是质量耦合系数，是相对于固相骨架加速运动的理想流体的视质量系数，其近似公式为a∞＝(1+φ-1)/2；H、M、C可用孔隙介质剪切模量N、固体基质体积模量Ks、流体体积模量Kf、骨架体积模量Kb和孔隙度φ表示： C＝αM、
具体实施方式
为粘滞系数、K0为静态渗透率；a∞是质量耦合系数，是相对于固相骨架加速运动的理想流体的视质量系数，其近似公式为a∞＝(1+φ-1)/2。H、M、C可用孔隙介质剪切模量N、固体基质体积模量Ks、流体体积模量Kf、骨架体积模量Kb和孔隙度φ表示： C＝αM、
Ks、Kf、 Kb、N可通过实验确定，Kb、N也可由复合介质的等效
弹性模量自洽公式计算得出。
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