本发明涉及超声波测试技术领域，特别涉及一种弱胶结未成岩水合物超声波测试系统及方法。
背景技术：
由于国家经济高速发展和日益突出的环境保护要求，国内石油、天然气供需矛盾突出，国家需要大量的低碳能源。而近年来发现的可燃冰—天然气水合物是一种具有十分巨大潜力的新能量资源，主要分布于陆地永久冻土带和大陆架边缘的海底沉积物中，而其具有分布广、能量密度高、清洁等特点，所以对新能源天然气水合物资源勘探与开发引起了世界各国的广泛关注。而地球物理勘探是天然气水合物勘探和资源评价的重要手段。人们采取岩心对岩石的物理声学特性做过较长时间的研究，并利用其成果指导石油的开采做出了重大的贡献；目前在我国南海深水取芯获得的天然气水合物，大多是是弱胶结泥质水合物或粉砂质未成岩水合物。而且天然气水合物地层取芯难度大、成本高，取芯后岩样中水合物保存困难。因此，由人工合成水合物试样在实验室内实验，并通过各种模拟实验对天然气水合物进行各项地球物理实验，并获取它们的各项实验数据，以指导我国天然气的开采，是我国科研和教学的重要内容。
而现有的针对岩石样品超声波特性测试的方法，主要是采用单点测试方法或声发射测试技术，单点测试方法是根据不同的介质具有不同的超声波特性，特别是声速特性和声吸收特性，根据这些特性利用超声波在岩石样品中传播速度的差别以及声幅度的高低，来判别岩石样品是否有裂纹的存在；而声发射测试技术，则主要是接收岩石样品在受压等外力作用时发出的声波，然后对接收到的声波进行处理，从而分析岩石样品的声发射源的部位。
但本申请发明人在采用上述测试方法的过程中，发现现有技术或设备不足以用来测试分析水合物的特性，具体原因如下：
由于人工合成水合物试样是由细砂和水及其它化学物质按比例合成的松软物体，对声波具有较强的吸收和频散特性，声发射测试技术不适用于这种对声波具有强烈吸收、散射作用的弱胶结未成岩水合物；同时弱胶结未成岩水合物随温度或压力变化时内部结构为全面变化的情况，单点测试的方式不能满足大体量弱胶结未成岩水合物的大体积全面测试的要求；另外水合物的生成或分解是一个长时间动态过程，传统设备不能实现对其长时间实时测量。因此亟需一种新的超声波测试系统或设备来满足针对弱胶结未成岩水合物的测试需求。
技术实现要素：
本申请通过提供一种弱胶结未成岩水合物超声波测试系统及方法，解决了如何对弱胶结未成岩水合物的大体积全面测试的问题，实现了对弱胶结未成岩水合物随温度、压力、饱和度变化时其声学特性实时变化的测量。
本申请实施例提供了一种弱胶结未成岩水合物超声波测试系统，包括：
发射单元，所述发射单元包括发射机和多个与所述发射机电连接的发射换能器，所述发射机用以控制所述发射换能器发射测试超声波；
接收单元，所述接收单元包括多通道放大器和多个与所述多通道放大器电连接的接收换能器，所述接收换能器用以接收测试超声波并将接收到的超声波信号发送至所述多通道放大器；
控制器，分别与所述发射机和所述多通道放大器电连接，所述控制器用以控制所述发射机工作，所述多通道放大器还用以将接收到的超声波信号放大后发送至所述控制器；
采集器，与所述控制器电连接，所述控制器还用以接收处理所述多通道放大器发送的信号并将处理后的信号发送至所述采集器；及
计算机，与所述采集器电连接，所述采集器用以采集所述控制器处理后的信号并发送至所述计算机，所述计算机用以接收并处理所述采集器发送的信号。
上述测试系统有益效果在于：多个发射换能器以及接收换能器成对布置，可在立体空间上全面覆盖受试水合物样品，发射换能器发射的测试超声波可由控制器控制发射机调制，测试过程中无需人工更换测试点，测试全部过程均可由程序控制，无需人工值守即可对受试水合物样品进行长时间持续自动测试；测试数据通过计算机处理可勾画出受试水合物样品生成过程中超声波随样品生成变化的关系曲线图、受试水合物样品分解过程中超声波随样品分解变化的关系曲线图以及改变受试水合物样品溶液浓度时超声波随样品饱和度变化的关系曲线图，还可以按模型参数制作一维曲线图、二维平面图和三维立体图，更形象的描绘弱胶结未成岩水合物随温度、压力变化时内部结构变化的情况。同时该系统可应用于研究大体积岩石样品在压缩过程中裂纹的扩展和内部结构变化情况。
在本申请其中一个实施例中，所述测试系统还包括电子衰减器，所述多通道放大器连接所述电子衰减器后再与所述控制器连接。
在本申请其中一个实施例中，所述测试系统还包括电源。所述电源用以给所述控制器、发射机、多通道放大器供电。
在本申请其中一个实施例中，所述发射换能器与所述接收换能器均为同轴复叠式纵横波换能器，所述同轴复叠式纵横波换能器包括辐射体、屏蔽罩以及位于屏蔽罩内的同轴复叠的纵波振子和横波振子，所述屏蔽罩可拆卸连接于所述辐射体背面，所述辐射体背面与所述屏蔽罩内壁构成封闭空间，所述纵波振子和横波振子设置于所述辐射体背面，所述纵波振子和横波振子分别连接有导线，所述屏蔽罩设置有供所述导线穿过的通孔，所述纵波振子和横波振子背面设置有吸声材料，所述纵波振子和横波振子外周设置有隔离套。本同轴复叠式纵横波换能器的有益效果在于：吸声材料堆积于振子背面从而形成振子背面吸收堆，振子背面吸收堆以及隔离套使得纵波振子和横波振子获得独特的振动边界条件和隔离效应，从而获得良好的波形；辐射体形状大小均与测试用压力容器前端对应，换能器通过辐射体安装于压力容器前端使用，辐射体替代原压力容器前金属板直接与受试弱胶结未成岩水合物孔隙介质或岩芯端面接触压紧，解决了传统方式中声波沿钢体绕射、声能量损失过大等问题；同时纵波振子和横波振子同轴复叠于辐射体背面，解决了纵波、横波不能在同时同点测试的问题。
进一步地，所述幅射体侧周边开设有环形槽，所述环形槽内设置有密封圈。本步有益效果在于：密封圈抵触测试用压力容器内壁，起密封作用。
进一步地，所述同轴复叠式纵横波换能器还包括外壳，所述外壳包括前部和后部，所述前部直径大于后部直径，所述前部与所述后部交界处形成受压台阶。本步有益效果在于：测试时通过在压力容器后端外设置千斤顶或螺栓等方式抵触受压台阶，从而让换能器与受试水合物样品贴紧，提高设备系统灵敏度和测试精度及减少声衰减。
本申请实施例还提供了一种采用上述测试系统的测试方法，包括以下步骤：
s1:在受试水合物样品的一面或多面分别安装多个发射换能器，在安装好发射换能器的每一面的轴向相对面分别对应安装多个接收换能器；
s2:把步骤s1中安装好的发射换能器按照预先设定顺序接入发射机的发射输出端，把步骤s1中安装好的接收换能器按照预先设定顺序接入多通道放大器的接收输入端；
s3:控制器控制发射机驱动步骤s2中的发射换能器向受试水合物样品发射超声波信号；
s4:步骤s2中的接收换能器接收步骤s3中发出的超声波信号，并将超声波信号转变为电信号传送到多通道放大器；
s5:多通道放大器接收步骤s4中的电信号并进行放大处理，再将处理后的信号发送至控制器；
s6:控制器接收步骤s5中处理后的信号并进行数据处理，再将数据处理后的信号经由采集器传送至计算机；
s7:计算机接收处理步骤s6中数据处理后的信号，从而进行波形、数据显示和分析处理；
s8:重复步骤s3-s7直至实验结束。
上述测试方法有益效果在于：在立体空间范围内多个换能器同时对受试水合物样品进行超声波测试，增加换能器分布的面数量以及每一面安装的换能器的数量，从而尽可能全面地对受试水合物样品进行测试；测试期间受试水合物样品的外界环境如温度、承受压力或溶液浓度等一直随时间而变化，通过上述方法可以对受试水合物样品进行长时间持续自动测试，测试数据通过计算机处理可勾画出受试水合物样品生成过程中超声波随样品生成变化的关系曲线图、受试水合物样品分解过程中超声波随样品分解变化的关系曲线图以及改变受试水合物样品溶液浓度时超声波随样品饱和度变化的关系曲线图；还可以按模型参数制作一维曲线图、二维平面曲线图、三维立体曲线图，形象地描绘水合物样品随温度、压力变化时内部结构变化的情况。
本申请实施例对比现有技术而言，所达到的有益效果如下：
1.可在立体空间范围内多个换能器同时对受试水合物样品进行超声波测试，增加换能器分布的面数量以及每一面安装的换能器的数量，从而尽可能地对受试样品进行全面测试；
2.多个换能器分布于受试水合物样品表面，测试过程中无需人工更换测试点，测试全部过程均可由程序控制，无需人工值守可以对受试水合物样品进行长时间持续自动测试；
3.测试数据通过计算机处理可勾画出受试水合物样品生成过程中超声波随样品生成变化的关系曲线图、受试水合物样品分解过程中超声波随样品分解变化的关系曲线图以及改变受试水合物样品溶液浓度时超声波随样品饱和度变化的关系曲线图，还可以按模型参数制作一维曲线图、二维平面图和三维立体图，更形象的描绘弱胶结未成岩水合物随温度、压力变化时内部结构变化的情况。
附图说明
图1为本发明的结构示意框图；
图2为换能器的结构示意图；
图3为换能器布置示意图。
其中，1控制器，2采集器，3计算机，4电源，5发射机，6多通道放大器，7电子衰减器，810外壳，811受压台阶，812辐射体，813屏蔽罩，814纵波振子，815横波振子，816导线，817吸声材料，818隔离套，819密封圈，820压力容器，830锁紧螺栓，840受试样品。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解这些实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“外周面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本发明描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
本申请通过提供一种弱胶结未成岩水合物超声波测试系统及方法，解决了如何对弱胶结未成岩水合物的大体积全面测试的问题，实现了对弱胶结未成岩水合物随温度、压力、饱和度变化时其声学特性实时变化的测量。
实施例一：如图1所示，一种弱胶结未成岩水合物超声波测试系统，包括：
发射单元，发射单元包括可调节输出功率的发射机5和多个通过导线与发射机5电连接的发射换能器a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4、c1、c2、c3、c4；
接收单元，接收单元包括多通道放大器6和多个通过导线与多通道放大器6电连接的接收换能器a1’、a2’、a3’、a4’、b1’、b2’、b3’、b4’、c1’、c2’、c3’、c4’，多通道放大器6输出端设置有精密电子衰减器7，多通道放大器6为多通道精密程控放大器；
控制器1，分别与发射机5和多通道放大器6电连接；
电源4；
采集器2，与控制器1电连接；及
计算机3，与采集器2电连接；
控制器1控制发射机5工作，发射机5控制发射换能器发射测试超声波，接收换能器接收测试超声波并将接收到的超声波信号转化为电信号发送至多通道放大器6，多通道放大器6将接收到的电信号放大后经过电子衰减器7发送至控制器1，控制器1接收处理多通道放大器6发送的信号并将处理后的信号发送至采集器2，采集器2采集控制器1处理后的信号并发送至计算机3，计算机3接收并处理采集器2发送的信号，电源4用以给控制器1、发射机5、多通道放大器6供电。
上述测试系统可将发射换能器与接收换能器在立体空间内成对分布设置于受试水合物样品的表面，对受试水合物样品进行全面测试，由发射机控制发射换能器发射测试超声波信号，超声波信号穿过受试水合物样品，随后测试超声波信号被接收换能器接收转换为测试电信号，随后测试电信号经多通道放大器、控制器、采集器处理后传输至计算机，计算机接收处理测试信号。
实施例二：如图2所示，实施例一中的发射换能器与接收换能器均为同轴复叠式纵横波换能器，同轴复叠式纵横波换能器包括由高强度工具钢或不锈钢制作而成辐射体812、外壳810、屏蔽罩813、纵波振子814和横波振子815，辐射体812的形状大小与测试用压力容器820匹配，纵波振子814正面粘接于辐射体812背面，横波振子815正面粘接于纵波振子814背面，纵波振子814和横波振子815同轴复叠，纵波振子814和横波振子815分别引出耐高温导线816，横波振子815背面堆积吸声材料817形成振子背面吸收堆，在纵波振子814、横波振子815以及吸声材料817的四周套接有隔离套818，屏蔽罩813可拆卸连接于辐射体812背面，辐射体812背面与屏蔽罩813内壁构成封闭空间，纵波振子814、横波振子815、吸声材料817以及隔离套818均位于该封闭空间内，屏蔽罩813开设有供耐高温导线816穿过的通孔，幅射体背端周边开设有环形槽，环形槽内设置有防液o型密封圈819，辐射体812正面还开设有螺丝孔，辐射体812通过螺丝孔与外壳810连接，外壳810包括前部和后部，前部直径大于后部直径，前部与后部交界处形成受压台阶811，锁紧螺栓830抵触受压台阶811使得辐射体812正面贴紧受试样品840。
实施例三：本申请实施例还提供了一种采用如实施例一测试系统的测试方法，包括以下步骤：
s1：如图3所示，在受试样品840的a、b、c三面分别对应安装发射换能器a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4、c1、c2、c3、c4，在a、b、c面对应的轴向相对面分别对应安装接收换能器a1’、a2’、a3’、a4’、b1’、b2’、b3’、b4’、c1’、c2’、c3’、c4’，a、b、c面相互垂直；
s2：把步骤s1中安装好的发射换能器a1、a2、a3、a4、b1、b2、b3、b4、c1、c2、c3、c4按照预先设定顺序接入发射机的发射输出端，把步骤s1中安装好的接收换能器a1’、a2’、a3’、a4’、b1’、b2’、b3’、b4’、c1’、c2’、c3’、c4’按照预先设定顺序接入多通道放大器的接收输入端；
s3：控制器控制发射机驱动步骤s2中的发射换能器向受试水合物样品发射超声波信号；
s4：步骤s2中的接收换能器接收步骤s3中发出的超声波信号，并将超声波信号转变为电信号传送到多通道放大器；
s5：多通道放大器接收步骤s4中的电信号并进行放大处理，再将处理后的信号发送至控制器；
s6：控制器接收步骤s5中处理后的信号并进行数据处理，再将数据处理后的信号经由采集器传送至计算机；
s7：计算机接收处理步骤s6中数据处理后的信号，从而进行波形、数据显示和分析处理；
s8：重复步骤s3-s7直至实验结束。
上述测试方法有益效果在于：多个换能器同时对受试水合物样品进行超声波测试，增加换能器分布的面数量以及每一面安装的换能器的数量，从而尽可能全面地对受试水合物样品进行测试；测试期间受试水合物样品的外界环境如温度、承受压力或溶液浓度等一直随时间而变化，通过上述方法可以对受试水合物样品进行长时间持续自动测试，测试数据通过计算机处理可勾画出受试水合物样品生成过程中超声波随样品生成变化的关系曲线图、受试水合物样品分解过程中超声波随样品分解变化的关系曲线图以及改变受试水合物样品溶液浓度时超声波随样品饱和度变化的关系曲线图；当多面同时测试时还可以按模型参数制作一维曲线图、二维平面曲线图、三维立体曲线图，形象地描绘受试水合物样品随温度、压力变化时内部结构变化的情况。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
1.一种弱胶结未成岩水合物超声波测试系统，其特征在于，包括：
发射单元，所述发射单元包括发射机和多个与所述发射机电连接的发射换能器，所述发射机用以控制所述发射换能器发射测试超声波；
接收单元，所述接收单元包括多通道放大器和多个与所述多通道放大器电连接的接收换能器，所述接收换能器用以接收测试超声波并将接收到的超声波信号发送至所述多通道放大器；
控制器，分别与所述发射机和所述多通道放大器电连接，所述控制器用以控制所述发射机工作，所述多通道放大器还用以将接收到的超声波信号放大后发送至所述控制器；
采集器，与所述控制器电连接，所述控制器还用以接收处理所述多通道放大器发送的信号并将处理后的信号发送至所述采集器；及
计算机，与所述采集器电连接，所述采集器用以采集所述控制器处理后的信号并发送至所述计算机，所述计算机用以接收并处理所述采集器发送的信号。
2.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于：所述测试系统还包括电子衰减器，所述多通道放大器连接所述电子衰减器后再与所述控制器连接。
3.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于：所述测试系统还包括电源。
4.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于：所述发射换能器与所述接收换能器均为同轴复叠式纵横波换能器，所述同轴复叠式纵横波换能器包括辐射体、屏蔽罩以及位于屏蔽罩内的同轴复叠的纵波振子和横波振子，所述屏蔽罩可拆卸连接于所述辐射体背面，所述辐射体背面与所述屏蔽罩内壁构成封闭空间，所述纵波振子和横波振子设置于所述辐射体背面，所述纵波振子和横波振子分别连接有导线，所述屏蔽罩设置有供所述导线穿过的通孔，所述纵波振子和横波振子背面设置有吸声材料，所述纵波振子和横波振子外周设置有隔离套。
5.根据权利要求4所述的测试系统，其特征在于：所述幅射体侧周边开设有环形槽，所述环形槽内设置有密封圈。
6.根据权利要求4所述的测试系统，其特征在于：所述同轴复叠式纵横波换能器还包括外壳，所述外壳包括前部和后部，所述前部直径大于后部直径，所述前部与所述后部交界处形成受压台阶。
7.一种采用如权利要求1-6任一所述的测试系统的测试方法，包括以下步骤：
s1:在受试水合物样品的一面或多面分别安装多个发射换能器，在安装好发射换能器的每一面的轴向相对面分别对应安装多个接收换能器；
s2:把步骤s1中安装好的发射换能器按照预先设定顺序接入发射机的发射输出端，把步骤s1中安装好的接收换能器按照预先设定顺序接入多通道放大器的接收输入端；
s3:控制器控制发射机驱动步骤s2中的发射换能器向受试水合物样品发射超声波信号；
s4:步骤s2中的接收换能器接收步骤s3中发出的超声波信号，并将超声波信号转变为电信号传送到多通道放大器；
s5:多通道放大器接收步骤s4中的电信号并进行放大处理，再将处理后的信号发送至控制器；
s6:控制器接收步骤s5中处理后的信号并进行数据处理，再将数据处理后的信号经由采集器传送至计算机；
s7:计算机接收处理步骤s6中数据处理后的信号，从而进行波形、数据显示和分析处理；
s8:重复步骤s3-s7直至实验结束。
技术总结